автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение износостойкости элементов трибосистемы из титанового сплава методами поверхностного упрочнения

МИНИСТЕРСТВО ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ КИЕВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ИМЕНИ 60-ЛЕТИЯ СССР

На правах рукопиои

МАСЯГИН ВАЛЕРИЙ ИВАНОВИЧ

УДК 621.891

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТРИБОСИСТЕЫЫ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА МЕТОДАМИ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Специальное» 05.02.04 - Трение и ивноо в машинах

АВТОРЕФЕРАТ диосвртации ва ооиоканиз ученой отепени кандидата гвхничеокшс наук

Киев - 1990

Работа выполнена в Киевском высшем военном авиационном инженерном училище

Научный руководитель - доктор технических наук, профессо НОСОВСКИЙ и.г.

Официальные оппоненты- доктор технических наук

швджий л.и.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник ШЕПЕЛЬ А.Я.

Ведущая организация - Институт сверхтвердых материалов АН УССР, г.Киев

Защита состоится "/¿г7 1990 года в час

на заседании специализированного совета К 072.04.03 в Киевском ордена Трудового Красного Знамени институте шше гражданской авиации по адресу: 252058, г.Киев, проспект Космонавта Комарова, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " // " ¿^/^-^£/1990 ГОда.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент ЛАЕУНЕЦ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работ. Задача повышения надежности и долго-ноохи машин лвляетоя составной частью общей проблемы ускоре-научно-гехннческого прогресса. Решение этой задача хеово зано о научно-обоснованный управлением процессами трения и ашивания.

Оообое вникание конструкторов в последние десятилетия влекают титановые сплавы как перспективные материалы для на-осхроения. Они обладают такими вакяыми эксплуатационными ка-тваии, как высокая удельная прочность при нормальной и повы-вых температурах ¡1 коррозионной стойкоотыо.она плаохичны, влетворительно обрабатываются резанием, достаточно хорошо риваются.

Однако, ряд существенных недостатков титановых оплавов аничивают область их применения в узлах трения. В условиях 1ил титановые сплавы проявляв! низкие антифрикционные овой-

з, склонность в схватыванию и задиру, высокуи химичеокую инооть при высоких температурах.

Анализ литературных данных показал, что многие иоояедова-1 в качеотве оценки титановых оплавов сопротивляться изнави-ш приникали повышение их твердости различными хехнологи-шми методами. В то же время, результаты эксплуатации хрибо-(евтов из титановых оплавов показали, что увеличение твердоо-ю многих случаях не являехоя адекватный повышении износо-!кости.

Анализ ряда исследований показал, что при трении титановых шов поверхноотнне олои взаимодействую« со сказочной и газо-I средами и модифицируются в результате наоыщения киолородом, до, водородом и другими элементами. Обладая естественной :ой окионой пленное, которая легко разрувдетоя при контакт-взаеюдействин трйЗоэдеыентоз, титановые отавы харакхерн-'оя инхеноивныи воспроизводством вторичных отруктур, првитающих развитии процессов оиатыванвя. Однако, при опережении еоса появления очагов охватываиня, воопроизводотво иорич-отруктур ае успевает предотвратить повреждаемость поверх-

и.

Для обеспечения процесоо» воспроизводимойгм вторичных в тур, в начальный период »кошуатации трвбовлекентов ив новых сплавов, необходимо создавать уоловия, препятстжую-I

цле возникновению металлических овязей. Зга задача обычно реи ется путем технологического изменения химического состава и отруктуры поверхностных слоев.

Предлагаемые в работе методы поверхностного упрочнения, основанные на приведенных условиях модификации", направленные на повышение износостойкости трибоэлеиентов из титанового сюи ва, язлиотся актуальными. ......

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка путей повышения износостойкости и долговечности трибоуз-лов машин, изготовленных из титанового сплава 0Т4, и обоснования области их применения. Б соответствии с поставленной целы решались следующие задачи:

1. Определение особенностей процессов трения трибоалецен-гов из сплава 0Т4, подвергнутых модификации путем двухступенчатого азотирования, лазерного упрочнения, электроискрового ж гирования и анализ структурного состояния, ооогаетствувцего о( ласти механо-хкмического изнашивания.

2. Разработка способа модифицирования путей двухступенчатого 'азотирования поверхностей.

3. Определение особенностей влияния смазочной среды на процессы изнашивания трибоэиелентов из сплава 014«

4. Определение особенностей влияния модификации и упрочш ния поверхностей трибоэлементоз из оплава 024 ва устелоотшзе ншфоразрусеквв поверхностного слоя.

5. Разработка методики определения особенностей взашоде! синя поверхностей арибозлеуентов путем использования пригорая, позволяющего сопоставить изменения дисперсности, химического и структурного состава продуктов взнашвання с учехои энергетических затрат при их образовании..

6. Разработка критерия для диагностики условий эксплуатации трибоэлеиептов по результатам комплексного исследования продуктов изнашвания.

Научная новизна. Впервые проведены лабораторные испытании на гренка скольжения титанового сплава 014 в исходном состоянии и упрочненного лазершш методом и двухступенчата азотированием о газовых и жидких средах в широком диапазоне изменен!« окорости и нагрузки.

Получены закономерности изменения износа и коэффициента трения.

Определены вида износа во всей испытуемом диапазоне нагру-t и окороотей скольжения, хшические и фазовые изменения в зерхпостних олоях оплава QT4.

Установлено, что титановый сплав 0Т4 .пооле лазерного уп-шения и двухступенчатого азотирования повывает изиосостой-:гь в lí-5 раз по сравнении с OTA в исходной состоянии.

