Наукові основи технологій поверхневого зміцнення деталей машин порошковими сумішами керованого складу

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2019. У дисертаційній роботі проведено комплекс досліджень, спрямованих на вирішення важливої науково-технічної проблеми в області технології машинобудування: розробка інноваційних та короткотривалих технологій поверхневого зміцнення деталей машин порошковими сумішами керованого складу для забезпечення експлуатаційних властивостей виробів на високому рівні при значному зниженні затрат на їх виготовлення. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розробці наукових основ інноваційних та короткотривалих технологій поверхневого зміцнення деталей машин порошковими сумішами керованого складу, що дозволило вирішити актуальну науково-практичну проблему підвищення терміну служби деталей машин та інструменту: – вперше розраховано локальні максимуми поверхневої твердості та глибини дифузійних шарів сплавів і встановлено теоретичні оптимальні умови процесів дифузійного зміцнення, що дозволяє отримати конкретні технологічні параметри проведення хіміко-термічної обробки (ХТО) та забезпечити оптимальні характеристики дифузійних шарів; – вперше створено математичні моделі та номограми існуючих технологій поверхневого зміцнення сталей, що дозволило визначити конкретні умови ХТО (температуру і тривалість), виходячи із заданої глибини дифузійного шару або поверхневої твердості сталей, що суттєво впливає на ефективність реалізації процесів зміцнення; – вперше на основі використання інноваційних технологій і системного аналізу при мінімальних витратах, розроблено загальний методологічний підхід керування технологічними процесами поверхневого зміцнення деталей порошковими сумішами керованого складу при насиченні поверхневих шарів азотом, вуглецем і бором, це дозволило підвищити експлуатаційні властивості виробів при значному скороченні тривалості ХТО; – набули подальшого розвитку розроблені комплексні ХТО, які значно знижують крихкість борованих шарів за рахунок більш плавного зниження твердості від поверхні до серцевини виробів зі сталей, що дозволило підвищити експлуатаційні властивості виробів та термін служби деталей машин та інструменту на відміну від відомих методів ХТО, які підвищують лише поверхневу твердість; – вперше розроблено математичну модель розподілу температури за глибиною дифузійного шару, що дозволило визначити характер залежностей та отримати дані про розподіл температури за глибиною виробу при різних технологічних режимах обробки; – удосконалено технологію борування з паст титанових сплавів за рахунок використання нанодисперсного насичувального середовища, що дозволило скоротити процес борування у 2-3 рази та скоротити технологічний процес виготовлення деталей за рахунок поєднання двох операцій: борування і гартування титанового сплаву; – запропоновано розв’язання крайових задач дифузії методом граничних елементів, що дозволило вперше створити математичну модель розподілу концентрації бору за товщиною зміцненого шару титанового сплаву; − удосконалено технологію інтенсифікації процесів ХТО методами нагрівання струмами високої частоти та за рахунок попередньої лазерної обробки деталей, що дозволило отримати високі експлуатаційні властивості поверхневих шарів при значному скороченні тривалості обробок. Практичне значення роботи полягає у розробці технологій комбінованого зміцнення поверхневих шарів деталей зі сплавів. На основі комплексу проведених теоретичних та експериментальних досліджень, сформульованих принципів, закономірностей і положень отримані наступні практичні результати: 1. Спосіб комбінованої обробки сталевих виробів, що включає попередню лазерну обробку поверхні матеріалу з потужністю лазерного випромінювання -1,0±0,1 кВт, швидкістю пересування лазерного променя - 0,5-1,5 м/хв. з наступним азотуванням. Крім цього, азотування проводять в середовищі меламіну з 3-5% фтористого натрію при температурі 530-560 °C протягом 2-3 годин (патент України №111066). 2. Спосіб дифузійного борування сталевих виробів, що включає попереднє нанесення на поверхню обмазки, в склад якої входить боровмісна речовина, активатор фторид натрію і зв'язуюча речовина розчину клею БФ в ацетоні, і нагрівання струмами високої частоти. При цьому в обмазці як боровмісну речовину використовують поліборид магнію або аморфний бор і додатково введено активатор фторид літію (патент України №116177). 3. Спосіб поверхневого зміцнення сталевих виробів, що включає нанесення на поверхню деталі обмазки, до складу якої' входить боровмісна речовина і активатор, сушіння і нагрівання струмами високої частоти. В обмазці як боровмісну речовину використовують аморфний бор і активатор фторид літію. Нагрівання проводять при температурі 800-1100 °С протягом 1-5 хвилин (патент України №116178). 