Влияние технологических режимов и условий диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на коррозионную стойкость и стойкость к износу сплавов на основе железа

Высокая нагруженность современных машин и механизмов, эксплуатация их в агрессивных средах предъявляют высокие требования к износостойкости деталей этих машин и механизмов, а также к их коррозионной и коррозионно-механической стойкости. Работоспособность таких деталей в основном определяется механическими и физико-химическими свойствами их поверхностных слоев. Вследствие этого задачи, связанные с разработкой, усовершенствованием технологий и оптимизацией режимов технологических стадий, обеспечивающих формирование на поверхности деталей слоев (покрытий), обладающих высокими защитными свойствами как к механическому, так и к коррозионному воздействию, являются весьма актуальными.

Одним из путей, обеспечивающих деталям сочетание механической прочности с их износостойкостью, стойкостью к агрессивному воздействию рабочей среды, является путь нанесения на их поверхность покрытий, формируемых методами химико-термической обработки.

Химико-термическая обработка является наиболее распространенным способом поверхностного упрочнения как конструкционных, так и инструментальных сталей. Она промышленно используется на протяжении длительного времени, но, несмотря на это, технологии и теоретические положения ХТО постоянно совершенствуются и развиваются.

Теоретические, технологические и практические положения, касающиеся ХТО, освещены в основополагающих работах ведущих ученых Б. Н. Арзамасова, В. И. Архарова, Н. С. Горбунова, Г. Н. Дубинина, Г. В. Земскова, В. М. Зинченко, М. Г. Карпмана, Я. Д. Когана, Ю. М. Лахтина, Л. С. Ляховича, А. Н. Минкевича, Д. А. Прошкина. Исследования, касающиеся диффузионной металлизации, ее кинетики, механизмов формирования покрытий, их работоспособности и использования, наиболее полно отражены в работах ученых: В. П. Артемьева, В. Т. Борисова, Я. Е. Гегузина, К. П. Гурова,.

Б .Я. Лобова, А. П. Мокрова, А. Г. Соколова, М. И. Чаевского, В. Ф. Шатинского, Г. В. Щербединского.

Применяемые в настоящее время способы ХТО в основном базируются на насыщении поверхностных слоев инструмента элементами внедрения, что обеспечивает значительное повышение твердости, а, следовательно, и износостойкости поверхностных слоев. Наиболее распространенными являются технологии насыщения поверхностных слоев элементами внедрения: углеродом и азотом — цианирование, азотирование и нитроцементация [1, 25−31]. На поверхности деталей в результате этих обработок создается слой высокой твердости (до 70−71 НЯС), высокой износостойкости и теплостойкости, а возникающие в поверхностных слоях в результате насыщения сжимающие напряжения способствуют повышению предела выносливости материала детали. Однако для большинства деталей их поверхностные слои должны обладать не только стойкостью к механическому износу, а иметь комплекс механических и физико-химических свойств, обеспечивающих им повышение статической, усталостной прочности при воздействии переменных объемных и контактных нагрузок, стойкости к агрессивному воздействию рабочей среды и др. свойствами.

Для решения этих задач могут применяться различные насыщающие элементы и технологии.

Наиболее универсальными и пригодными для всех деталей машин и инструмента, работающих в условиях механического изнашивания и воздействия агрессивных сред, являются технологии диффузионной металлизации.

Диффузионная металлизация позволяет в более широких пределах изменять механические и физико-химические свойства поверхностных слоев и всего изделия в целом, получать на поверхности слои, обладающие износостойкостью и имеющие запас вязкости, высокую коррозионную стойкость, жаростойкость, стойкость к адгезионному схватыванию [31].

Диффузионная металлизация, несмотря на свою перспективность, в настоящее время имеет ограниченное применение, что связано с неотработанностью ее технологий, недостаточной изученностью ее влияния на работоспособность изделий в условиях воздействия высоких механических нагрузок, коррозионного и механического износов.

Наиболее перспективной технологией, обеспечивающей возможность одновременного повышения износостойкости, коррозионной и коррозионно-механической стойкости, является технология диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Данная технология является промышленнореализуемой, относительно малозатратной и может использоваться для нанесения покрытий как на конструкционные, инструментальные стали, так и, как показали исследовании проведенные в данной работе, на чугуны.

