Повышение жаростойкости углеродистых сталей термодиффузионным насыщением и нанесением вакуумных покрытий

В данной статье обоснована гипотеза о возможности повышения жаростойкости доэвтектоидных углеродистых сталей путем предварительного термодиффузионного легирования с последующим нанесением вакуумных нитридных покрытий. Установлено, что наибольшей жаростойкостью, определяемой по относительному приросту массы, обладают термодиффузионные слои, полученные в результате бороалитирования, далее в порядке уменьшения жаростойкости: слои, полученные в результате боросилицирования, борохромирования, бороазотирования и борирования. Разработаны новые составы жаростойких покрытий композиционного типа «термодиффузионный слой – вакуумное ионно-плазменное покрытие», которые также являются твердыми, износостойкими, коррозионностойкими в условиях атмосферной коррозии, растворах солей и некоторых кислот. Проведена оценка влияния ионно-плазменных покрытий на дополнительное повышение жаростойкости сталей с полученными термодиффузионными слоями, в ходе которой определены и приведены наиболее эффективные составы разработанных покрытий для повышения жаростойкости поверхности. Приведены результаты расчета прогнозной жаростойкости разработанных композиций «диффузионный слой – ионно-плазменное покрытие» на углеродистых доэвтектоидных сталях.

1. Хоккинг, М. Металлические и керамические покрытия: получение, свойства и применение / М. Хоккинг, В. Вассантари, П. Сидки: Пер. с англ. М.: Мир, 2000. 518 с.

2. Ткаченко, Г. А. Повышение коррозионной стойкости стальных деталей комплексной обработкой / Г. А. Ткаченко, А. В. Ковальчук // Создание новых и совершенствование действующих технологий и оборудования нанесения гальванических и их замещающих покрытий: материалы 3-го Респ. науч.-техн. семинара. Минск, 5–6 декабря 2013 г. Минск: БГТУ, 2013. С. 119–122.

3. Константинов, В. М. Свойства двухслойных износостойких покрытий «термодиффузионный слой – TiAlN» на сталях / В. М. Константинов, А. В. Ковальчук, В. Г. Дашкевич // Журнал физики и инженерии поверхности. 2016. Т. 1. № 2. С. 213–224.

4. Константинов, В. М. Разработка аддитивных технологий упрочнения конструкционных сталей на основе химикотермической обработки и нанесения ионно-плазменных покрытий / В. М. Константинов, Ф. Ф. Комаров, А. В. Ковальчук, С. В. Константинов // Актуальные проблемы прочности. В 2-х т. T. 2. Витебск: УО «ВГТУ», 2018. С. 377–401.

5. Komarov, F. F. The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings / F. F. Komarov, V. M. Konstantinov, A. V. Kovalchuk, S. V. Konstantinov, H.A. Tkachenko // Wear. 2016. Vol. 352–353. P. 92–101.

6. Елагина, О. Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин: учеб. пособие / О. Ю. Елагина. М.: Логос, 2009. 488 с.

7. Ляхович, Л. С. Многокомпонентные диффузионные покрытия / Л. С. Ляхович, Л. Г. Ворошнин, Г. Г. Панич, Э. Д. Щербаков. Минск: Наука и техника, 1974. 288 с.

8. Крукович, М. Г. Пластичность борированных слоев / М. Г. Крукович, Б. А. Прусаков, И. Г. Сизов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 384 с.

9. Ляхович, Л. С. Силицирование металлов и сплавов / Л. С. Ляхович, Л. Г. Ворошнин, Э. Д. Щербаков, Г. Г. Панич. Минск: Наука и техника, 1972. 280 с.

10. Ворошнин, Л. Г. Современные износостойкие диффузионные покрытия / Л. Г. Ворошнин // Перспективы развития поверхностного и объемного упрочнения сплавов: сборник науч. тр., посвященный 40-летию кафедры «Материаловедение в машиностроении». Минск: БНТУ, 2004. С. 10–21.

11. Берлин, Е. В. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей / Е. В. Берлин, Н. Н. Коваль, Л. А. Сейдман. М.: Техносфера, 2012. 464 c.

12. Земсков, Г. В. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов / Г. В. Земсков, Р. Л. Коган. М.: Металлургия, 1978. 208 с.

13. Ворошнин, Л. Г. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Спр. / Под ред. Л. С. Ляховича. М.: Металлургия, 1981. 424 c.

14. Кайдаш, Н. Г. Структура и свойства боридосилицидных покрытий на железе и стали / Н. Г. Кайдаш, Л. Н. Четверикова // Вест. Черкас. нац. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2007. № 114. С. 89–115.

15. Раднаев, Б. В. Жаростойкость слоев боридов переходных металлов на углеродистой стали 20 / Б. В. Раднаев, А. С. Милонов, Н. Н. Смирнягина // Вест. Бурят. гос. ун-та. 2011. № 3. С. 199–203.

16. Галынская, Н. А. Упрочняющая обработка штампов для глубокой вытяжки / Н. А. Галынская, Н. Г. Кухарева, С. Н. Петрович, Г. В. Стасевич // Вест. Белорус. нац. техн. ун-та. 2010. № 4. С. 30–34.

17. Макеев, Д. Н. Влияние вводимых легирующих элементов на свойства стали / Д. Н. Макеев // Вест. СГТУ. 2012. № 3(67). С. 92–98.

18. Быкова, Т. М. Влияние химического состава стали на структуру и свойства диффузионных боридных покрытий: Дисс. … канд. техн. наук. Екатеринбург, 2016. 164 с.

19. Бирке, Н. Введение в высокотемпературное окисление металлов / Н. Бирке, Д. Майер. М.: Металлургия, 1987. 189 с.

20. Kutz, M (Ed.) Mechanical Engineers’ Handbook: Manufacturing and Management / 3rd ed. – ASM International, 2006. Vol. 3. 880 p.

21. Gleiter, H. Nanostructured Materials: Basic Concepts and Microstructure / H. Gleiter // Acta Materialia. 2000. Vol. 48, No. 1. Рр. 1–29.

22. Douglas, B. E. Structure and chemistry of crystalline solids. New York: Springer, 2006. 346 p.