автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств деталей из стали 30ХГСН2А имплантацией ионами монотектонического сплава меди со свинцом, легированного оловом, висмутом и алюминием

На правах рукописи

ЛУКЬЯНЕНКО ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 30ХГСН2А ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНАМИ МОНОТЕКТИЧЕСКОГО СПЛАВА МЕДИ СО СВИНЦОМ, ЛЕГИРОВАННОГО ОЛОВОМ, ВИСМУТОМ И АЛЮМИНИЕМ

Специальность: 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 Ш ¿013

Москва 2013

¿Р

005060793

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» (ФГБОУ ВПО «МГИУ»).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Овчинников Виктор Васильевич

доктор технических наук, профессор

Борисов Анатолий Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор, Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского, профессор

Шиганов Игорь Николаевич

доктор технических наук, профессор, Московский государственный

технический университет им. Н.Э. Баумана, директор НИИ

«Материаловедение» Институт физики прочности и материаловедения Сибирского

отделения Российской Академии наук СО РАН

Защита состоится «20» июня 2013 года в 16 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д.212.129.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 16, ауд. 1804.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет». /

( О

Автореферат разослан «20» мая 2013 года и размещен на сайте www.msiu.ru.

Учёный секретарь диссертационного Совета Д.212.129.01

кандидат технических наук, доцент /[у^ Иванов Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В решении комплекса проблем по повышению надежности авиационной техники и увеличению сроков ее службы важное место занимают вопросы повышения износостойкости и надежности работы трущихся деталей.

В процессе эксплуатации неизбежно происходит интенсивное изнашивание узлов трения. При этом наблюдаются не только изменения геометрии деталей, но и их свойств.

Учитывая, что многие эксплуатационные характеристики определяются структурой и свойствами поверхности материала, весьма актуальным является разработка методов их целенаправленного изменения.

Значительный прогресс в технологии обработки поверхности металлов и сплавов связан с развитием ионно-имплантационного металловедения. Развивающиеся при ионном легировании процессы модификации структуры происходят в условиях, далеких от равновесных, и позволяют получать поверхностные слои с уникальным комплексом химических и физико-механических свойств.

В последнее время большое внимание уделяется изучению влияния ионной имплантации одновременно несколькими ионами различных элементов, внедрение которых позволяет повысить целый комплекс эксплуатационных свойств исследуемых материалов.

В работах, выполненных в МГИУ Якутиной C.B., показана высокая эффективность применения в качестве материала катода имплантора медно-свинцового сплава монотектического состава, что позволило повысить износостойкость и коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А. Поскольку ранее в работах, выполненных в МГИУ, было установлено положительное влияние алюминия, олова и висмута на антифрикционные свойства медно-свинцового сплава монотектического состава, нами было высказано предположение о том, что добавление этих элементов в медно-свинцовый катод может также привести к повышению уровня эксплуатационных свойств изучаемой стали 30ХГСН2А.

Научные исследования по данной теме проводились в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (тема №16.740.11.0558 от 23.05.2011 г.).

Цель работы.

Целью настоящей работы является повышение эксплуатационных свойств деталей летательных аппаратов из стали 30ХГСН2А методом многоэлементной ионной имплантации, с применением в качестве материала катода сплава на основе трех несмешивающихся компонентов.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать выбор состава материала катода и метода получения многокомпонентных катодов на основе несмешивающихся компонентов.

2. Уточнить методику контактного легирования применительно к задаче получения трехкомпонентного катода на основе системы медь-свинец.

3. Исследовать распределение ионов в поверхностном слое стали 30ХГСН2А, получаемое путем имплантации с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец.

4. Исследовать влияние многоэлементной ионной имплантации на структуру поверхностного слоя стали 30ХГСН2А.

5. Провести экспериментальные исследования влияния многоэлементной ионной имплантации на износостойкость, усталостную прочность и коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А.

6. Провести промышленную апробацию результатов диссертационных исследований и разработать технологические рекомендации по имплантации с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец для повышения износостойкости деталей конструкций летательных аппаратов.

Объект исследования. Объектом исследований является поверхностный слой деталей летательных аппаратов из стали 30ХГСН2А, работающих в условиях трения и воздействия агрессивных сред.

Предмет исследования. Предметом исследования является изучение процесса имплантации деталей из стали 30ХГСН2А с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец дополнительно легированных алюминием, оловом или висмутом, а также закономерностей изменения свойств имплантированного поверхностного слоя деталей.

Методы исследования.

Эксперименты проводились в лабораториях Московского государственного индустриального университета (ФГБОУ ВПО «МГИУ»), Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») и Исследовательского Центра «Сколково» на следующем оборудовании: машина УРС-2000; машина трения, Tribometer, CSM Instruments, Швейцария; нанотвердомера Nano-HardnessTester NHT, CSM; камера соляного тумана марки SC450; оптический микроскоп «Carl Zeiss»; электронный сканирующий микроскоп «Karl Zeiss» EVO 50; многоцелевой электронный микроскоп Tecnai G2 20 ПЭМ; дифрактометр ARL X'TRA (Швейцария); установка «Physical Electronics» PHI-6600 SIMS System.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов работы подтверждается двумя патентами на разработанную технологию ионной имплантации катодами на основе несмешивающихся компонентов. Достоверность обеспечивается использованием современных методов исследования, автоматизированного аналитического и метрологического оборудования.

Научная новизна.

1. Впервые применены трехкомпонентные антифрикционные сплавы на основе несмешивающихся компонентов в качестве источника ионов для

синтеза антифрикционных имплантированных слоев в поверхностных областях деталей, непосредственно подвергающихся износу при трении.

2. Впервые установлен факт увеличения глубины проникания ионов в имплантированном слое при легировании монотектического сплава третьим компонентом.

Практическая значимость результатов работы:

-Уточнена методика контактного легирования применительно к задаче получения трехкомпонентного катода на основе системы медь-свинец, содержащего дополнительно алюминий, олово или висмут.

- Разработаны технологические рекомендации по ионной имплантации поверхности авиационных деталей из стали 30ХГСН2А с применением ионов монотектического сплава С^РЬзб, дополнительно легированного оловом, висмутом или алюминием.

- Опробована и успешно прошла стендовые испытания партия серийных авиационных деталей после имплантации поверхности ионами монотектического сплава Си«РЬзб, легированного оловом, висмутом или алюминием. Поскольку использование ионной имплантации не требует коренной перестройки технологии изготовления деталей, это открывает перспективы ее быстрого и успешного внедрения в производство как выпускаемых, так и разрабатываемых летательных аппаратов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были представлены в докладах: VI Международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2011); I Всероссийской конференции «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы» (Рубцовск, 2011); 14-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2012); VIII тегтагосЫ уёёеско - ргаМсМ копГегепсе «Бпу уёс!у - 2012» (РгаЬа, 2012); И-й международной заочной конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2013); 15-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2013) .

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получены 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы.

Настоящая работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы (125 наименований), приложения и содержит 165 страниц машинописного текста, в том числе 71 рисунок и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены направления исследований, сформулированы научная новизна и практическая ценность, приведены данные об апробации работы и публикациях, указаны сведения о структуре и объеме диссертации.

В первой главе проведен анализ условий эксплуатации деталей летательных аппаратов, работающих в нагруженных парах трения. Представлен обзор литературных данных по влиянию ионной имплантации на структурно-фазовые превращения, а также механические и эксплуатационные свойства сталей. Подробно рассмотрены закономерности взаимодействия ионов с имплантируемой мишенью.

Особое внимание уделено вопросам повышения эксплуатационных свойств (износостойкость, коррозионная стойкость, усталостная прочность, и механические свойства) материалов при внедрении в поверхностный слой комплекса ионов различных элементов. Рассмотрены методы получения многокомпонентных катодов имплантера для реализации процесса ионного легирования.

При оценке влияния ионной имплантации на свойства различных сталей в работах Сергеева В.П., Пучкаревой Л.Н., Сергеева О.В., Ладыженского О.Б. отмечается, что синергетический суммарный эффект в изменении механических и эксплуатационных свойств материалов наблюдается при одновременном воздействии на мишень ионами нескольких различных элементов.

Это обуславливает необходимость продолжения работ по совершенствованию технологии модификации поверхностного слоя деталей, работающих в нагруженных парах трения, методом многоэлементной ионной имплантации.

На основе ан&тиза состояния проблемы технологического обеспечения повышения эксплуатационных свойств деталей летательных аппаратов, работающих в нагруженных парах трения, были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приводится описание оборудования и методик исследований, применяемых в данной работе.

В качестве материалов катода использовались сплавы систем несмешивающихся компонентов: Cu-Pb, Cu-Pb-Al, Cu-Pb-Sn, Cu-Pb-Bi, для получения которых был использован способ контактного легирования, разработанный ранее сотрудниками кафедры материаловедения МГИУ и уточненный применительно к задаче получения трехкомпонентных катодов.

Имплантация образцов из стали 30ХГСН2А проводилась с помощью вакуумно-дугового импульсного ионного источника ИГМИ-50, формирующего полиэнергетический пучок ионов, при ускоряющем напряжении 30 кВ. Амплитуда тока ионного пучка составляла - 0,1...1А, частота импульсов - 50 Гц при длительности - 300 мкс. Остаточное давление в вакуумной камере

составляло 8><10"4 Па. Температура нагрева образцов в процессе имплантации не превышала 80 °С.

Испытания имплантированных образцов на усталость осуществлялись при чистом изгибе с частотой нагружения 50 Гц на базе 101 циклов в соответствии с ГОСТ 25.502-79 «Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость».

Для определения триботехнических характеристик применялась машина трения, Tribometer, CSM Instruments, Швейцария, испытания проводились в соответствии с международными стандартами ASTM G99-959, DIN50324 и ISO 20808. Испытание абразивной лентой на диске проводились в соответствии со стандартом JISH8615.

Определение нанотвердости и модуля упругости проводили на нанотвердомере Nano-HardnessTester NHT, CSM. Данные непрерывного индентирования обрабатывли по методу Оливера-Фарра с использованием программного обеспечения Indentation 3.0 (CSM Instruments).

Испытания на стойкость общей коррозии выполнялись в соответствии с ГОСТ Р 52763-2007. Условия испытаний и состав раствора выбирались по ГОСТ Р 51201-2007. Для испытаний применялась камера соляного тумана марки SC450. Скорость коррозии в кислой среде определяли по скорости убыли массы образца (ГОСТ 9.908-85).

Металлографический и фрактографический анализ изломов образцов после усталостных испытаний проводился с помощью оптического микроскопа «Carl Zeiss» при увеличении от хЮО до хЮОО раз и электронного сканирующего микроскопа «Carl Zeiss» EVO 50 с увеличением от 30 до 100000 крат (разрешающая способность 1 нм). С помощью электронного сканирующего микроскопа Karl Zeiss EVO 50 был выполнен количественный анализ состава материалов катодов имплантера, определены концентрации элементов.

Структуру и фазовый состав исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии на приборе Tecnai G2 20, фирмы FEI, US при 200 kB с катодом из гексаборида лантана, имеющем разрешение 0,19 нм. Изготовление фольг осуществлялось при помощи фокусированного ионного пучка (FIB, Focused Electron Beam) на оборудовании FEI Quanta 3D FEG.

Рентгеноструктурные исследования проводили с помощью дифрактометра ARL X'TRA (Швейцария), представляющего собой полноразмерный порошковый дифрактометр в-в геометрии с радиусом гониометра 260 мм и источником — узкофокусной трубкой мощностью 2200 Вт с медным анодом {кКа = 1,5418 А).

Концентрационные профили элементов исследовались в центре коллективного пользования «Металловедение и металлургия» НИТУ МИСиС на установке «Physical Electronics» PHI-6600 SIMS System.

В третьей главе дано обоснование выбора состава материалов катодов и уточнен способ контактного легирования применительно к получению многоэлементных катодов на основе несмешивающихся компонентов,

представлены результаты экспериментальных исследований влияния имплантации на механические и трибологические свойства стали 30ХГСН2А.

При изготовлении катодов имплантера использовался монотектический медно-свинцовый сплав, дополнительно легированный алюминием, оловом или висмутом, полученный методом контактного легирования.

Микроструктуры сплавов показаны на рисунке 1. Данные по количественному составу материалов катодов представлены в таблице 1.

Рис. 1. Микроструктуры монотектического сплава Си-РЬ, дополнительно легированного 8п, А1 и В!: а) - Си-РЬ; б) - Си-РЪ-А]; в) - Си-РЪ-Бп; г) - Си-РЪ-Ш

Таблица 1

Количественный состав материалов катодов имплантера

Материал катода Содержание элементов %

Си РЬ А1 вп В) Ай

Си-РЬ 63,91 35,91 0,12 0,05 - 0,01

Си-РЬ-А1 54,69 35,85 9,32 0,08 - 0,06

Си-РЬ-Бп 60,66 35,90 0,17 3,22 - 0,05

Си-РЬ-В1 57,45 35,97 0,23 0,18 6,11 0,06

Для исследования свойств была подвергнута имплантированию партия образцов из стали 30ХГСН2А после закалки и низкого отпуска, по вариантам, представленным в табл. 2.

Таблица 2

Варианты имплантации_

Вариант имплантирования Доза имплантации О, нон/см2 Материал катода имплантера

I 10й Си-РЬ

II 10" Си-РЬ-А1

III 10" Си-РЬ-Эп

IV 10" Си-РЬ-В1

На основании полученных кривых наиоиндентирования были определены значения нанотвердости и модуля упругости (табл. 3).

Таблица 3

Средние значения нанотвердости и модуля упругости образцов

Материал катода имплантера Доза имплантации О, ион/смг Н, ГПа НУ Е, ГПа

_ - 4,6±0,4 454,5±33 192±3,4

Си-РЬ 10" 5,7±0,6 526,14±39 215±7

Си-РЬ-А1 10й 5,5±0,5 509,3±44 213±6,2

Си-РЬ-вп 10й 5,9±0,5 542, 58±51 240±6,3

Си-РЬ-В1 10" 5,8±0,6 532,4±55 226±8,8

Проведенные экспериментальные исследования показали, что все материалы катодов имплантера позволили повысить нанотвердость и модуль упругости стали 30ХГСН2А. Наиболее высокими значениями отличаются образцы, имплантированные ионами монотектического сплава, дополнительно легированного оловом.

Для изучения влияния самой ионной имплантации на микротвердость был проведен анализ относительного приращения микротвердости Д/7/// Я//„, где Нр - микротвердость имплантированного образца, Нр0 - микротвердость неимплантированного образца (рис.2).

Ь, мкм

Рис. 2. Зависимость относительного прироста микротвердости от глубины

отпечатка

Установлено, что ионная имплантация образцов стали 30ХГСН2А по всем вариантам приводит к повышению микротвердости. Причем такое влияние не ограничивается ионно-легированным слоем, так как увеличение

микротвердости наблюдается по глубине 6-8 мкм. Совместная имплантация ионов меди, свинца и олова, а так же меди, свинца и висмута обеспечивает прирост микротвердости при глубине более 7 мкм.

Результаты усталостных испытаний контрольных и имплантированных образцов представлены на рисунке 3.

К. вариант вариант вариант! вариант I II III ГУ

Рис. 3. Усталостная прочность образцов стали 30ХГСН2А К - контрольный неимплантированный образегц варианты: 1-Си-РЬ; II - Cu-Pb-Al; III-Cu-Pb-Sn; IV- Cu-Pb-Bi

Анализ результатов образцов на усталостную прочность показал, что наибольший эффект достигается при облучении ионами монотектического сплава с дополнительным легированием оловом и висмутом. По-видимому, увеличение усталостной прочности обусловлено изменениями структуры, а также возникновением остаточных напряжений сжатия, образующихся при внедрении ионов с большим атомным радиусом.

Изучение кинетики изнашивания образцов, как исходных, так и после имплантации, выявило, что контрольные образцы имеют неравномерный износ по пути трения, а имплантация приводит к стабилизации величины весового износа и значительному сокращению стадии приработки. Уменьшение весового износа наблюдается у всех имплантированных образов (рис 4). При этом имплантация ионами монотектического сплава, легированного оловом (вариант III), способствует снижению величины весового износа более чем в 4 раза по сравнению с контрольными образцами и в 2 раза по сравнению с имплантацией ионами монотектического сплава (вариант I).

В рамках проводимых исследований изменения коэффициента трения в зависимости от удельного давления установлено, что проведенная ионная имплантация позволила снизить коэффициент трения практически во всем диапазоне исследуемых удельных нагрузок.

К партии вариант вариант вариант I И III IV

Рис. 4. Весовой износ образцов в зависимости от варианта имплантации

(путь трения 1000 м)

Рис. 5. Коэффициент сухого трения скольжения при испытании 0бразг(0в из стали 30ХГСН2А, в паре с образцами, поверхность которых подвергалась имплантации по вариантам I — IV (удельная нагрузка 7,5 МП а).

Из вариантов II—IV предпочтение следует отдать вариантам имплантации ионами монотектического сплава, легированного оловом и висмутом, при этом хочется отметить, что вариант IV (легирование висмутом) показывает более низкие значения коэффициента трения (рис.5).

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что имплантация стали 30ХГСН2А ионами монотектического сплава, легированного оловом и висмутом, существенно повышает износостойкость и снижает коэффициент трения.

Испытания на коррозионную стойкость имплантированных и контрольных образцов проводились в нейтральном соляном тумане.

Установлено, что на образцах со стороны, которая не подвергалась имплантации, уже через 2 суток стали появляться очаги коррозии, а через 8 суток вся поверхность была покрыта слоем оксида. Важно отметить, что все имплантированные образцы, независимо от варианта имплантации, показали коррозионную стойкость выше коррозионной стойкости контрольных образцов.

Результаты исследований стойкости образцов против общей коррозии в камере соляного тумана приведены на рис. 6. Скорость коррозии неимплантированной стали 30ХГСН2А составляет 0,022 г/м2*ч. Имплантация ионами монотектического сплава снижает скорость коррозии в 3-3,2 раза до значения 0,0068 г/м2*ч. Наиболее высокую коррозионную стойкость показали образцы, имплантированные ионами монотектического сплава, легированного алюминием (вариант II, скорость коррозии 0,0014 г/м2хч).

0,023

в-

X

1 0,02 £

| 0,015

I 0,01

I 0,095

К вариант вариант вариант вариант I П Ш IV

Рис. 6. Скорость коррозии контрольных и имплантированных образцов из

стали 30ХГСН2А

Испытания на коррозионную стойкость в растворе кислоты также подтвердили, что наиболее существенное повышение коррозионной стойкости достигается при варианте II имплантации образцов ионами монотектического сплава, легированного алюминием. Видимо, ионное легирование алюминием, имеющим, более отрицательный электродный потенциал, чем у железа, затрудняет проникновение водорода вглубь материала и таким образом снижает скорость коррозии.

В четвертой главе приведены результаты исследований структурно-фазового состояния имплантированных слоев и концентрационных профилей внедренных элементов.

Анализируя характер распределения меди и свинца в поверхностном слое при разных вариантах имплантации (рис. 7) можно увидеть, что при введении

12

третьего компонента в материал катода имплантера отмечается рост глубины проникновения ионов и изменение характера их распределения в матрице (таблица 4).

А Ъ'ХХ, / Г^Ч _____.авво_______

__, 50 «зза.» 100

Гор I тда'с

------6в№------------

Гасстопиис от иооерщоал чинная А, им

а

во 100 1ВО

Рпсстовиыг их поверхности ШИШШ! А, ии 6

ВО ТОО

Расстояние от вовериюпп мншиш ii.it'

50 ТОО

Расстояние от поверхности мяшенп к, ни

е г

Рис. 7. Распределение ионов в поверхностном слое стали 30ХГСН2А при имплантации: а-¡вариант (катод - Си- РЪ); б-П вариант (катод - С.и-РЬ-А1);

в -III вариант (катод - Си-РЬ-Бп), г-1У вариант (катод - Си-РЪ-Вх)

Так, на кривых концентрационных профилей распределения ионов меди и свинца, полученных с использованием двухэлементного катода Си-РЬ видно, что с ростом глубины концентрация имплантированных ионов повышается от некоторой начальной величины до максимального значения, а затем достаточно резко снижается. В пределах экспериментальной погрешности среднее значение глубины внедрения ионов меди и свинца при этом составляет ~ 23 нм и ~ 22,5 нм, соответственно.

На кривых концентрационных профилей распределения ионов, полученных с использованием трехэлементных катодов Си-РЬ-А1, Си-РЬ-8п, Си-РЬ-Вй характер распределения меняется - наблюдается достаточно равномерное распределение ионов от поверхности до определенной глубины, что, по-видимому, связано с увеличением эффекта распыления поверхности

ионами тяжелых элементов. При этом глубина с максимальной концентрацией имплантируемых ионов меди практически во всех случаях в 1,5-2 раза больше глубины внедрения ионов меди при использовании двухэлементного катода Си-

РЬ.

Таблица 4

__Глубина с максимальной концентрацией элементов_

Материал катода имплантера Глубина с максимальной концент рацией элементов, им

Си РЬ А1 вп В1

Си-РЬ 23 22,5 - - -

Си-РЬ-А1 0 - 40,7 0-25 0-50 - -

Си-РЬ-Зп 0 - 45,9 0-30 - 0-45 -

Си-РЬ-В* 0-35 0-25,6 - - 0-26

Результаты рентгенограмм, снятых с исходного образца и образцов после имплантации не выявили каких либо качественных изменений фазового состава материала. Однако, под воздействием ионной имплантации происходит изменение параметра кристаллической решетки мартенсита (таблица 5). Характер и степень изменения определяются наличием легирующих элементов в материале катода. В то же время ионная имплантация способствует измельчению структуры и повышению внутренних микронапряжений в кристаллической решетке. Следует заметить, что данные значения являются усредненными по объему слоя глубиной 2 мкм.

Таблица 5

Параметр кристаллической решетки а и размер кристаллитов И в

стали 30ХГСН2А в зависимости от состава материала катода

Вариант Материал Параметр Размер Микронапряже

имнланти катода решетки, кристаллитов, НИЯ, Е

рования имплантера а, А И, нм

К - 2,8693±0,0002 >2070±250 0,56±0,01

I Си-РЬ 2,8723*0,0002 <11№150 0,59±0,01

II Си-РЬ-А1 2,8724±0,0002 <1152±250 0,66±0,01

III Си-РЬ-8п 2,8710±0,0002 < 966±145 0,63±0,01

IV Си-РЬ-В1 2,87 №0,0002 <1087±200 0,62±0,01

Таким образом, можно предположить, что в поверхностном слое формируется высокодисперсная структура с искаженной кристаллической решеткой.

Структуру и фазовый состав исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии.

Структура стали 30ХГСН2А в исходном состоянии (после закалки и низкого отпуска) представляет собой легированный мартенсит.

Исследования с помощью просвечивающего электронного микроскопа фольг, приготовленных из поверхностного слоя образцов стали 30ХГСН2А, показали, что в результате многоэлементной имплантации ионами трех

тяжелых металлов в поверхностном слое формируются сложные, многослойные структуры (рис.8).

Рис.8. Общая структура клина вырезанного из стали 30ХГСН2А после имплантации по варианту III (масштабная линейка = 0,5 мкм)

Рис. 9. Микроструктура - (а) и картина микродифракции - (б) поверхностного слоя (масштабная линейка = 100 нм)

В структуре поверхностного слоя (по варианту III) наблюдается фрагментация структуры с образованием кластеров, обогащенных атомами свинца и олова, что подтверждается данными электронограмм и характером абсорбционного контраста (рис.9).

Уровни субструктуры различаются по размерам: нано (1 - 20 нм), мезо1 (20 - 30 нм), мезо 2 (более 30 нм), далее следует микро уровень - вся толщина поверхностного слоя. Условно можно характеризовать наноструктурирование в трех уровнях: нано - мезо - микро. Темные кластеры (20 - 30 нм) наблюдаются на светлом фоне. Такой абсорбционный контраст показывает, что окружающий их объем, содержит более легкий элемент, в нашем случае это может быть медь.

Дифракционный анализ и темнопольная микроскопия позволяют сделать вывод, что структура поверхностного слоя носит ярко выраженный фрагментированный характер (рис. 10). Геометрия соответствующих рефлексов (рис. 10 а) указывает на наличие существенной азимутальной разориентировки (5 - 15°) фрагментов.

а б в г

Рис. 10. Микроэлектронограммы (а, б) и микроструктура (в - светлое поле, г - темное поле в рефлексе) поверхностного слоя (масштабная линейка =10 им)

На снимке высокого разрешения, снятого с поверхностного слоя, между фрагментированными участками кристаллической структуры видны области, которые имеют сильно разупорядоченный характер. Таким образом, можно предположить, что поверхностный слой имеет мелкокристаллическую структуру с присутствием небольшого объема (-10%) аморфной составляющей (рис. 11).

Рис. 11. Прямое разрешение решетки (масштабная линейка = 5 нм)

Интерес также представляют округлые темные частицы с размером 5-10 нм (рис. 10 в, г). По абсорбционному контрасту можно сделать заключение, что в них входят в основном тяжелые элементы. Анализ электронограмм позволил установить принадлежность ряда рефлексов отражениям от плоскостей (111), (200) и (220) свинца и (200), (101) и (220) олова. Анализ темнопольных изображений показал, что в данных рефлексах светятся именно эти округлые темные частицы. Следовательно, это фазы на основе свинца и олова.

Приповерхностный слой представляет собой структуру реечного мартенсита (рис. 12 а), с развитой дислокационной структурой. При этом

16

дислокации распределены неравномерно, встречаются участки с высокой плотностью дислокаций (рис.12 б, в).

Анализ приведенной структуры позволяет сделать вывод, что в результате многоэлементной имплантации поверхности стали 30ХГСН2А ионами трех тяжелых металлов в тонком поверхностном слое происходят значительные концентрационные изменения, с образованием кластеров обогащенных внедряемыми элементами, а также наблюдается существенная фрагментация структуры на нано - уровне.

б в Рис. 12. Микроструктура приповерхностного слоя а- (масштабная линейка = 0,2 мкм); (б, в)- дислокационные структуры (масштабная линейка = 100 и 50 нм, соответственно)

При этом влияние многоэлементной имплантации распространяется на значительную глубину, вызывая изменения дислокационной структуры приповерхностного слоя, что может быть связано с генерацией дислокаций в поверхностном слое и их движением под действием внутренних напряжений, источником которых являются внедренные атомы имплантируемых элементов.

Механизм образования такой сложной многослойной структуры можно объяснить значительными ротационными модами деформации и связанными с ними вихревыми потоками, возникающими при бомбардировке комплексом тяжелых ионов. Также возможным механизмом фрагментации структуры является обратное фазовое превращение мартенсита в аустенит аРе уТе, возникающее в результате резкого выделения тепловой энергии при образовании и развитии каскадов атомных столкновений в кристаллической решетке. Вновь образующийся аустенит имеет тонкую структуру, сильно отличающуюся от исходной. В процессе охлаждения происходит повторное превращение аустенита в мартенсит, но с более мелкой структурой.

Образование такой структуры объясняет изменение трибологических и механических свойств имплантированного слоя. Известно, что повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя сталей при ионной имплантации происходит за счет действия четырех основных механизмов -твердорастворного, дисперсионного, дислокационного и зернограничного упрочнения, В нашем случае повышение механических и трибологических

свойств поверхностного слоя стали может быть связано с действием последних трех механизмов.

Пятая глава посвящена разработке технологических рекомендаций для ионной имплантации поверхности деталей летательных аппаратов из стали 30ХГСН2А, в основу которой положены результаты, полученные в процессе исследований.

На установке для ионной имплантации были обработаны вкладыши специальных подшипников передней стойки шасси, элементы шарниров гидроцилиндров выпуска стойки, а также оси и болты крепления верхнего тормозного щитка. Имплантация проводилась для деталей, работающих вне коррозионной среды, ионами монотектического сплава, легированного оловом. Для деталей, работающих в агрессивной среде, обработка выполнялась ионами монотектического сплава, легированного алюминием.

Результаты, полученные в процессе стендовых испытаний натурных деталей летательных аппаратов из стали ЗОХГСН2А, показали, что ионная имплантация позволяет повысить износостойкость деталей в 2,0-2,5 раза, коррозионную стойкость в среде соляного тумана в 3—5 раз и снизить коэффициент трения с 0,21 до 0,03-0,04.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Уточнена методика контактного легирования применительно к получению материала катода имплантера на основе монотектического сплава СимРЬзб, дополнительно легированного оловом, алюминием или висмутом.

2. Показано, что имплантированные образцы имеют более высокую усталостную прочность (для варианта имплантации ионами монотектического сплава, легированного оловом — примерно в 2 раза).

3. Установлено, что введение в монотектический медно-свинцовый сплав, используемый в качестве материала катода имплантера при имплантации образцов из стали 30ХГСН2А, третьего компонента (олово, висмут) приводит к повышению износостойкости и снижению коэффициента трения стали.

4. Проведенные коррозионные испытания показали, что имплантация стали 30ХГСН2А ионами монотектического сплава с дополнительным легированием оловом, алюминием и висмутом, повышает коррозионную стойкость при испытаниях в соляном тумане и растворе кислоты. При этом наибольшее повышение коррозионной стойкости достигается при имплантации ионами монотектического сплава, легированного алюминием.

5. Впервые установлено, что при многоэлементной имплантации стали 30ХГСН2А ионами монотектического сплава, легированного третьим элементом, приблизительно в 2 раза увеличивается глубина проникания легирующих компонентов.

6. Методами рентгеноструктурного анализа обнаружено изменение параметра кристаллической решетки мартенсита, уменьшение размеров блоков когерентного рассеяния, увеличение уровня внутренних упругих напряжений.

7. Методом ПЭМ установлено, что область влияния имплантации состоит из двух основных зон:

- поверхностный легируемый слой, структура в котором контролируется релаксационными процессами, основным механизмом которых является трансляционно-ротационный механизм и связанные с ним вихревые потоки вещества;

- приповерхностный слой - зона влияния внутренних напряжений, возникающих в поверхности и релаксировавших в матрицу.

8. Обнаружено, что в результате многоэлементной имплантации поверхности стали 30ХГСН2А ионами трех тяжелых металлов в тонком поверхностном слое происходят значительные концентрационные изменения с образованием кластеров из внедряемых элементов, а также наблюдается существенная фрагментация структуры на нано - уровне.

9. Выполнена апробация результатов диссертационных исследований на опытной партии авиационных деталей, разработаны технологические рекомендации процесса ионной имплантации авиационных деталей из стали 30ХГСН2А. Стендовые испытания подтвердили повышение износостойкости, коррозионной стойкости и снижение коэффициента трения, что позволит повысить их эксплуатационный межремонтный ресурс.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Лукьяненко Е.В., Боровин Ю.М., Овчинников В.В. Особенности лазерного упрочнения поверхностного слоя деталей из стали 30ХГСН2А // Технология металлов.-2012.-№1- С.7-13.

2. Авраамов Ю.С., Кравченков А.Н., Королёв С.Ю., Лукьяненко Е.В., Овчинников В.В., Шляпин А.Д. Получение наукоемких материалов на основе системы несмешивающихся компонентов Cu-Pb для изготовления катодов ионного имплантера // Наукоемкие технологии в машиностроении. -2012.-№3.

- С.44-48.

3. Лукьяненко Е.В., Овчинников В.В., Боровин Ю.М. Влияние контактного легирования монотектического сплава Си - РЬ, используемого в качестве катода имплантера, на нанотвердость стали 30ХГСН2А // Технология металлов.-2013 .-№2.-С.З 0-34.

4. Лукьяненко Е.В., Овчинников В.В., Боровин Ю.М., Якутина C.B. Влияние контактного легирования монотектического сплава Си—РЬ, применяемого для изготовления катода имплантера, на распределение имплантируемых ионов в поверхностном слое стали 30ХГСН2А // Наукоемкие технологии в машиностроении. -2013.~№ 2. - С.3-8.

Список публикаций в других изданиях

5. Лукьяненко Е.В. Поверхностное упрочнение стали 30ХГСН2А при лазерной закалке // Сборник трудов VI Международной научно-практической

конференции «Современные проблемы машиностроения». Томск, 2011. С. 562 -567.

6. Лукьяненко Е.В. Упрочнение поверхности деталей из стали 30ХГСН2А лазерной закалкой // Сборник материалов I Всероссийской конференции «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы» (2325 ноября 2011г.). Рубцовск, 2011. С. 251 - 254.

7. Боровин Ю.М., Овчинников В.В., Лукьяненко Е.В., Якутина C.B., Немов A.C. Особенности процесса ионной имплантации стали 30ХГСН2А монотектическим сплавом меди со свинцом // Сборник материалов 14-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика». СПб. 2012. С. 33 - 37.

8. Якутина C.B., Боровин Ю.М., Овчинников В.В., Лукьяненко Е.В., Королев С.Ю. Модификация поверхности деталей из стали 30ХГСН2А имплантацией ионами меди и свища из монотектического сплава Си - РЬ // Materiály VIII mezinárodni vëdecko - praktická konference „Dny vëdy - 2012". -Dill 93.Technickë vëdy: Praha. Publishing House „Education and Science" s.r.o - 80 stran.c.9-15.

9. Серикова E.A., Лукьяненко E.B., Якутина C.B., Половникова A.A. Повышение износостойкости деталей из стали 30ХГСН2А путем имплантации ионов сплава Си64РЬ36, легированного оловом И Известия МГИУ. Естественные и технические науки. -№ 3(26) 2012. -С.28-31.

10. Лукьяненко Е.В., Боровин Ю.М., Овчинников В.В., Якутина C.B. Влияние ионной имплантации монотектическим сплавом Cu-Pb на коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А // Материалы П-й международной заочной конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве». Орск, 2013. С. 35 - 39.

11. Овчинников В.В., Боровин Ю.М., Якутина C.B., Лукьяненко Е.В., Козлов Д.А., Парфеновская O.A. Влияние имплантации ионами меди и свинца на коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А // Сборник материалов 15-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика». Санкт-Петербург. 2013.

12. Патент 2465373 Россия, МПК В22С14/28. Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали / В.В. Овчинников, Ю.М. Боровин, Е.А., Серикова, Е.В. Лукьяненко, И.Р. Шляпина, Д.А. Козлов. -Опубл. 27.10.2012.

13. Патент 120813 Россия, МПК H 01J 3/04. Установка для ионно-плазменной обработки / Н.В.Учеваткина, В.В. Овчинников, Ю.М. Боровин, Е.В Лукьяненко, C.B. Якутина, А.Н. Кравченков. - Опубл. 27.09.2012.

14. Заявка на изобретение №2011136943, МПК В22С14/28. Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали / В.В. Овчинников, Е.В. Лукьяненко, Ю.М. Боровин, И.Р. Шляпина, C.B. Якутина. -Решение о выдаче патента от 10.12.2012. Опубл. 20.03.2013.

Подписано в печать 17.05.13 Формат бумаги 60x84/16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,35. Тираж 100. Заказ № 122 Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 276-33-67 Отпечатано в типографии издательства МГИУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

04201358006 На пРавах рукописи

Лукьяненко Елена Владимировна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 30ХГСН2А ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНАМИ МОНОТЕКТИЧЕСКОГО СПЛАВА МЕДИ СО СВИНЦОМ, ЛЕГИРОВАННОГО ОЛОВОМ, ВИСМУТОМ И АЛЮМИНИЕМ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Овчинников В.В.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Характеристика деталей и условий их эксплуатации в

5 11

11

16

нагруженных парах трения

1.2. Механизмы модификации поверхности сталей при ионной имплантации

1.2.1 Ионная имплантация как метод повышения износостойкости 16

сталей

1.2.2. Влияние ионной имплантации на механические свойства сталей 25

1.2.3. Влияние ионной имплантации на коррозионные свойства металлов и сплавов

1.3. Структурно-фазовые превращения в сталях под действием ионной имплантации

1.4. Особенности имплантации стали 30ХГСН2А ионами монотектического сплава меди со свинцом

1.5. Цель и задачи исследований

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Химический состав и механические свойства стали 30ХГСН2А

2.2. Оборудование для ионной имплантации

2.3. Методика контактного легирования для получения материалов катода имплантера из несмешивающихся компонентов

2.4. Образцы и оборудование для испытаний на усталость

2.5. Образцы и оборудование для испытаний на износ

2.6. Измерение микро и нанотвердости поверхностных слоев

29

32

40

42 45

45 47 53

59 61 63

2.7. Коррозионные испытания имплантированных образцов

2.7.1. Испытание на общую коррозию в камере соляного тумана

2.7.2. Определение скорости коррозии в растворе кислоты

2.8. Методы исследования структуры имплантированного слоя

2.8.1. Металлографический анализ

2.8.2. Сканирующий электронный микроскоп

2.8.3. Просвечивающая электронная микроскопия

2.8.4. Рентгеноструктурный анализ

2.9. Исследование поверхностных слоев методом вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС)

