НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Джамаль Ібрагім Мансур

УДК 621.891

ФОРМУВАННЯ ТРИБОТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЕВТЕКТИЧНИХ ПОКРИТТІВ З ВИКОРИСТАННЯМ ЇХ

МЕТАСТАБІЛЬНИХ СТАНІВ

Спеціальність

05.02.04 – тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Кіндрачук Мирослав Васильович

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедри машинознавства

Офіційні опоненти: лауреат Державної премії України,

доктор технічних наук, професор

Тихонович Вадим Іванович

Фізико-технологічний інститут металів і

сплавів НАН України, провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук

Моляр Олександр Григорович

Інститут металофізики НАН України

ім. Г.В. Курдюмова, старший науковий співробітник

Захист відбудеться " 6 " березня 2008р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06 у Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ-680, проспект Космонавта Комарова, 1, ауд. 1.334.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ-680, проспект Космонавта Комарова, 1

Автореферат розіслано " 2 " лютого 2008р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, канд.техн.наук, доц. О.Ю. Корчук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Швидкий розвиток техніки, що визначається ефективністю розробок якісно нових машин і технологій, дозволяє істотно підвищити продуктивність праці у всіх галузях виробництва. У зв'язку з цим особливого значення набувають проблеми надійності та довговічності машин і механізмів, ощадливого використання матеріалів, енергетичних і трудових ресурсів. Їх вирішення визначається надійністю захисту робочих поверхонь деталей машин і вузлів від різних видів контактного руйнування. Одержання на поверхні виробів покриттів з різними функціональними властивостями економічно обґрунтовано вирішенням ряду технологічних проблем. Особлива увага приділяється захисним евтектичним покриттям. Однак механізми утворення, фізико-механічні процеси, що відбуваються при контактній взаємодії, й експлуатаційні властивості евтектичних покриттів вивчено не достатньо.

Проблеми підвищення якості й ефективності машинобудівних матеріалів, надійності та довговічності деталей машин і інструменту останнім часом доводиться вирішувати в умовах всебічної економії гостродефіцитних легувальних компонентів – нікелю, молібдену, ніобію, ванадію і т.ін. Актуальними завданнями сучасного трибологічного матеріалознавства є створення економнолегованих матеріалів, що мають підвищені фізико-механічні й експлуатаційні властивості і придатні для стійких та надійних технологій їх нанесення. Одним з найбільш перспективних напрямів вирішення зазначених завдань є розроблення метастабільних покриттів, що самоорганізуються під час експлуатації, та зміцнювальних технологій, якими можна створювати метастабільні стани для керування їх властивостями.

Це можуть бути евтектичні сплави металів зі сполуками, якими можна свідомо керувати через створення різних ступенів відхилення від термодинамічної рівноваги. Особливостями евтектичної реакції кристалізації є: обмежена взаємна розчинність у твердому стані фаз, що утворюють евтектику, не відбувається хімічної взаємодії на межі фаз й утворення структур з регулярним чергуванням фаз. Під впливом зовнішніх факторів такі сплави і покриття на їхній основі здатні переходити в нерівноважні стани, у яких структура і фазовий склад можуть бути більш оптимальними для формування необхідних експлуатаційних властивостей. Особливо результативним стає такий підхід в умовах дії зовнішніх факторів, що виникають у процесі експлуатації, зокрема, під час тертя. Як результат виникає відповідна реакція на зовнішню дію, що приводить до самоорганізації структури і формування оптимальних властивостей.

У зв'язку з цим, цю роботу присвячено науковому пошуку можливостей керування триботехнічними властивостями евтектичних покриттів на основі заліза шляхом створення і використання їх метастабільних станів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційну роботу виконано в рамках держбюджетних тем “Розробка науково-технологічних основ формування концентрованими джерелами енергії евтектичних покриттів триботехнічного призначення із нанокристалічною структурою градієнтного типу” (номер держреєстрації 0105U001818) і “Розробка наукових основ формування дифузійно-легованих та евтектично-оплавлених покриттів, отриманих з використанням концентрованих джерел енергії із нанокомпозиційною структурою градієнтного типу” (номер держреєстрації 0104U008781).

Мета і завдання дослідження – підвищення зносостійкості деталей вузлів тертя шляхом керування формуванням властивостей евтектичних покриттів з нестабільною структурою.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

1. Експериментально вивчити закономірності тертя і зношення аустенітної сталі 12Х18Н9Т, що є металевою матрицею досліджуваних евтектичних покриттів.

2. Розробити технологічні аспекти керування триботехнічними властивостями плазмових і електроіскрових евтектичних покриттів регулюванням рівня їх нерівноважного стану відпалювання і термоциклюванням.

3. Дослідити структурно-фазові зміни покриттів з різним ступенем нерівноважності, отриманих відпалюванням і термоциклюванням і їх вплив на триботехнічні характеристики.

4. На підставі встановлених залежностей розробити методи керування триботехнічними властивостями евтектичних покриттів реалізацією структурних станів з різним ступенем відхилення від рівноваги.

5. Систематизувати отримані дані про зносостійкість покриттів і дати рекомендації щодо їх використання.

Об'єкт дослідження – евтектичні сплави, схильні до утворення нерівноважних станів, що виникають у разі зміни швидкості охолодження з рідкого стану.

Предмет дослідження – процеси формування структури і фаз у нерівноважних станах евтектик і їх вплив на формування триботехнічних властивостей.

