Наукові основи створення кавітаційностійких захисних покриттів на сталях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

УДК 621.785:621.793

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

наукові основи створення кавітаційностійких захисних покриттів на сталях

Спеціальність: 05.16.01-Металознавство та термічна обробка металів

Чернега Світлана Михайлівна

Київ 2007

Загальна характеристика роботи

кавітаційностійке захисне покриття сталь

Актуальність теми. Удосконалення конструкцій деталей машин і механізмів, що працюють у потоці рідини, призводить до прискорення швидкості їх руху і, як наслідок, до посилення руйнування у результаті кавітації. Кавітаційна довговічність деталей може бути суттєво підвищена за рахунок застосування матеріалів, стійких до кавітації. Створення об'ємнолегованих спеціальних сплавів дозволяє одержати досить високу кавітаційну стійкість виробів. Однак такий шлях боротьби з кавітацією не завжди доцільний, оскільки до складу більшості високолегованих сталей і сплавів входять дорогі і дефіцитні елементи. До того ж, ці сплави відрізняються низькою технологічністю.

Оскільки кавітаційне руйнування розвивається на поверхні деталі, альтернативою об'ємному легуванню може бути створення кавітаційно-корозійно стійких покриттів на дешевих залізовуглецевих сталях. Проведені дослідження в Україні і за кордоном (Погодаєвим Л.І., Абачараєвим М.М., Ворошніним Л.Г., Векслером Ю.Г., Некозом О.І., та інш.) з розробки та використання дифузійних, газотермічних покриттів для захисту металевих виробів від дії кавітації, свідчать про перспективність пошуків у цьому напрямку.

Незважаючи на успіхи у світовій та вітчизняній науці щодо розробки кавітаційностійких легованих сплавів, практично відсутня комплексна система вибору матеріалу покриттів, оптимізації їх структури та цілеспрямованого керування властивостями покриттів. Необхідність створення такої системи уявлень, при розробці та впровадженні кавітаційностійких покриттів, обумовлена суттєвим підвищенням вимог до деталей та приладів нового покоління, які працюють у наджорстких імпульсно-швидкісних умовах та у корозійно-активних середовищах.

Для оптимізації існуючих способів та вдосконалення технології зміцнення поверхні шляхом створення захисних покриттів необхідно з'ясувати механізми їх кавітаційного руйнування, розробити критерій оцінки їх стійкості і на цій основі визначити характеристики приповерхневих шарів та закономірності формування оптимальних структур, що адекватно відображають здатність матеріалу протистояти кавітаційно-корозійному руйнуванню.

Саме тому створення наукових принципів вибору матеріалів покриттів, будови шарів, методів оцінки їх стійкості, та розробка кавітаційностійких покриттів із заданим та керованим комплексом властивостей є актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає основним науковим напрямкам роботи НТУУ-„КПІ” і виконувалася в рамках тем відомчого замовлення; робота мала зв'язок з темами №2524, 2727 ”Багатокомпонентні покриття за участю хрому”, що розроблялася згідно завданню Міністерства освіти і науки України; № держреєстрації 01044008782 „Підвищення експлуатаційних характеристик деталаей машин та інструментів захисними покриттями”; № держреєстрації 0104U008780 „Підвищення експлуатаційних характеристик багатокомпонентнх карбідних покриттів на сталях”; № держреєстрації 0103U008730 „Підвищення працездатності деталей машин і інструмента шляхом посилення захисних покриттів”; № держреєстрації 0103U008729 „Розробка та впровадження матеріалозберігаючих технологічних процесів виготовлення зносостійких деталей шляхом нанесення захисних покриттів на залізовуглецеві сплави”;

Мета роботи і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці наукових принципів створення кавітаційностійких захисних покриттів на сталях, які ґрунтуються на комплексному експериментальному дослідженні та теоретичному аналізі механізмів кавітаційного зношування.

Основні завдання. Для досягнення поставленої мети вирішено наступні задачі:

1. Дослідити механізми руйнування дифузійних та газотермічних покриттів в умовах кавітаційно-корозійного впливу. Розробити методи оцінки стійкості матеріалів покриттів та прогнозування їх працездатності за умов експлуатації у мікроударних умовах кавітації. Встановити фізичні та матеріалознавчі критерії вибору покриттів.

2. Дослідити кавітаційну стійкість вуглецевих сталей з газотермічними покриттями та дифузійними покриттями на основі карбідів перехідних металів і легованих боридів заліза. Визначити оптимальні способи отримання, склади та структури кавітаційностійких покриттів.

3. Встановити зв'язок між фізико-механічними характеристиками покриттів (мікротвердістю, мікрокрихкістю, мікропористістю, величиною та знаком залишкових напружень, тріщиностійкістю, розміром зерна, напруженнями сколювання), їх структурою та кавітаційно-корозійною стійкістю.

4. Дослідити роль корозійного фактору руйнування у залежності від характеристик робочої рідини та умов мікроударного навантаження при кавітації. Розробити технологічні рішення, щодо нанесення дифузійних покриттів для експлуатації в умовах кавітаційно-корозійного руйнування.

5. На основі дослідження закономірностей формування оптимальних структур кавітаційностійких покриттів розробити технології їх промислової реалізації.

Об'єктом дослідження є дифузійні та газотермічні покриття та механізми їх кавітаційного зношування.

Предметом дослідження є склади, структура, властивості, характеристики дифузійних багатокомпонентних легованих боридних, карбідних, на основі перехідних металів, та газотермічних покриттів, їх взаємозв'язок із кавітаційною стійкістю.

Методи дослідження- магнітострикційний ультразвуковий метод кавітаційного зношування, рентгенівський фазовий аналіз, мікроструктурний аналіз, локальний рентгеноспектральний аналіз, спектральний аналіз, дюрометричний аналіз, вимірювання тріщиностійкості проводили методом індентування, гравіметричний метод, корозійні дослідження проводили потенційностатичним методом.

Достовірність та обґрунтованість результатів досліджень і висновків дисертації підтверджується значним обсягом експериментальних даних, отриманих з використанням сучасних методів дослідження; статистичною обробкою експериментальних даних та їх кількісною оцінкою за допомогою комп'ютерного моделювання; залученням фундаментальних положень фізики ударних явищ, гідродинамічних процесів при кавітації, хіміко-термічної обробки поверхні сталей; узгодженістю параметрів фізико-механічних характеристик та структури одержаних покриттів із процесом кавітаційного зношування, визначених в умовах фізичного та обчислювального експериментів; позитивними результатами численних стендових досліджень та дослідно-промислових випробувань; апробацією і публікаціями роботи протягом останніх 20 років.

Наукова новизна:

1. Вперше запропоновано концептуальний підхід до створення кавітаційностійких покриттів, який ґрунтується на розробці критеріїв вибору їх типу і хімічного складу, а також технології їх нанесення.

Розроблено оригінальні критерії вибору кавітаційностійких матеріалів, що розділяються на три категорії:

- Фізичні критерїї вибору захисних матеріалів, які грунтуються на аналізі хвильових процесів, що відбуваються при поширенні ударних хвиль під час кавітації і дозволяють визначити матеріали, які ефективно гасять ударні хвилі, та оцінити товщину покриттів, що достатня для захисту матеріалу основи.

- Матеріалознавчі критерії оптимізації структури та складу, які базуються на принципах теорії зношування і дозволяють формально оцінювати стійкість покриттів в умовах кавітації, враховуючи їх механічні характеристики - твердість і тріщиностійкість. Матеріалознавчі критерії також передбачають розрахунок залишкових напружень та напружень сколювання із врахуванням розміру структурних елементів, а також аналіз впливу пористості та якості міжфазних поверхонь на концентрацію напружень при виникненні кавітаційних тріщин.

- Критерії вибору оптимальних технологій, які враховують технологічність методу нанесення покриття що до можливості створення однорідних покриттів достатньої товщини за відносно короткий час; можливість одержання покриттів на складних тривимірних виробах; простоту нанесення покриттів за умов серійного випуску деталей.

Розроблені критерії використано у роботі для створення нового класу покриттів на основі боридів та карбідів перехідних металів, які були отримані методом хіміко-термічної обробки; запропоновано раціональні способи і режими отримання покриттів та оптимальні суміші насичуючих вихідних порошкових середовищ.

2. Запропоновано нові технологічні рішення отримання захисних дифузійних легованих боридних та карбідних, на основі перехідних металів, покриттів, які мають високу стійкість за умов кавітаційно-корозійного зношування; розроблено способи та склади для нанесення на поверхню сталей та сплавів карбідних одно- та багатокомпонентних покриттів, та легованих боридних покриттів, які захищені авторськими свідоцтвами та патентами.

3. Вперше встановлено механізм руйнування моно- та багатокомпонентних шарових покриттів за умов кавітаційної дії. На основі аналізу механізму кавітаційного руйнування встановлені кавітаційностійкі типи захисних покриттів: дифузійні леговані боридні - (Fe,Cr)B, (Fe,Cr)₂B, (Fe,V)B, (Fe,V)₂B; дифузійні комплексні карбідні - Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, VC, (ZrС+ Cr₂₃C₆+Cr₇C₃), (Cr₂₃C₆+Cr₇C₃+NbС); газотермічні покриття евтектичного типу 12Х18Н9Т-TiB₂-VC, 12Х18Н9Т-TiB₂-CrB₂ з обов'язковим лазерним оплавленням.

4. Вперше встановлено особливості впливу корозійного фактору на процес кавітаційного руйнування покриттів за умов безперервної кавітації та при циклічному кавітаційно-корозійному впливі і показано, що в умовах циклічних випробувань посилюється руйнування на стадії корозії та кавітації в 1,5...3 рази, а швидкість кавітаційного руйнування переважає корозійне на 2...3 порядки у залежності від агресивності середовища.

Практична значимість отриманих результатів

Розроблено критерії оцінки стійкості покриттів в умовах кавітації по параметрах мікротвердості та тріщиностійкості, які дозволяють прогнозувати та визначати стійкість покриттів без тривалих стендових чи натурних досліджень. Практичні рекомендації роботи дозволили отримати нові зносостійкі дифузійні покриття на основі карбідів хрому та боридів заліза, легованих хромом, для експлуатації в умовах кавітаційно-корозійного впливу. Розробки захищено 20 авторськими свідоцтвами та патентами України. На основі проведених промислових випробувань встановлено, що використання отриманих результатів для керування складом, структурою, товщиною та напруженим станом покриттів, дозволяє забезпечити їх високу кавітаційну стійкість. Розроблені методи розширюють перспективи створення нових типів покриттів для застосування в умовах кавітаційно-корозійного впливу у різних галузях народного господарства. Створені нові покриття були успішно використані для захисту втулок циліндрів двигунів внутрішнього згоряння та на підприємствах харчової промисловості для захисту елементів конструкцій насосів.

Основні теоретичні положення, методика атестації кавітаційної стійкості сталей із захисними покриттями впроваджено в учбовий процес кафедри металознавства і термічної обробки НТУУ "КПІ" в якості спеціальних розділів у курсі “матеріалознавство” та при підготовці магістрів та аспірантів кафедри.

Особистий внесок здобувача

У дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, виконаних безпосередньо автором або колективом співробітників під його керівництвом. Під час роботи з колективом автор формулював мету, завдання, розробляв методику досліджень, аналізував та узагальнював отримані результати. Матеріали дисертаційної роботи не містять ідей та розробок, що належать співавторам. Особистий внесок полягає в тому, що, будучи керівником та відповідальним виконавцем науково-дослідних робіт, вона брала участь у розробці ідеї і концепції всіх досліджень, постановці мети і задач. Брала безпосередню участь в експериментах, у розробці методик. Нею самостійно виконанні розрахунки, аналіз та обробка експериментальних даних, узагальнення одержаних результатів. Написання статей у співавторстві виконувалося під керівництвом і при безпосередній участі автора. Нові наукові та теоретичні положення дисертації належать авторові. Освоєння та впровадження технологій у виробництво здійснювалося при безпосередній участі автора спільно із співробітниками кафедри “Металознавства і термічної обробки металів” НТУУ “КПІ” та працівниками відповідних підприємств.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати та матеріали, представлені в дисертації, були оприлюднені та пройшли апробацію на наукових конференціях: Всесоюзні науково-технічні конференції."Новые материалы и технологии термической обработки металлов", Москва- Киев, 1985г.;"Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении", Москва-Тольятти, 1986г.; "Современные процессы поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента", 1985, Пенза; "Повышение и надежность долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико-термической обработки", Москва- Хмельницкий,1988г.; Куйбышев XII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов, 1989 г.; XXIII семинар по диффузионному насыщению и защитным покрытиям "Нанесение, упрочнение и свойства защитных покрытий", 1990 г., Ив-Франковск.; Современные технологические процессы упрочнения и восстановления деталей. Республ.н.-техн. конф., 1991 г., Новополоцк.; Міжнародна науково-техн.конф. “Розроблення та впроваджня прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість”, 1997р. Київ, Україна; SECOND INTERNATIONAL CONFERENCE “Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Aplications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization” PROCEEDINGS OF CONFERENCE, 2002, Katsiveli.; VII INTERNATIONAL CONFERENCE MACHINE BUILDING TECHINICS AND TECHNOLOGY AMTECH-2003 Varna, Bulgaria; 6-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, 2003р.; Міжнародний симпозіум інженерів-механіків DYNAMICS, STRENGTH AND RELIABILITY OF AGRICULTURAL MACHINES, 2004, Ternopil.

Публікації. Основні положення дисертації викладено у 105 друкованих працях, з них: 52 статей, 20 патентів, 33 тез наукових конференцій. Новизну отриманих результатів підтверджено 16 авторськими свідоцтвами СРСР(№ 876781 , № 1426131,

№ 1463802 , № 1571102, №1448755, , №1317977, №1300969, №1446955, №1573051, №1588802, №1650770, №1659527, №1659528 , №1721121 ), та 5 деклараційними патентами України на винахід(17.03.2003.- Бюл. №3.- 54924 А.,54925 А., 54844 А., 15.12.2003.- Бюл. №12.- 62739А.). Перелік основних із них подано в кінці автореферату.

Структура дисертації. Робота обсягом с. складається з вступу, 7 розділів, загальних висновків, 134 рисунків, 44 таблиць і цитованої літератури з 304 найменувань, 2 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі розкрито суть і стан наукової проблеми, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, а також визначено новизну і практичну цінність отриманих результатів.

В першому розділі проаналізовано сучасний рівень досягнень у вирішенні проблеми підвищення довговічності сталевих деталей машин, механізмів, що працюють в умовах інтенсивного кавітаційно-корозійного зношування. Розглянуто два головні напрямки її вирішення, а саме: використання високолегованих (нестабільних аустенітних та мартенситностаріючих) сталей; нанесення захисних покриттів.

Показано, що з технологічної та економічної точок зору найбільш перспективним шляхом підвищення кавітаційної стійкості виробів є дифузійне насичення їхнього поверхневого шару різними комбінаціями легуючих елементів за технологією хіміко-термічної обробки. У зв'язку з цим обґрунтовано економічно-доцільну технологію нанесення покриттів. Хіміко-термічна обробка дозволяє істотно змінити у заданому напрямку фізико-механічні та електрохімічні властивості поверхневих шарів деталей. Можливість обробки деталей будь-якої конфігурації, відносна простота процесу, а також можливість зміни у широких межах параметрів покриттів сприяють широкому впровадженню дифузійного насичення у промисловість.

Обґрунтовано вибір матеріалу основи, на який наноситься покриття. Вибір вуглецевих сталей обумовлений тим, що з них виготовляється більшість деталей машинобудівної, хімічної, харчової та інших галузей промисловості, які порівняно швидко виходять з ладу за умов інтенсивного кавітаційно-корозійного впливу.

У кінці першого розділу описано методики механічних та структурних досліджень, що використовувалися у роботі. Кавітаційні дослідження зразків здійснювали за допомогою магнітострикційного вібратора при частоті коливань 22 кГц, що живиться від ультразвукового генератора УЗДН-2Т. Кавітаційні випробування проводили в водопровідній воді та 3 % розчині морської солі у воді. Кавітаційну стійкість зразків визначали за критерієм втрати маси, яку вимірювали через кожні 0,5 год. обробки. Загальний термін випробувань складав 12...15 год., що є достатнім для екстраполяції на довший термін. Визначення втрати маси зразків проводили на терезах марки ВЛР-200Г з точністю 5·10^-7кг.

Мікроструктурні дослідження проводили на металографічному мікроскопі Neophot-21 та растровому електронному мікроскопі JSM-35C. Мікроструктура дифузійних шарів на сталях досліджена на растровому електронному мікроскопі СКАН-S4-10 з мікрорентгеноспектральною приставкою LNK System-290. Фазовий рентгенівський аналіз провадився на установці ДРОН-2 у мідному випромінені з нікелевим фільтром при U=35 mV, J=10 mA. Дюрометричний аналіз та визначення мікрокрихкості проводили при застосуванні приладу ПМТ-3. Для визначення параметру тріщиностійкості застосовували метод індентування Еванса - Чарльза. Залишкові напруження у дифузійних шарах досліджували методом стравлювання на приладі, розробленому в НТУУ "КПІ". Визначення корозійної стійкості зразків з вуглецевих сталей із дифузійними покриттями і без таких проводили гравіметричним і потенціостатичним методами із застосуванням потенціометру П-5848, використовуючи як корозійні середовища водопровідну воду та 3% розчин морської солі у воді.

У другому розділі запропоновано физичні та матеріалознавчі критерії вибору складу та структури покриттів. На основі аналізу високошвидкісних ударних явищ обґрунтовано вибір матеріалу кавітаційностійких одношарових і багатошарових покриттів шляхом врахування його фізичних характеристик, які впливають на акустичний опір матеріалу: щільність (), модуль Юнга(Е), швидкість звуку(с).

Показано, що критерієм кавітаційної стійкості захисних покриттів є виконання співвідношення між величинами акустичного опору покриття (с_с * с_с), матриці (с_m * с_m ) і кавітуючої рідини(_l * с_l) : _l * с_l < _c * с_c >_m * с_m у випадку одношарових покриттів або : _l * с_l <с_с1 * с_с1 с_с2 * с_с2 с_с3 * с_с3 с_с4 *с_с4…с_сn * с_сn с_m * с_m -у випадку багатошарових покриттів. За результатами експериментальних досліджень встановлено, що дифузійні покриття на основі карбідів перехідних металів хрому, ванадію і титана та легованих відповідно хромом чи ванадієм боридів заліза забезпечують високий ступінь захисту металевої матриці в умовах кавітації.

Теоретично обґрунтовано вимоги до мінімальної товщини захисного шару покриття h_c, яка забезпечує загасання ударних хвиль у покритті. Це сприяє запобіганню виникнення відбиттої ударної хвилі від границі розділу фаз і, як наслідок, усуває можливість ініціюювання зародження поперечних підповерхневих тріщин, які відповідають за зношування. Мінімальна товщина захисного шару (h_с) розраховується з нерівності:

, (1)

де d - діаметр кумулятивного струменя рідини, який виникає в результаті схлопування кавітаційного пухирця (за даними випробуваннями становив d=1...2 мкм). Нерівність базується на законі збереження кількості руху при переході через границю розподілу фаз. Таким чином, h_с - мінімальна товщина шару матеріалу, яка дозволяє не враховувати відображення ударних хвиль у захисному шарі.