На оспово получепных результатов зксперимента и основных южений струкгурно-энзргетической теории трения обоснованы збённости модификации поверхности трибоэлемеитов из титано-?о сплава 0Т4 путем двухступенчатого азотирования, которые (лвчавтсп в образовании специфической столбчатой структуры, ¡зыващей значительное сопротивление изнооу и усталостному фуиению.

Установлено, что повышение износостойкости поверхностей шия при лазерной упрочнении в воздушной среда определяется ширувщим влиянием окисления поверхностных слоев, ограничи- . щш проникновение водорода в пределы зоны термического вли-ш, отличающейся высокой твердость».

Обнаружено, что изнашивание титанового оплава 0Т4 в сыа-шой среде, характеризующееся зонами интенсивного диспергиро-[ия и абразивного воздействия, сопровождается увеличением со-жания углерода в поверхностном слое. Это позволяет сделать (лечение о тш, что увеличение содержания углерода в поверх-1ТНОЫ слое происходит в результате насыщения микротрещин посулами смазочного масла в процессе его деструкции.

Разработана методика определения особенностей взаиыодейот-[ трибозлементов на основе результатов комплексного иоследо-[ия продуктов износа о учетом энергетических характеристик образования, которая монет быть использована в качестве оо-1Ы для прогнозирования износостойкости трибосистеи.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработан технологический метод ХТО титанового оплава 0Т4 ем двухступенчатого ионного азотирования, позволявший повы-ь изноооотойкоогь s 4-5 раз по сравнении с ОТ4 в иоходнои тоянии.

Разработана новая методика определения видов изнашивания результатам анализа продуктов износа с учетом энергетичео-; характеристик их образования, которая может быть иоподьзо-а в качестве основы для прогнозирования износостойкости босиотем,

Технологический метод двухступенчатого ионного азотирован! внедрен на авиационном рементноы заводе в/ч 15845 с экономическим аффектом 30 то. рублей.

Апробация работы. Основные результата диссертационной работ« доложены и одобрены на следующих конференциях и семинарах: на распаренном заседании кафедр КВЗАИУ /г.Киев, февраль 1987 г. на.сецинара адъюнктов и соискателей факультета й I КВВАИУ (г, Киев, сентябрь 1988 г.); на Всесоюзной научно-технической к ференщш "Триботехника и надежность инструментальных и конструк ционных материалов" (г. Киев, май 1988 г.); на Всесоюзной выезд ном заседании Цежнедоаственного Научного Совета по трибологии п АН СССР, ГШ СССР, Союзе НПО СССР по теме "Научные и прикладные проблемы теории трения и изнашивания" (г. Хорьков,ФТИНГ АН УССР, февраль 1989 г.);на расширенном семинаре Межотраслевого отдела триботехнических исследований и испытаний HEAT и НПП АН УССР (г.Киев, ноябрь 1989 г.); на Республиканской конференции "Задачи трибологии в обеспечении качества, надежности и долговечности масли" (г.Киев, РДЭШП, апрель 1990 г.); на расширенно: заседании кафедр Киевского ВВШ и КНИГА (г.Клеи, май 1990 г.).

Публикации. По резултатан выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ. Получено положительное решение по авго. скопу свидетельству "Способ нанесения диффузионных покрытий" по заявке. IÈ 4793732/31-02 I553I2.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе. Изложена на 123 страницах машинописного текста а содержит 65 риср: и .8 таблиц. Список литература включает 161 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной теми И основные положения исследования, определяющие теоретическую й практически, значимость работы.

. В первой главе излогены особенности процессов трения титановых сплавов, технологические способы повыаения износостойкости, обосновывается связь иекду свойствами частиц продуктов износа и процессами изнашивания, оценивается влияние технологических методов поверхностного упрочнения на'усталостную прочное: трибовлвиентов из титановых сплавов. . .

. , Анализ работ B.C.. Авдуевского, А.Ф.Аксенова, А.Я.Алябьева, Л.И.Бервадского, Н.А.Буше, В.Н.Вдасова, Н.Л.Голего, В.Д.Евдоки-

эва, В.В.Запорокца, А.Ю.Ишлинокого, И.В.Крагельского, Б.И.Кос-вцкого, В.И.Дозовского, P.U.Матвеевского, П.В.Назаренкб, .Г.Нооовского, А.А.Полякова, Ц.В.Райко,,П.А.Ребпндера, А.П.Се-енова, И.и.Федорченко, И.М.Хруцова, В.В.Шевеля, а также аару-ганых ученых Ф.П.Боудена, Е.Р.Брейтузйха, Д.Тейбора, Г.Фляйшера, •Чахоса и других исследователей показывает, что величины uauoca силы трения зависят от комплексного влияния процеооов взаиыо-зйствия поверхностей трибозлецентов и среды, условий нагруке-ая трением, свойств материалов и ряда других факторов. При тре-ии титана и его сплавов происходит существенное увеличение пастической деформации в поверхностных слоях, сопровождающееся овышением температуры поверхности и интенсификацией диффузион-зх процеосов. Работы Б.И.Костецкого, Я.Бенара, Д.Н.Гаркунова, .Я.Красовокого, Н.А.Галактионова и др. свидетельствуют, что роцеоа окисления титана при зрении конкурирует о процессом его ааиыодействия с водородом, проявляющегося в повышении хрупкое-а поверхностей трения.