Методи дослідження: світлова мікроскопія; просвічувальна і сканувальна електронна мікроскопія; рентгеноструктурний фазовий аналіз; локальний рентгеноспектральний аналіз; мікротвердість, мікропластичність; тертя і зношення без змащення; вимірювання жаростійкості; вимірювання фрикційної температури.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:

1. Досліджено структурні та фазові стани евтектичних покриттів, що формуються в умовах нерівноважної кристалізації.

2. Експериментально встановлено, що, змінюючи швидкість охолодження для формування покриттів, можна одержувати структурно-фазові стани різного ступеня метастабільності, а, отже і зносостійкості.

3. Уперше обґрунтовано технологічні аспекти керування триботехнічними властивостями плазмових і електроіскрових покриттів високотемпературним відпалом і термоциклюванням.

4. Розроблено технологічні процеси нанесення і термічної обробки евтектичних покриттів для підвищення триботехнічних властивостей з урахуванням умов їх експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено технологічні методи цілеспрямованої зміни властивостей евтектичних покриттів шляхом високотемпературного відпалу і термоциклювання лазером, які дозволяють адаптувати зносостійкі покриття для конкретних умов експлуатації.

Розроблено сплав і покриття на його основі для роботи за підвищених температур (пат. № 27849).

Отримані результати досліджень дозволяють вирішувати ряд практичних завдань зі зниження сумарного зношення пар, що працюють в умовах тертя без змащення, у широкому діапазоні параметрів тертя. Практичне використання результатів підтверджено актом промислових досліджень, що були проведені на Термогальванічному заводі (м. Київ).

Результати роботи використовуються в навчальному процесі при викладанні курсу “Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів” у Національному авіаційному університеті.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи, які виносяться на захист, належать особисто здобувачеві. Авторові належать: обґрунтування мети, проведення наукових досліджень, оброблення результатів і їх аналіз, підготовка статей до друку, участь в проведенні промислової перевірки результатів. Постановка завдань, обговорення отриманих результатів і формулювання основних висновків за темою роботи виконано разом з науковим керівником.

У роботах, виконаних зі співавторами, особистий внесок здобувача полягає у виконанні теоретичних і експериментальних досліджень, обробленні результатів досліджень, обґрунтуванні отриманих результатів і формуванні висновків.

З питань створення евтектичних сплавів, одержання на їхній основі покриттів, дослідження закономірностей формування нерівноважних структурно-фазових станів проводилися консультації й обговорення з д-ром. техн. наук, ст. наук. співроб. В.Е. Панаріним (Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАНУ).

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на семінарах і науково-технічних конференціях: VII Міжнародній науково-технічній конференції “АВІА-2006” (Київ, 2006 р.), Х Міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі та стони і методи їх оброблення для підвищення надійності та довговічності виробів” (Запоріжжя, 2006 р.), VIII Міжнародній науково-технічній конференції “АВІА-2007” (Київ, 2007 р.).Дисертаційна робота в цілому обговорювалася на науковому семінарі НАУ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 друкованих праць, з яких 6 у наукових журналах, які входять у список ВАК України, 2 публікації за матеріалами доповідей на науково-технічних конференціях, 1 патент.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел з 164 найменувань і двох додатків на трьох сторінках. Роботу викладено на 182 сторінках, містить 55 рисунків, 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність, сформульовано мету і завдання досліджень, а також визначено новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі на підставі аналізу великої кількості літературних джерел виділено сучасні тенденції в розвитку досліджень з підвищення зносостійкості матеріалів. Показано різні теоретичні підходи і напрями, що ґрунтуються як на накопиченому експериментальному досвіді досліджень, так і на сучасних уявленнях про механізми тертя і зношування.

Подано теоретичні основи і принципи розроблення метастабільних сплавів як перспективних зносостійких матеріалів і сучасних зміцнювальних технологій для використання прихованих можливостей сплавів з метастабільною структурою та складом. В основі нового перспективного підходу до проектування сплавів і технологій їх зміцнення лежить створення і цілеспрямоване використання метастабільних станів і деформаційних структурно-фазових перетворень, що забезпечують комплексне поліпшення фізико-механічних та експлуатаційних властивостей. Головною особливістю нерівноважних станів є їх здатність до певних фазових перетворень і структурних змін не тільки на стадії попередніх обробок, але й у процесі експлуатації. Завдання створення таких матеріалів складне й різноманітне, однак його вирішення дозволить значно збільшити внутрішній ресурс виробів, що виготовляються з них.

Незважаючи на накопичений великий експериментальний матеріал, подальшого розвитку й узагальнення потребують закономірності нерівноважних перетворень під час випробувань у різних умовах навантаження й оцінювання їх впливу на формування властивостей метастабільних сплавів різного складу.

Завдяки особливостям евтектичної кристалізації сплави, які містять евтектичну складову, мають ряд цінних властивостей, оскільки здатні гартуватися, а також змінювати структуру і механізм кристалізації з рідкого стану за різних швидкостей охолодження.

Великі можливості керування властивостями евтектик відкриваються при нанесенні покриттів різними фізичними методами, коли створюються сильно нерівноважні умови кристалізації. Особливий практичний інтерес становлять евтектичні сплави заліза з фазами проникнення, оскільки в них, завдяки стійкій термодинамічній рівновазі і тонкодиференційованій структурі, вдається отримати поєднання властивостей металів і фаз проникнення. За великих швидкостей охолодження, реалізованих сучасними способами нанесення покриттів фізичними методами, у таких евтектиках можливе одержання нерівноважних структурних станів, що відкриває широкі можливості керування їхніми триботехнічними властивостями.

