Главная Коллекция "Revolution" Производство и технологии Розробка матеріалів з легованих сплавів хрому і покриттів з них з метою захисту виробів від зносу та підвищення їх жаро-, корозійної стійкості

Розробка матеріалів з легованих сплавів хрому і покриттів з них з метою захисту виробів від зносу та підвищення їх жаро-, корозійної стійкості

Основи виготовлення вихідних матеріалів і створення методом напилювання функціональних покриттів зі сплавів на основі хрому, які забезпечують комплексні захисні властивості матеріалу, що покривається: жаростійкості, зносостійкості та корозійної стійкості.

Рубрика Производство и технологии
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 29.07.2014
Размер файла 99,3 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

ім. І. М. Францевича

УДК 669.269:531.48 669.258:531.43

Розробка матеріалів з легованих сплавів хрому і покриттів з них з метою захисту виробів від зносу та підвищення

їх жаро-, корозійної стійкості

05.02.01 матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ГОРБАНЬ ВІКТОР ФЕДОРОВИЧ

Київ - 2005

АНОТАЦІЯ

Горбань В. Ф. Розробка матеріалів з легованих сплавів хрому і покриттів з них з метою захисту виробів від зносу та підвищення їх жаро-, корозійної стійкості

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01. матеріалознавство Інститут проблем матеріалознавства ім. І.Н. Францевича Національної академії наук України, Київ, 2005.

Проаналізовано вплив хімічного, фазового складу та деформування на структуру, механічні характеристики і характер руйнування малолегованих сплавів хрому в широкому інтервалі температур з метою оптимізації параметрів термопластичної обробки. На отриманих даних ґрунтується розробка дослідно-промислових технологій одержання вихідного матеріалу із сплавів хрому що відповідають технічним умовам газотермічного та вакуумного розпилювання. Вперше визначено межу структурного розміру рекристалізованого хрому нижче якої для нього властиві схильність до надпластичності та різке зниження чутливості до поверхневих дефектів, що дає змогу витримувати багаточисельні згини-перегини.

Встановлені фактори які контролюють як властивості покриття, так і їх поведінку в умовах тертя, впливу тепла та агресивного середовища і обґрунтована можливість управління цими факторами для забезпечення одночасного підвищення захисних властивостей матеріалу, що покривається, - жаростійкості, зносостійкості та корозійної стійкості. На підставі цих досліджень сформульовані вимоги до фазового складу вихідного матеріалу і оптимізовані різноманітні технології його нанесення які забезпечують отримання необхідного структурного та фізико-хімічного стану покриття.

Встановлено, що зносостійкість в умовах тертя зі змащенням і підвищених температурах визначається такими факторами як стабільність характеристик твердості при максимальній температурі в областях контакту, пластичністю структури і її здатністю протистояти зниженню когезійної міцності в локальних зонах де відбувається тріщиноутворення. Виявлено появу фази нітриду Cr2N у поверхневих шарах тертя хромових покриттів і показано, що його інактивність по відношенню до сталі і чавуну сприяє підвищенню зносостійкості.

Визначено, що рівень жаростійкості газотермічних покриттів визначає наявності плівок оксиду LaCrO3 за рахунок підвищення концентрації лантану під час напилювання та впливу температури і розміром структурних складових. Доведено, що корозійні властивості покриття дещо вищі за компактний хром завдяки наявності на поверхні ламелей стабільної оксинітридної плівки яка, зумовлює відсутність області пасивації.

Ключові слова: хром, структура, крихко-пластичний перехід, температура, деформація, фазовий склад, покриття, газотермічне напилювання, тертя, зносостійкість, поруватість, мікротвердість, жаростійкість, корозія.

Горбань В. Ф. Разработка материалов на основе легированных сплавов хрома и покрытий из них с целью защиты изделий от износа а также повышения их жаро-, коррозионной стойкости

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.01. материаловедение Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича Национальной академии наук Украины, Киев, 2005.

Работа состоит из введения пяти разделов, общих выводов и перечня цитируемой литературы.

1. Проанализировано влияние химического, фазового состава и деформирования на структуру, механические характеристики и характер разрушения малолегированных сплавов хрома в широком интервале температур с целью оптимизации параметров термопластической обработки. Полученные данные легли в основу разработки опытно-промышленных технологий получения хрома отвечающих техническим условиям газотермического и вакуумного напыления - прутка диаметром 3 мм (ТИ 4216-09-89), корду диаметром 3 мм, прутка диаметром 40-60 мм (ТУ 1-809-121-81), труб диаметром 53х3 и 6,2х0,4 мм (ТУ14-3-1359-85). Впервые определена граница структурного размера рекристаллизованногохрома ниже которой для него присущий склонность к сверхпластичности и резкое снижение чувствительности к поверхностным дефектам, которое дает возможность выдерживать многочисленные сгибы-перегибы. Для данного структурного состояния обнаружена склонность к сверхпластичности. Выявлено влияние скорости деформирования на характер разрушения хрома, предложена схема разрушения хрома в области температур от 200 до 1700 К и определена взаимосвязь характера разрушения со сменой механических свойств.

Для получения высоких характеристик износостойкости исходный материал должен содержать до 3 % оксидо-карбидообразующихэлементов и до 0,5 % лантана, что обеспечивает сочетание технологической пластичности полуфабрикатов и сочетания достаточной твердости, пластичности и жаростойкости покрытия. Оптимальной технологией получения износостойких покрытий является распыление позволяющее обеспечить их получение с максимальным уровнем пластичности и структуру с размером ламелей большее 20 мкм. Предложен показателя уровня относительной пластичности покрытия для отображения его возможности к релаксации напряжений во время циклических нагрузок, что способствует повышению износостойкости.

Установлено, что уровень износостойкости хромовых покрытий в условиях трения со смазкой определяется такими факторами, как стабильность прочностных свойств при максимальной температуре в областях контакта, пластичностью структуры и ее споссобностью противостоять снижению когезионной прочности в локальных зонах поверхностного слоя, где происходит трещинообразование. Впервые исследована электронно-микроскопическая структура поверхностных слоев трения хромовых покрытий и выявлена фрагментированная структура с размером 20-100 нм. Установлено, что деформационные процессы распространяются на глубину до 20 мкм, а насыщение поверхностного слоя кислородом до 3 мкм. Выявлено появление низкотемпературной фазы нитрида Cr2N в поверхностных слоях трения хромовых покритий, инактивность которого по отношению к стали и чугуну повышает износостойкость.

