Фізичні основи регулювання адгезійної взаємодії металів з карбідами, нітридами та оксидами d-перехідних металів та sp-елементів

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ І РАДІАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

01.04.07 - Фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Фізичні основи регулювання адгезійної взаємодії металів з карбідами, нітридами та оксидами d-перехідних металів та sp-елементів

Вакуленко Карина Володимирівна

Харків-2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України, м. Харків.

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Мацевітий Володимир Михайлович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного НАН України,

завідувач відділу матеріалознавства

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент

Хрипунов Геннадій Семенович,

Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» МОН України, завідувач кафедри фізичного матеріалознавства для електроніки та геліоенергетики;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Литвиненко Володимир Вікторович,

Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, учений секретар

Захист відбудеться «16» березня 2009 р. о 16.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 у Інституті електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61003, м. Харків, вул. Гамарника, 2, корпус У-3, НТУ «ХПІ», ауд. 204.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61024, м. Харків, вул. Гуданова, 13. Відгук на автореферат дисертації надсилати на адресу: 61002, м. Харків, вул. Чернишевського, 28, а/с 8812.

Автореферат розісланий «5» лютого 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 Пойда А.В.

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтерес до явища сильної адгезійної взаємодії твердих тіл обумовлений як відсутністю чітких уявлень про природу й механізми адгезії, так і розвитком технологічних процесів, у яких адгезія відіграє визначальну роль. До таких процесів можна віднести процеси обробки матеріалів тиском і різанням, паяння й лудіння, нанесення захисних покриттів, холодне зварювання (тертям або вибухом), виробництво шаруватих (наприклад, біметалічних) матеріалів, процеси порошкової металургії, тертя й зношування у вузлах машин і механізмів, особливо тих, які працюють в екстремальних умовах, та ін. Необхідність керування явищем адгезії в перерахованих технологічних процесах очевидна. Разом з тим технологи дуже рідко вирішують таке завдання, що значною мірою пов'язано з відсутністю в них необхідних знань у цій галузі, а також з відсутністю на сьогодні загальновизнаних і систематизованих уявлень про механізм адгезії, що виключає можливість застосування на практиці ефективних фізичних важелів керування цим явищем. Тому дослідження природи й механізму адгезії твердих тіл є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відділі нестаціонарних механічних процесів й у відділі матеріалознавства Інституту проблем машинобудування (ІПМаш) ім. А.М. Підгорного НАН України відповідно до планів науково-дослідних робіт за:

- держбюджетними темами «Розвиток методів аналізу й зниження динамічної напруженості систем елементів енергетичного устаткування в умовах продовження строків його експлуатації» (2001-2005 рр., № ДР 0101U003586) і «Розробка наукових основ комплексного вдосконалення міцнісних динамічних властивостей новітніх конструкцій та матеріалів енергетичного та іншого устаткування з урахуванням технологічних й експлуатаційних факторів» (2006-2010 рр., № ДР 0106U000485);

- комплексною програмою наукових досліджень НАН України «Науково-технічні проблеми інтеграції енергетичної системи України в Європейську енергетичну систему» («Інтеграція») - договір «Удосконалення методів і методик розрахунку лопаткового апарата з різними видами міжлопаткових зв'язків, оцінки міцнісної надійності і ресурсу лопаток турбін та дослідження захисних покриттів», 2006 р., № ДР 0106U008600;

- госпдоговором «Розробка сучасних методів діагностування вібраційного та термонапруженого станів, оцінки ресурсу роботи основних елементів турбоагрегатів АЕС» (етапи 3, 4), 2006 р., № ДР 0105U007011.

Здобувач брала участь у виконанні цих робіт як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розвиток уявлень про природу й механізм адгезії твердих тіл і створення фізичних основ її регулювання. Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити такі завдання:

- проаналізувати особливості адгезії вуглецевих матеріалів, чистих металів, а також карбідів, нітридів й оксидів d-перехідних металів й sp-елементів з металами у твердому й рідкому станах і на цій основі запропонувати узагальнену фізичну концепцію адгезії твердих тіл, що не суперечить експерименту;

- встановити критерії адгезійної активності твердих тіл і фізичний принцип її регулювання, та проаналізувати можливість застосування розроблених критеріїв для оцінки адгезії оброблюваного й інструментального матеріалів у процесі різання;

- зіставити адгезійну активність різних інструментальних матеріалів з експлуатаційними властивостями відповідних різальних інструментів й оброблюваністю конструкційних матеріалів при використанні цих інструментів; адгезія перехідний метал карбід

- дослідити вплив адгезійного й когезійного факторів на кавітаційну стійкість багатошарових вакуумно-плазмових покриттів;

- з метою підвищення кавітаційної стійкості сталі 20Х13 запропонувати відповідне захисне вакуумно-плазмове покриття.

Об'єкт дослідження: адгезія твердих тіл різної природи з металами у твердому й рідкому станах, а також працездатність вакуумно-плазмових покриттів з різними адгезійними властивостями.

Предмет дослідження: механізм адгезії і важелі керування адгезійною активністю робочих поверхонь виробів.

Методи дослідження. Для відпрацьовування узагальненої концепції адгезії проведено аналітичне зіставлення результатів вивчення адгезії в умовах, що істотно відрізняються, яке дало можливість охопити все різноманіття явища й вибрати з ряду можливих елементів механізму адгезії найбільш важливі, які не суперечать експерименту.