У другому розділі подано матеріали і методи дослідження. Виходячи з наведених вище міркувань про перспективу використання нерівноважних станів обрано матеріали для дослідження – евтектичні сплави на основі заліза з фазами проникнення: монокарбідом ванадію і диборидом титану з частковим заміщенням титану хромом. Склад сплавів наведено в таблиці.

Хімічний і фазовий склад евтектичних покриттів

Марка сплаву | Уміст компонентів,

% за масою | Фазовий склад | Твердість НВ, кг/мм2 | Температура плавлення, °С

Cr | Ni | Ti | V | B | C | Fe | Матриця | Зміц-

нювач

тн | 17,7 | 7,8 | 8,9 | - | 4,0 | - | ост | 18Сr9Ni | TiB2 | 380 | 1200

втн | 15,4 | 7,7 | 3,2 | 8,1 | 1,4 | 1,9 | ост | 18Сr9Ni | VC+TiB2 | 470 | 1185

хтн | 20,5 | 8,6 | 2,5 | - | 2,6 | - | ост | 18Cr9Ni | (Ti,Cr)B2 | 370 | 1220

Сплави готувалися в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України в лабораторній електродуговій печі з вольфрамовим електродом в атмосфері аргону.

Для визначення триботехнічних характеристик у цій роботі застосовували комплексний метод дослідження якісних і кількісних характеристик процесів тертя та зношення. Випробування проводили в умовах тертя без змащення на повітрі за температури 20 °С за схемою вал–частковий вкладиш на машині тертя М-22П, за швидкостей ковзання 0,1 – 1,0 м/с і нормальних тисків 0,5 – 3,0 МПа. Як контртіло використовували зразки з неіржавійної сталі 12Х18Н9Т та сталі 45 (НRС 45 – 48). Під час дослідження фіксували вагове і лінійне зношення, контрольні виміри проводили через кожні 200 м шляху. Після закінчення випробувань досліджували макро-, мікро - і субмікроструктури поверхневих шарів і поверхонь тертя. Метод макроскопічного візуального дослідження застосовували в разі невеликих збільшень за допомогою оптичного мікроскопа МБС-2С, мікроструктури вивчали на мікроскопах МІМ-8М та Неофот-2, субмікроструктури та фрактографічні дослідження поверхні зразків проводилися за допомогою растрової електронної мікроскопії на мікроскопі з мікроаналізатором Самsсаn-42V.

Шліфи з неіржавійної сталі та сплавів на її основі для металографічного дослідження травили в 5 % – вому розчині плавикової кислоти, у 30% – вому перекису водню за температури 40 – 60°С (час травлення 1 – 2 хв.), а також на електролітичному полірувальному приладі "Еліповіст" в електроліті складу: перхлоратна кислота – 28 моль, етиловий спирт – 98 моль, гліцерин – 14 моль.

Для сканувального електронного мікроскопа проводили глибоке травлення шліфів у 15 % – вому розчині плавикової кислоти й у 30 % – вому перекису водню за температури 40 – 60 °С, протягом 10 – 20 хв.

Якісний і кількісний мікрорентгеноспектральний аналіз проводили на приладі марки "Самеbах SX50". Склад елементів у шарі визначали за електронним пучком збудження Кб – випромінювання заліза. Фазовий склад покриттів після термічної обробки аналізували за допомогою рентгенівської установки ДРОН-1 в Со-Кб – випромінюванні.

Дюрометричні випробування виконано на твердомірах "Роквелл" (ДСТ 8.064.79) по шкалах HRC і HRB та на мікротвердомірі ПМТ-3 (ДСТ 9450–76) при навантаженні 100 г.

Якісний і кількісний аналіз поверхні тертя виконували методом електронної оже-спектроскопії (AES; Auger spectroscopy) на надвисоковакуумному електронному оже-мікрозонді марки JAMP-10S фірми "JEOL".

У роботі епізодично використовували стандартні методи дослідження і методики розрахунку (мікрокрихкості, мікровикривлень, металографічний аналіз, фазовий аналіз).

Третій розділ присвячено дослідженню закономірностей впливу зовнішніх чинників на процеси тертя і зношування сталі 12Х18Н9Т. Неіржавійна сталь 12Х18Н9Т становить основу металевої матриці досліджуваних евтектичних сплавів і покриттів, тому треба було всебічно вивчити її поводження в умовах тертя й оцінити ефективність підвищення зносостійкості шляхом уведення зміцнювальних фаз проникнення в умовах нерівноважних станів.

Процеси тертя і зношування сталі 12Х18Н9Т проводили в умовах багатофакторного впливу за постійної швидкості ковзання 0,5 м/с, температури 20 єС і питомих навантажень 0,5 – 3,0 МПа. У роботі обґрунтовано вибір умов і параметрів тертя для цієї сталі.

Експериментально були встановлені закономірності зміни коефіцієнта тертя (f) (рис.1), нормального поверхневого температурного градієнта (Z – координата в напрямку нормалі до поверхні тертя) (рис.2) і зношення (рис.3) від питомого навантаження (Р). Установлено також вплив швидкості ковзання на процеси тертя і зношування сталі 12Х18Н9Т, виконано розрахунок напружень, які виникають під час тертя, визначено хімічний склад оксидних плівок, які утворилися.