Разработаны технологии нанесения хромовых покрытий на поршневые кольца. Проведены стендовые испытания, которые показали преимущество газотермических хромовых покрытий перед гальваническими хромовыми в условиях повышенных нагрузок (больше 2 МПа) и скоростей (больше 3 м/с) благодаря повышенной пластичности и структурной стабильности. Ресурс роботы поршневых колец двухтактных судовых двигателей с хромовым газотермическим покрытием в форсированном режиме достигает 12 000-15 000 ч по сравнению с 5 000-8 000 час для молибденовых и хромовых електролитических.

Установлено, что уровень жаростойкости определяется размером структурных составных окислительной пленки и наличием на поверхности пленок оксида LaCrО3 за счет увеличения концентрации лантана с 0,1-0,5 до 5-10 % на поверхности во время напыления и влияния рабочей температуры. Жаростойкость стали с хромовым газотермическим покрытием остается на уровне 0,0107 мг/(см2 ч) при температуре 1273 К, что позволяет повысить жаростойкость изделий с перспективой их применения при температурах до 1300 К.

Доказано, что коррозионные свойства покрытий несколько выше, чем у компактного хрома за счет наличия на поверхности ламелей стабильной оксинитридной пленки, за счет которой наблюдается отсутствие области пассивации.

Установлены основные закономерности формирования структуры, фазового состава, механических и триботехнических свойств одно- и многослойных ионно-плазменных покрытий на основе нитридов хрома и титана. Показано, что повышение твердости с 14 до 28 ГПа при увеличении количества слоев з 2 до 24 обусловлено как снижением размера структурных составляющих слоев покрытий, так і вкладим межфазных границ. Выяснено, что улучшение характеристик износостойкости для таких покрытий обусловлено отсутствием локального упрочнения, насыщение повыерхности элементами внедрения, значительным снижением уровня адгезийного схвачывания и массопереноса. Для них характерный безокислительный механизм износостойкости. Эти покрытия перспективные для упрочнения поверхностной кромки режущего инструмента.

Ключевые слова: хром, структура, хрупко-пластический переход, температура, деформация, фазовый состав, покрытие, газотермическое напыление, трение, износостойкость, пористость, микронапряжения, микротвердость, жаростойкость, коррозия.

Gorban V.F.

Development of Material Based on Doped Chrome Alloys and Coatings of them with the film to Protect Articles from Wear and to Raise Their Heat - and Corrosion Resistance

Thesis for a doctor's degree by specialty 05.02.01. materials science- Francevich Institute for Problems of Materials Science, National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2005.

The work consists of an introduction, five chapters, general conclusions, and a list of references.

The author has analysed the effect of the chemical, phase composition and deformation on the structure, mechanical characteristics and the character of failure of low-doper chrome alloys in a wide temperature range with the aim to optimize the parameters of thermoplastic processing. It has been established that the chrome grain size being below 3 m, a sharp decrease of the effect of surface defects on its plastic propertics is defected. This permits obtaining the articles capable towithstand numerous bends and excessive bends. Effect of the deformation rate on the character of chrome failure character has been found out. The data obtained were assumed as a basis for development of experimental-industrial prosses for chromium priduction which correspond to technical conditions of gas-termal and spraying.

The initial material should contains about 3 % of oxide-carbide-forming elements and about 0,5 % 0f lanthanum to obtain high characteristics of wear resistance, this provides foe the combination of technolodical plasticity of holf-products as well as the strength plasticity and heat-resistance of coatings. The spraying which permits providing the production of wear-resistant coatings with level of plasticity and structure with the bar dimensions above 20 m is optimal technology for production of wear-resistant coatings. The index of the level of relative plasticity of the coating for representation of its ability to stress relaxchon during cyclic loadings that promotes the increase of its wear resistance.

It has been established the wear resistance level of chrome coatings under friction with the labricant is detemined by the structure plasticity and its ability to resist the decrease of the cohesion strength in the local zones of the surface layers wher crach fortion takes place. Electron-microscopic structyre of the surface layer of friction of chrome coatings has been studied for the fiest time, and fragmented structure with the dimensiong 20-100 nm has been detected. It has been established that the deformation processes propagate at the depth of about 20 m and the lager saturation about 3 m. the arising of the low-temperature phase of nitride Cr2N in the surface layers of friction of chrome coatings; the nitride inactivity increasea the wear-resistance with respect to steel and pig ironc.

Key words: chrome, structure, brittle-plastic transition, temperature, deformation, phase composition, coating, gas-termal spraying, raise their heat and corrosion.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України.

Науковий консультант: член-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, Фірстов Сeргій Олексійович, зам. директора ІПМ НАН України.

Офіційні опоненти: академік НАН України доктор фізико-математичних наук, професор Неклюдов Іван Матвійович, в.о. генерального директора ННЦ ХФТІ;

член-кор. НАН України, за спеціальністю “Матеріалознавство, технологія металів”, доктор фізико-математичних наук Солонін Юрій Михайлович, зам. директора ІПМ НАН України;

доктор технічних наук, професор Борисов Юрій Сергійович, Інститут єлектрозварювання НАН України, зав. відділом.

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут авіаційної технології Міністерства промислової політики України, м. Київ.

Захист відбудеться“28 “ березня” 2005 року о 14 год, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.207.03 в Інституті проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижановського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижановського, 3.

Автореферат розісланий “ 17 “ лютого” 2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої ради Д.26.207.03 д.т.н. Р.В. Мінакова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення ефективності виробництва з метою подальшого економічного розвитку України може бути досягнуто за рахунок новітніх високопродуктивних техніки й технології. Використання нових матеріалів і технологічних процесів значною мірою визначається їх економічністю та ефективністю. Підвищення ресурсу роботи виробів за рахунок легування обмежене їх дефіцитністю, високою ціною й технологічними можливостями. У світовій практиці широко застосовують покриття для поліпшення працездатності деталей в умовах тертя, підвищених температур і агресивного середовища.

