НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ДУДКА Олександр Іванович

УДК 620.19:621.785:669.002.3

ФОРМУВАННЯ БОРО- ТА БОРОХРОМОМІСТКИХ ПОКРИТТІВ

ТРИБОТЕХНІЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ ЛАЗЕРНОЮ ОБРОБКОЮ

Спеціальність 05.16.01 – Металознавство та термічна обробка металів

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 1999

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі металознавства та термічної обробки інженерно-фізичного факультета Національного технічного університета України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Писаренко Володимир Миколайович,

доцент кафедри металознавства та

термічної обробки Національного

технічного університету України “КПІ”

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Білоус Михайло Вячеславович, завідувач кафедри загальної фізики і фізики твердого тіла, професор НТУУ “КПІ”.

Кандидат фізико-математичних наук, с.н.с Захаров Сергій Михайлович, заступник завідувача відділом дифузійних процесів Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

Провідна установа: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Захист відбудеться 21 вересня 1999 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої ради К 26.002.12 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою:

252056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус №9, ауд. 203.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий "_21" _вересня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради К 26.002.12

к.т.н., доцент Г.Є. Федоров

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема підвищення зносостійкості деталей машин та устаткування є однією з ключових у сучасному машинобудуванні. Досягнення високого рівня зносостійкості можливе за рахунок використання існуючих або створення но-вих зміцнюючих технологій. Серед традиційних методів поверхневого зміцнення значне місце посідають хіміко-термічна обробка (ХТО) та методи газотермічного напилення покриттів (ГТНП). Однак, як ХТО, так і ГТНП не завжди задовільняють ви-моги нової техніки, пов язані із всезростаючими швидкіснонавантажувальними факторами. Так, боридним дифузійним покриттям, отриманним шляхом традиційної ХТО, притаманна значна крихкість, часто невисока товщина, що негативно впливає на довговічність деталей машин в умовах високих контактних тисків. Крім того, тради-ційні способи поверхневого зміцнення сталі передбачають, як правило, тривалі високотемпературні нагрівання, які призводять до зниження механічних властивостей серцевини сталевих деталей, перш за все характеристик вязкості та пластичності. Така ХТО також ускладнює отримання боридних покриттів на нержавіючих аустенітних сталях типу 12Х18Н9Т для підвищення їх зносостійкості при експлуатації в умовах тертя та зношування в широкому діапазоні температур.

Аналіз існуючих методів і способів борування, з огляду на технологічність, пока-зує, що найбільш перспективним є лазерне легування. Перспективним є використання лазерної обробки для створення градієнтних боромістких покриттів, а також для підвищення корозійної стійкості приповерхневих шарів на сталях шляхом їх поверх-невого легування хромом. Теоретичний та практичний інтерес представляють дослідження інтенсифікації процесів поверхневого легування лазерною термоцик-лічною обробкою (ТЦО). Тому дослідження впливу лазерної обробки на будову, процеси формування і трибо-технічні властивості покриттів, що містять бор, складають важливу та актуальну нау-кову і прикладну проблему. Реалізація лазерних технологій легування, оплавлення та термоциклювання відкриває перспективу отримання виробів з раціональним поєднанням властивостей зміцненого поверхневого шару і серцевини, які забезпе-чують підвищення ресурсу роботи деталей і суттєве скорочення енергетичних та ма-теріальних затрат при їх виготовленні.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась у відповідності з планом наукових робіт кафедри металознавства і термічної обробки НТУУ “КПІ”, які фінансувалися Міністерством Освіти України і Мінмашпромом України та направлені на розробку нових боромістких покриттів на сталях за допомогою концентрованих джерел енергії.

Мета роботи. Метою даної роботи є розробка боро- і борохромомістких покриттів та технологій їх формування лазерною обробкою у режимі легування, оплавлення та термоциклю-вання, призначених для підвищення зносостійкості деталей вузлів тертя.

Для досягнення цієї мети було поставлено такі зав-дання:

- аналітично дослідити напружено-деформований стан, що виникає під час тертя у композиційному матеріалі зі стовпчатою і кулястою формами вкраплень (боридів);

- дослідити хімічний та фазовий склад, структуру та фізико-механічні власти-вості покриттів систем Fe-B i Fe-B-Cr, одержаних лазерним легуванням та термоциклюванням;

- на основі експериментальних та теоретичних досліджень обгрунтувати мож-ливість керування триботехнічними властивостями боромістких легованих покриттів шляхом їх термоциклювання та створенням градієнтних по товщинні структур лазерним оплав-ленням;

- визначити пружно-пластичні властивості боромістких покриттів за допомогою розробленого акустодюрометричного комплексу;

- встановити, з метою раціоналізації режимів експлуатації, закономірності процесів тертя та зношування отриманих покриттів на нержавіючій сталі 12Х18Н9Т в умовах тертя ковзанням в широкому діапазоні температур та навантажень;

- перевірити ефективність роботи розроблених покриттів на деталях серійних трибовузлів.

Наукова новизна роботи.

1.

2.

2.

3.

1.

Практична цінність результатів роботи. На основі використання комплексу аналітичних та експериментальних робіт розроблені параметри технологічних про-цесів лазерного легування, оплавлення і термоциклювання. При цьому можна отри-мувати боромісткі покриття із заданим фазовим складом, структурою та службовими характеристиками.