Отримані закономірності, а також результати дослідження поверхні тертя дозволили сформулювати механізм зношування неіржавійної сталі 12Х18Н9Т в обраних умовах тертя.

Низька зносостійкість аустенітної неіржавійної сталі 12Х18Н9Т здебільшого визначається її однофазною структурою і малим ступенем відхилення від термодинамічно рівноважного стану, а також малоефективним механізмом твердорозчинного зміцнення.

Основними елементами, які утворюють вторинні структури на поверхні тертя, є залізо і кисень (до 30 %). Рентгенівським дифракційним аналізом установлена наявність у зміцненому шарі мартенситу. Деформація тертям сприяє виникненню в сталі високих напружень, що сприяють у метастабільному аустеніті протікання г>б перетворення.

Вторинні структури, утворені за температур до 300 °С, характеризуються значним ступенем зміцнення, про що свідчать висока твердість і великі значення напружень другого роду. В результаті багаторазового навантаження вторинних структур утворюються і розвиваються мікротріщини, їх руйнування і винесення із зони тертя. В інтервалі фрикційних температур 450 – 650 °С утворення мікротріщин на вторинних структурах не спостерігається. Знижуються твердість і напруження поверхневого шару. Мартенсит деформації відсутній. Причиною мінімального зношення сталі в цьому діапазоні температур, крім утворення оксидних плівок, є здатність вторинних структур релаксувати напруження в результаті рекристалізаційних процесів і перетворень.

Ініційоване тертя перетворення у твердому розчині на основі заліза і поява двофазної структури зумовлюють збільшення зносостійкості.

З виконаного аналізу закономірностей зношування неіржавійної сталі 12Х18Н9Т зроблено висновок про те, що подальшого підвищення зносостійкості цієї сталі можна досягти, забезпечивши двофазну структуру за умови одночасного збільшення ефективності зміцнення, наприклад, за рахунок уведення евтектичних кристалів фаз проникнення, що мають високу твердість, міцність і зносостійкість. Керування ступенем неравновісності структурно-фазових станів, також є додатковим важелем збільшення зносостійкості сталі 12Х18Н9Т.

Четвертий розділ присвячено розробленню технології нанесення захисних покриттів. На початку розділу, відповідно до поставленого завдання, наведено обґрунтування вибору методів нанесення захисних евтектичних покриттів, сформульовано вимоги до них. Найбільш повно цим вимогам відповідають методи електроіскрового легування (ЕІЛ), плазмового та вакуумного іоно-плазмового дугового напилювання покриттів. Останній у вітчизняній практиці має абревіатуру КІБ – конденсація, стимульована іонним бомбардуванням. У трьох методах за рахунок виділення в покритті високої щільності потужності енергії можна одержати сильно нерівноважні стани і забезпечити збереження в них хімічного складу електрода з нанесеного сплаву. Використання обраних методів потребує розроблення нових технологічних параметрів напилювання, модернізації існуючого устаткування, адаптації технології до умов промислового використання. Ці проблеми в роботі вирішували таким чином.

Для захисту від окислення на повітрі покриття, яке наносилося методом ЕІЛ, було сконструйовано і виготовлено спеціальну камеру, що дозволила вести процес ЕІЛ у захисній атмосфері інертного газу (аргону). Електроди для нанесення покриття виготовляли зі злитків шляхом їх абразивного різання на паралелепіпеди розміром 3Ч3Ч40 мм. Параметри нанесення покриттів підбирали під кожен конкретний склад сплаву, їх докладно описано в дисертаційній роботі. Таким чином, розроблена технологія була замкнена в одному інституті і дозволяла проводити не тільки наукові дослідження, але й використовуватися як промисловий спосіб для захисту зношених деталей на виробництві.

Покриття являє собою нашарування ділянок у вигляді кратерів (рис. 4, а), які утворюються в результаті оплавлення елементарним дуговим розрядом матеріалу катода і його перенесення з наступною кристалізацією на поверхні підкладки або попереднього шару. Оскільки ці процеси дуже швидкоплинні (соті частки секунди), то в покритті з'являються великі градієнти температур, що приводить до виникнення великих термічних напружень і тріщин, а також виникнення ділянок зі структурою тонкого конгломерату фаз (рис. 4, б).

Поява в досліджуваних евтектичних покриттях нерівноважних структур тонкого конгломерату фаз дає змогу змінювати їхні властивості при переході до більш рівноважних станів. Такі стани були отримані шляхом високотемпературного дифузійного відпалу. Процес відпалювання приводить до зменшення ділянок зі структурою тонкого конгломерату фаз, хоча повністю вони не зникають. Таке поводження свідчить про різну стійкість білих ділянок, що, вочевидь, пов'язано з різними умовами їх формування у процесі кристалізації.

Збереження білих ділянок після тривалого високотемпературного відпалу протягом 45 хв вказує на їх високу стійкість, що, у свою чергу, визначає збереження властивостей, викликаних наявністю цих ділянок. Це досить позитивний висновок, що має велике значення для досліджень триботехнічних характеристик досліджуваних покриттів. У процесі тертя і ковзання також, розвиваються інтенсивні процеси дифузії і механічного перемішування, спричинені високими локальними температурами і навантаженнями в зонах контакту. Можна очікувати, що і в умовах тертя ковзанням без змащення властивості покриттів, які сформувалися під час напилювання, також будуть досить стійкими.