4. Спосіб отримання твердого покриття на поверхні сталевих виробів, що включає попередню обробку поверхні матеріалу та борування. Проводять попередню лазерну обробку поверхні матеріалу з наступним боруванням в середовищі полібориду магнію, активаторами: фтористий натрій і фтористий літій (патент України №116116). 5. Сплав на основі заліза з ефектом пам'яті форми, що містить: залізо, марганець, кремній, вуглець, хром, нікель, кобальт, мідь, ванадій, ніобій, молібден. При цьому до сплаву додатково введено сірку та фосфор (ваг. %): марганець від 4 до 20; кремній від 1,0 до 4,5; вуглець від 0,1 до 1,0; хром від 10,0 до 25,0; нікель від 1,0 до 10,0; кобальт від 1,0 до 10,0; мідь від 1,0 до 4,0; ванадій від 0,5 до 2,0; ніобій від 0,3 до 1,5; молібден від 0,5 до 2,0; сірка до 0,01; фосфор до 0,045; залізо решта (патент України №116117). 6. Склад для борування сталевих виробів, що містить аморфний бор, тетрафтороборат калію, нітрид бору і доломіт (патент України №117775). 7. Спосіб поверхневого зміцнення титанових сплаві, що включає насичення поверхневих шарів компонентами боровмісного середовища, до складу якого входить боровмісна речовина та активатор, і нагрівання. Насичення поверхневих шарів здійснюють компонентами боровмісного середовища, яке складається з аморфного бору і фториду літію (патент України №117770). 8. Дисперсійно-твердіючий сплав на основі заліза з ефектом пам'яті форми, що містить: залізо, марганець, кремній, вуглець, ванадій, ніобій, вольфрам. Додатково введено алюміній, мідь, нікель, хром, сірку та фосфор (патент України №117757). 9. Розроблені технологічні процеси ХТО були впроваджені для підвищення поверхневої твердості сталевих виробів на ТОВ «АСТИЛ М» (м. Харків), що дозволило підвищити зносостійкість втулки у 1,5 рази після нітроцементації, у 4,3 рази після послідовній нітроцементації та боруванні, у 5 разів після цементації, нітроцементації та боруванні та у 2 рази після боруванні з нагріванням СВЧ у порівняні зі втулкою без поверхневого зміцнення (Акт впровадження від 05.10.2017 р.). 10. Розроблені технологічні процеси комбінованого зміцнення були впроваджені для підвищення поверхневої твердості сталевих виробів на ПАТ «Харківський машинобудівний завод «Світло шахтаря» (м. Харків). Виробничими випробуваннями встановлено, що запропоновані ефективні технологічні процеси комбінованого зміцнення поверхневого шару сталевих виробів дозволили значно прискорити технологічні процеси хіміко-термічної обробки у 2-10 разів, що привело до зменшення витрат на їх проведення за рахунок економії електричної енергії (Акт впровадження від 17.10.2017 р.). 11. Розроблені технологічні процеси були впроваджені на ТОВ «НВЦ ЄТМ» (м. Харків), що дозволило підвищити зносостійкість втулки у 1,5 рази після нітроцементації, у 4,3 рази після послідовній нітроцементації та боруванні (Акт впровадження від 31.10.2017 р.). 12. Прийняті для впровадження в виробництві розроблені номограми, які дозволяють визначити конкретні умови газового азотування (температуру і тривалість) виходячи із заданої глибини азотованого шару або поверхневої твердості виробів зі сталі 38Х2МЮА на ПАТ «Харківський машинобудівний завод «Світло шахтаря» (м. Харків). Встановлено, що запропоновані номограми дозволили значно спростити роботу інженера-технолога, а також номограми дозволили вирішувати зворотну задачу, а саме, оцінити можливу товщину зміцненого шару і поверхневу твердість при одночасному впливі температури і тривалості газового азотування (Акт впровадження від 15.11.2017 р.). 13. Розроблений ефективний технологічний процес нітроцементації у порошковій макродисперсній суміші для підвищення експлуатаційної стійкості зубчастого колеса зі сталі 38Х2МЮА на АТ «Харківський тракторний завод» (м. Харків). Встановлено, що використання макродисперсної суміші прискорило процес хіміко-термічній обробки у 1,5-2 рази при отриманні властивостей поверхневого шару виробу таких, як і після традиційного процесу нітроцементації, що дозволило зменшити витрати на проведення хіміко-термічної обробки у 2 рази (Акт впровадження від 24.01.2018 р.). 14. Розробки, виконані в дисертації, впроваджені в навчальний процес для студентів механіко-технологічного факультету НТУ «ХПІ» спеціальностей 131 «Прикладна механіка» спеціалізації 131-09 «Обладнання та технології ливарного виробництва» та 151 «Автоматизація та комп’ютерно інтегровані технології» спеціалізації 151-07 «Комп’ютеризовані системи управління технологічними процесами» (Акт впровадження від 20.12.2017 р.).The thesis for the scientific degree of doctor of technical sciences, specialty 05.02.08 – technology of mechanical engineering (13 – mechanical engineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2019. In the thesis a set of studies was aimed at solving an important scientific and technical problem in the field of engineering