НАУКОВО ПРАКТИЧНІ ЗАСАДИ ФОРМУВАННЯ ЗНОСОСТІЙКИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОКРИТТІВ МЕТОДОМ ГАЛЬВАНОПОРОШКОВОГО ГРАДІЄНТНОГО ЗМІЦНЕННЯ ДЛЯ КРИТИЧНИХ УМОВ ТЕРТЯ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У  вступі  обґрунтована  наукова  та  практична  актуальність  проблеми

створення градієнтних композиційних покриттів гальванопорошковим методом

ХТО  КЕП.  Показано  зв'язок  роботи  з  науковими  планами  і  темами,

сформульовано  мету  дослідження,  визначено  її  завдання  та  способи  їх

розв'язання,  викладено  наукову  новизну  і  практичну  цінність  отриманих

результатів,  відзначено  особистий  внесок  автора  дисертації,  у  публікаціях

подано  відомості  про  апробацію  дисертації,  а  також  повне  відображення

структури дисертаційної роботи у публікаціях.

Зважаючи  на  те,  що  в  практиці  машинобудування  часто  зустрічаються

композиційні  матеріали  й  покриття,  актуальним  є  створення  наукових

передумов  і  розробка  нових  гальванопорошкових  процесів  отримання

матричнонаповнених  КЕП,  волокноподібних  скелетного  і  шаруватого  типу,  а

також направлено закристалізованих градієнтних ХТО КЕП, які би вміщували

одночасно тонко і грубо дисперсні утворення, а на межі незв'язаних частинок

наповнювача із матрицею був відсутнім різкий стрибок властивостей. Найменш

вивченим  є  формування  на  поверхні  виробів  градієнтних  нанокомпозиційних,

ультрадисперсних,  мікро-  та  макрогетерогенних  покриттів  із  заданим

комплексом  властивостей.  Тому  особливу  увагу  в  роботі  приділено

узагальненню  результатів  дослідження  механізму  формування,  отримання

заданого складу, структури й властивостей новим гальванопорошковим методом

ХТО КЕП, що дозволило окреслити мету і задачі дослідження. 

Перший  розділ  присвячений  детальному  аналізу  стану  проблеми,

формулюванню  робочої  гіпотези,  мети  дослідження  і  постановці  задач,

вирішення яких необхідне для її досягнення. 

На  основі  узагальнення  наявного  досвіду  в  галузі  композиційних

покриттів зроблено спробу створити теоретичні передумови і окреслити шляхи

розробки  нових  конкурентоспроможних  технологій  та  обладнання  для

9

нанесення  дифузійних  легованих  і  евтектичних  плавлених  градієнтних

композиційних покриттів триботехнічного призначення.

Зносостійкість  конкретної  деталі  має  залежати  від  багатьох  факторів:

зовнішній  чинник  –  трибонавантаженя  тертям  ковзання;  механічні  параметри

взаємодії  пари  покриття  –  контртіло  і  обставини,  що  визначають  вид

зношування;  структурні  фактори,  обумовлені  гетерогенністю  матеріалу  ХТО

КЕП,  їх  хімічним  складом,  структурою  зони  взаємодії.  Очевидно,  якщо  не

змінювати  зовнішні  умови  тертя  і  вид  контакту,  то  вирішальну  роль  у

підвищенні зносостійкості матеріалу відіграють структура, а також властивості

наповнювача,  взаємне  розташування,  розмір,  кількісне  співвідношення  і

характер  взаємодії  окремих  складових  структури.  Важливим  є  знання

напружено-деформованого  стану  в  деталі  під  дією  навантаження,  його

залежність від структури матеріалу і вплив на триботехнічні властивості.

На сьогодні, формування на поверхні виробів гетерогенних покриттів із

заданим  комплексом  функціональних  властивостей  є  новим  у  вирішенні

проблеми  надійності  і  довговічності  роботи  машин  і  механізмів.  Великі

можливості  для  одержання  гетерогенних  покриттів  має  запропонований

електролітичний метод одночасного осадження металів або сплавів і дисперсних

порошків  різноманітних  матеріалів  через  свою  технологічну  простоту,

економічність.  У  поєднанні  з  можливістю  одержання  щільних,  гладких,

рівномірних покритів, значної і контрольованої товщини, на деталях складної

конфігурації,  реальними  стають  перспективи  регулювання  в  широких  межах

структури і складу КЕП, їх поверхневого легування за наступного дифузійного

відпалу чи евтектичного плавлення. Напрацювання вітчизняних та зарубіжних

науковців  і  практиків  переконують,  що  для  підвищення  експлуатаційних

властивостей  деталей  перспективним  є  створення  багатошарових  градієнтних

композицій з формуванням потрібного комплексу властивостей на поверхні і по

глибині покриттів, що не притаманно моно шаровим покриттям.

Базовим  посиланням,  яке  закладено  в  основу  роботи  є  ідея  рівної

зносостійкості  неоднаково  навантажених  частин  поверхонь  тертя  за  рахунок

керування  вмістом,  розмірами  і  формою  та  щільністю  включень  у

композиційному  матеріалі  КЕП  і  отримання  в  результаті  цього  градієнту

властивостей ХТО КЕП у глибину зносостійкого шару, в тому числі по поверхні

деталі.  Останнє  дасть  можливість  використовувати  створені  градієнтні

нашарування  в  практиці  машинобудування  для  захисту  і  відновлення

відповідальних  деталей  вузлів  тертя,  зокрема  забезпечити  рівномірність

зношування.  При  цьому  рівень  фізико-хімічних,  триботехнiчних  властивостей

очікується  значно  вищим  від  характеристик  складових,  чим  буде  забезпечено

необхідне  оптимальне  значення  стійкості  вузлів,  які  працюють  в  жорстких

умовах  нерівномірного  навантаження  поверхні  виробів  та  жорстоко  впливу

агресивного середовища, в якому вони експлуатуються.

10

На  основі  проведеного  аналізу  виокремлено  конкретні  завдання

дослідження які дозволять створити теоретичні передумови і окреслити шляхи

розробки  нових  конкурентоспроможних  технологій  та  обладнання  для

нанесення  дифузійних  легованих  i  евтектичних  плавлених  градієнтних

композиційних покриттів триботехнічного призначення.

У  другому  розділі  обґрунтовано  вибір  матеріалів,  описано

експериментальні установки, зразки та методики досліджень.

Об’єктом  дослідження  вибрано  процес  формування  композиційних

покриттів  методом  комп’ютеризованого  нестаціонарного  електролізу  КЕП

системи гальванічний метал (Ni (Co, Fe)–наповнювач (TiN (ТiС, TiCN, Ti(Cr)B2)

та елементи легуючі матрицю: B, С, Cr, Ti. Покриття наносились зі стандартних

електролітів в режимі імпульсного перемішування як на горизонтальні, так на

похилі  і  вертикально  розташовані  поверхні  виробів  шляхом  введення  в

електроліт  і  інтенсивного  перемішування  у  ньому  частинок  другої  фази,  що

дозволяє  отримувати  КЕП  з  необхідною  кількістю  включень  порошків

наповнювача, зокрема всередині наскрізних отворів.

Термічну  і  хіміко-термічну  обробку  покриттів  проводили  в  процесі

відпалу зразків у вакуумі, зокрема при температурах утворення евтектики (на

установці  ОКБ  8086)  та  в  порошкових  засипках,  в  суміші  з  активаторами,  в

контейнерах  з  плавким  затвором.  Поверхневу  термічну  обробку

концентрованими джерелами енергії проводили за допомогою нагрівання НВЧ,

безперервного  СО2  лазеру  „Латус-31”,  твердотільного  лазеру  „Квант-16”,

концентрованою сонячною енергією на установці „СГУ-2”.

Для встановлення зв’язку фізико-хімічних, трибо-механічних властивостей

покриттів, градієнтності структури із зносостійкістю КЕП на мікро- і макрорівні,

із співвідношенням складу, розташуванням компонентів, та вивчення їх впливу

на процеси тертя і зношування КЕП до і після ХТО, проводили триботехнічні

випробування в умовах граничного, сухого тертя, температурного, корозійного

впливу  і  абразиву  в  триболабораторії  ІПМ,  на  установках  М-22М  і  СМЦ,  та

спільно  з  кафедрою  машинознавства  НАУ  (м. Київ),  Свентокринскою

політехнікою (м. Кельце, Польща) за умов впливу корозії, температури, вільного

та частково закріпленого абразиву. Використовували циліндричні, призматичні,

кільцеві зразки, швидкості ковзання V = 0,1 – 1 м/с і навантаження 10 Н; 100 Н.

Контртілом  слугувала  загартована  сталь  45,  жароміцний  сплав  ЖС6К.  Схема

спряження: вал–площина, вал–ролик. Шлях тертя не менше L=1 км. Величину

зносу оцінювали за втратою маси зразка і величиною лінійного зносу пари  за

автоматичної  реєстрації  змін  коефіцієнта  тертя,  замірів  шорсткості  зразків.

Застосовано  елементи  розрахункового  експерименту  та  статистичні  методи

обробки результатів досліджень.

Кількість  наповнювача  в  покриттях  оцінювали  методом  хімічного  та

металографічного  аналізу.  Металографічний  аналіз  проводили  за  допомогою

11

світлового  мікроскопа  Неофот-32  із  адаптованою  цифровою  камерою  та

скануючого  електронного  мікроскопа  JSM-840  фірми  JEOL.  Мікротвердість

структурних  фаз  вимірювалася  на  приладі  ПМТ-3.  Модуль  пружності

вимірювали за допомогою приладу „Микрон-гамма 09”, користуючись методами

безперервного вдавлювання індентора. Фазовий склад покриттів після термічної

обробки аналізували за допомогою рентгенівської установки ДРОН-1 в Cu-Kα

випромінюванні.

У  третьому  розділі  викладена  ідеологія  управління  градієнтом

композиційної  структури  в  процесі  формування  ХТО  КЕП,  теоретично

визначено, небезпечні скупчення напружень, можливі місця ослаблення адгезії

компонентів  КЕП,  виходячи  із  ідеалізованих  умов  їх  моделювання  методом

осереднення  (послідовної  регуляції)  безперервно  армованим  континуумом.  У

найпростішому випадку, кожен шар покриття утворено металевою матрицею та

випрямленими  i  орієнтованими  нормально  до  поверхні  тертя,  циліндричними

(волокноподiбними) утвореннями. Визначено рівень механічних властивостей i

об'ємного  співвідношення  вмісту  i  компонентів  матриці  i  наповнювача  в

залежності від концентрації напружень в такій композиції. Виконані аналітичні

дослідження  локалізації  напруженого  стану,  зокрема  в  місцях  суттєвих

деформацій,  наявних  концентраторів  напружень,  провокуючих  руйнування  в

композиціях, навантажених силами тертя.

Виходячи  з  ідеалізованих  умов  моделювання  гетерогенної  структури

дискретно  армованим  середовищем,  використавши  відомі  методи

опосередкування  (наприклад  послідовної  регуляції),  результативною  є  спроба

встановлення  залежностей  концентрації  напружень  композиції  від  рівня

механічних  властивостей  і  об'ємного  співвідношення,  вмісту  й  форми

наповнювача в матриці. При цьому вважалося, що статистичне поле напружень

генерує  навколо  окремих  включень  внутрішнє  поле,  що  складається  із

збуджуючої  (однорідної)  й  осцилюючої  (вздовж  поверхні)  компонент,  а  його

наступні  складові,  які  характеризують  взаємодію  поля  напружень  від  даного

включення  та  сусідніх  і  мають  більш  високий  порядок  мализни,  можуть  не

враховуватись.

Найбільш високі механічні властивості мають покриття, в яких зміцнюючі

фази мають стовбчасту будову, з розташуванням їх нормально поверхні тертя, у

порівняні  з  наповненням  матриці  включеннями  кулястої  форми  з  перехідною

зоною. Такі покриття, зокрема можна отримати оплавленням КЕП системи Ni–В

концентрованими  джерелами  енергії,  в  яких  при  направленій  кристалізації

формуються  евтектичні  структури  з  дендритно-стовбчастою  будовою,  яку

схематично показано у вигляді представницької комірки на (рис. 1).

Розрахунки  напружено-деформованого  стану  (НДС)  показали,  що

максимальні  напруження  виникають,  локалізуючись  на  міжфазній  границі,  в

місцях де відстань  між  включеннями  мінімальна.  При  порівнянні  коефіцієнтів

12

максимальних  концентрацій  напружень  зсуву  К1r  та  стиску  Кr  останні  будуть

значно  меншими  і,  відповідно  менш  впливовими  на  напружений  стан

композиції,  а  більший  вплив  будуть  мати  зсувні  напруження.  Максимальний

коефіцієнт концентрації зсувних напружень обраховується за формулою: