автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Формирование структуры и свойств контактной поверхности порошковых покрытий системы Ni-Cr-B-Si с ультрадисперсными добавками

На правах рукописи

ЛЕБЕДЕВ ДМИТРИЙ ИОСИФОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ №-Сг-В-81 С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ДОБАВКАМИ

Специальность 05.16.09. - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ИЮЛ 2014

Комсомольск-на-Амуре - 2014

005550915

005550915

Работа выполнена в институте физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН (ИФТПС СО РАН) (г. Якутск)

Научный руководитель: Лебедев Михаил Петрович, чл,- корр. РАН,

доктор технических наук, директор Института физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН (г. Якутск)

Официальные оппоненты: Гордиенко Павел Сергеевич, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией защитных покрытий и морской коррозии ФГБУН Институт химии ДВО РАН

Тарасов Петр Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры физики твердого тела ФГАОУ ВПО Северо-Восточный федеральный университет им М.К.Аммосова

Ведущая организация: ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН, г. Томск

Защита состоится «23» сентября 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.01 в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201 корпус 3. Факс: 8(4217)53-61-50; .e-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Комсо-мольского-на-Амуре государственного технического университета и на официальном сайте организации по адресу www.knastu.ru

Автореферат разослан «22» июля 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.И. Пронин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для повышения эксплуатационных характеристик путем упрочнения и восстановления деталей машин и механизмов широкое применение получили высокоэнергетические технологии нанесения порошковых покрытий. В качестве материала порошковых покрытий в основном используются промышленные самофлюсующиеся сплавы никеля или кобальта, а также их смеси с соединениями тугоплавких металлов, нитридов, карбидов, оксидов, ультрадисперсных порошков и др., которые способствуют образованию упрочняющих фаз и улучшают структуру покрытия. Модифицированные порошковые покрытия имеют неоднородную структуру - выделения избыточных дисперсных и коагулированных фаз, слоистое строение и пористость. Это происходит вследствие специфики технологических процессов напыления, заключающейся в неравновесном, быстропротекающем (1С)"3 - 10"5с) нагреве частиц порошка до температуры плавления, и их последующем охлаждении с высокой скоростью. Состав и свойства упрочняющих фаз в структуре покрытий определяют служебные характеристики обработанной поверхности деталей при трении с металлической поверхностью контртела-детали машин и механизмов. Поэтому для оценки износостойкости пары трения необходимо установить влияние структуры и свойств модифицированных порошковых покрытий на фрикционное взаимодействие с материалом контртела. Следует выявить, как особенности свойств и структуры покрытия будут проявляться в процессах изнашивания обеих контактных поверхностей трения.

В настоящее время существуют многочисленные работы по исследованию покрытий и материалов с покрытиями; в отдельных работах рассматриваются свойства собственно покрытий (пористость, адгезия, износостойкость и др.). Общий анализ используемых методов приведен в известных работах Л.И. Тушинского, Ю.С. Борисова, С.С. Бартенева, М. X. Шоршорова, В. В. Кудинова и др. Следует отметить, что исследований фрикционного взаимодействия материалов с покрытиями значительно меньше, чем работы по изучению свойств собственно покрытий. Но дело в том, что вопрос влияния покрытий на износостойкость обработанной детали в целом значительно сложнее и не может быть полностью решен исследованием структуры и свойств только покрытий. Поэтому актуальность исследования в диссертации определяется необходимостью комплексного, всестороннего изучения пары трения «модифицированное покрытие - металлическое контртело» с оценкой ее износостойкости на основе исследования формирования микрогеометрии обеих контактных поверхностей трения, отражающей взаимосвязь структуры материалов при трении скольжения.

Также, изучение влияния состава, структуры и свойств износостойких модифицированных покрытий на характеристики профилей способствует правильному выбору материалов контактных поверхностей трения, позволяет научно обосновать способы улучшения физико-механических свойств покрытий, обеспечивает возможность разработать способы подбора металлического контртела для повышения износостойкости пары трения в целом.

Связь работы с научными программами. В основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно-исследовательским работам: Программа фундаментальных исследований СО РАН 111.28. «Система многокритериального связного анализа, обеспечения и повышения прочности, ресурса, живучести, надежности и безопасности машин, машинных и человеко-машинных комплексов в междисциплинарных проблемах машиноведения и машиностроения. Научные основы конструкционного материаловедения», проект «Развитие научных основ технологического и эксплуатационного материаловедения износостойких покрытий и перспективных макрогетерогенных материалов для техники и конструкций Севера», блок 1 (2013-2016 г.г.); Программа фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН, проект №13.1 «Статистические подходы к описанию процессов формирования и изнашивания структуры порошковых покрытий и материалов при трении скольжения» (2009-2011 г.г.), проект №2.12.4 «Исследование статистических закономерностей формирования и изнашивания макроструктуры порошковых износостойких покрытий, твердосплавных и алмазосодержащих материалов инструментального назначения» (2012-2014 г.г.); региональный проект РФФИ № 12-08-98500 - р восток а «Исследование микрогеометрии поверхности трения модифицированных порошковых покрытий при трении скольжения».

Цель работы:

Установление закономерностей формирования структуры и фрикционного взаимодействия контактных поверхностей при трении скольжения покрытий из сплавов системы №-Сг-В-81 с ультрадисперсными модифицирующими добавками шпинелей СоА1204 и СиА1204

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обзор и анализ работ по исследованию структуры, физико-механических и трибологических свойств износостойких порошковых покрытий.

2. Исследование состава, структуры и микротвердости контактных поверхностей при трении скольжения модифицированных порошковых покрытий.

3. Испытания на износ модифицированных порошковых покрытий при трении скольжения с металлическим контртелом.

4. Исследование закономерностей формирования и взаимосвязи микрогеометрии контактных поверхностей при трении износостойких модифицированных порошковых покрытий с металлическим контртелом.

Научная новизна работы.

Научную новизну полученных результатов составляют:

1. Установлено влияние ультрадисперсных добавок на структуру и микротвердость покрытий системы №-Сг-51-В: введение небольших ультрадисперсных добавок (0,02 %) приводит к увеличению микротвердости (в 1,1... 1,3 раза) и износостойкости (в 1,3-1,4 раза) покрытий, хотя микроструктура практически не изменяется. Далее, увеличение ультрадисперсных добавок (до -0,5%) способствует повышению дисперсности упрочняющих фаз с равномерным их распределением и росту микротвердости; при содержании 0,2...0,5% микротвердость мо-

дифицированного покрытия повышается в 1,6 раза. Дальнейшее увеличение содержания ультрадисперсных добавок ведет к росту содержания неметаллических включений в покрытии, расположенных по границам частиц, и коалесцен-ции структурных составляющих; это приводит к снижению микротвердости покрытия.

2. Микрорентгеноспектральными исследованиями изучена микрогеометрия контактных поверхностей модифицированных покрытий системы М-Сг-Би В. Выявлено, что переход материала покрытия к контртелу и обратно влияет на формирование микрогеометрии контактных поверхностей трения модифицированного покрытия и металлического контртела. Структуру поверхности трения модифицированных износостойких покрытий предложено характеризовать верхней оценкой радиуса корреляции, который отражает среднюю полуширину характерных продольных борозд, а также зависит от материалов контактных поверхностей и условий трения.

