Формування триботехнічних властивостей сталевих виробів дискретною модифікацією поверхневого шару

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Мудхі Собхі Яхья

УДК 621.891

ФОРМУВАННЯ ТРИБОТЕХНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛЕВИХ ВИРОБІВ ДИСКРЕТНОЮ МОДИФІКАЦІЄЮ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2009



Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі машинознавства Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковій керівник доктор технічних наук, професор Кіндрачук Мирослав Васильович, Національний авіаційний університет, завідувач кафедри машинознавства.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Ляшенко Борис Артемович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, завідувач лабораторії зміцнення поверхні елементів конструкцій.

Захист відбудеться 11 лютого 2010 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.06 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова,1, корпус 1, ауд. 1-002.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 8

Автореферат розіслано «___» грудня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Ю. Корчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У загальній проблемі підвищення надійності та довговічності об'єктів машинобудування центральне місце займають питання поверхневого зміцнення конструкційних матеріалів. Особливо це важливо для вузлів тертя, оскільки 80% відмов машин і механізмів відбувається через поверхневе руйнування. Часто ці деталі працюють в екстремальних умовах. Тому потрібні матеріали зі складним комплексом фізико- механічних властивостей. Ефективним виходом із ситуації, що склалася, є впровадження інтенсивних технологій модифікації поверхневого шару виробів з використанням висококонцентрованих джерел нагрівання (ВКДН) - лазерного й електронного променів, плазмового струменя. Поверхнева обробка ВКДН може бути ефективно застосована для створення робочого шару виробів з макрогетерогенною регулярною структурою - дискретної будови із твердими і пластичними ділянками. Завдяки дискретності структури поверхневого шару значно підвищується його працездатність - обмежує зростання напружень і процес тріщиноутворення, підвищується зносостійкість, виключається когезійне розтріскування і адгезійне відшарування.

Для зміцнення конструкційних сталей широко застосовується також хіміко-термічна обробка (ХТО), зокрема, азотування. Азотовані шари мають високі антикорозійні та міцнісні властивості. Проте недоліками процесу азотування можна вважати тривалість обробки, невисоку якість отриманого поверхневого дифузійного шару, недостатню зносостійкість.

Попередні дослідження показали, що лазерна обробка (до хіміко-термічної обробки) сталей за певних умов може суттєво прискорювати процеси азотування. Тому науковий та практичний інтерес становить дослідження щодо отримання зносостійких дискретних азотованих шарів комбінованою лазеро-хіміко-термічною обробкою (ЛХТО).

Разом з тим властивості дискретних модифікованих шарів досліджено недостатньо. Немає науково обґрунтованих принципів вибору режимів і технологій поверхневої обробки й оптимальних конструкцій робочого шару з регульованим співвідношенням часток твердих і пластичних ділянок.

Тому актуальним завданням є дослідження та систематизація триботехнічних характеристик сталевих деталей з дискретно модифікованою поверхнею, визначення напружено-деформованого стану (НДС), особливостей впливу параметрів дискретної обробки на зносостійкість сталей і можливості керування їх триботехнічними властивостями за рахунок створення дискретно азотованих покриттів з наперед заданою структурою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Роботу виконано в Національному авіаційному університеті в рамках відомчих бюджетних тем "Розробка науково-технологічних основ формування концентрованими джерелами енергії евтектичних покриттів триботехнічного признання із нанокристалічною структурою градієнтного типу" (номер держреєстрації 0105 U 001818) та "Фізико-технологічні основи формування нанокомпозиційних градієнтних покриттів триботехнічного призначення (номер держреєстрації 0108 U 004006).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення зносостійкості поверхонь сталевих деталей дискретною лазеро-хіміко-термічною модифікацією поверхневих шарів шляхом встановлення закономірностей впливу параметрів дискретної структури, структурно-фазового та хімічного складу, напруженого стану і механічних властивостей на їх трибологічні характеристики.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі основні завдання:

- аналітично дослідити напружено-деформований стан, який виникає під час тертя дискретно оброблених поверхневих шарів та покриттів і ступеня його впливу на процеси тертя та зношування;

- установити вплив схеми дискретної лазерної обробки на зносостійкість модифікованих поверхонь в умовах тертя ковзанням з різним напрямком прикладання навантаження;

- дослідити механізм формування на сталях зносостійких нашарувань комбінованою ЛХТО;

- установити закономірності впливу структурно-фазового та хімічного складу на трибологічні характеристики дискретно азотованих поверхневих шарів;

- узагальнити результати досліджень та розробити практичні рекомендації щодо формування зносостійких поверхневих шарів сталевих деталей дискретною ЛХТО.

Об'єкт дослідження. Процеси формування дискретних покриттів дискретною лазерною та хіміко-термічною обробкою.

Предмет дослідження. Вплив параметрів дискретної структури поверхні, напружено-деформованого стану, структурно-фазового складу, фізико-механічних властивостей на закономірності формування триботехнічних характеристик дискретно оброблених поверхневих шарів.

Методи дослідження. Дослідження, проведені на дискретно оброблених поверхнях сталей з використанням методів аналітичного дослідження напружено-деформованого стану модифікованих поверхневих шарів, навантажених силами тертя, хімічного аналізу вимірювання мікротвердості, металографічного, мікрорентгено-спектрального, рентгеноструктурного аналізів та оже-спектроскопії. Дослідження зносостійкості покриттів в умовах тертя ковзання без змащування проведено за схемою вал - площина.

Наукова новизна отриманих результатів.

Проведено аналітичні дослідження напружено-деформованого стану дискретного поверхневого шару, навантаженого силами тертя. Показано, що величиною напружень у контактній зоні можна керувати параметрами дискретної структури та фізико-механічними характеристиками поверхневих шарів, зокрема перехідної зони.

Установлено закономірності формування структури модифікованих поверхневих шарів сталей залежно від схем лазерної обробки та технологічних параметрів азотування. Виходячи з різної схильності дискретних азотованих доріжок чинити опір зношуванню запропоновано раціональні схеми дискретної обробки з врахуванням напрямку прикладення робочого навантаження при терті.

Показано, що для обробки поверхонь лазером з перекриттям, попередня термічна обробка не впливає на зносостійкість. При обробці без перекриття перевагу слід надавати дискретній обробці попередньо загартованої сталі. Концентрація напружень у цьому випадку плавно змінюється в перехідній зоні від зміцнених ділянок до матриці, що узгоджується з аналітичними розрахунками напружено-деформованого-стану.

