автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка технологии осаждения пиролитических хромовых покрытий в атмосфере аммиака

^ 3 и

I ' '

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР .

ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ Т МААИ

МОСКОВСКИЙ. ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БОЙКО Сергей Валентинович

УЖ 621.793.3 - 034.26

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОСАЖДЕНИЯ ШРОЖГИЧЕСКИХ ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ В АШОСФЕРЕ АМИАКА

(05.02.01 - Материаловедение в машиностроении}

Автореферат диссертации на соискание ученой • степени кандидата технических наук

МОСКВА 1990

у

\

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте на кафедре "Металловедения и термообработки".

Научные руководители: профессор,

доктор технических наук Коган Я.Д,

\

доцент,

кандидат физико-математических наук Сазонова З.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

начальник лаборатории Сыркин З.Г.

кандидат технических наук,

доцент

Холин A.C. -

Ведущая организация -

Защита состои'аЬя " &

Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ЭНИМС)

1990г. в

часов

на заседании специализированного совета Д 053.30.03 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829 ГСП-47, Ленинградский проспект, д.64, Московский ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожный институт, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы на автореферат высылать по указанному выше адресу. Автореферат разослан ^к.?<;/<-< 1990г.

Справки по телефону 155-01-59, 155-03-55.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

ПОТАПОВ М.А.

v

J

'^гШЕяЕ^

Л - ЛЕНА I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ,

I. * ж»

^ тмел А стуальность проблемы. Создание высокопроизводительных ма-

Е2ШЩ1Ьр(Зотащих при больших удельных нагрузках, скоростях, температурах, при воздействии различных коррозионных сред и облучения требует разработки прогрессивных технологий поверхностного упрочнения, позволяющих значительно улучшить физико-механические, триботехнические и коррозионные свойства деталей машин и инструмента.

Высокие эксплуатационные характеристики деталей машин зависят в основном от состояния поверхности, так как отказы в процессе эксплуатации связаны,прежде всего,с разрушением поверхности. 1

• Одним из перспективных и быстро развивающихся в последнее время направлений в технологии поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента является нанесение покрытий низкотемпературным химическим осаздением из газовой фазы металлосодержа-• щих органических соединений (мое) , (СУД -процесс).

Низкая температура осадцения (400-600°С) , инертность продуктов пиролиза я конструкции оборудования, высокая скорость осаждения (1-3 шы/тя) делают эту технологию весьма перспективным методом упрочнения. Покрытия типа "металлическое стекло", полученные низкотемпературным ¿"^-процессом, обладают уникальными триботехническими и коррозионными свойствами.

Следует отметить, что недостатком этого метода является недостаточная адгезионная прочность покрытия.

Как показали исследования, низкие адгезионные свойства пи-ролитических покрытий вызваны наличием оксидных пленок (типа /ЪзО^}на границе подложка-покрытие при осавдении в атмосфере аргона.

ч-Для улучшения работоспособности покрытий целесообразна разработка" технологии осавдения, исключающей образование оксидных барьерных пленок на поверхности деталей. Одним из таких решений является формирование покрытий в восстановительных водородосо-держащих атмосф&рах, активирующих обрабатываемую поверхность перед осаздением.

Наиболее технологичными водородосодержащими атмосферами могут быть атмосферы на основе аммиака. Однако исследования по

данному технологическому решению отсутствуют, что и определило цели настоящей работа.

Работы по тема диссертации выполнялись в соответствии с целевыми комплексными программами ГКНТ и Госплана СССР (постановление ГКНТ и Госплана СССР от 12.12.1980г. * 437/249)и планами научно-исследовательских работ МАДИ (направление Л б).

Цель-работа. Разработка технологий нанесения пиролитических хромовых покрытий из хромоорганической жвдкости-"Бархос"в атмосфере аммиака, в частности одноступенчатой технологии осаждения в восстановительной атмосфере аммиака, и двухступенчатой непрерывно-последовательной схемы, состоящей из вакуумного азотирования с последующим нанесением покрытия в аммиаке. При этом решались следующие задачи:

- создание оборудования для получения пиролитических хромовых покрытий в атмосфере аммиака;

- изучение влияния атмосферы осаждения на кинетику роста,

> структуру, морфологию, фазовый и химический состав покрытий;

- изучение влияния параметров осаждения и условий активаци-онной подготовки поверхности на адгезионную прочность покрытия к, подложке;

- изучение влияния одноступенчатой и непрерывно-последовательной технологии на физико-механические и коррозионные свойства деталей машин, прессформ и режущего инструмента;

- опытно-промышленная апробация разработанных технологических схем на деталях машин, прессфорыах и режущем инстру-

, менте. .

Научная новизна.

Впервые установлены зависимости- кинетики формирования покрытия, их структуры, морфологии, фазового и химического состава при осаждении в атмосфере аммиака.