Для виявлення зв'язку між адгезією інструментального матеріалу і матеріалу, що оброблюється різанням, та працездатністю інструменту проведено аналіз даних про оброблюваність матеріалів і довжину площадки контакту стружки з передньою поверхнею інструменту.

Для дослідження структури й властивостей багатошарових вакуумно-плазмових покриттів використані методи рентгеноструктурного аналізу, електронної растрової й оптичної мікроскопії, вимірювання твердості, мікротвердості, профілографування, випробування на кавітаційну стійкість, а також метод оцінки якості адгезії покриттів й їх когезійної міцності, який набув у роботі свого подальшого розвитку.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. На основі аналізу результатів експериментальних досліджень адгезії металів, та інших твердих тіл в умовах граничного тертя, тертя у вакуумі, спільного пластичного деформування, а також в умовах контакту твердого тіла з розплавленими металами уперше запропонована узагальнена концепція адгезії.

2. Уперше виділена сукупність найважливіших елементів механізму адгезії твердих тіл: утворення ювенільних поверхонь та їх щільного контакту, розрив міжатомних зв'язків поверхневих атомів тіл (за рахунок нагрівання, пластичної деформації, опромінення, інших енергетичних потоків) і перекриття валентних орбіталей поверхневих атомів стичних тіл, утворення нових електронних конфігурацій (які забезпечують адгезійні зв'язки), що супроводжується зниженням вільної енергії.

3. Запропоновано наукове обґрунтування існування енергетичного бар'єра процесу адгезії, яке базується на необхідності попереднього руйнування стабільних конфігурацій валентних електронів, що зв'язують атоми тонких поверхневих шарів твердого тіла.

4. Уперше виявлено, що адгезійна активність двокомпонентних тугоплавких карбідів, нітридів й оксидів d-перехідних металів й sp-елементів залежить від різниці електронегативностей елементів, що входять до сполуки.

5. Показано, що адгезійна активність металів підвищується зі зменшенням першого або першого та другого іонізаційних потенціалів їх ізольованих атомів.

6. У роботі зроблений висновок, що зниження схоплювання матеріалу, що оброблюється, з інструментальним матеріалом під час різання приводить за основними критеріями оброблюваності матеріалів до її поліпшення. Вперше обґрунтовано можливість практичного використання критеріїв адгезійної активності твердого тіла для прогнозу ефективності використання відповідних сполук у складі захисних покриттів при різанні.

7. Показано можливість підвищення кавітаційної стійкості вакуумно-плазмових покриттів за рахунок забезпечення їх високої когезійної та адгезійної міцності.

Практичне значення одержаних результатів. Створено наукові основи для практичної розробки нових матеріалів і покриттів з регульованим рівнем їх адгезійної активності. Уперше технологи одержують у своє розпорядження важелі керування цією найважливішою властивістю робочих поверхонь виробів (різальних інструментів, поверхонь тертя важконавантажених деталей паливної апаратури, гідрооб'ємних передач, деталей, що зазнають кавітації й фретинг-корозії). Ці важелі полягають у використанні технологічних прийомів спрямованої зміни хімічного і фазового складу приповерхневих шарів матеріалу. Практичне значення роботи полягає також у створенні конкретних вакуумно-плазмових покриттів, на прикладі яких показана можливість істотного підвищення кавітаційної стійкості сталі за рахунок покриттів.

Окремі наукові результати дисертації передано для використання на ДП «Завод ім. В.О. Малишева», в Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України та у Харківський НДІ технології машинобудування.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних й експериментальних досліджень, які виносяться на захист, одержані за особистої участі здобувача або самостійно. У роботах, які написані в співавторстві, здобувачеві належить: графічний аналіз зв'язку між різницею електронегативностей елементів, що входять у двокомпонентні сполуки, і їх змочуваністю рідкими металами [1, 3, 4]; розробка критеріїв оцінки адгезійної активності сполук [2, 15, 16,]; аналіз впливу фазового й хімічного складу на адгезійну активність сполук [6, 17]; аналіз зв'язку між схоплюваністю оброблюваного матеріалу з інструментальним й оброблюваністю матеріалу за основними критеріями цієї характеристики [11, 14, 24]; опис ролі електронної структури рідкого металу при змочуваності тугоплавких сполук [7]; дослідження характеру руйнування покриттів в околі відбитка від алмазного індентора [8, 12, 20]; аналіз впливу фазового складу й конструкції покриттів на їх кавітаційну стійкість, основні елементи концепції адгезійної взаємодії твердих тіл [5, 9, 13, 18, 19].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були подані й обговорені на таких наукових конференціях: 11-13 міжнародних науково-технічних конференціях «Физические и компьютерные технологии» (м. Харків, 2005-2007 рр.); 7-й міжнародній конференції «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (м. Харків, 2006 р.); 4-й міжнародній конференції «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» (Жуковка, Крим, 2006 р.); XVI міжнародній конференції «Новые технологии в машиностроении» (Рибаче, Крим, 2007 р.); конференціях молодих учених і фахівців Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України «Современные проблемы машиностроения» (2005-2007 рр.).

Публікації. Результати роботи опубліковані в 24 друкованих працях, у тому числі в 15 статтях, з яких 13 - у фахових наукових журналах, й в 9 матеріалах і тезах конференцій.

Структура й обсяг роботи. Робота складається з переліку умовних позначень і скорочень, вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 220 сторінок, що включає основний текстовий матеріал на 146 сторінках, 70 рисунків, 20 таблиць, список використаних джерел із 181 найменування на 18 сторінках і 2 додатки на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкритий сучасний стан наукової проблеми, обґрунтована актуальність теми роботи, сформульовані мета й завдання дослідження, об'єкт і предмет дослідження, наукова новизна й практична цінність одержаних результатів, охарактеризований внесок здобувача в роботу, наведені відомості про апробацію роботи й про публікації за темою дисертації.

У першому розділі «Фізико-технічні проблеми адгезійної взаємодії твердих тіл» наведений аналітичний огляд літератури, у якому проаналізовано сучасний стан уявлень про адгезію та її роль в різних сучасних технологічних процесах. Розглянуто також результати досліджень адгезії металів й інших твердих тіл. З огляду витікає, що при вивченні адгезії твердих тіл дослідників цікавили, насамперед, питання фундаментального характеру: за яких умов настає адгезія; який механізм утворення адгезійних зв'язків; чи впливає на адгезію природа твердого тіла і яким чином; чи існують важелі керування адгезійною активністю твердого тіла і в чому фізика такого керування.

Саме ці питання, так чи інакше, були домінуючими в дослідженнях схоплювання двох твердих тіл при терті й спільному пластичному деформуванні, а також при вивченні змочуваності твердих тіл розплавленими елементами й сплавами. Відзначається, що найбільший внесок у розвиток уявлень про адгезію твердих тіл зроблений у роботах вітчизняних дослідників А.П. Семенова, Ю.В. Найдича й В.Г. Самсонова.

У розділі простежено становлення сучасних уявлень про адгезію як явища, в основі якого лежать особливості електронної структури стичних тіл. Великим проривом щодо цього можна вважати створення енергетичної теорії (А.П. Семенов), створення конфігураційної моделі речовини, яка постулює існування у твердому тілі стабільних конфігурацій валентних електронів (В.Г. Самсонов), а також запропонований Ю.В. Найдичем механізм змочування твердих оксидів розплавленими металами. Разом з тим відзначається недостатність сучасних уявлень про механізм адгезії, що не дає можливості на практиці цілеспрямовано впливати на адгезійну активність твердих тіл різної природи.

Наприкінці розділу обґрунтована мета дослідження, що випливає з аналітичного огляду.

У другому розділі «Методики досліджень» описано методики, які застосовані в роботі.

Для вивчення впливу адгезійної і когезійної міцності багатошарових вакуумно-плазмових покриттів на їх кавітаційну стійкість розроблені багатошарові вакуумно-плазмові покриття різного хімічного й фазового складу, які були нанесені на зразки зі сталі 20Х13 після термообробки. Покриття наносилися на модернізованій установці «Булат-6». Структура й фазовий склад покриттів досліджувалися рентгеноструктурним методом на дифрактометрі «Дрон-3», а також за допомогою растрового електронного мікроскопа JEOL JSM-840 й оптичних мікроскопів МИМ-7 і МБС-9. На зразках з покриттями досліджувалася мікротвердість (ПМТ-3) і твердість (твердомір Роквелла), виконувалося профілографування поверхні покриттів (профілограф-профілометр Surtronic 3+), а також проводилися випробування кавітаційної стійкості на спеціальному стенді з магнітострикційним вібратором. Адгезійна й когезійна міцність покриттів оцінювалася методом глибокого проникнення алмазного конусного індентора від твердоміра Роквелла в поверхню зразків з покриттям. Адгезію й когезію оцінювали за характером руйнування покриття на околі відбитка й на контактній поверхні зразка з індентором.

У третьому розділі «Особливості механізмів адгезійної взаємодії твердих тіл різної природи з металами» досліджено найбільш важливі особливості адгезії й аутогезії твердих тіл різної природи в конкретних умовах контактної взаємодії. Зокрема, - особливості адгезії вуглецевих матеріалів між собою й металами у твердому й рідкому станах, адгезії чистих металів, а також адгезії карбідів, нітридів й оксидів d-перехідних металів й sp-елементів з металами у твердому й рідкому станах. Проведене дослідження дає змогу стверджувати, що в механізмах адгезії твердих тіл різної природи з металами є загальні елементи фундаментального характеру. Сутність їх полягає в такому.

1. Адгезія проходить у кілька стадій. Перша стадія - це максимальне зближення об'єктів до забезпечення настільки щільного контакту, що їх поверхневі атоми починають зазнавати помітного притягання під впливом сил Ван-дер-Ваальса. Ця стадія принципово може виявитися першою й останньою в тому випадку, коли рівновага між силами Ван-дер-Ваальса й обмінними силами відштовхування буде досягнута раніше, ніж відбудеться просторове перекриття валентних орбіталей поверхневих атомів стичних фаз. У цьому випадку адгезія буде чисто фізичною. Якщо до моменту перекриття валентних орбіталей поверхневих атомів рівновага між силами Ван-дер-Ваальса й силами відштовхування не наступає, то починається електронний обмін між поверхневими атомами (ефективно щільний контакт). Це друга стадія адгезії. Тут до фізичної адгезії додається хімічна: між стичними фазами утворюються хімічні міжатомні зв'язки з формуванням нових електронних конфігурацій, стабільність і статистична вага атомів зі стабільною конфігурацією (СВАСК) яких визначає термодинамічну доцільність цього процесу й енергію адгезійного зв'язку.

З підвищенням температури роль сил Ван-дер-Ваальса в механізмі адгезії істотно знижується, але зростає роль зовнішнього тиску, що зближає тіла. Можна думати, що при високотемпературній адгезії твердих тіл зближення здійснюється головним чином за рахунок притискувального зусилля.

