автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура поверхностных слоев трения и упрочнение высоконагруженных триботехнических контактов диффузионным борированием

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

На правах рукописи

ТАРАСОВ Сергей Чльевич

СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТРЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЕ. ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ ДИФ- ' ФУЗИОННЫМ БОРИРОВАНИЕМ

(специальность 05.18.01 -• металловедение и термическая обработка металлов)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических -наук

Томск - 1994

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения со РАК.

Научные руководители:

профессор, доктор физико-математических наук Л.Б.Зуев -

доцент, кандидат физико-математических наук А.В.Колубаев

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Л.И.Тушинский кандидат технических наук, доцент А.И.Слосман Институт проблем механики РАН (г.Косква).

Защита состоится " "1994 г. в //

на заседании специализированного совета Д 003.61.01 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634048, г.Томск, пр.Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан "

/

Учений секретарь спецсовета; доктор фиэ.- Мат. наук

Ё.В.ЧУЛКОВ

Общая характеристика работы . Решение задач повышения надежности и долговечности подвижных сопряжений машин и механизмов обуславливает постоянное вниманий к проблеме трения и износа. Интерес к данной проблеме не ослабевает вследствие развития современной теории прочности и пластичности, создания высокоэффективных материалов и смазок-, привлечения новейших физико-математических методов моделирования и компьютерного конструирования.

Наиболее важные в теоретическом и прикладном аспектах задачи возникли в оценке роли поверхностных слоев материалов при трении.

Изменение структуры и свойств поверхностных слоев материалов в процессе трения с высокими контактными напряжениями является условием, которое необходимо учитывать при выборе как самих материалов, так и технологий их упрочняющей обработки.

Основной особенностью эволюции структуры поверхностных слоев трения представляется формирование слоя с высокой степенью деформации, обладающего особыми свойствами, завидящими от внешних и внутренних факторов. Изучение структуры этих слоев, названных фрагментированными ранее проводилось для небольиих нагрузок. С другой стороны, в собственно триботехнических исследованиях изучалось лишь влияние слоев на эксплуатационные показатели материалов без анализа конкретной структуры слоев трения.

В условиях контактных нагрузок близких к экстремальным, вызывающим интенсивное разрушение трущихся тел схватыванием, исследований эволюции структуры фрагментированных слоев конкретных промышленных материалов не проводилось.

До настоящего времени не существует единого мнения о причинах и механизмах, приводящих к формировании слоя фрагментиро-

ванных.структур, отличающегося наличием резкой границы и характерным масштабом толщины. Особенно, это касается реально используемых конструкционных материалов. Большое количество экспериментальных данных не поддается однозначному осмыслению и обобщению по причинам большого разнообразия действующих Факторов и произвола в интерпретации.

Отсутствие приемлемого понимания механизмов формирования слоев с измененной фрикционным взаимодействием структурой не ■ позволяет произвести научно-обоснованный выбор критериев оценки оптимальных, с точки зрения износостойкости, способов обработки деталей, особенно подвергаемых высоким нагрузкам.

Целью настоящей работы является изучение структурных изменений поверхностных слоев различных материалов при трении в условиях, близких к предельным уровням несущей способности и выбор оптимального способа упрочнения тяхедонагрухенных опор скольжения на основе результатов исследований.

Научная новизна рдйоты. в отличие от ранее проводившихся исследований изучались строение и структура фрагментированных слоев трения для различных типов исходных материалов в экстремальных условиях нагругения. Впервые такие исследования проведены для используемой в производстве буровых долот стали 15НЗМА и сплава 36НХТЮ в различных структурных состояниях.

Анализ фрагментированных структур, получаемых при трении различных по исходной структуре материалов, показал воэмоаность признания ведущей роли температурного фактора в их формировании при данных условиях нагруяения. Использование таких Фрикционно-нзведэнных сдоев, ведущих себя как покрытие и обладающих свойством поглощать энергии взаимодействия контактирующих тел, для оценки глубины непосредственно изнашивающегося слоя материала позволила рчгнонекдойзгь принонение износостойких покрытий близкой

толщины. Разработана оптимальная структура диффузионных боридных слоев для тяжелонагрухенных узлов трения, принципиально отличающаяся от получаемых обычно.

Проведена оценка устойчивости исходных структур различных материалов относительно совместного действия деформационного и температурного факторов при формировании фрагментированного слоя.

Прпктическяя ценность ряботы состоит в использовании результатов проведенных исследований для оптимизации структурных и масштабных параметров диффузионных боридных покрытий и полученных положительных результатах при применении боридных покрытий оптимальной структуры для упрочнения поверхностей трения опор скольжения буровых долот.

разработан технологический процесс получения боридных покрытий, отличающихся от ранее применяемых устойчивостью против развития грешин и высоких контактных температур.

,Чя защиту выносятся: 1.Результаты исследований поверхностных слоев, полученных деформацией трением на стали 15НЗМА в состоянии цементации и диффугион-ного борировакия, а также на сплаве 36НХТЮ в закаленном и состаренном состояниях, при экстремальных нагрузках. 2.Обоснование оптимальной с точки зрения износостойкости сФрУ*-туры покрытия, состоящей из однофазного боридного слоя "зубчатой" формы с минимальной толщиной зоны сплошных боридов и мехборидных промежутков, заполненных кристаллами карбоборидов. 3.Состав борирующей смеси, обеспечивающий формирование оптимальной структуры боридного покрытия, включающий в качестве активатора диффузии смесь "МС" <20%), карбид бора (60Х), по 10% графита и порошка железа.

Основные результаты работы докладывались на 3 региональной научно-технической конференции "Порошковые материалы и покрытия"

- О -

(Барнаул. 1990), всесоюзной научно-технической конференции "Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов" (Киев, 1990), всесоюзном семинаре "Физико-технические проблемы поверхности металлов" (Горький,1990), всесоюзной научно-технической конференции "Износостойкость машин"(Брянск, 1992), 5 научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий", (Запорожье, 1992), международном научно-практическом семинаре "Триболог-10М - Slavyantribo-1, (Рыбинск, 1993).

По материалам работы имеется 9 публикаций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 93 страницы машинописного текста, 37 рисунков и 6 таблиц. Список 'цитируемой литературы включает 86 наименований.

Основное содержание

Во влрпрнии изложены основные цели работы и выносимые на защиту положения.

В пе»рпой гляр.й "Эволюция структуры поверхностных слоев при трении и износе", представляющей собой литературный обзор, дан анализ существующим взглядам на процессы трения и износа в металлах.

Для случас-з высоких нагружений рассмотрены свойства и причины формирования поверхностных слоев трения, обладающих особой структурой, которая характеризуется высокой степенью Фрагментации и раэориентации элементов. Приведены примеры эффективных способов поверхностного упроч! ;ния, повышающих износостойкость материалов. Яодроб1 .. обсуждается метод диффузиоьного борирования поверхности ";ipw: „нителько к узлам трения скольжения.

в разл^дд "Постановка задачи" на основе литературного обзора показана необходимость дальнейшего изучения строения поверхностных слоев трения на различных материалах с целью выявления закономерностей формирования слоев трения и оптимизации структур покрытий для работы в тяжелонагруженных узлах трения. Поставлена задача разработки технологии упрочнения опор скольжения буровых долот .

Во второй г.чдп^ "Материалы, оборудование и методики экспериментальных исследований" приведены сведения о сталях, применяемых в промышленности для производства бурового инструмента и экспериментальных режимах химико-термических обработок. Выбор материалов для исследований структур поверхностных слоев трения не ограничивался только долотной сталью 15НЗМА. В качестве модельных материалов применялись высокопрочный спяав 36НХТЮ, медь, молибден, сталь 9ХС.

Оценки износостойкости и триботехнических свойств материалов проводились с использованием различных схем испытаний. В качестве испытательных установок применялись машины трения "?а1ех", 2070 СМТ-1, 2148 УМТ-1. Схема иагружения модифицированной мапшны 'Та1ех" позволяет достигать высоких контактных напряжений, сравнимых и превышающих реальные напряжения в опорах скольжения буровых долот.

Испытания экспериментальных, долот серии ГАУ, с борировак-ними опорами скольжения, проводились на стенде БИС-150, в ПО "Куйбышевбурмаш", на стальном забое. Нагрузка на долото составляла 220 кН, частота вращения долота 65 об/мин, что соответствует линейной скорости скольжения в опоре 0.5 м/с.

Сопротивление боридных покрытий распространению трещин изучалось методом Пальмквиста. Для этого при различных нагрузках на индентор (алмазная пирамида Виккерса) проводили

- е -

измерения суммарной длины трещин Ь, возникших вокруг отпечатка, и вычисляли отношение величины нагрузки на индентор к Ь.

Рентгеноструктурные исследования проводились на образцах с плоской поверхностью со стороны покрытия и со стороны переходной зоны, а также на порошках боридов, которые были получеО ны измельчением боркдного покрытия, для того, чтобы уменьшить влияние текстуры роста боридов на распределение интенсивности пиков. Анализ Фазового состава покрытий и поверхностных слоев трения образцов проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-1 УМ, с автоматической записью по точкам с шагом 0.05 .

Объекты для электронно-микроскопических исследований структуры поверхностных слоев образцов, подвергнутых трибо-испыганиям, приготавливались методом односторонней электрополировки с применением особой формы катода и Фторопластового держателя, обеспечивающего получения пригодных для изучения фольг практически в любом месте поверхности образца. Состав электролитов : для предварительной электрополировки - 9%-ный раствор СгОэ в ортофосфорной кислоте; для окончательной -5.62-ный раствор хлорной кислоты НСЮ« в ледяной уксусной кислоте.

Опасение, что в процессе приготовления фольг будет искажаться истинная структура сильно деформированных слоев не подтвердилось, Это доказывается исследованиями продуктов износа, представляющими собой отслоившиеся от поверхности частицы материала без какой-либо предварительной обработки. Полная идентичность микроструктуры приготовленных электрополировкой фольг и продуктов износа, свидетельствовали об отсутствии искажений структуры слоев трения в процессе подготовки образцов.

.Используемое оборудование -.электронные просвечивающие микроскопы УЭКВ-1СШБ и Тез 1а ВЭ-ЬОО с ускоряющим напряжением

- & -

100 и 90 кВ, соответственно. Для изучения фрактографии поверхностей трения применялись растровые сканирующие микроскопы РЭМ-100У, РЭМ-200, ЛЭХ-ЗЗ.

В третьей глава "Структурные изменения на поверхности скольжения исследуемых сплавов при высоких нагрузках", изложены результаты исследований структура слоев трения при трении с предельно воз:<охными для данных материалов нагрузками.

Характер зависимости коэффициента трения от величины контактного напряжения для материалов с мартенситной структурой (ст.15НЗМА), аустенитной структурой <сплав ЗвНХТЮ в двух структурных состояниях) показывает, что с ростом предела текучести увеличивается несущая способность материала - рис.1. Для образцов цементируемой стали 15НЗМА в закаленном состоянии характерны след& нормального окислительного изнашивания во всем диапазоне нагрузок, предшес-

Рис.1.Зависимость коэффициента трения от нагрузки для сплава 36НХТЮ.

твующем области интенсивного износа.

Рост коэффициента трения при увеличении нагрузки неупрочненних термической обработкой образцов обусловлен совместным действием адгезионного и механического видов изнаиивания, в то время как при нагрузках, которые соответствуют участку стабильного трения для упрочненных образцах действует только механическая или, в случае стали 15НЗМА, окислительная составляющая.

При испытания сплава аустенитного класса 36НХТЮ в состоянии, когда наличие приграничных областей прерывистого расг.зда

f - фазы обеспечивает более высокий предел текучести, также наблюдается нормальная поверхность трения с небольшим числом трещин, тогда как для закаленного образца со структурой твердого раствора кроме поверхностных трещин наблюдаются участки разрушения.

Основным выводом электронно-микроскопических исследований структуры слон переноса можно назвать то, что Формирующаяся при трении структура, состоящая из мелкодисперсных Фрагментов материала образца с отдельными включениями материала конгртела, в конечном счете не зависит от его исходной структуры и представляет собой предельно возможное деформированное состояние при данных условиях. Фазовый состав этого слоя находится в зависимости от вида исходного материала и наличия или отсутствия химически активных веществ в зоне трения.

Фазовый состав слоя с фрагменгированными структурами для долотной стали 15НЗМА характеризовался не только наличием дисперсных Фрагментов основного материала, но и значительной долей окислов FeO, тогда как в аустенитном сплаве наблюдалась однородная, одинаковая как для закаленного, так и для соста-ронного сплава структура с рефлексами, соответствующими аус-теннту.

Формирование структуры поверхностных слоев трения в режиме предшествующем схватыванию зависит от интенсивности и динамики тепловыделений. Их возрастание приводит к активизации процессов динамического возврата'и полигонизации, что в свою очередь находит выражение в появлении субзеренной структуры.

Исследование поверхностных слоев трения материалов в режимах нагрухения, близкие к величине несущей способности конкретных сталей и сплавов показало, что во всех исследованных случаях процесс трения сопровождается формированием сильнодефоркирован-

ного слоя.

При этом изнашивание характеризуется непрерывностью процесса разрушения и последующего восстановления сплошности слоя. Материал с большим исходным пределом текучести менее подвержен разруьаюцему действию механизма схватывания.это подтверждается строением поверхности трения исследованных сплавов и графиком зависимости коэффициента трения от нормальной нагрузки. Резкому возрастанию коэффициента трения при достижении области предела несущей способности соответствует увеличение доли механизма схватывания на поверхности сильнодеформированного слоя.

Строение слоев трения, образующихся при высоких нагрузках в поперечном разрезе, морфологически напоминает картину течения жидкости.

Особенностью структуры поверхностных слоев трения является то, что все фрагменты ориентированы одной из плоскостей {110} з плоскости трения. Это верно как для аустенитного сплава, так и для стали мартенситного класса.

Фрагментированный слой толщиной несколько десятков микрометров воспринимает основную часть действующих при трении напряжений и его способность к схватыванию определяет механизм изнашивания. Однако, ':ак было показано, на изнашивание оказывает влияние менее деформированный нижележащий слой.

Структура нижележащих слоев материала характеризуется наличием только плавных азимутальных разориентировок и сетчатой неразори-ентированной дислокационной субструктурой. Глубина зоны пластической деформации достигает долей миллиметра.

Болылое влияние на механизм деформирования в данной зоне сказывает исходная структура материала.

.Локализация основной части деформации в фрагментированном поверхностном слое при трении мохет быть связана с разогревом тонкого

поверхностного слоя случайно распределенными по поверхности источниками тепла. При этом характерная толщина слоя с фрагментиро-Бйнными структурами не зависит'от шероховатости и вида материала.

Выполненные исследования влияния условий нагрухения на структуру поверхностных слоев материалов.в целом показали:

1.При нагрузках, близких к уровню несущей способности материала на поверхности трения обязательно формируется слой с Фрагментиро-ванными структурами, обладающий высокой химической активностью

и способностью к адгезии.

2.Разрушение этого слоя адгезионным путем вызывает износ поверхности. На устойчивость данного сдоя влияет металл нижележащих пластически деформирующихся слоев.

3.Толщина фрагмектированного слоя определяется энергетическими параметрами трения и составляет приблизительно 20 - 40 мкм.

Таким образом, формирование сильнодеформированного слоя ограниченной толщины в условиях высоких нагружений является общим в поведении твердых тел при контактировании. Такое поведение обусловлено явлениями самоорганизации, происходящими на поверхности трения, способностью материалов приспосабливаться к воздействиям внесшей среды и тем самым отдалять или приближать разрушение три-босопряхений.

Очевидно, что для повышения износостойкости необходимо реализовать одну из возможностей - либо структурную приспосабливаемость в тонких слоях, уменьшая тем самым изнашивание материала, либо добиться стабилизации структуры и механических свойств поверхностных слоев твердых тел. Первая - имеет место при окислительном износе, как результат образования и разрушения окисных пленок , а также, возможно, при безызносном трении . Вторая достигается известными методами упрочнения конструкционных материалов.

Результаты исследований, приведенные выше, свидетельствуют о

том, что возмущения при трении воздействуют на малой глубине. В рамках динамической модели с учетом теплового воздействия [в], эта глубина можзт быть оценена в виде зависимости от частоты 1 = '/г& / и \

где а - коэффициент температуропроводности металлов,

я - характерная частота воздействий, определяемая по изучению

сигналов акустической эмиссии. Данная зависимость, при подстановке значений входящих в нее величин дает удовлетворительную оценку толщины зони интенсивных тепловых и деформационных воздействий при сравнении с экспериментально полученными величинами 20 - 40 мхи. Поэтому полагаем достаточным упрочнение лишь верхних слоев материалов на глубину, превышающую 40 мкм. В противном случае, деградационные изменения, обусловленные наличием такой зоны могут затронуть нижележащие неупро-чненные слои материала с последующим разрушением.

Применение различных способов нанесения покрытий, состоящих из термически и деформационно стойких материалов карбидного или нитридного типа не обеспечивает достаточного для эксплуатации в данных условиях сцепления с подложкой. Технологии наплавки, используемые в настоящее время для упречнениа опор скольжения долот, весьма сложны, трудоемки, требуют значительных затрат на оборудование и особенно, на дефицитные материалы.

Диффузионные слои, как правило, обеслечиваит хорову» адгезионную прочность, однако, сунестзуют известные трудности с получением слоев нужной толеины. Родьвинство диффузионных методов не дают возможности получения слоев толщиной более 40 мкм, а в связи с вышесказанным при трении с высокими нагрузками такой запас прочности может оказаться недостаточным. Кромз того, структура таких слоев не лучший образом сказывается на их трекиноетойкости.

Способ диффузионного 5орнроваиая является одним из наиболее

привлекательных в денно« смысла и отвечает принципу комбинированного упрочнения, разработанному Л.И.Тушинским, как оптимальному для работы в тяжелых условиях нагружения.Данный способ обеспечивает получение покрытий обладающих термической стабильностью, достаточным уровнем прочностных свойств и наличием специального механизма окислительного износа, снижающего коэффициент трения при больших нагрузках.

К недостаткам можно отнести возможность хрупкого разрушения. Поэтому для борирования опор скольжения полностью необходимо найти способ, исключающий эту возможность.

В четвертей глапе изложены результаты изучения влияния составов борирующих смесей на формирование структур боридкых слоев и характер поведения этих структур при трении с высокими нагрузками .

Проведенные исследования влияния различных структур боридных слоев на характер трения и изнашивания показали, что для тяжелых режимов нагружения желательно получение однофазных боридов РегВ. Хроме того, было установлено, что толщина слоя боридов не должна быть неньие толщины фрагментированного слоя, который образуется в иеупрочненных материалах и должка составлять не менее 40 - 50 мки.

Поиск оптимального состава борирующей смеси для получения приемлемой структуры боридного сдоя проводился с использованием фторида натрия и криолига в качестве активаторов диффузии. Применение криолита обеспечивает высокую насыщающую способность и получение боридного сдоя при меньаей температуре и времени выдержки, чем в случае применения фторида натрия.

Разработанный состав смеси позволяет получать боридные слои, состоящие из отдельных крупных кристаллов борида РегВ, окруженных пластинчатыми кристаллами борного цементита - рис.2. Такая структура, снижает риск выкрашивания покрытия при эксплуатации.

Формирование оптимальной структуры боридного слоя становится возможным благодаря снижению температуры борирования до 900- 910'С, что связано, по нашему мнению, с особенностями диффузии бора'и углерода цементации. Различия в трещиностойхос-ти покрытий обычного и оптимального строения изучались с помощью метода вдавливания индентора при различных нагрузках. Фактор хрупкости, определяемый как отношение величины нагрузки на индентор к суммарной длине образовавшихся трещин ( P/L ) в зависимости от нагрузки (Р) принерно в 2 раза больше для слоя оптимального строения - рис.3.

Увеличение температуры борирования до 920-930* С приводит к уменьиению количества борного цементита, увеличеиию сплооного слоя борнда FezB и, возможно к зарождению частиц борида FeB внутри кристаллов FeaJB. При этом на рентгенограмме присутствуют лияь рефлексы FeaB. Прочность переходной зоны покрытия обеспечивается предварительной цементацией и последующей после борирования закалкой от 850'С. Крона борного цементита в виде крупных кристаллов, в металле переходной зоны присутствуют мелкие частицы, образующие как бы скелет в теле зерна. Термообработка, проводящаяся посла борирования, не изменяет морфологию борного цементита. Следует отметить также, что отличительной чертой переходной зоны, по сравнению с нижележащими слоями, является высокая степень дисперсности нар-

А J/ / ¡1/71 ¿А ^'Л

Рис.2.Структура оптимального боридного слоя для высоких нагрузок.

тенсита отпуска.

И,ПО**"

В процессе трения с высокими нагрузками такхе проявляются различия мехлу структурами боридных слоев двух типов.

Для образцов, полученных борированиен при температуре 900-810'С характерно наличие гладкого рельефа нормального изнашивания окислительного типа.

Боридные слои, полученные при большей температуре в большей мере испытывают хрупкое разрушение. Сказанное подтверх-дается исследованиями продуктов изнашивания.

Наличие выкрашивания частиц борнда характерно для износа образцов со структурой обычного типа, в то время как в другом случае продукты износа представляют собой частицы окислов хелеза и бора в мелкодисперсном состоянии.

Достигаемые в процессе трения температуры могут приводить к формированию пластичной зоны вторичных структур и развитию диффузионных процессов в переходной зоне.

В случае если происходит износ слоя недостаточной толщины, либо в процессе износа произошло критическое уменьшение толщины, то имеет место резкая деградация структуры слоя, это вырахает-ся в полном окислении оставшегося сдоя боридов и дальнейшем взаимодействии кидкотекучего окисла с борным цементитом и металлом

"I—I—!—I—I—I—;—1—Г"

1« 20 59 40 5« М 7<! 60 М

нагрузка на индентор.К Рис.3.Зависимость Фактора хрупкости от нагрузки для покрытий различного строения

переходной зоны. Такое взаимодействие может приводить к образованию атомарного бора и вторичному борированию деформированного слоя.

В работе приведена структура, образовавшаяся после испытаний с критической нагрузкой. Толщина слоя вторичного борирования по величине близка к толщине слоя с фрагментированной структурой, исследованного ранее.

Анализ поведения оптимизированного боридного слоя при трении • с высокими нагрузками в сравнении со слоем, обладающим обычной структурой объясняет различия в их механизмах изнашивания. Если для обычной, сплошной структуры боридного слоя характерно то, что вследствие его жесткости нагрузки полностью передаются в переходную зону,■вызывая ее упруго-пластическую дь^ормацию и последующее разрушение самого слоя, то этого не происходит в слое с оптимальной структурой. Отдельные кристаллы борида имеют возможность деформировать металл переходной зоны без катастрофических последствий для структуры слоя боридов.

На основании проведенных исследований была разработана технология процесса борирования опоры скольжения бурового долота. Посла проведения стендовых испытаний, давших удовлетворительные результаты были проведены промышленные испытания партии экспериментальных долот на нефтепромыслах.

Результаты испытаний представлены в виде функции распределения доли испытываемых (кривая 1) и серийных долот (кривая 2) э зависимости от времени работы - рис.4. Обе кривые соответствуют примерно равной вероятности отказа экспериментальных и серийных долот в диапазоне наработок от 0 до 50 ч. Однако при смещении наработок в сторону увеличения ясно вырисовывается преимущество экспериментальных.

При испытаниях не анализировались конкретные причини выхода из строя долот, поэтому результаты представля»т влияние износа; общего

характера, как по вооружению, так и по опора.

X 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Ереня,час/долото Рис-.4 .Результаты промышленных испытаний экспериментальных (1) и

серийных (2) долот

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании выполненных в данной работе исследований можно сделать следующие выводы:

1.Установлено, что на поверхности трения различных материалов при работе в условиях высоких нагрузок формируется особый поверхностный слой, микроструктура которого мало зависит от исходного состояния материала, характеризуется высокой степенью разориектирован-ности, малыми размерами фрагментов и является причиной катастрофического изнашивания материала схватыванием. Глубина слоя интенсивной пластической деформации определяется энергетическими параметрами трекия, составляет в среднем 20 - 40 мкм и носит общий характер для различных материалов при действии высоких нагрузок.

2.Показано, что в случае формирования такого слоя на поверхности высокопрочного сплава ЗЗНХТЮ'его Ф&зовый состав соответствует исходному, что исключает объяснение происхождения слоя механизмом переносе материала контртела. Для стали мартенситного класса 15НЗИА

V

к

— -

№

ч1

\ \

\ N N

1\ \ s

N \ S L

1 N

характерно слияние окислительных процессов на фазовый состав слоя. Обнаружено, что при повышении температуры в зоне контакта, во фраг-ментированном слое может формироваться субзеренная структура с размером субзерен, не превышающим 0.1. мкм.

3.Установлено, что для стабилизации структуры поверхностного слоя материала в условиях интенсивных тепловых и деформационных воздействий при трении достаточно упрочнить поверхность на глубину, превышающую 40 мкм. При этом нижележащие слои должны обладать еысокими прочностными характеристиками, исключающими продавливание верхнего износостойкого слоя.

4.Показано, что в условиях высоких контактных нагрузок при трении наиболее износостойкими являются боридныо слои FeaB с ярко выраженной зубчатой структурой, в которой промежу-ки меяду "зубьями" заполнены цементитом Fea(B,C). Данная структура характеризуется высокой трещиностойкостью вследствие дискретного строения упрочненного слоя. Это обусловлено возможностью относительного смещения кристаллов борида путем деформирования материала переходной зоны, что не приводит к катастрофическому растрескиванию твердого слоя. Кроме того, отсутствие сплошного слоя боридов исключает возможность скалывания больших фрагментов.

5.Промышленные испытания .-.оказали, что средняя стойкость буровых долот с борированной опорой скольжения превыпагат стойкость серийных на 19а при значительном упрощении технологии изготовления.

Шжшзяка результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1.Ковешников В.И..Баркалов Н.Д..Тарасов С.»..Сизова О.В., Кодубаев A.B. Структура и триботехнические свойства боридных

покрытий//Поротковые материалы и покрытия,3 Per.конф.-Барнаул, 19Ü0.C.34.

2.С.Ю.Тарасов,в.И.Ковеанихов,H.A.Баркалов,О.В.Сизова,А.В.Колубоев

Структура и триботехнические свойства боридных покрытий//Струк-турная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов.Тез.докл. научно-техк.конф.Киев,1990.С.48-49.

3.С.Ю.Тарасов,А.В.Колубаев Структура поверхностных слоев трения сплава 36НХТЮ//Изв.Вузов Физика.1991.вып.8.С.9-12.

4.А.В.Колубаев,С.Ю.Тарасов Влияние микроструктуры стареющего высокопрочного сплава на формирование поверхности треьия/'/ Износостойкость напин.Тез.докл.Всесоюзной научно-техн.конф. Брянск,1991.Т.1.С.91-92.

5.0.В.Сизова,Л.В.Колубаев,В.И.Ковепников,Г.В.Трусова,с.Ю.Тарасов. 'Упрочняющая обработка опор скольхения буровых долог.Химическое и нефтяное машиностроение.1993.#4.

6.А.В.Колубаев,В.Л.Попов,С.Ю;Тарасов -Томск,1993.-16 с./Препринт «15.ТНЦ СО РАН.

7.А.В.Колубаев,0.В.Сизова,С.Ю.Тарасов,Г.В.Трусова Особенности структуры и триботехнические свойства боридных покрытий. Материалы международного семинара "Триболог - 10 м - Slsvyan-tribo - 1",- Анализ и рациональное использование трибообъектов. Рыбинск-Москва,1933,С.86-88.

8.S.Уи.Tarasov,G.V.Trusova.O.V.Sizova,A.V.Kolubaev,V.I.Koveshni-kov The formation of optimized structure of the boronized coatin for hard loaded friction units.EKRS 1993 EALL MEETINGS.4th European East-West Conference & Exhibition on Materials & Processes EMRS-MatTecn-f.e.n.s.-Prometey.Tavria Palace,St.Petersburg (Russia),D-4-12,Vol.2,p.39. ■ '

9.А.В.Колубаев,С.Ю.Тарасов,Г.В.Трусова,О.Б.Сизова Структура и свойства однофазных боридных покрытий.//Изв.вузов.Черная металлургия. «2 1934.