technology: the development of innovative and short-term technologies of machine parts surface hardening with controlled composition powder mixtures to ensure the performance properties of products at a high level with a significant reduction in the cost of their production. The scientific novelty of the results lies in the development of scientific foundations of innovative and short-term technologies of surface hardening of machine parts by powder mixtures of controlled composition, which allowed to solve the actual scientific and practical problem of increasing the service life of machine parts and tools: - for the first time, local maxima of surface hardness and depth of diffusion layers of alloys were calculated and theoretical optimal conditions of diffusion hardening processes were established, which allows obtaining specific technological parameters of the chemical and heat treatment (CHT) process and providing optimal characteristics of diffusion layers; - for the first time created mathematical models and nomograms of existing technologies of surface hardening of steels, which allowed to determine the specific conditions of the CHT process (temperature and duration), based on a given depth of the diffusion layer or surface hardness of steels, which significantly affects the effectiveness of the implementation of strengthening processes; - for the first time through the use of innovative technologies and systems analysis at minimal cost, developed a general methodological approach for control of technological processes of surface hardening of parts by the powder mixtures of controlled composition at saturation of surface layers with nitrogen, carbon and boron, it is possible to improve the performance properties of products with a significant reduction in the CHT duration; – further development of the developed CHT complex, which significantly reduces the fragility of boriding layers due to a more gradual decrease in hardness from the surface to the core products of steels, thus improving the operational properties of the goods and service life of machine parts and tools in contrast to known methods of the CHT, which only increase surface hardness; - for the first time, a mathematical model of temperature distribution over the depth of the diffusion layer was developed, which made it possible to determine the nature of the dependences and obtain data on the temperature distribution over the depth of the product at different processing modes; – improved boriding technology with pastes of titanium alloys through the use of nanodispersed saturating environment, thereby reducing the boriding process to 2-3 times and to shorten the manufacturing process of components by combining two operations: boriding and hardening a titanium alloy; - solutions of boundary-value problems of diffusion by the boundary element method are proposed, which allowed for the first time to create a mathematical model of the distribution of boron concentration over the thickness of the hardened layer of a titanium alloy; - the technology of intensification of processes by CHT of heating by high-frequency currents and by means of preliminary laser processing of details was improved, which allowed to obtain high performance properties of surface layers with a significant reduction in the duration of treatments. The practical value of the work is to develop a technology of combined hardening of the surface layers of alloys making parts. The following practical results are obtained on the basis of a set of theoretical and experimental studies, formulated principles, regularities and the following practical results are obtained: 1. Method of combined processing of steel products, including advanced laser processing of material surface with the laser radiation power of -1.0±0.1 kW, the speed of movement of the laser beam of 0.5–1.5 m/min with subsequent nitriding. In addition, the nitriding is carried out in an environment of melamine with 3 to 5 % of sodium fluoride at a temperature of 530-560 °C for 2–3 hours (the patent of Ukraine No. 111066). 2. Method diffusion boriding steel products, including pre-application to the surface of the coating, which includes boriding substance, the activator sodium fluoride and a binder solution of glue BF in acetone, and heating by high frequency currents. In the coating as boriding substance use polyboride magnesium or amorphous boron, and optionally an activator is introduced lithium fluoride (the patent of Ukraine No. 116177). 3. Method of surface hardening steel parts comprising coating the surface of the part coating, which' is included boriding substance and activator, drying and heating by high frequency currents. In the coating as boriding substance use amorphous boron activator and lithium fluoride. The heating is carried out at a temperature of 800-1100 °C for 1-5 minutes (the patent of Ukraine No. 116178). 