При диффузионном титанировании на поверхности изделия за счет взаимодействия титана с углеродом стали или углеродом, содержащимся в насыщающей среде, образуется твердый, износостойкий слой, содержащий карбиды титана. Микротвердость таких слоев может составлять НУ 25 004 200. Относительная износостойкость таких покрытий в несколько раз выше, чем для борированного или хромированного слоев [31].

Титан и его карбиды обладают высокой коррозионной стойкостью, особенно в среде повышенной влажности и морской воде, слабо реагируют с разбавленными кислотами и растворами щелочей [2, 5−8].

Недостатком диффузионного титанирования, применяемого для повышения износостойкости конструкционных сталей, является образование под покрытием обезуглероженной зоны, имеющей пониженную твердость, что может вызывать продавливание диффузионного слоя при действии высоких контактных напряжений [131].

Состав, строение, структура и свойства, а, следовательно, определяемая этими параметрами работоспособность титановых покрытий во многом зависят от технологии их нанесения, режимов титанирования, насыщающей среды, а также от состава покрываемого материала. Однако, в настоящее время недостаточно изучена взаимосвязь между составом, строением, структурой титановых покрытий и их защитными свойствами от механического, коррозионного и коррозионно-механического износов. Не разработана технология нанесения качественных, износостойких и коррозионно-стойких титановых покрытий на чугуны.

В соответствии с этим для установления влияния технологических режимов и условий диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на коррозионную стойкость и стойкость к износу сплавов на основе железа требуется проведение комплексных исследований по изучению кинетики формирования титановых покрытий на конструкционных и инструментальных сталях различных классов, т. е. с различным легированием. Кроме этого, оценить влияние элементного и структурно-фазового состава титановых покрытий на стойкость к эрозионному, коррозионному, коррозионно-механическому износам, а также проведение апробации работоспособности покрытых деталей в узлах и агрегатах, работающих в агрессивных условиях.

Целью данных исследований является изучение влияния состава сталей и чугунов, режимов диффузионной металлизации на кинетику и механизм формирования титановых покрытий, на их состав, строение, структуру, свойства, и оценка влияния этих параметров покрытий на механический, коррозионный и коррозионно-механический износ деталей механизмов и приспособлений, работающих в условиях износа и воздействия агрессивной рабочей среды.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить влияние технологических режимов, условий диффузионного титанирования и состава покрываемой стали на коррозионную стойкость, стойкость к износу стальных изделий, и на основе полученных данных произвести оптимизацию режимов диффузионного титанирования и термической обработки покрываемых изделий.

2. Разработать способ устранения обезуглероженного слоя, возникающего под покрытием и оказывающего отрицательное влияние на работоспособность титановых покрытий, при действии на них высоких контактных нагрузок.

3. Разработать технологию диффузионного титанирования чугунов, обеспечивающую формирование на них качественных износостойких покрытий.

4. Разработать компьютерную программу прогнозирования толщины титановых покрытий, формирующихся на сталях, в зависимости от режимов металлизации и состава покрываемой стали.

5. Разработать ультразвуковую установку для очистки изделий от следов транспортного расплава.

Диссертационная работа направлена на решение проблемы повышения стойкости к коррозии, механическому и коррозионно-механическому износам железоуглеродистых сплавов за счет нанесения на их поверхность диффузионных титановых покрытий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, а также установление влияния элементного и структурно-фазового составов покрытий, переходных слоев и структурно-фазовых изменений, происходящих в покрываемом сплаве, на работоспособность изделий.

В работе исследования были направлены на изучение, анализ и оценку влияния состава покрываемых сталей и чугунов, режимов процесса металлизации, состава среды насыщения на кинетику формирования покрытий на их состав, строение, структуру и свойства, а также на изучение особенностей механизма формирования титановых покрытий на чугунах, и на разработку технологии, обеспечивающей получение качественных покрытий на чугунах, способа устранения обезуглероженных слоев под покрытиями. Кроме этого, исследовано влияние элементного и структурнофазового состава покрытий, переходных слоев и материала основы на коррозионную стойкость, стойкость к механическому, коррозионно-механическому износам.