Однако, развитие процеосов окисления при трении, а так se экоторые технологические методы соглаоно работ Б.И.Арзамаоова, »Н.Гаркунова, Н.Л.Голего, Ю.Н.Дроздова, Н.Ц.Пульщша Д.Предводителева, И.Г.Носовского и др. способствуют повыше-w износостойкости и улучыенк» антифрикционных свойств трибоэле • знюв из титанового оплава. При згон гехнологичеокое упрочнена должно способствовать расширению диапазона процессов меха-э-химичеокого износа я предотвращении развития источников »рождаемости. Для создания условий оптимального перехода oí зхнологичеакого микрорельефа к эксплуатационному были выбраны этнологические методы, у которых основное влияние оказывала шовое воздействие и химическое взаимодействие со средой, сим условиям наиболее полно отвечает лагерное упрочнение, гектроискровоэ легированна, ионно-плазменное напыление и ионное »отирование.

Достаточно полную информации о механизме, кинетике разрушил и особенностях процеосов трения, можно получить на ооно-> исследования параметров чаолиц износа и.разработанных принтов отруктурно-энергетической хеорви Б.И.Костецкого. Анализ 1бох П.К.Иыпкнна, И.И.Гарбара, Д.Рнгии, Н.П.Су и др. покааы-lei, что в практике гриботехнических исследований на шли прошение для определения видов износа его интеношвнооти, методы [игывавре форму и размеры частиц.Фавовый и химичеокий ооотав.

Трибоэлементы, подвергаемые различный видам поверхностного упрочнения, кроне испытания на износостойкость должны быть подвергнуты испытаниям на усталостную прочность.

На основании проведенного анализа определены цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается комплекс методик исследова трибологических процессов, происходящих на поверхностях трибоэл центов из сплава 0Т4, что позволило раскрыть механизм и законом ности основных изменений свойств поверхностей.

Триботехническве испытания проводились на машине трения ГО оозданной автором и отличающейся от имеющихся машин бесступенча той передачи с вирокш диапазоном скорости и нагрузки, позволяй щей воспроизводить основные виды изнашивания и определять крити-чеокие точки перехода от одного вида изнашивания к другому при : менении материала, размеров трущихся пар и окрувахщей среды. В качестве основного исследуемого материала выбран псевдо- d. сп; ОТ4. В качестве контртел использовались образцы из материалов: сталь 45 (нормализованная, закаленная), бронза БрАХ9-4. Испытания проводились с использованием смазочной среди масла' L'C-20 и в условиях сухого трения.

В процессе испытаний регистрировали линейный износ, темпер! туру поверхности, момент трения.

Для определения механизмов и закономерностей пластической деформации и воспроизводства вторичных структур применялись: металлографический микроскоп "Неофог-21", ШТ-3, профшгограф мод.; дифрактометр ДРОН-2. Эмиссионный спектральный анализ проводился на спектрографе ИСП-28, определение содержания водорода олредеш дось на приборе Ф51СА-1, оне-спектралышй анализ проводился на сканирующем оже-спектроиетре " JSmp - ю".

Испытания образцов на усталостную прочность проводили как по раздельной, так и комбинированной методике нанесения фрет-тинг-поврездений на маишне ШУ-6000 при частоте нагружения 50 Гг

Поверхности трибоэлементов из сплава 014 подвергались термообработке на лазерной установке KBAHT-I5 в атмосфере воздуха и аргона. Электроискровое легирование осуществлялось на установке ЫП-ЭЛ-2, в качестве алектродов были выбраны ЕК-6, V^ , rb Cd с дополнительной обработкой графитовым электродом. Ионно--плазменное напыление осуществлялось на уотановке "Булат-ЗТ". Для повышения износостойкости трибоэлементов из сплава 0Т4 про-

дилось покрытие, включающее операции конного азотирования в еде (75?з об. + z% об. Ar ) с целью получения столб-той структура внутреннего азотирования ^ твердого раствора. Планирование и обработка результатов экспериментов осуцест-ялось известными иетодаии математической статистики.

Третья глава посвящена исследовании влияния гехнологичео-х факторов на состав, структуру и свойства поверхности трибо-ементов на основе сплава ОК.

Согласно пологении струкгурно-эаергетическоп теории, опти-льнцц условиям трения соответствует процесс воспроизводства оричпых структур, при которой скорость их образования и раз-тения равны. Выполнение этих условий ыокет быть реализовано п трибоэлеиектов из сплава (Ж в результате лазерного упрочне-я и модификации поверхности за очет двухступенчатого ионного огирования в большей степени, чем при условии злектроискрово-яегирования, ионно-плазменного напыления и нанесения различных зов покрытий. При лазерной обработка осуществляется uosysoQ зргетическое воздействие ( ^ = 0,3... 5-10^ Ват/см2 и длитель-зтьи f = 1...5 ыс) на гонкий поверхностный слой образца в зультате чего он нагревается выше температуры фазового превращв-I (882 °С), с последующи охлаждением (5-10® °С/с) за счет ¡трого теплоотвода в основную массу материала образца, образуя >й закалочной структуры царгенситного типа, представляющего ¡ой высокодисперсную дезориентированную в пространстве ^ и фаз. На поверхности образца, обработанного гакиа образом, шируетоя оксидний слой толщиной 20...50 шсц, состояний из О , % И 0¿ , имеющий иикротвердоогь в 5 раз превышающуо :одный материал.