2. Імовірність просторового перекриття валентних орбіталей поверхневих атомів стичних фаз залежить від декількох факторів.

Перший фактор визначається жорсткістю валентної оболонки поверхневого атома твердого тіла. Чим ближче ця оболонка за своїм заповненням до оболонки інертного газу, тим важче забезпечити перекриття валентних орбіталей стичних фаз, тому що при зближенні атомів з повністю заповненою валентною оболонкою відбувається інтенсивне зростання сил відштовхування, і рівновага між силами притягання й відштовхування наступає раніше, ніж відбудеться перекриття орбіталей.

Така ситуація, очевидно, властива оксидам, нітридам й у якійсь мірі карбідам. Чим більше різниця електронегативностей елементів, що входять у двокомпонентні сполуки (а значить, і більше СВАСК s2p6-конфігурацій у поверхневому шарі твердого тіла), тим менш імовірне перекриття орбіталей поверхневих атомів і тим пасивніше тверде тіло. Це ілюструє рис.1, де наведена залежність кутів змочування нікелем карбідів, нітридів й оксидів d-перехідних металів від різниці електронегативностей елементів (ЕНЕ), що входять у сполуки.

У загальному випадку друга стадія може бути забезпечена або стиском тіл зовнішнім навантаженням, або руйнуванням s2p6-конфігурацій, що відбувається в результаті їх дестабілізації з відривом одного або декількох електронів, а також у результаті зменшення (з тієї ж причини) жорсткості валентних оболонок атомів, що знижує інтенсивність росту сил відштовхування при зближенні поверхневих атомів і збільшує ймовірність перекриття їх орбіталей.

Для твердих тіл, електронна структура атомів яких далека від структури інертних газів s2p6, аналогічну роль можуть відігравати інші стабільні конфігурації, наприклад sp3 - в алмазі, sp2 - у графіті, d 5 - в d-перехідних металах, причому чим більш стабільними є такі конфігурації, тим менше ймовірність перекриття валентних орбіталей цих твердих тіл при контакті з металами.

Другий фактор - це амплітуда коливань поверхневих атомів. За великих відхилень від свого рівноважного стану поверхневий атом може настільки зблизитися з поверхневим атомом іншого тіла, що ймовірність просторового перекриття їх валентних оболонок і наступного формування хімічних адгезійних зв'язків стане досить великою. У загальному випадку ця ймовірність збільшується з підвищенням температури, коли роль сил Ван-дер-Ваальса стає незначною, а амплітуда коливань поверхневих атомів стичних тіл сильно зростає.

Значно більші можливості для перекриття валентних орбіталей поверхневих атомів твердого тіла мають атоми рідких металів, оскільки для структури рідкого металу характерно дискретне переміщення атомів. Траєкторія руху будь-якого атома рідини складається з сегментів, кожний з яких має дві характерні ділянки - коливального руху біля деякого положення й прямолінійного переміщення. На другій ділянці атом рідини слабко зв'язаний зі своїми сусідами. Саме ця ситуація є сприятливою для «захоплення» його твердим тілом.

3. Після перекриття валентних орбіталей поверхневих атомів відбувається перебудова їх електронної структури з формуванням тих або інших сполучних конфігурацій. Робота адгезії визначається величиною площі, на якій утворилися адгезійні зв'язки, та виграшем у вільній енергії, який є наслідком утворення стабільних сполучних конфігурацій в адгезійному шві.

У четвертому розділі «Адгезія при різанні» з позицій узагальненої концепції адгезії твердих тіл розглянуто ряд питань, пов'язаних з особливостями контактної взаємодії різального інструменту з матеріалом, що оброблюється.

Раніше в роботах Мацевітого В.М. було показано, що низька адгезійна активність до матеріалу, що оброблюється - це основна вимога до зносостійких покриттів для різальних інструментів. Для підтвердження цього висновку в роботі виконаний аналіз зв'язку між оброблюваністю матеріалів та їх схоплюваністю з інструментом при різанні. Цей аналіз показує, що оброблюваність більшості конструкційних матеріалів визначається довжиною контакту стружки з передньою поверхнею інструмента, що залежить від пластичності оброблюваного матеріалу і його адгезійної активності. Оброблюваність, як правило, тим краща, чим менше довжина контакту та адгезійна взаємодія матеріалу, що оброблюється, з інструментальним.

У розділі виділені такі особливості контактної взаємодії інструментального й оброблюваного матеріалів при різанні, які не характерні для граничного тертя та спільної пластичної деформації твердих тіл: дуже висока температура, ювенільність поверхні прирізцової сторони стружки, надзвичайно високий рівень пластичної деформації в прирізцових шарах стружки, високі швидкості деформації.

У зв'язку із цими особливостями зроблено висновок про те, що в умовах різання в активацію процесу схоплювання вносять значний вклад як термоактивація, так і механічна (деформаційна) активація. Важливо при цьому, що роздільно визначити рівень цих двох видів активації при різанні неможливо. У цьому сенсі експерименти зі змочування сполук або покриттів на їх основі рідкими металами мають ту перевагу, що в цих експериментах «працює» лише термічна активація, рівень якої легко вимірюється. Крім того, є можливість досить точного визначення величини роботи адгезії за рівнем визначеного кута змочування. У зв'язку із цим експерименти зі змочування мають велике значення для оцінки термоактиваційної складової адгезійної активності матеріалів.