Хром завдяки високій температурі плавлення, жаро- і корозійної стійкості постійно привертав увагу дослідників з метою створення конструкційних матеріалів на його основі. Він належить до важкодеформуємих металів, тому виготовлення виробів потрібної форми з нього є складною науково-технічною проблемою. Так, висока схильність до насичення домішками проникнення не дозволило до теперішнього часу вирішити проблему низькотемпературної ударної в'язкості, яка б задовольняла вимогам конструкторів. Водночас завдяки високому рівню твердості, міцності зчеплення, низькому коефіцієнту тертя та корозійній стійкості хромові покриття широко використовують у промисловості.

Найрозповсюдженішим методом отримання хромових покриттів є гальванічний. Проте слід зазначити, що йому притаманні значні технологічні труднощі одержання покриттів товщиною понад 100 мкм із рівномірно розподіленою пористістю, різке зниження твердості з підвищенням температури вище 600 К, а також значне екологічне забруднення середовища шестивалентним хромом. Тому всі розвинені країни мають національні програми, спрямовані на заміну гальванопластики альтернативними технологіями.

У промисловості широко використовують метод дифузійного насичення поверхні деталей хромом. Однак цей метод має свої недоліки, серед яких основні це обмеження за розміром і температурою нагрівання матеріалу деталі.

Вакуумні технології нанесення покриттів на основі хрому значно поширені в електронній промисловості, бо є необхідність отримувати тонкі (до декілька мікронів) і чисті за домішками проникнення плівки, з високими характеристиками адгезії й корозійної стійкості. Технологіям вакуумного випаровування властиві низькі швидкості росту плівок. Розвиток новітніх вакуумних технологій нанесення покриттів, таких, як іонно-плазмові й магнетроні, потребують вакумнощільного, або біметалічного вихідного матеріалу з низьким вмістом домішок проникнення у вигляді прутка діаметром від 40 до 100 мм, листа розміром до 300 х 300 мм, а також труб для рівномірного напилювання циліндричних деталей.

Одним із методів, який використовують для нанесення покриттів, є газотермічне напилювання. Простота та економічність у поєднанні з відсутністю обмежень за розміром деталей сприяли його широкому застосуванню. Поодинокі дослідження покриттів, отриманих на основі порошкових хромових композицій методом плазмового напилювання, виявили перспективність застосування цих матеріалів. Проте як з наукового погляду, так і з практичного використання хромових газотермічних покриттів недостатньо вивчене. Головна причина цьому полягає у відсутності технологічних вихідних матеріалів із хрому та сплавів на його основі. Виготовлення вихідних матеріалів потребує рішення складних проблем низькотемпературної пластичності та розробки промислових технологій виробництва напівфабрикатів зі сплавів на основі хрому, придатних до механічної обробки та зварювання. Деякі складнощі при напилюванні хрому виникають через високу пружність пару та схильність до насичення його елементами проникнення, що потребує всебічних досліджень процесів нанесення покриттів.

Слід підкреслити недостатність вивчення аспектів технологічних умов одержання як вихідних матеріалів, так і покриттів на основі легованих сплавів хрому методами напилювання. Відсутні літературні дані щодо залежності властивостей і службових характеристик від вихідного складу сплавів і технологічних параметрів процесу їх отримання. Крім того, відсутні оцінки стабільності структури, механічних, трибологічних, жаро-, корозійностійких властивостей хромових покриттів у різних умовах роботи.

Тому робота, спрямована на створення науково-технічних основ отримання матеріалів з легованих сплавів хрому і покриттів з них з метою захисту виробів від зносу та підвищення їх жаро-, корозійної стійкості для використання в машинобудуванні, металургії, гідравлічних системах хімічної і нафтохімічної промисловості є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з виконанням планів фундаментальних і науково-дослідних робіт, які виконувались ІПМ НАН України, в рамках міжвідомчих тем: 1. “Розробка матеріалу покриття із сплавів хрому, устаткування та технологій нанесення покриттів на вироби машинобудування” (80045372); 2. "Створення на базі хрому матеріалів у вигляді, що придатний для одержання протизносних покриттів" (0193U034115); 3. “Вивчення особливостей формування в комплексно-легованих сплавах хрому дрібнокристалічного та аморфного стану” (0193U039025); "Структуроутворення і процеси самоорганізації та руйнації матеріалів із різною вихідною структурою на макро- та мезорівнях" (0198U004880). покриття сплав жаростійкість корозійний

Мета і завдання дослідження. Розроблення науково-технічних основ виготовлення вихідних матеріалів і створення методом напилювання функціональних покриттів зі сплавів на основі хрому, які забезпечують комплексні захисні властивості матеріалу, що покривається: жаростійкості, зносостійкості та корозійної стійкості.

Це знайшло відображення у виборі напрямків досліджень, постановці й вирішенні відповідних завдань:

1. Дослідження фізико-механічних характеристик хрому та сплавів на його основі з метою встановлення оптимального хімічного складу та режимів термопластичної оброки для виготовлення дослідних партій вихідних матеріалів, придатних для отримання покриттів методами газотермічного, вакуумного напилювання та електроіскрового легування.

2. Встановлення основних закономірностей впливу технологічних параметрів напилювання на структуроутворення, механічні властивості, хімічний та фазовий склад покриттів на основі легованих сплавів хрому, отриманих із використанням різних технологій напилювання. На основі проведених досліджень сформулювати вимоги до вихідного матеріалу і технології напилювання, які б забезпечували необхідний структурно-фазовий стан залежно від умов їх використання.

3. Дослідження процесів які відбуваються в поверхневих шарах покриття на основі хрому, в умовах тертя, підвищених температур та агресивного середовища з метою визначення механізмів, які відповідають за їх працездатність. Визначити оптимальні технології які забезпечують максимальну працездатність покриттів залежно від умов роботи.

