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

ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР . ГО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ. ОРДЕНА ГРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

Ш правах рукописи

БОЙКО Сергей Валентинович

УДК 621.793.3 - 034.26

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОСАЖДЕНИЯ ПИРОЖТШЕСКИХ ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ В АТМОСФЕРЕ АММИАКА

(05 .02.01 - Материаловедение в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой • , степени кандидата технических наук

V /

г о / V

/ МОСКВА 1990

J

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени автошбилъно-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 В.Г.

кандидат технических наук, 1

доцент

Холин A.C.

Ведущая организация -

Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ЭНИМС)

Защита состойся * 4 " 1990г. в " часов

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат высылать по указанному выше адресу.

Автореферат разослан " 2 1990г.

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

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

ПОТАПОВ М.А.

J

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ,-

Актуальность проблемы. Создание высокопроизводительных машин, работающих 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,превде 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 осаждением из газовой фазы металлосодерга-щих органических соединений (мое) , (С1/1) -процесс).

Низкая температура осаждения (400-600°С) , инертность продуктов пиролиза я конструкции оборудования, высокая скорость осавдения (1-3 ши/ш£) делают эту технологии 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 /ёз^рна границе подложка-покрытие при осащцении в атмосфере аргона. "

4Для -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, активирунцих обрабатываемую поверхность перед осаздением. ^

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

данное технологическому решению отсутствуют, что и определило • цела настоящей работа.

Работа по теш диссертации выполнялись в соответствии с целевыми комплексными программами ГКЖТ и Госплана СССР ^постановление ГКНТ и Госплана СССР от 12.12.1980г. * 437/249)и планами научно-исследовательских работ МАДИ (направление № 6).

Цель .-работа. Разработка технологий нанесения .паралитических хромовых покрытий из хромоорганическай жидкости-"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 это« решались следующие задачи:

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

- изучение влияния атмосферы оснащения на кинетику роста,

1 структуру, морфологию, фазовый и химический состав покрытий;

- изучение влияния параметров осавдения и условий актаваци-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, прессформах 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: микротверцость, 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 и последующим нанесением

крытия в атмосфере аммиака.

Установлена зависимость изменения адгезионной прочности от верхностного потенциала подготовленной поверхности, на основе торой разработан экспресс-мэтод прогнозирования адгезии по-ытия к подложке. ' •

Практическая ценность работы. Разработан технологический оцесс осаадения пиролитических хромовых покрытий из хромоорга-ческой жидкости "Бархос", позволяющий реализовать как односту-ачатую технологию осаадения в восстановительной атмосфере ам-зка, так и двухступенчатую непрерывно-последовательную схему рочнения, состоящую из вакуумного азотирования-с "последующим несением покрытия в аммиане.

Использование разработанных технологических схем упрочнения зволяет увеличить предел выносливости в 2,2 раза", снизить ско-5ть роста,разгарных трещин в 2-4 раза, увеличить стойкость мел-зазмерного осевого режущего инструмента и быстрорежущей стали >-8 раз, увеличить антикоррозионные свойства поверхности в 4-8

I.

Спроектировано промышленно-технологическое оборудование, по-(ляющее проводить непрерывно-последовательную упрочняющую обра-•ку деталей машин, режущего инструмента й прессформ.

Разработаны диаграммы преимущественного осаадения износо-йких и коррозионносгойких покрытий с горизонтально-слоистой уктурой, соответствующие максимальным скоростям осаадения. работала методика прогнозирования величины адгезионной прочти по величине поверхностного потенциала, определяемого призом "Поверхность - И1".

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой иологии для упрочнения режущего, инструмента составляет 50 тыс. >. в год.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и об-денына 46-й (1988г.) и 47-Я (1989г.) научно-исследовательс-конференциях МДЦИ, на зональной научно-практической конферен-"Бути повышения эффективности использования оборудования с " ( г. Оренбургу 1989г.) , на зональной научно-технической Ьеренции "Новые материалы и ресурсосберегавдие технологии тер-эской и химико-термической обработки деталей машин и инстру-га (г. Пенза, 1990г. ) , на зональной научно-технической кон-

(

ференции "Совершенствование процессов резания и средств автоматизации для повышения производительности гиЗких станочных систе: С г. Курган, 1990г.) , на межреспубликанской научно-технической Конференции "Конструкционная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин" (г. Волгоград, 1990г.) , на региональной научно-пршстической конференции "Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки"(г. Иркутск, 1990г.), на межреспубликанской научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей малин "(г. Волгоград/ 1990г.). " ■

Структура работы и обьем диссертации. Диссертация содержит $А5 страниц машинописного текста7 рисунков, 5 таблиц и со-'стоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включавшего 96 источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Пиролитические хромовые покрытия наносили на образцы, изготовленные из стали 40Х, Р6М5,- 5ХНМ, 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 осавдения 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 М0С, 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 осавдения покрытий проводили при температурах

завдения 410-560°С, парциальных давлениях аммиака 70-399 Иа, коростях подачи "Бархос" 0,2-0,9 мл/мин. .

