автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Конструкционная прочность материалов с вакуум-плазменными покрытиями

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЧНОСТИ

РГ5 ОД

2 2 ДЕН 7.1Г.1

РУТКОВСКИЙ Анатолий Витальевич

УДК 539.43; 539.53

КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ С ВАКУУМ-ПЛАЗМЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Специальность: 05.02.09 - динамика и прочность машин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев-2000

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Институте проблем прочности Национальной академии наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Ляшенко Б.А.,

Институт проблем прочности HAH Украины, заведующий отделом Института

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Грязнов Б.А.,

Институт проблем прочности HAH Украины, главный научный сотрудник

доктор технических наук, профессор Майстренко А.Л., Институт сверхтвердых материалов HAH Украины, заведующий отделом.

Ведущее предприятие: Национальный технический университет Украины "КПИ"

Защита состоится " " ¿cOtJ<J/^f 2000 г. в f часов на

заседании специализированного ученого совета Д 26.241.01 при Институте проблем прочности HAH Украины по адресу:

01014, г. Киев-14, ул. Тимирязевская, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем прочности HAH Украины

Автореферат разослан о2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

S/2/ГЯ Л/ГУ 7/)л J й Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном машиностроении нанесение упрочняющих защитных покрытий является одним из наиболее рентабельных, наукоемких и быстроокупаемых путей решения проблемы ресурсосбережения и уменьшения материалоемкости в результате сокращения количества используемого инструмента, запасных частей, машин и экономии остродефицитных материалов. В условиях неуклонного повышения рабочих температур, скоростей и удельных нагрузок покрытия позволяют эффективно повысить прочность и долговечность изделий и осуществить замену высоколегированных сплавов более простыми по составу конструкционными и инструментальными марками сталей, а также заменить вольфрамсодержащий дорогостоящий металлорежущий инструмент на керамические материалы с покрытиями.

Надежность защиты и упрочнения изделий при эксплуатации и рационального применения различных типов покрытий и методик их нанесения в значительной степени определяется механическими свойствами системы основа-покрытие.

В связи с этим исследования влияния упрочняющих защитных покрытий (УЗП) на основные механические характеристики и свойства конструкционных элементов и материалов является актуальной научной задачей.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в отделе упрочнения поверхности элементов конструкций Института проблем прочности HAH Украины в рамках научных тем:

- Разработка методического комплекса для аттестации и оптимизации термомеханических свойств сверхтвердых упрочняющих покрытий, шифр темы 1.3.4.22, выполняемой по решению ученого совета от 07.02.91 г.;

- Разработка расчетно-экспериментального лабораторного комплекса для опимизации покрытий деталей горячего тракта авиадвигателей по параметрам прочности, шифр темы 1.3.4.117, выполняемой по Постановлению Бюро отделения механики HAH Украины от 18.01.95 г. № 1 и от 7.12.95 г. № 6.

Цель работы - повышение статической и циклической прочности, а также износостойкости конструкционных материалов, за счет изменения остаточных технологических напряжений действующих в поверхностных слоях, формируемых методами вакуум-плазменной обработки (ВПО).

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- предложить для работы в условиях с разупрочняющими факторами физико-механической природы расчет геометрических параметров наносимого вакуум-плазменного слоя, с учетом остаточных напряжений в системе «основа-покрытие», отличающийся от традиционных сплошных покрытий фрагменти-рованной (дискретной) структурой;

- исследовать влияние остаточных напряжений в поверхностном слое материала, полученных ВПО, на характеристики сопротивления кратковременному статическому нагружению;

- установить влияние величины остаточных напряжений в системе «основа-покрытие» на механические характеристики конструкционного материала;

- повысить циклическую прочность конструкционного материала путем оптимизации многослойно-многокомпонентного вакуум-плазменного покрытия;

- обосновать возможность и решить проблему повышения долговечности хрупких керамических инструментальных материалов. Получить закономерности изменения характеристик долговечности, твердости и износостойкости керамики на основе нитрида кремния со сплошными и дискретными износостойкими нитридными покрытиями.

Научная новизна работы. Впервые предложен новый подход расчета геометрических параметров наносимого слоя покрытия, обеспечивающего заданный уровень остаточных напряжений в системе «основа-покрытие», учитывающего фрагментированность (дискретность) слоя, а также его термоупругие характеристики.

Впервые построены зависимости, отражающие влияние остаточных технологических напряжений, действующих в поверхностных слоях, формируемых методами вакуум-плазменной обработки, на изменение характеристик статической прочности элементов конструкционных материалов.