Достижение необходимой величины упрочнения поверхностного я о оптмальнш сочетанием процессов диффузии и хшачесного шодействия модифицирующего элемента о упрочняет« материала двухступенчатой ионнси азотировании осуществляется за 5 изменения кеыпературы нагрева образцов, давления в камера аваемой омеои, времени выдержки образцов. Это позволяет поить столбчатую структуру внутреннего азотирования. Толщина тащенного ааотоц слоя доотигает 150 икм, его микротвердость тавляет 8,б...9,5 ГПа. В результате модифицирования поверх-

коми титанового сплава 014 путем двухступенчатого ионного азотирования образуются зона непрерывного твердого раствора азота в титане, зона р твердого раствора титана, зона о фазой. ....

Четвертая глава посвящена определению закономерностей накачивания тркбоэлементов из титанового сплава 0X4 при различных условиях кагруяения трением. Выяснен ыехназм влияния лазерного упрочнения на воздухе и в аргоне, а так хе ионного азотирования, на повышение износостойкости, коэффициент трения, определен наг-рузочно-скоростной диапазон гркбопар, влияние смазочной среды на увеличение оодергания углерода и водорода, показано влияние поверхностного упрочнения сплава на усталостную прочность. .

Испытания образцов на износ в условиях трения скольжения без смазки проводились з диапазоне скоростей скольжения от 0,05 до 0,8 ц/с при удельной нагрузке 2,0 !.!Па, а так ае в диапазоне величин удельных нагрузок от 0,5 до 2,5 НПа при скорости сколь-хения 0,4 м/с. В приведенной диапазоне скоростей и нагрузке 2,0 НПа происходит интенсивное агериическое схватывание трибоэле центов из сплава 0Т4 и стали 45 нормализованной. Износ достигает 1,2 г/см2 га 1000 и пути, йикротвердость измерялась на поле-речном шшфе при нагрузке 0,5 Н. Исходная величина иккротвердоо-ти сплава 0X4 составляла 2,7, а стали 45-2,4 ГЕа. При ксгата-кии на износ образцов без лазерной обработки в диапазоне скоростей от 0,05 до 0,3 м/с величина иикротвердости сплава 014 увеличивается до ЗД.,.3,6, а стали 4-5 до 3,4.1.3,8 ГЕа в поверхностных слоях толциной от 40 до 100 мки. В поверхкосгных слоях образ цов из обоих материалов 'зафиксирована значительная пластическая деформация глубиной 40...100 нкм, упрочнение деформированного сл внрывы и налипание сплава 0X4 на поверхность стали 45. Как с шаль ная величина коэффициента зрения составляла 0,7.

Испытание образцов из титанового сплава 0X4, упрочненного лазерной обработкой на воздухе, в паре с нормализозашши образцами из стали 45, позволили установить, что в диапазоне скоростей от 0,05 до 0,8 м/с при нагрузках 2,0 Ш1а, образцы из титаво-» вого сплава, подвергнутые лазерному упрочнению, имеют минимальный износ около 0,03 г/см2 на 1000 ы пути. Это на два порядка меньше, чем при испытании образцов без лазерного упрочнения. Износ стали 45 нормализованной снизился в 4 раза по сравнению о износом при испытании титанового сплава бгз лазерного упрочнения,

В интервале скоростей скольжения от 0,05 до 0,8 и/о поверх-8

ости образцов из сплава ОТ4 характеризуются сохранением перво-ачальной структуры, образовавшейся при лазерном упрочнении, а Зрпзцы из стали 45 имеет значительную пластическую деформацию поверхностном слое размером I...3 мкм. Микротвердость стали 45 ри скорости 0,05 м/с не изменяется, а при скорости 0,8 м/с из-енялась незначительно.

Микротвердость образца из сплава 0Г4, подвергнутого лазер-сму упрочнению, при скорости 0,05 м/с имела каксшальное зна-ение 7,6 ГПа на глубине 40...80 urai от поверхности, а на глубине 60 мкм и больше значительно уменьшалась.

При скорости скольжения свьгае 0,8 м/с на поверхности упроченных титановых образцов происходит интенсивное образование тре-ин с отслаиванием частиц, что приводит к резкому увеличению из-оса. Коэффициент тренкя при установившемся режиме испытаний со-тветствовал 0,4...0,7. Высокий коэффициент трения обусловлен в сновном существенным изменением свойств поверхности после лазер-ого упрочнения.

Испытание образцов из титанового сплава, упрочненного лазер-ой обработкой, в паре о образцами из стали 45, танке подвергну-ых лазерному упрочнению, позволили установить, что в диапазоне коростей скольжении от 0,05 до 0,8 и/о при удельных нагрузках до ,0 МПа минимальный износ и структура титановых образцов такие ке ait а предыдущих испытаниях. На образцах из стали 45 при всех рейках испытаний полностью разрушался поверхностный слой, образо-авшийся при лазерном упрочнении, происходило интенсивное плас-ическое деформирование на глубине до 400 я юл и значительный из-оо.

Результаты испытаний образцов из сплава 0Т4, упрочненных азерной обработкой, в паре с закаленными образцами из стали 45 диапазоне скоростей скольжения 0,05...0,8 м/о и уделышх наг-узок до 2,0 КПа, показали что изменение структуры и другие па-аыетры были аналогичны предыдущим испытаниям. Мзноо закаленных браацов из стали 45 ониаился в 2...2,5 раза по сравнению о кэ-осои нормализованных образцов и составил 0,12...О,14 г/cu2 на ООО и пути. Коэффициент трения соответствовал 0,5...0,5.

Испытания образцов из титанового сплава 0Т4, упрочненных ла-ерной обработкой а среде аргона, в паре о образцами из нормали-ованной отали 45 показали, что пазерное упрочнение заметного лияния на уменьшения игвосв не оказало.

