Закономірності опору зносу аморфно-кристалічних покриттів системи zr-al-b

Abstract

Робота присвячена встановленню закономірностей формування напруженого стану, тертя та зношування аморфно-кристалічних покриттів в парах тертя. У роботі наведено закономірності формування аморфно-кристалічних покриттів. Обґрунтовано вибір компонентів та підібрано основні технологічні параметри формування аморфно-кристалічних покриттів Zr-Al-B. Проведено аналіз літературних даних щодо розробок, пов’язаних з отриманням нового класу промислових матеріалів, так званих аморфно-кристалічних матеріалів, що відрізняються від традиційних покращеними властивостями та великим потенціалом можливостей. Типовими представниками аморфно-кристалічних матеріалів є сплави перехідних металів з бором, що отримані газотермічними методами, зокрема детонаційно-газовим. Однією з важливих переваг детонаційно-газового методу напилення покриттів, є можливість формування аморфно-кристалічного покриття на поверхні напилювання до декількох міліметрів. Продуктивність процесу та можливість використання серійного обладнання відкривають перспективи отримання нового класу покриттів для захисту традиційних металевих матеріалів від зовнішнього впливу і формування шарів зі спеціальними властивостями. Разом з тим, ряд науково-технічних і практичних питань, пов’язаних з отриманням аморфно-кристалічних покриттів залишаються новими та не вирішеними, перш за все це обґрунтований вибір складу покриття, які мають відносно високу стабільність аморфно-кристалічного стану в заданому температурно-часовому інтервалі дослідження кінетичних факторів аморфізації, що вимагає систематичного вивчення їх триботехнічних властивостей, а також вплив структурно-фазового складу та напруженого стану на поверхневу міцність і опір руйнуванню при терті за відсутності мастильного матеріалу. Отже, використання детонаційно-газового методу, та визначення оптимальної початкової композиції дало можливість отримати аморфно-кристалічні покриття з контрольованим відсотковим вмістом аморфної фази. Встановлено, що формування в покриттях аморфно-кристалічної структури можливо при протіканні фазових перетворень в умовах, перешкоджаючих в певній мірі зародженню та росту кристалічної фази, зокрема, швидкого охолодження на поверхні деталі. Показано, що швидке охолодження покриття забезпечується не тільки фізичним відведенням тепла і зменшенням товщини шару, але й ступенем переохолодження рідкої фази, тобто, її низькою температурою і високою рідкоплинністю. Фізико-хімічні фактори утворення аморфно-кристалічної структури – це велика різниця в атомних радіусах компонентів та міцність хімічних зав’язків між розчинником і розчиненим елементом. Шляхом застосування сучасних комплексних методів фізико-хімічного аналізу, проведено дослідження якості поверхневих шарів, в яких проходять процеси активації при навантаженні тертям, що обумовлюють інтенсивність механохімічних процесів, градієнти пружно-пластичної деформації, температуру, рівень активування та ряд додаткових явищ, що в кінцевому рахунку визначає ведучий вид зношування. Проведено випробування розроблених аморфно-композиційних покриттів за програмою, яка включає визначення триботехнічних параметрів в залежності від змін швидкості ковзання, навантаження в парах тертя за відсутності мастильного матеріалу. Встановлено закономірності структуроутворення та зносостійкості детонаційних аморфно-кристалічних покриттів і впливу легованих елементів на діапазони і рівні трибохімічного зносу, на підставі чого обґрунтовано використання покриття системи Zr-Al-B. Результатом є зниження коефіцієнтів тертя, інтенсивності зношування, підвищення поверхневої міцності покриттів і, як наслідок, покращення ефективності і якості їх експлуатації. Порошки для формування аморфно-кристалічних покриттів системи Zr-Al-B отримано методом механохімічного синтезу, який сприяє оптимальному формуванню фракційного складу порошкового матеріалу. Результатом застосування процесу механохімічного синтезу є композиційний порошок, що представляє собою однорідну ультрадисперсну суміш всіх складових компонентів. Випробування матеріалів на тертя та зношування з нанесеними аморфно-кристалічними покриттями системи Zr-Al-B проведено на універсальній машині тертя УМТ-1 за загальноприйнятою методикою, по торцевій схемі кільцевих зразків, яка дозволяє моделювати роботу трибосполучень в умовах тертя та забезпечує Квз≈1 при підвищених швидкісно-навантажувальних параметрах. Дослідження загальної структури зразків аморфно-кристалічних детонаційних покриттів, проведено на металографічних шліфах за стандартизованою методикою. За допомогою оптичного металографічного мікроскопу МИМ-8 виконано металографічні дослідження зразків, що дало можливість виявити характер і вид руйнування на поверхні зразків, рівень їх припрацювання, якість поверхні тертя та встановити можливість подальшої придатності зразків для досліджень. Важливим критерієм оцінки окремих структурних складових і тонких приповерхневих шарів є визначення мікротвердості аморфно-кристалічних покриттів, що дозволяє визначити опір пластичному вдавлюванню в поверхню твердого індентора, який характеризує зміни властивості поверхневих шарів при терті. Дослідження здійснено вдавлюванням алмазного індентора навантаженням 0,5Н на мікротвердомірі ПМТ-3. Методом мікрорентгеноспектрального аналізу на рентгенівському дифрактометрі ДРОН встановлено хімічний склад аморфно-кристалічної поверхні зразків, різних включень та фаз. Використання даних методів дозволяє аналізувати наявність аморфної структури, а також дрібнодисперсні зерна детонаційних покриттів, та дослідити ступінь хімічної неоднорідності речовини і тонких сполучень різних фаз й кількісного розподілу хімічних елементів в них. В роботі розроблено математичну модель впливу експлуатаційних і технологічних факторів на формування аморфно-кристалічних детонаційних покриттів. Шляхом проведення серії експериментів дано оцінку адекватного впливу технологічних факторів на формування аморфно-кристалічних покриттів, та визначено найбільш значимі фактори та їх рівні варіювання, які прийняті після формалізації. Наведено закономірності формування зносостійких аморфно-кристалічних покриттів. Обґрунтовано вибір компонентів та підібрано основні технологічні параметри формування аморфно-кристалічних покриттів Zr-Al-B. Встановлено, що варіювання вмісту компонентів покриття обумовлює зміни фізико-механічних властивостей поверхневої зони і оптимальний вміст компонентів відповідний максимальним значенням показників поверхневої міцності при терті, відповідає співвідношенню (мас.%): Zr - 60%, Al - 25%, В - 12%. За даними рентгенівського аналізу встановлено, що склад покриттів відрізняється від складу порошку, що напилюється, за рахунок структурних і фазових перетворень при взаємодії компонентів в умовах надшвидкого охолодження. Матеріал покриття має беззеренну структуру, яка виключає недосконалості кристалічної будови (границі зерен, дислокації, дефекти упаковки). Проте, є деякі локальні ділянки з мікрокристалічною будовою, які на рентгенограмах візуалізуються окремими лініями, що відповідають ґратці α-Zr, крім того, в аморфній матриці помітні зони з усередненими значеннями до 0,5-1,5 мкм, які збагачені бором і є ультрадисперсними включеннями фаз типу ZrB2, AIB2. Навантаження тертям при швидкості ковзання до 1,3 м/с обумовлює помітні зміни структурного стану приповерхневого шару, які характеризуються утворенням неоднорідностей розміром порядку 15-35 нм. Наведено результати досліджень рівня напруженого стану аморфно-кристалічних покриттів системи Zr-Al-B. Дано оцінку рівню технологічних залишкових напруг, а також розподілу залишкових напруг за товщиною детонаційного покриття. Показано, що характер розподілу напружень по товщині істотно залежить від структури матеріалів, в одних переважають напруження стиснення, в інших - розтягування зі значним зближенням в абсолютних значеннях. Найбільш сприятливим розподілом з точки зору експлуатаційних властивостей володіють аморфно-кристалічні покриття на основі цирконію, на поверхні яких існують напруження стиснення величиною до 130 МПа, що монотонно зменшуються по товщині, і на глибині близько 150 мкм наближаються до нуля. Показано, що однією з найбільш доступних і ефективних в умовах виробництва технологічних операцій мінімізації залишкових напружень, яка не потребує дорогого обладнання, а безпосередньо пов’язана з наявністю технології є термічна обробка, а саме, відпал, в результаті якого змінюється їх величина і характер розподілу. Зміна рівня і розподілу напружень в результаті термічної обробки тим помітніше, чим вище температура відпалу. Відпал досліджуваної партії зразків проведено при температурах 250°С і 300°С. Проведено випробування з визначення оптимальної товщини аморфно-кристалічних покриттів, що відповідає максимальній зносостійкості, в результаті яких доведено, що оптимальна товщина аморфно-кристалічного покриття, яка сприяє найменшому зносу, лежить в межах 150-200 мкм. Наведені результати досліджень інтенсивності зношування аморфно-кристалічних покриттів оптимальної товщини (пара Zr-Al-B – сталь 45), які пройшли відпал при температурі 250°С протягом 30 хв. з послідовним повільним охолодженням, а також аналогійних покриттів перед термічною обробкою. За результатами експериментальних досліджень встановлено, що аморфно-кристалічні покриття після термічної обробки (відпалу) мають більш ніж у 2,5 рази меншу інтенсивність зношування, ніж ті ж покриття без термічної релаксації. Таким чином, можна значно знизити залишкові напруження, які мають негативний вплив на зносостійкість аморфно-кристалічних покриттів, шляхом термічної обробки, що має позитивний вплив на їх експлуатаційну надійність. При цьому слід зауважити, що для підвищення експлуатаційної надійності слід контролювати, щоб при нанесенні покриттів на поверхню деталей рівень залишкових технологічних напружень був мінімальний.