Впервые установлены и изучены экспериментальные зависимости влияния многослойно-многокомпонентного вакуум-плазменного покрытия на циклическую прочность материалов.

Впервые обоснована возможность и решена проблема повышения долговечности хрупких инструментальных керамических материалов, получены закономерности изменения характеристик долговечности, твердости и износостойкости керамики на основе нитрида кремния со сплошными и дискретными износостойкими нитридными покрытиями. Оригинальность решения подтверждена патентом Украины № 9960341 от 28.02.2000 г.

Практическая ценность работы. Обоснованные на основе разработанной в роботе модели конструкции, нанесенные на сталь XI8Н10Т вакуум-плазменные покрытия обеспечили повышение нормативных значений ее предела текучести на 31% и предела прочности на 10%, а предела усталости титанового сплава ВТ1-0 на 17%.

Долговечность и износостойкость режущих элементов, которые подверглись ВПО, из инструментальной керамики на основе нитрида кремния со сплошным покрытием повышается на 70%, а с дискретним на 120%, определена из оптимальных условий их формирования. Достоверность полученных результатов подтверждена опытно-промышленными испытаниями упрочненных нструментов, проведенных на базе ОАО «Карат-Комплекс», ОАО завод им.Г.И.Петровського (суммарный экономический эффект от внедрения укрепленных инструментов составляет 74,7 тыс.грн.). Разработанный керамический инструмент позволил интенсифицировать процесс механической обработки, в частности, увеличить скорости резания в 2,5 раза, а подачи - в 1,7 раза.

Разработана методика и модернизировано промышленное вакуум-плазмовое оборудование типа ННВ,6-И1, что позволяет в отличие от серийного оборудо-

вания этого класса производить формирование дискретных покрытий, а также покрытий на неметаллические основы.

Выпущена исследовательская партия упрочненных керамических режущих пластин повышенной износостойкости.

Основные результаты экспериментальных исследований, изложенные в диссертационной работе, использованные в Киевском институте Военно-воздушных сил (Акт реализации научных исследований от 04.05,2000 г.).

Личный вклад автора. В данных научных исследованиях автор принимал участие в качестве разработчика методик нанесения вакуум-плазменных покрытий и оптимизировал их по параметрам прочности и долговечности. Автором получено подавляющее большинство экспериментальных результатов, произведен их анализ, сформулированы выводы.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на: 2 Международном симпозиуме по трибофатике (Москва, 1996); 5 Международной конференции " Пленки и покрытия '98 " (Санкт. Петербург, 1998); Международной конференции «Оценка и обоснование продления ресурса элементов и конструкций» (. Киев, 2000); 8 Международной конференции (. Ялта, 2000).

Публикации. По теме дисертации опубликовано 3 научные статьи в специализированных журналах, получен патент УкраГни.

Структура и объем работы. . Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников из 239 наименований. Она изложена на 201 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 13 таблиц. К работе прилагается два акта эксплуатационных испытаний и акт внедрения научных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В вступлении обоснована актуальность и цель работы. Отмечена научная новизна и практическая ценность результатов, которые были получены. Сформулированы основные положения, которые выносятся автором на защиту.

В первом разделе приведен обзор литературных данных состояния науки о поверхностной прочности. Рассмотрены состояния и тенденции развития упрочняющих защитных покрытий (УЗП) в машиностроении, области их использования и условия эксплуатации. Проведен анализ преимуществ и недостатков УЗП. Рассмотрены вопросы рассеивания прочности и невоспроизводимости механических свойств систем основа-покрытие, а также влияние покрытий на механические свойства материалов. Показаны факторы, влияющие на прочность и долговечность конструкционных элементов с покрытиями. Приведены примеры оптимизации технологических процессов по параметрам прочности и долговечности. Выполнен обзор и критический анализ экспериментальных методов исследований. Сформулированы задачи диссертационной работы.

Второй раздел рассматривает изложение общих методик, основных методов и объектов исследований. Приводится описание модернизированного вакуум-плазменного оборудования и параметров, влияющих на механические характеристики систем основа-покрытие. Разработаны методики организации

сплошных покрытий. Однако сплошные покрытия имеют недостатки, заключающиеся в когезионном растрескивании и адгезионном отслоении, а также бесперспективность повышения их эксплуатационных характеристик в направлении увеличения адгезионной прочности. Поэтому показано, что целесообразно наносить покрытия дискретной (фрагментированной) структуры. Это позволит достичь высокой адгезионной и когезионной стойкости каждого отдельного участка покрытия путем ограничения нормальных напряжений в покрытии и касательных в плоскости адгезионного контакта покрытия с основой.