Рентгенівські дослідження свідчать, що відпал покриттів приводить до стабілізації фазового складу, однакового у всіх досліджених евтектичних сплавах і стабілізації періодів ґраток усіх фаз. Це вказує на досягнення досить стійкої термодинамічної рівноваги фаз, що складають покриття, у результаті процесу відпалювання. Таким чином, безпосередньо підтверджується припущення про високу стабільність триботехнічних властивостей отриманих евтектичних покриттів.

У роботі освоєно новий підхід до процесу дугового розпилення катода у вакуумі КІБ і засновану на ньому нову технологію одержання покриттів з евтектичних сплавів цим методом. Його сутність полягає в створенні умов горіння дуги на катоді, за яких переважно формується мікрокраплинна складова продуктів дугового розпилення. Важливою особливістю розробленої технології є те, що вона грунтується на промислових установках іонно-плазмового напилювання типу "Булат". Це істотно спрощує впровадження отриманих результатів і дозволяє одержувати покриття на підкладках великого розміру, придатних для вирішення практичних завдань.

Для забезпечення роботи установки методом КІБ було розроблено технологію одержання катодів, що розпорошуються, методом лиття з евтектичних сплавів на основі заліза з тугоплавкими карбідами і боридами. За цією технологією були виготовлені катоди різного складу, за допомогою яких виконувались подальші експерименти.

Труднощі розпилення досліджуваних евтектичних катодів полягала в існуванні власного магнітного поля катодів (наявність магнітного б-твердого розчину на основі заліза), що призводило до зниження стійкості горіння дуги. Для підвищення стійкості горіння дуги нами був розроблений новий склад евтектичного сплаву, у якому вдалося частково зменшити шкідливий вплив власного магнітного поля шляхом зменшення кількості б-фаз. Цей ефект досягнуто новим співвідношенням компонентів, за якого введенням додаткової кількості нікелю як г-стабілізатора було зменшено власне магнітне поле катода, яке розпорошується, і розроблено лабораторну технологію його розпилення. Розробку захищено патентом України (пат. № 27849).

Характерну структуру і дифрактограму КІБ покриття сплаву ХТН, напилюваного протягом 5 хв, показано на рис.5, а. Аналіз зображень у темному полі, знятих у різних точках, говорить про надзвичайно дисперсну структуру покриття, що також підтверджується кільцевим характером електрономограми (рис. 5, б), а нечіткість ліній може свідчити про наявність напружень. Деформація плівки, яку видно в режимі зображення, також підтверджує наявність внутрішніх напружень у покритті (рис.5, а).

Евтектичні покриття, отримані плазмовим напилюванням, так само, як і електроіскрові, містять ділянки зі структурою тонкого конгломерату фаз (рис. 6) і характерні для цього методу частинки вихідного порошку, які частково розплавилися і які не розплавилися. Наявність “білих ділянок” свідчить досягнення в більшій частині покриття критичної швидкості охолодження, тобто формування сильно нерівноважних станів.

У роботі виконано експерименти з визначення впливу термоциклічної обробки (ТЦО) променем лазера на ступінь відхилення від термодинамічної рівноваги і викликані цим структурні та фазові зміни в плазмових покриттях. Режими оброблення плазмових покриттів обирали такими, щоб вони дозволяли підвищити їх адгезійно-когезійні властивості з одночасним збереженням структурного стану. У системі ХТН, починаючи з трьох термоциклів, спостерігається зменшення меж між білими шарами і розпад білих шарів. Після триразової ТЦО кількість сірих шарів збільшується, тобто білих шарів, які частково розпалися. У результаті збільшення кількості термоциклів до п'яти відбувається більш повний розпад білих шарів з виділенням у них дисперсних частинок фаз проникнення. При цьому розвиваються процеси коагуляції і коалесценції, які приводять до збільшення розміру частинок, що виділилися, і появи твердого розчину зі значно меншою кількістю фаз проникнення, що перебувають у твердому розчині.

У результаті виконаної ТЦО спостерігається зменшення мікротвердості для всіх структурних складових. Це пов'язано з розпадом пересиченого твердого розчину основи. Необхідно відзначити, що мікротвердість евтектичних ділянок знижується тільки після чотирьох термоциклів. Можна припустити, що це зниження мікротвердості спричиняється розпадом металевої матриці, а перебіг процесів коагуляції зі збільшенням кількості термоциклів не приводить до істотного зниження мікротвердості. Для білих шарів характерним є постійне зниження мікротвердості зі збільшенням кількості термоциклів. При цьому після шести циклів твердість білих шарів і евтектичних ділянок стають приблизно однаковими. Мікротвердість покриття після такої обробки трохи нижча від напиленого без ТЦО. Подальше збільшення кількості обробок приводить до зменшення мікротвердості білих шарів порівняно з евтектичними складовими. Вочевидь, продовжується коагуляція фаз проникнення в білих шарах, що знижує їх міцність.

Термоциклічна обробка супроводжується розвитком релаксаційних процесів, які підвищують пластичність напиленого покриття, що побічно підтверджується відсутністю тріщин на відбитках при вимірюванні мікротвердості і узгоджується з даними інших досліджень. Термоциклювання знижує пористість і підвищує міцність зчеплення плазмового покриття порівняно з вихідним (напиленим) станом.

