Король Віталій Іванович. Нанесення на вуглецеві сталі дифузійних карбідних покриттів на основі титану, ванадію, хрому з підвищеною зносостійкістю

brief description

Король Віталій Іванович. Нанесення на вуглецеві сталі дифузійних карбідних покриттів на основі титану, ванадію, хрому з підвищеною зносостійкістю: дис... канд. техн. наук: 05.16.01 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін- т". - К., 2004. , табл.

Король В.І. Нанесення на вуглецеві сталі дифузійних карбідних покриттів на основі титану, ванадію, хрому з підвищеною зносостійкістю Рукопис
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01- Металознавство та термічна обробка. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2004
Мета роботи - підвищення зносостійкості вуглецевих сталей нанесенням дифузійних карбідних покриттів за участю титану, ванадію та хрому, встановленням залежності їх функціональних властивостей від фазового та хімічного складів, структури, міжатомної взаємодії, механічних характеристик та термічної обробки. В роботі вперше систематизовано вплив термічної обробки на фазовий та хімічний склади, міжатомну взаємодію, структуру, механічні властивості та характеристики покриттів на основі карбідів титану, ванадію та хрому на вуглецевих сталях, що зумовлено дифузійним перерозподілом хімічних елементів у карбідній та перехідній зонах покриттів на основі карбідів титану, ванадію і хрому.
Встановлено, що показники мікроміцності та мікрокрихкості карбідних покриттів, довжина утвореної тріщини є величинами, які характеризують властивості та напружено деформований стан покриттів. Встановлено відсутність кореляційних залежностей між показниками мікроміцності та мікрокрихкості покриттів з однієї сторони і їх мікротвердістю з іншої.
Показано, що карбідні і боридні покриття ефективно підвищують зносостійкість сталі У8А в 2,5 - 30 разів у залежності від типу покриття та способу випробувань. Підвищення показників зносостійкості при терті ковзанні без змащування (Р = 0,5 МПа, V = 2-10 м/с) для покриттів на основі карбідів хрому на сталі У8А склало: без термічної обробки 20,6 разів; після відпалу - 13,8 разів; після гартування з низьким відпуском - 10,2 разу в порівнянні зі зразками без покриття. Встановлено можливість використання для адекватної оцінки різних видів зношування захисних покриттів таких характеристик матеріалу, як мікротвердість, показники мікроміцності та мікрокрихкості, адгезійна взаємодія покриття до основи. Проведені вивчення явищ в зонах контакту при зношуванні дозволили розробити рекомендації щодо оптимальної структури, складу та термічної обробки покриттів для роботи в різних умовах зношування.

1. Встановлено особливості структури покриттів на основі карбідів титану, ванадію, хрому на сталях 20, 45, У8А, У10А, У12А, ХВГ. Отримані в роботі дифузійні покриття по кількості шарів, що відрізняються по фазовому складі у карбідній зоні можна розділити на три групи. При титануванні формуються одношарові покриття на основі карбіду TiС, при ванадіюванні - двошарові на основі карбідів відповідно VC, V2C, при хромуванні трьохшарові - на основі карбідів Cr7C3, Cr23C6і s -фази. Аналізом поверхонь зламу карбідних покриттів показано, що для покриттів на основі карбідів титану характерно транскристалітне руйнування, для покриттів на основі карбідів ванадію і хрому - міжкристалітне. Показано відповідність аксіальної і морфологічної кристалографічної текстури покриттів.
2. Величина показників тріщиностійкості досліджених покриттів (показники мікроміцності та мікрокрихкості, довжина утвореної тріщини, навантаження утворення тріщини) визначаються фазовим складом і структурою. У порядку зменшення показника мікроміцності досліджені покриття можна розташувати в такий ряд: FeВ, Fe2B Cr23C6, Cr7C3(Ti,V)C VC TiС; у порядку зменшення показника мікрокрихкості: TiС VC (Ti,V)C Cr23C6, Cr7C3FeВ, Fe2B; у порядку зменшення навантаження утворення тріщини: FeВ, Fe2B Cr23C6, Cr7C3(Ti,V) C TiС VC. Необхідно відзначити, що значення показників тріщиностійкості змінюються по товщині покриттів. Встановлено відсутність кореляційних залежностей між мікроміцністю, показником мікрокрихкості покриттів з одного боку і їх мікротвердістю з іншого.
3. Дослідження покриттів на основі карбідів титану, ванадію і хрому методом безперевного вдавлювання індентора дозволили провести якісну і кількісну оцінку адгезійної взаємодії покриттів з основою. У порядку зменшення показника адгезії досліджувані покриття можна розташувати в наступний ряд: Cr23C6, Cr7C3VC, V2C, (Ti,V)C, TiС.
4. В результаті відпалу, відзначена зміна фазового та хімічного складу та товщини карбідних фаз та їх механічних властивостей. У покриттях на основі карбідів титана відзначене зниження товщини карбідної зони; у покриттях на основі карбідів ванадію відзначене практично повне зникнення фази V2C при незначному зростанні товщини фази VC; в покриттях на основі карбідів хрому - практично повне зникнення s-фази, зниження товщини фази Cr23C6при рості товщини Cr7C3. Зафіксовано зниження параметрів кристалічної гратки карбідних фаз після відпалу. Після проведення відпалу відбувається перерозподіл хімічних елементів у дифузійних покриттях на основі карбідів титана, ванадію і хрому. Спостерігається зниження концентрації відповідно титану, ванадію та хрому та підвищення вмісту заліза в карбідних зонах досліджуваних покриттів. В покриттях на основі карбідів ванадію спостерігаються зменшення зони стовбчастих кристалів карбіду ванадію VC, зменшується різнозернистись, як в зоні рівновісних, так і стовбчастих кристалів. Середній розмір зерен карбіду ванадію VC біля границі поділу покриття сталь зменшується з 1,5 до 1,0 мкм. В карбідохромових покриттях в зоні карбіду хрому Cr7C3має місце збільшення товщини зони стовбчастих кристалів за рахунок зростання загальної товщини карбідного шару, форма та розмір зерен фази Cr23C6залишились практично без змін. Середній розмір зерен карбіду Cr23C6після відпалу зменшився з 1,5 до 1,0 мкм; карбіду Cr7C3відповідно з4,0до 3,0 мкм. В покриттях на основі карбідів титану та ванадію на сталі 40 і У8А під карбідною зоною відзначено зростання товщини феритної зони; в структурі покриттів на основі карбідів хрому відзначено зростання товщини перлітної зони з утворенням безпосередньо під шаром карбідів тонкої (1,5 - 2 мкм) зони хромистого фериту. Необхідно відзначити, що на сталях 20 та ХВГ в карбідохромових покриттях утворення такої зони не спостерігалося. Встановлено незначне зростання на 0,5 - 1,0 ГПа мікротвердості покриттів карбідів титану, та зниженні на 0,5 - 1,2 ГПа мікротвердості карбідів ванадію і хрому. Мікротвердість карбідних фаз TiС; VC; Cr23C6; Cr7C3на сталі У8А після відпалу складають відповідно 36,0; 23,7; 15,2; 17,5 ГПа. Показано зменшення навантаження утворення тріщини, що мало місце для покриттів на основі титану, ванадію та хрому на всіх досліджених сталях.
5. Показано, що карбідні і боридні покриття ефективно підвищують зносостійкість сталі У8А в 2,5 - 30 разів у залежності від способу випробувань. При цьому найбільше високі результати показали: при терті ковзанні без змащування без попереднього притирання контактуючих поверхонь - покриття типу VC, V2C; при терті ковзання без змащування з попереднім притиранням контактуючих поверхонь - покриття типу (Ti,V)C; при абразивному зношуванні закріпленим абразивом - покриття типу Cr7C3, Cr23C6; при абразивному зношуванні вільним абразивом - покриття типу TiС.
В порядку зменшення стійкості при терті ковзанні без змащування, без попереднього притирання контактуючих поверхонь покриття можна розташувати в такий ряд: (Ti,V)C TiС VC, V2C FeВ, Fe2B Cr23C6, Cr7C3; при терті ковзання без змащування з попереднім притиранням поверхонь: VC, V2C (Ti,V)C TiС Cr23C6,Cr7C3FeВ, Fe2B; при абразивному зношуванні закріпленим абразивом: Cr23C6, Cr7C3TiС VC, V2C; при абразивному зношуванні вільним абразивом: TiС (Ti,V)C VC, V2C FeВ, Fe2B Cr23C6, Cr7C3. Відзначено вплив термічної обробки зразків з покриттями на показники зносостійкості. Підвищення показників зносостійкості при терті ковзанні без змащування (Р = 0,5 МПа, V = 2-10 м/с) для покриттів на основі карбідів хрому на сталі У8А склало: без термічної обробки 20,6 разів; після відпалу - 13,8 разів; після гартування з низьким відпуском 10,2 разу в порівнянні зі зразками без покриття. Показано можливість використання для адекватної оцінки різноманітних видів зношування захисних покриттів таких характеристик матеріалу як мікротвердість, мікроміцність, показник мікрокрихкості, адгезійна взаємодія покриття до основи. Так при абразивному зносі закріпленим абразивом зносостійкість визначається величиною адгезії покриття до основи, при абразивному зносі вільним абразивом - мікротвердістю. Металографічними дослідженнями була показана наявність часток боридних і карбідних фаз у зоні тертя на дні лунки зносу досліджуваних покриттів, глибина якої в декілька разів перевищує товщину покриття. Таким чином, процес зношування композиції покриття-основа з добре вираженою лункою зносу контролюється структурою і властивостями матеріалу основи (сталь У8А), структурою і властивостями матеріалу покриття, включення якого присутні не тільки на поверхні, але й на дні лунки зносу, а також адгезійної взаємодією покриття з основою. Встановлено, що покриття карбіду хрому на сталі У8А ефективно сприяють зниженню температури в зоні тертя на 20-30%. Максимальне значення температури зразків з покриттями карбіду хрому спостерігалося в поверхневих шарах зразків (750 - 8000С) близьких до поверхні тертя і знижувалося до 340 - 3600С при переміщенні в глибину зразка.
6. Аналіз форм і відносних інтенсивностей МеLaта CКa- смуг емісії елементів сполук на основі карбідів титану, ванадію та хрому, досліджених на різних глибинах покриттів виявив прифермієвські (Me+C)pd- гібридні зв’язуючи стани, що виникають внаслідок утворення Me-Fe-C зв’язків в твердих розчинах заміщення. Показано вплив відпалу на міжатомну взаємодію в досліджуваних покриттях та перехідних зонах, що виявилось в змінах ширини та інтенсивності МеLaта CКa- смуг емісії.