Определено, что размер дискрета может быть выбран, исходя из расчета расстояния между трещинами (шага трещин) при когезионном растрескивании. Известно, что образование трещин в покрытии (фрагментация) будет происходить до тех пор, пока расстояние между трещинами не достигнет критической величины. Как отмечено в работе, после фрагментации защитного слоя до размеров, близких к критическим, при дальнейшем деформировании не наблюдается ни когезионное растрескивание покрытия, ни его адгезионное отслоение.

Анализ деформирования покрытия из нитрида титана показал, что при достижении некоторой величины деформации основы е0= ек=0,6% рабочий участок образца покрывается равномерной сетью трещин.

?1

0,9 0,7 0,5 0,Ь

04

0,01

0,001 О

1 1 1 1 1 1 III /о % ЕкЕп

/ о/ / Уо / / К* ..........Л.........1.........,1..........1......1 ,

'111

0,1

0,39 0,5

ёп,МЛо

2600

гооо

ЮОй

С„мм

Рис.1 Выбор расчетного значения шага дискретного участка покрытия.

Результаты измерений шага трещин "с "приведены на рис.1. Экспериментальные точки, нанесенные в координатах Р;-.Сп на вероятностной бумаге Вей-булла, ложатся на прямую линию. Зависимость накопления частоты P¡ дает ясное представление о том, что распределение значений шага трещины "с" подчиняется нормальному закону.

На рис.1 приведено также изменение а1,дайств = а^т+а;;р"л где а™ - остаточные напряжения в покрытии;о"/" - напряжения в покрытии, возникающие под действием приложенной к образцу нагрузки; аост измерены методом гибкого

образца и

сти: ст„ = -

составляют 700 ch(kz)

МПа; а"^ рассчитано по зависимо-

, I 1 1

h -+-

E„h Е„Н

1-

ch(kl)

где е, - критическая деформация основы под действием внешней нагрузки Р; 2Н, h - толщина основы и покрытия; Е0, Еп - модули упругости основы и покрытия;

-•—Г

I - базовый размер, к2 = 2 ■ —У—-+- ,где G0, G„ - модули сдвига осно-

5н. + 5к1ЕпЬ E0HJ Н h

вы и покрытия. Для удобства сравнения масштабы выбраны таким образом, что величина когезионной прочности покрытия cTf=SkE„ совпадает с 50% накоплением частоты шага трещин "с". Как следует из рис. 1 шаг трещины "с" совпадает с характерным участком зависимости адейств выхода ее на асимптотический уровень. Затем значение <тДейСТВ асимптотически приближается к значению екЕ„.. Считаем, что когезионная прочность покрытия af нормально распределена со стандартным отклонением 0,1 crf. Выражение, позволяющее вычислить шаг дис-

1п(0Д +

Б Ь

кретного участка, представлено в виде с =--(1) Расчетное значе-

к

ние шага трещины совпадает с измеренной величиной шага трещины "с", соответствующей 50% накоплению частоты этого параметра, что свидетельствует о достоверности расчетной модели.

Таким образом, формула (1) позволит заложить размеры дискрета на стадии конструирования покрытия.

В настоящей работе для исследования влияния покрытий на характеристики сопротивления кратковременному статическому нагружению подвергали контрастные по механическим свойствам и области применения материалы -титановый сплав ВТ 1-0 и сталь Х18Н10Т.

Для исследования влияния вакуум-плазменной обработки на долговечность и износостойкость использован перспективный инструментальный материал - режущая нитридная керамика. Материал обладает высокой твердостью, более высокими значениями трещиностойкости по сравнению с другими кера-

мическими материалами и высокой химической стабильностью, сохраняющуюся в широком диапазоне температур и нагрузок. Одним из путей повышения работоспособности керамического инструмента на основе нитрида кремния и расширение его области применения является нанесение износостойких покрытий на его рабочие поверхности.

В третьем разделе описано проведение экспериментальных исследований материалов с покрытиями и их влияние на механические и эксплуатационные свойства. Определены статические характеристики прочности и деформативно-сти материалов с покрытиями. Выход из строя покрытий может осуществляться в результате их отслаивания от основы (нарушение адгезионной прочности) или разрушения самого покрытия (когезионное растрескивание). Отслоение покрытия от основы или разрушение покрытия может наступить под действием остаточных напряжений еще до начала эксплуатации детали с покрытием.