Установлена зависимость влияния атмосферы аммиака на физико-механические свойства покрытий: микротвердость, остаточные напряжения, адгезионную прочность, сопротивление усталости, коррозионную стойкость на общую коррозию, коррозию под напряжением. и при облучении, как при одноступенчатом осавдения в атмосфере аммиака, так и при непрерывно-последовательной обработке с кратковременным вакуумным азотированием е последующим нанесением

зокрытия в атмосфере аммиака. *

Установлена зависимость изменения адгезионной прочности от -говерхностного потенциала подготовленной поверхности, на основе шторой разработан • экспресс-метод прогнозирования адгезии покрытия к подложке. ■ ' ■ '

Практическая ценность работы. Разработан технологический фоцесс осаадения пиролитических хромовых покрытий из хромоорга-гической жидкости "Бархос", позволяющий реализовать как односту-:енчатую технологию осаадения в восстановительной атмосфере ам-иака, так и двухступенчатую непрерывно-послед9вательную схему прочнения, состоящую из вакуумного азотирования-с-доследующим внесением покрытия в аммиаке. .- ч - • . . ' ,

Использование разработанных технологических1 'схем упрочнения озволяет увеличить предел выносливости в 2,2 раза, снизить ско-ость роста.разгарных трещин в 2-4 раза, увеличить стойкость мел-эразмерного осевого режущего инструмента и быстрорежущей стали 6-8 раз, увеличить антикоррозионные свойства поверхности в 4-8 аз.

Спроектировано промышленно-технологическое оборудование, по-золягощее проводить непрерывно-последовательную упрочняющую обра->тку деталей машин, режущего инструмента и прессформ.

Разработаны диаграммы преимущественного осаадения износо-■ойких и коррозионностойких покрытий с горизонтально-слоистой ■руктурой, соответствующие максимальным скоростям осаждения, сработана методика прогнозирования величины адгезионной проч-сти по величине поверхностного потенциала, определяемого при-зром "Поверхность - ИГ'.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой ¡хнологш для упрочнения режущего инструмента составляет 50 тыс. гб. з год.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и об-вдены на 46-й (1988г.) и 47-й (1989г.) научно-исследовательс-х конференциях МАДИ, на зональной научно-практической конферен-и "Пути повышения эффективности использования оборудования с У" ( г. Оренбург-,. 1989г.) , на зональной научно-технической нференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии тер-зеской и химико-термической обработки деталей машин и инстру-*та (г. Пенза, 1990г. ) , на зональной научно-технической кон-

ференции "Совершенствование процессов резания и средств автоматизации для повышения производительности гибких станочных систем'1 С г. Курган, 1990г.) , на межреспубликанской научно-технической конференции "Конструкционная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин" (г. Волгоград, 1990г.) , на региональной научно-практической конференции "Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки"(г. Иркутск, 1990г.], на межреспубликанской научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин"(г. Волгоград,- 1990г.). '

Структура работы и объем диссертации. Диссертация содержит //,.5 страниц машинописного текста, (17 рисунков, 5 таблиц и со-'стоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Пиролитические хромовые покрытия наносили на образцы, изготовленные из стали 40Х, Р6М5,- ЯШМ, ЗХ2В8Ф.

В качестве исходного химсоединения использовали хромоорга-ническую жидкость "Бархос" (ТУ 01-1149-78) , представляющую собой смесь различных бис-ареновых соединений хрома. В качестве атмосферы осаждения использовался дополнительно осушенный аммиак. ■

Проведение процессов комбинированного упрочнения осуществлялось на специально смонтированной установке, основными частями которой являются: реакционная камера, система осушки и ввода аммиака, система дозирования и подачи бис-ареновых соединений хрома в камеру, система фор-вакуумной откачки (с регулируемой производительностью) и улавливания продуктов распада МОС, система контроля и управления процессом. Перевод "Бархос" в парообразное состояние производится с помощью испарителя, встроенного в верхнюю часть реакционной камеры. Нагрев покрываемых изделий происходит с помощью косвенного нагрева печью сопротивления.

Процессы осаждения покрытий проводили при температурах

осаждения 410-560°С, парциальных давлениях аммиака 70-399 Па, скоростях подачи "Бархос" 0,2-0,9 мл/мин. .

Микроструктуру покрытий исследовали на поперечных шлифах на световом микроскопе п №ЕОРЦОТ-2\п при увеличении х500. На приборе ПМТ-З измеряли микротвердость. Морфологию покрытия и ррактографию разрушения образцов с покрытиями, .полученными с различными вариантами упрочняющей обработки, исследовали с помощью снимков, сделанных на растровом электронно-сканирующем ликроскопе 3$М-Т20 фирмы ЗЕ01(^юшя)ща увеличении 150*1500.

Качественный фазовый рентгеноструктурннй анализ покрытий троводили на.дифрактоме^ре ПДР0Н-3,0" с использованием излуче-тая трубки с кобальтовым анодог^. .

Анализ химического состава поверхности покрытия и распределение элементов в приповерхностном слое проводили методом г )же-электронной спектроскопии на электронной спектрометре^ УагШП 1 СМ). . ' '

Величину средних остаточных напряжений'в упрочненном по зазным варианта?.! слое рассчитывали по изменению стрелы прогиба »бразцов планок после упрочнения. Изменение величины остаточных . сопряжений в упрочненном слое при воздействия жесткого рентге-:овского облучения и при нагреве определяли также по изменению трелы прогиба.

Адгезионную прочность покрытия определяли по величине допу-тимой деформации, при которой не происходило отслаивания. Обра-ец в виде усеченного конуса, с высотой, равной диаметру большэ-

0 его основания,и углом конуса 30-40°, на коническую поверх-ость которого наносилось покрытие, сжимали по высоте на 20$ и пределяли распределение величины деформации по высоте. На дефор-ированной подложке выделяли. участок с сохранившимся покрытием, атем определяли значение величины деформации, по которой вычис-таась величина адгезионной прочности.

Для'дополнения информации, полученной традиционными метода-

1 исследования фязико-механических свойств покрытий, применяли эинцйпиально новый тип микроскопа - фотоакустический, марки ГДС-ЗО, позволянщий визуализировать напряженное состояние по-¡рхности покрытия. 4 ■

Величину поверхностного потенциала, являющегося характеряс-жой активационной подготовки поверхности перед нанесением по-

крытая, определяли энергетическим методом с помощью прибора "До-верхность-И1".

Определение скорости общей коррозии в сероводородной среде Л/АСЕ проводили на призматических образцах размером 110x5x2 весовым методом. На этих же образцах проверялась степень водородного охрупчивания. 4 ,

Испытания на стойкость прйтив сероводородного растрескивания при постоянной скорости деформации 2 -Ю^с"14 выполняли на образцах типа 17 ГОСТ 1497-84 на восьмипозиционном стенде КМС-5--8 конструкции Оренбургского политехнического института.

Термоусталостные испытания проводили на специальной автоматической установке, позволяющей проводить нагрев цилиндрического образца с продольными концентраторами напряжений до 600°С и охлавдение в проточной воде. После определенного количества термоциклов контролировалась длина трещины в концентраторё напряжений.

Окисляемость упрочненных образцов определялась весовым методом при термоциклическом нагреве - охлавдении 600°С ^г: вода.

Работоспособность мелкоразмерного осевого режущего инструмента проверялась на сверлильном станке 2Н106П. Испытываемый инструмент имел1 одинаковую термическую обработку и заточку. Испытание сверл проводили при-скорости резания 10-25 м/мин. Критерием затупления инструмента являлся его предельно допустимый износ на задней поверхности.

Растяжению подвергались образцы типа 1У ГОСТ 1497-84 с пи-ролитическйм. хромовым покрытием, нанесенным по различным, технологическим параметрам, на разрывной машине 11\/57Х0//(Англия)со скоростью растяжения 40'мм/мин.

' - СТРУКТУРА, Н0РФ0Л0ГИЯ, ФАЗОВЫЙ И ХИМИЧЕСКИЙ,СОСТАВ• ПОКРЫТИЙ

Исследование микроструктуры покрытий, полученных в атмосфере аммиака,показало, что так же, как и в атмосфере аргона, в зависимости от режима осаздения формируются нетравящиеся однородные горизонтально-слоистые и вертикально-столбчатые структуры, соответствующие кинетической, переходной и диффузионной области протекания-процесса. ' '

Использование атмосферы аммиака приводит к повышению температуры осаждения покрнтий с соответствующими структурами на 50-70°С по сравнению с покрытиями, полученными в среде аргона.

Фазовый состав обрабатываемой поверхности оказывает влияние на структуру формируемых покрытий. Так, например, при образовании на поверхности нитридных фаз ( £ и при предварительном азотировании при осаждении хромового покрытия в температурном интервале формирования горизонтально-слоистых структур наблюдается формирование слоисто-столбчатых структур.

Методом растровой электронной микроскопии показано огрубление поверхности за-счет образования "конусов роста" на<£ и фазах азотированной поверхности при температуре осаждения покрытий, при которой формируется горизонтально-слоистая структура.

Фотоакустическая микроскопия позволила определить энергетическую неоднородность азотированной поверхности, которая ответственна за изменение структуры покрытия и морфологии поверхности.

Исследование фазового состава пиролитическкх хромовых покрытий, полученных в аммиаке, показало возможность образования с повышением температуры трех фаз: ¿Л, С-Г?Сз ¿/¿Сшя. С/^А/. Замечено увеличение температурной области существования рентгено-аморфной структуры на 50-70°С. Идентифицировать г.ц.к. карбид О^С.или г.ц.к. нитридС/^/1/методом рентгеноструктурного анализа но удалось, но Оке-спектральный анализ показал наличие азота в покрытии, полученном при температуре 560°С, что дает возможность предположить существование нитрида хрома С/^М.

Оже-спектральный анализ покрытий, полученных в атмосфере аммиака, показал понижение содержания углерода во всем интервале температур осаждения, причем с повышением температуры этот эффект-проявляется сильнее.

КИНЕТИКА ОСАДДЕНИЯ ПИРОЛИТИЧЕСКИХ ХР0М0ШХ ПОКРЫТИЙ В АТМОСФЕРЕ АММИАКА

\

Проведенные исследования по кинетике роста пиролитических сромовых покрытий в атмосфере аммиака позволили установить, что га процесс осавденпя определяющее влияние оказывает температура

нагрева подложки, парциальное давление атмосферы осаздения, энергетический и механический рельеф подложки.