Иооледованнэ глиявия удельной нагрузки при трении в диапазоне 9

с.5...г,? Ы1а при постоянной скорости скольжения 0,4 м/с показало, что с увеличением удельной нагрузки износ образцов из сплава . 0Т4, упрочненных лазерной обработкой, существенно не меняется.

Эти результата позволяет сделать вывод о той, что при отсутствии лазерной обработки сплава 0Т4 в процессе трения, в результате взаимодействия с компонентами окружающей среды, существенно меняет свою способность сопротивляться изнашиванию пр. устойчивой -фазе, имеющей гексагональную плотноулаковаин;

кристаллическую решетку. В условиях переходных режимов трения диффузия кислорода и азота воздуха в поверхностные объемы титанового сплава способствует образованию окислов и нитридов, которые затрудняют пластическую деформацию и препятствуют схватыванию.

При повышенных температурах, возникающих л результате лазерной обработки, з сплаве 0Т4 образуется /3 -фаза, имеющая кубическую объемяоцентрирозанную репетиу, которая при последующем охлаждении переходит в проыекуточную -фазу, иаеющу» угольчатую структуру мартенситного тина. Такие структурные изменения в поверхностных слоях, происходящие в результате лазерной обработки, выявленные рентгеноструктурным анализом, благоприятствуют повышению износостойкости.

Известно, что повышение концентрации водорода при деформировании наблюдается в ¿Ь -фазе, а в ^ -фазе остается без изменений. Образование гидрида титана начинается при содержании водорода свысе 0,02^ и приводит к охрупчиванки р -фазы. В тс г.е вреня, рядом исследователей отмечается улучвениа способности титановых сплавов, имеющих цегфазные прослойки гидрида гитана толщиной в несколько десятков нанометров, сопротивляться увеличению пластичности при импульсном нагругении.

Такш образом, наблюдаемое при скоростях 0,8 м/с ц вине образование трещин на поверхности трения титанового сплава, подвергнутого лазерному упрочнению, можно объяснить комплексным воздействием гидридов, оксидов, нитридов. В аналогичных условиях ¡трения основной причиной разрушения поверхностей, неподаерг нутых лазерному упрочнению, является схватывание.

Лазерное упрочнение титанового сплава 014 целесообразно для трябоузлов при скоростях ниже 0,8 м/с, когда некоторое увеличение коэффициента трения не имеет существенного значения.

Иатеноивное раарупенив трибоэлементов из титановых сплавов, работавших в смазочной среде,'овязываетоя многими исспе-

ователяаи с повышением содержания водорода в поверхностных лоях. Для исследования этого влияния на износостойкость опла-а Ой, подвергнутого лазерному упрочнению, были проведены ио-ытания в среде пасла L5C-20 по приведенной выше методике.

Испытания проводились при скорости скольжения равной ,05...0,8 ц/с и удельной нагрузке 1,75 МПа, частота колебаний ри работе трибоузла составляла 20 Гц. Результаты представлены а рис. 1а.

Было проведено определение содержания водорода в подповерх-остных слоях трнбоэлсментоз негоден эмиссионного спектрального колаза. Учитывая, что зона термического влияния в результате азерной обработки соответствует поверхностному слою толщиной 80...200 мш, а так же то, что специфическая форма рельефа об-азцев после лазерного упрочнения не позволяет проводить сравни-елыше определения водорода по сравнению с трибоэлеиентоа, но одвергпенуся лазерному упрочнения, производился предварительна съем поверхностного слоя размером 100 тем. Таким образом, пя анализа оставался достаточный слой в пределах зоны терми-зского влияния.

Исходная концентрация водорода в образцах из сплава Ой остазляла 0,0015/5. В результате воздействия лазерного упрочне-ия концентрация водорода увеличивалась до 0,0033$. Влияние згрукения трением на концентрацию водорода представлено на ;ю. 2а. С увеличением скорости скольжения и длительности испы-аний изменение концентрации водорода в подповерхностном слое 5разцов из сплава Ой, подвергнутого лазерному упрочнению, роксходило с менъпей'иятенсивнсстьв, чем в подповерхностном юе без лазерного упрочнения.

Обнаружено, что з результате трения сплава OI'v без упрочения в смазочной среде происходит насыщение поверхностного юя углеродом, максимальное значение которого соответствует сорости V = 0,8 м/с и составляет 1,7% рис. 26.

Сопоставление этих результатов с изменением ыорфологичес-IX характеристик поверхностей трения, определение взаимного зреноса материала трибоэлементоз методом эмиссионного спект-5лы1ого анализа й равультаяааа тру.бологическах испытаний на наше трения позволяет сделать следующее заключение о ведущих эоцессах изнашивания при переходе к повреждаемости:

- без упрочнения при трении на воздухе без смазки - схва-гвание I рода;

Иг

3,0 2,5 2,0 iS 0,02 О,Ott 0,0/ 0,005 О

■0,005

а мш --7

От4£(н)

2.0ПМ- г/

s.mw- СтМ/и)

.....— komv)- 5

---

Ип r-fO'$ ?$

60 45 30 /5

0,05 0,2

0,4

а

0,6 Q8 \/%

\ MAS- СтЬ5н

\ 2.€ni45u- ОГ4АЗ

шы-о itäuiHm

—г

•—чу» III

цг

$

0,6

4'

У %

Рво.1, Иаиененве величины ианооа сплава 0Т4, подвергнутого яавернсму упрочнению (ЛУ) (а), ионному ааомровашш (А8) (0), при трении беа оиааки и в среде масла ЫС-20

НгУ°

0,0/09 0,0075 0,0050 0,0025 О

0,2 М 0,6 0,8 у н/с

'а

С% #

0,8 0,6 ОА . V

о, г 0,6 у */с

о

'ао.2. Изменение оодорхания зодорода (а) и углерода (б) в поверхвооюм слое сплава 014 после испытаний в оредз МС-20.