3. Установлены и научно обоснованы новые закономерности фрикционного взаимодействия металлических контактных поверхностей трения скольжения с износостойкими модифицированными порошковыми покрытиями.

Для оценки фрикционного взаимодействия износостойкого покрытия, модифицированного ультрадисперсными шпинелями, с металлическими контртелами использованы соотношения и корреляционные зависимости характеристик микрогеометрии контактных поверхностей: шероховатости Яа, среднеквадрати-ческого отклонения Их} и высоты неровностей Яг.

Практическая значимость работы.

Полученные в диссертации результаты позволяют научно обосновать технологию получения покрытий, модифицированных ультрадисперсными добавками, обеспечивают возможность разработать способы подбора металлического контртела для повышения износостойкости пары трения.

Полученные практические результаты использовались при выполнении проекта № 6781 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Положения выносимые на защиту:

1. Закономерности влияния ультрадисперсных добавок СоА1204 и СиАЬОд на структуру и свойства порошковых износостойких покрытий системы №-Сг-В-51.

2. Результаты аналитических исследований состава, структуры и распределения микротвердости модифицированных порошковых покрытий и металлических контртел.

3. Результаты испытаний на износ модифицированных порошковых покрытий и металлических контртел.

4. Анализ факторов, оказывающих существенное влияние на взаимодействие структур модифицированных порошковых покрытий и металлических контртел.

5. Результаты профилометрических исследований взаимосвязи характеристик контактных поверхностей

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием поверенных приборов и средств измерений, испытательного оборудования. Также применены стандартные методики определение износостойкости и исследования характеристик поверхности трения, апробированных и взаимно дополняющих друг друга современных аналитических методов исследования.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на III, IV и V Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2006, 2008, 2010 г.г.); на международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов «MESOMECH'2009» (г. Томск); XVIII Международной интернет-конференции для молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС» (г. Москва, 2006 г.); Всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2008 г.); Международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (г. Якутск, 2009 г.); XI Международной практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.); VI Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN» (г. Москва, 2011 г.); Всероссийской конференции научной молодёжи «ЭРЭЛ» (г. Якутск, 2011 г.); XIV и XVI Международной научно-технической конференции «Проблема ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (г. Санкт-Петербург, 2009, 2011 г.г.); IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (г. Москва, 2012 г.); XIV и XV Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.г.); на семинарах отдела материаловедения и технологическом семинаре ИФТПС СО РАН.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации отражены в 30 публикациях: в 9 статьях в научных журналах и сборниках материалов конференций, в том числе 8 журналах из списка ВАК, 21 тезисах докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников из S5 наименований. Полный объем диссертации составляет 142 страниц, включая рисунков 41, таблиц 8, приложений 3.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена обзору и анализу литературных источников по высокоэнергетическим технологиям нанесения порошковых покрытий; ироана-

лизированы методы исследования состава, структуры и свойств износостойких газотермических покрытий.

Как отмечено выше, исследований взаимодействия материалов с покрытиями значительно меньше, чем работы по изучению свойств самих покрытий. В настоящее время существуют многочисленные исследования, посвященные научным основам высокоэнергетических технологий нанесения покрытий (Харламов Ю.А., Жуков М.Ф., Кудинов В.В., Борисов Ю.С., Костиков В.И., Солоненко О.П., Алымов М.И., Хасуи A., Fauchais Р. и др.), изучению структуры и свойств газотермических покрытий (Пекшев П.Ю., Калита В.И., Лебедев М.П., Комлев Д.И.,, Сафиуллин В.А., Mostaghimi J., Chandra S. и др.), исследованию трибологических свойств износостойких порошковых покрытий (Тушинский Л.И., Буйкус К.В., Похмурский В.И., Ильющенко А.Ф., Шевцов А.И. и др.). В них исследована зависимость состава, структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств формируемых газотермических покрытий от технологических параметров нанесения (ток дуги, дистанция напыления, гранулометрический и химический состав порошкового материала, расходы плазмообразующего и транспортирующего газов и т.д.).

Анализ многочисленных исследований также показывает, что актуальными остаются работы по созданию и применению новых составов механических порошковых смесей на основе самофлюсующихся сплавов с добавками тугоплавких металлов, оксидов, боридов, нитридов, шпинелей. Также актуальны работы по разработке и применению покрытий с ультрадисперсными модифицирующими добавками, при этом повышение износостойкости покрытий позволяет упрочненным поверхностям работать в условиях высоких контактных и ударных нагрузок.

Актуальность исследования в диссертации определяется необходимостью изучения фрикционного взаимодействия в паре трения «модифицированное покрытие - металлическое контртело» с исследованием формирования микрогеометрии обеих контактных поверхностей трения, учетом структуры и свойств обоих материалов пары трения для оценки ее износостойкости.

Вышеприведенный анализ современного состояния проблемы явился обоснованием для постановки цели и задач диссертационной работы.

Во второй главе приведены характеристики исследуемых материалов, технологические операции их подготовки, режимы нанесения модифицированных покрытий, представлены использованные аналитические методы и результаты исследования структуры и распределения микротвердости материалов контактных поверхностей.

В диссертационной работе исследовались износостойкие газотермические покрытия с модифицирующими добавками ультрадисперсных шпинелей C0AI2O4, C11AI2O4, получаемых в процессе плазмохимического синтеза (производства Латвийской компании АО NEOMAT, размер порошка в среднем - 100 нм).

Выбор добавок ультрадисперсных шпинелей СоА1204, СиА1204, был основан:

1. Соответствует требованиям, предъявляемым к модификаторам I рода;

2. Соединения шпинелей трудно-активируемые на контакте при трении скольжении. В случае образования упрочняющей фазы в покрытии (с учетом соотношения скоростей процессов расплавления и охлаждения) повышению износостойкости способствует как модифицирование структуры, так и появление новой упрочняющей фазы.

Покрытия нанесены на образцы цилиндрической формы для испытаний на изнашивание диаметром 50 мм, шириной 10 мм, толщина покрытий - до 1,5мм; напыление и оплавление проводилось газовой горелкой «Mogul-9».

Металлографические исследования структуры материалов проведены на микроскопе «Neophot-32»; микротвердость измерена на твердомере «ПМТ-ЗМ».

Испытание на износ покрытий с модифицирующими добавками ультрадисперсных шпинелей проведены на машине трения СМЦ-2. По результатам обзора анализа работ и методик трибологических испытаний выбрана схема трения «диск-колодка». Были изготовлены контртела в виде колодок из твердого сплава ВК6 и стали марки Стб; известно, что данные материалы существенно отличаются по твердости. Также структура материала контртела из Стб подвержена изменению при термообработке. Поэтому данный методический подход обеспечивает отдельно исследовать влияние твердости и структуры материала контртела на процессы изнашивания контактных поверхностей трения.

Важнейшими количественными характеристиками микрорельефа поверхности трения, показывающие динамику изнашивания в зависимости от параметров - температуры, скорости скольжения, нагрузки и т.д., являются шероховатость Ra, среднеквадратическое отклонение Rq и наибольшая высота профиля Rz. Поверхности трения изучались профилометром SJ-201P (Япония) и с помощью оптических микроскопов «Stemi 2000С», «Axio Observer» через каждые 4500 циклов трения. Измерялся поперечный профиль покрытий и контртел; для покрытий - на четырех маркированных диаметрально противоположных участках с усреднением по всей поверхности трения.