Микроструктуру покрытий исследовали на поперечных шлифах 1 световом микроскопе " ЫЕОРЦОТ-2\п при увеличении х500. На риборе ПМТ-3 измеряли микротверцость. Морфологию покрытия и рактографии разрушения образцов с покрытиями, полученными с азличными вариантами упрочняющей обработки, исследовали с по-эщью снимков, сделанных на растровом электронно-сканирующем щюскопе JSM-^¿0фzpm ^^(Японго^при увеличении 150*1500.

Качественный фазовый рентгеноструктурный анализ покрытий роводюш на.дифрактомет(ре "ДРОН-З.О" с использованием излуче-т трубки с кобальтовым анодов .

Анализ химического состава поверхности покрытия и распре-зление элементов в приповерхностном слое проводили методом щ ке-электронной спектроскопии на электронной спектрометре^ \forlon США).

Величину средних остаточных напряжений "в упрочненном по азным вариантам слое рассчитывали по изменению стрелы прогиба 5разцов планок после упрочнения. Изменение величины остаточных шряжений в упрочненном слое при воздействии жесткого рентге-эвского облучения и при яагревэ определяли также по изменению грелы прогиба.

.Адгезионную прочность покрытия определяли по величине допу-гамой деформации, при которой не происходило отслаивания. Обра-щ в виде усеченного конуса, с высотой, равной диаметру болыпэ-) его основания,и углом конуса 30-40°, на коническую поверх->сть которого наносилось покрытие, сжимали по высоте на 20^ и 1ределяли распределение величины деформации по высоте. На дефор-. 1рованной подложке выделяли.участок с сохранившимся покрытием, 1тем определяли значение величины деформации, по которой вычис-игась величина адгезионной прочности.

Для'дополнения информации, полученной традиционными метода-[ исследования физико-механических свойств покрытий, применяли зинципиально новый тип микроскопа - фотоакустический, марки ДС-30, позволяющий визуализировать напряженное состояние по-¡рхности покрытия. ' -

Величину поверхностного потенциала, являвшегося харахтерис-жой активационной подготовки поверхности перед нанесением по-

крытая, определяли энергетическим методом с помощью прибора "По-верхность-Ш.''.

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

Испытания на стойкость против сероводородного растрескивания при постоянной скорости деформации выполняли на образцах типа 17 ГОСТ 1497-84 на восьмшгазиционном стенде КМС-5--8 конструкции Оренбургского политехнического института.

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

Окисляемость упрочненных образцов определялась весовым методом при термоциклическом нагреве - охлаждении 600°С ~ вода.

Работоспособность мелкоразмерного осевого режущего инструмента проверялась на сверлильном станке 2Я106П. 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-ролитическим хромовым покрытием, нанесенным по различным, технологическим параметрам, на разрывной машине ГМ5ГЯ0А(Англия)со скоростью растяжения 40'мм/мин.

' СТРУКТУРА, ШШНОГИЯ, ФАЗОВЫЙ И ХМЯЕСКИЙ, СОСТАВ.

ПОКРЫТИЙ

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

Использование атмосферы аммиака приводит к повышению температуры осавдения покрытий с соответствующими структурами на 50-

по сравнению с покрытиями, полученными в среде аргона.

Фазовый состав обрабатываемой поверхности оказывает влия-гае на структуру формируемых покрытий. Так, например, при обра-ювании на поверхности нитридных фаз ( <5 и при предваритель-юм азотировании при осаждении хромового покрытия в температурим интервале формирования горизонтально-слоистых структур на-¡людается формирование слоисто-столбчатых структур.

Методом растровой электронной микроскопии показано огруб-гение поверхности за-счет образования "конусов роста" на£ и зазах азотированной поверхности при температуре осавдения покрытий,- при которой формируется горизонтально-слоистая структура.

Фотоакустическая микроскопия позволила определить энергетическую неоднородность азотированной поверхности, которая от-зетственна за изменение структуры покрытия и морфологии поверх-юсти.