Уперше встановлено можливість отримання зносостійких дискретних азотованих шарів азотуванням поверхні обробленої дискретно лазером або легованої дискретно лазером елементами хрому, молібдену або алюмінію з площею обробки 20 - 30% від загальної площі сталевого виробу.

Уперше встановлено закономірності впливу структурно-фазового та хімічного складу, напруженого стану і механічних властивостей на трибологічні характеристики дискретних покриттів. Установлено, що оптимальною площею обробки є 25 - 30%, що узгоджується з аналітичними розрахунками напружено-деформованого стану. При цьому вміст азоту має становити 6,0-8%.

Показано, що дискретна лазерна обробка підвищує зносостійкість сталі 40Х у 2 рази, суцільне азотування - у 2,8 раз і дискретне азотування - у 5,6 раз.

Практична цінність отриманих результатів

Отримані результати дають змогу раціонально вибирати схему дискретної обробки сталей для забезпечення кращих триботехнічних властивостей з урахуванням умов і напряму їх навантаження.

На підставі досліджень структури, напружено-деформованого стану та властивостей дискретних модифікованих шарів розроблено основні вимоги і принципи вибору оптимальних технологічних параметрів комбінованої лазерної і хіміко-термічної обробки для підвищення працездатності сталевих виробів.

Розроблено та захищено деклараційними патентами України спосіб отримання зносостійких дискретних азотованих шарів (пат. № 25412; заявл. 22.03.07; опубл. 10.08.07, бюл. № 12. - 4 с.) та спосіб комбінованої лазеро-хіміко-термічної обробки сталевих виробів (пат. № 31198; заявл. 20.12.07; Опубл. 25.03.08, бюл. № 6. - 4 с.)

Практичне застосування результатів досліджень підтверджено актом виробничих випробувань, що проведені на Термогальванічному заводі (м. Київ).

Результати роботи використовуються в навчальному процесі під час читання курсів "Матеріалознавство та технологія конструкційних матеріалів" та "Тертя та зношування" у Національному авіаційному університеті.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно.

Особистий внесок здобувача становить:

- обґрунтування методики досліджень, аналіз структури і фазового складу сталей при лазерно-хіміко-термічній модифікації;

- виконання експериментів й оцінювання параметрів зносостійкості поверхневого шару;

- обрання параметрів дискретної структури покриттів, виконання випробувань і аналіз закономірностей їх зношування;

- аналітичні дослідження напружено-деформованого стану модифікованого шару навантаженого силами тертя;

- розроблення способів поверхневої модифікації стальних виробів лазерною і хіміко-термічною обробкою.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на семінарах і науково-технічних конференціях: VII Міжнародній науково-технічній конференції «АВІА-2006» (Київ, НАУ, 2006р.); Х Міжнародній науково-технічній конференції "Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх оброблення для підвищення надійності та довговічності виробів" (Запоріжжя, 2006р.); VII Міжнародній науково-технічній конференції студентів та молодих вчених "Політ-2007" (Київ, НАУ, 2007 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Ольвійський форум 2007: Стратегія України в геополітичному просторі" (Ялта, Крим, 2007 р.); Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 75-річчю кафедри машинознавства "Сучасні проблеми машинознавства" (Київ, НАУ, 2008 р.) Дисертаційна робота в цілому обговорювалася на науковому семінарі НАУ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 друкованих праць, з яких 5 у наукових журналах, які входять у список ВАК України, 2 публікації за матеріалами доповідей на науково-технічних конференціях, 2 патенти.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Вона містить 139 сторінок, із них - 124 сторінки основного тексту, 33 рисунки, 6 таблиць і 2 додатки на 2 сторінках, список використаних джерел з 111 найменувань на 11 сторінках.

покриття обробка тертя сталь

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, показано зв'язок роботи з науковим планами і темами, сформульовано мету дослідження, визначено завдання та способи їх розв'язування, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведено огляд та аналіз літературних джерел, у яких викладено основні теорії тертя та зношування і сучасні методи поверхневого зміцнення деталей машин.

Установлено, що обробка поверхні виробів зі сталей з використанням висококонцентрованих джерел нагрівання (лазерним й електронним променем, плазмовим струменем) має безсумнівні техніко-економічні переваги порівняно з відомими методами об'ємного й поверхневого зміцнення. Висока густина енергії лазерного променя, що суттєво перевищує інші джерела енергії, дає можливість не тільки значно підвищити продуктивність і технологічність процесу, але й отримати якісно нові властивості поверхні, які неможливо одержати традиційними методами обробки. Унікальність лазерного променя полягає в його керованій локальності, що дозволяє реалізувати надзвичайно високі швидкості нагрівання і охолодження, а також дискретне гартування поверхні.

Як показує аналіз літературних даних у розвитку методів поверхневої модифікації найбільш перспективним напрямом є одержання поверхневого робочого шару з макрогетерогенною регулярною структурою дискретного типу із твердими і пластичними ділянками, що чергуються за певною закономірністю. Заміна суцільного зміцнення шару на переривчастий з мозаїчно-дискретною дозволяє перебороти крихкість - основний недолік твердих поверхневих структур, зокрема азотованих. У працях Б.А. Ляшенка, М.В. Кіндрачука, Л.Ф. Головка, В.С. Антонюка, С.А. Клименка, Л.С. Малінова, А.Я. Мовшовича, Е.В. Якштаса та інших досліджено властивості та обґрунтовано перспективу використання дискретних покриттів та зміцнених шарів, отриманих методами напилення, конденсації у вакуумі, електротермічної та лазерної обробки. Однак відомостей про отримання та триботехнічні властивості дискретно азотованих шарів, отриманих комбінованою ЛХТО немає.

Зазначені проблеми зумовлюють необхідність розроблення методів дискретної модифікації та формування триботехнічних властивостей поверхневого шару виробів зі сталі.

У другому розділі обґрунтовано вибір матеріалів, описано експериментальні установки, зразки та методики досліджень.

Лазерну дискретну обробку сталей 20, 40Х, 0Х18Н10Т, 40Х13 здійснювали на установці «ЛАТУС - 31» за режимами: потужність випромінювання - 0,9-1,1 кВт, діаметр ділянки фокусування променя - 5 мм, швидкість просування лазерного променя - 0,5, 0,8, 1,2, 1,4, м/хв. При цьому температура поверхневого шару для сталі перевищувала Ас3, але була нижчою від температури плавлення.

Азотування проводили в середовищі аміаку за температури 800 - 860 К. Час витримки - 1 - 20 год.

Дослідження зносостійкості покриттів в умовах тертя ковзання без змащування проведено за схемою вал - вкладиш на машині тертя М 22-М у парі із загартованою сталлю 45 (HRC 45 - 48). Програма досліджень: швидкість ковзання - 0,5 м/с ; шлях тертя - 1 км, навантаження 10 МПа. Контролювали масовий знос зразка, масовий знос контртіла, лінійний знос пари тертя та коефіцієнт тертя.

Дослідження структури, товщини, фазового складу, мікротвердості та вмісту азоту поверхневих шарів зразків проводили методами металографічного та рентгеноструктурного аналізу в Fe-Kб випромінюванні, дюрометричного аналізу та газового аналізу з використанням відповідно металографічного мікроскопа " Neophot-21" з цифровою приставкою, ДРОН-3, ПМТ-3 та аналізатора фірми "Леко" ТМ114. Оже-спектроскопію проводили оже-мікрозондом марки "JEOL" JAMP-10S. Фрактографічні дослідження поверхонь тертя зразків виконували на растровому мікроскопі РЕМ-200.

У третьому розділі на моделі дискретно обробленого матеріалу, в якому між вкрапленнями (зміцненими ділянками) і матрицею є кільцева перехідна зона, за відомим законом зміни в ній механічних властивостей досліджено характер напружено-деформованого стану, що виникає в умовах навантаження силами тертя ковзання.

Матеріал композиції моделювали безперервно-армованим середовищем (рис.1). Така стовпчаста структура формується під час термічної обробки сталей концентрованими джерелами енергії за рахунок напрямленої кристалізації.

Розрахунки напружено-деформованого стану показали, що максимальні напруження виникають у точці міжфазної межі, де відстань між вкрапленнями мінімальна. У разі порівняння коефіцієнтів максимальних концентрацій напружень зсуву К1r та стиску Кr їх значення будуть значно меншими і, отже, на напружений стан композиції більший вплив будуть справляти зсувні напруження. Максимальний коефіцієнт концентрації зсувних напружень обраховують за формулою

, (1)

де о - об'ємний вміст наповнювача; Gm і Gf - модулі зсуву матриці та наповнювача.

Рис. 1. Модель композиційного матеріалу і схема навантаження

Згідно з результатами розрахунків, якщо у композиційних матеріалах об'ємна частка вкраплень становить 30-40 %, локальні дотичні напруження у матриці будуть мінімальними. Зниження концентрації максимальних дотичних напружень зі зростанням кількості зміцнювальної фази на початку спричинено збільшенням частки навантаження, що передається на вкраплення. Подальше (якщо об'ємна частка включень понад 40 %) підвищення напружень зумовлено взаємодією вкраплень між собою та локальним зміцненням матриці. Таким чином, в умовах тертя краще застосовувати композиції з об'ємною часткою 30-40 % зміцнювальних вкраплень.

З метою формування вимог до створення дискретно азотованих покриттів були проведені також дослідження впливу природи, будови і механічних характеристик однієї або декількох перехідних зон, що можуть утворюватися під час лазерної обробки та наступного азотування між зміцненою і незміцненою ділянками, на локальний характер напруженого стану дискретно обробленої поверхні, навантаженої силами тертя.

Вплив перехідної зони та її величини, закон зміни її механічних властивостей вивчали на прикладі дискретно обробленого матеріалу, який має вказану структуру, перехідна зона якого утворена з довільної кількості елементарних концентрично розташованих прошарків, фізико-хімічні і механічні властивості яких відмінні від таких у матриці, і вкраплення орієнтовані тільки в напряму радіус-вектора Rf. (рис. 2). Кожний і-й шар перехідної зони має свої механічні характеристики (модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона) і свої розміри (Ri - Ri-1). У першому наближенні припускаємо, що елементарний об'єм має коловий поперечний переріз, радіус якого - Rm.

За довільної орієнтації вкраплень відносно поверхні тертя трибоконтакту в елементарному об'ємі реалізується загальний випадок просторового напруженого стану, який за припущення про пружний характер деформування можна поділити на складові: зсув в площині, паралельній осі вкраплення, - поздовжній зсув; розтягнення вздовж осі вкраплення - поздовжнє розтягнення (стискання); розтягнення - стискання у площині, перпендикулярній до осі вкраплення, - поперечне стиснення - розтягнення з поперечним зсувом.

Рис. 2. Схема поперечного перерізу елементарного об'єму

Така постановка завдання і методи її вирішення дозволили визначити поля локальних напружень (1, 2, 3, 23, 12, 13) у кожному з компонентів елементарного об'єму (у вкрапленні, матриці і перехідній зоні) за заданих середніх напружень (1, 2, 3, 23, 12, 13), а також у всіх незалежних сталях (Е1, Е2 = Е3, G12= G13, 23, 21 = 31) такого трансверсально-ізотропного середовища залежно від механічних характеристик і законів зміни властивостей в перехідній зоні.

Результати виконаних розрахунків наведено на рис. 3, де проілюстровано вплив закону зміни механічних властивостей в перехідній зоні на напружений стан у компонентах елементарного об'єму за заданих середніх напружень поздовжнього зсуву 12 і поздовжнього стискання 1, що відповідає випадку навантаження силами тертя ковзання матеріалу з вкрапленнями, розташованими нормально до поверхні тертя.

Рис. 3. Схема розподілення відносної інтенсивності напружень уi, <уi> у перехідній зоні за різного віддалення від поверхні вкраплення в глибину матриці (а) і залежно від характеру змінювання модуля нормальної пружності в перерізі елементарного об'єму (б): 1 - перехідної зони немає; 2 - модуль нормальної пружності, що змінюється лінійно; 3 - механічні властивості, що змінюються скачком; 4 - товщина скачкоподібної зони змінювання властивостей, що більша за попередню; 1' - 4' - те саме за навантаження силами тертя

На рис. 3, а подано залежності відносної інтенсивності напружень уі/1 (у12) / f / 1, якщо f = 1 у точці на осі х2, від характеру змінювання механічних властивостей в перехідній зоні, схематично зображеного на рис. 3, б. Номери кожної із схем відповідають випадку для поздовжнього стискання із зсувом, а криві зі знаком «штрих» для порівняння ілюструють аналогічні залежності, справедливі за дії тільки середніх напружень поздовжнього зсуву 12. Усі залежності побудовані за припущення, що модуль пружності вкраплення значно перевищує модуль пружності матриці.