У п'ятому розділі подано триботехнічні властивості евтектичних покриттів. У першому підрозділі описано результати триботехнічних досліджень плазмових покриттів. Триботехнічні властивості плазмових покриттів залежно від питомого навантаження вивчали за кімнатної температури на повітрі в умовах тертя без змащення.

Залежності інтенсивності зношування і коефіцієнта тертя від питомого навантаження для покриттів з евтектичних порошків ХТН показано на рис. 7. Спостерігається зниження коефіцієнта тертя зі збільшенням навантаження.

Установлено, що евтектична структура визначає здебільшого величину зношення і характер залежності інтенсивності зношення від питомого навантаження. Ділянки білих шарів, розміщених між евтектичними зонами, внаслідок їх низької пластичності та недостатньої когезії викришуються (рис. 8, а) і, потрапляючи в зону тертя, стають абразивом (рис. 8, б). Спостерігається крихке руйнування на поверхні тертя (рис. 8, в). Існує визначений діапазон навантажень і швидкостей, за яких покриття мають високу зносостійкість. Так, за великих навантажень і малих швидкостей ковзання спостерігається крихке руйнування покриття. За навантажень до 2,0 МПа і швидкостей понад 1 м/с зразки задовільно припрацьовуються. При цьому на поверхні тертя утворюються оксидні плівки, що складаються з Fe3O4 і Fe2О3, які виконують роль твердого мастила (рис. 8, г).

Таким чином, плазмові покриття у процесі зношування руйнуються головним чином через викришування окремих частинок і наявність пор, підвищену крихкість, недостатньо міцні адгезійно-когезійні зв'язки та через низьку релаксаційну здатність.

Наведено результати випробувань на тертя і знос плазмових покриттів після високотемпературного відпалу і термоциклювання променем лазера.

Якщо невідпалене покриття ХТН, маючи низьку мікропластичність білих ділянок і їх високу твердість, викришувалося в процесі тертя, то збільшення часу відпалювання зумовлює зростання їх мікропластичності, зниження мікротвердості і, як наслідок, сприяє істотному підвищенню зносостійкості покриття й одночасному зниженню зношення контртіла. При цьому оптимальним режимом є відпал упродовж 18·103с. Установлено, що зі збільшенням тривалості процесу відпалювання концентрація легувальних елементів на поверхневих плівках, що утворюються під час тертя, зменшується, наближаючись до значень, які відповідають їх складу в оксидах на поверхні тертя литих сплавів.

Дослідження триботехнічних властивостей плазмових покриттів у вихідному стані і після ТЦО показало їх різну зносостійкість (рис. 9). Термоциклічна обробка дозволяє змінювати структурний стан і термодинамічну рівновагу білих шарів, підвищуючи при цьому кількість ділянок з більш пластичною евтектичною структурою. Така структура здатна сприймати велику частку енергії і більшою мірою релаксувати напруження під час тертя.

На поверхнях тертя покриттів, підданих ТЦО, утворюються суцільні плівки, у той час як на покриттях без ТЦО – плівки у вигляді окремих ділянок. Це можна пояснити зниженням корозієстійкості білих шарів під час їх розпаду.

У другому підрозділі подано результати триботехнічних досліджень електроіскрових покриттів на сталях 12Х18Н9Т та 45.

Порівняно з плазмовими покриттями зношення електроіскрових покриттів істотно нижче і становить відповідно 30 і 1,8 мг/км. Спостерігається зниження коефіцієнта тертя зі збільшенням навантаження. При цьому його значення нижче, ніж під час тертя плазмових покриттів (рис. 10).

Вища зносостійкість електроіскрових покриттів обумовлена особливостями їхньої структури. Електроіскрові покриття мають структуру тонкого конгломерату фаз на відміну від плазмових з кооперативною структурою.

Структури тонкого конгломерату фаз забезпечують підвищену пластичність, утомну міцність, корозієстійкість. Максимальне сумарне зношення пари за питомого навантаження становить 2,5 МПа. Це свідчить про потребу врахувати умови експлуатації трибовузла у процесі його проектування.

Під час випробування покриттів на підкладці зі сталі 45, як і у випадку з підкладкою зі сталі 12Х18Н9Т, коефіцієнт тертя знижується зі збільшенням навантаження. Інтенсивність зношування покриття приблизно така ж. Однак сумарне зношення пари тертя вище за рахунок підвищеного зношення контртіла.

Імовірно, у процесі ЕІЛ відбувається електроерозія матеріалу електрода, взаємодія продуктів електроерозії в рідиннопаровій і твердій фазах з матеріалом оброблюваної деталі та киснем повітря в мікрованні розплаву на робочій поверхні. У результаті формується композиційне покриття, фазовий склад якого відрізняється від складу легувального електрода. При цьому підвищується твердість покриття. Можна припустити, що вуглець переходить з підкладки, що містить 0,45 % С, порівняно зі сталлю 12Х18Н9Т – 0,12%С. Вища твердість покриття на сталі 45 спричиняє підвищення зношення контртіла і сумарного зношення пари тертя. Оже-спектральний аналіз показав, що поверхня тертя складається в основному із заліза, вуглецю і кисню. Таким чином, можна стверджувати, що фазовий і хімічний склади матеріалу підкладок істотно впливають на зностійкість нанесенних покриттів.