4. Проведення порівняльних і стендових випробувань покриттів, отриманих за різною технологією в умовах тертя, високих температур і агресивного середовища, з урахуванням перспективних умов їх практичного застосування.

Наукова новизна одержаних результатів.

2. Вперше визначено, що зниження чутливості хрому до поверхневих дефектів залежить від структурного розміру зерен хрому і насичення його поверхні домішками проникнення, а це дає змогу виробам зі структурою зерна нижче 3 мкм витримувати багаточисельні згини-перегини без допоміжної поверхневої обробки. Встановлено, що для даного структурного стану сплавам на основі хрому властива схильність до надпластичності.

Уперше встановлено взаємозв'язок між характером руйнування сплавів на основі хрому та зміною їх механічних властивостей в області температур від 200 до 1700 К. Виявлено вплив швидкості деформування на характер руйнації хрому, що дозволило узагальнити схему руйнування хрому в області температур від 200 до 1700 К.

3. Встановлено механізми, що впливають на фізико-хімічні властивості газотермічних покриттів на основі хрому (твердість, пористість, когезійну й адгезійну міцність, пластичність, температуру крихко-пластичного переходу, коефіцієнт теплового розширення), а також обґрунтована можливість управління ними для отримання максимального рівня службових характеристик. Визначено, що зниження когезійної міцності газотермічних покриттів на основі гранульованих порошків відбувається за рахунок високої площини окиснених границь, а на зміну хімічного складу покриття головними чинниками впливу є схильність хрому до випаровування та насичення його домішками проникнення.

3. Встановлено, що головними механізмами локальної самоорганізації структури поверхневого шару під час контактної взаємодії є: а) структурний - локальне, поступове зменшення розміру комірчастої структури з 1-5 мкм до 20-100 нм з поширенням цього процесу на глибину до 10 мкм; б) насичення поверхневої структури киснем з 5-6 до 20-26 % на глибину до 3 мкм; в) тріщиноутворення в локальних місцях поверхневого шару, після вичерпування процесу пластичної деформації; г) поява нітридів хрому в поверхневому шарі тертя завтовшки до 3 мкм, що зменшує інтенсивність адгезійної взаємодії з матеріалом контртіла і поліпшує зносостійкість.

4. Уперше розроблено фізико-хімічні основи створення зносо,- жаростійких газотермічних покриттів на основі хрому, що базується на принципах стабільності властивостей покриттів до температур 1200 К, за рахунок вмісту до 3 % оксидо-карбідоутворюючих елементів і до 0,5 % лантану. Встановлено, що підвищення зносостійкості газотермічних покриттів на основі хрому в умовах тертя зі змащенням за оптимальним легуванням забезпечується стабільністю структури та фазового складу в областях контакту, підвищеним рівнем пластичності структурних складових (ламелей) і їх здатністю протистояти зниженню когезійної міцності в локальних зонах, де відбувається тріщиноутворення. Запропоновано показник рівня пластичності покриттів для відображення здатності матеріалу покриття до релаксації напруг під час циклічних навантажень.

Додатковим механізмом, що підвищує жаростійкість покриттів в умовах окиснення при температурах 1300-1500 К є збільшення концентрації лантану на поверхні з 0,1-0,5 до 5-10 % яке сприяє формуванню стійких плівок оксиду LaCrO3. Встановлено взаємозв'язок між підвищення корозійної стійкості покриттів на основі хрому та появою оксинітридної плівки на поверхні ламелей яка й обумовлює відсутність області пасивації.

5. Встановлено основні закономірності формування структури і механічних характеристик у багатошарованому композиті на основі нітридів хрому і титану. Показано, що підвищення твердості з 14 до 28 ГПа при зростанні кількості шарів з 2 до 24 зумовлено як зниженням розміру структурних складових шарів покриттів, так і внеском міжфазних меж. Визначено, що основними механізмами підвищеної зносостійкості багатошарованого композиту на основі нітридів хрому і титану при значних контактних навантаженнях є висока твердість (2428 ГПа) у сполученні з інактивністю по відношенню до багатьох металів й відсутність поверхневого зміцнення та насичення киснем.

6. Виявлено наявність двох шарів по товщині зміцненої поверхні методом електроіскрового легування хромом, які відрізняються різним фазовим складом, але не мають різкої межі між собою. Встановлено, що головним фактором зміцнення поверхневого шару матеріалів під час електроіскрового легування хромом є наявність карбідів Cr23C6 і Cr7C3 й підвищення щільності дефектів в результаті термічних ударів.

Практичне значення одержаних результатів. Вперше у світовій практиці в промислових умовах Узбецького комбінату тугоплавких та жароміцних матеріалів (м. Чирчик, Узбекистан), Інституту легких сплавів (м. Москва), Науково-дослідного інституту трубної промисловості (м. Дніпропетровськ) налагоджено випуск пластичних прутка та труб з малолегованих сплавів хрому, які придатні для використання в технологіях вакуумного, газотермічного напилювання та електроіскрового легування.

Розроблено вакуумні та газотермічні технології нанесення, що дозволяють отримувати хромові покриття, які забезпечують підвищені службові характеристики. Встановлено, що для отримання зносостійких покриттів оптимальною є технологією яка забезпечує нагрівання вихідного матеріалу до температури плавлення (газополуменеве або електродугове напилювання з дроту). Визначено, що технології надзвукового повітряно-газового плазмового напилювання є найефективнішою при використанні гранульованих порошків для забезпечення характеристик жаро,- корозійної стійкості покриттів на основі сплавів хрому.

Виявлені закономірності впливу технологічних параметрів напилювання на особливості формування газотермічних покриттів та винайдені принципи структурно-фазових перетворень під час тертя дають можливість прогнозувати механічні та трибологічні властивості газотермічних покриттів на основі металів.

Розроблена методика використання показника рівня відносної пластичності для відображення здатності матеріалу покриття до релаксації напруг під час циклічних навантажень, які виникають при терті.

Виготовлено мішені різноманітних розмірів, що задовольнило потреби промисловості у поліпшенні якості елементів пам'яті в великих і гібридних інтегральних схемах. Економічний ефект становив 11 376,5 тис. карб. із них доля ІПМ як співучасника 2 275,3 тис. карб.