Локальні поля напружень суттєво залежать від закону змінювання властивостей в перехідній зоні. Так, якщо в перехідній зоні модуль пружності не змінюється за товщиною і значно перевищує модуль вкраплення (загартована зона), напруження в останній суттєво змінюються. Проте перехідна зона стає місцем найбільшої концентрації локальних напружень в структурі, причому максимум розподілу зміщується на межу з матрицею (крива 3). Зі збільшенням товщини перехідної зони рівень концентрації напружень різко знижується (крива 4).

Якщо немає перехідної зони між матрицею і вкрапленням, то концентрація напружень у загартованій зоні максимальна, а в матриці вони зосереджені на межі розділу (криві 1 і 1').

За наявності перехідної зони, що характеризується плавною (лінійною) зміною в ній міцнісних властивостей, концентрація напружень у вкрапленні знижується і якомога плавніше переходить у матрицю, поступово зменшуючись до рівня напружень в матриці (криві 2, 2').

Отже, виходячи з ідеалізованих умов, на моделі дискретно обробленого матеріалу, в якому між вкрапленням і матрицею є кільцева перехідна зона, згідно з відомим законом змінювання в ній механічних властивостей дослід-жено характер напруженого стану, що виникає в умовах навантаження силами тертя ковзанням. Установлено, що перевагу слід надавати дискретній обробці, за якої міцнісні властивості перехідної зони змінюються лінійно і концентрація напружень у загартований лазером ділянці знижується та плавно переходить в матрицю, зменшуючись до рівня напружень у матриці. Це відбувається за дискретної лазерної обробки загартованої сталі. Структура перехідної зони змінюється в результаті відпуску в напрямі від загартованої лазером ділянки в такій послідовності: троосто-мартенсит, троостит, сорбіт.

У четвертому розділі наведено результати дослідження впливу дискретної лазерної обробки в режимах гартування і легування та комбінованої ЛХТО на структуру та структурно-напружений стан поверхневих шарів сталей.

Виходячи з результатів, отриманих в розділі 3, обробку проводили дискретно із площею обробки 10 - 40% від загальної площі сталевого виробу.

Лазерне гартування. Показано, що після гартування поверхневий шар вуглецевих і низьколегованих сталей включає в себе зони з мартенситною структурою, відпущеного мартенситу, перезагартованого мартенситу і зони термічного впливу. Максимальна мікротвердість сталі 20 по центру загартованих (з оплавленого стану) доріжок становила 4000 МПа, у той час, як після гартування без оплавлення - у двічі менше. Для сталей 40Х і 40ХІЗ вона становила 5200-6250 МПа. У зоні перекриття доріжок загартованого металу в наслідок локаль ного відпуску мікротвердість знизилась на 25- 40% порівняно з її максимальним значенням.

Лазерне легування. Оскільки, конструкційні низьковуглецеві сталі не піддають азотуванню, досліджено можливість отримання зносостійких азотованих покриттів попереднім лазерним легуванням, що забезпечує формування легованого шару, який може азотуватися з утворенням нітридів легуючих елементів. Досліджували сталь 20 (0,2%С), насичуючи її поверхню хромом, або молібденом, або алюмінієм в імпульсному та безперервному режимах випромінювання.

Установлено, що структура і властивості зміцненого шару залежать від типу легувального елемента. Із збільшенням густини потужності випромінювання товщина легованої зони збільшується для всіх досліджуваних легувальних елементів, причому зони, леговані алюмінієм, завжди мають найбільшу товщину, а насичені молібденом - найменшу. Це зумовлено різними теплофізичними властивостями порошків Al та Mo. Оптимальна кількість обмазки, що наноситься на оброблювальну поверхню, становить 20 - 25мг/см2 . Виявлено що збільшення швидкості переміщення лазерного променя VЛ від 0,5 до 1,4 м/хв призводить до зменшення розмірів легованих зон від 700 - 800 до 200 - 300 мкм. Мікрорентгеноспектральним аналізом зразків установлено, що концентрація легувальних елементів залежить від швидкості Vл. Якщо VЛ = 0,6 - 1м/хв, тоді спостерігається максимум концентрацій для всіх легувальних елементів. При VЛ < 0,6 м/хв зменшення концентрації елементів після лазерного легування зумовлено більшими розмірами оплавлених зон.

Локальним мікрорентгеноспектральним аналізом-зйомкою в характеристичних випромінюваннях відповідних елементів встановлено, що легувальні елементи в зонах легування розподілені рівномірно як після імпульсної , так і безперервної обробки. При цьому вміст легувальних елементів в першому випадку коливається залежно від їх виду від 2 до 6%, а у другому - від 5 до 14%. Мікротвердість у легованих шарах розподілена рівномірно і становить 450 - 700 та 400 - 1200 Н після лазерної обробки в імпульсному та безперервному режимах відповідно.

Лазерно - хіміко - термічна обробка. Досліджено особливості структуроутворення при азотуванні попередньо загартованих або легованих лазером поверхонь сталей.

Схему ЛХТО сталей показано на рис. 4. Зміну в морфології зеренної структури сталі після лазерної обробки і наступного азотування ілюструє рис. 5.

Рис. 4. Схема лазерної обробки сталі 40Х: 1, 2, 3, 4 - ділянки лазерної обробки, які відповідають швидкостям пересування променя лазера відповідно 1,4, 1,2, 0,8, 0,5 м/хв; h - глибина азотованого шару без лазерної обробки; h1 - глибина азотованого шару в зоні лазерної обробки; h2 - глибина лазерної обробки

Рис. 5. Мікроструктура сталі 40Х після лазерної обробки та азотування (V=0,8 м/хв), Ч500

Ці зміни характеризуються інтенсивним подрібненням вихідної зеренної структури з поперечним розміром зерен до 0,2- 0,5 мкм, що наближає її до наноструктур. За такого перетворення структури різко зростає протяжність границь зерен, збільшується площа та підвищується активність їх поверхні, що спричиняє прискорення дифузії атомів проникнення.