4. A method of producing a solid coating on the surface of steel products, including pre-processing the surface of the material and boriding. Carry out a preliminary laser treatment of the surface of the material with subsequent boriding in the environment polyboride magnesium, activators: sodium fluoride and lithium fluoride (the patent of Ukraine No. 116116). 5. The iron-based alloy with shape memory effect, contains: iron, manganese, silicon, carbon, chromium, nickel, cobalt, copper, vanadium, niobium, molybdenum. In this case, the alloy additionally introduced sulfur and phosphorus (weights. %): the manganese from 4 to 20; silicon 1.0 to 4.5; carbon 0.1 to 1.0; chromium, 10.0 to 25.0; nickel 1.0-10.0; cobalt 1.0-10.0; copper 1.0-4.0; vanadium 0.5 to 2.0; niobium from 0.3 to 1.5; molybdenum from 0.5 to 2.0; sulfur up to 0.01; phosphorus up to 0,045; iron-rest (the patent of Ukraine No. 116117). 6. Сomposition for boriding steel products containing amorphous boron, tetrafluoroborate potassium, boron nitride and dolomite (the patent of Ukraine No. 117775). 7. Method of surface hardening of titanium alloys, including a saturation of the surface layers of components boron environment, which includes boriding substance and the activator, and heating. The saturation of the surface layers is performed by components boron environment that consists of amorphous boron and lithium fluoride (the patent of Ukraine No. 117770). 8. The dispersion hardening iron-based alloy with shape memory effect, contains: iron, manganese, silicon, carbon, vanadium, niobium, tungsten. Included aluminum, copper, nickel, chromium, sulfur and phosphorus (the patent of Ukraine No. 117757). 9. Developed technological processes were introduced to improve the surface hardness of steel products at the limited liability company "ASTIL M" (Kharkіv), improving the durability of the sleeve by 1.5 times after nitrocarburizing, 4.3-fold after successive nitrocarburizing and boriding, 5 times after carburizing, nitrocarburizing and boriding and 2 times after boriding with microwave heating compared to a sleeve without surface hardening (the implementation Act from 05.10.2017). 10. Developed technological processes of the combined consolidation was implemented to improve surface hardness of steel products at Public company «Kharkiv machine-building plant "SVET SHAKHTYORA" (Kharkiv). Production tests have proved that the proposed effective technological processes of the combined hardening of surface layers of steel products will significantly accelerate the technological processes of chemical heat treatment in 2-10 times, led to reduced costs for them by saving electrical energy (the implementation Act from 17.10.2017). 11. Developed technological processes have been introduced at the limited liability company "Scientific-production Centre of the European mechanical engineering technology" (Kharkiv), thus improving the durability of the sleeve by 1.5 times after nitrocarburizing, 4.3-fold after successive nitrocarburizing and boriding (the implementation Act from 31.10.2017). 12. Adopted for implementation in production of developed nomograms that allow to define specific conditions of gas nitriding (temperature and duration) based on the desired depth of nitrided layer or the surface hardness of products of steel 38Cr2MoAl at Public company "Kharkiv machine-building plant «SVET SHAKHTYORA" (Kharkiv). Determined that the proposed nomograms greatly simplified the work of the engineer and these nomograms allowed to solve the inverse problem, to estimate the possible thickness of the hardened layer and surface hardness, at the same time of temperature and duration of gas nitriding (the implementation Act from 15.11.2017). 13. Developed an effective technological process of nitrocarburizing in microdisperse powder mixture to improve the operational stability of the toothed wheel of steel 38Cr2MoAl at private joint stock company "Kharkiv Tractor Plant". The use of microdisperse mixture accelerated the process of chemical-heat treatment by 1,5-2 times while getting the properties of the surface layer of the product such as after the nitrocarburizing, which reduced the costs of conducting chemical-thermal treatment by 2 times (the implementation Act from 24.01.2018). 14. The developments made in the thesis introduced in the educational process for students of mechanical engineering faculty of NTU "KhPI" special 131 "Applied mechanics" specialization 131-09 "Equipment and technology of foundry" and 151 "Automation and computer integrated technologies" specialization 151-07 "Computerized control of technological processes" (the implementation Act from 20.12.2017).