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ МОНОТЕКТИЧЕСКОГО СПЛАВА МЕДИ СО СВИНЦОМ, ДОПОЛНИТЕЛЬНО ЛЕГИРОВАННОГО АЛЮМИНИЕМ, ОЛОВОМ И ВИСМУТОМ НА СВОЙСТВА СТАЛИ 30ХГСН2А

3.1. Состав и структура материала катодов имплантера

3.2. Ионная имплантация стали 30ХГСН2А

3.3.Результаты испытаний на микротвердость, нанотвердость и модуль упругости

3.4. Результаты испытаний образцов из стали 30ХГСН2А на усталость

3.5. Влияние ионной имплантации на износостойкость и коэффициент трения

3.6. Исследование коррозионной стойкости стали 30ХГСН2А до и после ионной имплантации

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СЛОЕВ И КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРОФИЛЕЙ ВНЕДРЕННЫХ

66 66 68 69

69

70

71 73 75

78

78 83 85

90 94

104

108 109

ЭЛЕМЕНТОВ

4.1. Анализ концентрационных профилей распределения ионов меди, свинца, олова, алюминия, висмута в имплантированном слое стали 30ХГСН2А

4.2. Результаты рентгеноструктурного анализа структуры стали 30ХГСН2А, в исходном состоянии и после ионной имплантации

4.3. Результаты просвечивающей электронной микроскопии поверхностного слоя стали 30ХГСН2А после многоэлементной ионной имплантации

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

117

125

137

Глава 5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ ОПЫТНОЙ 139 ПАРТИИ ДЕТАЛЕЙ ДЕТАЛИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

139

5.1. Промышленное опробование деталей, подвергнутых ионной имплантации

5.2. Трибологические испытания авиационных деталей 141

5.3. Влияние коррозионной среды на долговечность деталей 147 шарнирных соединений

5.4. Рекомендуемые технологические параметры ионной обработки 148 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5 149 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 150 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 152 ПРИЛОЖЕНИЕ 166

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

В решении комплекса проблем по повышению надежности авиационной техники и увеличению сроков ее службы важное место занимают вопросы повышения износостойкости и надежности работы трущихся деталей.

В процессе эксплуатации неизбежно происходит интенсивное изнашивание узлов трения. При этом наблюдаются не только изменения геометрии деталей, но и их свойств.

Учитывая, что многие эксплуатационные характеристики определяются структурой и свойствами поверхности материала, весьма актуальным является разработка методов их целенаправленного изменения.

Значительный прогресс в технологии обработки поверхности металлов и сплавов связан с развитием ионно-имплантационного металловедения. Развивающиеся при ионном легировании процессы модификации структуры происходят в условиях, далеких от равновесных, и позволяют получать поверхностные слои с уникальным комплексом химических и физико-механических свойств.

В последнее время большое внимание уделяется изучению влияния ионной имплантации одновременно несколькими ионами различных элементов, внедрение которых позволяет повысить целый комплекс эксплуатационных свойств исследуемых материалов.

В работах, выполненных в МГИУ Якутиной C.B., показана высокая

эффективность применения в качестве материала катода имплантора медно-

свинцового сплава монотектического состава, что позволило повысить

износостойкость и коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А. Поскольку

ранее в работах, выполненных в МГИУ, было установлено положительное

влияние алюминия, олова и висмута на антифрикционные свойства медно-

свинцового сплава монотектического состава, нами было высказано

предположение о том, что добавление этих элементов в медно-свинцовый

5

катод может также привести к повышению уровня эксплуатационных свойств изучаемой стали 30ХГСН2А.

Научные исследования по данной теме проводились в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (тема №16.740.11.0558 от 23.05.2011 г.).

Актуальность темы диссертации подтверждается также тем, что ее базовую основу составляют исследования, выполненные автором в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (тема №16.740.11.0558 от 23.05.2011 г.).

Цель работы.

Целью настоящей работы является повышение эксплуатационных свойств деталей летательных аппаратов из стали 30ХГСН2А методом многоэлементной ионной имплантации, с применением в качестве материала катода сплава на основе трех несмешивающихся компонентов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Обосновать выбор состава материала катода и метода получения многокомпонентных катодов на основе несмешивающихся компонентов;

2. Уточнить методику контактного легирования применительно к задаче получения трехкомпонентного катода на основе системы медь-свинец.

3. Исследовать распределение ионов в поверхностном слое стали 30ХГСН2А, получаемое путем имплантации с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец.

4. Исследовать влияние многоэлементной ионной имплантации на структуру поверхностного слоя стали 30ХГСН2А.

5. Провести экспериментальные исследования влияния многоэлементной ионной имплантации на износостойкость, усталостную прочность и коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А.

6. Провести промышленную апробацию результатов диссертационных исследований и разработать технологические рекомендации по имплантации с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец для повышения износостойкости деталей конструкций летательных аппаратов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Впервые применены трехкомпонентные антифрикционные сплавы на основе несмешивающихся компонентов в качестве источника ионов для синтеза антифрикционных имплантированных слоев в поверхностных областях деталей, непосредственно подвергающихся износу при трении.

2. Впервые установлен факт увеличения глубины проникания ионов в имплантированном слое при легировании монотектического сплава третьим компонентом.

Методика исследования.

В данной работе применялись современные методы исследований. Эксперименты проводились в лабораториях Московского государственного индустриального университета (ФГБОУ ВПО «МГИУ»), Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») и Исследовательского Центра «Сколково» на следующем оборудовании: машина УРС-2000; машина трения, Tribometer, CSM Instruments, Швейцария; нанотвердомера Nano-HardnessTester NHT, CSM; камера соляного тумана марки SC450; оптический микроскоп «Carl Zeiss»; электронный сканирующий микроскоп «Karl Zeiss» EVO 50; многоцелевой электронный микроскоп Tecnai G2 20 ПЭМ; дифрактометр ARL X'TRA (Швейцария); установка «Physical Electronics» PHI-6600 SIMS System.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Работа направлена на исследование возможности повышения

7

эксплуатационных свойств стали 30ХГСН2А многоэлементной имплантацией ионами монотектического медно-свинцового сплава, дополнительно легированного алюминием, оловом и висмутом. Полученные в работе результаты свидетельствуют о повышении усталостной прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и снижении коэффициента трения. Это позволило сформулировать рекомендации для технологических процессов:

1. Уточнена методика контактного легирования применительно к задаче получения трехкомпонентного катода на основе системы медь-свинец, содержащего дополнительно алюминий, олово или висмут.

2. Разработаны технологические рекомендации по имплантации поверхности авиационных деталей из стали 30ХГСН2А с применением ионов монотектического сплава Си64РЬ36, дополнительно легированного оловом, висмутом или алюминием.

3. Опробована и успешно прошла стендовые испытания партия серийных авиационных деталей после имплантации поверхности ионами монотектического сплава Си64РЬ36, легированного оловом, висмутом или алюминием. Поскольку использование ионной имплантации не требует коренной перестройки технологии изготовления деталей, это открывает перспективы ее быстрого и успешного внедрения в производство как выпускаемых, так и разрабатываемых летательных аппаратов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Уточненная методика контактного легирования применительно к задаче получения трехкомпонентного катода на основе системы медь-свинец.

3. Результаты исследований распределения ионов в поверхностном слое стали 30ХГСН2А.

4. Результаты исследований влияния многоэлементной ионной имплантации на структуру поверхностного слоя стали 30ХГСН2А.

5. Экспериментальные исследования влияния многоэлементной ионной имплантации на износостойкость, усталостную прочность и коррозионную стойкость стали 30ХГСН2А.

6. Результаты промышленной апробации партии авиационных деталей и технологические рекомендации по имплантации с применением трехкомпонентных катодов на основе системы медь-свинец для повышения износостойкости деталей конструкций летательных аппаратов.

Достоверность

Достоверность результатов работы подтверждается двумя патентами на разработанную технологию ионной имплантации катодами на основе несмешивающихся компонентов. Достоверность обеспечивается использованием современных методов исследования, автоматизированного аналитического и метрологического оборудования и современного математического аппарата.

Личное участие автора:

являлось основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состояло в планировании и проведении исследований, анализе и обработке полученных результатов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были представлены в докладах: VI Международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2011); I Всероссийской конференции «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы» (Рубцовск, 2011); 14-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2012); VIII mezinárodni vedecko -praktická konference «Dny védy - 2012» (Praha, 2012); II-й международной заочной конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2013); 15-й Международной

научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2013) .

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получены 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

Настоящая работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы (125 наименований), приложения и содержит 165 страниц машинописного текста, в том числе 69 рисунок и 24 таблицы.

Автор выражает особую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Овчинникову Виктору Васильевичу, а также к.т.н. Истомину-Кастровскому Владимиру Владимировичу и доценту к.ф.м.н. Скаковой Татьяне Юрьевне за полезные рекомендации и практические замечания при работе над диссертацией.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Характеристика деталей и условий их эксплуатации в нагруженных

парах трения

В решении комплекса проблем по повышению надежности объектов авиационной техники и увеличению сроков ее безопасной эксплуатации важное место занимают вопросы повышения износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости трущихся деталей.

В процессе эксплуатации механизмов неизбежно происходит интенсивное изнашивание узлов трения в результате высоких нагрузок, скоростей и температур, влияния агрессивных сред и вибрации. Это приводит к снижению прочности деталей и точности механизма, повышению нагрузок, росту вибрации и шума, а также к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего. В дальнейшем изнашивание может привести к поломке деталей и выходу механизма из строя [1-3].

В результате исследований технического состояния трущихся поверхностей деталей и из опыта эксплуатации и ремонта летательных аппаратов установлено[1], что наиболее изнашиваемыми узлами и деталями в конструкции планера являются узлы подвески руля высоты, узлы подвески щитков-закрылков, узлы крепления двигателя, узлы подвески створок ниш шасси. В конструкции взлетно-посадочных устройств это узлы подвески амортизационных стоек, шарнирные соединения звеньев складывающихся подкосов, болты и втулки шлиц-шарниров, шарнирные соединения тяг системы гасителя колебаний передней стойки шасси, шарнирные соединения амортизаторов с элементами стоек шасси, шарнирные соединения рычагов и тяг подъема шасси и разворота стоек и т.п.

Детали силовых узлов изготавливают в большинстве случаев из конструкционных высокопрочных сталей. Рабочие поверхности цилиндров обычно хромируют.

На рис. 1.1 .а показаны основные трущиеся узлы стойки шасси. В узлах 1 и 2 применена трущаяся пара сталь-хром. Данные узлы имеют достаточно большую жесткость и изготавливаются с высокой точностью (допустимые овальность и конусность ±0,01 мм). Поскольку узлы имеют малые скорости скольжения и испытывают ударные нагрузки, для них в настоящее время используется гладкое хромовое покрытие, так как оно в сравнении с пористым хромовым покрытием выдерживает более высокие ударные нагрузки, хотя и имеет меньшую способность к приработке.

На рис. 1.1.6 показана конструкция подшипников верхнего узла подвески стоек шасси 1. Слой хрома наносят на вал 2, а не на подшипник 3. Подшипники выполнены из стали 30ХГСГ2А. Нанесение хрома на вал выбрано из технологических соображений и удобства ремонта.

Рис. 1.1. а - передняя стойка шасси самолета МиГ-29СМТ из стали 30ХГСН2А и основные трущиеся узлы стойки шасси (1-3); б - верхний узел подвески стойки шасси

Следует отметить, что не во всех узлах шасси трущиеся пара сталь-

хром работают хорошо. В сопряжении полувилки с основной стойкой при

применении хромового покрытия на поверхности трения выявлялись задиры.

12

а

б

В связи с этим в полувилке были установлены бронзовые втулки, в результате чего заедание поверхностей трения прекратилось, однако износ трущейся пары возрос. Некоторые шарнирно-болтовые соединения шасси (соединения шлиц-шарниров, узлы крепления тяг подъема главных ног шасси к траверсам и др.) в результате схватывания имели на трущихся поверхностях риски и вырывы металла.

Металлографический анализ поверхностных слоев изношенных шарнирно-болтовых соединений не выявил каких-либо структурных изменений при изнашивании деталей. Поверхностные слои в результ