Теоретичні оцінки товщини захисного покриття, що виконані за рівнянням (1), підтверджено результатом експериментів з кавітаційного зношування дифузійних карбідних, боридних і газотермічних плазмових і детонаційних покриттів систем: Ni - Cr - Al - J, 12Х18Н9Т - TiВ₂ - VC, 12Х18Н9Т - TiВ₂ - CrВ₂. Результати експериментів показали, що товщина дифузійних карбідних покриттів, яка забезпечує високу кавітаційну стійкість, знаходиться на рівні 20 -25 мкм.

Якщо нерівність (1) не виконується, необхідно брати до уваги явище відбиття ударних хвиль від міжфазних границь (рис.1, рис.2). Послаблення напружень при переході через міжфазну границю у нижній шар можна виразити через співвідношення акустичних опорів (с·с) шарів покриття:

, (2)

де _r - напруження відображеної хвилі, а _t - напруження хвилі, що пройшла в нижній шар. G₁= с₁·с₁ - акустичний опір верхнього шару, G₂= с₂•с₂ - акустичний опір нижнього шару покриття.

Якщо G₂ << G₁, то спостерігається майже повне відображення імпульсу, якщо ж G₂ ? G₁, то напруження майже цілком передається через границю наступному шарові. Таким чином, в покриттях із шаруватою будовою імпульс напруження може бути розділений та більш послаблений порівняно з однорідним шаром. Однак це можливо лише при достатній адгезії шарів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Поширення хвилі напруження в покритті і підкладці

Виконання запропонованих критеріїв, які грунтуються на фізиці ударних явищ, є необхідною умовою для вибору кавітаційностійких захисних покриттів.

Оцінка структури та напруженого стану покриттів визначає матеріалознавчі критерії проектування кавітаційно-стійких захисних покриттів.

В роботі запропоновано оцінювати працездатність матеріалів покриттів за умов мікроударного впливу при кавітації, використовуючи загальні принципи теорії зношування. Виходячи з цих міркувань, оцінка кавітаційного зношування матеріалів проводилась по характеристиках твердості, як міри пластичності матеріалу, та тріщиностійкості, яка є мірою в'язкості руйнування матеріалу.

На основі проведених експериментів (рис.3) отримана емпірична залежність зносу при кавітації від мікротвердості (H) та тріщиностійкості (K_1c) досліджених матеріалів:

, (3)

де G - втрата маси; d(G/с)/dt - втрата об'єму V в одиницю часу; m, n -емпіричні константи, А - стала величина, що зв'язує зазначені механічні характеристики зі значенням зносу при кавітації. Визначення показників ступеня m, n та параметра А, проводили по результатах досліджень кавітаційного зношування покриттів: Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, VC, ZrC, Nb, Ti, (Zr - Cr)C, (Si - Cr)C. Оскільки в теорії зношування залежність швидкості зношування dV/dt від енергії гідравлічного удару (Е) та механічних характеристик матеріалу (тріщиностійкості K_1c та мікротвердості H) записується у вигляді :

, (4)

з порівняння виразів (3) та (4) випливає, що параметр А характеризує енергетичні витрати на процес кавітаційного зношування.

Для визначення показників m і n, при побудові залежності (3), використовували мінімізацію функціонала:

f(m,n) = [G _i - (K_1c )_i ^m· (H ) _i ⁿ]², (5)

де ДG_i - втрата маси при кавітації i-го зразка. Параметри m і n, що визначають мінімум f(m,n), обчислювали за допомогою комбінації методів загального і випадкового пошуку, та методу найменших квадратів. Після лінеаризації рівняння (5) одержали залежність:

G = A(K_1c ) ^m· (H )ⁿ , (6)

і за допомогою методу найменших квадратів визначали як значення m і n, так і величину A. В результаті одержали наступні значення коефіцієнтів: А =1,953; m = -0,733; n = -0,384. Як зазначено вище, коефіцієнт А відображує потужність удару і є константою, визначеною для конкретної експериментальної установки чи умов випробувань.

Таким чином, рівняння, що зв'язує кавітаційне зношування покриттів з характеристиками їх тріщиностійкості і мікротвердості, має вигляд:

ДG=1,953K_1c^-0,733·Hм^-0,384. (7)

Залежність зносу покриттів при кавітації (ДG) від зворотної величини добутку параметрів тріщиностійкості і мікротвердості (К_1c^-0.733H_µ^-0.384 ) показана на рис.3.

Видно, що із зростанням величини добутку К_1c^-0,733Н^-0,384 зносостійкість покриттів зменшується за лінійним законом. Карбідні покриття по мірі зменшення зносу при кавітації розташовуються у ряд (V-Nb)C NbC ZrC (V-Cr)C TiC (Nb-Cr)C (Zr-Cr)C VC CrC_.

Характеристики мікротвердості, тріщиностійкості та кавітаційного зносу (ДG) за три години досліджених покриттів наведені в табл. 1.

Запропонована математична залежність дозволяє оцінювати кавітаційне зношування різних класів покриттів за параметрами мікротвердості і тріщиностійкості. Слід зазначити, що оцінка зносу матеріалу тільки за мікротвердістю не корелює з вимірюваними величинами кавітаційного зносу боридних, карбідних і газотермічних покриттів.

Рис 3. Залежність кавітаційного зносу покриттів на сталі 45 (тривалість - 3 години, середовище - водопровідна вода) від величини добутку характеристик мікротвердості і тріщиностійкості (К_1С^-0,733Н^-0,384): Ti (+); Zr (-); Nb (¦); (V- Cr)C (_); SiCr(-); FeB (?); Fe₂B (?); (Fe,Cr)B (x); (Fe,Cr)₂B (?); 12Х18Н9Т-Ti₂-VC (¦); 12Х18Н9Т-Ti_2-Cr₂ (?);12Х18Н9Т-Ti_2-Cr₂+Л.О. (ж); 12Х18Н9Т-Ti₂-VC+Л.ПРО (^); Cr₂₃C₆ (¦); VC (?); (Zr- Cr)C (^). м²

Оскільки тріщиностійкість (K_1c) та мікротвердість (H) є структурно чутливим параметром до розміру і форми зерна, розподілу напружень у покритті, форми і розміру пор або включень іншої фази, при розробці матеріалознавчих критеріїв вибору матеріалів слід враховувати чутливість кавітаційних процесів до розподілу напружень та структури матеріалів.