Розроблений спосіб лазерного борування та борохромування пройшов дослідно-промислову перевірку на ВАТ “ВЕРКОН” та ТЕЦ-5 (м. Київ). Так, на ВАТ “ВЕРКОН” пройшли промислові випробування швидкозношувані деталі гальванічного обладнання, зміцнені лазерним борохромуванням, що експлуатуються в корозійно-актив-них середовищах в умовах тертя без мастила: вали насосів ГК6, 2Х9,3К6 (сталь 12Х18Н9Т), а також деталі, зміцненні лазерним боруванням, які працюють при підвищенних температурах – ножі для гарячої порізки металу НШГ-50, НШГ-52 (сталь 5ХНВ, У8) і ролики і роликоопори в печах термічної лінії КМ-45-М1 (сталь 12Х18Н9Т).

Випробуваннями у виробничих умовах встановлено, що термін служби вказаних деталей із захисними покриттями збільшився до 5 разів порівняно з серійними без покриттів, що дозволило знизити затрати на експлуатацію цих вузлів.

На ТЕЦ-5 проведено промислові випробування дослідної партії деталей пароводяної арматури (штоки, шибери регулятора І-го вприску нитки А і Б до ТГМП-314 “А”) лазерним борохромуванням та термоциклюванням. Порівняльними випро-буваннями встановлено, що довговічність пароводяної арматури із захисними по-криттями в умо-вах корозійно-механічного зношування збільшилась більш ніж у 4 рази порівняно із серійними зі сталі 12Х18Н9Т або 40Х з азотованим шаром.

Результати роботи використовуються також в учбовому процесі, зокрема у курсі “Променеві методи обробки”, “Моделювання та оптимізація технологічних систем та процесів”, курсових та дипломних роботах.

Особистий внесок здобувача. Основні результати даного дослідження отрима-ні автором особисто. Постановка задач та обговорення результатів виконані спільно з науковим керівником і, частково, із співавторами публікацій.

Апробація роботи. Основні результати і окремі розділи дисертації доповіда-лись та обговорювалися на міжнародних та республіканських науково-технічних конференціях: Первая всесоюзная школа-семинар “Структурная и химическая микронеоднородность в материалах” (Київ, 1990); Республиканская научно-техниче-ская конференция “Современные материалы, оборудование и технологии упрочне-ния и восстановления деталей машин” (Беларусь, Новополоцк, 1993); Першої міжнародної конференції “Конструкційні та функціональні матеріали” (Львів, 1993); Всеукраїнський науково-технічний семінар (Київ, 1994); Міжнародна конференція “Металознавство і обробка металів” (Донецьк, 1996); Третьому Міжнародному сімпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 1997); Другій міжнародній конфе-ренції “Конструкційні та функціональні матеріали” (Львів, 1997); Міжнародній науко-во-технічній конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсооща-дних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість” (Київ, 1997); Міжнародній конференції “Найновіші процеси і матеріали в порошковій металургії” (Київ, 1997); Меморіальний симпозіум до 100 річчя акад. В.Н. Гриднева “Металлы и сплавы: Фазовые превраще-ния, структура, свойства” (Київ, 1998).

Публікації. Матеріали дисертації викладені у 18 друкованих роботах, в тому числі 1 мо-нографії, 5 статей у наукових журналах, 1 публікації у збірнику наукових праць та 11 тезах доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаної літератури із 170 найменувань та додатку, містить 150 сторінок основного тексту, 7 таблиць і 48 ілюстрацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині показано стан наукової проблеми, актуальність і доцільність розвитку цього напрямку науки, сформульовано мету і завдання даної роботи. Наведено наукову новизну та практичну цінність отриманих в роботі результатів.

В першому розділі дається огляд і аналіз робіт, що висвітлюють сучасний стан створення захисних покриттів, що містять бор. Проведено аналіз застосування відомих методів поверхневої обробки (ХТО, ГТНП, наплавки тощо) для підвищення зносостійкості деталей машин, розглянуто їх результативність, вказано на їхні го-ловні переваги і недоліки. Розглянуто питання застосування термоциклічної обробки та її впливу на структуру і хімічний та фазовий склад покриттів.

Проаналізовано такий ефективний метод підвищення зносостійкості деталей машин і інструменту із конструкційних матеріалів, як лазерна обробка з оплавленням поверхні, зокрема легування. Головними результатами застосування цього методу поверхневої обробки є: локальність і безконтактність нагрівання, висока швидкість і продуктивність процесу, можливість дистанційної обробки у важкодоступних місцях. Важливим є те, що особливості лазерної обробки (високі швидкості нагрівання та охолодження) доз-воляють реалізувати різні структурні стани: від дендритної структури до мікрокристалічної і навіть аморфної. Це дозволяє цілеспрямовано керувати трибо-технічними властивостями покриттів, що наносяться.

На основі аналізу впливу лазерної обробки на головні фізико-механічні та фрикційні характеристики трибологічних пар, виготовлених з конструкційних ма-теріалів, запропоновано застосування і подальшу розробку цього методу поверхне-вої обробки в режимі легування, оплавлення та термоциклювання для підвищення зносостійкості деталей вузлів тертя.

В другому розділі описана технологія отримання легова-них за допомогою лазера покриттів на сталях і лазерна ТЦО для інтенсифікації про-цесу насичення бором і формування таким чином глибоких шарів з необхідним хімічним та структурним станом, а також представлені методики дослідження струк-тури та властивостей боро- та борохромомістких покриттів.

Технологія формування боромісткого шару складалася з підготовки поверхні, нанесення шару обмазки, оплавлення цього шару (легування) та термоциклювання променем лазера. Лазерному легуванню піддавали сталі У8 і 12Х18Н9Т з обмазок (товщиною 0,1-0,2 мм), що містили аморфний бор, або суміш аморфного бору з карбідом бору із звязуючою речовиною клеєм. Лазерну обробку і термоциклювання в діапазоні температур 1273 873 К здійснювали на безперервному СО2 -лазері “ЛАТУС-31” з потужністю випромінювання 1,2 Квт, діаметром плями лазерного про-меня від 2,5 до 3,0 мм, швидкістю пересування лазерного променя відносно зразка від 0,4 до 2 м/хв.

Металографічні і мікродюрометричні дослідження виконували на мікроскопах МІМ-8М, ”Neophot-2” при збільшеннях 40 – 1000 разів та твердомірі ПМТ-3. Фазовий склад шарів визначали рентгеноструктурним аналізом на дифрактометрі ДРОН-2 у мідному К впромінюванні. Вимірювання проводили при напрузі 30 кВ, анодному струмі 8мА. Точність визначення поло-ження дифракційних піків складала 0,05 град.

Розподіл хімічних елементів по глибині легованого шару визначали методом оже-спектроскопії на установці “Camebax Sx50” при прискорюючому струмі - 10 кВ, силі струму - до 100 мА, діаметрі зонду - 1 мкм, чутливості - 0,04 % (вміст елементів у шарі визначали по збуджуючому електронним пучком К - випромінюванню заліза) та на растровому електронному мікроскопі Hitachi S-4100 з насадкою для мікрорентгено-спектрального аналізу фірми NORAN з Si(Lі)-детектором.

Фрактографічні дослідження поверхонь тертя зразків проводилися на сканую-чому растровому електронному мікроскопі (РЕМ) “Camskan 4DV”.

Корозійну стійкість вуглецевої сталі У8 після нанесення на її поверхню боро- та борохромомісткого покриття визначали в умовах природної аерації при кімнатних температурах в найбільш розпоширених у промисловості агресивних середовищах: вода, 3 %-ний водний розчин NaCl, 30 %-ний водний розчин KOH та водний розчин H2SO4. Час корозійних випробувань залежав від агресивності середовища таким чином, щоб були значні втрати маси зразків без великих змін їх форми та розмірів і складав від 10 до 400 год. Корозійну стійкість зразків оцінювали по стану їх поверхні та втраті маси.

Зносостійкість зразків при терті ковзанням на повітрі проводили на установці тор-цьового тертя кільцевих зразків, що мали розмір 304010 мм, при швидкостях ков-зання від 0,01 до 15 м/с і тиску від 0,5 до 30 МПа у діапазоні температур від кімнатних до 800 К, у тому числі і на установці та по методиці, яка була розроблена у Київському міжнародному університеті цивільної авіації. В якості контртіла використовували такого ж розміру кільця із жароміцного нікелевого сплаву ЖС6-К

Оцінка пружно-пластичних властивостей легованих лазером шарів на сталях проводилася за допомогою створеного на кафедрі металознавства та термічної обробки акустодюрометричного комплексу, який складається з двох блоків дюрометричного та акустичного. За допомогою каналу динамічного навантаження отримували діаграми вдавлювання у координатах: навантаження P і глибина відбитку h, а за результатами їх аналізу розраховували модуль пружності матеріалу та оцінювали пластичні властивості покриттів.

За допомогою акустичного каналу оцінювалась крихкість досліджуваного поверхневого шару. Фільтруючи акустичні сигнали за допомогою пристрою АФ-15 та виділяючи найбільш резонансні частотні інтервали, отримували на екрані осци-лографа С 9-8 зображення амплітуди акустичного сигналу. За допомогою ПЕОМ фіксували зображення такого сигналу акустичної хвилі і для кожної точки кривої реєструвались значення напруги U (мв) при відповідному їй значенні часу ( мс) та розраховували площини S1 та S2. Співвідношення площин S1/S2 обрано за характеристику крихкості матеріалу.

У третьому розділі з урахуванням того, що форма і розміри зерна (вкраплень) композиційного матеріалу впливають на його напружений стан, проведено аналітичне дослідження напружено-деформованого стану боридних композицій залежно від об'ємного вмісту зміцнювальної фази та фізико-механічних властивостей наповнювача і матриці.

В основу розробленої методики розрахунку напружено-деформованого стану, що виникає при терті, взято метод Г.А. Ваніна. Матеріал композиції модельований безперервно-армованим середовищем зі структурою, утвореною випрямленими і орієнтованими перпендикулярно поверхні тертя циліндричними волокнами з однаковими перерізами. Простір між волокнами заповнено сполучним середовищем-матрицею, пружні характеристики якої відмінні від відповідних характеристик волокон. У якості металевої мат-риці виступала сталь 12Х18Н9Т, а зміцнюючими вкрапленнями бориди Fe2B або FeB.

На композиційний матеріал діють сили нормального тиску, які викликають в ньому стан повздовжнього стиску 1, і сили тертя, що викликають стан повздовжнього зсуву 12 і 13. В пружній області ці стани розділяються, що дозволяє вирішувати дві самостійні задачі.

Вираз для розрахунку коефіцієнту концентрації зсувних напружень має вигляд:

S= ; (1)

де Gf – модуль зсуву вкраплень (фази FeB або Fe2B);

Gm – модуль зсуву матриці (сталь 12Х18Н9Т);

та – об`ємний вміст відповідно матриці і вкраплень (фази FeB або Fe2B).

(--f – 1)

(--f – 1)

При розв язанні задачі про розтягування-стиск невзаємодіючих компонентів напруження було одержано наступне рівняння:

Q =

--

m = 4-3m; = Gm/ Gf ; (2)

(f - m)2

2 - + (--f – 1) Gm/ Gf ;

(f - m)2

2 - + (--f – 1) Gm/ Gf ;

E1 = Ef + Em + ѕѕѕѕѕѕѕѕEf – модуль Юнга вкраплень (фази FeB або Fe2B); Em - модуль Юнга матриці (сталь 12Х18Н9Т), m, f - коефіцієнти Пуасона відповідно матриці та вкраплень.

Розраховані за цими виразами результати свідчать про те, що існує такий об ємний вміст включень (35%), при яких фіксується мінімум інтенсивностей локальних дотичних напружень в матриці. Вищим значенням модуля пружності Еf фази FeB відповідало більш високі значення К1r порівняно з фазою Fe2B. При цьому в боромістких композиціях, в яких механічні характеристики наповнювача і матриці близькі, наприклад для системи 12Х18Н9Т - Fe2B, концентрація напружень знижується. Одержані залежності дають можливість рекомендувати для умов тертя композиції, що містять близько 35% (об.) високомодульних вкраплень.

Експериментально встановлено, що при терті матеріалів зі стовпчатою структурою зерен має місце її зміна. На поверхні в зоні тертя утворюються дрібні рівноосні вкраплення внаслідок подрібнення дендритів, а також включення, що лежать горизонтально. Більш глибинні шари залишаються стовпчатими, як у вихідному стані. Мабуть, це зумовлено тим, що утворюється градієнтне по товщині покриття, яке дає змогу реалізувати умову зовнішнього тертя – правило позитивного градієнта властивостей І.В. Крагельського. З огляду на це виникла необхідність оцінки такого роду структур, щоб надалі цілеспрямовано їх створювати.

Тому із застосуванням аналітичних розрахунків розглянуто вплив форми та вмісту вкраплень на механічні властивості композиційного матеріалу при терті ковзанням. Встановлено, що механічні характеристики приповерхневого шару з включеннями, орієнтованими нормально до поверхні, забезпечують значно вищі механічні характеристики матеріалу порівняно із сферичними. При цьому форма включень більш впливає на нормальні модулі Ео і Е1, ніж на модулі зсуву G0 та G12 і цей вплив зростає зі збільшенням різниці між характеристиками компонентів матриці і вкраплень.

В четвертому розділі наведені результати досліджень впливу хімічного складу обмазки, параметрів легування та термоциклічної обробки за допомогою лазерного променя на хімічний і фазовий склад, структуру та фізико-механічні властивості боро- та борохромомістких покриттів. Досліджено можливість керування триботехнічними властивостями боромістких легованих покриттів шляхом їх термоциклювання та створенням градієнтних по товщині структур лазерним оплавленням.

Проведені дослідження дозволили зясувати, що в результаті лазерного легування на поверхні зразків утворюються зони легування та термічного впливу, під якими знаходиться основний метал. Леговані шари мали у своєму складі структуру евтектичного типу системи Fe-B-C.

На дифрактограмах оплавленого шару на сталі У8 виявляються рефлекси таких фаз: -Fe, FeO, Fe23(С,В)6, Fe3(С,В), Fe3C, FeB. Встановлено, що при легуванні аморфним бором основною зміцнювальною фазою є моноборид FeB, в той час як при легуванні у суміші В+В4С зміцнювальна фаза складається в однаковій кількості з FeB і Fe2B.

Рентгеноспектральний аналіз легованих шарів на сталі У8 показав, що середній вміст основних елементів у них становить (% за масою): В - 1,198; С - 1,5; Fe - 96,73. Характер зміни концентрації бору та вуглецю у залізі у напрямку від поверхні вглиб матриці на сталі У8 свідчить про збільшення вмісту вуглецю (~1,5 %) і бору (~2,2 %) в приповерхневому шарі і їх поступове зниження в глибину, при цьому бор є тільки в зоні легування, де відбувалося повне розплавлення сталі. На підвищення вмісту вуглецю у легованій зоні суттєво впливають масообмінні процеси, в тому числі, можливо, масоперенос.

Аналіз кінетики формування легованих шарів показує, що товщина боридного шару на сталі 12Х18Н9Т у 2-3 рази нижча, ніж на сталі У8. Структура такого по-криття складається з аустеніту та боридів FeB, Fe2B, Cr2B, а перехідної зони – з твердого розчину бору в аустеніті і карбіду хрома Cr23С6. Важливо відзначити, що вміст фази FeB незначний порівняно із кількістю боридів Fe2B.

Мікродюрометричні дані розподілу мікротвердості по глибині покриття та зони термічного впливу для сталей У8 та 12Х18Н9Т, як після легування, так і після додат-кової ТЦО, представлені на рис.1. Максимальна мікротвердість на поверхні співпадає з найбільшою концентрацією бору та вуглецю. При цьому мікротвердість легованих шарів на сталі У8 більша, ніж на сталі 12Х18Н9Т і становить відповідно 11 та 6,5 ГПа. Це зумовлено, можливо, різницею фазо-вого та структурного складу покриттів.

Інтенсифікувати процес лазерного легування, тобто збільшити товщину легова-ного шару, можна декількома шляхами. На товщину легованої зони впливає поряд з режимами лазерної обробки, також хімічний склад обмазки

(В або суміш В+В4С) (рис.2) та додатково проведена лазерна ТЦО (рис.3). Так, використання обмазки з аморфного бору та В4С призводить до збільшення товщини шару порівняно з легуванням тільки аморфним бором в 1,3 - 1,5 рази. При цьому на сталі У8 цей ефект більший, ніж на сталі 12Х18Н9Т.

Досліджуючи вплив ТЦО на структуру, фазовий і хімічний склад оплавленого шару, встановлено, що із збільшенням кратності термоциклів збільшується товщина лего-ваного шару і змінюється вміст хімічних елементів. Наприклад, пiсля першого тер-моциклу на поверхнi зразка зі сталі У8 зареєстровано збiльшення кiлькостi вуглецю (до 2.5% по масi) з одночасним падiнням концентрації бору (рис.3). Водночас зi збiльшенням кiлькостi термоциклiв товщина легованого шару зростає. При цьому кiлькiсть вуглецю в поверхневому шарi падає, а бору – зростає. При збiльшеннi кратностi термоциклювання вміст вуглецю в покриттi незначно падає, а бору збiльшується. Це можна пов язати із значним масообмінним процесом, що відбувається при лазерній обробці. При наступному термоциклюваннi характер перерозподiлу вуглецю та бора змiнюється.

Слід зазначити, що при термоциклюваннi мiкротвердiсть легованого шару трохи збiльшується, а її розподiл по глибинi шару носить бiльш рiвномiрний та плавний характер. Це можна пояснити змiною фазового складу та дисперснiстю структури легованих шарiв. Так, при додатковому термоциклюванні зникає фаза Fe23(C,B)6 та зявляється борид Fe2B. Металографiчне дослідження зразкiв показало, що після лазерної ТЦО голчастiсть шару боридiв менша, а пiдшар має дрiбнозернисту структуру. При цьому найбільш високі характеристики має оплавлене покриття на сталі У8 після чотирикратної ТЦО.

Рисунок 2 - Вплив ТЦО та складу боромісткої обмазки на товщину легованого шару.

У зв'язку з тим, що при лазерному легуваннi та наступній ТЦО спостерiгається конкуренцiя двох процесiв – накопичення напружень (головним чином термічних і напружень, пов`язаних з фазовим наклепом) та їх релаксацiї, в покриттях можливе утворення трiщин. Проте, при легуваннi сталi 12Х18Н9Т утворених трiщин не було виявлено на відміну від легованих боромістких зон на сталі У8. Це свідчить про більшу схильність вуглецевої сталі У8 до тріщиноутворення. Проведення після легування та ТЦО відпуску при температурі 700-1000 К сприяло усуненню причин виникнення таких тріщин.

Підвищення властивостей боромістких покриттів, у тому числі триботехнічних, можна також досягнути створенням покриттів з градієнтними характеристиками, як по їх товщині, так і вздовж поверхні тертя. Так, основу для достовірної оцінки нормальної роботи пари тертя при зношуванні дає правило позитивного градієнта механічних властивостей, згідно якому для забезпечення зовнішнього тертя опір зсуву в зоні контакту твердих тіл повинен бути меншим, ніж на деякій глибині z, тобто повинна дотримуватися умова /z.

Експериментально, шляхом подвійного оплавлення поверхні покриття променем лазера було отримано боромістке покриття з комбінованою будовою – на поверхні вкраплення кулястої форми, а у глибині покриття зі стовпчатими дендритами. В результаті триботехнічних випробувань встановлено підвищення зносостійкості подвійно оплавлених покриттів порівняно з легованими приблизно у 1,5-1,7 рази при кімнатних температурах і більш ніж у три рази при підвищених (до 770 К), що пов`язано з особливостями їх структур, які забезпечують по товщині покриття позитивний градієнт властивостей. При цьому поверхневий шар із пружно-пластичною дрібнозернистою структурою сприяє самоорганізації вторинних структур, а розташовані нижче шари стовпчатої структури зміцнюючих фаз ефективно демпфірують зовнішні нормальні та зсувні навантаження. Створюються сприятливі умови зовнішнього тертя, при яких опір зсуву в зоні контакту поверхонь тертя менший, ніж на деякій глибині, і знос локалізується в тонкому шарі, не захоплюючи наступних глибинних шарів матеріалу, що в цілому співпадає з аналітичними розрахунками напружено-деформованого стану покриттів при терті.