С повышением температуры возрастает скорость осаждения. После достижения максимума скорости осаждения с дальнейшим повышением температуры наблюдается снижение скорости роста покрытия за счет повышения теплопроводности среды и прогрессирования процессов гомогенного распада.

Увеличение парциального давления аммиака приводит к увеличению скорости осаждения покрытия в низкотемпературной кинетической области.

Замечено влияние атмосферы осаждения на кинетику термораспада, формирование покрытия, заключающееся в изменении температурных интервалов областей протекания процесса, но при этом основные закономерности осаждения сохраняются. Если максимум скорости осаждения в среде аргона достигается в интервале температур 460-480°С, то при осаждении в атмосфере аммиака 'наибольшая скорость осаждения зарегистрирована при температуре 510--520°С.

Исследование кинетики осавдения на активированную в процессе предварительного азотирования поверхность показало влияние фазового составу азотированного слоя на кинетику процесса. При фазовом составе, соответствующем нитридам«? и (^у скорость осаждения покрытия увеличивается на 50%, при предварительном азотировании на «К -твердый раствор увеличение скорости составляет 20%. Подобное влияние азотирования наблюдается только при непрерывно-последовательном комбинированном упрочнении в одной камере, когда сразу после азотирования проводится осаждение покрытия в ам-' миаке.

Замечено влияние"отрицательного катализа" поверхности на скорость роста покрытия после ультразвуковой обработки в моющих средах, содержащих щелочные металлы, при осаждении на оксидную пленку¿Ъи шаржированную электрокорундом поверхность. Во всех этих случаях наблюдается значительное снижение скорости роста покрытий.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ.

Микротвердость. Исследование влияния режимов осаждения на

микротвердость покрытий показало экстремальную зависимость от параметров осаждения, максимум значения микротвердости зарегистрирован при Тос=.'510°С, Р = 133 Па и составляет/^=19000 МПа, что несколько ниже максимальной микротвердости, полученной в среде аргона. Наблюдается смещение температура получения максимальной твердости в область больших значений на 50-70°С.

\ Наибольшее влияние на изменение твердости оказывает температура. осаждения. В меньшей степени влияет парциальное давление в реакционной камере.

Наблюдается уменьшение микротвердости при облучении мощным ■ рентгеновским'облучением на 15-205?.

Поверхностный потенциал и адгезионная прочность покрытий. Поверхностный потенциал, являющийся характеристикой' степени чистоты поверхности, определяется прибором "Поверхность-И1п. При определении поверхностного потенциала образца, разогретого в инертной среде! аргона, наблюдалось падение значения поверхностного потенциала. Установлено, что при значении поверхностного потенциала 90-100 мВ происходит самопроизвольное отслаивание покрытия, тогда как исходная величина поверхностного потенциала после конструкционной ручной механической зачистки и обезжири-зания составляет 250-350 мВ. Эти значения с течением времени • уменьшаются вследствие адсорбции углеводородов и паров воды и образования окисной пленки. Наибольший градиент уменьшения величины поверхностного потенциала наблюдается в первые минуты после очистки поверхности. Установлена зависимость величины адгезионной прочности от поверхностного потенциала. С повышением значения поверхностного потенциала увеличивается адгезионная 1рочность. Различные технологии подготовки поверхности перед нанесением покрытия имеют- различные величины поверхностного потен-щала, но "при всех видах обработки наблюдается его падение. В ¡той-связи наиболее приемлемой технологией подготовки поверхно-;ти может явиться активационная подготовка в восстановительной 1тмосфере аммиака непосредственно в реакционной камере. Установ-гено, что при разогреве детали в токе аммиака при полной откачке :аблюдается некоторое повышение значения поверхностного потен-нала, что связано с частичным восстановлением окислов и устра-ением адсорбированных слоев. Уменьшение расхода а'<миака приво-ит к увеличению степени диссоциации аммиака я увеличению коли-

чества, восстанавливающего окислы водорода. Определена опти- 1 мальная степень диссоциации с максимальной восстанавливающей способностью атмосферы.

Остаточные напряжения. В работе была проведена расчетная и экспериментальная оценка остаточных напряжений , возникающих в покрытиях' как после охлаждения, так и в процессе нагрева. Во всем интервале температур осаждения и после^ущего нагрева в покрытиях формируются напряжения сжатия. Максимальный уровень остаточных напряжений соответствует наибольшей скорости осаждения и микротвердости покрытия. Анализ полученных зависимостей -позволяет сделать вывод, что уровень- остаточных напряжений зависит не только от термических напряжений, но и от структурных напряжений в покрытиях, образующихся за счет формирования покрытий. С повышением температуры осаждения увеличивается составляющая структурных напряжений. Результаты расчета подтверждаются релаксационным воздействием жесткого рентгеновского облучения, которое увеличивается с повышением температуры осаждения. Повышение уровня структурных напряжений с увеличением температуры осаждения можно объяснить "замораживанием" структурных дефектов в покрытии.

Максимальный уровень средних остаточных напряжений при осавдении в среде аммиака меньше, чем при осаждении их в аргоне. И температура формирования максимальных напряжений сдвигается в область более высоких значений.

Кроме среднего уровня остаточных напряжений при разработке непрерывно-последовательной схемы упрочнения необходимо .контролировать изменение напряжений в глубь металла. Так, при осаждении покрытия на ¿-фазу азотированного слоя наблюдается увеличение внутренних напряжений сжатия, максимум которых залегает под -фазой. Величина сжимающих напряжений достигает таких значений, что наблюдается возникновение продольных трещин под -фазой, что снижает надежность деталей с покрытиями.

Исследование внутренних напряжений и адгезии методом Фотоакустической микроскопии. Фотоакустическая микроскопия позволила получить новые данные о напряженном состоянии-покрытия, о 'величине адгезии по поверхности контакта покрытие-подложка за счет визуализации плосконапряженного состояния покрытия. Фотоакустические исследования поверхности покрытия показали неоднородность

плсохонапряженного состояния, доказывающего, что поверхность осаждения является не инертной плоскостью, а энергетически неоднородной, на участках которой происходит преимущественное формирование покрытия на островках.

Фотоакустическая микроскопия позволила определить неоднородность микротвердости, она колеблется от 4 до 10%, что трудно определить механическим методом. Фотоакустическое изображение позволяет установить, что напряжения не столь однозначны в раз- личных областях плоскости покрытия. Было определено, что с повышением температуры осаждения увеличивается количество областей с повышеннЬй величиной напряжений.

Фотоакустическая микроскопия позволяет сделать вывод об увеличении1 структурных напряжений в куполах роста и отдельных фрагментах покрытия? !Гак' же, как и поля напряжений в плоскости неоднородны, так и значения адгезионной прочности неоднородны по сопряжению покрытие-подложка. Как и в случае напряженного состояния, на поверхности раздела покрытие-подложка существуют \ области с минимальным и максимальным уровнем адгезионной прочности. С увеличением температуры осаздения наблюдается увеличение разброса мевду максимальным и минимальным уровнем напряжений при сохранении максимальной величины адгезии покрытий, полученных в атмосфере аммиака. Покрытия, полученные в среде аргона, имеют экстремальную зависимость адгезии от температуры осаждения с максимумом в области температур 460-480°С.

Сопротивление усталости. Непрерывно-последовательная схема " упрочнения с¡Á -фазой азотированного подслоя позволяет при усталостных испытаниях получить максимальный эффект по сравнению с одностадийным процессом нанесения пиролитического хромового покрытия и вакуумного азотирования. Так, например, пиролитическое хромовое покрытие увеличивает предел выносливости на 10$, кратковременное вакуумное азотирование на 40$, комбинированная технология- в 2,2 раза( рисЛ,а_) . Непрерывно-последовательная обработка позволяет значительно уменьшить чувствительность к концентраторам напряжений. Эффект комбинированного упрочнения возрастает для образцов с концентраторами напряжений рис. 1,6 _) .

Контактная прочность. Исследовано влияние одноступенчатой технологии и комбинированного упрочнения на контактную прочность. Шнесение пиролитического хромового покрытия не увеличивает фор-

бди-МПа 640

I

лев 4!0

/ое /о'&Л/ /о* ю*

<0 5)

Рис.1. Влияние видов упрочнения улучшенной стали 40Х на предел выносливости: а - гладкий образец, б - образец с концентраторами напряжений с£ = 1,58.

»5

I

/со ¿ао 4оо -яоо халг/</еаг£о те^/зоамеи ■

Рис.2. Влияние поверхностного упрочнения на длину раз-гарной трещины: 1 - улучшенная сталь 40Х, 2 - сталь 40Х с пиролитическим хромовым покрытием, 3 - сталь 40Х после комбинированного упрочнения,' 4 - улучшенная сталь ЗХ2В8Ф.

Л к.

тех. //¿//>£>¿04 МЭЛОЮЯ мая

лиау \

Ьвзлсир ■

1

/о

/¿Г

Рис.3. Зависимость стойкости сверл ¿2 мм из стали- Р6М5' после поверхностного упрочнения при обработке стали 14Х17Н2Ш.

}2а

.\idlJL-,-

неустойчивость поверхности, значительное увеличение формоустой-чивости наблюдается при комбинированном упрочнении. При этом на 40% уменьшается пятно внедрения шарика. Варьируя толщину азотированного слоя, можно достичь необходимой для надежной эксплуатации контактной прочности поверхности.

Термостойкость" покрытия в воздушной среде; Исследование термостойкости при термоциклировании образцов с продольными надрезами различной остроты позволило определить оптимальную толщину покрытия для защиты от окисления. Олщ-спектральный анализ зарегистрировал образование на поверхности покрытия плотной окис-ной пленкиО^Оз, имеющей хорошую прочность сцепления с покрытием,

не отслаивающуюся на всем периоде испытаний и являющуюся эффективным барьером для окисления. Кроме того, оксидная пленка ¿^обладает высокой инертной способностью ко многим литейным сплавам, что проявляется в снижении угла смачивания.

Наилучшую работоспособность при термоциклическом испытании показали покрытия с меньшим содержанием карбидов, обладающие высокой пластичностью. Первые трещины возникают на более поздних этапах термоциклирования и на них быстрее образуется плотная пленка окислов Граница раздела покрытие-подложка являет-

ся преградой распространению трещины и, иногда наблюдалось залечивание трещины плотными продуктами окисления, снижение скорости роста трещины за счет ухудшения доступа атмосферы к матрице.

Скорость распространения разгарной трещины уменьшается при легировании подложки азотом. Это происходит, по всей видимости, как за счет благоприятного воздействия напряжений сжатия, так и меньшей окисляемости зоны внутреннего азотирования. На рис.2 представлена кинетика развития разгарных трещин в зависимости от материала и его поверхностного упрочнения. Как видно, кинетика развития трещин имеет сложный характер. Поверхность стали 40Х/ упрочненная по непрерывно-последовательной схеме упрочнения, имеет стойкость к распространению трещины, приближенную к стали ЗХ2В8Ф.

Исследование стойкости покрытий при работе мелкоразмерного осевого инструмента из быстрорежущей стали. Существующие методы упрочнения при нагреве высококонцентрированным потоком энергии часто приводят к перегреву режущих кромок, формированию рыхлых покрытий с большой степенью дефектности структуры, и, как след-

ствие, с плохими физико-механическими свойства!«., Особенностью эксплуатации мелкоразмерного осевого режущего инструмента является низкая динамическая прочность и устойчивость инструмента, с одной стороны, и низкая формоустойчивость режущего клина. Наносимое покрытие, в'связи с этим, должно соответствовать следующим требованиям: диффузионный слой упрочняющей обработки'должен повышать формоустойчивость режущего клина, благодаря сжимающим напряжениям, повышать динамическую прочность. Как показащ исследования, пиролитические хромовые покрытия улучшают.триботех-лническиё и .тепловые условия резания, - приводящие к уменьшению сил резания и тепловой нагрузки на режущий клин.

Наибольшее повышение стойкости наблкщалось при .-нанесении' покрытий, имеющих высокую пластичность. Структура этого покрытия представляет чередование хромокарбидных слоев с рентгено-аморфными слоями пересыщенного твердого раствора углерода в хроме.

Натурные испытания режущего инструмента показали, что оптимальная толщина покрытия составляет 2-4 мкм. Рентгеноструктурный анализ образцов после термоциклических испытаний, моделирующих тепловой режим работы режущего клина, показал, что'кристаллизация покрытия не происходит, наблвдаются лишь релаксационные процессы, незначительно снижающие микротвердость.

Следует отметить, что пиролитические покрытия позволяют изменить структуру снимаемой стружки. Если при сверлении стали 45 непокрытым инструментом наблюдается образование суставчатой стружки, то при резании инструмента с покрытием образуется сливная стружка.

Проведенные исследования влияния режимов нанесения покрытия и схем упрочнения на стойкость мелкоразмерных сверл позволили установить оптимальные режимы получения -покрытий.

Максимальный эффект от упрочнения зарегистрирован при непрерывно-последовательном упрочнении, заключающемся в вакуумном азотировании с толщиной зоны внутреннего азотирования 7-10 мкм с последующим нанесением в среде аммиака пиролитического хромового покрытия толщиной 2-4 мкм (рис.3 ) . Образование при комбинированной схеме упрочнения £ ж у -фазы на стадии азотирования значительно снижает работоспособность инструмента.

Эффективность упрочняющей обработки возрастает при сверле-

нзе труднообрабатываемых сталей, характеризующихся диффузионным механизмом износа.

Коррозионная стойкость в агрессивных средах. Коррозионные испытания.покрытий в сероводородной среде состояли в определении защитного эффекта против общей коррозии, водородного охрупчива-ния, сероводородного растрескивания при постоянной скорости деформирования. Оптимизированы параметры осаждения и толщина покрытия. Скорость общей коррозии уменьшается в 2-3 раза, как при нанесении покрытия, так и при непрерывно-последовательной схеме упрочнения. Степень водородного охрупчивания уменьшается в 4-6 раз при защите покрытием, полученным при Тос= 520°С. Наименьшую скорость коррозии и степень водородного охрупчивания показали покрытия, имеющие горизонтально-слоистую структуру. С повышением толщины покрытия зарегистрировано незначительное повышение скорости Коррозии, но наблюдается понижение степени водородного' охрупчивания. Фрактографический анализ изломов образцов после испытания на водородное охрупчивание показал, что • с повышением толщины покрытия наблюдается уменьшение зоны хрупкого разрушения в приповерхностной зоне.