У розділі показано також, що характеристики змочування сполук металами можуть служити критеріями адгезійної активності покриттів на основі цих сполук при різанні відповідних металів і сплавів на їх основі. Критеріями адгезійної активності сполук можуть бути кути змочування металами поблизу температури їх плавлення, а також параметр Т* - температура, при якій починається різке збільшення роботи адгезії.

У п'ятому розділі «Дослідження впливу адгезійного фактора на кавітаційну стійкість багатошарових вакуумно-плазмових покриттів» досліджено можливість підвищити кавітаційну стійкість сталі 20Х13, яка йде на виготовлення лопаток парових турбін, шляхом нанесення на поверхню сталі багатошарових вакуумно-плазмових покриттів. Були одержані покриття, що мають різні адгезійні й когезійні характеристики. Це дослідження дає можливість з'ясувати вплив на кавітаційну стійкість покриттів адгезійного фактора, який є предметом дослідження даної роботи.

На плоскі зразки квадратної форми, виготовлені зі сталі 20Х13, після їх термообробки й спеціальної підготовки поверхні були нанесені багатошарові покриття трьох видів, після чого рентгеноструктурним методом був визначений фазовий склад покриттів, визначена їх мікротвердість і методом косого шліфа - товщина покриттів (табл.1).

На растровому мікроскопі JEOL JSM-840 вивчена структура покриттів, рентгеноструктурно визначені внутрішні макронапруження в покриттях, субструктурні характеристики. На магнітострикційному стенді проведені кавітаційні випробування покриттів й, крім того, на спеціальних зразках вивчений вплив покриття № 3 на утомну міцність зразків зі сталі 20Х13 при температурі 80С. Була зроблена якісна оцінка адгезійної міцності покриттів до підкладки, а також їх когезійної міцності (за станом поверхні покриття поблизу відбитків, зроблених на твердомірі Роквелла).

Залежність вагового зносу зразків від часу дії кавітації, з якого випливає, що покриття № 3 істотно підвищує кавітаційну стійкість поверхні сталі 20Х13 й перевершує в цьому інші покриття.

Таблиця 1

Коротка характеристика покриттів

№ покриття	Товщина покриття, мкм	Характеристика багатошаровості11) В чисельнику наведена «конструкція» багатошарового покриття, а в знаменнику - задана товщина окремих шарів в мікрометрах.)	Кольори	Фазовий склад22) Рентгеноструктурно в покриттях виявляється тільки основна фаза.)	Мікротвердість, МПа33) В чисельнику - мінімальні, а в знаменнику - максимальні значення мікротвердості.)
1	8-10	(Cr+CrN)х10 (0,2+1,0)х10	Сірий	CrN	12870 21430
2	10-12	(-Ti+TiN)х10 (0,2+1,0)х10	Золотистий	TiN	11140 14260
3	4-5	{Cr+(TiCr)N}х10 (0,1+0,5)х10	Сірий зі слабкою жовтизною	(TiCr)N	5020 12870

У результаті зіставлення картини руйнування поверхні вихідних зразків та зразків з покриттями під впливом кавітації з результатами рентгенівських досліджень (див. табл.2), а також дослідженнями адгезійної і когезійної міцності покриттів, можна зробити такі висновки.

1. Покриття в умовах кавітаційного впливу мають різні захисні властивості, які залежать від когезійної й адгезійної міцності, від рівня залишкових макронапружень, а також від крихкості покриттів.

2. Найбільший опір кавітаційному руйнуванню чинить покриття № 3, що характеризується високим рівнем адгезійної і когезійної міцності, не руйнується крихко в умовах глибокого проникнення в поверхню зразків алмазного індентора й не має, швидше за все, високих залишкових макронапружень.

3. Стійкість покриття № 3 при кавітаційній дії вище стійкості лопаткової сталі майже в 2 рази.

4. Покриття № 3 майже не впливає на утомну міцність сталі.

Таблиця 2

Основні характеристики покриттів

Зразок. Температура конденсації Тк	Основна фаза покриття, її характеристики	Швидкість вагового зносу, мг/ч	Коефіцієнт термічного розширення основної фази, К-1	Макронапруження в покриттях, МПа
Сталь 20Х13	--	0,55	11,8·10-6	--
Сталь 20Х13+ покриття №1 Тк=210С	CrN L=700 Е11) L - розмір областей когерентного розсіяння; - мікродеформація.) е=3,4·10-3	0,58	2,3·10-6	- 2600
Сталь 20Х13+ покриття №2 Тк=330С	TiN L=2000 Е е=2,3·10-3	0,21-0,42	9,35·10-6	- 500
Сталь 20Х13+ покриття №3 Тк=350С	(TiCr)N	0,35	--	--

ВИСНОВКИ

У результаті виконаних досліджень вирішено важливе науково-прикладне завдання, що має велике значення для розвитку сучасної техніки. Розвинуто уявлення про природу та механізм адгезії твердих тіл, визначено фізичні фактори можливого впливу на адгезійну активність поверхні твердого тіла.

Основні наукові й практичні результати роботи можна сформулювати у вигляді таких узагальнюючих висновків.

1. Установлено, що найважливішими елементами механізму адгезії твердих тіл є: утворення ювенільних контактних поверхонь, розрив міжатомних зв'язків поверхневих атомів тіл (за рахунок нагрівання, пластичної деформації, опромінення й інших енергетичних впливів), перекриття валентних орбіталей поверхневих атомів контактуючих тіл й утворення нових електронних конфігурацій, які забезпечують адгезійні зв'язки.