Для изучения контактных поверхностей, оценки перехода материала покрытия к контртелу и обратно при трении скольжения проведен микрорентге-носпектральный анализ материалов на установке Jeol.

Для проведения металлографического анализа был подготовлены поперечные шлифы покрытия, твердосплавного материала ВК6 и стали Стб контртел шлифованием на грубых наждачных бумагах и полированием с помощью алмазной пасты (рис. 1). В диссертационной работе на основе анализа предыдущих исследований ИФТПС СО РАН оценены и обобщены структура и свойства покрытий с ультрадисперсными добавками шпинелей (рис. 1 ,а). Металлографическим анализом выявлена мелкозернистая микроструктура вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов (рис. 1,6).

Как видно из рисунка. 1 в, исходная микроструктура контртела из Стб представляет ферритно-перлитную структуру, в основном наблюдается выделение зеренного перлита. В диссертации проведено исследование влияния микроструктуры стального контртела на процессы изнашивания поверхности тре-

ния модифицированных покрытий. С этой целью для обеспечения необходимой однородности микроструктуры стального контртела была проведена термообработка (далее ТО). Для выбора режимов термообработки температура закалки определялся исходя из массовой доли углерода и соответствующего ей значения критической точки; была определена температура закалки 820^840 °С. С целью не допущения снижения твердости (рисунок 2) и прочности закаленной стали был проведен низкий отпуск.

И

Рисунок 1 - Микроструктура материалов модифицированного покрытия и контртел: а) покрытие с ультрадисперсными добавками СоАЬ04 (0,02%); б) ВК6; в) Стб; г) Стб после термообработки

Таким образом, был выбраны следующие режимы термообработки с учетом размера образцов:

• нагрев образца до 830°С с выдержкой в течении 14 мин.;

• закалка в машинном масле;

• низкий отпуск при 250°С в течении 1-1,5 ч.

Также для сравнения были проведены средний отпуск образцов стальных контртел при 420°С и высокотемпературный отпуск при 560°С. Как видно из рис.1,г, проведенная термообработка обеспечивает более однородную феррит-но-перлитную микроструктуру материала контртела.

Известно, что износостойкость материала существенно зависит от его твердости, поэтому, учитывая результаты металлографического анализа, были проведены измерения микротвердости материалов контртел (рис.2).

Гистограмма частот для твердосплавного материала ВК6 показывает, что его микротвердость практически достигает микротвердости покрытия (рисунок 2а,г). Как видно из рисунка 2 б,в, микротвердость стального материала контртела после термообработки повысилась примерно на -1000 МПа.

2*№25Ш 25ЕО-2ГСО 2700-2850 2850-Ш) ЗШ3150 3160-3300 3300-3450 34Е0Ж»

Н 18 16 12 10 8 2

б

| !

Г ]-

17501900 2050 2200 ггоо- 23502500 Мпа -1-Щ-Щ- 2500- 2650- 2800- 29502650 2800 2950 3100

И

О 0.2 0.4 0.6 0.

Рисунок 2 - Распределение микротвердости материалов контртел: а) ВК 6; б) Стб; в) Стб ТО; г) покрытие с ультрадисперсными добавками СоАЬ04

В третьей главе приведены результаты микрорентгеноспектральных исследований перехода материалов контактных поверхностей при трении модифицированных покрытий с контртелами и характеристики их фрикционного взаимодействия.

На рисунке 3 приведены изображения поверхности трения (а) модифицированного покрытия с ультрадисперсными добавками СиА1204 при трении с контртелом из Стб после термообработки и элементные карты железа, никеля и кислорода.

Как видно из рисунков, наблюдается переход материала Стб контртела к покрытию и наоборот, в областях, которые определяются микрогеометрией контактной поверхности трения.

Ni Ka1 0Ka1

Рисунок 3 - Поверхность трения (а) модифицированного покрытия с СиАЬ04 и элементные карты: б) железо; в) никель; г) кислород.

Поверхность трения износостойкого покрытия с СиАЬ04, также имеет менее выраженный рельеф с относительно ровными дорожками трения (как на рисунке 4) и более тонкими бороздками. Элементы пластического оттеснения на поверхностях не очень развиты. В образовании микроучастков со следами глубинного расслоения и вырывания участвуют силы адгезионного взаимодействия. Наблюдается переход материала прилипанием стального контртела в областях выкрашивания покрытия (рисунок 46).

Рисунок 4 - Поверхность трения износостойкого покрытия: а) область контакта; б) пустоты; модификатор СоА1204; путь трения 54000 циклов; увеличение 20х Структура материала влияет на формирование микрогеометрии поверхности трения при изнашивании. В диссертации профилометрическими измерениями была изучена микрогеометрия поверхностей трения. На рисунке 4 и 5

приведены основные характеристики микрогеометрии контактных поверхностей трения.

Как видно из рисунка 5а в графиках шероховатость поверхности трения вольфрамокобальтового сплава ВК6 сначала и по всему пути трения является значительно развитым, имеет множество выступов, впадин, неровностей; начальная шероховатось профиля практически сохраняется, постоянно восстанавливаясь по пути трения. Это объясняется тем, что вольфрамокобальтовый сплав из-за большей хрупкости способен к разрушению поверхности выкрашиванием при трении скольжения, так происходит формирование новой структуры поверхности трения. Далее, по пути изнашивания неровности снова сглаживаются, разрушаясь под воздействием контактного трения с покрытием. Фрикционный износ вольфрамокобальтового сплава состоит из таких чередований механизмов постепенного усталостного разрушения поверхностного слоя. Таким образом, структура твердосплавного материала проявляется на микрогеометрии поверхности трения. Как видно из графиков на рисунке 56, интервал средних отклонений к концу испытаний (36000 циклов) незначительно расширяется; прослеживается симметричность интервала относительно средней линии профиля, за исключением отдельных значений разброса.

Как установлено профилометрическими исследованиями, распределение высот равновесного профиля поверхности трения твердосплавного материала в основном является одномодальным и характеризуется симметрией (рисунок 5в); такая же закономерность сохраняется по всему пути трения (рисунок 5г).

ний, путь трения 4500 циклов; г) гистограммы отклонений по пути трения.

Обнаруженные экспериментальные профилометрические зависимости отклонений микрогеометрии поверхности твердосплавного материала согласу-

ются с известной гипотезой о нормальности высот равновесного профиля (рисунок 5).

В диссертации на основе изучения автокорреляционных функций поперечного профиля (рисунок 6) был проведен анализ характерного строения поверхностей трения. Анализ поперечных профилограмм поверхности трения покрытий и контртел показывает, что их значение при фиксированном значении х = х0 существенно не отличается от значений координат профиля в достаточно малой окрестности точки х0. Поэтому следует ожидать существование корреляции между координатами профиля соседних точек контактных поверхностей трения. Действительно, существование устойчивой корреляции с коэффициентом корреляции >0,8-0,7 между координатами профиля соседних точек поверхности покрытия подтверждается экспериментальной усредненной автокорреляционной функцией (рисунок 6а), она показывает тесноту взаимосвязи сечений профиля.

Рисунок 6 - Автокорреляционные функции профиля поверхности трения

износостойких модифицированных порошковых покрытий, а) участки покрытия с СиА1204, контртело Стб; путь трения 4500 циклов

б) покрытие с СиА1204, контртело Стб; в) участки покрытия с СиА1204, контртело ВК6; путь трения 4500. циклов; г) покрытие с СиА1204, контртело ВК6; д) радиус корреляции; покрытие с СиА1204, контртело ВК6.