В диссертационной работе исследования проводились с применением современных методов исследований: металлографического, микродюро-метрического, микрорентгеноспектрального, микрорентгеноструктурного, на установках, оснащенных устройствами цифровой компьютерной обработки данных. Оценка влияния покрытий на параметры изделий, механические, коррозионные, коррозионно-механические свойства изделий проводилась в соответствии со стандартными методиками. Кроме этого, были проведены опытно-промышленные испытания.

В первой главе диссертационной работы был проведен анализ причин механического, коррозионного, коррозионно-механического, эрозионного и других видов износа, выявлены и обозначены причины этих видов износа и способы защиты от них. Рассмотрены основные, применяемые в настоящее время технологии, связанные с изменением элементного и структурно-фазовового состава поверхностных слоев изделий, выявлены их достоинства и недостатки. В результате проведенной оценки была выявлена перспективность технологии диффузионной металлизации, обеспечивающей возможность формирования на поверхности стальных изделий покрытия, обладающего коррозионной стойкостью и стойкостью к механическому износу. При этом, установлено, что наиболее перспективной технологией среди существующих является технология диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, а металлическим элементом, обеспечивающим повышение стойкости к механическому, коррозионному, коррозионно-механическому износам, является титан. На основании анализа разработанности технологии диффузионного титанирования и влияния титанирования на работоспособность изделий была поставлена цель и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе описано технологическое оборудование, применяемое для диффузионной металлизации инструмента, и разработанные нами способ и оборудование для ультразвуковой очистки изделий от следов насыщающей среды. Описаны методики определения состава покрытий переходных слоев, а также их строения, структуры и свойств. Дан перечень материалов, на которых проводились исследования. Описаны примененные методики исследований параметров покрытых изделий, экспериментальных исследований по оценке стойкости к коррозии, механическому износу, трибологических свойств покрытий.

В третьей главе проведен анализ влияния режимов и условий диффузионного титанирования, а также состава покрываемого сплава на состав, строение, структуру и свойства покрытий. В частности, был произведен выбор транспортного расплава и анализ его влияния на процесс формирования покрытий. Оценено влияние состава сталей и режимов диффузионного титанирования на состав, строение, структуру и свойства покрытий, формирующихся на них. Проведены исследования по диффузионному титанированию чугунов из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. С целью обеспечения возможности формирования на поверхности чугунов качественных износостойких покрытий нами была разработана и исследована технология, обеспечивающая получение на чугунах качественных работоспособных титановых покрытий (способ запатентован). Были исследованы особенности формирования титановых покрытий на чугунах, изучены свойства переходных обезуглероженных слоев и основного материала.

Проведены также исследования по оценке влияния диффузионного титанирования на механические свойства изделий, на геометрические размеры и шероховатость поверхности.

В четвертой главе проведен анализ влияния диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на стойкость покрываемых изделий к механическому, коррозионномеханическому, эрозионному износам и на трибологические свойства изделий. В частности, проведены исследования влияния элементного и структурно-фазового состава титановых покрытий, нанесенных на стали с различным содержанием углерода, на общую коррозию в кислой, нормальной и щелочной средах. На основании опытно-промышленных испытаний проведена сравнительная оценка коррозионно-механической стойкости титановых покрытий с другими видами покрытий, нанесенных с применением ХТО, диффузионной металлизации и напыления. Также проведены исследования стойкости титановых покрытий к механическому и эрозионному износам, и определены трибологические свойства титановых покрытий, нанесенных на чугун в различных парах трения.

В заключении работы осуществлен анализ проведенных исследований и сформулированы основные выводы.

В приложении представлены: акт использования результатов диссертационной работы в промышленности, акты опытно-промышленных испытаний, компьютерная программа.

Основные результаты исследований опубликованы в 3 статьях, 2 из них — в рецензируемых журналах, в двух патентах на изобретение, в одной заявке на изобретение, по которой получено решение о выдаче патента, в одном свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ, а также были апробированы и опубликованы в материалах 3-х международных конференций.

Научная новизна работы.

1. Теоретически и экспериментально подтверждено, что при формировании титановых покрытий из расплава РЬ-Вь1л-Т1 на железоуглеродистых сплавах, в зависимости от содержания углерода в сплаве, температуры процесса металлизации, а также от наличия в сплаве карбидообразующих легирующих элементов, возможно образование трех типов титановых покрытий. 1-й тип — покрытия, основой которых являются интерметаллидные соединения титана и железа- 2-й тип — покрытия, состоящие из карбида титана с твердорастворной связкой на базе а-титана- 3-й тип — покрытия, состоящие из карбида титана.