Исследование фазового состава пиролитических хромовых по-:рытий, полученных в аммиаке, показало возможность образования ! повышением температуры трех фаз: Сг4, Сг?Сз Х^СжтС^М. Замечено увеличение температурной области существования рентгено-шорфной структуры на 50-70°С. Идентифицировать г.ц.к. карбид

или г.ц.к. нитрид Сг3А/ методом рентгеноструктурного анализа се удалось, но Оже-спектральный анализ показал наличие азота в юкрытии, полученном при температуре 550°С, что дает возможность [редположить существование нитрида хрома С^Л/.

Оже-спектральный анализ покрытий, полученных в атмосфере шшака, показал понижение содержания углерода во всем интервале 'емператур осавдения, причем с повышением температуры этот эффект-проявляется сильнее.

КИНЕТИКА ОСАДЦЕНИЯ ПИРОЖПШШК ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ В АТМОСФЕРЕ АММИАКА

Проведенные исследования но кинетике роста пиролитических ромовых покрытий в атмосфере аммиака позволили установить, что а процесс осадцения определявшее влияние оказывает температура

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

С повышением температуры возрастает скорость осаддения. После достижения максимума скорости осаждения с дальнейшим повышением температура 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 осаздения на кинетику термораспада, формирование покрытия, заключающееся в изменении температурных интервалов областей протекания процесса, но при этом основные закономерности осаздения сохраняются. Если максимум скорости осаздения в среда аргона достигается в интервале температур 460-480°С, то при осадцении в атмосфере аммиака наибольшая скорость осаждения зарегистрирована при температуре 510--520°С.

Исследование кинетики осаздения на активированную в процессе предварительного азотирования поверхность показало влияние фазового составу азотированного слоя на кинетику процесса. При фазовом составе, соответствующем нитридам<£ и ^'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 влиян неотрицательного катализа" поверхности на скорость роста покрытия после ультразвуковой обработки в моющих средах, содержащих щелочные металлы, при осадцении на оксидную пленкуС*зи шаржированную электрокорундом поверхность. Во всех этих случаях наблюдается значительное снижение скорости роста покрытий.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФЙЗИКО-МЕХАНМЕСЖИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ.

Микротвердость. Исследование влияния режимов осаждения на 8 ' ;

йкротвердость покрытий показало экстремальную зависимость от араметров осаждения, максимум значения микротвердости зареги-трирован при Тос='510°С, Р = 133 Па и составляет#^=19000 МПа, то несколько ниже максимальной микротвердости, полученной в реде аргона. Наблюдается смещение температуря получения макси-альной твердости в область больших значений на 50-?0°С. 1 Наибольшее влияние на изменение твердости оказывает тем-ература. осавдения. В меньшей степени влияет парциальное давле-ие в реакционной камере.

Наблюдается уменьшение микротвердости при облучении мощным знтгеновским' облучением на 15-20$.

Поверхностный потенциал и адгезионная прочность покрытий. оверхностный потенциал, являющийся характеристикой" степени чи-тоты поверхности, определяется прибором пПоверхность-И1п. При пределении поверхностного потенциала образца, разогретого в яертной сред^ аргона, наблвдалось падение значения поверхностно потенциала. Установлено, что при значении поверхностного зтенциала 90-100 мВ происходит самопроизвольное отслаивание зкрытия, тогда как исходная величина поверхностного потенциала 5еле конструкционной ручной механической зачистки и обезжири-ушя составляет 250-350 мВ. Эти значения с течением времени ■ леньшазотся вследствие адсорбции углеводородов и паров воды и 5разования окисной пленки. Наибольший градиент уменьшения ве-1чины поверхностного потенциала наблюдается в первые минуты >сле очистки поверхности. Установлена зависимость величины ад-¡зионной прочности от поверхностного потенциала. С повышением гачения поверхностного потенциала увеличивается адгезионная вдчность. Различные технологии подготовки поверхности перед на-¡сением покрытия имеют- различные величины поверхностного потен-!ала, но при всех видах обработки наблвдается его падение. В -ой чсвязи наиболее приемлемой технологией подготовки поверхно-'и может явиться активадионная подготовка в восстановительной ■МОсфере аммиака непосредственно в реакционной камере. Установ-но, что при разогреве детали в -токе аммиака яри полной откачке блтодается некоторое повышение значения поверхностного потен-ала, что связано с -частичным во с с тановле ниеа окислов и устраняем адсорбированных слоев. Уменьиение расхода а!Флиака призо-т к увеличению степени диссоциации амягака з увеличению коли-

; чества, восстанавливающего окислы водорода. Определена оптимальная степень диссоциации с максимальной восстанавливающей способностью атмосферы. ,

Остаточные напряжения. В работе была проведена расчетная и экспериментальная оценка остаточных напряжений ¿V» возникающих в покрытиях' как после охлаждения, так и в процессе нагрева. Во всем интервале температур осаздения и последующего 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 осаздения увеличивается составляющая структурных напряжений. Результаты расчета подтверждаются релаксационным воздействием жесткого рентгеновского облучения, которое увеличивается с повышением температуры осавдения. Повышение уровня структурных напряжений с увеличением температуры осаждения южно объяснить "замораживанием" структурных дефектов в покрнтии.