Как видно из графиков, автокорреляционные функции участков в области значительной корреляции несущественно отличаются, характеризуются монотонным убыванием. Исследованиями выявлено, что автокорреляционная функция профиля покрытия с ультрадисперсными добавками шпинелей качественно не изменяется по пути трения, монотонно убывает с увеличением расстояния, практически исчезает при больших расстояниях; наблюдаются незначительные характерные колебания функции по расстоянию и по пути трения (рисунок 66).

Установлено, что на автокорреляционную функцию поперечного профиля покрытия существенное влияние оказывает материал контрела. На рисунке 6в приведены автокорреляционные функции участков покрытия с ультрадисперсными добавками шпинели СиА1204 при трении с контртелом из твердосплавного материала ВК6; также наблюдается устойчивая корреляция между координатами профиля соседних точек поверхности покрытия с коэффициентом корреляции >0,8-0,7. Разброс данных корреляционной функции также обусловлен влиянием свойств твердосплавного материала контртела на механизм изнашивания. Выявлено, что высокая износостойкость твердосплавного материала приводит к бороздам большей ширины (рисунок 5а) даже при меньшей нагрузке.

Особенно четко на графике рисунка 6г наблюдается сглаживание начальной шероховатости, обусловленной наличием практически регулярно расположенных борозд на исходной поверхности покрытия. Как установлено исследованиями, влияние начальной шероховатости исчезает к концу стадии приработки с началом установившегося износа.

При трении скольжения в качестве характеристики случайной структуры поверхности модифицированных износостойких покрытий предлагается рассматривать верхнюю оценку радиуса корреляции, который отражает среднюю статистическую полуширину характерных продольных борозд. На рисунке 6д приведен график оценки радиуса корреляции профиля поверхности трения покрытия с ультрадисперсными добавками СиАЬ04 при трении с контртелом из твердосплавного материала ВК6.

Как видно из графика, оценка радиуса корреляции в отличие от известного среднего шага неровностей Б отражает механизмы изнашивания случайной структуры контактной поверхности трения (рисунок 6д).

Далее, необходимым является исследование фрикционного взаимодействия поверхностей трения, на микрогеометрию которых влияют структура и свойства материала контактной поверхности (рисунок 5).

В четвертой главе приведены результаты испытаний на трение скольжение и исследований взаимосвязи микрорельефа поверхностей модифицированных порошковых покрытий и металлических контртел.

Для установления закономерностей фрикционного взаимодействия при идентичных условиях профилометрическим методом были исследованы поверхности модифицированного покрытия при трении с одинаковыми по размерам колодками - контртелами из трех материалов: из твердого сплава класса ВК, стали Стб и из термообработанной стали Стб. Данные материалы существенно отличаются по твердости (рисунок 2), поэтому для них наиболее четко

проявляется различие в закономерностях фрикционного изнашивания материала контактных поверхностей трения.

Как установлено испытаниями на износ, для материалов покрытий и контртел характерны незначительные участки приработки (до ~ 10 ООО циклов), далее наблюдается процесс установившегося износа (рисунок 8). Покрытие с ультрадисперсными добавками СоА1204 характеризуется более высокой износостойкостью, чем состав, содержащий СиА1204 (рисунок 7а). Как установлено испытаниями на износ, в кривых массового износа твердосплавного контртела наблюдается небольшое снижение массового износа (рисунок 76). Это приводит к скачкообразному поведению графика в периоде от 15000 до 25000 циклов трения, что объясняется попаданием пластичных частиц износа покрытия на углубления поверхности твердосплавного материала с последующим закреплением в лунках и бороздах рельефа поверхности трения. Это влияет на профиль поверхности материала.

Графики массового износа покрытий и контртел из Стб и Стб ТО показывают, что контртело из Стб ТО является более износостойким, износ покрытия повышается, (рисунок 7в,г). В кривых массового износа стального контртела и покрытия также практически не наблюдается существенного участка приработки, сразу начинается установившийся износ. Наблюдается существенная разница массовых износов покрытия и контртела, обусловленная различной твердостью материалов контактных поверхностей, износ покрытий и контртел отличаются практически на порядок (рисунок 7).

НУ'

г

ж

10000 20000 30000 40000 цикл

Износ, г

20000 Цикл 40000

Ж

и

— покрытие №22

— коитртело

20000 Цикл

30000 40000

Рисунок 7 - Кривые массового износа: а) покрытия с ультрадисперсными добавками 10 - СоА1204; 22 - СиА1204 -ВК6; б) покрытие с СиА1204- ВК6; в) покрытие с СоА1204- Стб и Стб ТО; г) покрытие с СиА1204 - Стб и Стб ТО.

На рисунке 8 приведены зависимости средних шероховатостей Яа контактных поверхностей при трении покрытия с ультрадисперсными добавками СоАЬ04 в зависимости от количества циклов машины трения. В отличие от графиков массового износа на рисунке 7 с монотонными зависимостями, шероховатость контактных поверхностей изменяется сложным колеблющимся образом. Как видно из графика, к концу = 5000 циклов трения практически исчезает влияние начальной шероховатости контактных поверхностей трения вследствие ее приработки (рисунок 7).

Далее, микрогеометрия контактных поверхностей практически определяется механизмом изнашивания материалов; это приводит к существенной разнице в поведении шероховатости поверхностей трения покрытия и контртела. Тогда как шероховатость поверхности трения покрытия имеют меньшие колебания, шероховатость контртел характеризуется большим разбросом, обусловленным периодическими колебаниями. Это обусловлено тем, что хрупкость твердосплавного материала влияет на формирование микрогеометрии поверхности трения (рисунок 8а), а материал Стб интенсивно изнашивается из-за низкой износостойкости (рисунок 8в,г); эти процессы приводят к смене рельефа контртела и последующему его сглаживанию, следовательно, к большей нестабильности шероховатости поверхности. Износостойкие покрытия при трении скольжения более стабильно сохраняют микрогеометрию поверхности трения (рисунок 8). Из рисунка 8в видно, что термообработка контртела из Стб приводит к значительной стабилизации шероховатостей обеих поверхностей трения.

Рисунок 8 - Шероховатости контактных поверхностей покрытия с ультрадисперсными добавками СоА1204 и контртел: а) ВК6; б) Стб; в) Стб ТО.

Как видно из графиков на рисунке 8а, при трении модифицированного покрытия с твердосплавным контртелом шероховатости контактных поверхно-

16

стей отличаются по уровню, что приводит к меньшему взаимовлиянию структуры материалов при трении. И наоборот, при трении модифицированного покрытия со стальным контртелом шероховатости контактных поверхностей регулярно становятся сопоставимыми (рисунок 86,в), что приводит к большему взаимовлиянию структуры материалов при изнашивании.

В случае пар трения модифицированное покрытие с УДП добавками и контртело из стали Стб после термообработки закалкой оба поверхности имеют более сглаженный вид, уровни шероховатостей поверхности сопоставимы (рисунок 8в.).

Для отражения взаимосвязи характеристик контактных поверхностей пары трения «покрытие - контртело» целесообразным является построение соответствующих данных по пути трения в координатах шероховатостей - покрытия Яа„ и контртела Яа,; (рисунок 9) и радиусов корреляции - покрытия г„ и контртела гк (рис.10).