Розроблена газополуменева технологія отримання покриттів на основі хрому з прутка діаметром 4 мм для поршневих кілець які під час ресурсних випробувань на ВО “Русский дизель” (м. Санкт-Петербург) показали збільшення ресурсу роботи дизеля у форсованому режимі до першого капітального ремонту з 68 до 1215 тис. мотогодин, знизити витрати мастила на 1530 %. Плазмові покриття на основі гранульованого хрому, які пройшли стендові випробування на тепловій електростанції (м. Біла Церква), встановили можливість збільшити у 1,52,0 рази ресурс роботи форсунок подачі мазуту.

Особистий внесок здобувача. Авторові безпосередньо належить формулювання мети, завдань, основних висновків і постановка досліджень. У дисертаційній роботі узагальнені результати дослідження, виконані безпосередньо автором або за його участю, а саме: автор формулював мету, завдання та постановку роботи, аналізував та узагальнював одержані результати. Матеріал дисертаційної роботи не вміщує ідей та розробок, що належать співавторам, з якими були написані наукові праці.

Апробація роботи. Основні результати роботи автором були доповіданні та обговорені, у тому числі: V Всесоюзній конференції з фізики крихкого руйнування Чернівці (1985); Всесоюзному науково-технічному семінарі “Хром” (Київ, 1984, 1991); Всесоюзній конференції “Нові технології процесу прокатки” (Челябінськ, 1989); Міжнародній конференції “Радіаційне матеріалознавство” (Алушта, 1990); Республіканських семінарах “Ресурсозбереження” (Одеса, 1994, Київ, 1996); Міжнародній конференції “Захист” (Москва, 1995); Міжнародній конференції “Новітні процеси і матеріали в порошковій металургії” (Київ, 1997); VІІІ семінар з міжнародною участю “Розробка, виробництво і застосування інструментальних сталей і сплавів” (Київ, 1998); Міжнародній конференції "Перспективні матеріали" (Київ, 1999); Міжнародній конференції “Materials and Coating for Extreme enviponwents” (Grimca, Ukraine, 2000); Міжнародній конференції "Материалы и покрытия в экстремальных условиях" (Кацивели, Крым, 2002); Міжнародній конференції "Science for Materials in the Frontier of Centuries Advantages and Challenger" (Київ, 2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 33 наукових праць (без співавторів - 12) , з них у провідних наукових журналах 20, у збірниках наукових праць 5, у матеріалах і тезах конференцій 8,

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 312 ст. машинописного тексту і складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, 7-ох додатків та списку використаних джерел, із них 220 вітчизняних і 48 закордонних. Робота ілюстрована 80 таблицями, 85 рисунками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У ВСТУПІ подана коротка характеристика проблеми в цілому, визначається місце роботи у матеріалознавстві, формулюються та обґрунтовуються актуальність, наукова новизна і цінність одержаних результатів і науковий напрямок, який автор започатковує. Коротко викладені основні результати та сформульовані положення, які виносяться на захист.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ розглядається стан проблеми на момент постановки досліджень, формулюються завдання та обґрунтовується вибір матеріалів та методів досліджень.

Визначено напрямки робіт для розширення уяв про пластично-крихкий та пластично-вя'зкий переходи сплавів хрому. Проаналізовано стан покриттів на основі хрому. Показано, що незважаючи на високі показники зносостійкості хромових гальванічних покриттів, вони не в змозі забезпечити достатній ресурс роботи під час значних навантаженнях і температурах через деградацію властивостей. Значним недоліком гальванічного хромування також є забруднення стічної води шестивалентним хромом, що негативно впливає на навколишнє середовище.

Встановлено, що широкому використанню більш працездатних хромових покриттів перешкоджає:

відсутність хрому і сплавів на його основі у вигляді, придатному для напилювання;

обмежені знання про вплив технологічних параметрів напилювання на структуру, фазовий склад, пористість, механічні характеристики та температурну стабільність покриттів на основі хрому;

відсутність даних щодо механізмів які відповідають за службові характеристики покриттів в умовах тертя, впливу температур та агресивного середовища;

відсутність практичних рекомендацій з використання необхідного вихідного матеріалу та технологій напилювання які гарантують отримання покриттів на основі хрому з високими характеристиками жаро,- зносо,- корозійностійкості.

У зв'язку з викладеним, розробка фізичних та технологічних основ одержання матеріалів і покриттів на основі хрому, що забезпечують підвищення експлуатаційних характеристик виробів в складних умовах експлуатації, є актуальним.

ДРУГИЙ РОЗДІЛ дисертації присвячено вирішенню науково-технічної проблеми розробці дослідно-промислових технологій виготовлення вихідних матеріалів сплавів на основі хрому які відповідають умовам газотермічного та вакуумного розпилювання. Так для газополуменевого розпилювання пруток повинен мати низькотемпературну пластичність яка забезпечує його цілісність під час механічної подачі у потік плазми, а для вакуумного напилювання деформований матеріал повинен забезпечувати вакуумну щільність і низький рівень насичення домішками проникнення. Головну увагу було приділено подоланню низькотемпературної крихкості сплавів на основі хрому за рахунок оптимізації хімічного складу. Додатково вивчалась можливість підвищення характеристик жаростійкості і зносостійкості сплавів на основі хрому без втрат технологічної пластичності з метою одержання матеріалу у вигляді придатному для газотермічного напилювання.

Для забезпечення технологічної пластичності та підвищення характеристик зносо -, жаростійкості сплавів на основі хрому легування базувалось на фундаментальних розробках школи В.І. Трефілова. В табл. 1 наведені вибрані нами легуючі елементи та їх кількісний склад який має позитивний вплив на важливі технологічні і службові характеристики сплавів на основі хрому.