ЮПн-гопн- ОПн 2

Ст45н

! 3

ШАМ у

2.0Т4{лу) /

- без упрочнения при трении в среде масла МС-20 - изнашивание с характерными признаками воздействия водорода, проявляй сдайся в виде зон диспергированной поверхности, чередующихся с зонами абразивного воздействия;

- после лазерного упрочнения при трении на воздухе без саазки переход от механохимического изнашивания к трещинообра-золанию и появлению признаков схватывания I рода;

- пооле лазерного упрочнения при трении в среде масла MC—i - переход от механохимического изнашивания к грецинообразовэшн

Увеличение содержания углерода в поверхностном слое образцов из сплава 0Т4 без упрочнения в смазочной среде происходит в результате деструкции ыодекул смазки, проникающей в кикротре-щины в поверхности трения, что способствует проявлению эффекта адсорционного понижения прочности, инициирующего и усиливающем процесо диспергирования, связанного о увеличением плотности заблокированных дислокаций выие критических значений. При использовании предварительного лазерного упрочнения этот процесс ограничивается конкурирующим механизмом образования вторичных структур, препятствующих возникновению активных центров на поверхности микротрещин зе счет взаимодействия с кислородом и другими элементами среды.

Таким образом, применение лазерного упрочнения титанового сплава способствует, при переходе от изнашивания к повреждаемое' ти, замене процесса интенсивного диспергирования на появление признаков трещинообразования без существенного изменения фор-ми и рельефа поверхности трибоэлеыентов. Это связано с воз-могшостыа своевременной замены изношенной детали до нарушения ее эксплуатационных сюйоиа.

Лазерное упрочнение поверхностных олоев сплава 0Т4 оказывает существенное влияние на особенности процесса взаимодействия поверхностей трения. Значительное увеличение энергии поверхностных олоэв при трении, перемещение дефектов и увеличение реакционной способности приводит к неизбежному изменений химического состава в зоне контакаа, что является ваккейиии фактором, определяющим игнооостойкооть и антифрикционное:!.

Анализ химического состава поверхности трения оплава 0X4 методом оке-спектроскопии, пооле испытаний в условиях трения' бее смазки, показал повишнное оодержание кислорода, углерода, оеры. Это объясняется технологической наследственностью сплава, возникающее в результате финишной обработки, за счес деструк-

ции С02С, кроме того активным взаимодействием с элементами воздушной среды при трении.

Трение титанового сплава 0Т4 в среде масла МС-20 способствует резкому увеличению водорода, углерода, кислорода, азота, что влияет на образование гидридов, нитридов и оксидов. Содержание этих и других элементов меняется и по глубине поверхностного слоя. Поверхность шеет типичные признаки пластической деформации с периодически повторяющимися трещинами, расположенными поперек направления доронек трения.

Лазерное упрочнение поверхности сплава 0Т4 ведет как к изменению фазового состава - образуется d -фаза, так и к изменению химического состава поверхностного слоя. Высокодисперс-зое температурное лазерное воздействие на хнооть сплава

*роме того наблюдается повышенное содержанке в поверхностном :лое углерода, интенсивность которого изменяется по глубине.

Поверхность трения сплава, подвергнутого лазерному упрочению, характеризуется типичными признаками модификации с рез-вырааенншй границами аежду локальными участками вторичных ¡труктур.

Результаты исследования позволяют сделать заключение, что [вменение химического состава в поверхностных слоях является ¡ледствием комплексного воздействия лазерного упрочнения и реды. Значительное сникение износа в случае применения лазер-юго упрочнения связано с интенсивным окислениеи и уменьшением оддрздния углерода.

Определение условий работы трибоэлеыентов, подвергнутых азерноау упрочнению, при граничном трении проводилось по ыето-у полного факторного эксперимента типа 23.

Специфическая особенность сопротивления изнашиванию поверх-оотного слоя трибоэлементов из сплава Ой, подвергшихся двух-тупенчатому азотировании и испытанных в среде масла МС-20, аключается в том, что поверхностному слою придаются благопри-гные демпфирующие свойства, влияющие на условия диншичеокого онтакта о поверхностью трения трибоэлеыента из стали ^5.

Сопоставление характерных признаков пластической дефорыа-

ции с результатами измерения микротвердости соответствует сдое пластической деформации размером от 3 до 12 ыкм.

Для обоснования применения конного азотирования трибоэлементов титанового сплава 0Т4 без смазки были проведены ооответ ствувщие испытания с трибоэлементами из стали 45 нормализованной. При увеличении скорости скольжения от 0,1 до 0,4 м/с при Р = 2 ЫПа происходит незначительное уменьшение величины износа трибоэлементов из сплава 0Т4 и значительное уменьшение величин износа трибоэлементов лэ стапп 45 нормализованной рис. 16.

При дальнейшем увеличении скорости до V а 0,8 и/о вед чина приведенного износа трибоэлементов изменялась незначитель но. При этом величина износа стали 45 нормализованной была в 4...5 раз больше, чем износ сплава 0Т4, подвергнутого конному азотированию см. рис^ 16.

При испытании в диапазоне Р = 0,5...3 Ш1а и V = 0,4 и/< величина износа сплава 0Т4 после ионного азотирования незначительно увеличилась, а величина износа стали 45 увеличилась в 2,6 раза.