Рис.9. Взаимосвязь шероховатости контактных поверхностей трения; покрытия с ультрадисперсными добавками СоА1204 и СиАЬ04; контртело: а) ВК6; б) Стб.

На рисунке 9 сплошной и пунктирной линиями проведены прямые линейной регрессии для шероховатости покрытий с ультрадисперсными добавками СоА1204 и СиА1204, соответственно. Как видно из графиков, величина и знак корреляции шероховатостей контактных поверхностей зависит от материала контртела и покрытия. Установленные коэффициенты корреляции шероховатости контактных поверхностей трения приведены в таблице 1. В качестве характеристик контактных поверхностей трения можно выбрать также величины среднеквадратического отклонения Rq и размаха отклонений профиля поверхностей, которые изменяются по аналогичной закономерности. Как видно из таблицы 1 и рисунка 9, для всех пар трения наблюдается корреляция характеристик микрогеометрии контактных поверхностей. Влияние модифицирующих добавок покрытия на коэффициент корреляции является несущественным для контртела из ВК6, трение покрытий со шпинелью СиА1204 приводит к практическому сохранению корреляции характеристик контактных поверхностей. При трении покрытий с модификаторами СиА1204 с контртелом из Стб наблюдается смена знака коэффициента корреляции характеристик контактных поверхностей трения. Как видно из таблицы 1 и рисунка 9, материал контртела влияет на коэффициент корреляции неоднозначным образом; если для покрытия с модификаторами СоА1204 трение с контртелом из Стб повышает коэффициент кор-

реляции, то для покрытия с модификаторами СиА1204 использование контртела из Стб приводит к снижению со сменой знака коэффициента корреляции.

При трении со стальным контртелом, в отличие от четко выраженной взаимосвязи шероховатостей контактных поверхностей (рисунок 96), взаимосвязь радиусов корреляции является слабой, корреляция является несущественной (рисунок 10а,б).

Таблица 1 - Коэффициент корреляции характеристик контактных поверхностей трения

Та-

разом,

Модификатор Материал Яа ЯЧ Яг

покрытия контртела

СоА1204 В Кб 0,39 0,58 0,38

СиА1204 ВКб 0,51 0,51 0,43

СоА1204 Стб 0,79 0,77 0,82

СиА1204 Стб -0,71 -0,58 -0,67

СоА1204 Стб ТО -0,29 -0,51 -0,42

СиА1204 Стб ТО 0,12 0,33 0,24

ким об-фрикци-

онное взаимодействие модифицированных покрытий с металлическими контртелами можно обобщить схемой (рисунок 11):

• структура материалов проявляется на микрогеометрии контактных поверхностей (рисунки 6, 8, 11);

• независимо от соотношения микротвердостей наблюдается корреляция характеристик микрогеометрии контактных поверхностей, наблюдается фрикционное взаимодействие структур материалов (рисунки 9,11, таблица 1);

• однородная структура стального контртела после термообработки приводит к снижению характеристик микрогеометрии и корреляции характеристик микрогеометрии контактных поверхностей (рисунки 7, 10, таблица 1).

0

♦ СоА1204-Ст6 Д СиА1204-Ст6

Рисунок 10 - Взаимосвязь радиусов корреляции контактных поверхностей трения покрытий с ультрадисперсными добавками СоА1204, СиАЬ04 и контртел:

а) ВК6; б) Стб.

Схема пар трения

- 5__«"-..,* вк* 11000 Мпа

1. Р^ЧР" коэфф. корретаиш 0,39

* * Покрытие -- 9000 Мпа

Стать Ств - 2900 Мпа коэфф корреачшп! 0.79 Покрыпте - 9000 Мпа

Си» ТО ~ 3600 Мпа

КО'»фф КОрреНЯЦЕЛ! 0.2Г'

По^ьпие - 9000 Мпа

<

1 *

Рисунок 11 - Схема фрикционного взаимодействия в паре трения «модифицированное покрытие- металлическое контртело».

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что введение ультрадисперсных добавок влияет на структуру и микротвердость покрытий системы №-Сг-8ьВ. При введении 0,02% добавок структура практически не меняется, микротвердость повышается до 8000-9000МПа. Увеличение содержания ультрадисперсных добавок с 0,05% до 0,2% приводит к повышению дисперсности упрочняющих фаз, равномерности их распределения. При этом микротвердость модифицированного покрытия повышается, при содержании 0,2% превышает микротвердость покрытия из чистого порошка системы №-Сг-5ьВ в 1,3-1,4 раза. Дальнейшее увеличение содержания ультрадисперсных добавок ведет к росту содержания неметаллических включений в покрытии, расположенных по границам частиц; это приводит к снижению микротвердости покрытия.

2. Микрорентгеноспектральными исследованиями изучена микрогеометрия контактных поверхностей модифицированных покрытий системы №-Сг-8ь В. Установлен переход материала покрытия к контртелу и обратно, что влияет на формирование микрогеометрии контактных поверхностей трения модифицированного покрытия и металлического контртела.

3. Исследованы автокорреляционные функции поперечного профиля износостойких покрытий с модифицирующими добавками ультрадисперсных шпинелей СоАЬ04, СиА1204 при трении скольжения с металлическими материалами - сталью Стб и вольфрамокобальтовым сплавом ВК6. Для всех износостойких покрытий обнаружено существование устойчивой корреляции координат соседних точек поперечного профиля с коэффициентом корреляции >0,8-0,7, что от-

ражает наличие характерных продольных борозд на поверхности трения по всему пути трения.

В качестве характеристики структуры поверхности трения износостойких покрытий предлагается рассматривать верхнюю оценку радиуса корреляции, который отражает среднюю полуширину характерных продольных борозд на поверхности трения.

4. Аналитическими исследованиями, испытаниями на износ и профило-метрическими измерениями установлено, что структура материалов проявляется на микрогеометрии контактных поверхностей; для всех материалов наблюдается корреляция характеристик микрогеометрии контактных поверхностей.

При трении модифицированного покрытия с твердосплавным контртелом шероховатости контактных поверхностей отличаются по уровню, что приводит к снижению взаимовлияния структуры материалов при трении. При трении модифицированного покрытия со стальным контртелом шероховатости контактных поверхностей регулярно сопоставимы, что приводит к большему взаимовлиянию структуры материалов при изнашивании.

Предложено, что за характеристики взаимосвязи контактных поверхностей трения, зависящие от структуры материалов, следует рассматривать коэффициенты корреляции параметров Ra, Rq, Rz профиля.

Термообработка контртела из Стб приводит к уменьшению и стабилизации шероховатостей, что значительно снижает корреляцию характеристик микрогеометрии контактных поверхностей трения.

Основные публикации по теме диссертации Статьи в рецензируемых журналах ВАК

1. Лебедев, М.П. Исследование износостойких электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с минеральными модифицирующими добавками / Лебедев М.П., Винокуров Г.Г., Кычкин А.К., Стручков Н.Ф., Лебедев Д.И. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - №1(2), Том 11. - С. 223-226.

2. Винокуров, Г. Г. Износостойкость и характеристики поверхности трения газотермических покрытий с ультрадисперсными добавками / Винокуров Г. Г., Лебедев М. П., Васильева М. И., Стручков Н. Ф., Федоров М. В., Лебедев Д. И. // Трение и износ. - 2009. - №6, Том 30. - С. 596-600.