Таким образом, особенностью композиций металл-покрытие является наличие остаточных напряжений. Уровень, знак и характер распределения остаточных напряжений определяют конструктивную прочность изделий, влияют на химические, механические и электрофизические свойства покрытий. В работе проведено исследование остаточных напряжений в системе основа-покрытие и пути их снижения. Исследовались также возможности снижения остаточных напряжений еще на стадии конструирования покрытия за счет формирования промежуточного слоя (под покрытие наносился подслой из чистого Сг) и управления структурой покрытий (исследовались остаточные напряжения в дискретном покрытии). Остаточные напряжения, Сост, определяли, исходя из того, что при напылении покрытия на основу небольшой толщины они приводят к деформации основы. Измеряя приобретенный, таким образом, прогиб или радиус кривизны образца из основного материала, остаточные напряжения можно определить по известным формулам. Используя уравнение упругой линии для балки, была получена следующая зависимость дня остаточных напряжений: 4ЕН! £

°™=ТТ7,—ч/ц ичГ(2)> где Е, ц . модуль упругости первого рода и коэф-М (I- цдН+п) п

фициент Пуассона материала основы, соответственно; а - длина образца; f -стрела прогиба; Н, Ь - толщина основы и покрытия соответственно. Зависимости величин прогибов и остаточных напряжений в системе основа-покрытие от толщины покрытия приведены в таблице 1.

Показано, что одним из перспективных приемов снижения остаточных напряжений, может являться замена сплошного слоя на дискретный. Для покрытий дискретной структуры толщиной 10,5 мкм уровень остаточных напряжений снизился более чем в 6 раз. Таким образом, при нанесении нитридтитанового покрытия в нем возникают значительные напряжения сжатия. При отсутствии отслоения эти напряжения могут оказывать положительное влияние на прочностные характеристики, как самого покрытия, так и детали с покрытием в целом.

Таблица 1

Зависимости величин прогибов и остаточных напряжений в системе осно' __ва-покрытие от толщины покрытия _

Основа Тип покрытия Толщина h, мкм Прогиб f, мм Хорда сегмента 1, мм Радиус кривизны R, мм Длина образца а, мм стост, Мпа Формула: (2) Стонея

Х18Н10Т TiN 4 6 8 10,5 0,5 1,9 3,8 4,5 73,8 73 72,35 72 1361 343 172 142 73,9 73,9 73,9 74,2 775 1960 2945 2650 786 2000 3100 2870

Х18Н10Т CrfTiN 2+10, 5 1,95 73 341 73,9 967 1004

Х18Н10Т TiN дискретной структуры 10,5 1,3 72,7 508 73,9 527 550

ВТ1-0 TiN 10,5 1,25 73,1 600 73,9 580 609

На основе этого подхода исследовано влияние покрытий на изменение характеристик кратковременной статической прочности конструкционных материалов. Из формулы а**™ = ст™т + о'Ц"" следует, что действующие в покрытии напряжения являются алгебраической суммой остаточных технологических напряжений и напряжений, возникающих в результате действия приложенной нагрузки. Ясно, что при наличии сжимающих напряжений сост больших по модулю, чем напряжения ст^"" в упругой области (до начала роста пластических деформаций) в покрытии не будет наблюдаться растрескивание. Такая ситуация имеет место при деформировании в частности образца из материала Х18Н10Т с PVD-покрытием нитрида титана. Таким образом, в упругой области, напряжения от приложенной нагрузки компенсируют напряжения сжатия в покрытии. Кроме того, позволяет сделать вывод о достаточно высокой когезионной прочности такого покрытия с материалом образца.

По этой же причине изменяются (или остаются без изменения) основные параметры диаграмм деформирования.В процессе деформирования не обнаружено выпучивание (локальной потери устойчивости) и отслоений покрытий. Небольшие трещины имели место только в зоне шейки, в то время как на остальной поверхности когезионное разрушение отсутствовало.

Механические свойства основных материалов, такие как условный предел текучести о02, предел прочности <тв> относительное удлинение 5, относительное сужение ij/ при отсутствии и наличии покрытий, а также воздействие ионного травления приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты испытаний материалов на кратковременную статическую прочность и пластичность при комнатной температуре (средние значения)

Материал ст0 2,МПа а в.МПа £>,% 4f,%

ВТ 1-0, без покрытия 256,1 693,0 70,2 45,61

ВТ1-0, ионное травл. 272,45 695,3 12,15 39,69

ВТ1-0, (ПМ-6,5мкм) 251,5 688,46 72,14 41,69

ВТ1-0,С™-10,5мкм) 256,15 681,5 76,66 38,46

ВТ1-0,ОШ-16,5мкм) 288,05 696,9 71,12 38,46

Х18Н10Т, без покрытия 535,5 949,15 559,3 46,1

Х18Н10Т, ионное травл. 672,6 997,1 47,17 37,97

Х18Н10Т, (Т1М-6,5мкм) 682,0 1033,9 46,13 42,37

Х18Н10Т, Г™-10,5мкм) 706,18 1045,2 45,6 34,91

Х18Н10Т, СПЫ-16,5мкм) 670,7 1012,4 48,06 48,2

Такие отличия данных диаграмм деформирования связаны с величиной остаточных напряжений, которые для стали Х18Н10Т с исследованными покрытиями весьма существенна (достигает значений порядка 3 ГПа). График зависимости условного предела текучести от остаточных напряжений представлен на рис 2.

CW МПа

3500

3000 ■

2500 ■

2000 ■

1500 ■

1000 •

500 •

740

■•700

• ■ 660

■■620

■ • 580

• • 540

500

^0.2 МПа

h, мкм

Рис.2. Зависимость остаточных напряжений и условного предела текучести образцов стали XI8Н1 ОТ от толщины покрытия TiN.

Максимальное повышение условного предела текучести определено при толщине покрытия ТГЫ 10,5 мкм. Показано, что сопоставление различающихся по принципу создания остаточных сжимающих напряжений материалов (сочетание материала основы и материала покрытия) различным образом влияет на характеристики сопротивления кратковременному статическому нагружению.

В четвертом разделе показано влияние покрытий на механические и эксплуатационные свойства нитридной инструментальной керамики, приводится описание твердости, износостойкости и стойкости образцов и металлорежущего инструмента, изготовленного из керамического материала Установлено, что твердость керамического материала, подвергнутого вакуум-плазменной обработке выше твердости основы и составляет 32 ГПа..

Установлено, что керамические резцы с дискретными покрытиями проявляют более высокую износостойкость по сравнению с керамическим инструментом со сплошными покрытиями при обработке вышеуказанных сталей. Эта тенденция повышается и сохраняется при различных режимах резания.

Применение разработанных износостойких покрытий на режущей нитридной керамике позволило заменить операцию шлифования чистовым точением. Повысить качество обработки закаленных инструментальных сталей ШХ15 и ХВГ. При этом, открывается возможность форсирования режима резания стали ШХ15.

При обработке сталей ШХ15 и ХВГ покрытия из ТТЫ выполняют барьерные функции для блокировки адгезионного взаимодействия инструментального материала с хромом, содержащегося в сталях; подобную функцию выполняют покрытия на основе ИЫ по отношению к марганцу при обработке стали ХВГ.

Разработанные покрытия существенно уменьшают налипание обрабатываемого материала на рабочие грани резца при точении силумина марки АЛ25.

В пятом разделе рассмотрены экспериментально определенные закономерности влияния многослойных, многокомпонентных ваккум-плазменных покрытий на циклическую прочность титанового сплава ВТ 1-0 (Рис.3).

В настоящих экспериментальных исследованиях показано, что возможна структурная оптимизации прочностных свойств системы основа-покрытие исключительно технологическими приемами ввиду изначальной гибкости процесса вакуумной обработки. Установлено, что изменение предела выносливости происходит за счет введения между покрытием и основой сверхтонкой прослойки металла. Организованный слой является самостоятельным разгрузочным элементом системы, а также служит одновременно барьером на пути развития усталостной трещины и образовывает согласующее звено между основой и покрытием для нейтрализации сглаживания комплекса возможных неблагоприятных сочетаний их термофизических или механических свойств.

Рис.3. Усталостные кривые, полученные в зависимости от вида и параметров нитрид ных покрытий: 1-без покрытия;2- ИЫ; 3-(Сг 4-'П+'ПК; 5-Сг-КПЫ; 6-Cг+(CrTí)N.

Установлено, что повышение Да.,% усталостной прочности сплава ВТ1-0 на 11,3 и 7,5% при толщине основы 0,5 мм (Рис.4) происходит с покрытиями

и (СгП)Ы толщиной 6 мкм. Введение под покрытие ТЧЫ промежуточных прослоек из "Л и Сг толщиной до 0,25 мкм ведет к снижению по сравнению с этой характеристикой покрытия ТО1! без прослойки. Прослойка Сг способствует понижению до уровня ниже материала без покрытия на -3,8%,

Рис.4. Характер изменения усталостной прочности сплава ВТ1-0 с покрытиями.