Эти изменения являются результатом доминирующего воздействия поверхности трения трибоэлементов 0Т4, подвергнутых ионному азотированию, свойства которых по своим параметрам не имеют существенных отличий от аналогичных трибоэлементов, попытанных в среде масла ЫС-20, см. рис. 16.

Величина коэффициента трения при проведении испытаний в среде маола МС-20 в указанных диапазонах скоростей и нагрузок соответствовала величине /А = 0,06...0,09. В условиях трения бег смазки величина коэффициента трения изменялась в пре делах = 0,53...0,32 в зависимости от скорости сколь-

жения и величины удельной нагрузки. Стабильность свойств трибоэлементов из сплава 0Т4, подвергнутого ионному азотированию при трении в среде масла КС-20 и без смазки, объясняется специфической структурой его поверхностного слоя.

Влияние упрочнения титанового оплава ОТ4 на уогалоотную прочность позволило определить область применимости в условиях воздействия фреттмнг-коррозии.

Повреждение фреттинг-коррозией оказывают сильное влияние на усталостную прочнооть и долговечность титановых сплавов. Снижение предела вынооливосги оплава 014 при раздельных испытаниях составляло 32$, а при испытаниях по комбинированной ието-

лко 58$. Причиной снижения усталостной прочности в первом 1учае было увеличение параметра пероховатости, появление приз-зков фреттинг-коррозии, во второй случае образование микротре-лн и концентрация напряжений в зоне посадки втулки.

Упрочнение поверхностного слоя 0Т4 после лазерной обработ-а достигается за счет создания амортизированной структуры и вляется эффективным средство« обеспечения фреттингостойкости. гдоаио, при наличии объемных циклических нагрузок, ислользовэ-яе лазерного упрочнения нецелесообразно.

Применение двухступенчатого азотирования создает на по-ерхности двухслойную композицию, которая позволяет значительно овыоить фреттингостойкость поверхностного слоя сплава 014 и . рактически не влияет на характеристики усталостной прочности, а очет этого предел выносливости при раздельных испытаниях на реттинг-усталость сохраняется на уровне 0,9 С./ , а в усло-иях одновременного действия.контактных и объемных циклических згрузок на уровне 0,8 С., .

Пятая глава посвящена определению процессов трения по ре-ультатам исследования продуктов износа. Структура, состав и ораа продуктов износа определяются условиями трения и особен-остями изменений, которые происходят после их отделения от эверхнооти. Информативность результатов анализа продуктов из-оса о процессах трения, приведшие к их образованию, связана обоснованиеы преимущественного влияния процессов трения и озмоаноотью учета изменений отдельных частиц после их отделе-ия при образовании.

Для определения вида изнашивания по характеристикам продувов износа отбор пробы производился после каадого из трех испы-аний, выполненных при однаковых условиях. Это позволило обеопе-ить необходимую навеску для проведения рентгеносгрукхурного, ииссионного спектрального и дисперсионного анализов. Для пред-зрительной характеристики влияния структурно-энергетических роцеосов на стабилизацию образования продуктов износа предло-ено использовать величину изобарного потенциала оксидов,ие-аллов, являющихся основой сплава трибоэленентов. Пршер рас-ета этого критерия, основанного на результатах исследований азового и химического составов продуктов износа, определяемых етодами реятхенострунтурного и эмиссионного спектрального ана-. изов, приведены для пары трения сталь 45 - титановый сплав 0Т4.

Для расчета критерия стабилизации образования продуктов износа взяты величины мольной энтальпии испарения металлов А Н и изменения величины изобарного потенциала их окислов - А0 . Зна чение АН , характеризующее теплоту сублимации металла, согласно известных положений металлофизики, принято соответствующим его максимально возможной прочности. Величина А Н используется для характеристики продуктов износа образовавшихся вследст вие разрушения отдельных элементов микрорельефа поверхности. Величина - А й применяется для характеристики продуктов из- . носа, образовавшихся из вторичных отруктур типа оксидов и других химических ооединений. Проба продуктов износа, необходимая для определения фазового состава и соотношения железо-титан, мохет содержать фазы, количество которых недостаточно для юс обнаружения, но может существенно влиять на износостойкость. Например, воздействие гидридов титана на усталостное разрушение поверхностного слоя, образование нитридов железа и влияние последних на повышение сопротивления изнашиванию.

Критерий рассчитывался путем предварительного раздельного определения энергетической характеристики образования продуктов износа на поверхности трения стали 45 и сплава 0Т4:

I !

где Н - энергетическая характеристика образования продуктов износа на поверхности трения, кДж/г-атом; -Л 6 -изобарный потенциал, соответствующий образованию - разрушению оксидов и других химических соединений, в пересчете на г-атом, кДк/г-атом; йН - теплота сублимации металла - основы оплава, из которого изготовлен образец, кДж/г-атом; ¿7 - удельное содержание фазы в составе продуктов изнооа для поверхности трения одного три-боэлеыема; ¿Г - удельное содержание металла основы оплава.

Предложенный критерий можно применять в для диагностики разрушения поверхностей деталей без разборки узлов трения. Отбор проб продуктов износа должен производиться с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей узла трения.

Для установления связи между результатами дисперсионного анализа продуктов износа с приведенными данными по содержанию г продуктах игнооа, а так же факторами, определяющими знерге-тическую характеристику игнашивания были обоснованы параметры расчета соответствующей номограммы.

Расчет уравнений регрессии, отражающих влияние основных :ехноиогических и эксплуатационных факторов на параметры проектов износа, производился на основе дробного факторного эко-юримента типа 21.