Максимальный уровень средних остаточных напряжений при осаждении 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 осаздения 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 $ото-акустической 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

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

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

- Фотоакустическая микроскопия позволяет сделать вывод об увеличении- структурных напряжений в куполах роста и отдельных фрагментах покрытня^ак'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 проч-нбсти. С увеличением температуры осаждения наблюдается увеличение разброса между 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<К -фазой азотированного подслоя позволяет при усталостных испытаниях получить максимальный эффект по сравнению с одностадийным процессом нанесения пиролитического хромового покрытия и вакуумнбто азотирования. Так, например, пиролитическое хромовое покрытие увеличивает предел выносливости на 10$, кратковременное вакуумное азотирование на 40%, комбинированная технология' - в 2,2 раза( рис.1,а_) . Непрерывно-последовательная обработка позволяет значительно уменьшить чувствительность к кон-лентраторам напряжений. Эффект комбинированного упрочнения воз-эастает для образцов с концентраторами напряжений (^рис.З,б) .

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

540

/О*

&у

Рйс.1. Влияние видов упрочнения улучвеняой стали 40Х на предел выносливости: а - гладкий образец, б - образец с концентраторами напряжений оС- 1,58.

I

£ *

<| 6

/«> 20О -300 400 Л00 ^

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

■

хсндаиироЬанжя техлаюмя

- \£/х>уамеы \

Без лофштия —

I к

яз

•4Г

¿О

Рис.3. Зависимость стойкости сверл мм из стали- Р6М5' посла поверхностного упрочнения при обработке стали 14X17Е2Ш.

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 покштия в воздушной среде; Исследование термостойкости при термоциклировании образцов с продольными надрезами различной острота позволило определить оптимальную толщину покрытая для защиты от окисления. Оже-спектральный анализ зарегистрировал образование на поверхности покрытия плотной окис-ной пленкиСя>0з, 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-зя преградой распространению трещины и, иногда наблюдалось зале-тазание 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, <ак за счет благоприятного воздействия напряжений сжатия, так и меньшей окисляемости зоны внутреннего азотирования. На рис.2 1редставлена кинетика развития разгарных трещин в зависимости от яатериала и его поверхностного упрочнения. Как видно, кинетика зазвития трещин имеет сложный характер. Поверхность стали 40Х,-упрочненная по непрерывно-последовательной схеме упрочнения, гмеет стойкость, к распространению трещины, приближенную к стали !Х2В8Ф.

Исследование стойкости покрытий пни работе мелкоразмерного >севого инструмента из быстрорежущей стали. Существующие методы гпрочнения при нагреве 'высококонцентрированным потоком энергии [асто приводят к перегреву режущих кромок, формированию рыхлых тритий 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 сжимавдим напряжениям, повышать динамическую прочность. Как показал? исследования, пиролитические хромовые покрытия улучшают.триботех-4 ническиё и .тепловые условия резания,' приводящие к уменьшению сил резания* и тепловой нагрузки на режущий клин.

Наибольшее повышение стойкости наблкдалось 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, наблюдаются лишь релаксационные процессы, незначительно снижающие микротвердость.

Следует отметить, что пиролитические покрытия позволяют изменить структуру снимаемой стружки. Если при сверлении стали 45 непокрытым инструментом наблвдается 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 В и у -фазы на стадии азотирования значительно снижает работоспособность инструмента.

Эффективность упрочняющей обработки возрастает при сверле-

нии 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 параметра 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 й 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 Чу и относительного удлинения/% образцов. Эксперимент показал, что вакуумное азотирование имеет отрицательный1эффект по сравнению с непокрытым образцом, снижение Ку, и К8 тем больше, чем больше глубина азотированного слоя. Наибольший эфЬект.. получен . при осаящении 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, скорости улучшенной стали 40Х.