В роботі встановлено кореляцію між напруженнями мікросколу і кавітаційною стійкістю покриттів карбідів. Така кореляція обумовлена крихким механізмом руйнування шарів карбідів шляхом відколу окремих зерен. Оскільки процеси пластичної деформації в покриттях карбідів незначні тому напруження мікросколу є важливою характеристикою для оцінки кавітаційної стійкості покриттів.

Величина сколюючих напружень (_скол) в залежності від розміру зерна (l) розраховувалась згідно рівнянню Ірвіна:

_скол = , (8).

Таблиця 1. Характеристики мікротвердості, тріщиностійкості, кавітаційного зносу(ДG) і глибини залягання підповерхневих(латеральних) тріщин (l_c) покриттів (тривалість кавітації - 3 год.)

Тип покриття	Марка сталі	Н, МПа	К1С, МПам0,5	К1С-0,733 Н-0,384	ДGрозр, кг/м2	ДGєксп, кг/м2	, %	lc, мкм
Карбідні покриття
CrхCy	Сталь 20	16,5	2,3	0,013	0,025	0,026	4	1.05
	Сталь 45	18,5	1,8	0,014	0,029	0,03	-3	0.83
VC	сталь 20	23	1,74	0,014	0,027	0,0265	-4	1.28
	сталь 45	25	1,74	0,013	0,026	0,0265	4	1.06
TiC	сталь 20	28	1,09	0,018	0,035	0,035	0	1.49
	сталь 45	30	1,09	0,017	0,034	0,035	2	1.43
ZrC	сталь 20	26	0,931	0,021	0,041	0,045	9	1.65
	сталь 45	28	0,91	0,021	0,041	0,042	2	1.47
NbC	сталь 20	21	0,73	0,027	0,053	0,052	-2	1.84
	сталь 45	23	0,7	0,027	0,053	0,05	-6	1.61
(V-Cr)C, Cr23C6	сталь 45	18	1,3	0,019	0,037	0,032	-13	1.18
(V-Cr)C, VC	сталь 45	24	1,3	0,017	0,032	0,033	-3
(Zr-Cr)C, Cr23C6	Сталь 45	17,5	1,8	0,015	0,029	0,03	3	1.18
(Si-Cr)C, Cr23C6	Сталь 45	21	1,1	0,02033	0,0397	0,04	0,76	1.28
Боридні покриття
FeВ	Сталь 45	18,5	0.78	0,0271	0,053	0,075	29	2.66
Fe2B	Сталь 45	16,5	1.08	0,023	0,045	0,055	18	2.19
(Fe,Cr)B	Сталь 45	21	1,01	0,021	0,042	0,05	16	2.41
(Fe,Cr)2B	Сталь 45	18,5	1,51	0,017	0,033	0,04	17	1.91
Газотермічні плазмові покриття
12Х18Н9Т-TiВ2-VC	Сталь 45	7	0,629	0,046	0,091	0,095	-5	2.32
12Х18Н9Т-ТiB2-CrB2	Сталь 45	7	0,745	0,041	0,08	0,087	8	2.13
12Х18Н9Т-ТiB2-VC+Л.О.*	Сталь 45	10	1,19	0,025	0,05	0,054	7	1.85
12Х18Н9Т-TiB2-CrB2+Л.О.	Сталь 45	8,5	1,86	0,020	0,041	0,043	12	1.42

Встановлено прямо-пропорційну залежність між величиною сколюючих напружень і кавітаційною стійкістю захисних покриттів (рис.4). Нанесення комплексних двокомпонентних покриттів системи (Zr-Cr)С, (Nb-Cr)C, (V-Cr)C дозволяє в 1,5 - 2 рази підвищити кавітаційну стійкість в порівнянні з однокомпонентними системами ZrC або NbC. Експерименти підтвердили наявність кореляційної залежність між величиною напружень сколювання та кавітаційною стійкістю для газотермічних покриттів (12Х18Н9Т-ТіВ2-VC, 12Х18Н9Т-ТіВ2-Cr2B), дифузійних (боридів заліза легованих Ті, V, Nb, Cr; карбідних, як однокомпонентних так і багатокомпонентних на основі перехідних металів);

Найбільш високий рівень напружень сколювання спостерігається в однокомпонентних карбідних покриттях на основі хрому і становить 1835 МПа, при розмірі зерна 0,5 мкм. Багатокомпонентні карбідні покриття на основі Cr: (Nb-Cr)C, (Zr-Cr)C, (Si-Cr)C за величиною напружень сколювання займають проміжне місце між однокомпонентними карбідними покриттями NbC та Cr₂₃C₆, Cr₇C₃.

Рис. 4. Значення кавітаційної стійкості і напружень мікроскопу в карбідних покриттях різних типів з розміром зерна L=0,5 мкм (ф_досл = 5 год.)

По мірі зменшення напружень сколу можна побудувати наступний ряд:

[Cr₂₃C₆; Cr₇C₃] > (Zr-Cr)C>VC> (Cr-Nb)C>(V-Cr)C>ZrC>(Si-Cr)C>NbC.

Наведений ряд для величини сколюючих напружень узгоджується із наведеними в табл.1 даними кавітаційної стійкості карбідних покриттів.

Проаналізовано вплив сколюючих напружень на процес кавітаційного руйнування. Встановлено, що рівень напружень сколювання в газотермічних покриттях системи12Х18Н9Т-ТіВ₂-VC складає 37-40 МПа, відповідно системі 12Х18Н9Т-ТіВ₂-Cr₂B - 44-48 МПа. При цьому в покриттях з більш високим рівнем напружень сколювання спостерігається більш високий опір руйнуванню в умовах мікроударної дії кавітації. Більш високий рівень напружень сколювання забезпечує більш високий опір утворенню та розповсюдженню тріщин при мікроударних навантаженнях. Це можна пов'язати з подрібненням структури покриттів зони, оплавленої лазером, яка складає (1-3мкм), порівняно з розміром напилених часток (75-90мкм). Внаслідок цього обробка лазером поверхні призводить до зростання величини напружень сколювання з 37-40 МПа в вихідному стані до рівня 387-672 МПа для системи 12Х18Н9Т-ТіВ₂-VC+Л.О., а відповідно для системи 12Х18Н9Т-ТіВ₂-Cr₂B+Л.О.-з 44-48 МПа. до 606-1050 МПа, і як наслідок, це приводить до підвищення стійкості в 2-3 рази.

Таким чином, матеріалознавчий критерій вибору кавітаційностійких покриттів, що базується на принципах теорії зношування, дозволяє формально оцінювати стійкість покриттів в умовах кавітації, враховуючи їх механічні характеристики - твердість і тріщиностійкість. Він включає розрахунок внутрішніх залишкових напружень та напружень сколювання із врахуванням розміру структурних елементів, а також аналіз впливу пор та якості міжфазних поверхонь на концентрацію напружень при виникненні кавітаційних тріщин.

Запропоновані критерії застосовані в роботі для розробки та атестації нового класу покриттів на основі боридів та карбідів перехідних металів, які були отримані методом хіміко-термічної обробки.

Наступні розділи роботи присвячені вибору оптимальних технологій, які враховують технологічність методу нанесення покриття щодо можливості створення однорідних покриттів достатньої товщини за відносно короткий час; можливості одержання покриттів на складних тривимірних виробах; простоти нанесення покриттів при необхідності серійного випуску деталей.

Третій розділ присвячено дослідженню кавітаційної стійкості боридних покриттів, легованих Ti, V, Cr, Mn, Nb, Co, Ni, Сu, Мо і W та її кореляції із складом, структурою та фізико-механічними характеристиками. Запропоновані оригінальні способи та склади нанесення легованих боридних покриттів з порошкових сумішей на основі технічного карбіду бору, легуючого металевого порошку, активуючих добавок розроблені на кафедрі металознавства і термічної обробки НТУУ "Київський політехнічний інститут".

Дифузійне борування здійснювали за оригінальними методиками, що захищені авторськими свідоцтвами та патентом України. Зразки із вуглецевих сталей засипали порошковою боруючою сумішшю відповідного складу, для запобігання окислювання зразки герметизували (Деклараційний патент на винахід № 54844 А. -17.03.2003. Бюл. №3), нагрівання тиглів із вмістом зразків в порошковій боруючій суміші і наступну ізотермічну витримку протягом (7,2...21,5)•10³с проводили в лабораторній печі типу СНОЛ - 1,6,2,5.1/11М. Процес дифузійного насичення здійснювали за раціональними режимами для кожної марки сталі залежно від необхідної товщини покриття (100...150)·10^-6м.

Металографічні дослідження показали, що дифузійні шари, які утворюються в результаті насичення сталевих зразків у порошках раціональних сумішей, складаються з двох фаз, одна з яких розташована на поверхні - зовнішній шар, а інша своїми голками проникає в матрицю - внутрішній шар. Згідно даних рентгеноструктурного аналізу, ці фази являють собою боріди заліза FeВ і Fe₂B відповідно. При насиченні зразків із сумішей, що містять раціональні кількості легуючих елементів, боридів легуючих елементів у дифузійному шарі виявлено не було.

В роботі вивчено причини зміни мікротвердості, тріщиностійкості та інших характеристик легованих боридів заліза у порівнянні з нелегованими боридними фазами, що досліджувалось на прикладі легування боридів заліза хромом. Встановлено, що введення в суміш порошку хрому до 6% мас. приводить до збільшення товщини дифузійних шарів, та підвищення мікротвердості. Залежності товщини і мікротвердості покриттів від кількості хрому в суміші, мають максимум при 3,5-6% мас. хрому в суміші. Максимальні значення товщини боридних шарів на сталях 20 і 45 складають 240 мкм і 220 мкм при 6% мас. хрому в суміші, а для сталі У8 - 220 мкм при 5% мас. хрому. Максимальні значення мікротвердості дифузійних шарів досягаються при 3,5-6% мас. хрому і складають для фази FeВ 21,20 ГПа, а для фази Fe₂В 21,150 ГПа на сталі 20, на сталі 45-21,00 ГПа і на сталі У8-18,4 ГПа. Збільшення вмісту хрому в суміші до 10% мас. викликає поступове зменшення мікротвердості фази FeB до 16,50-18,00 ГПа, а для фази Fе₂В до 15,5-16,0 ГПа, при цьому знижується і товщина дифузійного шару.

Пошаровий фазовий рентгенівський аналіз боридного покриття дозволив ідентифікувати на поверхні шару фазу FeB, а під нею фазу Fе₂В. Найбільш інтенсивні відбиття від площин фази Fе₂В мали рефлекси (002), (112), (004) при зйомці вихідного зразка. Судячи з інтенсивності індексів зареєстрованих піків, фаза Fе₂В знаходиться в текстурованому стані. Фіксується зменшення значень періодів ромбічних кристалічних ґраток а, b, c фази FeB з ростом вмісту хрому в насичуючому середовищі. При цьому найбільш інтенсивно зменшується період “С” до мінімального значення 0,40575 нм фази FeВ при 3,5% Cr у суміші, що відповідає максимальному відхиленню значення періоду “С” (рівного 0,0005 нм) у порівнянні з нелегованою фазою FeВ.

Легування боридів заліза хромом приводить до зменшення об'єму ромбічної комірки, що зв'язано з розчиненням хрому в боридних фазах до 0,3-1,2% ат. При цьому мінімальний об'єм ромбічного комірки фази FeВ, отриманої на сталі 45 відповідає 3,5% мас. Cr у насичуючому середовищі і складає 65,763•10^-3 нм³, тоді як об'єм вихідної фази FeB дорівнює 65,899•10^-3 нм³. Основний внесок у зменшення об'єму елементарної ромбічної комірки вносить зміна параметра “С”. Зіставлення результатів виміру об'єму елементарних ромбічних ґраток фази FeB і її мікротвердості в залежності від вмісту хрому в насичуючому середовищі виявило зворотню залежність між цими характеристиками.

Максимальному значенню мікротвердості відповідає мінімальне значення об'єму елементарної комірки ромбічних ґраток фази FeB при 3,5% мас. Cr у порошковому середовищі, при борохромувані сталі 45. Внаслідок зниження об'єму елементарної комірки, зумовленого зменшенням періоду решітки в напрямку “С”, відбувається скорочення Fе-В зв'язку уздовж напрямку “С”. Зменшення цих зв'язків може бути викликано деякою локалізацією Fe sd+Bp гібридних станів уздовж цих зв'язків. Локалізація електронів може привести до звуження В-К смуги в FeB фазі. Як видно з цього зіставлення найменша ширина відповідає В-К -смузі, отриманій від покриття зформованого в насичуючому середовищі із 4% мас. хрому. У той же час В-К смуга найбільш широка при концентраціях Cr 0% мас. і 8% мас. у насичуючій суміші, тоді як при концентрації Cr - 6% В-К -смуга значно ширше такої при 4% мас. Cr тільки в її вершині. У такий спосіб видно, що ширина К смуг залежить від концентрації хрому так само, як і величина періоду “С”, тобто зі зменшенням довжин Fе-В зв'язків вона зменшується, а при їхньому збільшенні - розширюється. Це свідчить про зменшення р-електронної щільності в атомі бора при зменшенні довжини зв'язку.