Аналіз отриманих даних показав, що залежно від технологічних параметрів лазерної обробки (швидкості пересування лазерного променя) змінюється фазовий склад, товщина і мікротвердість азотованого шару.

На ділянках зразків без лазерної обробки товщина азотованого шару становила 0,15 мм, а мікротвердість на поверхні - 3,5 ГПа. Після лазерної обробки товщина азатованого шару, яку визначали товщиною обробленого лазером шару, досягала 0,460 мм з мікротвердістю 8 ГПа (див. рис. 5). Разом з тим відомо, що мікротвердість азотованого шару на вуглецевих сталях не перевищує 3 ГПа. Після обробки лазером на поверхні зразків сформувався азотований шар високої твердості (рис. 6). Зниження мікротвердості в разі підвищення швидкості руху лазерного променя напевно зумовлено скороченням тривалості дії лазера і неповним завершенням фазового перетворення.

Рис. 6. Зміна мікротвердості за глибиною шару залежно від швидкості пересування лазерного променя: ? - V = 0,5 м/хв, V = 0,8 м/хв, ^- V = 1,4 м/хв

Мікротвердість з віддаленням від поверхні в глибину шару плавно знижується до рівня вихідної матриці. Ефективна глибина шару після обробки зі швидкістю переміщення променя лазера 0,8 м/хв становить приблизно 0,45 мм.

Дослідженнями кінетики азотування лазерно оброблених поверхонь установлено, що товщина азотованого шару майже однакова за витримування від 1 до 10 год. Так, за 1 год витримування вона становила 0,35 мм, за 5 год - 0,39 мм і за 10 год - 0,46 мм. Це свідчить про те, що ефект прискорювального впливу лазерного випромінювання на дифузійну рухомість атомів азоту відбувається протягом першої години насичення.

Фазовим рентгеноструктурним аналізом показано, що без попередньої лазерної обробки в азотованому шарі переважає е-фаза (гексгональний нітрид заліза Fe3N), тоді як після лазерної обробки основу нітридного шару становить г?- фаза (кубічний нітрид заліза Fe4N). Крім того, спостерігається тенденція розширення інтерференційних ліній б-фази. Такі зміни структурного стану поверхні дозволяють не тільки зменшити кількість крихкої і пористої е-фази, підвищити концентрацію азоту в бN- і г?-фазах, але й суттєво прискорити дифузійні процеси порівняно з традиційними методами.

Досліджено структурно-фазовий стан азотованих шарів після попереднього лазерного легування.

Після лазерного легування та короткочасного азотування (t = 570 С; = 4,5 год) максимальну мікротвердість мають зони, леговані алюмінієм. Азотування поверхні сталі, легованої Cr та Mo, за аналогічними режимами зумовлює утворення зміцнених шарів з плавним зменшенням мікротвердості за товщиною.

Металографічним аналізом установлено, що азотований шар, отриманий без попереднього лазерного легування, складається із нітридної зони, що формується на поверхні у вигляді білої смуги товщиною 15 - 20 мкм і дифузійного підшару (зони внутрішнього) азотування із структурою азотованого фериту, що характеризується підвищеною травленістю внаслідок виділення надлишкової - фази.

Під час азотування поверхні сталі 20, легованої Cr, спостерігається виділення дисперсних нітридів Cr2N. Відпуск за температури 250 С сприяє подальшому підвищенню мікротвердості, а отже, можна зробити висновок, що з підвищенням температури і збільшенням тривалості витримування концентрація розчиненого азоту підвищується, внаслідок чого більше виділиться у процесі охолодження нітридів у дисперсній формі. У процесі відпуску за температури 600 С відбувається коагуляція виділених нітридів, що призводить до знеміцнення поверхневого шару.

Аналіз отриманих залежностей показує, що лазерна обробка поверхні робить значний внесок у процес наступного азотування. При цьому якісний та кількісний характер змін в азотованому шарі визначається наперед сформованим структурно-фазовим станом.

У п'ятому розділі проведено три серії триботехнічних випробувань сталі 40Х.

У першій серії досліджували вплив різних схем і площі лазерної обробки на опір зношуванню (рис. 7).

Рис. 7. Схеми лазерного гартування: паралельно (а) і перпендикулярно до напрямку тертя (б); діаметр плями лазерної обробки 3 мм, швидкість пересування лазерного променя 0,5 м/хв; дискретна обробка променем лазера діаметром 3 мм (в)

Під час тертя зміцненої поверхні яскраво проглядається нерівномірність зношування поверхні, зумовлена анізотропією її структури, і вона чіткіше виражена, коли напрям тертя збігається з напрямом доріжок лазерної обробки (рис. 8, а).

Рис. 8. Мікроструктури поверхонь тертя: паралельно (а) і перпендикулярно до напрямку тертя (б)

Установлено, що гартування безперервним лазерним променем створює анізотропію структури у приповерхневих шарах, вплив якої на міцність і характер руйнування суттєво залежить від напрямку прикладання сили.

Більшою зносостійкістю характеризуються зразки з поверхнею, обробленою перпендикулярно до напряму тертя порівняно зі зразками, обробленими паралельно напряму тертя. Знос становить відповідно 1,4 і 1,7 мг/см2 за 1000 м шляху тертя.

Досліджено вплив параметрів і схеми дискретної лазерної обробки на зносостійкість сталей (рис. 9). Результати триботехнічних досліджень показали, що для дискретної обробки поверхонь лазером з перекриттям попередня термічна обробка не впливає на зносостійкість. У разі дискретної лазерної обробки без перекриття вищу зносостійкість мають зразки із заздалегідь загартованої сталі. Концентрація напружень в цьому випадку плавно змінюється в перехідній зоні від величин, які характерні для зміцнених ділянок до таких у матриці, що узгоджується з аналітичними розрахунками НДС.

Рис. 9. Залежність зносу сталі У8 від коефіцієнта перекриття: 1 - відпалена сталь; 2 - загартована сталь

Рис. 10. Залежність зносу від площі обробленої поверхні: 1 - лазерна обробка; 2 - лазерна обробка + азотування

Для дослідження впливу площі лазерної обробки на зносостійкість сталі 40Х поверхню зразків зміцнювали дискретно (див. рис. 7, в). Установлено, що оптимальною щодо зносостійкості є площа оброблення, яка становить 30?40% від загальної площі поверхні зразка (рис. 10, крива 1). Поряд з іншими факторами це можна пояснити мінімальною концентрацією напружень, що виникають в умовах тертя.

Оскільки основна роль твердих загартованих лазером ділянок матриці є зміцнення, то наявність жорстких вкраплень (діаметром 3 мм) зміцнює матрицю, обмежуючи її пластичну течію. Оптимальне відношення відстані між центрами вкраплень до їх розміру L/d 3,3, за якого частинки найбільш ефективно стискають матрицю, обмежують її пластичну деформацію і забезпечують максимальний опір втомному зношуванню. Зона підвищених дотичних напружень, що виникає в результаті взаємодії полів напружень від сусідніх вкраплень, заглиблюється в матеріал нижче від вкраплень. Це, у свою чергу, знижує навантаження на матрицю в ділянці між вкрапленнями і забезпечує додатний градієнт напружень від поверхні тертя. У разі менших міжцентрових відстаней міцність композиції зменшується внаслідок утворення тріщин на ослаблених межах розділу частинка-частинка. На рис. 11 а, б, в показано поверхні тертя сталі 40Х площею дискретної обробки 10 і 30%.

Рис. 11. Мікроструктура поверхонь тертя сталі 40Х з площею дискретної обробки: а ? 30% (Ч15), б - 10% (Ч100), в - 30% (Ч100)

Проведені дослідження хімічного складу поверхонь тертя методами мікрорентгеноспектральним та оже-спектроскопії показали наявність заліза, вуглецю і кисню, які утворюють оксиди Fe2O3 Fe3O4. Утворені на поверхні тертя оксидні плівки вторинних структур поліпшують умови тертя та зменшують можливість абразивного руйнування матеріалу. Поверхня тертя досить гладка і характеризується пелюстково-плівковою структурою (див. рис. 11, б, в).

Знос контртіла під час тертя в парі з дискретно обробленими поверхнями зростає зі збільшенням площі обробленої площі. Ці результати узгоджуються з висновками розділу 3, у якому показано, що за об'ємного вмісту вкраплень меншого за 10% зміцнення не суттєве. У разі щільнішого розташування від 20 до 40% пластична деформація помітно обмежується. Крім того, внаслідок зменшення відстані між частинками (понад 40%) відбувається значне локальне зміцнення матриці, що призводить до зниження міцності через утворення тріщин на ослаблених ділянках матриці між частинками.

Установлено, що зі зростанням мікротвердості до 9500-9800 МПа інтенсивність зношування та коефіцієнт тертя зменшуються. Із подальшим зростанням мікротвердості вони залишаються майже незмінними. Це обумовлено значним впливом на зносостійкість співвідношення пластичності та мікротвердості поверхневого шару.

Досліджено вплив поверхневої концентрації азоту зміцнених поверхонь на їх триботехнічні властивості. Максимальна зносостійкість та найнижчий коефіцієнт тертя спостерігаються за значень масового вмісту азоту 6,5-8,0% (рис. 12). Це можна пояснити тим, що у такому випадку поверхневі нітридні шари пар тертя складаються переважно з е-фази (гексагонального карбонітриду Fe2-3 (NC), близької до своєї нижньої межі розчинності азоту. Така структура е-фази дозволяє запобігти її крихкості та отримати у шарі крихкий нітрид Fe2N. При цьому твердість зміцненого шару наближується до твердості г'-фази з одночасним збереженням пластичності е-фази, створюючи таким чином оптимальні структурні передумови для підвищення зносостійкості.

Рис. 12. Залежність інтенсивності зношування (крива 1) і коефіцієнта тертя (крива 2) від концентрації азоту

У другій серії триботехнічних випробовувань досліджували вплив часу азотування на зносостійкість дискретно оброблених лазером поверхонь сталі 40Х. З'ясовано, що зі збільшенням часу витримування процесу азотування з 1 до 10 год. зносостійкість знижується і наближується до зносостійкості азотованої сталі 40Х без попередньої лазерної обробки (таблиця).

Отримані результати можна пояснити зменшенням ефекту дискретної структури. Так, у разі азотування протягом 1 год. товщини азотованого шару на лазерно оброблених ділянках і ділянках без лазерної обробки суттєво розрізняються і становлять відповідно 0,35 і 0,02 мм. Водночас за витримування азотування 10 год товщина азотованого шару відповідно становить 0,45 і 0,12 мм, що призводить до утворення суцільного зміцненого шару.

Триботехнічні характеристики дискретно обробленої сталі 40Х

Обробка	Товщина азотованого шару, мм	Знос, мг/см2•км	Коефіцієнт тертя, f
	на ділянках з лазерною обробкою	на ділянках без лазерної обробки
Лазерна обробка + азотування 1 год	0,35	0,02	0,33	0,45
Лазерна обробка + азотування 5 год	0,39	0,06	0,38	0,48
Лазерна обробка + азотування 10 год	0,45	0,12	0,45	0,59
Азотування 10 год	-	0,12	0,8	0,68

У роботі досліджували також вплив площі дискретно азотованої сталі 40Х на триботехнічні властивості (див. рис. 10, крива 2). Характер залежності зносостійкості від площі обробки такий самий, як і для дискретної лазерної обробки (див. рис. 10, крива 1). Проте додаткове азотування суттєво підвищує зносостійкість.



ВИСНОВКИ

Аналітичними розрахунками напружено-деформованого стану на моделі дискретно обробленого матеріалу, навантаженого силами тертя, встановлено, що композиції, які містять 30 - 40% об'ємних часток зміцнювальних вкраплень, мають мінімальні дотичні напруження у матриці. Показано, що вищими механічними властивостями характеризуються модифіковані поверхні та покриття із стовпчастою будовою зміцнювальних вкраплень.

Досліджено напружено-деформований стан, що виникає в умовах навантаження силами тертя ковзання в дискретно модифікованій поверхні, в якій між вкрапленням і матрицею є кільцева перехідна зона, згідно з відомим законом змінювання в ній механічних властивостей. Установлено, що перевагу слід надавати дискретній обробці, за якої міцнісні властивості перехідної зони змінюються лінійно і концентрація напружень у загартованій лазером ділянці знижується та плавно переходить в матрицю, зменшуючись до рівня напружень у матриці.