"П - выше этого уровняст.] на +3,8%. Анализ полученных результатов показал, что с введением "худшей" прослойки Сг повышенной толщины (~0,5 мкм) под "худшее" из двух сравниваемых покрытий покрытие (СгТ^Ы повысило величину а., на 17% по сравнению с ст.) материала без покрытия.

Общие выводы

1 .Предложен новый подход к расчету геометрических параметров наносимого слоя покрытия, обеспечивающего заданный уровень остаточных напряжений в системе «основа-покрытие», учитывающего сплошность или дискретность слоя, а также его термоупругие характеристики.

2.Разработаны оптимальные методы ВПО поверхностного слоя материала с целью получения в нем регулируемых по величине остаточных напряжений применительно к элементам конструкций работающих в условиях кратковременного статического и длительного циклического нагружений, а также в условиях высоких контактных нагрузок.

3.Установлена зависимость, отражающая влияние остаточных технологических напряжений, действующих в поверхностных слоях, формируемых методами вакуум-плазменной обработки, на изменение характеристик статической прочности конструкционных материалов.

4.Показано, что в системе «основа-покрытие» на сталях типа Х18Н10Т возникают остаточные напряжения величиной до 3 ГПа, которые упрочняют металл в поверхностном слое, обеспечивая повышение нормативных значений предела текучести на 31% и предела прочности на 10%.

5.Установлено, что характеристики кратковременной статической прочности титанового сплава ВТ1-0 существенно не изменяются из-за остаточных напряжений в поверхностном слое. Однако при испытаниях на циклическую прочность низкие напряжения в системе «основа-покрытие» позволяют увеличивать ст.] на 17%.

6.Предложен новый подход к решению проблемы повышения долговечности хрупких инструментальных керамических материалов путем расчета геометрических параметров наносимого слоя покрытия, обеспечивающего заданный уровень остаточных напряжений в системе «основа-покрытие», учитывающего сплошность или дискретность слоя, а также его термоупругие характеристики.

7.Разработана методика и элементы оборудования для ВПО поверхности металлических и неметаллических элементов конструкций с целью создания сплошных и дискретных, однослойных и многослойных покрытий, обладающих высокой адгезионной прочностью, с различными по величине остаточными напряжениями.

8.Разработана методика определения величины остаточных напряжений в поверхностных слоях, применительно к системе «основа-покрытие», полученных методами ВПО.

9.Установлены оптимальные толщины вакуум-плазменной обработки поверхностного слоя, при которых возникают максимальные остаточные напряжения.

Ю.Экспериментально показано влияние дискретных поверхностей организованных ВПО на служебные свойства и долговечность режущего инструмента.

11.Показано, что использование ВПО со сплошным вакуум-плазменным покрытием на режущем инструменте из керамического материала повышает его износостойкость на 70%, а дискретного - на 120%. При этом скорость резания увеличивается с 60 м/мин до146 м/мин, величина подачи с 0,15 мм/об до 0,26 мм/об. Достоверность полученных результатов исследований подтверждена испытаниями в промышленных условиях эксплуатации и оформлена актами испытаний.

12.Разработаны методические указания по использованию режущего инструмента из керамических материалов, поверхность которых подвергалась ВПО.

13.Основные результаты экспериментальных исследований, изложенные в диссертационной работе, использованы в Киевском институте Военно-воздушных сил (АКТ реализации научных исследований от 04.05.2000 г.).

14.Получен патент Украини № 99060341 от 28.02.2000 "Керам1чна зносостшка пластина з покриттям".

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1.Трапезой А.Г., Ляшенко Б.А., Рутковский A.B. О влиянии вакуумных покрытий на сопротивление усталости технического титана // Пробл. прочности. — 1995. -№ 11.- С.32-40.

2.Гнесин Г.Г., Ляшенко Б.А., Фоменко С.Н., Рутковский A.B. Износостойкость керамических материалов на основе нитрида кремния со сплошными и дискретными покрытиями // Порошковая металлургия. -1997.-№ 11-12.-С.93-97.

3.Рутковский A.B., Ляшенко Б.А., Гопкало А.П., Сорока Е.Б. Об упрочняющей роли вакуум-плазменных покрытий // Проблемы прочности. -1999.-№ 6,-С.123-126.