2. Одержано наукове обґрунтування положення А.П. Семенова про існування енергетичного бар'єра процесу адгезії, що обумовлений у загальному випадку необхідністю руйнування стабільних конфігурацій валентних електронів поверхневих атомів як умови перекриття валентних орбіталей і наступного утворення адгезійних зв'язків.

3. Встановлено, що адгезійна активність тугоплавких карбідів, нітридів та оксидів d-перехідних металів й sp-елементів залежить від різниці електронегативностей елементів, що входять у сполуки. Збільшення різниці електронегативностей відповідає збільшенню статистичної ваги s2p6-конфігурацій, що забезпечують адгезійну пасивність цих сполук. З підвищенням СВАСК s2p6-конфігурацій росте й ступінь іонності міжатомного зв'язку сполуки, що супроводжується значним збільшенням енергії її утворення.

4. Установлено, що адгезійна активність металів, з одного боку, підвищується зі зменшенням їх електронегативності, а з іншого - зменшується зі зменшенням амплітуди теплових коливань атомів. В основі двох цих залежностей лежить та ж сама причина: залежність електронегативності металів й амплітуди теплових коливань їх атомів від величини першого або першого і другого іонізаційних потенціалів елементів.

5. Висвітлені в роботі елементи механізму адгезії твердих тіл різної природи, об'єднані в узагальнену концепцію адгезії, відкривають широкі можливості для розвитку технологій цілеспрямованого модифікування фазового й хімічного складу робочих поверхонь виробів, що вимагають корекції їх адгезійної активності. У роботі демонструється можливість використання цього фізичного принципу стосовно робочих поверхонь різальних інструментів, на які наносяться адгезійно-пасивні вакуумно-плазмові покриття.

6. У роботі одержані результати аналізу впливу на оброблюваність різних конструкційних матеріалів їх схоплюваності з інструментальним матеріалом, показано, що чим менше адгезія оброблюваного матеріалу з інструментом, тим вище оброблюваність.

7. Обґрунтовано можливість практичного використання критеріїв адгезійної активності твердого тіла (Т* _ температури початку швидкого зростання адгезії й кута змочування ) для прогнозування ефективності відповідних сполук у складі захисних покриттів при різанні конструкційних матеріалів. Проаналізовано доцільність нанесення покриттів на основі тугоплавких карбідів, нітридів й оксидів на різальні інструменти для обробки ряду матеріалів.

8. Продемонстровано істотний вплив на кавітаційну стійкість багатошарових вакуумно-плазмових покриттів їх адгезійної міцності стосовно підкладки, їх когезійної міцності, а також рівня залишкових макронапружень у покритті.

9. Показано можливість істотного підвищення кавітаційної стійкості сталі 20Х13 за допомогою вакуумно-плазмових покриттів, що мають високі значення адгезійної і когезійної міцності.

10. Набув подальшого розвитку метод оцінки адгезійної і когезійної міцності покриттів, в основі якого лежить глибоке проникнення в покриття алмазного індентора на твердомірі Роквелла.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мацевитый В.М. О важности ионной составляющей межатомной связи в обеспечении низкой адгезионной активности инструментальных материалов и покрытий для режущих инструментов при высоких температурах резания / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Проблемы машиностроения. - 2005. - Т. 8, № 2. - С. 87-90.

2. Вакуленко К.В. Критерии прогнозирования адгезионной активности износостойких покрытий различного химического состава на режущих инструментах / К.В. Вакуленко, В.М. Мацевитый, И.Б. Казак // Вісник Національного технічного університету сільського господарства ім. П. Василенка. - Х. - 2005. - Вип. 33. - С. 149-152.

3. Мацевитый В.М. Анализ адгезионной активности тугоплавких соединений на основе sp-элементов по отношению к железу и никелю при высоких температурах / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Вісник інженерної академії України. - К.: КПІ. - 2005. - № 2. - С. 14-19.

4. Мацевитый В.М. Анализ адгезионной активности тугоплавких соединений на основе d-переходных металлов и sp-элементов при высоких температурах / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Доповіді Національної академії наук України. - 2006. - № 7. - С. 73-78.

5. Мацевитый В.М. Электронная структура карбидов, нитридов и оксидов d-переходных металлов IV-VI групп и их адгезионная активность / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2006. - № 1/2 (19). - С.85-89.

6. Мацевитый В.М. Требования к фазовому составу защитных покрытий для режущих инструментов и некоторые рекомендации / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Вісник Національного технічного університету сільського господарства ім. П. Василенка. - 2006. - Вип. 42. - С. 187-191.

7. Мацевитый В.М. Об адгезионном взаимодействии некоторых тугоплавких карбидов, нитридов и оксидов d-переходных металлов с жидкими Fe, Si, Ni и Cu / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Проблемы машиностроения. - 2006. - Т. 9, № 3. - С. 70-75.

8. Адгезионная и когезионная прочность многослойных вакуумно-плазменных покрытий / К.В. Вакуленко, С.В. Дукаров, И.Б. Казак А.П. Крышталь, В.М. Мацевитый // Вісник Національного технічного університету сільського господарства ім. П. Василенка - Х. - 2007. - Вип. 61 - С. 135-139.

9. Мацевитый В.М. Особенности эрозии образцов с многослойными покрытиями в условиях кавитации / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Проблемы машиностроения. - 2007. - Т. 10, № 5. - С. 72-78.

10. Вакуленко К.В. Зависимость электроотрицательности элементов от ионизационных потенциалов / К.В. Вакуленко // Проблемы машиностроения. - 2008. - Т. 11, № 2. - С. 71-75.

11. Вакуленко К.В. Адгезия при резании / К.В. Вакуленко, И.Б. Казак, В.М. Мацевитый // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. _ 2008. - № 4. - С. 24-27.

12. Вакуленко К.В. Адгезия и когезия нитридных вакуумно-плазменных покрытий многослойной конструкции / К.В. Вакуленко, В.В. Белозеров, И.Б. Казак, А.И. Махатилова, В.М. Мацевитый // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. _ 2008. - № 4. - С. 10-12.

13. Вакуленко К.В. Обобщенная концепция адгезии твердых тел / К.В. Вакуленко, И.Б. Казак, В.М. Мацевитый // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. _ 2008. - № 4. - С. 13-23.

14. Мацевитый В.М. Схватывание при резании и обрабатываемость материалов / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Вісті Академії інженерних наук України: (спец. випуск): Машинобудування та прогресивні технології. - 2007. - № 3 (33). - С. 62-66.

15. Мацевитый В.М. Износостойкие покрытия для режущих инструментов / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Оборудование и инструмент для профессионалов. - 2006. - № 3(77). - С. 34-35.

16. Мацевитый В.М. Критерий высокотемпературной адгезионной активности тугоплавких соединений, составляющих основу инструментальных материалов и покрытий для режущих инструментов / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Физические и компьютерные технологии: 11 междунар. науч.-техн. конф., 2-3 июня 2005 г.: сб. трудов. - Харьков: ХНПК «ФЭД», 2005. - C. 157-158.

17. Мацевитый В.М. Требования к фазовому составу защитных покрытий для режущих инструментов / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Физические и компьютерные технологии: 12 междунар. науч.-техн. конф., 7-8 июня 2006 г.: сб. трудов. - Харьков: ХНПК «ФЭД», 2006. - C. 97-99.

18. Мацевитый В.М. О природе низкой адгезионной активности тугоплавких нитридов и оксидов d-переходных металлов / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов: 7 междунар. конф., 2006 г.: сб. докл. - Х. - 2006. - Т. 3. - С. 36-39.

19. Мацевитый В.М. К концепции низкой адгезионной активности тугоплавких соединений d-переходных металлов / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий: 4 междунар. конф., 18-22 сент., 2006 г.: сб. трудов. - Жуковка, Большая Ялта. - 2006. - С. 68.

20. Адгезионная и когезионная прочность многослойных вакуумно-плазменных покрытий / К.В. Вакуленко, И.Б. Казак, Ю.В. Кунченко, В.М. Мацевитый // Физические и компьютерные технологии: 13 междунар. науч.-техн. конф., 19 апр. 2007 г.: сб. трудов. - Харьков: ХНПК «ФЭД», 2007. - C. 376-379.

21. Вакуленко К.В. Температурно-энергетические условия формирования покрытий с хорошей адгезией к подложке / К.В. Вакуленко // Современные проблемы машиностроения: конф. мол. ученых и специалистов Института проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, 29 нояб.-1 дек. 2005 г.: тезисы докл. - Х. - 2005. - С. 35.

22. Вакуленко К.В. Влияние защитных вакуумно-плазменных покрытий на кавитационную эрозию образцов из стали 20Х13 / К.В. Вакуленко // Современные проблемы машиностроения: конф. молодых ученых и специалистов Института проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, 1-7 дек. 2006 г.: тезисы докл. - Х. - 2006. - С. 38.

23. Вакуленко К.В. Электроотрицательность элементов как функция первого и второго ионизационных потенциалов / К.В. Вакуленко // Современные проблемы машиностроения: конф. молодых ученых и специалистов Института проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, 3-6 дек. 2007 г.: тезисы докл. - Х. - 2007. - С. 30.

24. Мацевитый В.М. Схватывание при резании и обрабатываемость материалов / В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко // Новые технологии в машиностроении: XVI междунар. конф., 3-8 сент. 2007 г.: тезисы докл. _ Харьков-Рыбачье, 2007. - С. 15.

АНОТАЦІЇ

Вакуленко К.В. Фізичні основи регулювання адгезійної взаємодії металів з карбідами, нітридами та оксидами d-перехідних металів та sp-елементів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Інститут електрофізики й радіаційних технологій НАН України, Харків, 2009.

Робота присвячена розв'язанню актуальної задачі розвитку уявлень про природу й механізм адгезії і створенню фізичних основ регулювання адгезійної взаємодії твердих тіл. Проаналізовано особливості адгезії різних матеріалів, визначено найбільш важливі елементи механізму адгезії твердих тіл, подано узагальнену концепцію адгезії, що не суперечить експерименту. Встановлено, що адгезійна активність двокомпонентних тугоплавких сполук на базі d-перехідних металів й sp-елементів залежить від різниці електронегативностей елементів, що входять у сполуки. Запропоновано й обґрунтовано критерії оцінки адгезійної активності твердих тіл і фізичний принцип її регулювання. Встановлено взаємозв'язок між оброблюваністю більшості конструкційних матеріалів й інтенсивністю адгезійної взаємодії стружки з передньою поверхнею інструменту. Розроблено багатошарові вакуумно-плазмові покриття для захисту сталі 20Х13 від ерозії під час кавітації. Встановлено, що захисні властивості безпосередньо залежать від адгезійної і когезійної міцності.

Ключові слова: адгезія, конфігураційна модель речовини, розрив міжатомних зв'язків, електронегативність, оброблюваність, критерії адгезійної активності, ерозія під час кавітації.

Вакуленко К.В. Физические основы регулирования адгезионного взаимодействия металлов с карбидами, нитридами и оксидами d-переходных металлов и sp-элементов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины, Харьков, 2009.

Работа посвящена решению актуальной задачи - развитию представлений о природе и механизме адгезии и созданию физических основ регулирования адгезионного взаимодействия твердых тел.

Для достижения поставленной цели в работе проанализированы особенности адгезии углеродных материалов, чистых металлов, карбидов, нитридов и оксидов d-переходных металлов и sp-элементов с металлами в твердом и жидком состояниях. Этот анализ осуществлен с учетом основных положений конфигурационной модели вещества. Он позволил выделить наиболее важные элементы механизма адгезии твердых тел: образование ювенильных поверхностей и их плотного контакта, разрыв межатомных связей поверхностных атомов (за счет нагрева, пластической деформации, облучения, других энергетических потоков) и перекрытие валентных орбиталей поверхностных атомов соприкасающихся тел, образование новых электронных конфигураций, обеспечивающих адгезионные связи, которое сопровождается снижением свободной энергии. Совокупность этих элементов представляет собой обобщенный механизм адгезии твердых тел.

В работе дано научное обоснование существования энергетического барьера процесса адгезии, который обусловлен в общем случае необходимостью предварительного разрушения стабильных конфигураций валентных электронов, связывающих поверхностные атомы с остальной частью твердого тела.

Установлено, что адгезионная активность двукомпонентных карбидов, нитридов и оксидов d-переходных металлов и sp-элементов зависит от разности электроотрицательностей элементов, входящих в соединения. Показано также, что адгезионная активность металлов повышается с уменьшением их электроотрицательности и увеличением амплитуды тепловых колебаний их атомов.

На основании анализа особенностей механизма адгезии при резании сделан вывод о том, что условия контакта инструмента с обрабатываемым материалом обеспечивают одновременное действие термической и механической активации адгезионного процесса.

Предложены и обоснованы критерии оценки адгезионной активности твердых тел и физический принцип ее регулирования, заключающийся в целенаправленном модифицировании поверхности твердого тела. Установлена применимость разработанных критериев к оценке адгезионного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов в процессе резания.

В работе установлена взаимосвязь между обрабатываемостью большинства конструкционных материалов и интенсивностью адгезионного взаимодействия стружки с передней поверхностью инструмента. Снижение схватывания обрабатываемого материала с инструментальным при резании приводит к улучшению обрабатываемости материала по основным критериям этой характеристики. Обоснована возможность практического использования критериев оценки адгезионной активности твердого тела для прогноза эффективности использования соответствующих соединений в составе защитных покрытий при резании.

На основании анализа данных о разрушении материалов при кавитационном воздействии сформулированы требования к защитным покрытиям для работы в этих условиях и обоснованы метод их нанесения, а также их химический и фазовый составы. Разработаны многослойные вакуумно-плазменные покрытия трех конструкций, которые имеют разные защитные свойства.

С использованием рентгеноструктурного анализа, оптической и электронной растровой микроскопии, профилографирования, измерений микротвердости, анализа адгезионной и когезионной прочности, метода глубокого внедрения алмазного индентора в образец с покрытием установлено, что защитные свойства непосредственно зависят от адгезионной и когезионной прочности покрытий. Установлено также существенно отрицательное влияние на адгезионную прочность покрытия большой разницы в значениях коэффициента термического расширения материала подложки и основной фазы покрытия.

Проведены испытания полученных покрытий на кавитационную стойкость, которые позволили выделить покрытие, оказывающее наибольшее сопротивление эрозии при кавитации, и предложить его для повышения кавитационной стойкости стали 20Х13, применяемой для изготовления лопаток паровых турбин.

Основные положения диссертации представляют собой апробированную теоретическую основу для развития не только технологии покрытий для защиты изделий в экстремальных условиях эксплуатации, но и других технологических процессов, в которых процесс адгезии играет определяющую роль.

Ключевые слова: адгезия, конфигурационная модель вещества, разрыв межатомных связей, электроотрицательность, обрабатываемость, критерии адгезионной активности, эрозия при кавитации.

Vakulenko K.V. Physical bases of regulation of adhesion interaction of metals with carbides, nitrides and oxides of d-transition metals and sp-elements. - Manuscript. Thesis for the scientific degree of candidate of Technical Science by speciality 01.04.07 - Solid state physics. Institute of electrophysics and radiation technologies NAS of Ukraine, Kharkiv, 2009.

The work is devoted to solution of an actual problem of development of the representations about the nature and the mechanism of adhesion and definition of physical bases to regulation of adhesive interaction of solid states. Features of adhesion of various materials are analyzed, the most important elements of the mechanism of adhesion of solid states are distinguished, the generalized concept of adhesion, which does not contradict experiment, is submitted. It was proved, that the adhesion activity of two-componential high-melting carbides, nitrides and oxides of the d-transition metals and sp-elements depends on a difference of electronegativities of the elements including in compositions. Criteria to estimate the adhesion activity of solid states and a physical principle of its regulation are offered and proved. The interrelation between workability of the majority of constructional materials and intensity of adhesion bond of a shaving with a front surface of the tool is established. Multilayer vacuum-plasma coats for protection steel 20Ch13 from cavitational erosion are designed. It is proved, that protective properties immediately depend on the adhesive and cohesive strength.

Key words: adhesion, configurational model of substance, tearing up of interatomic connections, electro negativity, workability, criteria of the adhesion activity, erosion at cavitation.

Размещено на Allbest.ru

...