Трибологічні характеристики титанових сплавів після низькотемпературного безводневого азотування в тліючому розряді

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.891

спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТРИБОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИТАНОВИХ СПЛАВІВ ПІСЛЯ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОГО БЕЗВОДНЕВОГО АЗОТУВАННЯ В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ

Машовець Наталія Сергіївна

Хмельницький - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Хмельницькому національному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Хмельницький

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Каплун Віталій Григорович Хмельницький національний університет, директор НДІ трибології і матеріалознавства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кузьменко Анатолій Григорович Хмельницький національний університет професор кафедри “Зносостійкості та надійності машин”

кандидат технічних наук, доцент Гупка Богдан Васильович Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя доцент кафедри “Технології машинобудування”

Захист відбудеться “3”грудня2009 р. о 10 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 70.052.02 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська 11, 3-й навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/2.

Автореферат розісланий “2”листопада 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради доктор технічних наук, професор Г. С. Калда



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У високотехнологічних галузях промисловості, в тому числі в машинобудуванні, широко застосовуються легкі металічні матеріали, які працюють в умовах інтенсивного зношування. Найбільш поширеним представником матеріалів цього класу є титан та сплави на його основі.

Титан відзначається малою питомою вагою, високою питомою міцністю та корозійною стійкістю. В той же час характерною особливістю титану є схильність до поверхневого схоплювання з іншими металами, що обумовлює низьку його зносостійкість і обмежує використання у вузлах тертя механізмів і машин. Без додаткової обробки поверхні використання титанових сплавів у вузлах тертя та інших місцях контактної взаємодії є проблематичним. Важливою також є властивість підвищеної активності титану стосовно азоту.

Відомо, що вирішальну роль в забезпеченні надійності, довговічності деталей, вузлів та агрегатів машин і механізмів відіграють властивості поверхневого шару. Застосування азотування в тліючому розряді для модифікації поверхні титанових сплавів актуальне, оскільки дозволяє збільшити швидкість азотування в 10…15 разів у порівнянні з традиційним пічним азотуванням, а також скорочує енергетичні, матеріальні та інші ресурси.

Відомі дослідження зносостійкості титанових сплавів після азотування при високих температурах (800…900С) з утворенням на поверхні моношарів нітридів титану TiN (-фази), які мають високу мікротвердість (10000…15000 МПа), але не забезпечують в ряді випадків високої зносостійкості пари тертя у зв'язку з абразивним зношуванням, що обумовлене руйнуванням нітридних шарів. Продукти руйнування далі виконують роль абразиву. Разом з тим, при високих температурах змінюється мікроструктура матеріалу, відбувається ріст зерна, що негативно впливає на міцність конструктивних елементів.

Перспективним напрямком покращання трибологічних характеристик титанових сплавів є модифікація поверхні низькотемпературним безводневим азотування в тліючому розряді (БАТР), яка забезпечує збереження вихідних властивостей матеріалу і виключає водневе окрихчування поверхні.

Відомі роботи, присвячені зміцненню поверхні титанових сплавів при низькотемпературному азотуванню, зокрема Б. М. Арзамасова, Т. А. Панайоті, Ф. Борджиолі, Е. Галването, Е. І. Мелетіс тощо. Проте в них в основному досліджується вплив азотування на фізико-механічні характеристики, хімічний та фазовий склади азотованих шарів і недостатньо уваги приділяється вивченню їх трибологічних характеристик для різних умов експлуатації.

Тому, дослідження впливу властивостей поверхневих шарів після низькотемпературного БАТР на трибологічні характеристики та їх оптимізація з метою підвищення зносостійкості пар тертя є актуальною науково-технічною задачею, вирішенню якої і присвячується дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі машинознавства Хмельницького національного університету в рамках науково-дослідних робіт: “Дослідження та розробка технології іонного азотування лопаток компресора двигуна ТВЗ-117ВМА-СБМ1” (тема 5-2002, номер ДР 0102U004236); “Теоретичні основи фізики низькотемпературної поверхневої вакуумно-дифузійної газорозрядної модифікації азотоактивних сплавів” (тема 1Б-2003, номер ДР 0103U001203, 2005); “Технології прогнозного керування фізико-механічними властивостями матеріалів при довгостроковій експлуатації” (тема НЧ/406-2007, номер ДР 0107U007316, 2007).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення зносостійкості титанових сплавів шляхом обробки поверхні низькотемпературним БАТР.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені і вирішені наступні задачі:

Розробити технологію низькотемпературного БАТР титанових сплавів;

Розробити методику експериментальних досліджень фізико-механічних та трибологічних характеристик титанових сплавів, модифікованих низькотемпературним БАТР;

Дослідити зв'язок технологічних параметрів низькотемпературного БАТР з формуванням фазового складу, мікроструктурою, мікротвердістю, товщини поверхневого модифікованого шару титанових сплавів;

Визначити вплив мікротвердості, товщини та фазового складу на зношування азотованих титанових сплавів;

Оптимізувати технологію обробки, яка б забезпечувала максимальну зносостійкість в різних умовах тертя, та на основі отриманих результатів досліджень розробити рекомендації щодо підвищення зносостійкості титанових сплавів.

Об'єкт дослідження - модифікація поверхні титанових сплавів низькотемпературним БАТР, а також керованість процесом модифікації титанових поверхонь.

Предмет дослідження - зносостійкість модифікованих титанових сплавів. титановий сплав поверхневий низькотемпературний

Методи дослідження. Відповідно до поставлених задач для реалізації низькотемпературного БАТР використовувалась експериментальна установка УАТР-1. Металографічні дослідження мікроструктури модифікованого шару проводились на мікроскопі МИМ-10. Мікротвердість поверхні визначали на мікротвердомірі ПМТ-3. Для визначення фазового складу та товщини модифікованого шару використовувався метод рентгеноструктурного аналізу (ДРОН 3-М). Визначення хімічного складу проводилось методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії та електронної оже-спектроскопії. Для визначення характеру поверхні тертя застосовували метод фрактографічних досліджень. Зносостійкість поверхні тертя вивчали на машини тертя УМТ-2168 та на установці для досліджень на фретинг-зношування. При обробці результатів дослідів застосовували методи планування експерименту та математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі отримано ряд результатів, що мають наукову новизну.

Отримала подальший розвиток концепція енергетичної моделі азотування в тліючому розряді стосовно титанових сплавів, для чого введена система аналітичних показників, які характеризують основні процеси, котрі мають місце на межі газ-поверхня титанових сплавів; проведено аналіз впливу параметрів технологічного режиму на ці показники, що відкриває шлях до керованого формування трибологічних систем.

З врахуванням специфіки азотування титанових сплавів вперше розроблені та застосовані програмні продукти для розрахунку відносних енергетичних факторів різних типів; проведено співставлення результатів розрахунків з реальними структурами азотованих титанових сплавів, що підтвердило їх повну адекватність, прийнятність аналітичних показників та можливість проектування і оптимізації технологічних процесів в залежності від вимог експлуатації.

Встановлено оптимальний температурний діапазон азотування, уточнено механізм зношування поверхні титанових сплавів після низькотемпературного БАТР, суть якого полягає в тому, що нітридні сполуки в залежності від фазового складу і умов експлуатації зменшують схильність поверхонь тертя до схоплювання та знижують інтенсивність їх зношування.

Отримали подальший розвиток дані про вплив мікротвердості, товщини та фазового складу поверхневих шарів, які утворюються при низькотемпературному БАТР титанових сплавів на трибологічні властивості при різних умовах зношування, що зробило можливим оптимізацію технології.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені оптимальні технологічні режими зміцнення поверхні промислових титанових сплавів при низькотемпературному БАТР. Отримані у роботі наукові результати використовуються в практиці підвищення зносостійкості пар тертя, виготовлених з титанових сплавів. Результати роботи впроваджуються на Волочиському машинобудівному заводі ВАТ “Мотор Січ”. Крім того, матеріали досліджень використовуються в Хмельницькому національному університеті в навчальному процесі при викладанні курсу “Високоенергетичні зміцнюючі технології”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень отримані здобувачем особисто. Особистий внесок здобувача в спільних роботах полягає в: 2, 4, 6, 7, 9, 11, 17 - обґрунтуванні головних положень зносостійкості азотованих при низьких температурах титанових сплавів; 3, 11, 19 - аналізі методів модифікації поверхні титанових сплавів; 8, 13 - розробці теоретичних основ формування нітридів в титанових сплавах при БАТР та їх практична апробація; 12, 16, 20 - в дослідженнях низькотемпературним БАТР титанових сплавів, обробці та узагальненні результатів експериментів. Здобувач приймала безпосередню участь в обговоренні результатів, написанні статей та підготовці доповідей на конференціях.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, виконаних в дисертації, доповідались на ряді міжнародних конференціях: “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001)”: (Хмельницький: ТУП, 2001), “Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва” (Хмельницький, 2003), “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин” (Тернопіль, 2004), “Mechanical Engineering Design and Manufacturing” (Lodz, 2005), “Технічно-економічне сприяння розвитку підприємництва” (Краків, 2005), “Проблеми корозійно-механічного руйнування, інженерія поверхні, діагностичні системи” (Львів, 2007), “Інформатика та механіка” (м. Кам'янець-Подільський, 2008).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 20 наукових роботах, в т. ч. статей в фахових журналах - 13, статей в збірниках повних доповідей - 4, тез - 3.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел на 20 сторінках та додатків, загальний обсяг - 194 сторінки машинописного тексту. Основна частина дисертації містить 80 рисунків та 16 таблиць. Список використаних джерел включає 202 роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, дана стисла оцінка сучасного стану проблеми та визначені напрямки її вирішення. Розкрита важливість теми дисертації, показано зв'язок її з науковими програмами, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна, практична цінність отриманих результатів. Відзначено особистий внесок здобувача, повнота апробації і ступінь публікації результатів досліджень.

У першому розділі проведено аналіз експериментальних та теоретичних робіт, які присвячені різним методам азотування титану та сплавів на його основі. Вибір цього матеріалу в якості об'єкту досліджень обумовлений тим, що титанові сплави мають широке застосування в промисловості і медицині.

У розділі розглядаються методи модифікації поверхні титанових сплавів: газове азотування, іонна імплантація, лазерне легування, метод фізичного осадження покриття (PVD), метод конденсації в умовах іонного бомбардування (КіБ), метод хімічного осадження в вакуумі (CVD), іонне азотування (азотування в тліючому розряді). Для інтенсифікації процесу поверхневого зміцнення титану та його сплавів перспективним є безводневе азотування в тліючому розряді. Основні розробки наукових основ промислових технологій та устаткування для здійснення процесу іонного азотування виконані школами Ю. М. Лахтіна та Б. М. Арзамасова. Основи теорії та практики безводневого азотування в тліючому розряді розроблені В. Г. Каплуном та І. М. Пастухом.

Показано, що процес азотування залежить від основних параметрів азотування: температури обробки, тиску газового середовища, тривалості обробки та складу газового середовища, напруги та густини струму розряду.

У другому розділі сформована загальна методологія досліджень. Експериментальні дослідження фізико-механічних характеристик, фазового складу і зносостійкості проводили на ( + ) титановому сплаві ВТ8 та ВТ3-1. Дані сплави мають найбільш широке застосування в промисловості.

Низькотемпературне БАТР титанових сплавів проводилося в Подільському науковому фізико-технологічному центрі Хмельницького національного університету на установці УАТР-1. В процесі досліджень технологічні параметри азотування (температура, тиск, тривалість азотування і склад середовища) змінювались в широких межах, а саме: Т = 540…700 С, Р = 80…400 Па, час 20…240 хв, вміст аргону в газовій суміші від 0 до 96 %.

З метою скорочення кількості експериментів в процесі досліджень фізико-механічних властивостей азотованих поверхонь застосовувалося планування експериментів за планом другого порядку (план Хартлі) та рототабельний план другого порядку. В процесі експериментів досліджували мікротвердість поверхні та її розподіл по глибині, хімічний та фазовий склад.

Дослідження зносостійкості проводилося при сухому терті, в середовищі мастила та при фретингу. Зокрема, дослідження на зношування при сухому терті проводилося за схемою випробування палець-диск на модернізованій універсальній машині тертя УМТ-2168 з автоматичним записом процесу зносу, коефіцієнту тертя і температури в зоні тертя. Досліджувані зразки мали сферичну поверхню тертя (R = 2,5 мм), навантажувалися силою 20 Н при швидкості ковзання 50 м/хв, контртіло - диск із сталі 45 з твердістю HRC 45 одиниць. Сигнали від вимірювальних пристроїв подавались на комп'ютер і оброблялися за допомогою спеціальної програми.

Випробування на фретинг-зношування проводились по схемі “кулька-площина” на спеціальній установці. Контртіло - сталь 45 гартована, із твердістю HRC 45 одиниць, початковий тиск в зоні контакту - 155 МПа, амплітуда коливань - 30 мкм, частота коливань 30 Гц. Оцінка фретингостійкості проводилась за критеріями: зміна тиску і відносне зміщення в контакті. Обробку результатів експериментів було проведено із застосуванням методів математичної статистики.

Третій розділ присвячено теоретичному дослідженню впливу параметрів БАТР на формування модифікованих нітридних шарів. Розглянуті питання прийнятності факторів, що характеризують сприятливість умов азотування в тліючому розряді утворенню нітридів на поверхні титанових сплавів. Прогнозування процесу формування нітридів в титанових сплавах при азотуванні в тліючому розряді виконано на основі теоретичних основ фізики процесу азотування та енергетичної моделі процесу, розроблених сумісно з І. М. Пастухом. Введено поняття відносних енергетичних факторів (ВЕФ), які характеризують як процеси утворення нітридів, дифузії азоту, так і розпорошення нітридів. Весь процес взаємодії падаючого потоку з поверхнею регламентується системою аналітичних показників, які умовно розділені на дві групи: фактори утворення нітридів в поверхневому шарі (вони залежать від перерахованих вище параметрів технологічного режиму і хімічного складу поверхні) та фактори, котрі визначаються характеристиками газового середовища при певних характеристиках розряду. В межах цієї роботи, присвяченої технологічним особливостям формування шару нітридів на поверхнях титанових сплавів, доцільно буде тільки відзначити, що в другу групу показників впливу падаючого потоку на поверхню входять: ВЕФ, які відображають здатність потоку іонізованих та нейтральних часток, що бомбардують поверхню, сприяти її розпорошенню чи дифузії часток в глибину поверхневого шару; сума добутків енергетичних рівнів часток всіх видів на їх відносну кількість. Поняття відносності випливає з того, що енергетичний спектр падаючого потоку (ЕСПП) формується порівняно з енергетичним рівнем першого від катоду прошарку вільного пробігу часток.

Для цілого ряду титанових сплавів в межах першої групи факторів розраховані:

FN - загальний ВЕФ утворення нітридів;

FNА - атомарна складова загального ВЕФ утворення нітридів;

FNМ - те саме, але молекулярна.

Перераховані фактори та складові розраховані по всіх енергетичних рівнях для всіх можливих комбінацій часток потоку та поверхні, яка в загальному виді складається з k-сортів елементів. Тому складові ВЕФ утворення дифундидів з компонентом поверхні k-го сорту, які відповідають певному енергетичному рівню:

,

де , - відносні ЕСПП молекулярних та атомарних іонів;

w(и) - розподіл імовірності кута и передачі енергетичного імпульсу при зіткненні часток потоку та поверхні.

Межі коливань цього кута, як границі інтегрування розподілу імовірності, визначаються з умови мінімального та максимального значень імпульсу енергій, а саме граничне значення кута в загальному вигляді розраховується (рис. 1):

де еlim - енергетичний рівень мінімального (максимального) обмеження;

Kenk - коефіцієнт енергопередачі, який враховує співвідношення мас падаючої частки та частки поверхні k-го сорту;

еі - поточне дискретне значення ЕСПП.

Рис. 1. Схема для розрахунку параметрів енергопередачі

Відомо, що твердість модифікованої поверхні в першу чергу визначається наявністю та шириною шару нітридів. У табл. 1 наведене співставлення поверхневої мікротвердості та середніх відношень ВЕФ утворення нітридів для різних марок титанових сплавів, що демонструє повну адекватність цих характеристик.

Показано, що величина ВЕФ утворення нітридів і, відповідно, фізико-механічні характеристики поверхні можна змінювати в широких межах в залежності від технологічних параметрів процесу азотування. При певних технологічних режимах можна отримати екстремальні значення ВЕФ і, відповідно, мікротвердість та товщину нітридного шару.

Таблиця 1 - Порівняння показників азотування в тліючому розряді з відношеннями ВЕФ утворення нітридів

Марка сплаву	Мікротвердість HV0,1	Середні відношення ВЕФ утворення нітридів
	до обробки	після обробки
ВТ1-0	180	276	1
ВТ8	360	495	1,134
ВТ3-1	360	612	1,183

Газове середовище N75Ar25 (система позначення: азот 75 %, аргон 25 % за об'ємом) з точки зору утворення нітридів слід вважати більш активним. З наведеного аналізу випливає, що для утворення сполук, котрі модифікують поверхню титанових сплавів, мають суттєве значення в якості початкових чинників як молекули азоту, так і його атоми.

Слід відмітити, що значення тиску, при якому досягаються найбільші величини ВЕФ утворення нітридів, залежать від параметрів технологічного режиму. Зі збільшенням температури точка екстремуму має тенденцію зміщення в сторону більших значень, оскільки для забезпечення кількісно-якісної концепції енергетичного впливу необхідно в певній мірі компенсувати зменшення концентрації часток при підвищенні температури.

У другому підрозділі розділу розглядається зв'язок аналітичних критеріїв з реальними структурами азотованих титанових сплавів. З рис. 2 слідує, що при тиску, меншому за оптимальний енергетичний рівень потоку достатньо високий, що сприяє розпорошенню шару нітридів, його перетворенню та дифузії азоту в глибину. При великому тиску відслідковується ледве помітна зона е-фази.

Якісні співвідношення показників сформованих шарів нітридів відповідають співвідношенням ВЕФ утворення нітридів на центральному графіку. На рис. 2 та 3 прийнята система позначень, яка розшифровується за прикладом: NFpu500t813j15 - аналіз зміни характеристик загального фактора утворення нітридів залежно від тиску в камері (варіанти: u - напруги, t - температури, j - густини струму).

Порівняння показників, наведених у таблиці 1, з графіками зміни абсолютних значень ВЕФ утворення нітридів підтверджує кореляцію між ними. На рис. 3 порівнюються мікроструктури титанового сплаву ВТ8, азотованого при значеннях технологічного режиму (рис. 3а - газове середовище N75Ar25 з переважанням азоту - 75 % азоту + 25 % аргону, рис. 3б - N10Ar90 з переважанням аргону - 10 % азоту + 90 % аргону).

Природно, газове середовище з переважаючим вмістом аргону (рис. 3б) має меншу здатність до утворення на поверхні шару нітридів, тому і товщина шару нітридів суттєво менша в порівнянні з азотуванням в середовищі, де переважає азот (рис. 3а).

Коли значення тиску менше за оптимальне, енергетична дія падаючого потоку найбільша, відбувається розпорошенню поверхні і дифузія азоту в глибину. При тиску, більшому за оптимальний, енергетичний спектр зміщується в сторону зменшення енергії часток, при цьому процес утворення нітридів сповільнюється, тому й товщина їх шару менша. І тільки при оптимальних значеннях тиску створюються найкращі умови для формування модифікованого шару, структура його включає всі можливі фази.

Застосована енергетична модель утворення нітридів при азотуванні в тліючому розряді титанових сплавів дозволяє використовувати означені характеристики як основу для оптимізації технологічних режимів та прогнозування результатів модифікації, тобто - керованості технологією модифікації.

Таким чином, розроблені на основі енергетичної моделі теоретичні положення та система аналітичних показників цілком адекватно якісно відображають процес формування модифікованих шарів на поверхні титанових сплавів як наслідок низькотемпературного БАТР. В результаті цієї частини досліджень розроблена методика вибору оптимальних параметрів технологічного режиму.

У четвертому розділі досліджено структура поверхні, мікротвердість, товщина та фазовий склад поверхні титанових сплавів після низькотемпературного безводневого азотування в тліючому розряді. Мікротвердість поверхні азотованих за різними режимами титанових сплавів змінюється в широких межах від 5000 МПа до 7300 МПа для сплаву ВТ8 і від 5300 МПа до 9050 МПа для титанового сплаву ВТ3-1. Характер зміни мікротвердості по товщині азотованого шару після азотування в тліючому розряді сплаву ВТ8 наведено на рис. 4 з якого видно, що мікротвердість поступово зменшується від поверхні до серцевини по експонентній залежності.

На основі результатів експериментальних досліджень, які проведені відповідно до чотирьох факторного плану другого порядку Хартлі, отримано математичні залежності мікротвердості поверхні сплавів ВТ8 і ВТ3-1 після азотування в тліючому розряді від технологічних параметрів процесу і побудовано графічні залежності (рис. 5). Так, при збільшенні температури і часу дифузійного насичення мікротвердість поверхні збільшується при різних значеннях інших технологічних параметрів і досягає найбільших значень при тиску 80 Па, вмісті аргону в насичуючому середовищі 96 % та часі дифузійного насичення 240 хв.

При азотуванні в тліючому розряді титанових сплавів ВТ8 і ВТ3-1 на поверхні утворюється нітридний шар, товщина якого в умовах експериментів досягала товщини 4,1 мкм. Товщина модифікованого шару залежить від технологічних параметрів процесу азотування і зростає з підвищенням температури, часу дифузійного насичення, збільшенням об'ємного вмісту аргону в насичуючому середовищі і зменшується з підвищенням тиску. При температурах 540 С, 580 С і 620 С в структурі основи сплаву ВТ8 (рис. 6а, б, в) значних змін не відбувається. При температурах 700 С в титанових сплавах відбувається зміна кристалічної решітки (рис. 6г).

Проводились рентгеноструктурні дослідження зразків азотованих за різними режимами. На рис. 7 представлені дифрактограми, з яких слідує, що інтенсивність піків від нітридних фаз при температурі азотування 660 C (Р - 160 Па, - 75 хв, Ar - 72 %) набагато більша, ніж при температурі азотування 580 С. Фазовий склад нітридної зони характеризується тим, що він містить всі три фази: TiN, Ti2N і -Ti(N).

У п'ятому розділі представлені дослідження впливу низькотемпературного азотування в тліючому розряді на зносостійкість титанових сплавів в різних умовах зношування: сухого тертя, граничного тертя в мастилі І-20, малоамплітудного фретингу.

Досліджено кінетику зношування неазотованих і азотованих зразків за різними режимами азотування (рис. 8).

У період припрацювання на поверхні зразка і контртіла утворюється мікрорельєф, що характеризується наявність виступів і впадин глибиною 0,7 мкм, який при нормальному зношуванні зберігається певний час, поки на поверхні є нітридний шар. В подальшому, після зношування нітридного шару, на контртілі з'являються частинки з титану, що намащуються на поверхню. Період схоплювання починається після зносу азотованого шару. В умовах сухого тертя існує оптимальне значення мікротвердості поверхні, товщини азотованого шару і фазового складу, що забезпечують максимальну зносостійкість пари тертя. Дослідження показали, що наявність на поверхні великої кількості фази TiN викликає абразивне зношування поверхні тертя за рахунок продуктів руйнування твердої нітридної фази.

Значний вплив на інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя має режим азотування титанового сплаву, який дозволяє змінювати твердість, товщину азотованого шару і фазовий склад поверхні тертя.

Модифіковані шари, сформовані низькотемпературним БАТР, порівняно з неазотованими зразками, виявляють високу зносостійкість в мастилі І-20 при навантаженні 0,12 МПа. Після випробування азотованого шару при навантаженні 0,12 МПа спостерігаються незначні плями схоплювання. Збільшення тиску суттєво змінює вид модифікованої поверхні, майже всю площу займають сліди схоплювання. Дослідженнями на зносостійкість в мастилі І-20 виявлено режими, які показали найкращу зносостійкість, а саме: режими № 7 та № 6 (табл. 2).

Азотування в тліючому розряді дозволяє значно підвищити здатність титанових сплавів запобігати схоплюванню при терті. Результати досліджень зносостійкості сплаву ВТ8 показали, що граничне зусилля схоплювання титанового сплаву після азотування в тліючому розряді в даних умовах випробувань збільшилось в порівнянні з неазотованим зразком майже в 4,6 рази, аналогічно - тиск в зоні контакту збільшився в 3,7 рази.

Дослідження на фретинг-зношування титанового сплаву ВТ8 показали, що низькотемпературне БАТР дозволяє підвищити фретингостійкість, яка характеризується меншою зміною тиску і сили тертя в парі тертя.

На рис. 9 наведені залежності втрати нормального тиску в номінально-нерухомому з'єднанні з початковим натягом 155 МПа від кількості циклів тангенціальних переміщень з амплітудою вимушених коливань 30 мкм. З рисунка видно, що існують три зони на кривій залежності тиску від кількості циклів переміщень, які характеризуються різною інтенсивністю зміни тиску в з'єднанні.

Таблиця 2 - Характеристики азотованого титанового сплаву ВТ8 при випробуванні на зношування в умовах сухого тертя

Режим азотування	Параметри режиму азотування	Мікротвердість поверхні Н50, МПа	Товщина нітридного шару hTiN, мкм	Товщина азотованого шару h, мкм	Фазовий склад азотованого шару, %	Інтенсивність зношування, І10-6	Коефіцієнт тертя, f
	температура, Т С	тиск Р, Па				TiN	Ti2N
1	660	320	6500	1,6	75	5,9	19,2	0,22	0,32
2	580	320	5700	1,7	60	2,6	18,6	0,20	0,29
3	660	160	7300	2,5	80	2,2	21,6	0,21	0,31
4	580	160	6400	2,3	65	0	22,3	0,19	0,29
5	560	240	6500	1,8	40	0	21,8	0,17	0,27
6	680	240	7000	2,6	95	7,8	25,4	0,23	0,40
7	620	125	7200	2,8	85	2,1	24,1	0,19	0,30
8	620	355	5900	2,5	50	5,5	11,5	0,16	0,26
9	620	240	6350	2,7	60	3,8	20,3	0,12	0,20
Не азотований	4400	-	-	-	-	8,5	0,6

В першій зоні (від 0 до 0,5106 циклів) відбувається падіння контактного тиску з великою інтенсивністю, яке обумовлене пластичною деформацією поверхні і залежить від величини нормального навантаження, мікротвердості поверхні, товщини азотованого шару і мікрогеометрії контактуючих поверхонь.

У другій зоні (від 0,5106 до 5…6106 циклів) інтенсивність зміни тиску у контакті менша, при цьому зі збільшенням кількості циклів тангенціальних переміщень зменшується величина мікропластичних деформацій на поверхні, поступово збільшується кількість продуктів зношування в зоні контакту, що приводить до зменшення адгезійної взаємодії контактуючих поверхонь. У третій зоні (від 5…6106 циклів) відбувається різке падіння контактного тиску. Між контактуючими поверхнями виникає шар продуктів зношування, який роз'єднує контактуючі поверхні.

На рис. 10 наведені графіки залежності втрати тиску в з'єднанні від температури і тиску при БАТР після 6106 циклів тангенціальних переміщень, з яких видно, що мінімальні значення цього параметру досягається при температурі 620 С і тиску 240 Па.

На основі проведених досліджень можна рекомендувати оптимальний режим азотування титанового сплаву в тліючому розряді: температура азотування 620 С, тиск у вакуумній камері 240 Па, тривалість обробки 240 хв і склад насичуючого середовища 52 %N2 + 48 %Ar, що забезпечує максимальну фретингостійкість в умовах сухого тертя зі сталлю 45 гартованою (HRC = 45). Зменшення номінального тиску в трибоспряжені впливає на фрикційні характеристики контакту, які ведуть до збільшення амплітуди відносного проковзування в контактній парі та втрати тангенціальної жорсткості.



ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і дано нове вирішення науково-технічної задачі підвищення зносостійкості титанових сплавів за рахунок практичного застосування низькотемпературного безводневого азотування в тліючому розряді. Як результат виконаних досліджень сформульовані наступні висновки.

Область застосування титанових сплавів є основним фактором актуальності дисертаційної роботи. Серед перспективних технологій, які можуть використовуватися для підвищення зносостійкості пар тертя, в котрі входять деталі із титанових сплавів, слід вважати низькотемпературне безводневе азотування в тліючому розряді. Застосування низькотемпературного безводневого азотування в тліючому розряді не призводить до збільшення зернистості основи та водневого окрихчування поверхні. Ефективне застосування цього процесу вимагає подальших теоретичних та експериментальних досліджень, що і обумовлює актуальність дисертаційної роботи.

Аналізом джерел обґрунтована теоретична і практична прийнятність підвищення зносостійкості деталей з титанових сплавів методом низькотемпературного безводневого азотування в тліючому розряді.

Отримала подальший розвиток концепція енергетичної моделі взаємодії часток падаючого потоку з частками поверхні стосовно титанових сплавів. З використанням енергетичних спектрів падаючого потоку розроблена система показників, які залежать від параметрів технологічного режиму та складу поверхні. Експериментально доведено, що ці показники цілком адекватно дозволяють прогнозувати фазовий склад поверхні, звідки випливає реальна практична можливість проектування та оптимізації технологічних режимів в залежності від вимог експлуатації об'єктів модифікацій, тобто керованості формуванням трибологічних систем.

Одержані багатофакторні залежності мікротвердості, товщини та фазового складу поверхневих шарів титанових сплавів після низькотемпературного безводневого азотування в тліючому розряді від технологічних параметрів процесу дифузійного насичення. Показано, що твердість та товщину азотованого шару можна змінювати в широких межах в залежності від технологічних параметрів азотування. Товщина та мікротвердість модифікованого шару суттєво залежать від температури і її вплив має різнонаправлений характер. Вплив тиску на ці характеристики має екстремальний характер. Значення твердості для різних за хімічним складом сплавів різне як за величиною, так і за значенням азотного потенціалу. Дослідження показали, що в залежності від технологічних параметрів азотування можна отримувати на поверхні фази TiN, Ti2N і твердий розчин -Ti(N). При температурі 540 С і тиску 80 Па на поверхні утворюється більш пластична фаза Ti2N і відсутня фаза TiN, і лише з підвищенням температури на поверхні з'являється фаза TiN.

Одержані залежності впливу технологічних параметрів процесу азотування в тліючому розряді титанових сплавів на інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя при сухому терті, тертя в мастилі і фретингу, які дозволяють оптимізувати фізико-механічні характеристики поверхні тертя за критерієм максимальної зносостійкості з врахуванням умов експлуатації, причому, оптимальні режими різні для різних умов експлуатації. В умовах сухого тертя наявність великої кількості нітридної фази TiN, яка обумовлює високу твердість нітридного шару, призводить до абразивного зношування поверхні тертя продуктами руйнування крихкого нітридного шару. Існує оптимальний фазовий склад азотованого шару, який забезпечує максимальну зносостійкість в конкретних умовах тертя. В умовах тертя в мастилі інтенсивність зношування азотованого титанового сплаву ВТ8 за оптимальним режимом на два порядки менша в порівнянні з неазотованим титановим сплавом. Зносостійкість нітридної зони в мастилі в 4…6 разів вища ніж зони внутрішнього азотування.

Низькотемпературне безводневе азотування в тліючому розряді є ефективним методом підвищення фретингостійкості титанових сплавів. В номінально-нерухомих з'єднаннях при малоамплітудному фретингу критеріями фретингостійкості є зміна тиску і величина проковзування в з'єднанні, які залежать від мікротвердості, товщини нітридного шару і фазового складу контактуючих поверхонь та умов експлуатації. В умовах тертя без мастила оптимальний режим азотування забезпечує збільшення фретингостійкості титанового сплаву ВТ8 при малоамплітудному фретингу в 6…8 разів.

Розроблені практичні рекомендації щодо підвищення трибологічних властивостей деталей авіаційної техніки з титанового сплаву ВТ8 (лопаток ГТД) методом низькотемпературного азотування для впровадження на Волочиському машинобудівному заводі ВАТ “Мотор Січ”. Крім того, матеріали досліджень використовуються в Хмельницькому національному університеті в навчальному процесі при викладанні курсу “Високоенергетичні зміцнюючі технології”.



ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Машовець Н. С. Вплив параметрів іонного азотування титану на фізико-механічні характеристики азотованого шару / Н. С. Машовець // Вісник двигунобудування. - 2004. - № 3. - С. 122-125.

2. Гончар В. В. Номінальний контактний тиск, як критерій фретингостійкості азотованих титанових сплавів / В. В. Гончар, Н. С. Машовець, Ю. І. Шалапко // Надійність і довговічність машин і споруд. - 2005. Вип. 24. - C. 150-156.

3. Каплун В. Г. Кінетика зношування азотованого титанового сплаву / В. Г. Каплун, Н. С. Машовець // Вісник двигунобудування. - 2006. - № 2. - С. 85-87.