Розподіл хрому по перерізу боридного покриття вивчали точковим мікрорентгеноспектральним аналізом на приладі JSM-840 при використанні енерго-дисперсійного спектрометра Link Systems 860/500; діаметр рентгенівського пучка складав 1 мкм. Встановлено, що хром в основному зосереджується в FeB- фазі. Кількісним локальним аналізом у приповерхневій зоні борованої сталі 45 виявлено вміст хрому 1,952 мас % (2,093% ат.) ( фаза FeВ), на глибині 50 мкм від поверхні покриття кількість хрому ( фаза Fe₂В) становила 0,210% мас. (0,225% ат.), на глибині 200 мкм в боридному зерні біля сталевої матриці кількість хрому - 0,306% мас. (0,329% ат.).

Проаналізовано закономірності зношування легованих боридних покриттів (рис.5). Характерною особливістю кінетичних кривих (рис.6) кавітаційного руйнування легованих боридних покриттів є відсутність інкубаційного періоду, що спостерігається для більшості сталей і сплавів.

Рис. 5. Гістограма кавітаційної стійкості сталі 20 у вихідному стані (1), сталі 20 з боридним покриттям (3) і з боридними покриттями, що леговані Cu (2), W (4), Mn (5), Mo(6), Co(7), Ni (8), Ti (9), Nb (10), Cr (11), V (12) (тривалість зношування 3 год)

Рис. 6. Кінетичні криві кавітаційного руйнування сталі 45 у вихідному стані (1) і з боридним покриттям, легованим титаном (2), ніобієм (3), хромом (4) і ванадієм (5) (товщина покриття 120 мкм)

Руйнування боридних покриттів починається з перших хвилин кавітаційної дії без помітної пластичної деформації. З кінетичних кривих виходить, що протягом першого періоду швидкість руйнування всіх без виключення боридних покриттів велика і для найстійкіших покриттів складає (1,0-1,2)•10^-5 кг/(м²•с). Це обумовлено значною крихкістю і високою пористістю поверхневих шарів покриття.

Мікроструктура боридних покриттів як в початковому стані, так і після нетривалої кавітаційної дії відображає мікрорельєф поверхні, багатий великою кількістю відкритих пор, характерний для всіх типів вивчених боридних покриттів.

Ділянки пор і мікротріщин з малим радіусом заокруглювання виступають як місцеві концентратори напружень, в яких відбувається зародження нових тріщин і осередків руйнування. В результаті в окремих макро- і мікроділянках боридного шару виникають великі динамічні напруження. Таким чином, відсутність суцільності покриття призводить до неоднакового напруженого стану шарів матеріалу, що знаходяться на різній відстані від пори. Тому руйнування починається головним чином в місцях скупчення пор, що підтверджується растровими фотознімками, і відбувається шляхом сколу виступаючого над порою матеріалу. Перший період інтенсивного руйнування завершується сколюванням поверхневого пористого шару завтовшки 15-20 мкм. При цьому майже повністю зникає фаза FeB, а також різко зменшується пористість боридного шару.

Після закінчення періоду інтенсивного руйнування починається період рівномірного зношування з низькою швидкістю (0,19-0,38) •10^-5 кг/(м²•с). Різке зменшення швидкості зношування пов'язано із зміною властивостей руйнування на другому етапі боридного шару, що складається з фази Fe₂B, який характеризується меншими значеннями пористості і мікрокрихкості, а також максимальним значенням залишкових напружень стиснення.

На процес кавітаційного зношування легованих боридних покриттів безпосередньо впливають такі характеристики покриттів, як товщина, пористість, мікротвердість, мікрокрихкість, величина і розподіл залишкових напружень, корозійна стійкість, які визначаються вибором того або іншого легуючого елементу.

Нанесення легованих боридних покриттів товщиною 120-150 мкм дозволяє забезпечити належний захист вуглецевих сталей від кавітаційного зношування і підвищити термін їх служби в 2-3 рази. Нанесення покриттів товщиною менше 100 мкм недоцільно, оскільки відносно невеликі додаткові ресурси, які витрачаються на нанесення покриттів більшої товщини, дають значно більший ефект захисту металу. При нанесенні покриттів товщиною більше 200 мкм залишкові напруження стиснення на поверхні зразків мають малі значення, а в деяких випадках формуються напруження розтягування, що приводить до різкого падіння кавітаційної стійкості покриттів. При цьому вже протягом першої години випробувань в окремих місцях поверхні, що піддається кавітації, спостерігається розтріскування покриття і навіть відшаровування його макроділянок.

Підвищення кавітаційної стійкості виробів з вуглецевих сталей при нанесенні нелегованого боридного покриття зумовлено утворенням високотвердих боридних фаз Fe₂B і FeB з мікротвердістю 14,5 і 18,5 ГПа відповідно. Введення в насичуючу суміш легуючих елементів приводить до зміни мікротвердості вказаних фаз в межах ± 3,0 ГПа ( Табл. 2) і, як наслідок, до зміни їх кавітаційної стійкості.

Покриття з максимальною мікротвердістю, леговані хромом (21,0 ГПа), ванадієм (19,5 ГПа) і тітаном (21,5 ГПа), характеризуються і найбільшою кавітаційною стійкістю.

Покриття, леговані міддю, мають найменшу твердість (15,0 ГПа) і кавітаційну стійкістю. Для покриттів, розташованих в середині ряду, кореляція між твердістю і опором кавітаційному зношуванню відсутня.