Уперше з метою створення зносостійких поверхневих шарів досліджено особливості структуроутворення у процесі азотування попередньо загартованих або легованих дискретно лазером поверхонь сталей. Установлено, що попередня лазерна обробка суттєво пришвидшує дифузійні процеси азотування, підвищує мікротвердість і змінює фазовий склад порівняно з традиційними методами. На ділянках зразків із сталі 20 без лазерної обробки товщина азотованого шару становить 0,15 мм, а мікротвердість поверхні - 3,5 ГПа. Після лазерної обробки відповідно 0,460 мм і 8 ГПа. Показано, що без попередньої лазерної обробки в азотованому шарі переважає - фаза (гексагональний нітрид заліза Fe3N), тоді як після лазерної обробки основу нітридного шару складає г? - фаза (кубічний нітрид заліза Fe4N). Такі зміни структурного стану поверхні дозволяють зменшити кількість крихкої і пористої - фази, підвищити концентрацію азоту в бN- і г?-фазах.

Установлено, що гартування сталей безперервним лазерним променем створює анізотропію структури у приповерхневих шарах, вплив якої на поверхні тертя та зношування суттєво залежить від напрямку прикладання сили. Вперше показано, що більшою зносостійкістю характеризуються зразки з поверхнею, обробленою перпендикулярно до напрямку тертя порівняно зі зразками, обробленими паралельно напряму тертя. Установлено, що оптимальною щодо зносостійкості є площа дискретного оброблення, яка становить 25 - 40% від загальної площі поверхні зразка. Поряд з іншими факторами це можна пояснити мінімальною концентрацією напружень, що виникають в умовах тертя.

5. Уперше досліджено вплив параметрів і схем дискретної лазерної обробки на зносостійкість сталей. Показано, що для обробки поверхонь лазером з перекриттям попередня термічна обробка не впливає на зносостійкість. При обробці без перекриття перевагу слід надавати дискретній обробці заздалегідь загартованої сталі. Концентрація напружень в цьому випадку плавно змінюється в перехідній зоні від зміцнених ділянок до матриці, що узгоджується з аналітичними розрахунками НДС.

6. Досліджено закономірності впливу поверхневої концентрації азоту зміцнених поверхонь на їх триботехнічні властивості. Максимальна зносостійкість спостерігається за значень масового вмісту азоту в діапазоні 6,0-8,8 %. Це можна пояснити тим, що у такому випадку поверхневі нітридні шари пар тертя складаються переважно з - фази (гексагонального карбонітриду Fe2-3(NC), близької до своєї нижньої межі розчинності азоту. Така структура - фази дозволяє запобігти її крихкості та отримати у шарі крихкого нітриду Fe2N. При цьому твердість зміцненого шару наближається до твердості г?-фази, з одночасним збереженням пластичності - фази, створюючи, таким чином, оптимальні структурні передумови для підвищення зносостійкості.

7. Установлено, що з підвищенням мікротвердості до 9500-9800 МПа інтенсивність зношування та коефіцієнт тертя зменшуються. З подальшим зростанням мікротвердості вони залишаються майже незмінними. Це зумовлено значним впливом на зносостійкість співвідношення пластичності та мікротвердості поверхневого шару.

8. Дослідженнями впливу часу азотування на зносостійкість попередньо дискретно оброблених лазером поверхонь сталі 40Х установлено, що зі збільшенням часу азотування з 1 до 10 год. зносостійкість дискретно азотованих шарів знижується і наближується до зносостійкості азотованої сталі 40Х без лазерної обробки. Отримані результати можна пояснити зменшенням ефекту дискретної структури. Так, у разі азотування протягом 1 год. товщини азотованого шару на лазерно оброблених ділянках і ділянках без лазерної обробки суттєво розрізняються і становлять відповідно 0,35 і 0,02 мм. Водночас за витримування азотування 10 год. товщина азотованого шару відповідно становить 0,45 і 0,12мм, що призводить до утворення суцільного зміцненого шару.

9. Результати виконаних досліджень дозволили розробити необхідні рекомендації щодо формування дискретно азотованих покриттів з високими триботехнічними властивостями. Виробничі випробування технологічного процесу ЛХТО сталевих деталей виконано без зауважень і показали підвищення довговічності в 1,7 - 2,5 разу порівняно із заводською технологією виготовлення (Термогальванічний завод, м. Київ - вали насосів, ножі для гарячого різання металу, борштанги). Результати роботи використовуються в навчальному процесі під час читання курсів „Матеріалознавство та технологія конструкційних матеріалів” та „Тертя та зношування” у Національному авіаційному університеті.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кіндрачук М.В. Напружено-деформований стан дискретно оброблених лазером сталей під час контактної взаємодії / М.В. Кіндрачук, М.С. Яхья, Н.В. Іщук // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. - К.: НАУ, 2006. - Вип. 46. - С.29 -39.

2. Поверхневе зміцнення сталей нанесенням дискретних азотованих шарів / М.В. Кіндрачук, М.С. Яхья, О.В. Герасимова, Н.В. Іщук // Технологічні системи. - 2007. - №1. С.45 - 49.

3. Аналітичні залежності ефективної межі текучості композиційних покриттів, навантажених силами тертя / М.В. Кіндрачук, М.С. Яхья, М.М. Скалига, О.В. Тісов // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. - К.: НАУ, 2007. - Вип. 47. - С.19 - 26.

4. Формування покриттів триботехнічного призначення комбінованою, лазеро-хіміко-термічною обробкою / О.А. Корнієнко, М.С. Яхья, Н.В. Іщук, В.М. Писаренко // Проблеми тертя та зношування: науково-технічний збірник. - К.: НАУ, 2008. - Вип. 49, т.2. - С.61 - 65.

5. Визначення параметрів дискретної структури покриттів триботехнічного призначення / М.В. Кіндрачук, М.С. Яхья, В.М. Кіндрачук, О.А. Корнієнко, Н.В. Іщук // Проблеми тертя та зношування: Науково-технічний збірник. - К.: НАУ, 2008. - Вип. 50. - С.5 - 15.

6. Пат. 25412 Україна, МПК (2006) С23С 8/02. Спосіб отримання зносостійких дискретних азотованих шарів / Кіндрачук М.В., Іщук Н.В., Писаренко В.М., Головко Л.Ф., Яхья М.С., - №u200703002; заявл. 22.03.07; опубл. 10.08.07, Бюл. № 12. - 5с.

7. Пат. 31198 Україна, МПК (2006) С23С 8/02. Спосіб комбінованої лазеро-хіміко-термічної обробки сталевих виробів / Кіндрачук М.В., Іщук Н.В., Писаренко В.М., Головко Л.Ф., Яхья М.С., Корнієнко А.О. - №u200714419; заявл. 20.12.07; опубл. 25.03.08, Бюл. № 6. - 4 с.

8. Использование метастабильных состояний в формировании триботехнических свойств эвтектических сплавов на основе железа / В.М. Киндрачук, Д.И. Мансур, М.С. Яхья, В.Е. Панарин // Седьмая междунар. науч.-техн. конф. "Авіа - 2006". - К.: НАУ, 25 - 27 сентября 2006. - С. 354 - 358.

9. Кіндрачук М.В. Напружено-деформований стан дискретно оброблених лазером сталей під час контактної взаємодії/ М.В.Кіндрачук, М.С. Яхья, С.В.Федорчук // VIII міжнар. наук.-техн. конф. "АВІА-2007" 25 - 27 квітня 2007.С. 31 - 34.



АНОТАЦІЯ

Мудхі Собхі Яхья. Формування триботехнічних властивостей сталевих виробів дискретною модифікацією поверхневого шару - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Національний авіаційний університет, Київ, 2009.

Дисертаційну роботу присвячено підвищенню зносостійкості сталевих виробів шляхом формування комбінованою лазерною і хіміко-термічною обробкою модифікованих поверхневих шарів дискретної будови з керованими триботехнічними властивостями. Проведено аналітичні дослідження напружено-деформованого стану дискретно обробленого матеріалу, навантаженого силами тертя. Досліджено вплив вторинної структурної гетерогенності поверхні, що виникає у процесі лазерної дискретної обробки, на зносостійкість. Установлено, що попередня лазерна обробка суттєво пришвидшує дифузійні процеси азотування, підвищує мікротвердість і змінює фазовий склад порівняно з традиційними методами азотування. Експериментальними дослідженнями встановлено закономірності впливу параметрів дискретної структури, напружено-деформованого стану, поверхневої концентрації азоту, фазового складу, мікротвердості модифікованої поверхні на її зносостійкість.

Показано, що дискретна лазерна обробка підвищує зносостійкість сталі 40Х у 2 рази, суцільне азотування - у 2,8 разу і дискретне азотування - у 5,6 разу.

Ключові слова: триботехнічні властивості, зносостійкість, напружено-деформований стан, зміцнення, дискретні покриття, лазеро-хіміко-термічна обробка.



АНОТАЦИЯ

Мудхи Собхи Яхья. Формирование триботехнических свойств стальных изделий дискретной модификацией поверхностного слоя - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и изнашивание в машинах. - Национальный авиационный университет, Киев, 2009.

Диссертационная робота посвящена повышению износостойкости стальных изделий формированием комбинированной лазерной и химико- термической обработкой модифицированных поверхностных слоев дискретного строения с управляемыми триботехническими свойствами. Проведены аналитические исследования напряженно-деформированного состояния дискретно обработанного материала, нагруженного силами трения. Уставлено, что композиции, которые содержат 30 - 40% объемных упрочняемых включений, имеют минимальные касательные напряжение в матрице. Исследовано напряженно-деформированное состояние, возникающее при трении в дискретно модифицированной поверхности, в которой между включениями и матрицей есть кольцевая переходная зона с известным законом изменения в ней механических свойств. Установлено, что преимущество следует давать дискретной обработке, при которой прочностные свойства переходной зоны изменяются линейно и концентрация напряжений снижается от упрочненного лазером участка и плавно переходит в матрицу.

Исследовано влияние параметров и схем дискретной лазерной обработки на износостойкость сталей. Показано, что большей износостойкостью характеризуются образцы с поверхностью, обработанной перпендикулярно к направлению приложения сил трения по сравнению с образцами обработанными параллельно направлению трения. Установлено, что при обработке поверхностей лазером с перекрытием, предварительная термическая обработка не влияет на их износостойкость. При обработке без перекрытия преимущество следует давать дискретной обработке предварительно закаленной стали. Концентрация напряжений в этом случае плавно уменьшается в переходной зоне от упрочненных участков к матрице, что согласуется с аналитическими расчетами НДС.

С целью создания износостойких поверхностных слоев исследовано особенности структурообразования при азотировании предварительно закаленных или легированных дискретно лазером поверхностей сталей. Установлено, что предварительная лазерная обработка существенно ускоряет диффузионные процессы азотирования, повышает микротвердость и изменяет фазовый состав по сравнению с традиционными методами азотирования.

Исследованы закономерности влияния поверхностной концентрации азота упрочненных поверхностей на их триботехнические свойства. Максимум износостойкости наблюдается при значениях концентрации азота в диапазоне 6,0 - 8,8% что объясняется фазовым составом, обеспечивающим оптимальное сочетание твердости и пластичности нитридных слоев.

Результаты роботы могут быть применены к другим аналогичным системам дискретно модифицированных покрытий. Практическое применение результатов исследований подтверждается актом производственных испытаний, проведенных на Термогальваническом заводе (г. Киев). Результаты работы используются в учебном процессе при чтении курсов "Материаловедение и технология конструкционных материалов" в разделе "Износостойкие материалы и покрытия" в Национальном авиационном университете.

Ключевые слова: триботехнические свойства, износостойкость, напряженно - деформированное состояние, упрочнение, дискретные покрытия, лазерно - химико - термическая обработка.



ABSTRACT

Mudhi Sobhi Yahja. Forming of tribotechnical properties of steel elements by discrete modification of superficial layer. - Manuscript.

Dissertation for a scientific degree of the Candidate of Sciences, Specialty 05.02.04 - Friction and Wear in Machines. National Aviation University, Kiev, 2009.

Dissertation is devoted to the increase of wearproofness of steel elements forming the modified superficial discrete structure layers with the controlled tribotechnical properties by the combined laser and chemical heat treatment. Analytical researches of the tensely deformed state of discrete material loaded with forces of friction are conducted. The influence of the secondary structural heterogeneity of laser discrete treated surface on wearproofness is investigated. It is established that preliminary laser treatment substantially accelerates the diffusive processes of nitriding, increases a microhardness and changes phase composition in comparison with to the traditional methods of nitriding. Experimental researches are set regularities of influence of discrete structure parameters, tensely deformed state, superficial concentration of nitrogen, phase composition, microhardness of the modified surface on its wearproofness.

...