За критерий эффективности защитного действия покрытия на стойкость против сероводородного растрескивания при постоянной скорости деформации'принимали изменение относительного сужения И у и относительного удлинения/^ образцов. Эксперимент показал, что вакуумное азотирование имеет отрицательный1эффект по сравнению с непокрытым образцом, снижение Ну, и тем больше-, чем больше глубина азотированного слоя. Наибольший эффект получен . при осаядении покрытия в атмосфере аммиака с температурой осаждения 450-460°С, дающей покрытие с горизонтально-слоистой структурой, с высокой пластичностью. Нанесение азотированного подслоя в- гибридной технологии приводит к значительному падению

. Фрактографический анализ изломов показал, что коррозионные трещины возникают в азотированном слое, в котором наблюдается хрупкое разрушение.

Покрытие обладает значительным защитным эффектом, как при совместном воздействии органических кислот и мощного рентгеновского облучения, так и при раздельном их воздействии. Так, скорость коррозии образцов с защитным хромовым покрытием при воздействии уксусной кислоты и рентгеновского облучения мощ-

ностью 500 рад/с в 15-20 раз меньше, чем, скорость улучшенной стали 40Х.

I

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ШЩЩЦАЦИИ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН, МК/ЖОРАЗМЕЙЮГ^ОСЕВОГО ИНСТРУМЕНТА И ПРЕССФОЕМ

Проведение исследований по комплексу физико-механических свойств упрочненных материалов позволило, предложить непрерывно-последовательную технологию для повышения стойкости деталей машин, инструмента и прессформ, и одноступенчатую технологию защиты от коррозии в сероводородосодержащих технологических средах, органических кислотах и при мощном рентгеновском облучении.

В таблице 1 приведены рекомендуемые конструкции покрытий, повышающих работоспособность и коррозионную стойкость деталей машин, инструмента и прессформ.

Таблица 1

Рекомендуете конструкции покрытий, полученных в атмосфере

аммиака

Позиция упрочнения

Конструкция покрытия

азотированного ! пиролитического слоя {хромового покрытия

! mfi9, |Толщина |Толщина,

| МПа. 1 мкм МПА 1 мкм

1 ! 2 ! 3 4 \ ■ 5

-мелкоразмерный осевой

режущий инструмент 1200 7-10 1600 2-4

-прессформы литья под дав-

лением 1100 20-40 1400 5-7

-детали машин при сложном

нагружении S00 40 1300 10

1 1 2 I 3 } 4 ! 5

Детали технологического обо-

рудования, работающего в

сероводородной средъ/!/ДС£:

-общая коррозия - 1400 10

-водородное охрупчивание - 1400 10-15

-под напряжением 1300 5-7

Промышленная апробация .■

Разработанная комбинированная технология упрочнения была применена для повышения работоспособности мелкоразмерного осевого режущего инструмента для сверления труднообрабатываемых сплавов. Промышленные испытания на ПО "Стрела" показали повышение- стойкости сверл в 6-8 раз. Экономический эффект от применения разработанной технологии составляет 50 тыс. руб. в год.

Промышленные испытания прессформ для литья алюминия при

температуре 650-670°С показали повышение стойкости в 3-5 раз.

\

ВЫВОДЫ

1. Предложен способ нанесения пиролитических хромовых покрытий из хромоорганической жидкости "Бархос", позволяющий реализовать кай одноступенчатую технологию осаждения в восстановительной атмосфере аммиака, так и двухступенчатую непрерывно-последовательную схему, состоящую из вакуумного азотирования с последующим нанесением покрытия в аммиаке. Создано технологическое оборудование, позволяющее проводить комбинированное упрочнение.

•2. Исследована кинетика осаждения пиролитических хромовых покрытий в атмосфере аммиака. Показано, что в аммиачной атмосфере максимальные скорости осаздения достигаются при более высоких температурах осаадения, чем в инертной атмосфере аргона.

3. Исследована микроструктура, морфология, фазовый и химический состав пиролитического хромового покрытия, осажденного в атмосфере аммиака.

3.1. Металлографическое исследование микроструктуры'покры-

тий показйло наличие нетравящихся однородных, го^лзонтально--слоистых, зернистых, вертикально-столбчатых структур. Зарегистрирован сдвиг границ протекания процесса в область повышенных температур. Построены диаграммы вероятного типа микроструктур покрытий в зависимости от температуры осавдения и-парциального давления среды осавдения.

3.2. На основании растровой электронной микроскопии сделан вывод об огрублении морфологии за счет нанесения покрытия на энергетически неодаероднухмюверхность, полученную после азо- • тирования на £ и ¿К'-фазу."- .

3.3. На основании данных рентгеноструктурного анализа показано расширение температурного интервала существования рентге-ноаморфной структуры. Образование нитрида хрома при осаждении покрытия в атмосфере аммиака не обнаружено.

3.4. Химический анализ показал, что основными элементами покрытия являются хром й углерод. Содержание углерода в покрытии, полученном в атмосфере аммиака, меньше, чем в покрытии, осажденном в аргоне, во всем интервале температур. Зарёгистри-ровано содержание азота в покрытии, полученном при 560°С. На покрытии обнаружен плотный слой оксида Сг^О^.

4. Исследование физико-механических свойств покрытий, полученных в атмосфере аммиака,показало :

4.1. Максимальные значения микротверцости, равные 19 ГПа, достигаются при температуре Тос= 510-520°С и снижается с ростом температуры.