На основе теоретических представлений и результатов экспе-даента моано сформулировать следующие условия стабилизации [роцесса трения по составу и структуре продуктов износа:

—йгу— 1, % — сопЬ>

'» + и

•де у, уг ~ энергетическая характеристика продуктов износа ю результатам исследования структуры {У/ - окислы, Уг -металл) % - характеристика дисперсности частиц продуктов износа; у . - содержание титана в продуктах износа в условных еди-;ицах. Эти условия соответствуют минимальной величине износа и енденции к увеличению количества повторяющихся по внешним приз-:акам элементов микрорельефа.

, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные исследования и результаты их обобщения позволит сделать следующие выводы:

1. Обнаружено, что изнашивание титанового сплава 0Т4 в мазочной среде характеризуема зонами интенсивного диспергиро-анип и абразивного воздействия, сопровождается увеличением со-.еряапия углерода в поверхностном слое этого сплавав Это позво-яет сделать заключение о том, что увеличение содержания угле-ода в поверхностном слоо происходит в результате насыщения мик-отрецин молекулами смазочного масла в процессе его деотрукции,

2. Обнаружено, что в результате воздействия лазерного обучения на поверхность титанового сплава происходит увеличение онцентрации водорода в поверхностной слое в пределах зоны тер-аческого влияния. С увеличением скорости и длительности ислы-аний на трениЬ в смазочной среде, увеличение концентрации ио-орода в подповерхностных слоях образцов, подвергнутых лазер-ому упрочнению, происходит с меньшей интенсивностью, чем в по-ерхнретных слоях образцов без лазерного упрочнения.

3. Разработан способ модифицирования поверхности трения тн-ановых сплавов путем двухступенчатого азотирования поверхноот-ого слоя, содержащего зоны внутреннего азотирования о харак-ерной столбчатой структурой, которая оказывает влияние на по-ьшение износостойкости, антифрикционности и усталостной проч-

нооти.

Установлено, vio при испытании на усталооть образцов из сплава 014 в уоловиях совместного воздействия фреттинг-поврежда-еыости происходит снижение усталостной прочности . В образцах, подвергнутых лазерному упрочнению, усталостная прочность снижается более значительно, чей в образцах, подвергнутых азотированию.

5. Обнаружено существенное отличие в механизме образования продуктов износа при использовании лазерного упрочнения. В условиях лазерного упрочнения образуется более дисперсные частицы продуктов износа, чей при других методах упрочнения.

6. Установлено, что определенные экспериментально отруктур-ные различия между агрегатами, состоящими из высокодиоперовдх 'частиц продуктов износа, могут быть использованы в качеотве критерия, позволяющего сопоставить изменения диоперснооти, химического и структурного составов продуктов износа о учетом энергетических характеристик их образования. Предлагаемый критерий может быть использован в качестве ооновы для прогнозирования износостойкости трибосистем.

7. Рекомендовать для применения в трибоузлах машин, работающих в условиях вибрации, детали, изготовленные из титанового оплава спи о двухступенчатым азотированием.

Основное оодерхание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Годего Н.Л., Натансон 11.Э., Уаоягин В.И. Взаимодействие отдельных элементов микрорельефа при травии /Пробл.трения ц.изнашивания. Реоп. кехвед. научн.-техн. об. - 1987, -Вып.31 -С. 50-53.

2. Особенности изнашивания детонационных- покрытий при по*-выиенных температурах /Щепэтов В.В., Войтов В.&., Наоягин В.И.

и .др./ Сб. статей ХШ Воеино-научной конференции КВВАИУ,-1988.-С. 37-39.

3. Нооовокий И,Г., Ыаоягин В.И. Особенности изнашивания титанового сплава ОЗД упрочненного лазерной обработкой; //Пробл. трения и изнашивания. Респ. мехвед. научн.-техн, об. - 1989.-Выл. 35. О, 36-40.

го

4. Особенности изнашивания оплава 0Т4 в масле ÜC-20. /Голего Н.Л., Носовокий.И.Г., Масягин В.й. и.др..//Пробл. прения, и изнашивания. Респ. межвед. научн.-техн. об.- 19ЭО,-Вып. 37. - С. 52-57.

5. Сопротивление разрушению поверхностных олоев при нон-тактнон взаимодействии /Голего Н.Л., Маоягин В.й.,Натаноон Н.Э. и др!// Проблемы прочности - 1989, - lis 9, С. 50-55.

6. Характеристика и прогнозирование процессов трения по ооотаву продуктов изнашивания /Голего Н.Л., Маоягин В.И., На- . таисои Ы;Э,.и др. // Пробл. трения и ивнапивания. Респ. межвед. научн.-техн. об. 1990. - Вып. 38. С

7. Масягин В.И., Козырь В.Г. Влияние омазочной ореды на ианосостойкооть оплава 0Т4. // Пробл.. трения, и изнашивания. Реоп. межвед. научн.-техн. об. -.1990. - Вып..36. С ?2-*6

8. Голего ИЛ., Маоягин В.И., Натансон Н.Э. Особенности изнавшвания упрочненных поверхностей трибоэленентов их титанового сплава 0Т4. // Задачи трибологии в проблеме повышения качества, надежности и долговечности машин. Тезисы докл. реоп. конф.

- 1990. С. б.

Подписано в печать 03.07.90. БФ 20526. Печать офсетная. Формат 60x84/16. Eiywara писчая, 1,25 уч.-изд.л. Зак.й 852-2. Тираж 125 экз.

Тип.КИИГА. 252058. Киев,-пр.Космонавта Комарова, I.