4. Погрелюк І. М. Формування зносостійких нітридних шарів при комбінованому азотуванні / І. М. Погрелюк, О. І. Яськів, І. М. Пастух, Н. С. Машовець // Проблеми трибології. - 2006. - № 4. - С. 113-116.

5. Шалапко Ю. І. Малоамплітудний фретинг на поверхні азотованого титанового сплаву / Ю. І. Шалапко, Н. С. Машовець, Г. Шетела // Проблеми трибології. - 2006. - № 4. - С. 117-123.

6. Drapak G. M. Behaviour of nitriding layers for condition of small amplitude fretting / G. M. Drapak, Y. I. Shalapko, N. S. Mashovets, N. Radek // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. - 2007. - V. 20. Is. 1-2. - P. 243-246.

7. Пастух І. М. Прогнозування формування нітридів в титанових сплавах при азотуванні в тліючому розряді / І. М. Пастух, Н. С. Машовець // Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - № 3. - Т. 2 (93). - С. 28-36.

8. Mashovets N. S. Tribological description of titanium alloy after ionic nitriding / N. S. Mashovets, O. N. Makovkin // Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - № 5. - С. 109-111.

9. Погрелюк И. Н. Применение комбинированных методов азотирования для формирования износостойких покрытий на титановых сплавах / И. Н. Погрелюк, О. И. Яськив, В. Н. Федирко, И. М. Пастух, Н. С. Машовец // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 7. - С. 29-33.

10. Pohrelyuk I. Formation of corrosion resistant nitride layers through sequentially combination of nitriding methods / I. Pohrelyuk, O. Yaskiv, N. Mashovets // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів : в 2-х т. Спецвипуск журналу “Фізико-хімічна механіка матеріалів”. - № 7. - Львів : Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2008. - Т. 1. - С. 272-276.

11. Каплун В. Г. Дослідження зносостійкості титанового сплаву ВТ8 після низькотемпературного азотування в плазмі тліючого розряду / В. Г. Каплун, Н. С. Машовець // Проблеми трибології. - 2008. - № 4. - С. 84-88.

12. Машовець Н. С. Зв'язок аналітичних критеріїв з реальними структурами титанових сплавів, азотованих в тліючому розряді / Н. С. Машовець, І. М. Пастух // Вісник Хмельницького національного університету. - 2008. - № 6. - С. 16-21.

13. Каплун В. Г. Дослідження властивостей поверхні титанового сплаву ВТ8 після низькотемпературного азотування в плазмі тліючого розряду / В. Г. Каплун, Н. С. Машовець // Вісник двигунобудування. - 2008. - № 2. - С. 190-193.

14. Каплун В. Г. Перспективи іонного-азотування титанових сплавів / В. Г. Каплун, Н. С. Машовець, О. С. Здибель // Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ - 2001) : Міжнародна наук.-техн. конф. - Хмельницький : ТУП, 2001. - С. 45-46.

15. Каплун В. Г. Технологічні і фізичні процеси формування дифузійних шарів при іонному азотуванні титанових сплавів / В. Г. Каплун, В. К. Яценко, Н. С. Машовець // Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва : Матеріали українсько-польської наук. конф., Хмельницький, 2003. - С. 66-68.

16. Гончар В. В. Вплив технологічних параметрів іонного азотування на фретингостійкість титанових сплавів / В. В. Гончар, Н. С. Машовець // Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин : Пр. І Міжнародної науково-технічної конференції (DSR AM - I), 4-7 жовтня, Тернопіль, 2004. - С. 322-326.

17. Mashovets N. Complex laser processing and electrosparks alloying of constructional materials / N. Mashovets, Y. Shalapko // “Mechanical Engineering Design and Manufacturing”. Referaty I Seminarium Wydzialu Mechanicznego. - Lodz, 2005. - P. 13-18.

18. Каплун В. Підвищення фретингостійкості титанових сплавів іонним азотуванням / Віталій Каплун, Наталія Машовець // II Польсько-українська наукова конференція “Технічно-економічне сприяння розвитку підприємництва”. Збірка праць. - Краків, 2005. - C. 447-450.

19. Проскурняк Р. В. Застосування комбінованої обробки для підвищення корозійної тривкості титанових сплавів / Р. В. Проскурняк, Н. С. Машовець // Проблеми корозійно-механічного руйнування, інженерія поверхні, діагностичні системи : Відкрита науково-технічна конференція молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України. - Львів, 2007. - С. 179-182.

20. Каплун В. Г. Дослідження фізико-механічних і трибологічних характеристик титанових сплавів після іонного азотування / В. Г. Каплун, Н. С. Машовець // VI міжнародна конференція молодих науковців “Інформатика та механіка”, 6-8 травня 2008 р. : тези доповідей. - Кам'янець-Подільський, 2008. - С. 58.



АНОТАЦІЯ

Машовець Н. С. Трибологічні характеристики титанових сплавів після низькотемпературного безводневого азотування в тліючому розряді. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Хмельницький національний університет, Хмельницький, 2009.

Дисертація присвячена процесу керованого формування трибологічних систем на поверхні титанових сплавів в результаті низькотемпературного безводневого азотування в тліючому розряді. Експериментально доказана можливість управління фізико-механічними та трибологічними характеристиками модифікованих поверхневих шарів, що сприяє підвищенню мікротвердості поверхні, її зносостійкості в залежності від умов експлуатації. На основі енергетичних підходів розроблена модель поверхневих процесів, запропонована система аналітичних показників, які корелюють з результатами обробки в реальних технологічних режимах у взаємозв'язку з їх параметрами (температура поверхні, тиск газового середовища, його склад, тривалість обробки, електричні характеристики розряду - напруга і густина струму). Запропонована модель експериментально перевірена на титанових сплавах різних марок, що відкриває шлях для проектування оптимізації технології в залежності від вимог подальшої експлуатації.

Ключові слова: модифікація поверхні титанових сплавів, безводневе азотування, тліючий розряд, трибологічні характеристики.



АННОТАЦИЯ

Машовец Н. С. Трибологические характеристики титановых сплавов после низкотемпературного безводородного азотирования в тлеющем разряде. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и износ в машинах. - Хмельницкий национальный университет, Хмельницкий, 2009.

Диссертация посвящена формированию трибологических характеристик титановых сплавов путем модификации поверхности низкотемпературным безводородным азотированием в тлеющем разряде. В результате анализа известных исследований процесса высокотемпературного азотирования титановых сплавов и их физико-механических характеристик, показано, что при низкотемпературном безводородном азотировании в тлеющем разряде сохраняются механические свойства исходного материала и исключаются водородное охрупчивание поверхности.

На основе теоретических положений физики процесса азотирования, исходя из концепции энергетической модели, проведен анализ влияния параметров технологического режима на систему аналитических показателей, которые характеризуют основные процессы на границе газ-поверхность титановых сплавов (образование нитридов, диффузия, распыление поверхностного слоя), что открывает путь к управлению формированием трибологичних систем и дает возможность проектировать и оптимизировать технологические режимы в зависимости от требования эксплуатации. Разработаны программные продукты для расчета относительных энергетических факторов разных типов для ряда марок титановых сплавов и проведено сопоставление результатов расчетов с реальными структурами азотированных титановых сплавов, что подтвердило их полную адекватность и приемлемость предложенных аналитических показателей.

Микротвердость и толщина модифицированного слоя зависят от технологических параметров азотирования (температуры обработки, давления газовой среды, длительности обработки и состава газовой среды, напряжения и плотности тока разряда). Проведены обширные экспериментальные исследования низкотемпературного азотирования в тлеющем разряде, в результате чего получены зависимости твердости, толщины азотированного слоя и фазового состава от параметров технологических режимов процесса азотирования.

В результате рентгеноструктурного анализа выявлена зависимость образования нитридных фаз TiN, Ti2N и твердого раствора -Ti(N) на поверхности титановых сплавов от технологических параметров азотирования. Микротвердость и толщина модифицированного слоя существенно зависят от температуры поверхности, причем ее влияние разнонаправлено. Влияние давления - экстремально. В совокупности эти два наиболее существенных параметра технологического режима позволяют формировать различные структуры поверхностного слоя в зависимости от условий последующей эксплуатации.

Исследованы износостойкость азотированного титанового сплава ВТ8 в условиях сухого трения и трения в масле И-20, а также его фреттингостойкость. Характеристики изнашивания неазотированного и азотированного титанового сплава в условиях сухого трения демонстрируют его высокую износостойкость, пока изнашивается азотированный слой, после чего происходит схватывание, характеризующийся катастрофическим износом, резким повышением коэффициента трения и температуры в зоне контакта. Кинетика изнашивания образцов, азотированных по различным технологическим режимам, показывает наилучшую износостойкость азотированного образца с оптимальным режимом азотирования (Т = 620 С, Р = 240 Па, Ar - 48 %, - 240 мин), при котором отмечается наименьшая интенсивность изнашивания с меньшим коэффициентом трения. Исследования износостойкости образцов азотированных по аналогичным режимам в среде масла показали, что в этом случае существует другой оптимум (Т = 680 С, Р = 240 Па, Ar - 48 %, - 240 мин), который обеспечивает максимальную износостойкость, в то время как при сухом трении при таком же режиме происходит абразивный износ из-за наличия большего количества продуктов разрушения слоя твердой фазы TiN. Безводородное азотирование в тлеющем разряде позволяет повысить фреттингостойкость титанового сплава, характеризующийся меньшим снижением давления в паре трения. За результатами исследования установлен механизм изнашивания титановых сплавов в заданных условиях эксплуатации, найдены оптимальные режимы модификации поверхности титановых сплавов для различных условий трения, позволяющие получать их максимальную износостойкость и фреттингостойкость. Разработаны рекомендации по внедрению результатов исследований в производство.

Ключевые слова: модификация поверхности титановых сплавов, безводородное азотирование, тлеющий разряд, трибологические характеристики.



THE SUMMARY

Mashovets N. S. Tribological characteristic of titanic alloys after the low temperature hydrogen-free nitriding in the glow discharge. - The Manuscript.

Thesis for a candidate degree in specialty 05.02.04 - friction and wear in machine. - Khmelnitskiy national university, Khmelnitskiy, 2009.

Dissertation is devoted to the solving of scientific and technical task in the increase of tribological characteristics of titanic alloys by modification of surface low temperature hydrogen-free nitriding in the glow discharge. This technology allows to improve wear-resistance of titanic alloys, excluding fragility of the received modified layers and hydrogen brittle behavior. Experimental researches of physics-mechanical and tribological characteristics of the modified superficial layers of titanic alloys showed a considerable increase of surface microhardness, formation of nitride layers, increase of wear-resistance under various conditions of exploitations, and also found out dependence of the given characteristics on the technological parameters of nitriding (temperatures of treatment, pressure of gas environment, duration of treatment and composition of gas environment, voltage and density of discharge current). As a result of experimental data processing, the model of a process, which allows designing and optimizing the technological modes depending on the set requirements of exploitation, is created.

Key words: surface modification of titanium alloys, hydrogen-free nitriding, the glow discharge, tribological performance.

Размещено на Allbest.ru

...