Таблиця 1. Склад сплавів хрому та вплив легуючих елементів на його характеристики

Характеристики

Склад сплавів хрому

Хром

Лантан (0,2-0,5)

Ванадій (0,5-1,5)

Тантал (0,3-0,5)

Низькотемпературна пластичність

Очищення матриці хрому від кисню та вуглецю

Жаростійкість

Утворення плівки LaCrO3

Зносостійкість

Дисперсійне зміцнення матриці за рахунок оксикарбідів

Подібне легування забезпечує необхідний рівень технологічної пластичності сплавів хрому на всьому циклі його термопластичної обробки, що у разі правильного вибору термічної та хімічної обробки вихідних матеріалів дозволяє поєднувати високі характеристики міцності та низькотемпературної пластичності.

Так вирішення технологічних аспектів оптимізації температурних і деформаційних параметрів обробки за наявності схеми всебічного здавлювання у вогнищі прокатки (чотирьохвалкові калібри) дозволяє довести в умовах безперервної прокатки на серії станів МК-380, МК-250, МК-210 та МК-150 і збереження температури матеріалу в інтервалах між статичним (600-800 К) та динамічним деформаційним старінням (1250-1350 К), до 90 % і вище, без проміжного відпалювання, завдяки високій швидкості прокатки (12 м/с) сприяє збереженню температури на кінцевій стадії деформування понад 800 К, що гарантує високі показники пластичності, міцності та ударної в'язкості (табл. 2).

Таблиця 2. Механічні характеристики прутка діаметром 4 мм, отриманого прокаткою на чотирьохвалкових станах залежно від температури іспиту

Механічні характеристики

Температура дослідження, К

293

423

673

873

1023

1223

ув, МПа

790

750

600

520

380

330

д, %

17,0

23,0

26,0

18,0

20,5

30,0

ак, МПам3/2

0,02

0,08

2,0

2,2

2,2

1,5

Всебічне вивчення характеристик міцності, пластичності, ударної в'язкості та характеру руйнування залежно від температури, швидкості деформування, схеми напруженого стану у вогнищі деформування та структурного стану матеріалу дозволили позначити істотні розходження типів руйнування сплавів хрому і визначити їх взаємозв'язок з іншими характеристиками матеріалу. Нами виявлено наявність існування шести температурних областей із різним характером руйнування хрому і встановлено, що зміна характеру руйнування супроводжується зміною механічних властивостей (рис. 1).

Деформування хрому методом пресування з високою разовою витяжкою в межах 75-120 при температурі динамічної рекристалізації дозволило вперше отримати хром з наддрібною рекристалізованою структурою (13 мкм) у вихідному стані. Дослідження механічних характеристик хрому з подібним зерном виявили, що для нього притаманні деякі особливості. По-перше, для даного стану характерна найнижча температура вязко-крихкого переходу (430 К). По-друге відмічено відсутність впливу стану поверхні на температуру крихко-пластичного переходу. Подібний матеріалу у вихідному стані витримує випробування на згин та перегин, що неможливо для хрому у рекристалізованому стані без поверхневої обробки. По-третє, для даного матеріалу притаманна надпластичність рівень відносного подовження досягає 160 % при температурі 1373 К і швидкості деформування 1х10-4 мм/с.

Застосування прогресивного методу деформування хрому - прокатка у чотирьохвалкових калібрах у поєднанні з вибором оптимальних температурних і деформаційних інтервалів дозволило разом з Узбецьким комбінатом тугоплавких та жароміцних матеріалів (УзКТЖМ, м. Чирчик) і Челябінським політехнічним інститутом (кафедра прокатки) розробити дослідно-промислову технологію виготовлення прутка діаметром 4 мм з малолегованих пластичних сплавів хрому (ТИ 4216-09-89). За розробленою технологією отримана дослідно-промислова партія прутка хрому діаметром 4 мм.

В роботі встановлені оптимальні температурні і деформаційні інтервали та розроблені нові режими хімічної і електроконтактної обробки хрому, які увійшли складовою частиною регламентів дослідно-промислових технологій (ТУ 1-809-121-81, ТУ 4216-09-89, ТУ 14-3-1359-85, ТТІ 3-ТРТБ-2-235-84). Це дозволило отримати матеріали з високою чистотою по домішкам проникнення і виготовити з них мішені (у тому числі біметалічні) для різноманітних технологій вакуумного напилювання.

ТРЕТІЙ РОЗДІЛ дисертації присвячений встановленню основних закономірностей впливу вихідного складу та технологічних параметрів напилювання на структуроутворення, механічні властивості, хімічний та фазовий склад покриттів на основі легованих сплавів хрому, отриманих з використанням різних технологій напилювання.

Технології плазмового та детонаційного напилювання традиційно використовують порошки для напилювання. Сучасні технології виготовлення гранульованих порошків з розплаву потребують сплавів з температурно плавлення нижче 2000 К, що значно нижче температури плавлення хрому (2300 К). Тому легування сплавів хрому провадили з урахуванням необхідності зниження температури плавлення вихідного матеріалу та можливостями керування характеристиками покриттів в процесі напилювання. Схильність хрому до випаровування при нагріві вище 1400 К ускладнює його нагрів під час напилювання і разом з різким зниженням характеристик пластичності хрому потребує використання методів газотермічного напилювання з підвищенням напірним тиском який впливає на деформаційні процеси під час формування покриття. В таблиці 3 наведені легуючі елементи та їх вплив на технологічні та службові характеристики вихідного матеріалу і покриття.

Таблиця 3. Склад та межі легування гранульованих порошків на основі хрому

Склад гранульованих порошків і їх вміст ат. %

Хром

Лантан (0,2-0,5)

Залізо

(6 -35)

Нікель

(7 - 10)

Алюміній

(6 -10)

Молібден

(2 -3)

Технологічність

Зниження температури плавлення

Жаростійкість

Утворення плівки LaCrO3 в процесі окиснення

Зносостійкість

Утворення оксидів та нітридів під час напилювання.

Твердорозчинне зміцнення

Корозійна стійкість

Утворення оксинітридної плівки під час напилювання.

Наявність широкої гами вихідних матеріалів (пруток, гранульований порошок, кордовий шнур), та різноманітного дослідно-промислового обладнання дозволило вивчити вплив технологій (газополуменевого, плазмового, детонаційного, вакуумного напилювання, електродугової металізації та електроіскрового легування), з використанням різноманітних плазмоутворюючих газів на характеристики покриттів з комплексно легованих сплавів хрому (табл. 4).