2. Установлено, что при титанировании сталей образующийся под титановым покрытием обезуглероженный слой, оказывающий отрицательное влияние на работоспособность покрытых изделий, может быть устранен предложенным в диссертации способом, включающим проведение после диффузионного титанирования термообработки при температуре 130−150°С длительностью 4−5 часов.

3. Выявлено, что при титанировании чугунов без изменения технологических операций процесса на их поверхности формируются покрытия, состоящие из карбида титана. Эти покрытия обладают очень высокой хрупкостью и могут скалываться с покрываемой поверхности, при этом хрупкость получаемых титановых покрытий зависит от толщины покрываемого изделия.

4. Установлено и теоретически обосновано, что для получения качественных титановых покрытий на чугунах перед диффузионным титанированием поверхностные слои чугунных изделий должны быть подвергнуты обезуглероживанию, которое может осуществляться путем отжига их в окислительной среде.

5. Выявлено, что предварительный отжиг и последующее титанирование приводит к образованию под покрытием зоны, в которой графит принимает хлопьевидную форму, вызывает повышение прочности и пластичности этой переходной зоны (слоя).

6. Установлено, что титановые покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью, стойкостью к коррозионно-механическому и механическому износам. При этом, наибольшей стойкостью к общей коррозии обладают титановые покрытия, формирующиеся на базе интерметаллидных соединений, а стойкостью к коррозионно-механическому и механическому износу — покрытия, состоящие из карбида титана с твердорастворной связкой на базе а-титана.

7. Установлено, что покрытия, получаемые на чугуне после диффузионного титанирования по разработанной в ходе исследований технологии, обладают высокой износостойкостью. Линейный износ деталей с титановыми покрытиями при работе в паре с непокрытыми чугунными деталями равен нулю. При этом оптимальной парой трения является пара, в которой титановое покрытие нанесено на неподвижную деталь. Это обеспечивает минимальный износ сопрягаемой непокрытой детали и минимальное значение коэффициента трения.

8. Создана программно-математическая модель, обеспечивающая возможность компьютерного прогнозирования кинетики формирования титановых покрытий на сталях с различным содержанием углерода и при различных режимах диффузионного титанирования.

Практическая значимость работы.

1. Даны практические рекомендации эффективного использования диффузионного титанирования для повышения работоспособности деталей машин, приспособлений, работающих агрессивных средах, а также при наличии абразивного воздействия среды и механического износа.

2. Разработана технология диффузионного титанирования чугунов, обеспечивающая формирование на чугунах качественных износостойких покрытий. Оптимизированы режимы предварительных и основных технологических этапов диффузионного титанирования чугунов.

3. Разработан способ, обеспечивающий возможность за счет исключения обезуглероживания переходного слоя между титановым покрытием и основным материалом, значительно повысить стойкость поверхностных слоев изделий к воздействию на них контактных напряжений.

4. Разработан способ и установка ультразвуковой очистки покрытых изделий от следов технологической среды.

5. Разработана программа для ЭВМ, обеспечивающая возможность компьютерного прогнозирования кинетики формирования титановых покрытий на сталях с различным содержанием углерода и при различных режимах диффузионного титанирования.

6. Результаты работы были использованы на предприятиях ОАО «Невинномысский азот» и КП «Блок».

В работе защищаются:

— результаты исследований состава, строения, структуры диффузионных титановых покрытий, формирующихся на сталях и чугунах в процессе диффузионной металлизации их из среды легкоплавких жидкометаллических растворов;

— технологические и теоретические положения о влиянии на состав, строение, структуру и кинетику формирования покрытий состава покрываемых сплавов и режимов диффузионной металлизации;

— результаты исследований и анализа особенностей процесса и механизма формирования покрытий на чугунах;

— способ диффузионного титанирования чугунов, обеспечивающий формирование на их поверхности качественных работоспособных покрытий;

— результаты исследования особенностей механизма формирования титановых покрытий на чугунах, а также переходного слоя между покрытием и основойрезультаты исследования влияния обезуглероженного слоя, образующегося под покрытием титановым покрытием, на свойства покрытого изделия и способ устранения обезуглероженного слоя;

— результаты анализа влияния титанирования на механические свойства покрытых изделий, их геометрические размеры, шероховатость поверхности;

— результаты исследований, анализа и оценки коррозионной стойкости сталей с различным содержанием углерода без покрытий и с диффузионными титановыми покрытиями в кислых, нормальных и щелочных средах;

— результаты сравнительных экспериментальных исследований коррозионно-механических свойств сталей без покрытий, с диффузионными титановыми покрытиями и с покрытиями, нанесенными методами ХТО и плазменного напыления в кислой подвижной среде, содержащей абразивные частицы;

— результаты исследований по оценке влияния на стойкость к эрозионному износу сталей с различным содержанием углерода и степенью легирования без покрытий и с диффузионными титановыми покрытиямирезультаты исследования трибологических свойств чугунов, подвергнутых диффузионному титанированиюпрограмма для компьютерного прогнозирования кинетики формирования титановых покрытий на сталях с различным содержанием углерода и при различных режимах диффузионного титанирования;

— способ и устройство для ультразвуковой очистки покрытых изделий от следов свинцовых легкоплавких расплавов.

В настоящей работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором и при его участии в Кубанском государственном технологическом университете при выполнении госбюджетных НИР 4.02.06 — 010 «Разработка и освоение новых технологических процессов получения и производства деталей с особыми физико-механическими свойствами», и по собственной инициативе. Исследования проводились в соответствии с координационным планом.

Автор выражает благодарность научному консультанту д.т.н. Соколову.

A.Г., заслуженному научному деятелю Кубани, д.т.н., профессору Артемьеву.

B.П. и коллегам по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что коррозионная стойкость, стойкость к износу диффузионно-титанированных стальных изделий зависят от элементного и структурно-фазового состава покрытий, формирующихся на них, который, в свою очередь, определяется температурой, длительностью, условиями диффузионного титанирования, составом покрываемой стали. При этом, наибольшей стойкостью к общей коррозии обладают титановые покрытия, формирующиеся на базе интерметаллидных соединений, а стойкостью к коррозионно-механическому и механическому износу — покрытия, состоящие из карбида титана с твердорастворной связкой на базе а-титана. За счет нанесения покрытия скорость коррозии высокоуглеродистых сталей в нормальном и щелочных растворах снижается более чем на 3 порядка, коррозионно-механический износ деталей может быть снижен относительно деталей с другими видами покрытий от 1,3 до 6,6 раза.

2. Разработан способ устранения обезуглероженного слоя, возникающего под титановым покрытием и снижающего работоспособность покрытия при действии высоких контактных напряжений, заключающийся в проведении после диффузионного титанирования термообработки при температуре.

130. 150° С в течение 4.5 часов. (Патент № 2 379 376, МПК С23С 10/22.

2006.01). Способ обработки поверхности стальных изделий).

3. Установлено, что качественные, износостойкие титановые покрытия на чугунах могут быть получены только при проведении титанирования по разработанной нами технологии, включающей проведение перед диффузионным насыщением изделия операции отжига в кислородсодержащей среде длительностью 3−4 часа при температуре 800−950°С, при этом под покрытием формируется слой, в котором часть графита имеет хлопьевидную форму. {Заявка № 2 010 114 444/02, МПК С21 D 5/10, 3/04, С23 С 10/22 (2006.01) Способ обработки чугунных изделий).

4. Разработана компьютерная программа, позволяющая прогнозировать толщину покрытий и режимы процесса диффузионного титанирования. (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ M2011616889 от 26.07.2011. Программа для определения толщины титанового покрытия).

5. Разработана ультразвуковая установка для очистки покрытых изделий от следов транспортного расплава. (Патент № 2 443 802, МПК C23G 1/28, C23G 3/00 (2006.01). Способ очистки стальных изделий от следов свинцовых расплавов и устройство для его осуществления).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работоспособность деталей машин и инструмента в большинстве случаев определяется свойствами их поверхностных слоев, особенно при воздействии на них контактных механических нагрузок и агрессивной рабочей среды.

В работе проведен анализ причин механического, коррозионного, коррозионно-механического, эрозионного и других видов износа, выявлены и обозначены причины этих видов износа и способы защиты от них. Рассмотрены основные, применяемые в настоящее время технологии, связанные с изменением элементного и структурно-фазовового состава поверхностных слоев изделий, выявлены их достоинства и недостатки. В частности, рассмотрены и проанализированы технологии напыления, наплавки, методы химического (СУБ) и физического (РУБ) нанесения покрытий, технологии ХТО обработки, технологии диффузионной металлизации. В результате проведенной оценки была выявлена перспективность технологий диффузионной металлизации, обеспечивающей возможность за счет использования в качестве диффундирующих элементов различных металлов формировать на поверхности изделий покрытия, представляющие собой легированные слои основного материала, с заданными химическими, физическими и механическими свойствами. Кроме того, данные технологии позволяют в широких пределах только лишь за счет изменения режимов металлизации изменять состав, строение, структуру, и, в конечном итоге, свойства этих покрытий. Было установлено, что наиболее перспективной технологией среди существующих является технология диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.

Технология диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, обладая простотой и универсальностью, позволяет наносить одно и многокомпонентные равномерные покрытия одновременно на значительное количество деталей самой сложной конфигурации, а также за счет варьирования режимов процесса изменять в широких пределах состав, структуру, параметры и свойства покрытий, механизировать и автоматизировать процесс диффузионной металлизации.

Кроме этого, на основании анализа имеющихся сведений было установлено, что металлическим элементом, обеспечивающим повышение стойкости к механическому, коррозионному, коррозионно-механическому износам, является титан, формирующий на сплавах на основе железа, в зависимости от состава сплава и режимов обработки, совершенно различные по строению, составу, структуре и свойствам покрытия. Однако, как показал анализ объема и направлений исследований, касающихся технологии диффузионного титанирования, ранее проведенные исследования были направлены в основном на изучение процесса формирования покрытий, его кинетики и механизма, при этом не были проведены исследования, касающиеся возможности диффузионного титанирования чугунов, а также и свойств покрытий, получаемых на чугуне. Малоизученной является взаимосвязь между составом, строением, структурой и работоспособностью диффузионно титанированных изделий в условиях механического износа и коррозионного воздействия рабочей среды.

С целью установления влияния режимов и условий диффузионного титанирования на работоспособность сплавов на основе железа в условиях механического контактного воздействия и агрессивного воздействия рабочей среды на первом этапе в работе был проведен анализ факторов, влияющих на процесс формирования диффузионных титановых покрытий. Был произведен выбор транспортного расплава и анализ его влияния на процесс формирования покрытий. Оценено влияние состава сталей и режимов диффузионного титанирования на состав, строение, структуру и свойства титановых покрытий, в частности, установлено определяющее влияние углерода и температуры процесса титанирования на состав, строение, структуру и свойства титановых покрытий. Чем больше углерода в покрываемой стали, тем больше карбидов титана содержится в покрытии, и покрытие получается более твердым и тонким. На армко-железе и малоуглеродистой стали покрытия не содержат карбидов и формируются на базе интерметаллидных соединений. Количество карбидов в покрытии, а также их параметры, твердость и хрупкость зависят от температуры процесса.

На кинетику формирования покрытий и их свойства оказывают влияние также карбидообразующие легирующие элементы стали, снижающие блокирующее действие диффузии титана углеродом стали.

Содержание углерода в стали, температура процесса, природа легирующих элементов оказывают влияние также на состав и свойства обезуглероженных переходных слоев между покрытием и основой, приводящих к снижению эксплуатационных свойств покрытий. С целью устранения вредного влияния обезуглероженных слоев нами был разработан и запатентован способ низкотемпературного длительного отжига, позволяющий устранять обезуглероженные слои.

В работе были проведены исследования по диффузионному титанированию чугунов из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Данные исследования показали, что вследствие высокой концентрации углерода в чугунах при их титанировании на поверхности изделий образуются очень хрупкие покрытия, которые растрескиваются и скалываются с поверхности чугуна при охлаждении покрытых деталей.

С целью обеспечения возможности формирования на поверхности чугунов качественных износостойких покрытий нами был разработан и запатентован способ повышения износостойкости чугунов, включающий проведение перед титанированием обезуглероживающей обработкиотжига. Кроме этого, были исследованы особенности формирования титановых покрытий на чугунах, свойства переходных, обезуглероженных слоев и основного материала.

С целью обеспечения возможности прогнозирования кинетики формирования титановых покрытий и оптимизации режимов титанирования была разработана компьютерная программа. На эту программу получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Исследования по оценке влияния диффузионного титанирования на механические свойства изделий, на геометрические размеры и шероховатость поверхности показали, что эти параметры зависят также как и сам процесс формирования покрытий, от состава сплава, режимов металлизации, при этом определяющими факторами являются концентрация углерода в сплаве и температура процесса металлизации. При этом, как установлено, возможен как рост размеров изделий, так и их уменьшение, аналогичные изменения проявляются и на параметрах шероховатости покрытых поверхностей. При высоких температурах процесса титанирования и высокой степени легированности сплава наблюдается уменьшение размеров детали (обратный изотермический перенос).

В работе проведены исследования по оценке влияния диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на стойкость покрываемых изделий к коррозии, механическому, коррозионно-механическому и эрозионному износам.

Исследование влияния титановых покрытий, формирующихся на сталях и чугунах, на общую коррозию, коррозионно-механические и трибологические свойства проводились в различных агрессивных средах и при наличии смазки.

Исследования на общую коррозию проводились как сравнительные, на основании которых оценивались защитные свойства титановых покрытий в кислой, нормальной и щелочной средах, а также проводился анализ влияния элементного и структурно-фазового состава титановых покрытий, формирующихся на сталях с различным содержанием углерода. Данные исследования показали, что титановые покрытия, сформированные на базе интерметаллидных соединений и карбида титана, обладают высокими антикоррозионными свойствами. Скорость коррозии высокоуглеродистых сталей снижается по сравнению с непокрытой сталью более чем на три порядка. Большей коррозионной стойкостью в спокойном электролите обладают покрытия, сформированные на базе интерметаллидных соединений.

Исследования влияния параметров и состава покрытий на стойкость к коррозионно-механическому износу проводились в условиях коррозионного и абразивного воздействия рабочей среды, при этом имитировалась работа лопаток турбины центробежного насоса, которым производится перекачка фосфорной кислоты концентрации не менее 52%, в кислоте присутствовало до 10% частиц апатита. Сравнительные испытания показали, что титановые покрытия, сформированные на базе карбида титана, в условиях коррозионно-абразивного износа обладают самыми высокими защитными свойствами не только по сравнению с непокрытыми образцами, но и по сравнению с образцами, подвергнутыми азотированию, плазменному напылению, карбонитрации и диффузионному хромированию с карбонитрацией.

Кроме этого, стойкость к коррозионно-механическому износу диффузионных титановых покрытий оценивалась на основании анализа результатов опытно-промышленных испытаний диффузионнотитанированных штоков гидроцилиндров, испытывающих в процессе эксплуатации коррозионно-абразивный износ. Срок службы штока гидроцилиндра за счет покрытия возрос в 3.4 раз.

Влияние параметров и состава покрытий на стойкость к эрозионному износу, возникающему вследствие воздействия на образцы кварцевого песка, посредством пескоструйного аппарата, оценивалось путем проведения сравнительных испытаний образцов с покрытием и без покрытия. Установлено, что защитные свойства титановых покрытий от эрозионного износа зависят от элементного и структурно-фазового состава покрытий. Титановые покрытия, формирующиеся на базе интерметаллидных соединений, обладают низкой стойкостью к эрозионному износу, покрытия, формирующиеся на базе карбида титана и содержащие твердорастворную а-титановую связку, обеспечивают значительное повышение эрозионной стойкости покрываемых сплавов, как сталей, так и чугунов.

В работе также проводились исследования трибологических свойств титановых покрытий. Покрытия, получаемые на чугуне после диффузионного титанирования по разработанной нами технологии, включающей проведение перед титанированием обезуглероживающего отжига, показали высокую износостойкость. Линейный износ деталей с титановыми покрытиями при работе в паре с непокрытым чугунными деталями равен нулю. При этом оптимальной парой трения является пара, в которой титановое покрытие нанесено на неподвижную деталь. Это обеспечивает минимальный износ сопрягаемой непокрытой детали, и минимальное значение коэффициента трения.