I

. »

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ тОЖНДАЦШ 'ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН, №ЖОРАЗ?ЛЕЙЮГб' ОСЕВОГО ИНСТРУМЕНТА И-ПЕЕССФОРД

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

Рекомендуемые конструкции покрытий, полученных в атмосфере

аммиака

Позиция упрочнения I........... ! Конструкция покрытия

! азотированного } слоя ! пиролитического ¡хромового покрытия

! т**, | МПа~ ¡Толщина! //1/0,4$, | мкм } МПА [Толщина, | мкм

1 [ 2 1 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 900 40 1300 10

1 ■ ! 2 ! 3 ! 4 ! 5

Детали технологического оборудования, работающего в сероводородной среде /1/ДСЕ: -общая коррозия -водородное охрупчивание -под напряжением

1400 10 1400 10-15 1300 5-7

Промышленная апробация.- '

Разработанная комбинированная технология упрочнения была применена для повышения работоспособности мелкоразмерного осе-.вого 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.

1. Предложен способ нанесения пиролигических хромовых покрытий из хромоорганической жидкости "Бархос", позволяющий реализовать как одноступенчатую технологию осавдения в восстановительной атмосфере аммиака, так и двухступенчатую непрерывно-последовательную схему, состоящую из вакуумного азотирования с по-следуицим 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 осаадения достигаются при более высоких температурах осавдения, 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-

ВЫВ0ДЫ

тий показало наличие нетраводихся 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 осаздения и-парциального давления среда осавдения.

3.2. На основании растровой электронной микроскопии сделан вывод об огрублении морфологии за счет нанесения покрытия на энергетически неоднородную поверхность, полученную после азотирования на£ и гК'-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 и углерод. Содержание углерода в покрытии, полученном в атмосфере аммиака, меньше, чем в покрытии, осажденном в аргоне, во всем интервале температур. Зарегистрировано содержание азота в покрытии, полученном при 560°С. На покрытии обнаружен плотный слой оксида

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

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

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 мезду 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 неод-¡ородность напряженного состояния, неравномерность адгезионных :ил и микротвердости по плоскости покрытия.

4.5. Реализация принципа комбинированного упрочнения позво-яет получить значительно больший эффект при повышении предела мносливости; чем при раздельном применении одноступенчатых тех-юлогий.

4.6. Непрерывно-последовательное упрочнение позволяет на ,0-1005? поднять контактную прочность поверхности.

4.7. При термоциклированки, имитируицем работу прессформа, арегистрировано уменьшение скорости .роста разгарных трещин в

' раза при непрерывно-последовательном упрочнении. Скорость роса разгарных трещин при комбинированном упрочнении стали 40Х езначительно меньше,- чем у- стали ЗХ2В8Ф.

4.8. 'Проведенная оптимизация режимов осаждения применитель-о к повышению стойкости мелкоразмерного осевого режущего инст-умента позволила определить оптимальную толщину покрытия и вотированного подслоя. Наибольший эффект получен при сверлении руднообрабатываемнх сталей. Эффект от "гибридного" упрочнения ревышает сушу эффектов от раздельного применения упрочняющих ехнологий.

4.9. Установлено, что покрытие, полученное в аммиачной ат-осфере, обладает заачитёлышм защитным эффектом в коррозионной реде Л//}СЕ при испытании на общую коррозию и на водородное хрупчивание. В данном случае комбинированное упрочнение при астрескивании под напряжённей снижает работоспособность дета- ■ зй.

Показана высокая коррозионная, стойкость покрытия при воз-вйствии облучения й органических кислот.

5. На основании проведенных исследований разработана тех-ология упрочнения в атмосфере аммиака. Установлено, что для арочнения пресоформ, режущего инструмента, деталей машин, ра-этавдих при знакопеременных нагрузках, эффективна непрерывно-эследовательная схема упрочнения. Для защиты от воздействия эррозионной среды Л/АСЕ рационально использовать одноступен-атув технологию осаждения покрытия в аммиаке с восстановлением эдородом оксидного слоя.

6. Упрочнение мелкоразмерного осевого режущего инструмента

I

'по комбинированной схеме упрочнения повышает с* дкость 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., Либерыан 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 БНТО мавшностроителей.-Оренбург, . 1989Г.-С.45-4&.

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 доы научно-технической пропаганда.-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 (CUD и PUD) II Новые материалы и ресурсосберегающие технологии технической 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.й. Повышение работоспособности деталей машин, режущего г шташового инструмента методом газофазного комплексного упрочнения // Конструкционная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин: Тезисы докладов межреспубликанской научно-технической конференции / Волгоградс-

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

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

*

Подписано к печати {йоЯсугЛ 19!?О г.

Отпечатано на ротапринте в Формат бумаги 30x42/4 Производственном комбинате Объем 3 п.л. Литературного фонда СССР Зак. S£ Тир .¿О