Встановлено, що для підвищення корозійної стійкості та зносостійкості вуглецевої інструментальної сталі У8 може бути ефективне її комбіноване легування хромом та бором. Поверхнева легована зона представляла собою рівномірно розплавлений шар, який має товщину до 250 мкм. Мікротвердість легованої бором та хромом зони знаходилася у межах від 10 до 8,5 ГПа. Проведений мікрорентгеноспектральний аналіз травленої поверхневої легованої зони на цьому покритті дозволив встановити, що вміст бору та хрому становив близько 18 % ваг. (хрому) і 7,5 - 8 % ваг. (бору).

Випробовування на корозійну стійкість показали, що найменше корозія відбувається з усіх досліджуваних агресивних середовищах на зразках з борохромомістким покриттям. Вагова швидкість корозії для борохромомісткого покриття складала у воді 0,0238 кг/м2с*10-7, у 3 % розчині NaCl – 0,0279 кг/м2с*10-7, у 30 % водному розчині KOH – 0,0156 кг/м2с*10-7 та у децинормальному водному розчині H2SO4 – 0,8302 кг/м2с*10-7. Порівняно з поліпшеною сталлю У8 корозійна стійкість такої ж сталі з хромоборомістким покриттям, отриманим за допомогою лазера, підвищилась майже у 10 – 20 разів. Як показав рентгеноспектральний та металографічний аналізи, лазерна обробка з оплавленням поверхні сприяла розчиненню хрому та бору і більш рівномірному розподілу хрому у твердому розчині, що в цілому призвело до підвищення стійкості проти міжкристалітної корозії, так як відомо, що загальним принципом підвищення корозійної стійкості сплава є також підвищення однорідності фазового складу.

У п ятому розділі представлено результати оцінки пружно-пластичних властивостей боромістких покриттів за допомогою акустодюрометричного комплексу і наведено результати триботехнічних досліджень розроблених покриттів в широкому діапазоні зовнішніх факторів (навантаженя, швидкість ковзання та температура середовища) з метою визначення раціональних умов їх експлуатації.

Для порівняння пружно-пластичних властивостей покриттів досліджувались різні типи боромістких покриттів – від дифузійних до отриманих за допомогою лазерного легування та термоциклювання.

Результати оцінки мікрокрихкості боридних легованих та дифузійних покриттів показали, що найбільша крихкість відмічається у дифузійному боридному покритті (фаза Fe2B) на сталі У10 – безрозмірний коефіцієнт S1/S2 дорівнює 0,240. Ефект деякого підвищення мікрокрихкості боридного дифузійного покриття на сталі У10 порівняно з такого же типу покриттям на сталі У8 можливо пояснюється більш згладженою границею “боридний шар - матриця” на сталі У10, що призводить до підвищення напружень на ній і відповідно у боридному шарі та підвищення вірогідності сколювання його. Лазерне оплавлення дифузійного боридного шару на сталі У8 призводить до зменшення показника крихкості до значення 0,226. Це може бути пояснено зміною структурного стану боридного шару, а саме перетворенням шару боридів заліза під час плавлення на дрібнодисперсну структуру з боридною евтектикою. Після лазерного легування крихкість боромістких покриттів порівняно з дифузійними покриттями менша, що зумовлено у першу чергу меншою кількістю боридів та наявністю більшої кількості -Fe(C). Термоциклічна обробка боромістких легованих покриттів сприяє не тільки підвищенню товщини легованого шару, незначному підвищенню мікротвердості, але й також зменшенню розмірів зерен, зняттю внутрішніх напружень і, як результат, зменшенню мікрокрихкості з 0,213 до 0,2. Таким чином, лазерна ТЦО сприяє зменшенню крихкості боридних покриттів на сталях і як висновок – підвищенню працездатності деталей машин, що мають таке покриття.

Відомо, що зносостійкість покриттів можна з досить високою вірогідністю оцінити по співвідношенню Н /Е, яке враховує пружно-пластичні властивості покриттів і залежить також від ступеня однорідності структури та рівня пружних деформацій у зоні локального контакту. Зносостійкість буде більшою у випадку, коли це співвідношення зменшується. Таким чином, зі збільшенням значень модуля пружності Е має зростати зносостійкість матеріалу.

Так як серед боридних покриттів, отриманих за допомогою концентрованих джерел енергії, більша пружність у легованому покритті після додаткової чотирикратної ТЦО покриттів (Е=261 ГПа) порівняно з тільки легованими боромісткими покриттями (Е=255 МПа), то, вірогідно, найбільша зносостійкість буде саме у покритті після додаткової ТЦО.

Важливою характеристикою є також глибина проникнення індентора h у боромістке покриття при постійному навантаженні на протязі визначеного часу. Ця величина характеризує процес пластичної деформації матеріалу під час витримки індентора під навантаженням, а також дозволяє опосередковано оцінювати зміцнення матеріалу покриття.

Результати вимірювань глибини проникнення індентора для боридних покриттів на сталі У8 показали, що найменше значення Dh відмічається для дифузійних боридних покриттів (0,12 мкм), а найбільше – для легованого боромісткого покриття (0,26 мкм). Додаткова чотирикратна термоциклічна обробка незначно знижує цей показник. Проведення оплавлення дифузійного боридного покриття підвищує h до 0+10,58х2– 3,419х3; (3)

У2=0,31162 - 0,075х1 + 0,11х2 - 0,16х3 - 0,09525х1 + 0,08974х2 . (4)

Користуючись цими моделями можна прогнозувати значення коєфiцiєнта тертя та зносу боромiсткого покриття на сталi в залежностi вiд температури, питомого тиску та швидкостi ковзання (Рис.4, 5).

При торцевому терті ковзанням на повітрі швидкість взаємного контактування зразків є вирішальним фактором, що визначає їх працездатність. Із збільшенням швидкості ковзання інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя боромістких покриттів зменшується. При відносно малих швидкостях ковзання (0,1 – 0,5 м/с), які не викликають високих температур на поверхнях тертя, спостерігається крихке руйнування і викришування великих частинок боридного шару, що обумовлює відносно високі значення зносу. В повітряному середовищі основний вплив на тертя боромістких поверхонь виявляють процеси окислення.

Інтенсивність окислення залежить від температурного режиму в зоні тертя. При малих швидкостях ковзання поряд з ділянками, покритими оксидами, можна спостерігати ділянки боромістких шарів, що руйнуються крихко. Продукти зносу складаються з тонкого порошку оксидів і дрібних частинок боридів. Збільшення швидкості ковзання призводить до більш інтенсивного окислення, яке супроводжується зниженням коефіцієнта тертя та інтенсивності зношування. При температурі вище за 800 К починається інтенсивне окислення покриття з утворенням оксидів заліза і борного ангідриду В2О3, який при цьому знаходиться в рідкому стані і виконує роль мастила. При кiмнатнiй температурi та при збiльшеннi питомого навантаження вiдбувається деформацiя зi змiцненням поверхонь, що труться, твердiсть зростає та змiцненi частки викришуються.

Результати, отримані при розгляді цих моделей, дозволяють вибрати найбiльш раціональнi спiввiдношення вказаних параметрiв для легованого боридного шару з метою використання його в реальних умовах експлуатації. Побудованi залежностi також дозволяють визначити, що легованi боромісткi шари в широкому диапазонi умов тертя зберiгають високу зносостiйкiсть завдяки стабiльностi властивостей (Рис. 4, 5).

Рисунок 4 - Залежність коефіцієнта тертя боромісткого покриття на сталі 12Х18Н9Т від питомого тиску та швидкості ковзання при температурі: 1 - 293 К, 2 - 533 К, 3 - 773 К.

Рисунок 5 - Залежність зносу боромісткого покриття на сталі 12Х18Н9Т від швидкості ковзання та температури при питомому тиску: 1 – 3 МПа, 2 – 2 МПа, 3 – 1 МПа.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. На основі проведеного аналізу і систематизації можливих шляхів підвищення зно-состійкості деталей вузлів тертя нанесенням боромістких покриттів, розроблено і експериментально підтверджено технологічний підхід щодо створення покриттів з підвищенними триботехнічними властивостями, який грунтується на аналітичному дослідженні напружено-деформованого стану матеріалу при навантаженні його тертям та виявлених закономірностях формування структури, фазового і хімічного складу, фізико-механічних властивостей покриттів, отриманих лазерною обробкою в режимі легування, оплавлення та термоциклювання.

2. Аналітично досліджено напружено-деформований стан, що виникає під час тертя у приповерхневих шарах композиційного матеріалу з вкрапленнями боридів заліза. Встановлено взаємозв’язок між концентрацією напружень, співвідношенням механічних властивостей композиту і обємного вмісту і форми вкраплень. Виявлено, що вкраплення стовпчатої форми забезпечують більш високі механічні характеристики матеріалу, ніж сферичні.

3. Розроблена технологія нанесення покриттів на основі бору методами лазерного легування та термоциклювання на сталях У8 та 12Х18Н9Т. Встановлено, що їх поєднання в одному технологічному процесі дозволяє завдяки інтенсифікації масообмінних процесів суттєво підвищувати товщину легованих шарів і цілеспрямовано керувати їх хімічним та структурним складом. Встановлено, що із збільшенням кратності термоциклів товщина легованого шару зростає і відбувається перерозподіл вмісту бору та вуглецю у поверхневому шарі. Досліджено перерозподіл елементів при лазерній ТЦО.

4. Досліджено хімічний склад, структуру та фізико-механічні властивості легованих бором та хромом покриттів на сталі У8, які поряд з відносно високою твердістю мають підвищений вміст хрому для забезпечення корозійної стійкості. Такі покриття по зносостійкості не поступаються дифузійним боридним покриттям, а по корозійній стійкості переважають їх.

5. Розроблено технологічний процес подвійного оплавлення боромістких легованих покриттів лазером, який забезпечує по товщині покриття позитивний градієнт властивостей. При цьому поверхневий шар із пружно-пластичною дрібнозернистою структурою сприяє самоорганізації вторинних структур при терті, а розташовані нижче шари стовпчатої структури зміцнюючих вкраплень ефективно демпфірують зовнішні нормальні та зсувні навантаження. Встановлено, що зносостійкість градієнтно-оплавлених по товщині боромістких покриттів є вищою порівняно з легованими покриттями.

6. Розроблено методику оцінки крихкості боромістких покриттів, отриманих лазерним легуванням та термоциклюванням, та оцінені їх пружно-пластичні властивості за допомогою розробленого акустодюрометричного комплексу. Визначено, що чотирикратна термоциклічна обробка лазером сприяє підвищенню пружно-пластичних властивостей боромістких покриттів.

7. Одержано математичні моделі, які адекватно описують вплив питомого тиску, швидкості ковзання та температури на зносостійкість та коефіцієнт тертя боромістких покриттів на сталі 12Х18Н9Т. Це дозволило раціоналізувати режими експлуатації отриманих покриттів в умовах тертя ковзанням в широкому діапазоні температур та навантажень та запропонувати практичні рекомендації щодо їх застосування.

8. Дослідно-промислові випробування деталей з покриттями, одержаними з використанням технологічних процесів, розроблених на базі лазерної обробки, дозволили підвищити їх робочий ресурс більш ніж у 1,5...5 рази.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Структуроутворення та формування триботехнічних властивостей евтектичних покриттів / М.В. Кіндрачук, Ю.А. Куницький, О.І. Дудка та інш. - К.: Вища школа, 1997,- 120 с.

2. Хижняк В.Г., Дудка А.И., Хижняк О.В. Определение микрохрупкости карбидных покрытий с использованием метода "кинетической микротвердости" // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 1996. - N 9. - С.83.

3. Структура та триботехнічні властивості дискретно оплавлених лазером плазмових покриттів /М.В. Кіндрачук, О.І. Дудка, В.М. Писаренко та інш.// Металознавство та обробка металів. - 1997. - N 1. - С. 25-29.

4. Формування структури та триботехнічних властивостей евтектичних сплавів легуванням їх металевої основи /М.В. Кіндрачук, О.І. Дудка, В.М. Писаренко, Н.Г. Акімова. //Металознавство та обробка металів. - 1997. - N 3-4. - С.10-16.

5. Кіндрачук М.В., Писаренко В.М., Дудка О.І. Акустодюрометрична оцінка фізико-механічних властивостей боридних покриттів //Металознавство та обробка металів. - 1998. - N 1-2. - С. 86-90.

6. Кіндрачук М.В., Чернега С.М., Дудка О.І. Вплив структури на закономірності кавітаційного зносу евтектичних покрить //Фіз.-хім. мех. матер. -1998. - N 2. - С. 69-74.

7. Метод акустической эмиссии как перспективный метод контроля свойств металлов и превращений в них /Писаренко В.Н, Дудка А.И., Э.П. Брюханда и др.// Сб. Научн. и метод. трудов КПИ.- Киев: Знание, 1994, - С.21-22.

8. Писаренко В.Н, Костржицкий О.К., Дудка А.И. Методика оценки микрохрупкости диффузионных покрытий // Тез.докл. І Всесоюзн. Шк.-сем. "Структурная и химическая микронеоднородность в материалах", -Киев, ИПМ АН УССР. - 1990. - С.235-236.

9. Писаренко В.М, Костржицький О.К., Дудка О.І. Оцінка крихкості дифузійних захисних покриттів акустодюрометричним методом // Тез.допов. I Мiжнародної НТК "Конструкцiйнi та функцiональнi матерiали".- "Львів. політехніка", ФМІ АН України. - 1993. - С.117-118.

10. Киндрачук М.В., Лучка М.В., Дудка А.И. Напряженно-деформированное состояние композиционных покрытий, нагруженных силами трения // Тез. докл. международной конференции “Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии. - Киев: Междунар. ассоц. акад. наук, ИПМ НАНУ им. Францевича. - 1994. - С.50.

11. Кіндрачук М.В., Дудка О.І., Писаренко В.М. Закономірності формування захисних покрить термоциклюванням в процесі лазерного легування бором // Тези доп. НТК "Металловедение и обработка металлов". - Донецьк: ФГІМС НАН України. - 1996. - С.71.

12. Кіндрачук М.В., Дудка О.І., Сухенко Ю.Г. Напружено-деформований стан та трибологічна оцінка евтектичних покриттів // Тез. доп. 3-го міжнар. симп. укр. інж.-мех. у Львові". -Львів: ДУ "Львівська політехніка". - 1997. - С.216-217.

13. Писаренко В.М., Кіндрачук М.В., Дудка О.І. Оцінка впливу термічної обробки концентрованими джерелами енергії на фізико-механічні властивості боридних покриттів // Тез. доп. на меморіальному симпоз. акад. В.Н. Гриднева "Металы и сплавы: фазовые превращения, структура, свойства". - Київ: ІМФ ім. Курдюмова НАН України. - 1998. - С.105.

Автор висловлює щиру подяку д.т.н., професору кафедри металознавства та термічної обробки НТУУ “КПІ” М.В. Кіндрачуку за наукові консультації, допомогу та поради, надані при виконані дисертаційної роботи.

В обговоренні окремих результатів досліджень приймали участь д.т.н. Л.Ф. Головко, к.т.н. О.М. Доній та к.ф.-м.н. Ю.Я. Душек.

АНОТАЦІЯ

Дудка О.І. Формування боро- та борохромомістких покриттів триботехнічного призначення лазерною обробкою. – Рукопис.

Дисератція на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – металознавство та термічна обробка металів. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 1999.

В