4.2. Величина сжимающих напряжений в покрытиях определяется, наряду с термическими факторами, типом структуры покрытия и толщиной азотированного слоя, релаксационными свойствами. Работоспособность комбинированно упрочненного слоя зависит от распределения напряжений в глубь металла.

4.3. Определено значение поверхностного потенциала в зависимости от различных видов активационной обработки. Установлена зависимость между величиной поверхностного потенциала и адгезионной прочностью. Определена кинетика изменения поверхностного потенциала от времени пребывания в промышленной атмосфере. Показано, что больший уровень адгезионной прочности достигается при непрерывно-последовательной технологической схеме упрочнения в атмосфере аммиака.

4.4. Методом фотоакустической микроскопии показана неоднородность напряженного состояния, неравномерность адгезионных сил и микротвердости по плоскости покрытия.

4.5. Реализация принципа комбинированного упрочнения позволяет получить значительно больший эффект при повышении предела выносливости, чем при раздельном применении одноступенчатых технологий.

4.6. Непрерывно-последовательное упрочнение позволяет на 40-100? лоднять контактную прочность поверхности.

4.7. При термоциклировании, имитирующем работу прессформы, зарегистрировано уменьшение скорости.роста разгарных трещин в

2 раза при непрерывно-последовательном упрочнении. Скорость роста разгарных трещин при комбинированном упрочнении стали 40Х незначительно меньше, чем у стали ЗХ2В8Ф.

4.8.-Проведенная оптимизация режимов осаждения применительно к повышению стойкости мелхоразмерного осевого режущего инструмента позволила определить оптимальную толщину покрытия и азотированного, подслоя. Наибольший эффект получен при сверлении труднообрабатываемых сталей. Эффект от "гибридного" упрочнения превышает сумму эффектов от раздельного применения упрочняющих технологий.

4.9. Установлено, что покрытие, полученное в аммиачной атмосфере, обладает значительным защитным эффектом в коррозионной среде Л/АСЕ при испытании на общую коррозию и на водородное охрупчивание. В данном случае комбинированное упрочнение при растрескивании под напряжением снижает работоспособность дета- • лей.

Показана высокая коррозионная, стойкость покрытия при воздействии облучения и органических кислрт.

5. На основании проведенных исследований разработана технология упрочнения в атмосфере аммиака. Установлено, что для упрочнения прессформ, режущего инструмента, деталей машин, работающих при знакопеременных нагрузках, эффективна непрерывно-последовательная схема упрочнения. Для защиты от воздействия коррозионной среды Л/ДСЕ рационально использовать одноступенчатую технологию осаздения покрытия в аммиаке с восстановлением водородом оксидного слоя.

6. Упрочнение мелкоразмерного осевого режущего инструмента

1 по комбинированной, схема упрочнения повышает сх^шость в 6-8 раз. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения данной технологии составляет 50 тыс. руб.

1 V _

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Бойко C.B., Либерман В.Л., Малинин С.Г. Упрочнение формообразующих поверхностей прессформ химико-термической обработкой // Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ: Тезисы докладов научно-практической конференции / Оренбургское областное правление ВНТО машиностроителей.-Оренбург, . 1989г.-С.45-46.

2. Бойко C.B. Комбинированная технология поверхностного упрочнения // Новые материалы и ресурсосберегающие технологии • термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента: Тезисы докладов зональной научно-технической конференции / Приволжский дом научно-технической пропаганды.-Пенза, 1990г.-С.35-36.

3. Шачнев С.А., Бойко C.B. Экономическая эффективность использования режущего инструмента с покрытиями, полученными методом химического и физического осаждения (CMDuPt/D) // Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента: Тезисы докладов научно-технической конференции / Приволжский дом научно-технической пропаганды.-Пенза, 1990г.-С.42-43.

4. Бойко C.B., Либерман В.Л.,'Малинин С.Г; Гибридная технология упрочнения мелкоразмерного режущего инструмента // Совершенствование процессов резания и средств автоматизации для повышения производительности гибких станочных систем: Тезисы докладов зональной научно-технической конференции / Курганское областное правление Союза научных и инженерных обществ.-Курган, 1990r.-C.81.

5. Бойко C.B., Юршев В.И. Повышение работоспособности деталей машин, режущего и штампового инструмента методом газофазного комплексного упрочнения // Конструкционная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин: Тезисы докладов межреспубликанской научно-технической конференции / Волгоградс-

i J

.: кий дом науки и техники.-Волгоград, 1990г.-С.125-126.

6. Коган Я.Д., Бойко С.В., Юршев В.И., Глазистов А.Г. Низкотемпературное газофазное упрочнение инструмента из быстрорежущей стали // Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки: Тезисы докладов региональной научно-практической конференции / Иркутск, 1990г.-С.

: Подписано к печати -{иО^/с-Л 19$О г.

Отпечатано на ротапринте в Формат бумаги 30x42/4 Производственном комбинате Объем 3 п.л. . Литературного фонда СССР Зак. Тир. $о