4.Патент Украини № 99060341 от 28.02.2000 "Кералпчна зносостшка пластина з покриттями".

5.Трапезон А.Г., Ляшенко Б.А., Рутковский A.B. Оптимизация вакуум-плазменной технологии нанесения покрытий из титановых сплавов по усталостной и контактно-усталостной прочности // Тез. Докл. II Международный симпозиум по трибофатике (15-17 октября 1996, г. Москва). -1996.-С.65.

6.Гнесин Г.Г., Ляшенко Б.А., Фоменко С.Н., Рутковский A.B. Ионно-плазменная технология нанесения износостойких покрытий на режущие пластины из керамики на основе Si3N4 // Тез. Докл. 5-я Международная конференция «Пленки и покрытия ' 98» (23-25 сентября 1998 г., Санкт-Петербург). -1998.-С.89-91.

7.Ляшенко Б.А., Трапезой А.Г., Орват К.Г., Рутковский A.B. Повышение ресурса авиационных двигателей из титановых сплавов при помощи вакуум-плазменных покрытий // Тез. Докл. Международной конференции «Оценка и обоснование продления ресурса элементов и конструкций» (6-9 июня 2000, г. Киев).-2000.-С .25.

8.Розенберг O.A., Мирненко В.И., Ляшенко Б.А., Рутковский A.B., Махов-ский Ю.А., Пащенко В.А. Дискретное электроимпульсное восстановление и упрочнение изношенных деталей дифференциальными покрытиями // Тез. Докл. 8-й Межународной конференции (6-8 июня 2000 г., г. Ялта). - 2000.-С.92-93.

АНОТАЦ1Я

Рутковський A.B. Конструкцшна мщгасть матер1ал1в з вакуум-плазмовими покриттями. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття вченого ступеня кандидата техшчних наук за спещальнютю 05.02.09 - динамка та мщшсть машин. - Гнститут проблем MiuHOCTi HAH УкраГни, Кшв, 2000.

Захищаеться 3 nayKOßi робота та патент Укра'ши. Дослщжено вплив залиш-кових напружень в поверхневому iiiapi матер1алу, як1 отримаш вакуум-плазмовою обробкою (ВПО), на характеристики опору короткочасному статичному навантаженню. Встановлено вплив величини залишкових напружень у систем! основа-покриття на мехатчш властивост1 конструкцшних матер^ашв. Представлено результата експериментальних досладжень пщвшцення характеристик опору багатоциюичному втомному руйнуванню конструкщйного ма-Tepiany шляхом вибору оптимального багатошарово-багатокомпонентного ва-куум-плазмового покриття. 3 урахуванням залишкових напружень в систем! основа-покриття в умовах ¡з знемщнюючими факторами запропоновано розра-хунок геометричних параметр ¡в вакуум-плазмового шару, який вщр1зняеться вщ традицШних суцшьних покритт1в фрагментованою (дискретною) структурою. Отримано законом1рност1 змши характеристик довгов1чносп твердости та знососпйкост1 керамики на основ! нприду кремнио з суцшьними та дискретни-МИ ЗНОСОСТ1ЙКИМИ покриттями.

Климов! слова: MiuHicTb, довговишсть, onip утомлюванню, границя витрива-лостс, деформащя, залишков! напруги, основа, покриття, дискретна структура, вакуум-плазмова обробка, твердкть, зносостпдасть, поверхневий шар, шструментальна керампса.

АННОТАЦИЯ

Рутковский A.B. Конструкционная прочность материалов с вакуум-плазменными покрытиями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 - динамика и прочность машин. Институт проблем прочности HAH Украины, Киев, 2000.

Защищаются 3 научные работы и патент Украины, в которых содержатся основные результаты работы.

Цель работы - повышение статической прочности и циклической долговечности, а также износостойкости конструкционных материалов, за счет изменения остаточных технологических напряжений, действующих в поверхностных слоях, формируемых методами вакуум-плазменной обработки. Диссертация состоит из вступления, пяти разделов, выводов, списка использованной литературы и приложения.

В первой главе приведен обзор литературных данных науки о поверхностной прочности. Рассмотрены состояние и тенденции развития упрочняющих защитных покрытий (УЗП) в машиностроении, области их использования и условия эксплуатации. Проведен анализ преимуществ и недостатков УЗП.

Во второй главе рассмотрено изложение общих методик, основных методов и объектов исследований. Приводится описание модернизированного вакуум-плазменного оборудования и параметров, влияющих на механические характеристики систем основа-покрытие. Разработаны методики формирования сплошных и дискретных покрытий.

В третьей главе описано проведение экспериментальных исследований материалов с покрытиями и их влияние на механические и эксплуатационные свойства. Определены статические характеристики прочности и деформативности материалов с покрытиями.

В четвертой главе показано влияние покрытий на механические и эксплуатационные свойства нитридной инструментальной керамики, приводится описание долговечности, износостойкости и твердости образцов и металлорежущего инструмента, изготовленного из керамического материала 813Н4.

В пятой главе рассмотрены экспериментально определенные закономерности влияния многослойных, многокомпонентных, ваккум-плазменных покрытий на циклическую долговечность титанового сплава ВТ1-0. Показано, что возможна структурная оптимизация прочностных свойств системы основа-покрытие исключительно технологическими приемами, благодаря достаточно гибкому процессу вакуум-плазменной обработки.

Основные результаты работы.

Разработаны оптимальные методы ВПО поверхностного слоя материала с целью получения в нем регулируемых по величине остаточных напряжений применительно к элементам конструкций, работающих в условиях кратковременного статического и длительного циклического нагружений, а также в условиях высоких контактных нагрузок.

Предложен новый подход расчета заданного уровня остаточных напряжений в системе основа-покрытие, позволяющий учитывать сплошность или фрагмен-тированность (дискретность) слоя, а также его термоупругие характеристики, путем оптимизации геометрических параметров наносимого покрытия.

Установлена зависимость, отражающая влияние остаточных технологических напряжений, действующих в поверхностных слоях, формируемых мето-

дами вакуум-плазменной обработки, на изменение характеристик статической прочности конструкционных материалов.

Показано, что в системе основа-покрытие на сталях типа Х18Н10Т возникают остаточные напряжения величиной до 3 ГПа, которые вызывают упрочнение металла в поверхностном слое, обеспечивая повышение нормативных значений предела текучести на 31% и предела прочности на 10%.

Установлено, что характеристики кратковременной статической прочности титанового сплава ВТ 1-0 существенно не изменяются из-за остаточных напряжений в поверхностном слое. Однако при испытаниях на циклическую долговечность низкие напряжения в системе основа-покрытие позволяют увеличивать ст.! на 17%.

Предложен новый подход к решению проблемы повышения долговечности хрупких инструментальных керамических материалов путем расчета геометрических параметров наносимого слоя покрытия, обеспечивающего заданный уровень остаточных напряжений в системе основа-покрытие и позволяющего учитывать сплошность или дискретность слоя, а также его упругие характеристики.

Разработана методика и элементы оборудования для ВПО поверхности металлических и неметаллических элементов конструкций с целью создания сплошных и дискретных, однослойных и многослойных покрытий, обладающих высокой адгезионной прочностью, с различными по величине остаточными напряжениями.

Разработана методика определения величины остаточных напряжений в поверхностных слоях, применительно к системе основа-покрытие, полученных методами ВПО.

Ключевые слова: прочность, долговечность, сопротивление усталости, предел выносливости, деформация, остаточные напряжения, основа, покрытие, дискретная структура, вакуум-плазменная обработка, твердость, износостойкость, поверхностный слой, инструментальная керамика.

SUMMARY

Rutkovsky A.V. Structural strength of materials with PVD films - Manuscript.

Thesis for candidate's degree in specialty 05.02.09 - dynamics and strength of machines - Institute for Problems of Strength of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2000.

3 scientific publications and author's certificate of Ukraine are defended.

Influence of residual stresses in surface layers, which had been obtained by PVD methods, on changing of static strength of materials has been investigated. Experimental results on increasing of multicyclical fatigue resistance by the way of optimum choice of multilayered - multicomponent PVD films are presented. Geometrical design of discontinuous PVD layer with regard for residual stresses in composition substrate-film under softening has been suggested. The problem of increasing of life time for brittle tool ceramic has been worked out. Life time,

hardness and wear resistance characteristics for silicon nitride ceramic with continuos and discontinuous films have been received.

Keywords: strength, stress, PVD films, discontinuous films, substrate, fatigue resistance, life time, residual stresses, hardness, wear resistance, tool ceramic, surface layer.

¿tjibHuufl onspaTXBKoro apyicy IIIMiiuHAH iKpalHH 0I0I4,KH7i-I'i,B;*.TiMlp!i3ciCbxa,2.