Автореферат (Повышение коррозионной стойкости конструкционных сталей комбинированными методами хто, включающими цинкование и азотирование)

На правах рукописиКОСАЧЕВ АРТЕМ ВЯЧЕСЛАВОВИЧПОВЫШЕНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХСТАЛЕЙ КОМБИНИРОВАННЫМИ МЕТОДАМИ ХТО, ВКЛЮЧАЮЩИМИЦИНКОВАНИЕ И АЗОТИРОВАНИЕСпециальность 05.16.09 –«Материаловедение (машиностроение)»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква, 2019Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждениивысшегообразования«Московскийавтомобильно-дорожныйгосударственный технический университет (МАДИ)» (ФГБОУ ВО «МАДИ») на кафедре«Технологии конструкционных материалов».Научный руководитель:Петрова Лариса Георгиевна - доктор технических наук,профессорОфициальные оппоненты:Помельникова Алла Сергеевна - доктор техническихнаук,профессор,профессоркафедры«Материаловедения»ФГБОУВО«Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э.Баумана(национальныйисследовательскийуниверситет)» (МГТУ им.Н.Э.

Баумана)Тарасова Татьяна Васильевна - кандидат техническихнаук, доцент, доцент кафедры «Высокоэффективныетехнологии обработки» ФГБОУ ВО «МосковскийГосударственныйТехнологическийУниверситет«Станкин»Ведущая организация:«Центральный научно-исследовательский институтчерной металлургии им. И.П.Бардина» (ФГУП«ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»)(г. Москва)Защита диссертации состоится «23» апреля 2019 г. в «14» часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.126.03 на базе ФГБОУ ВОМАДИ по адресу: 125319 Москва, Ленинградский проспект, дом 64С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавтомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) www.madi.ruАвтореферат разослан «___» _____________ 2019 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наук, доцентСундуков Сергей Константинович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

Коррозия металлических изделийпредставляет серьезную проблему, поскольку наносит значительный экономический иэкологический ущерб национальным экономикам. Многие стальные детали и элементыметаллоконструкций эксплуатируются при воздействии агрессивных сред (атмосферныхосадков, конденсации влаги и т.п.) в сочетании с высокими механическими нагрузками,что приводит к усугублению коррозионных процессов.Совершенствование способов защиты стали от атмосферной коррозии не перестаетбыть актуальным, поскольку обусловлено как экономическими требованиями,вызванными необходимостью уменьшения потерь металла и ремонтных затрат, так иэкологическими факторами, связанными с загрязнением окружающей среды продуктамикоррозии.

Не менее значимыми являются и социальные аспекты повышенияэффективности коррозионной защиты, связанные с надежностью деталей машин иметаллоконструкций при возникновении техногенных аварийных ситуаций.Во многих случаях детали машин эксплуатируются в условиях повышенныхфрикционных и усталостных нагрузок на поверхность, что создает дополнительныетребования к ее износостойкости и контактной выносливости.

В связи с этим разработканедорогих и эффективных технологических решений по созданию многофункциональныхзащитных слоев и покрытий на сталях является насущной задачей.Нанесение цинковых покрытий является одним их самых распространенныхметодов защиты стали от коррозии. Среди множества способов формирования цинковыхпокрытий на сталях (гальванический, термодиффузионный, горячее или холодноецинкование) метод диффузионной металлизации цинком (ДМЦ) имеет неоспоримыепреимущества. Но этот способ является наиболее затратным и сопровождаетсяразупрочнением сердцевины стальной детали вследствие высоких температур процесса.Преимущества цинк-наполненных покрытий (ЦНП), получаемых способомхолодного цинкования, заключаются в простоте нанесения и доступности осуществления.Их основной и весьма существенный недостаток – низкая адгезия со стальной подложкой,что обусловлено отсутствием взаимного проникновения атомов основы и покрытия, вотличие от метода ДМЦ.Многие процессы химико-термической обработки (ХТО) эффективны дляповышения коррозионной стойкости сталей, например, различные виды диффузионнойметаллизации (хромирование, алитирование и др.).

Более того, методы ХТО применяютсядля поверхностного упрочнения деталей, поскольку повышают твердость,износостойкость и другие характеристики диффузионного слоя. Азотирование являетсятем видом ХТО, которое позволяет сочетать поверхностное упрочнение с повышениемстойкости сталей к коррозии в некоторых средах. Развитию и широкому внедрениюпроцессов химико-термической обработки и, в частности, азотирования, в нашей странеспособствовали исследования научных школ под руководством выдающихся ученых А.Н.Минкевича, Ю.М.

Лахтина, Б.Н. Арзамасова, А.К. Тихонова, С.А. Герасимова.В настоящее время развитие процессов ХТО идет по пути комбинации различныхвидов обработки. Комбинированные методы ХТО, сочетающие азотирование и3диффузионную металлизацию (например, хромом, ванадием, титаном, алюминием и др.),используются для поверхностного модифицирования различных деталей машин.Подобные решения по созданию модифицированных слоев и покрытий на основе цинка иазота на сегодняшний день отсутствуют.Целью настоящей работы является разработка комбинированных процессовхимико-термической обработки сталей, включающих цинкование и азотирование, дляповышения коррозионной стойкости, износостойкости и обеспечения адгезии цинковыхпокрытий к стальной подложке, на основе комплексного металловедческого исследованиямодифицированных слоев, полученных в результате диффузионного насыщенияповерхности цинком и азотом.Объектом исследования являются конструкционные углеродистые инизколегированные стали, применяющиеся для деталей машин и металлоконструкций,работающих в условиях атмосферной коррозии.Предметом исследования являются комбинированные процессы поверхностногомодифицирования сталей, включающие цинкование и азотирование.Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решаются следующиезадачи: выполнить сравнительный анализ методов формирования цинковых покрытийна сталях на основе обзора литературных источников для обоснования выбора способовцинкования для комбинированных процессов ХТО в сочетании с азотированием; обосновать выбор методов экспериментальных исследований структуры,химического состава модифицированных слоев, методов испытаний на коррозию, износ иадгезию; провести теоретический анализ взаимодействия элементов в двух- итрехкомпонентных системах, включающих Fe, Zn и N, на основе диаграмм состояния;определить условия образования возможных фаз; определить зависимости, связывающие параметры процесса диффузионногонасыщения с характеристиками модифицированного слоя на основе модели диффузиицинка в железо из покрытия фиксированной толщины; экспериментально установить и проанализировать закономерности строениямодифицированных слоев в сталях после комбинированных процессов, включающихцинкование и азотирование, в зависимости от параметров комбинированных процессов; установитьзависимости физико-химических и механических свойствповерхностных слоев в сталях (микротвердости, износостойкости, коррозионнойстойкости, адгезионных свойств), полученных комбинированными способами ХТО, отпараметров процессов; предложить рекомендации по рациональным режимам комбинированныхспособов обработки, включающей цинкование и азотирование, для стальных изделий,применяющихся в различных эксплуатационных условиях.Научная новизна.

Разработаны новые процессы модифицирования поверхностисталей, комбинирующие цинкование и азотирование: 1) диффузионная металлизация4цинком в азотосодержащей среде (ДМЦ+N) и 2) азотирование предварительнонанесенного на поверхность стали цинкнаполненного покрытия (ЦНП+N).Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено формирование послекомбинированных процессов однотипных по строению модифицированных слоев собразованием в стальной подложке диффузионных зон твердых растворов цинка и азота вжелезе.Установлены различия в механизмах диффузии элементов при процессах ДМЦ+Nи ЦНП+N. В первом случае одновременно с диффузией азота из газовой фазы происходитдиффузия в железо цинка из обмазки, что сопровождается образованием железо-цинковыхинтерметаллидов в диффузионной зоне. Во втором случае происходит диффузия цинка вжелезо из покрытия и диффузия азота из газовой фазы через цинковое покрытие.Встречная диффузия железа из основы в ЦНП приводит к формированию зоныинтерметаллидов на границе диффузионной зоны с покрытием.Коррозионностойкие модифицированные слои такого строения обладаютповышенной твердостью, износостойкостью и хорошей адгезией со стальной подложкой.Научная и практическая значимость результатов проведенных исследований.Научная значимость результатов исследований заключается в расширении знаний озакономерностях протекания комбинированных процессов химико-термическойобработки: кинетики диффузии элементов в металл при насыщении низкоуглеродистых иконструкционных сталей цинком и азотом, влияния параметров диффузионногонасыщения цинком и азотом на структурное состояние, фазовый состав и свойствамодифицированных слоев.Практическаязначимостьзаключаетсявразработкетехнологическихкомбинированных способов азотирования и цинкования изделий из конструкционныхсталей, работающих в агрессивных средах, для повышения их эксплуатационных свойств(износостойкости и коррозионной стойкости).

В результате использования разработанныхкомбинированных способов обработки для упрочнения деталей машиностроениядостигается эффект энерго- и ресурсосбережения за счет увеличения срока службыизделий и замены легированных сталей на более дешевые углеродистые инизколегированные стали. Практическая значимость подтверждена полученным патентомна изобретение (№ 2639755 от 27.06.2017 г.) и актом производственных испытанийстальных болтов, обработанных с помощью комбинированного способа диффузионногоцинкования и азотирования.Результаты аналитической и исследовательской глав диссертационной работыиспользуются в учебном процессе на кафедре «Технологии конструкционныхматериалов» Московского автомобильно-дорожного государственного техническогоуниверситета (МАДИ) в преподавании дисциплин: «Конструкционные и защитноотделочные материалы», «Конструкционные стали для транспортных сооружений»,«Новые технологические методы и материалы в машиностроении». Материалыметодической части работы использованы при подготовке учебного пособия «Основыэлектрохимической коррозии металлов и сплавов».Методология и методы исследования.