Таблиця 4. Перелік технологічного обладнання та вихідних матеріалів, використаних для одержання газотермічних покриттів на базі хрому

Метод напилювання

Тип устаткування

Плазмоутворюючий газ

Транспортуючий газ

Стан вихідного матеріалу

Газополуменевий

УГПТ-8

Ацетилен, кисень

Повітря

Порошок 20-80 мкм

Газополуменевий

МГІ-5

Ацетилен, кисень

Пруток 2-4 мм

Шнур 3 мм

Електродугова металізація

ЄМ-15

Повітря

Пруток 2-4 мм

Плазмовий

УПУ-3Д

Аргон+водень

Аргон

Порошок 20-80 мкм

Плазмовий

Київ-7

Повітря + пропан-бутан

Кисень

Порошок 20-80 мкм

Плазмовий

УПУ-8Д

Азот

Азот

Порошок 20-80 мкм

Плазмовий у динамічному вакуумі

Яуза (м.Подольск)

Аргон + гелій

Аргон

Порошок 20-80 мкм

Повітряно-газова надзвукова плазма

ІГ НАН України

Повітря+ пропан-бутан

Повітря

Порошок 20-80 мкм

Детонація

Дніпро

Ацетилен, кисень

Повітря

Порошок 20-80 мкм

Розвиток сучасних технологій дає можливість одержувати гранульовані порошки методом розпилювання як розплавів так і електроду. Порошки отримані за різною технологією не відрізняються геометрією, вони мають сферичний вигляд. В табл. 5 наведено характеристики насипної ваги і плинності гранульованих порошків хрому залежно від їх фракційного складу. Проведені дослідження показують, що відсоток виходу придатних для газотермічного напилювання фракцій (20-80 мкм) складає біля 50 % незалежно від технології отримання. Збільшення виходу необхідної фракції можна домогтися за рахунок наступного подрібнення гранул розмір яких перевищує оптимальний.

Таблиця 5. Вплив фракційного складу частинок гранульованого порошку на базі хрому на характеристики плинності і насипної ваги

Характеристика

Розмір фракції, мкм

0-10

10-15

15-20

20-25

25-40

40-60

-50

-100

100-160

Плинність, с

101

55

45

35

15

11

40

25

20

Насипна щі-льність, г/см2

4,55

4,57

4,60

4,65

4,70

4,65

4,70

4,71

4,61

Відомо, що характеристики покриттів значною мірою обумовлені кінетичною енергією частинок сплаву хрому, їх розміром та температурою нагріву. Для кожного з використаних методів притаманний свій рівень напірного тиску який і обумовлює формування покриття. Цим у першу чергу і пояснюється різниця в рівнях міцності зчеплення, твердості, пористості (табл. 6). Так, при використанні детонаційного методу поруватість можна зменшити до 0,5-1,5 % порівняно з 6-12 % для газополуменевого, а міцність зчеплення підвищити -до 45-60 з 12-20 МПа відповідно. Твердість покриття при цьому також змінюється з 3,5-5,0 для газополуменевого до 7,5-10,5 ГПа для детонаційного методу, що значною мірою обумовлено зменшенням структурного розміру і відповідає закономірностям Хола-Петча.

Таблиця 6. Вплив технології напилювання на характеристики хромових газотермічних покриттів

Метод напилювання

Вихідний матеріал, мкм

Дистанція напилювання, мм

Поруватість, %

Міцність, зчеплення, МПа

Твердість, ГПа

Газополуме-

Порошок, 40-60

80-100

6-12

12-20

3,5-5,0

невий

Пруток, 3000

80-100

8-16

16-25

3,2-5,5

Електродугова металізація

Пруток, 3000

120-150

3-8

21-28

4,2-6,0

Плазмовий

Порошок, 40-60

120-150

3-6

21-32

4,0-6,5

Надзвукова плазма

Порошок, 40-60

200-250

1-3

40-50

6,5-10,0

Детонаційний

Порошок, 40-60

150-200

0,5-1,5

45-60

7,5-10,5

Технологія напилювання суттєво впливає на структуру покриття. Так, при газополуменевому та електродуговому напилюванні прутка, покриття формується виключно з розплавлених частинок розміром до 100 мкм, при деформуванні яких співвідношення довжини до ширини ламелі у них перевищує 10. Під час використання гранульованого порошку для газополуменевого і плазмового напилювання іноді зустрічаються сферичні частинки що пов'язано з відсутністю для них деформації при формуванні покриттів. За рахунок зменшення розмірів частинок знижується співвідношення довжини до ширини ламелі, а при надзвукових потоках плазми, у разі використання мілких фракцій (5-15мкм), шаруватість покриттів стає малопомітною.

Визначення залежності властивостей газотермічних покриттів від розміру вихідної фракції порошку виявило, що зі зниженням розміру вихідного порошку підвищення когезійної міцності має межу після якої через високу площину окислених границь структурних складових покриття рівень когезійної міцності знижується (рис. 2). Подібний характер відмічається для кожного з дослідженої технологій напилювання, різниця лише у рівні характеристик когезійної міцності.

Таким чином, у рівень зносостійкості газотермічних хромових покриттів в умовах підвищених температур, швидкостей ковзання та напруг значний вклад вносить пластичність матеріалу матриці, стабільність механічних характеристик і здатність протистояти зниженню когезійною міцності в локальних зонах де відбувається тріщиноутворення. Особливо останнє наглядно просліджується у покриттях з малим розміром ламелей.

Електронно-мікроскопічні дослідження структури покриттів, які проведені вперше, показали, що структура газополуменевого та електродугового методу напилювання складається з рівноосьових комірок розміром 0,2-1,0 мкм з високим рівнем внутрішньозеренної дефектності. Дефекти у хромовому покритті розподілені нерівномірно, середня щільність локально розрізнялася, але не перевищує 109-1011 cм2.