Установлено, що інтенсивність зношення відпалених електроіскрових покриттів знижується приблизно в чотири рази, а зношення контртіла і коефіцієнт тертя знижуються в чотири - п’ять разів (рис. 11).

У третьому підрозділі подано триботехнічні властивості евтектичних іонно-плазмових покриттів.

Сумарне зношення пари тертя переважно визначається покриттям, причому його мінімум розмивається, а абсолютні значення істотно знижуються (рис. 12).

Таке поводження покриттів пояснюється високим рівнем їх дисперсності структури (появою тонкого конгломерату фаз) та зміною механізму кристалізації і відповідно зміцнення.

Якщо на поверхні тертя невідпаленого покриття майже немає оксидних плівок, то поверхня відпаленого протягом 15 хв. покриття цілком покрита оксидами Fe3O4 і Fe2О3. При цьому знижується коефіцієнт тертя і сумарне зношення пари.

Розмиття мінімуму сумарного зношення в зоні евтектики показує, що припустимий деякий зсув складу покриття від чисто евтектичного без істотного впливу на зношення пари. Це підтверджує, що для іонно-плазмових покриттів є можливість керувати їх триботехнічними властивостями, шляхом зміни ступеня термодинамічної рівноваги, оскільки існують відмінності між станами структури і фазового складу та вихідними покриттями.

Таким чином, якщо систематизувати експериментальні дані, то за підвищенням зносостійкості покриття можна розмістити у такий спосіб: плазмові електроіскрові плазмові відпалені електроіскрові відпалені іонно-плазмові.

ВИСНОВКИ

1. Ініційоване тертям перетворення у твердому розчині на основі заліза і поява двофазної структури приводять до збільшення зносостійкості. Як один зі шляхів подальшого підвищення зносостійкості можна запропонувати ефективне зміцнення сталі за рахунок уведення евтектичних кристалів фаз проникнення, що мають високі твердість, міцність і зносостійкість.

2. Розроблено технології нанесення евтектичних покриттів електроіскровим, іонно-плазмовим і газоплазмовим методами з використанням промислових установок.

Установлено, що триботехнічні властивості напилених плазмових евтектичних покриттів залежно від навантаження і температури визначаються ступенем їх нерівноважності. Відносно висока пористість плазмових покриттів (10 – 12%), низькі адгезійно-когезійні властивості, великий градієнт властивостей від твердого покриття до м'якої основи знижують їх зносостійкість у міру зростання навантажень і температури. При цьому за великих питомих навантажень відбувається крихке руйнування покриттів, яке супроводжується викришуванням його елементів, що мають абразивні властивості.

3. На підставі триботехнічних досліджень установлене істотне підвищення зносостійкості плазмових покриттів за кімнатних температур після ТЦО, що зумовлено зниженням крихкості та підвищенням пластичності структурних складових, а також збільшенням здатності утворювати вторинні структури.

4. Показано, що в плазмових і електроіскрових покриттях завдяки розвитку дифузійних процесів під час відпалювання спостерігаються фазові перетворення, які супроводжуються наближенням структури і фазового складу до більш рівноважного стану. Це дає змогу підбирати такі параметри термообробки евтектичних покриттів, коли в заданих реальних умовах тертя зношення пари тертя буде мінімальним.

5. Склад вторинних структур і фрактографії поверхонь тертя показали, що відпалювання і термоциклювання покриттів змінюють механізм тертя порівняно з вихідним напиленим станом. Замість крихкого руйнування твердих і крихких ділянок зі структурою тонкого конгломерату фаз збільшення їх пластичності призводить до появи слідів пластичного відтиснення, вигладжування поверхні тертя і, як наслідок, до зниження зношення пари тертя. Основними компонентами вторинних структур – оксидних плівок, є оксиди Fe2O3 і Fe3O4.

6. За ступенем підвищення зносостійкості покриття можна розмістити в такий ряд: плазмові електроіскрові плазмові відпалені електроіскрові відпалені іонно-плазмові. У такий самий ряд можна розмістити покриття за зростанням ступеня відхилення від рівноважного стану і дисперсності структури, а методи їх нанесення – за підвищенням питомої потужності процесів.

7. Для роботи в умовах високих швидкостей і навантажень, що спричинюють фрикційне нагрівання до 600 °С можна рекомендувати покриття на основі розробленого сплаву (пат. № 27849).

Cписок опубликованих ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. М.В.Кіндрачук, М.В.Лучка, А.О.Корнієнко, Джамаль Ібрагім Мантур. Трибологія покриттів матрично-наповненого типу // Проблеми тертя та зношування НАУ. – 2006. – № 45. – С.127 – 140.

2. М.В.Кіндрачук, С.В.Федорчук, Джамаль Ібрагім Мансур, В.М.Бурлаченко. Формування напружено – деформованого стану та нестаціонарних термічних полів у композиційному матеріалі при терті // Вісник НАУ. – 2006. – № 2. – С. 65 – 70.

3. О.Ф.Аксьонов, О.У.Стельмах, С.П.Шимчук, В.П.Коба, Джамаль Ібрагім Мансур. Методологія визначення протиспрацьовувальних властивостей мастил за критеріями трибохарактеристик утворюваних у них вторинних структур // Вісник НАУ. – 2006. – № 2. – С. 62 – 64.