3. Vinokurov, G. G. Wear Résistance and Friction-Surface Characteristics of Gas-Thermal Coatings with Ultra-Disperse Additives / Vinokurov G. G., Le-bedev M. P., Vasil'eva M. I., Struchkov N. F., Fedorov M. V., Lebedev D. I. // Friction and wear. - 2009. - Vol. 30, No. 6. - P. 420-424.

4. Винокуров, Г.Г. Корреляция шероховатостей контактных поверхностей трения модифицированного газотермического покрытия и металлического контртела / Винокуров Г.Г., Лебедев Д.И., Лебедев М.П. // Известия Самарского Научного Центра Российской Академии Наук. - 2011. - Том 13 №1(3).-С. 549-552.

5. Лебедев, Д.И. Взаимосвязь характеристик поверхностей упрочняющего покрытия для деталей машин и металлического контртела / Лебедев Д.И., Винокуров Г.Г. // Труды ГОСНИТИ. - 2011. - Т. 107. № 2. - С. 73-76.

6. Стручков, Н.Ф. Исследование характеристик контактных поверхностей трения газотермических покрытий с ультрадисперсными модифицирующими добавками и металлического контртела / Стручков Н.Ф., Винокуров Г.Г., Лебедев Д.И., Лебедев М.П. // Фундаментальные исследования.

- 2012. - №3 (2). - С. 419-422.

7. Винокуров, Г.Г. Исследование корреляционных характеристик профиля при трении скольжения порошкового покрытия с ультрадисперсными добавками / Винокуров Г.Г., Лебедев Д.И., Лебедев М.П. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т.14, №1(2).

- С. 597-600.

8. Винокуров, Г.Г. Исследование поверхности трения порошкового покрытия с ультрадисперсными модифицирующими добавками / Винокуров Г.Г., Лебедев Д.И., Лебедев М.П. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2013. - Т.15, №4(2). - С. 435-442.

Другие публикации

1. Винокуров, Г.Г. Исследование газотермических покрытий из порошковых проволок / Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Васильева М.И., Лебедев Д.И., Федоров М.В. // Сб тр. III Евразийского симп. по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Якутск, 2006. - 4.2. - С. 65.

2. Стручков, Н.Ф. Исследования износостойкости газотермических покрытий из порошковых проволок / Стручков Н.Ф., Винокуров Г.Г., Федоров М.В., Лебедев Д.И. // Сб. статей конф. «X - Лаврентьевские чтения». -Якутск, 2006. - Т.1. - С. 180- 185.

3. Федоров, М.В. Влияние структуры газотермического покрытия из порошковых проволок на процессы его изнашивания при трении скольжения / Федоров М.В., Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Лебедев Д.И. // Тезисы докладов XVIII междн. интернет - конф. молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2006». — М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2006 г. - С. 53.

4. Винокуров, Г.Г. Исследования процессов изнашивания газотермических покрытий из порошковых проволок при трении скольжения / Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Федоров М.В., Лебедев Д.И., Кычкин А.К. // Наука и образование. - 2007. - №1. - С. 33-37.

5. Лебедев, Д.И. Порошковые материалы для получения износостойких покрытий и материалов, их модифицирование наноразмерными добавками / Лебедев Д.И., Винокуров Г.Г., Яковлева С.П., Васильева М.И., Стручков Н.Ф., Федоров М.В., Лебедев М.П. // Материалы IV Ларионовских чтений. - Якутск: ТИРЦ ЯРООО ВОС, 2009. - С. 74-78.

6. Лебедев, Д.И. Влияние ультрадисперсных добавок на износостойкость и характеристики поверхности трения газотермических покрытий / Лебедев Д.И., Стручков Н.Ф., Федоров М.В. // Сб. тр. междн. конф. с элементами

научной школы для молодёжи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях». - Якутск: Паблиш Групп, 2009. - С. 141-143.

7. Стручков, Н.Ф. Исследование износостойкости термообработанных элек-трометаллизационных покрытий / Стручков Н.Ф., Винокуров Г.Г., Васильева М.И., Федоров М.В., Лебедев Д.И. // Сб. тр. междн. конф. по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. - Томск, 2009. - С. 370-371.

8. Винокуров, Г.Г. Исследование триботехнических характеристик газотермических покрытий с ультрадисперсными модифицирующими добавками / Винокуров Г.Г., Васильева М.И., Кычкин А.К., Стручков Н.Ф., Федоров М.В., Лебедев Д.И. // Материалы 11-й междн. практической конф. «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та,

2009,-4.1.-С. 44-49.

9. Винокуров, Г.Г. Исследование взаимосвязи структуры и микротвердости износостойких покрытий, модифицированных ультрадисперсными порошками / Винокуров Г.Г., Федоров М.В., Кычкин А.К., Васильева М.И., Сивцева A.B., Лебедев Д.И. // Сб. тр. VII междн. научно-практической конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2009. - С. 180-181.

Ю.Лебедев, Д. И. Формирование структуры износостойких покрытий, модифицированных наноразмерными порошками / Лебедев Д. И., Винокуров Г. Г., Яковлева С. П., Васильева М. И., Стручков Н. Ф., Федоров М. В. // Сб. тезисов XV Всероссийской научной конф. студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-15». - Кемерово - Томск, 2009. - С.737 -738.

11 .Лебедев, М.П. Использование минеральных модифицирующих добавок в износостойких электрометаллизационных покрытиях из порошковых проволок / Лебедев М.П., Кычкин А.К., Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Лебедев Д.И. // Материалы выездной сессии научного совета РАН по научным основам химической технологии «Современные проблемы химической технологии». - Новосибирск, 2009. - С.58.

12.Лебедев, Д.И. Взаимосвязь характеристик поверхностей модифицированного газотермического покрытия и твердосплавного контртела при трении скольжения / Лебедев Д.И., Винокуров Г.Г., Лебедев М.П. // Тр. V Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата «EURASTRENCOLD-2010». - Якутск,

2010. —4.1. - С. 129-138.

1 З.Лебедев, Д.И. Взаимосвязь характеристик поверхностей модифицированного газотермического покрытия и контртела при трении скольжения / Лебедев Д.И., Лебедев М.П., Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф. // Материалы междн. научно-технической конф. «Современное материаловедение и нанотехнологии». - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. - С.127-132.

14.Лебедев, Д.И. Исследование характеристик поверхностей трения газотермического покрытия и твердосплавного контртела // VII Росс, ежегод-

15.Лебедев, Д.И. Исследование взаимосвязи характеристик поверхностей трения модифицированного газотермического покрытия и контртела / Лебедев Д.И., Лебедев М.П., Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф. // Сб. тр. XVI междн. научно-технической конф. «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций». СПб, 2011. - С. 170-174.

16.Винокуров, Г.Г. Корреляция шероховатостей контактных поверхностей трения покрытия с ультрадисперсными модифицирующими добавками и стального контртела / Винокуров Г.Г., Лебедев Д.И. // Сб. материалов IV междн. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN-2011». - М, 2011. - С.454-456.

17.Лебедев, Д.И. Взаимосвязь характеристик поверхностей износостойкого покрытия и металлического контртела при трении скольжении / Лебедев Д.И., Лебедев М.П., Винокуров Г.Г. // Материалы Всероссийской конф. научной молодежи «ЭРЭЛ - 2011». - Якутск: Изд-во ООО «Цумари Пресс»,2011.-Т.1.-С. 103-105.

18.Гаврильева, A.A. Применение статистического подхода для определения параметров поперечного профиля поверхностей пар трения / Гаврильева A.A., Лебедев Д.И. // Материалы XV Ларионовских чтений. — Якутск: ОАО «Медиа-холдинг Якутия», 2012. - Т.1. - С. 68-72.

19.Лебедев, Д.И. Автокорреляционные функции поперечного профиля поверхности трения износостойких порошковых покрытий / Лебедев Д.И., Винокуров Г.Г., Лебедев М.П. // Материалы XIV междн. научно-практической конф. «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ре-мон-та: теория и практика». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2012. - 4.1. -С. 102-108

20.Лебедев, Д.И. Корреляционные характеристики профиля поверхности трения износостойких порошковых покрытий / Лебедев Д.И., Винокуров Г.Г., Лебедев М.П. // Тр. Всероссийской конф. молодых ученых «Проблемы и перспективы управления энергетическими комплексами и сложными техническими системами в арктических регионах». - Якутск: Изд-во "Компания Дани АлмаС", 2012. - С. 159-163.

21.Лебедев, Д.И. Корреляционные характеристики профиля поверхности трения износостойких модифицированных порошковых покрытий // Сб. материалов IX Росс, ежегодной конф. молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». — М.:ИМЕТ РАН, 2012. - С. 499-501.

22.Винокуров, Г.Г. Влияние модифицирующих добавок на износостойкость газотермических порошковых покрытий / Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Лебедев Д.И. // Материалы XV междн. научно-практической конф. «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика». - СПб.: Изд-во Поли-техн. ун-та, 2013. - 4.1. - С. 48-52.

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии ООО «Компания Дани-Алмас» г. Якутск, ул. Билибини 10А, тел. 36-92-91

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА ИМ. В.П. ЛАРИОНОВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На ] сописи

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ ЭД-Сг-В^ С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ДОБАВКАМИ

04201460593

ЛЕБЕДЕВ ДМИТРИЙ ИОСИФОВИЧ

Специальность: 05.16.09-материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, чл.-корр. РАН М.П. Лебедев

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 4

1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ (ОБЗОР)....................................................................... 11

1.1. Порошковые материалы для получения износостойких покрытий, их модифицирование ультрадисперсными добавками....................................... 11

1.2. Методы исследования структуры и свойств износостойких порошковых покрытий....................................................................................... 17

1.3. Методы испытаний на износ материалов и порошковых покрытий......... 30

Выводы к главе 1............................................................................................. 38

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И МИКРОТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ, ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТРТЕЛ.................................................................................... 39

2.1. Методика экспериментальных исследований...................................... 39

2.2. Результаты металлографического анализа микроструктуры контактных поверхностей при трении скольжения износостойких покрытий.................. 50

2.3. Результаты исследования микротвердости поверхностей контртел при

трении скольжения износостойких покрытий.......................................... 62

Выводы к главе 2............................................................................................ 65

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТРТЕЛ ПРИ ИЗНАШИВАНИИ...................................................................... 67

3.1. Исследование структуры контактных поверхностей при фрикционном изнашивании модифицированных износостойких покрытий и стального контртела....................................................................................... 67

3.2. Микрорентгеноспектральные исследования поверхностей модифицированных износостойких покрытий и стального контртела............................ 72

3.3. Корреляционные характеристики профиля поверхности трения износо-

стойких порошковых покрытий......................................................................................................................80

Выводы к главе 3................................................................................................................................................98

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФРИКЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТРУКТУРЫ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТРТЕЛ........................................................................................................................................99

4Л. Исследования износостойкости модифицированных порошковых покрытий и металлических контртел..........................................................................................................................99

4.2. Характеристики микрогеометрии контактных поверхностей при фрикционном взаимодействии модифицированных износостойких покрытий................107

4.3. Оценка уровня фрикционного взаимодействия модифицированного покрытия с металлическими контртелами при трении скольжения....................................115

Выводы к главе 4..........................................................................................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................................................................................................123

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................... 135

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для упрочнения поверхности деталей машин и механизмов широко применяются высокоэнергетические технологии порошковой металлургии. Для нанесения износостойких покрытий в основном используются самофлюсующиеся сплавы на никелевой или кобальтовой основе и их смеси с модификаторами из тугоплавких и ультрадисперсных металлов, карбидов, нитридов, оксидов и др., которые обеспечивают образование упрочняющих фаз и улучшают структуру покрытия [1,2]. Модифицированные порошковые покрытия характеризуются высокой степенью неоднородности структуры - выделениями избыточных дисперсных и коагулированных фаз, слоистым строением и пористостью. Это обусловлено спецификой высокоэнергетических технологических процессов, заключающейся в быстро-

3 5

протекающем (10" - 10" с) высокотемпературном (до температуры плавления) нагреве частиц порошкового материала и их последующем высокоскоростном охлаждении и застывании. Физико-механические свойства упрочняющих фаз в структуре покрытий существенно влияют на эксплуатационные характеристики обработанной поверхности деталей и металлического контртела узла трения машин и механизмов. Поэтому необходимо исследовать структуру порошковых покрытий, распределение состава и свойств фаз, чтобы оценить их влияние на износостойкость пары трения. При этом следует выявить, как особенности структуры покрытия будут проявляться в процессе изнашивания обеих контактных поверхностей трения [1,2].

В настоящее время существуют многочисленные работы по исследованию покрытий и материалов с покрытиями; в отдельных работах рассматриваются свойства собственно покрытий (пористость, адгезия, износостойкость и др.). Общий анализ используемых методов приведен в известных работах Л.И. Тушинского, С.С. Бартенева, М. X. Шоршорова, В. В. Кудинова и др. Следует отметить, что исследований фрикционного взаимодействия материалов с покрытиями значительно меньше, чем работы по изучению свойств собственно покрытий. Но дело в том, что вопрос влияния покрытий на износостойкость обработанной детали в целом значительно сложнее и не может

быть полностью решен исследованием структуры и свойств только покрытий. Поэтому актуальность исследования в диссертации определяется необходимостью комплексного, всестороннего изучения пары трения «модифицированное покрытие - металлическое контртело» с оценкой ее износостойкости, с проведением испытаний на износ, а также с исследованием формирования микрогеометрии обеих контактных поверхностей трения.

Таким образом, исследование взаимосвязи состава, структуры и свойств износостойких покрытий с характеристиками износа контактных поверхностей трения является актуальной проблемой, позволяет научно обосновать технологию получения покрытий с заданными физико-механическими свойствами, обеспечивает возможность разработать способы подбора металлического контртела для повышения износостойкости пары трения.

Целью работы является - установление закономерностей формирования структуры и фрикционного взаимодействия контактных поверхностей при трении скольжения покрытий из сплавов системы №-Сг-В-81 с ультрадисперсными модифицирующими добавками шпинелей С0А12О4 и СиА1204

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обзор и анализ работ по исследованию структуры, физико-механических и трибологических свойств износостойких порошковых покрытий.

2. Исследование состава, структуры и микротвердости контактных поверхностей при трении скольжения модифицированных порошковых покрытий.

3. Испытания на износ модифицированных порошковых покрытий при трении скольжения с металлическим контртелом.

4. Исследование закономерностей формирования и взаимосвязи микрогеометрии контактных поверхностей при трении износостойких модифицированных порошковых покрытий с металлическим контртелом.

Научную новизну полученных результатов составляют:

1. Установлено влияние ультрадисперсных добавок на структуру и микротвердость покрытий системы М-Сг^ьВ: введение небольших ультрадисперсных добавок (0,02 %) приводит к увеличению микротвердости (в 1,1...1,3 раза) и износостойкости (в 1,3-1,4 раза) покрытий, хотя микроструктура практически не изменяется. Далее, увеличение ультрадисперсных добавок (до -0,5%) способствует повышению дисперсности упрочняющих фаз с равномерным их распределением и росту микротвердости; при содержании 0,2...0,5% микротвердость модифицированного покрытия повышается в 1,6 раза. Дальнейшее увеличение содержания ультрадисперсных добавок ведет к росту содержания неметаллических включений в покрытии, расположенных по границам частиц, и коалесценции структурных составляющих; это приводит к снижению микротвердости покрытия.

2. Микрорентгеноспектральными исследованиями изучена микрогеометрия контактных поверхностей модифицированных покрытий системы N1-Сг-8ьВ. Выявлено, что переход материала покрытия к контртелу и обратно влияет на формирование микрогеометрии контактных поверхностей трения модифицированного покрытия и металлического контртела. Структуру поверхности трения модифицированных износостойких покрытий предложено характеризовать верхней оценкой радиуса корреляции, который отражает среднюю полуширину характерных продольных борозд, а также зависит от материалов контактных поверхностей и условий трения.

3. Установлены и научно обоснованы новые закономерности фрикционного взаимодействия металлических контактных поверхностей трения скольжения с износостойкими модифицированными порошковыми покрытиями.

Для оценки фрикционного взаимодействия износостойкого покрытия, модифицированного ультрадисперсными шпинелями, с металлическими контртелами использованы соотношения и корреляционные зависимости характеристик микрогеометрии контактных поверхностей: шероховатости Яа, среднеквадратического отклонения Яд и высоты неровностей Яг.

Теоретическая значимость работы.

Выявлены закономерности влияния ультрадисперсных добавок СоА12С>4 и СиА1204 на структуру и свойства порошковых износостойких покрытий. Установлены количественные характеристики для оценки уровня фрикционного взаимодействия модифицированных порошковых покрытий с металлическими контртелами. Это способствует разработке способов подбора металлических контртел для повышения износостойкости в целом пары трения «модифицированное покрытие-металлическое контртело».

Практическая значимость работы.

Полученные в диссертации результаты позволяют научно обосновать технологию получения покрытий, модифицированных ультрадисперсными добавками, обеспечивают возможность разработать способы подбора металлического контртела для повышения износостойкости пары трения.

Полученные практические результаты использовались при выполнении проекта № 6781 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Методология и методы исследования.

В диссертационной работе исследовались износостойкие газотермические покрытия с модифицирующими добавками ультрадисперсных шпинелей СоА1204, СиА1204, получаемых в процессе плазмохимического синтеза (производства Латвийской компании АО МЕОМАТ, размер порошка в среднем -100 нм).

Выбор добавок ультрадисперсных шпинелей СоА1204, СиА1204, был основан:

1. Соответствует требованиям, предъявляемым к модификаторам I рода;

2. Соединения шпинелей трудно-активируемые на контакте при трении скольжении. В случае образования упрочняющей фазы в покрытии (с учетом соотношения скоростей процессов расплавления и охлаждения) повышению износостойкости способствует как модифицирование структуры, так и появление новой упрочняющей фазы.

Покрытия нанесены на образцы цилиндрической формы для испытаний на изнашивание диаметром 50 мм, шириной 10 мм, толщина покрытий - до 1,5мм; напыление и оплавление проводилось газовой горелкой «Mogul-9».

Металлографические исследования структуры материалов проведены на микроскопе «Neophot-32»; микротвердость измерена на твердомере «ПМТ-ЗМ».

Испытание на износ покрытий с модифицирующими добавками ультрадисперсных шпинелей проведены на машине трения СМЦ-2. По результатам обзора анализа работ и методик трибологических испытаний выбрана схема трения «диск-колодка». Были изготовлены контртела в виде колодок из твердого сплава ВК6 и стали марки Стб.

Важнейшими количественными характеристиками микрорельефа поверхности трения, показывающие динамику изнашивания в зависимости от параметров - температуры, скорости скольжения, нагрузки и т.д., являются шероховатость Ra, среднеквадратическое отклонение Rq и наибольшая высота профиля Rz. Поверхности трения изучались профилометром SJ-201P (Япония) и с помощью оптических микроскопов «Stemi 2000С», «Axio Observer» через каждые 4500 циклов трения. Измерялся поперечный профиль покрытий и контртел; для покрытий - на четырех маркированных диаметрально противоположных участках с усреднением по всей поверхности трения.

Для изучения контактных поверхностей, оценки перехода материала покрытия к контртелу и обратно при трении скольжения проведен микро-рентгеноспектральный анализ материалов на установке Jeol.

Положения выносимые на защиту:

1. Закономерности влияния ультрадисперсных добавок C0AI2O4 и C11AI2O4 на структуру и свойства порошковых износостойких покрытий системы Ni-Cr-B-Si.

2. Результаты аналитических исследований состава, структуры и распределения микротвердости модифицированных порошковых покрытий и металлических контртел.

3. Результаты испытаний на износ модифицированных порошковых покрытий и металлических контртел.

4. Анализ факторов, оказывающих существенное влияние на взаимодействие структур модифицированных порошковых покрытий и металлических контртел.

5. Результаты профилометрических исследований взаимосвязи характеристик контактных поверхностей

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием поверенных приборов и средств измерений, испытательного оборудования. Также применены стандартные методики определение износостойкости и исследования характеристик поверхности трения, апробированных и взаимно дополняющих друг друга современных аналитических методов исследования.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на III, IV и V Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2006, 2008, 2010 г.г.); на международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов «MESOMECH'2009» (г. Томск); XVIII Международной интернет-конференции для молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС» (г. Москва, 2006 г.); Всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2008 г.); Международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (г. Якутск, 2009 г.); XI Международной практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); Международной научно-

технической конференции «Современное материаловедение и нанотехноло-гии» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.); VI Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов ОБМЫ» (г. Москва, 2011 г.); Всероссийской конференции научной молодёжи «ЭРЭЛ» (г. Якутск, 2011 г.); XIV и XVI Международной научно-технической конференции «Проблема ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (г. Санкт-Петербург, 2009, 2011 г.г.); IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (г. Москва, 2012 г.); XIV и XV Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.г.); на семинарах отдела материаловедения и технологическом семинаре ИФТПС СО РАН.

1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ

ПОКРЫТИЙ (ОБЗОР)

1Л. Порошковые материалы для получения износостойких покрытий, их модифицирование ультрадисперсными добавками

В настоящее время в основных отраслях промышленности (энергетика, транспорт, химическая, нефтехимическая и др.) существенно возросла доля техники и оборудования либо приближающихся к своему критическому возрасту, либо уже отработавших нормативный срок. С другой стороны, вновь вводимые техника и оборудование в целях снижения затрат на материал все чаще изготавливаются из экономно-легированных материалов, требующих дальнейшего поверхностного упрочнения. В сложившихся условиях актуальной задачей является обеспечение надежного упрочнения рабочих поверхностей деталей механизмов и м