Таблиця 2. Характеристики легованих боридних покриттів (Т=1248 К, товщина шару 120 мкм)

Параметри	Легуючий елемент
	-	Ti	V	Cr	Mn	Co	Ni	Cu	Nb	Mo	W
Мікротвердість, ГПа фаза FeB
	18,13	21,5	19,3	21,0	19,1	16,27	15,19	15,0	19,6	19,1	16,4
фаза Fe2B	14,21	17,1	16,2	16,1	16,2	13,02	13,53	13,13	16,7	15,7	15,7
Мікрокрихкість,103 ум. од.	0,092	0,182	0,082	0,085	0,1	0,07	0,065	0,06	0,148	0,098	0,142
Мікропористість, %, по товщині покриття
при товщині зішліфованого шару,мкм:
5	60	40,6	40,0	38,0	40,9	55,7	50	65	46	48	50
15-20	40	19,0	12,3	12,1	23,75	21,69	24,43	43,63	18	28	34
20-25	10,2	9,8	5,49	7,99	9,95	10,1	9,7	11,5	9,62	9,8	9,9
25-30	2,1	1,75	1,12	1,24	1,85	1,95	1,9	2,55	1,32	1,75	1,85
30-35	1,75	1,1	0,57	0,62	1,45	1,65	1,55	2,0	0,90	1,25	1,35
45-50	0,42	0,1	0,09	0,05	0,35	0,25	0,2	0,65	0,03	0,3	0,35

Вивчення розподілу пор по перерізу боридного покриття за допомогою приладу "Квантімет-720", показало (Табл. 2), що максимальну пористість (~ 50 %) має поверхневий шар легованих боридних покриттів товщиною 5-10 мкм. Далі його пористість падає згідно із законом, близьким до експоненціального. На глибині 50 мкм покриття стає практично безпористим (0,09 %).

За зменшенням мікропористості леговані боридні покриття можна розташувати в наступний ряд:

(Fe, Cu)B> FeB > (Fe, W) B > (Fe, Mo) B > (Fe, Ni) B > (Fe, Co) B > (Fe, Mn) B > (Fe, Nb) B > (Fe, Ti) B > (Fe, V) B > (Fe, Cr) B.

Концентрація пор, а також їх остаточна форма і розміри визначаються: типом легуючого елементу, температурно-часовим режимом нанесення легованих боридних покриттів, що задають їх товщину, і вмістом вуглецю в сталі, що насичується. Проведений пошаровий розподіл пористості в легованих боридних покриттях добре корелює з ходом кінетичних кривих їх кавітаційного руйнування. Видалення поверхневого пористого шару покриття знижує швидкість кавітаційного зношування в 4-5 разів.

Вивчення розподілу залишкових напружень в легованих боридних покриттях показало, що вони є тільки напруженнями стиснення. Саме формування напружень стиснення в значній мірі зумовлює динамічну міцність цих покриттів. Ці напруження перешкоджають зародженню мікротріщин, які виникають в результаті гідравлічних ударів, і уповільнюють процес їх зростання, як і кількість дефектів, що виникають в процесі формування покриттів. По мірі збільшення залишкових напружень стиснення в поверхневому шарі (Fe, Ме)₂В покриття легуючі елементи утворюють наступний ряд:

(Fe, Co)₂B > (Fe, Cu)₂B > (Fe, Ni)₂B > Fe₂B > (Fe, W)₂B > (Fe, Mn)₂B > (Fe, Mo)₂B > (Fe, Cr)₂B > (Fe, V)₂B > (Fe, Ti)₂B > (Fe, Nb)₂B.

Зміна залишкових напружень у боридному шарі в результаті легування пов'язана з утворенням твердих розчинів заміщення, що приводить до зміни періоду кристалічних ґраток. Загальною закономірністю, що спостерігається при введенні легуючих елементів, є поширення області дії стискуючих напружень на більший переріз порівняно з нелегованим боридним шаром.

Показано, що легування бориду заліза елементами, що викликають підвищення напружень стиснення в дифузійному шарі (хромом (780 МПа), ванадієм (800 МПа), титаном (880 МПа), ніобієм (900 МПа)), в порівнянні з нелегованими (290 МПа) приводить до підвищення кавітаційної стійкості.

Зроблено висновок, що нанесення легованих боридних покриттів приводить до зростання кавітаційної стійкості вуглецевих сталей в 1,6-2,2 рази, при цьому максимальну стійкість мають покриття, леговані хромом і ванадієм. Показано, що руйнування шару покриття відбувається шляхом його рівномірного сколювання паралельно поверхні зношування без утворення каверн.

Таким чином висока кавітаційна стійкість боридних покриттів визначається поєднанням комплексу їх властивостей: висока мікротвердість, мала мікрокрихкість, низька мікропористість, а також наявність значних стискуючих залишкових напружень. Також можна змінювати товщини покриттів в широких межах (100...200)·10^-6 м і застосовувати на деталях із різними вимогами до геометричних розмірів.

Четвертий розділ присвячений дослідженню кавітаційної стійкості одно- та двокомпонентних карбідних покриттів.

В першому підрозділі наведено методику нанесення карбідних покриттів на поверхню зразків вуглецевих сталей. Нанесення покриттів здійснювали в замкненому реакційному просторі неконтактним газовим методом при зниженому тиску в спеціальній установці на базі шахтної печі СШОЛ 1.1.6/12 із застосуванням порошків перехідних металів, вуглецевомістких добавок та чотирихлористого вуглецю. За цих умов процес нанесення карбідних покриттів протікає по наступних чотирьох стадіях: а) неізотермічна цементація поверхні зразків продуктами згоряння деревного вугілля при зниженому тиску; б) утворення твердого розчину перехідного металу в аустеніті; в) утворення зародка карбідної фази у твердому розчині перехідного металу в аустеніті і його ріст за рахунок зустрічної дифузії атомів перехідного металу і вуглецю матриці; г) ріст карбідного покриття за рахунок одночасного протікання двох процесів: зустрічної дифузії вуглецю матриці і карбідоутворюючого елемента, а також прямого осадження з газової фази.

В основі методу нанесення покриттів в замкненому реакційному просторі із газової фази неконтактним способом при зниженому тиску із застосуванням хлоромістких сполук покладено протікання гетерохімічних транспортних реакцій. Суміш порошків перехідних металів в газовому середовищі реагує з хлором, що виділяється з чотирихлористого вуглецю, з утворенням летючих сполук. Хлориди перехідних металів попадають на металеву поверхню, що насичується та вступають в реакції з залізом поверхні, що оброблюється. Виділені в атомарному стані перехідні метали абсорбуються металевою поверхнею та дифундують з поверхні в глибинні шари матеріалу утворюючи відповідні тверді розчини в г-залізі і при взаємодії з вуглецем матриці за рахунок реакційної дифузії формуються відповідні карбідні фази (Рис.7). Поверхневі шари матеріалу, що оброблюється, збагачені вуглецем, який потрапив туди за рахунок попереднього навуглецювання матеріалу із газової фази.

...