4. М.В.Киндрачук, Джамаль Ибрагим Мансур, С.В.Федорчук, А.А.Корниенко. Формирование метастабильности и триботехнических свойств эвтектических покрытий термоциклической обработкой // Технологические системы . – 2006. – № 2. – С. 59 – 63.

5. В.Є.Панарін, М.В.Кіндрачук, Джамаль Ібрагім Мансур, В.В. Погорелая. Використання метастабільних станів у формуванні властивостей зносостійких евтектичних покриттів на основі заліза // Металознавство та обробка металів – 2006. – № 3. – С. 19 – 25.

6. В.Е.Панарин, М.В.Киндрачук, Джамаль Ибрагим Мансур, В.В.Погорелая Исследование триботехнических характеристик электроискровых покрытий из эвтектического сплава на основе железа // Проблеми тертя та зношування. – 2007. – № 47. – С. 207-216.

7. Пат. 27849 України, МКП С22С 38/54. Зносостійкий сплав на основі заліза: М.В.Кіндрачук, В.Є.Панарін, Мансур Джамаль Ібрагім, С.В.Федорчук, В.В.Погорелая (Україна). - № u 2007 09513; Заявл. 21.08.2007; Опубл. 12.11.2007. Бюл. № 22. – 4 с.

8. Использование метастабильных состояний в формировании триботехнических свойств эвтектических сплавов на основе железа / М.В.Киндрачук, Джамаль Ибрагим Мансур, М.С.Яхья, В.Е.Панарин // Седьмая международная науч.-техн. конф. “Авиа – 2006”. – К.: НАУ, 25-27 сентября 2006, с 354-358).

9. М.В.Киндрачук, Джамаль Ибрагим Мансур, Н.В.Ищук. Использование метастабильных состояний для повышения триботехнических свойств эвтектических сплавов на основе железа // Восьмая межд. науч.-техн. конф. “Авиа – 2007”. – К.: НАУ, 25-27 апреля 2007, с 178-182).

Анотація

Джамаль Ібрагім Мансур. Формування триботехнічних характеристик евтектичних покриттів з використанням їхніх метастабільних станів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.04 – тертя та зношування в машинах. – Національний авіаційний університет, Київ, 2008.

Дисертаційну роботу присвячено підвищенню зносостійкості деталей вузлів тертя шляхом керування формуванням властивостей евтектичних покриттів з нестабільною структурою. Основна ідея роботи – реалізація можливостей керування експлуатаційними властивостями евтектичних покриттів, отриманих у нерівноважних умовах.

Досліджено структуру і фазовий склад плазмових, електроіскрових та іонно-плазмових евтектичних покриттів. Установлено закономірності їх утворення залежно від умов нанесення покриттів.

Показано, що в плазмових та електроіскрових покриттях завдяки розвитку дифузійних процесів при відпалі та термоциклюванні спостерігаються фазові перетворення, що супроводжуються наближенням структури і фазового складу до положення термодинамічної рівноваги. Це дає змогу підбирати такі параметри термообробки евтектичних покриттів, коли в заданих реальних умовах тертя зношення пари тертя буде мінімальне.

За ступенем підвищення зносостійкості досліджені евтектичні покриття розміщуються в такій послідовності: плазмові > електроіскрові > плазмові відпалені > електроіскрові відпалені > іонно-плазмові. У такий самий ряд можна розмістити покриття за зростанням ступеня відхилення від рівноважного стану і дисперсності структури, а методи їх нанесення – за підвищенням питомої потужності процесів.

Ключові слова: евтектичні покриття, зносостійкість, нерівноважний стан, вторинні структури, керування властивостями.

Аннотация

Джамаль Ибрагим Мансур. Формирование триботехнических характеристик эвтектических покрытий с использованием их метастабильных состояний. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 – трение и износ в машинах. – Национальный авиационный университет, Киев, 2008.

Диссертационная работа посвящена повышению износостойкости деталей узлов трения путем управления формированием свойств эвтектических покрытий с нестабильной структурой. Основной идеей работы является реализация возможностей управления эксплуатационными свойствами эвтектических покрытий, полученных в неравновесных условиях. Неравновесные условия создаются в покрытиях, напыляемых физическими методами, которые предполагают быстрый нагрев частиц выше температур ликвидус и быстрое охлаждение на холодной подложке. В результате такой обработки в покрытиях возникают неравновесные структурные и фазовые состояния с различными, присущими им свойствами. Последующий нагрев таких покрытий приводит к смещению их состояний к положению равновесия путем прохождения промежуточных состояний, которые дают возможность получить оптимальные триботехнические свойства.

Исследованы структура и фазовый состав плазменных, электроискровых и ионно-плазменных эвтектических покрытий. Установлены закономерности их образования от условия нанесения покрытий.

Показано, что во всех покрытиях достигается критическая скорость охлаждения и формируются структуры тонкого конгломерата фаз. Установлено, что триботехнические свойства покрытий определяются в основном количеством и состоянием областей с неравновесной структурой тонкого конгломерата фаз. Технологическими параметрами напыления можно регулировать соотношение количества областей с колониальной и структурой тонкого конгломерата фаз, изменяя тем самым триботехнические свойства покрытия в целом.

Показано, что в плазменных и электроискровых покрытиях благодаря развитию диффузионных процессов при отжиге и термоциклировании наблюдаются фазовые превращения, сопровождающиеся приближением структуры и фазового состава к положению термодинамического равновесия. Это дает возможность