Для газотермічних покриттів отриманих з гранульованих порошків спостерігалися деякі відмінності в будові внутрішньої структури ламелі. У випадку коли насичення домішками проникнення знижується під час використання динамічного вакууму, спостерігаються полікристалічні утворення з рівноосьових зерен розміром від 0,5 до 5.0 мкм. Фазовий склад за даними дифракції електронів відповідає оцк-гратки з близькими до хрому параметрами і однаковий як для великих, так і для дрібних зерен. Останні звичайно утворюють прошарки дрібнозеренного матеріалу між зернами великого розміру.

Рентгенографічне і електронно-мікроскопічне дослідження хромових покриттів показало, що основними чинниками, які формують фазовий склад, є атмосфера напилювання і швидкість охолодження. В покриттях, отриманих у середовищі динамічного вакууму (10-2 Па) з використанням інертних газів технічної чистоти, фіксується лише хромова матриця. У випадку газотермічного напилювання, де відбувається контакт нагрітого хрому з киснем і азотом, відмічаються утворення оксидів та нітридів хрому. Високі температури і різке охолодження (103-105 о/с) сприяє появі високотемпературних, нестехіометричного складу оксидів Сг3О4, і СгО.

Таблиця 7. Вміст легуючих і домішок елементів проникнення у газотермічних покриттях на основі хрому залежно від середовища та технології напилювання

Метод напилювання

Плазмоутворюючий і транспортуючий газ

Вміст елементів, % по масі

Cr

?легу-

ючих

O2

N2

C

Газополуменевий

Ацетилен, кисень

69

27

3,00

0,17

0,19

Плазма в динамічному вакуумі

Аргон, гелій

66

32

0,30

0,10

0,02

Плазма

Азот, кисень

70

27

1,40

0,70

0,18

Детонація

Ацетилен, кисень, повітря

71

26

2,80

0,15

0,20

Надзвукова повітряно-газова плазма

Пропан-бутан, кисень

70

27

2,00

0,20

0,16

Вихідний порошок

80

19

0,03

0,03

0,02

Тетрагональний оксид Cr3О4 зафіксовано у всіх газотермічних покриттях на основі хрому незалежно від технології нанесення. З літературних даних відомо, що нестехіометричний оксид СгО спостерігається в звичайних умовах окислення хрому лише до температур 1500 К. В хромових газотермічних покриттях він був зафіксований тільки при використанні надзвукових методів напилювання (детонаційне та надзвукове повітряно-газове плазмове напилювання). Таким чином, якщо для утворення тетрагонального оксиду Cr3О4 необхідною і єдиною умовою є надшвидке охолодження, то для появи оксиду СгО додається друга умова - температура нагріву частинок хрому не повинна перевищувати 1500 К. Як показали проведені дослідження склад вихідного матеріалу і газотермічного покриття на його основі відрізняються різні, що пов'язано зі схильністю хрому до випаровування та насиченням домішками проникнення. Найпомітніший вплив випаровування хрому зафіксовано у разі напилювання його в середовищі динамічного вакууму коли загальний вміст хрому знижується з 80 % у вихідному стані до 66 % у покритті при мінімальному насичені його домішками проникнення (табл. 7). При напилюванні газотермічних покриттів на основі хрому, без застосування захисної атмосфери, вміст домішок елементів проникнення в них збільшується більш ніж на порядок і для кисню підвищується до 3 %.

Таблиця 7. Вміст легуючих та елементів впровадження у газотермічних покриттях на основі хрому залежно від оточуючого середовища й технології напилювання

Метод напилювання

Плазмоутворюючий і транспортуючий газ

Вміст елементів, % по масі

Cr

?легу-

ючих

O2

N2

C

Газополуменевий

Ацетилен, кисень

69

27

3,00

0,17

0,19

Плазма в середовищі динамічного вакууму

Аргон, гелій

66

32

0,30

0,10

0,02

Плазма

Азот, кисень

70

27

1,40

0,70

0,18

Детонацйний

Ацетилен, кисень

71

26

2,80

0,15

0,20

Надзвукова повітряно-газова плазма

Пропан-бутан, кисень

70

27

2,00

0,20

0,16

Вихідний порошок

80

19

0,03

0,03

0,02

Під час проведення даної роботи вперше виявлено наявність в газотермічних покриттях на основі хрому фаз нітридів Cr2N і CrN відповідно до діаграми стану. Присутність фази нітриду Cr2N в покриттях на основі хрому вказує на те, що в процесі формування покриття температура його була вище 1500 К. У таких випадках відсутній і високотемпературний, нестехіометричний оксид СгО. Таким чином, встановлення фазового складу газотермічних покриттів на основі хрому дає можливість оцінити температурні параметри нагріву основної маси частинок вихідного матеріалу під час формування покриття. Наявність оксидів і нітридів які значно твердіші за матрицю хрому, більш жаро,- корозійно стійкіші а також враховуючи інактивність нітриду хрому до чавуну та сталі, дають підстави для ствердження, що подібні фактори позитивно впливають на захисні властивості покриттів.

Для пар тертя, що працюють в умовах підвищених температур стабільність характеристик міцності є необхідним критерієм. Визначення механічних характеристик здійснювалось на відокремлених від основи газотермічних хромових покриттях товщиною 0,3-0,5 мм. Вперше проведено дослідження механічних характеристик хромових газотермічних покриттів в широкому інтервалі температур, які дозволили визначити характеристики міцності та температуру крихко-пластичного переходу. Дослідження виявили, що для покриттів хрому отриманих у середовищі динамічного вакууму пластичність з'являється вже при температурі вище 400 К. Водночас для покриттів одержаних в повітряно-газовій надзвуковій плазмі характеристики пластичності майже на 600о вищі за рахунок насичення покриття домішками проникнення, проте для них характерні високі значення межі міцності і при температурі вище 1000 К вони близькі до значень межі міцності деформованого хрому 244 і 250 МПа відповідно (табл.8).

Таблиця 8. Вплив технології одержання газотермічних покриттів на основі хрому на характеристики крихко-пластичного переходу та межу міцності

Температура, К

Плазмове покриття одержане в динамічному вакуумі

Покриття одержане в повітряно-газовій надзвуковій плазмі

Деформований хром

...

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены