Утворення вторинних структур в парах тертя боровмісні евтектичні покриття–сталь та їх вплив на триботехнічні характеристики

Размещено на http://allbest.ru

Міністерство науки і освіти України

Хмельницький національний університет

Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Утворення вторинних структур в памрах тертя боровмісні евтектичні покриття - сталь та їх вплив на триботехнічні характеристики

Богун Лідія Ігорівна

Хмельницький - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Пашечко Михайло Іванович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

професор кафедри фізики металів та матеріалознавства, м. Львів

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, заслужений діяч науки і техніки України

Голубець Володимир Михайлович,

Національний лісотехнічний університет України, завідувач кафедри технології матеріалів, м. Львів

- кандидат технічних наук, доцент,

Гупка Богдан Васильович,

Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, доцент кафедри технології машинобудування, м. Тернопіль

Провідна установа - Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра машинознавства, м. Київ

Захист відбудеться “ 12 ” жовтня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 при Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус.

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

Автореферат розіслано “ 6 ” вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 70.052.02, доктор технічних наук, професор Г. С. Калда

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасне виробництво ставить високі вимоги до підвищення ресурсу та надійності роботи машин та механізмів. Покращення цих характеристик є можливим за умови використання відповідних конструкційних матеріалів, які б оптимально поєднували високу твердість, пластичність, а відповідно і зносостійкість. Тому однією з важливих задач яка стоїть перед матеріалознавцями - підвищення триботехнічних характеристик існуючих матеріалів та покриттів або створення нових з наперед заданими властивостями. У цьому напрямку перспективним є використання різноманітних покриттів, які можна одержувати методами плазмового та електродугового наплавлення, борування, електродуговим напиленням, тощо.

Великий вклад в розвиток та вивчення дифузійних покриттів внесли В.І. Похмурський Г.Н. Дубінін, Л.Г. Ворошнін, Г.В. Зємсков, А.Н. Мінкевич, Н.С. Горбунов, Л.С. Ляхович, і інші. Однак дифузійні покриття характеризуються підвищеною крихкістю та малою глибиною насичення (~ 100 мкм). Тому одним з перспективних методів вирішення цієї проблеми є нанесення на поверхню стальних деталей евтектичних покриттів. Важливу роль у вивченні евтектичних покриттів відіграли праці В.М. Голубця, М.І. Пашечка, В.І. Андрюшечкіна, М.В. Кіндрачука, В.В. Позднякова, В.Н. Ткачева, Л.К. Гущіна, В.Д. Вітченка, І.П. Дашкової і інших дослідників, за кордоном - Г. Міури, У. Аракіди, У. Кондо, Г. Іди (США), П. Кербі, М. Нанді (Великобританія) і інші. У вивченні процесів формування евтектичних сплавів великий вклад належить А.А. Бочвару, як засновнику вивчення процесів евтектичної кристалізації К.П. Буніну, Ю.Н. Тарану, І.М. Спірідоновій, А.К. Шуріну, Я.Н. Маліночці, В.І. Мазуру і іншим. В проблему прогнозування структурно-фазового стану та властивостей при створенні покриттів різного функціонального призначення з використанням термодинамічного налізу, великий вклад внесли вчені І.С.Куліков, Є.Ф. Вєгман, А.А. Жуков, В.І. Савуляк, В.М. Голубець, М.І. Пашечко та закордонні дослідники - П. Жандрель, Є.Т. Турфдоган, О. Кубашевський, Д.Р. Штул і інші.

Під час експлуатації нової техніки окремі вузли тертя працюють в умовах дії великих питомих навантажень та за умов сухого тертя. Матеріали, які використовують для виготовлення таких пар тертя часто виявляються малопридатними для експлуатації. Для покращення працездатності багатьох деталей машин і механізмів, які працюють за таких умов, науковий та практичний інтерес представляє розробка та використання евтектичних покриттів на основі заліза. Аналізуючи порошкові матеріали та зносостійкі покриття, які широко використовуються у промисловості встановлено, що розроблені проф. В.М. Голубцем та М.І. Пашечком евтектичні покриття системи Fe - Mn -C - B - Si - Ni - Cr у порівнянні із серійними покриттями одержаними із порошкових сплавів ПГ-СР3, ПГ-10Н-01 (порошок-аналог 10009 „Боротак”, фірми Кастолін, Швейцарія), та ПГ-12Н-01, характеризуються в 10 і більше разів вищою зносостійкістю. Оскільки в трибоспряженні зносостійкість в основному визначається поверхневим шаром матеріалу, тому актуальним є дослідження структурно-фазових перетворень в поверхневому шарі, які протікають за різних умов експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи частково відповідає науковим проблемам, які вирішуються на кафедрі ФММ Національного університету „Львівська політехніка”. Приймала участь в науково-дослідній роботі № ДР019U02394 за темою ”Керування процесами взаємодії конструкційних матеріалів з рідкометалевим середовищем у ядерній енергетиці”.

Мета й задачі досліджень. Метою роботи є дослідження фізико-хімічних процесів, які відбуваються під час контактної взаємодії боровмісних матеріалів. Розкриття механізмів зношування для підвищення довговічності вузлів, що працюють в умовах сухого тертя за важконавантажених режимів експлуатації. Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:

Дослідити зносостійкість боровмісних евтектичних покриттів нанесених електродуговим наплавленням з порошкових дротів системи Fe - Mn - B - C - Si - Cr - Ni, дифузійно борованих шарів та покриттів отриманих методом електродугового напилення із порошкових дротів систем Fe - C - B - Cr та Fe - C - B - Cr - Al.

Встановити механізм зношування у важконавантажених вузлах сухого тертя.

Встановити механізм утворення оксидів та відкладення плівки графіту за контактної взаємодії боровмісних матеріалів.

Провести термодинамічні розрахунки фазового складу продуктів зношування та побудувати діаграми фазових рівноваг з метою прогнозування їх утворення.

Розробити та побудувати моделі поверхні тертя.

Об'єктом досліджень є боровмісні покриття (евтектичні покриття системи Fe - Mn - C - B - Si - Cr - Ni, нанесені електродуговим наплавленням, дифузійні боридні покриття та покриття систем Fe - C - B - Cr та Fe - C - B - Cr - Al, нанесені електродуговим напиленням), за контактної взаємодії у важконавантажених умовах тертя без мащення.

Предметом досліджень є фізико-хімічні процеси, які протікають у поверхневих шарах та на поверхні тертя за контактної взаємодії боровмісних матеріалів та їх вплив на триботехнічні характеристики.

Методи досліджень. Дослідження зносостійкості боровмісних матеріалів проведено на комп'ютеризованій установці тертя типу Amslera. За допомогою мікроструктурного, мікрорентгенівський фазового та мас-спектрометричного аналізів досліджено структурно-фазовий стан поверхні тертя. Це дає можливість обґрунтувати фізико-хімічні процеси, які протікають в процесі сухого тертя для боровмісних покриттів, проаналізувати вплив оксидних плівок на триботехнічні характеристики матеріалів. Для прогнозування фазового складу продуктів зношування, які утворюються на контактних поверхнях і побудови діаграм фазової рівноваги використали методику термодинамічного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше обґрунтовано механізм утворення оксидів та відкладення плівки графіту під час тертя боровмісних матеріалів. Показано, що в процесі контактної взаємодії евтектичних композиційних матеріалів відбувається сегрегація С, В та Si на поверхню тертя (до 50-100 Е). Внаслідок цього утворюються на фізичних плямах контакту не стехіометричні оксиди на основі FexOy та системи B2O3 - SiO2. Завдяки цьому коефіцієнт тертя зменшується до молекулярного. Вуглець знаходиться у вигляді графіту. Плівка графіту утворюється в основному в результаті перебігу трибохімічних реакцій на поверхні тертя, а не дифузії вуглецю з об'єму матеріалу.

Вперше розраховані та побудовані діаграми фазових рівноваг в системах B - C - O і Fe - B - C - O, які дають можливість встановити умови формування вторинних структур під час тертя боровмісних матеріалів та прогнозувати їх фазовий склад. Встановлено, що на поверхні тертя утворюються фази В2О3, FeO, Fe2O3, Fe3O4 та графіт. Показано, що зміна температури (723 - 1644 К) і тиску (0,1-15000 МПа) несуттєво впливають на процеси фазоутворення на контактних поверхнях.

Запропоновано моделі граничного шару за умов сухого тертя для систем Fe- Mn - C - B - Si - Ni - Cr, Fe - B - С - Cr та боридних покриттів з врахуванням трибохімічних реакцій, які відбуваються за контактної взаємодії матеріалів та фазового складу продуктів зношування.

Практична цінність одержаних результатів. Встановлено ефективне використання боровмісних матеріалів, які працюють в умовах сухого тертя та високих питомих навантажень. Показано, що за питомого навантаження до 8,5 МПа кращими трибологічнними характеристиками володіє боридне покриття. За вищих питомих навантажень (до 10 МПа) найкращою зносостійкістю характеризується евтектичне покриття системи Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr, нанесене методом електродугового наплавлення. На основі виконаних досліджень впроваджено заміну підшипників кочення на підшипники ковзання для комбінованих агрегатів передпосівного обробітку ґрунту (Комбінатор ЛК-4), на ВАТ “Львівський завод фрезерних верстатів”. Перевірка на полях під час весняно-осінньої оранки ґрунту показала, що довговічність вузла збільшилася в 2 рази. Підшипники ковзання із евтектичних матеріалів є придатні до подальшої експлуатації.

Особистий внесок здобувача. Досліджено зносостійкість евтектичних покриттів системи Fe - Mn - B - C - Si - Ni - Cr, одержаних методом електродугового наплавлення з використанням порошкових електродів, покриттів систем Fe - B - С - Cr, Fe - B - С - Cr - Al, одержаних методом електродугового напилення та після борування [1]. На основі мікроструктурного та рентгенівського фазового аналізів проведені структурно-фазові дослідження поверхні тертя боровмісних покриттів [1]. З використанням результатів мас-спектрометричних досліджень вторинних нейтралей встановлено перерозподіл елементів у покриттях, та їх вплив на триботехнічні характеристики боровмісних покриттів [2, 6]. Проведені термодинамічні розрахунки та побудовані діаграми фазової рівноваги у системах B - C - O, Fe - B - C - O [5, 6, 7]. Обґрунтовано механізм утворення вторинних структур [3, 4]. Виявлено та обґрунтовано механізм графітизації на поверхні контакту, який відбуваються переважно в результаті перебігу хімічних реакцій на поверхні тертя, а не з об'єму матеріалу [2].

Обґрунтованість та достовірність отриманих результатів. Підтверджується використанням сучасного наукового обладнання, зокрема мікроренгеноспектрального аналізу (Superprobe-733), рентгенофазового аналізу (ДРОН-3М) та мас-спектрометричних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення дисертації доповідались та обговорювались на 8 науково-технічних конференціях: 5 і 6-ій Міжнародних науково-технічних конференціях "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2000 та ЗНМ-2001)", травень 2000, жовтень 2001. - Хмельницький; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів”, 4-6 квітня 2002. - Львів; Thermodynamics of alloys September 8th-13th 2002. - Rome, Italy; ІІ і ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок”, жовтень 2002, вересень 2004. - Запоріжжя-Алушта; 6 і 7-ому Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові „МСУІМЛ-6” та „МСУІМЛ-7”, травень 2003, 2005. - Львів.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображено в 8 друкованих працях, із них 7 у фахових виданнях України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, висновків, додатку, переліку літератури із 176 найменувань. Обсяг роботи становить 205 сторінок, з яких 130 основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету й основні задачі досліджень, представлена загальна характеристика дисертації.

У першому розділі проведено критичний аналіз літературних даних, зокрема методів та способів одержання покриттів і використання порошкових матеріалів для поверхневого зміцнення та відновлення металевих виробів. Показано, що для вузлів тертя, які працюють у важконавантажених умовах експлуатації без мащення доцільно використовувати евтектичні покриття системи Fe - Mn - B - C - Si - Ni - Cr, одержані методом електродугового наплавлення та боридних покриттів, одержаних методом дифузійного насичення. Покриття систем Fe - B - С - Cr, Fe - B - С - Cr - Al, одержані методом електродугового напилення з використанням порошкових дротів, характеризуються високою зносостійкістю за наявності мастила. Проаналізовано вплив режимів тертя на процеси зношування сплавів на основі заліза, бору та вуглецю. Показано вплив контактних явищ, що проходять у поверхневих шарах на формування фазового складу та структури під час зношування боровмісних матеріалів. Встановлено, що окисне зношування найістотніше впливає на довговічність роботи механізмів під час тертя без мащення. На основі запропонованої Вагнером теорія твердофазних реакцій, створюється можливість проведення термодинамічних розрахунків для прогнозування утворення та аналізу складу вторинних продуктів зношування поверхневих шарів у процесі тертя. У літературних даних вказується, що хімічний склад поверхні тертя значною мірою визначається перебігом конкуруючих механо-хімічних реакції окислення та навуглецювання, при наявності відповідних компонентів у покриттях. Однак в літературі не має пояснення механізму оксидоутворення та графітизації. Описані найбільш поширені у літературі моделі поверхні тертя, в яких враховані різноманітні явища та механізми зношування, які відбуваються як на поверхні так і в об'ємі матеріалу. Проаналізовано моделі граничних шарів, які мають велике практичне значення.

У другому розділі проведено аналіз методів нанесення та дослідження боровмісних покриттів. Для поверхневого зміцнення матеріалів використали найбільш поширені види поверхневої обробки: електродугове наплавлення і напилення та дифузійне борування поверхневих шарів. Для нанесення покриттів використовували порошкові евтектичні композиційні матеріали на основі системи Fe - Mn - B - C - Si - Ni - Cr. Дослідження поверхневих шарів на зносостійкість проводили на комп'ютеризованій установці тертя типу Amslera. Структурно-фазовий стан поверхні тертя досліджували з допомогою мікроструктурного аналізу. Оскільки фізико-хімічні процеси проходять в тонких поверхневих шарах для виявлення вторинних структур використали мас-спектрометричний аналіз. Це дає можливість обґрунтувати фізико-хімічні процеси, які протікають за умов сухого тертя боровмісних покриттів на основі заліза. Проаналізувати вплив оксидних плівок на триботехнічні характеристики матеріалів. Для дослідження фізико-хімічних процесів, які відбуваються на поверхні тертя і побудови діаграм фазової рівноваги в системах B - C - O та Fe - B - C - O використали методику термодинамічних розрахунків.

У третьому розділі розглянуто результати випробувань на зношування боровмісних покриттів. Випробування проводили на комп'ютеризованій установці типу Amslera за схемою тертя палець-диск без мащення за питомих навантажень 3, 7 та 10 МПа, швидкості ковзання 0,6 м/с. Серед досліджуваних боровмісних покриттів найкращими зносостійкими характеристиками володіють покриття, одержані методом електродугового наплавлення та боридні покриття. За умови питомого навантаження 3 МПа ці покриття зношувалися практично однаково, а втрата маси пари тертя становила 0,94 та 1,68 г на користь боридного шару

Після випробувань за умови питомого навантаження 7 МПа кінетика зношування евтектичного покриття не змінилася, в той час, як втрата маси боридних покриттів зменшилася до 0,63 г . Порівнюючи втрати маси цих покриттів після 6-ти годин тертя за умови питомого навантаження 10 МПа, бачимо що кінетика зношування змінюється до навпаки. Якщо втрата маси пари тертя боридне покриття-сталь 45 становила 2,25 г, то втрата маси пари тертя евтектичне покриття-сталь 45 - 0,53 г

Характер зношування двох конкуруючих покриттів після питомого навантаження 8,25ч8,5 МПа докорінно змінюється . Інтенсивність зношування евтектичного та боридного покриття за питомого навантаження 3 МПа є практично однаковою. Після тертя за питомого навантаження 7 МПа інтенсивність зношування борованого покриття є в 2 рази меншою ніж евтектичного покриття. Після випробувань за питомого навантаження 10 МПа інтенсивність зношування евтектичних покриттів є в 4 рази меншою за зношування боридних покриттів.

Зі зростанням навантаження для евтектичних покриттів не фіксуємо різкого зростання коефіцієнта тертя. Його величина за умови 10 МПа в 1,2 рази вища проти випробувань за питомого навантаження 3 МПа. Для боридних покриттів коефіцієнт тертя збільшується в 1,4 рази. На борованих поверхнях він змінюється стрімко, особливо за питомого навантаження більшого за 7 МПа. Коефіцієнт тертя у парах напилене покриття системи Fe - C - B - Cr - сталь 45 та напилене покриття системи Fe - C - B - Cr - Al - сталь 45 становить за питомого навантаження 3 МПа відповідно 0,85 та 0,87.

Отже, можна запропонувати ефективне використання поверхневого зміцнення за важких умов тертя без використання мастила. Для зміцнення деталей, які працюють у важко навантажених вузлах тертя за навантажень до 8,25-8,5 МПа ефективніше використовувати дифузійне борування. Однак за навантажень вищих ніж 8,5 МПа доцільніше використовувати евтектичні покриття. Ця закономірність знайшла підтвердження і у залежності коефіцієнта тертя від навантаження.

У четвертому розділі подано результати структурно-фазових досліджень покриттів. На основі проведених досліджень мікроструктури евтектичних покриттів системи Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr показано, що за своєю будовою до та після тертя вони відрізняються в основному у поверхневих шарах, як наслідок пластичної деформації. Покриття характеризуються високою міцністю зчеплення з поверхнею. Товщина дифузійної перехідної зони становить 5-10 мкм. Структура покриттів складається з складнолегованого перліту (матрична фаза), легованого аустеніту -(Fe, Cr, Ni), карбідів типу Fe0,4Mn3,6C (армуюча фаза), Fe3C зі слідами Fe2B та включень карбіду Cr7С3. Виявлено, що боридний шар характеризується високою зносостійкістю лише за питомго навантаження 3 МПа. За питомого навантаження 7 та 10 МПа інтенсивно руйнується і товщина його помітно зменшується. На багатьох ділянках покриття практично відсутнє. Після 1 год тертя покриття систем Fe - C - B - Cr та Fe - C - B - Cr - Al практично все зносилося.

За ідентифікацією морфологічних ознаків поверхні тертя (згідно стандарту ISO/DIS 7146) можна стверджувати, що у евтектичних покриттях (рис. 5, а - в), контртілі (рис. 5, є), та боридному покритті (рис. 5, г) (за питомого навантаження 3 МПа) домінує окислювальний механізм зношування. Поверхня володіє характерною пелюстковою-плівковою структурою. Чітко видно, що граничний шар складається з декількох шарів і утворюється за рахунок пластифікації поверхневих шарів матеріалів, що складають пару тертя. Така плівка виникає, коли цьому сприяють властивості самого матеріалу (низька границя текучості, можливе оплавлення продуктів зношування та їх подальше намащування на поверхню тертя). Оскільки товщина плівки контртіла набагато більша, можна припустити, що на ній знаходиться більша кількість продуктів зношування. Поверхня тертя боридного шару після випробувань за питомого навантаження 7 МПа характеризується смугастою структурою з дрібним борознуванням. На поверхні тертя помітні вириви. Така плівка виникає внаслідок абразивного зношування матеріалів. Поверхня тертя після випробувань за питомого навантаження 10 МП володіє ямковою та частково смугастою структурою з борознуванням. Як правило така структура утворюється в результаті тертя двох пластичних матеріалів внаслідок пластичного течіння за високих питомих тисків. Поверхня контртіла, яке працювало у парі з борованим покриттям за питомого навантаження 10 МПа, володіє смугасто-плівковою

Така плівка може утворитися в результаті трибохімічних реакцій та взаємного перенесення матеріалів. Поверхня тертя після випробувань напиленого шару системи Fe - C - B - Cr (рис. 6, а) володіє смугастою структурою, яка утворилася в результаті борознування. Такий характер поверхні свідчить про значну пластичну деформацію матеріалу та можливе мікрорізання. Помітні вириви. Аналізуючи поверхню тертя системи Fe - C - B - Cr - Al (рис. 6, б) бачимо дещо інший характер зношування. Поверхня тертя характеризується смугасто-пелюстковою структурою з дрібним борознуванням поверхні. Помітно, що плівка, яка утворилася внаслідок абразивного зношування є тонкою і достатньо міцною. Абразивними часточками можуть слугувати продукти трибохімічних реакцій - тверді оксиди Al2O3. У структурі є ділянки зі значним макро- та мікрорізанням.

Аналізуючи зміну концентрації вуглецю за глибиною бачимо, що у евтектичних покриттях системи Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr, борованих шарах та напилених покриттях системи Fe - C - B - Cr спостерігається приповерхневе збільшення вмісту вуглецю. Процеси приповерхневого навуглецювання у цих покриттях інтенсивніше проходять за навантаження 3 МПа. Максимальна концентрація на глибині 150 Е для евтектичного і борованого покриттів становить 6,8 та 1,1 %.

У напиленому покритті із порошкових дротів системи Fe - C - B - Cr концентрація вуглецю на глибині 80 Е становить 4,4 %. За характером кривих розподілу можна припустити, що вуглець розташовується під шаром оксидів. Цікаво, що у напиленій поверхні системи Fe - C - B - Cr - Al зміни концентрації вуглецю не спостерігаються, вона є сталою по глибині і становить 0,04-0,06 %. Тобто вуглець у шарі практично відсутній (рис. 8). Процес графітизації відбувається в основному в результаті перебігу трибохімічних реакцій на поверхні тертя, а не дифузії вуглецю з об`єму матеріалу.

Характер кривих розподілу кисню подібний до кривих розподілу вуглецю для вище описаних покриттів. Очевидно, що процеси окислення та навуглецювання взаємозв'язані і проходять за однаковим механізмом. Максимальна концентрація кисню на поверхні у евтектичних покриттях за різних питомих навантажень становить до 7,5 %, у борованих - до 1,5 %, а напилених покриттях систем Fe - C - B - Cr і Fe - C - B - Cr - Al -- відповідно 4,6 та 4,4 %.

Розподіл бору у всіх покриттях, окрім напиленого покриття системи Fe - C - B - Cr - Al, після випробувань на зношування вказує на його активну участь у процесах оксидоутворення. У евтектичних та боридних покриттях за різних питомих навантажень спостерігається падіння концентрації бору на поверхні тертя до 0,5 %. Однак у евтектичних покриттях при навантаженнях 3 МПа на глибині ~ 2000 Е концентрація бору різко зростає до 5,5% (рис. 9, а), після чого спадає до поверхні тертя. Це обумовлено з не значним винесення продуктів зношування за питомого навантаження 3 МПа. Після випробувань боридних шарів за питомого навантаження 7 МПа падіння концентрації бору починається лише на глибині ~ 1000 Е, що вказує на переважання абразивного механізму зношування перед окисним. Отже, на фізичних плямах контакту поверхні тертя можливе утворення не стехіометричних оксидів на основі В2О3. Однак оксиди бору та заліза можуть утворювати більш складні оксидні системи В2О3 - FexOy. При відповідних режимах тертя борати розм'якшуються або переходять в рідкий стан, що сприяє зменшенню зношування покриттів. У евтектичних покриттях присутній кремній, який як і бор характеризується високою спорідненістю до кисню. Максимальна концентрація кремнію спостерігається на поверхні покриття за питомого навантаження 3, 7 та 10 МПа і відповідно становить 6,9, 3,8 та 7,8 %. Різке збільшення концентрації починається на глибині ~ 2000 Е.

Можна припустити, що в процесі тертя на поверхні композиту можливе утворення стехіометричних і не стехіометричних оксидів системи В2О3 - SiО2, які при відповідних режимах тертя на різних мікрорівнях розм'якшуються і оплавляються. Утворюється плівка типу „баббіту”, де за основу слугує механічна суміш В2О3 - SiО2 з вкрапленнями твердої складової SiО2 (до 5 %). Оскільки м'яка складова виноситься з зони тертя, тоді стає зрозумілим підвищення вмісту кремнію на поверхні тертя. Зміна концентрації бору у напилених покриттях докорінно відрізняється. Якщо у покриттях системи Fe - C - B - Cr спостерігається плавне падіння концентрації бору з 3 до 1,5 % до поверхні тертя, то у системі Fe - C - B - Cr - Al концентрація його інтенсивно зростає до поверхні тертя і сягає 19 %. Оскільки у першому випадку бор приймає активну участь в оксидоутворенні, то за наявності алюмінію цього не відбувається. Алюміній має більшу спорідненість до кисню за бор. Концентрація алюмінію до поверхні плавно зростає і становить 11,5 %. Тому в присутності Al процес навуглецювання не відбувається, що свідчить на користь гіпотези навуглецювання за рахунок перебігу трибохімічних реакцій на поверхні тертя, а не дифузії вуглецю з об'єму матеріалу. Плівка Al2O3, що утворилася характеризується високою температурою плавлення, є міцною, щільною та не проникною для газів. За важких режимів тертя і навіть за підвищених температур не відбувається розм'якшення поверхневого шару, що призводить до процесів мікрорізання, схоплювання, тощо.

У п'ятому розділі представлено термодинамічні розрахунки фазового складу продуктів зношування на поверхні тертя. На основі аналізу хімічних реакцій окислення елементів, які містять покриття, карбідів та боридів були побудувані діаграми фазової рівноваги у потрійних системах В - С - О та Fе - С - О. Добра кореляція розрахункових й експериментальних результатів дослідження фазової рівноваги у моделі трикомпонентних сплавів дозволила побудувати діаграму фазової рівноваги у системі Fe - B - C - O. Результати розрахунків фазової рівноваги показують, що у широкому діапазоні парціальних тисків CO та CO2 переважає окислювальний механізм зношування боровуглецевомістких покриттів. Найвірогіднішим є перебіг цього механізму зношування при 723 К. Встановлено, що за тиску 0,1 МПа та температур 723, 1644 К утворюються фази: В2О3, FeO, Fe2O3, Fe3O4 та графіт.

Вище вказані граничні температури відповідають відповідно оплавленню В2О3 та FeO, а за температури 843 К відбувається зміна послідовності окислення оксидів заліза з двостадійної на тристадійну. Оксиди бору та заліза досить легко можуть утворювати борати 3Fe2O3B2O3 (Fe3BO6) та Fe2O3B2O3 (FeBO3). Вище вказана гранична температура 723 К відповідає оплавленню В2О3. Залізо та бориди стабільні лише при дуже великих співвідношення CO/CO2 у складі газової суміші. У досить широкому діапазоні тисків CO виявляється нестабільним і розпадається з утворенням графіту та оксиду вуглецю. При найвищій розрахунковій температурі (1644 К) складаються сприятливі умови для перебігу відновних реакцій, що пояснюється зростанням стабільності CO. Зростання концентрації вуглецю на поверхні контакту обумовлено відкладанням плівки графіту.

У шостому розділі розглянуто механізм оксидоутворення та графітизації під час процесу тертя в важконавантажених вузлах тертя. Найвірогіднішим є перебіг механізму окислювального зношування за 723 К. Вимірювання температури у евтектичних та боридних покриттів на глибині 2 мм від поверхні тертя показали, що вона становила від 311до 493 К залежно від режиму тертя. Очевидно, що температура на поверхні тертя була вищою за вказані температури. Температуру, яка може бути на локальних ділянках поверхні контакту встановили за результатами дослідження морфології продуктів на поверхні ковзання у парі тертя B4C-ШХ15. Оскільки випробування проводили за більших швидкостей ковзання, то морфологічні ознаки поверхні проявляються активніше, ніж за умов випробування евтектичних та борованих поверхонь. Однак на мікровиступах ймовірність перебігу таких морофологічних змін є цілком реальною. Досліджували продукти зношування під час тертя B4C-ШХ15 за питомого тиску 5,5 MПa та швидкості ковзання 1, 3, 6 та 11 м/с. Безпосередньо на поверхні B4C продукти зношування мали форму глобул або склоподібних пелюсток із розгалуженими мікротріщинам. Така форма частинок на контактній поверхні свідчить про оплавлення поверхні тертя з наступним пришвидшеним охолодженням частинок. Тому, середня температура поверхні контакту лише на декілька десятків градусів перевищувала температуру плавлення B2O3. Подальше підвищення температури призводить до „випотівання” поверхні тертя, так званого захисту від перегріву матеріалу (рис. 11). Рентгенівським спектральним мікроаналізом встановлено, що склад оплавлених часточок змінюється від оксиду бору B2O3 до боратів заліза Fe3BO6 або FeBO3. В продуктах зношування концентрація бору підвищується до 25 % ат. На поверхні контртіла виявлено частинки Fe2O3 та Fe3O4. У місцях відшарування оксидів - прошарки графіту. У зламі контртіла вуглець на поверхні розподілений нерівномірно, його концентрація зростає над оксидами заліза. Під оксидами заліза вона зменшується до глибини 10-20 мкм і відповідає вмісту основи. Форма піків на оже-спектрах свідчить, що вуглець знаходиться у вигляді графіту. Термодинамічні розрахунки повністю узгоджуються з результатами структурних досліджень аналізу фазового складу продуктів на контактних поверхнях В4С-ШХ15. Інтенсивне окислення боровмісного шару з утворенням оксидів заліза та борного ангідриду починається за нагрівання вище 723 К. При цьому В2О3 перебуває в рідкому стані і до певної міри виконує роль мастила. Зі збільшенням швидкості ковзання спостерігається плавне зменшення коефіцієнт тертя до 0,25 - 0,35. Отже, збільшення навантаження, швидкості ковзання та екзотермічний ефект трибохімічних реакцій на поверхні тертя інтенсифікує фрикційний нагрів, в результаті якого на поверхнях тертя відбувається локальне оплавлення або розм'якшення оксидних фаз. Крім цього оксиди утворюють термоізолятивний шар, який перешкоджає розсіюванню тепла в об'єм матеріалів пари тертя, що в свою чергу підвищує температуру в зоні контакту.

Таким чином можна ствердити, що в процесі тертя на локальних ділянках поверхні боровмісних покриттів можливе утворення не стехіометричних оксидів на основі В2О3, Fe2O3, Fe3O4 і SiО2, які за відповідних режимів тертя розм'якшуються або переходять в рідкий стан. Оксидні плівки (борати, боросилікати) діють як звичайна змащувальна речовина, що збільшує зносостійкість важконавантажених вузлів тертя, які працюють без мастила. Одним з процесів, який супроводжує тертя боровмісних матеріалів є відкладення плівки графіту на контактної поверхні. Такі плівки не утворюються у вакуумі. В першу чергу це обумовлено стійкістю монооксиду вуглецю. Реакція розпаду СО починається при 610-670 К й інтенсивно проходить при стандартному тиску в інтервалі 770-970 К. Швидкість дисоціації СО за низьких температур є дуже мала, але суттєво зростає у присутності каталізаторів. Каталізаторами цієї реакції слугують перехідні метали та їх оксиди, зокрема: FеО, Fе3O4, Fe2О3. Залізо є каталізатором, починаючи з температури 770-849 К. Не мають каталітичного впливу: кремній, Al2О3, SіО2, С і ін. Мас-спектрометричні дослідження напилених поверхонь за участю алюмінію підтверджують, що в присутності активнішого до окислення компонента Al, процес відкладення плівки графіту не відбувається. Це свідчить на користь гіпотези графітизації переважно за рахунок перебігу трибохімічних реакцій під час тертя, а не дифузії вуглецю з об'єму металу. Шляхом належного керування такими фізико-хімічними процесами як, утворення легкоплавких фаз, перенесення вуглецю або осадження його на поверхнях контакту, можна досягти позитивного впливу трибохімічних плівок на працездатність вузлів тертя.

Запропоновано моделі поверхні тертя для боровмісних матеріалів.

У сьомому розділі показано практичне застосування евтектичних композиційних матеріалів системи Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr, нанесених електродуговим наплавленням з використанням порошкових дротів. На ВАТ “Львівський завод фрезерних верстатів” для підвищення довговічності комбінованих агрегатів для передпосівного обробітку грунту (Комбінатор ЛК-4), впроваджено заміну підшипників кочення серії 1580207К7Т2С17 ГОСТ 24850-81-81 на підшипники ковзання. Впроваджено наплавлення втулок підшипників ковзання евтектичними порошковими електродами. Дослідно-промислову первірку виконано в науково-виробничому об'єднанні „Сільгоспмашсистема” Львівської державної зональної машиновипробувальної станції у смт. Магерові. Перевірку проводили на полях під час весняно-осінньої оранки грунту. Довговічність вузла збільшилася в 2 рази. Підшипники ковзання із евтектичних матеріалів після весняно-осінньої оранки є придатні до подальшої експлуатації.

ВИСНОВКИ

У дисертації показано ефективне використання боровмісних покриттів за важконавантажених режимах сухого тертя. На основі структурно-фазових досліджень та термодинамічного аналізу хімічних реакцій показана принципова можливість створення захисних проти зношування оксидних плівок, що містять бор та графіт. За певних умов фрикційної взаємодії матеріалів плівки розм'якшуються, оплавляються і відбувається перехід вузла з режиму сухого тертя до тертя з граничним мащенням. В результаті виконання роботи отримано наступні основні результати:

Встановлено умови використання боровмісних матеріалів, які працюють в умовах сухого тертя та високих питомих навантажень. Показано, що за питомого навантаження до 8,5 МПа кращими трибологічнними характеристиками володіє боридне покриття. За вищих питомих навантажень 8,5-10 МПа найкращою зносостійкістю характеризується евтектичне покриття системи Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr, нанесене методом електродугового наплавлення.

Виявлено, з допомогою мікроструктурного аналізу покриттів та поверхні зношування, що за всіх питомих навантажень зношування пари тертя евтектичне покриття системи Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr - сталь 45 відбувається за окисним механізмом. Зношування пари тертя боридне покриття - сталь 45 за питомого навантаження 3 МПа відбувається за окисним механізмом, а за питомого навантаження 7 МПа, домінуючим стає процес абразивного зношування.

Вперше показано, що в процесі тертя евтектичних композиційних дисперсійно-зміцнених матеріалів з градієнтом структури відбувається сегрегація С, В та Si на поверхню тертя ( до 50 -100 Е). Внаслідок цього на фізичних плямах контакту утворюються не стехіометричні оксиди на основі FexOy та системи B2O3 - SiO2. Це є причиною зменшення коефіцієнту тертя до молекулярного. Вуглець знаходиться у вигляді графіту.

Вперше розраховані та побудовані діаграми фазових рівноваг в системах B - C - O і Fe - B - C - O, які дають можливість встановити умови формування вторинних структур під час тертя боровмісних матеріалів та прогнозувати їх фазовий склад. Встановлено, що на поверхні тертя утворюються фази В2О3, FeO, Fe2O3, Fe3O4 та графіт. Показано, що зміна температури ( 723 -1644 К) і тиску ( 0,1-15000 МПа) несуттєво впливають на процеси фазоутворення на контактних поверхнях.

Вперше обґрунтовано механізм графітизації за фрикційної взаємодії боровмісних матеріалів. З допомогою мас-спектрометричних досліджень та термодинамічного аналізу показано, що процес відкладення плівки графіту відбувається переважно в результаті перебігу трибохімічних реакцій на поверхні тертя, а не дифузії вуглецю з об'єму матеріалу.

Запропоновано моделі граничного шару за умов сухого тертя для систем Fe- Mn - C - B - Si - Ni - Cr, Fe - B - С - Cr та борованих поверхонь з врахуванням трибохімічних реакцій, які відбуваються під час контактній взаємодії матеріалів та фазового складу продуктів зношування.

Впроваджено заміну підшипників кочення на підшипники ковзання для комбінованих агрегатів передпосівного обробітку ґрунту на ВАТ “Львівський завод фрезерних верстатів”. Дослідно-промислова перевірка на полях в науково-виробничому об'єднанні „Сільгоспмашсистема” Львівської державної зональної МВС у смт. Магерові під час весняно-осінньої оранки ґрунту показала, що довговічність вузла збільшилася в 2 рази. Підшипники ковзання із евтектичних матеріалів є придатні до подальшої експлуатації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Пашечко М.І., Богун Л.І., Яворська М.М. Дослідження мікроструктури поверхні тертя евтектичних композиційних матеріалів на основі заліза // Металознавство та обробка металів. - № 3. - Київ. - 2006. - С. . Аналіз результатів на зносостійкість покриттів системи Fe - Mn - С - B - Si - Ni - Cr, отриманих методом електродугового наплавлення. Дослідження та обґрунтування механізму зношування поверхні тертя.

Пашечко М.І., Кондир А.І., Богун Л.І. Розрахунки фазової рівноваги у системі Fe - B - C - O// Металознавство та обробка металів. -№2. -Київ. -2004. -С. 58-61. Розрахунок, побудова та аналіз діаграми фазової рівноваги в системі Fe - B - C - O за температур 723, 843 та 1644 К. Дослідження хімічного складу евтектичних покриттів на поверхні тертя після зношування наплавленого шару.

Пашечко М.І., Кондир А.І., Богун Л.І. Механізми утворення оксидів на контактних поверхнях під час тертя матеріалів, що містять залізо та бор.// Проблеми трибології. - №2. - 2003. - С. 139 -143. Аналіз розподілу температур на контактних поверхнях.

Пашечко М.І., Кондир А.І., Богун Л.І. Механізми утворення оксидів на контактних поверхнях під час тертя матеріалів, що містять залізо та бор./ ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція “Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок”, 20-26 вересня 2004.Запоріжжя-Алушта. -С.140-144. Дослідження умов утворення боратів під час тертя композиційних матеріалів, які містять В та С.

М.Пашечко, А.Кондир, Л.Богун. Окислення бору та вуглецю у композитних матеріалах пар тертя / Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів // Спецвипуск журналу “ФХММ”. -2002. -Т.1. -№3. - С.293-297. Аналіз результатів рентгеноструктурних досліджень продуктів зношування на поверхнях композиційних матеріалів, які містять В та С.

М.І.Пашечко, А.І.Кондир, І.О.Косско, Л.І.Богун. Спектральний та термодинамічний аналізи продуктів зношування в парі тертя B4C - сталь ШХ15 //Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2002. -№3. - С.79-83. Аналіз результатів випробувань на зносостійкість пари тертя В4С-ШХ15.

М.Пашечко, А.Кондир, Л.Богун. Фазовий склад продуктів зношування на поверхнях пари тертя В4С - сталь ШХ15 // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні та приладобудуванні. Вісник Львівського політехнічного інституту. - 1999. - № 359. - Львів. - С. 77-83. Розрахунок, побудова та аналіз діаграм фазової рівноваги в системах B - C - O та Fe - C - O.

АНОТАЦІЯ

Богун Л. І. Утворення вторинних структур в памрах тертя боровмісні евтектичні покриття - сталь та їх вплив на триботехнічні характеристики. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, 2006 р.

Дисертація присвячена вирішенню наукових задач по створення захисних проти зношування плівок, що містять бор та графіт. На основі мас-спектрометричних досліджень вторинних нейтралей, встановлено, що в процесі тертя евтектичних боровмісних покриттів відбувається сегрегація С, В та Si на поверхню тертя (до 50-1000 Е). При цьому утворюються не стехіометричні оксиди на основі B2O3 та SiO2, які локально зменшують коефіцієнт тертя до молекулярного. Вуглець знаходиться у формі графіту. Вперше розраховані та побудовані діаграми фазових рівноваг для рівноважних систем B - C - O та Fe - B - C - O. Встановлено, що за тиску 0,1 МПа та температур 723, 843 та 1644 утворюються фази: В2О3, FeO, Fe2O3, Fe3O4 та графіт. Обґрунтовано механізм відкладення плівки графіту на поверхні контакту, яка утворюється переважно в результаті перебігу хімічних реакцій на поверхні тертя, а не в результаті дифузії С з об'єму матеріалу. Запропоновано моделі граничного шару для евтектичних покриттів системи Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr, борованих поверхонь, покриттів одержаних електродуговою металізацією для системи Fe - B - Cr - С, що пояснює умови їх формування та залежність процесів тертя та зношування від зовнішніх параметрів роботи вузлів тертя.

Ключові слова: трибологія, тертя, поверхня, окислення, монооксид вуглецю, оксид бору, графіт.

АННОТАЦИЯ

Богун Л. И. Образование вторичных структур в парах трения эвтектические материалы, содержащие бор - сталь и их влияние на триботехнические характеристики. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.02.04 - трение и износ в машинах. - Хмельницкий национальный университет, г. Хмельницкий, 2006 г.

Диссертация посвящена решению научных задач по созданию защитных, противоизносных пленок, содержащих бор и графит. При фрикционном взаимодействии материалов, в условиях тяжело нагруженных режимов эксплуатации узлов трения без смазки, на локальных участках возможно размягчивание, оплавление пленки и происходит переход от режима сухого трения к трению с граничной смазкой.

Установлена эффективность использования материалов, содержащих бор в таких условиях эксплуатации. Показано, что при удельной нагрузке до 8,5 МПа эффективнее использовать борированые покрытия. При больших удельных нагрузках 8,5-10 МПа лучшими триботехническими характеристиками отличаются эвтектические покрытия системы Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr, нанесенные методом электродугового наплавления. С помощью микроструктурного анализа покрытий и поверхности изнашивания установлено, що при всех удельных нагрузках изнашивание пары трения эвтектические покрытие системы Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr - сталь 45 происходит по окислительному механизму. Изнашивание пары трения боридное покрытие - сталь 45 при удельной нагрузке 3 МПа происходит по окислительному механизму, а при удельной нагрузке 7 МПа, доминирует процесс абразивного изнашивания.

На основании проведенных масс-спектрометрических исследований установлено, что в процессе трения эвтектических материалов происходит сегрегация С, В, и Si на поверхность трения ( до 50-1000Е ). При этом образуются не стехиометрические оксиды на основе FexOy, B2O3 и SіО2, которые локально уменьшают коэффициент трения к молекулярному. Углерод находится под слоем оксидов в виде графитной пленки.

С помощью термодинамического анализа впервые рассчитанные и построены диаграммы фазовых равновесий для прогнозирования образования продуктов износа в системах B - C - O и Fe - B - C - O. Установлено, что при давлении 0,1 МПа и температуре 723, 843 и 1644 К образуются фазы: В2О3, Fe, Fe2O3, Fe3O4 и графит. Показано, что изменение температуры ( 723-1644 К ) и давления (0,101- 15000 МПа) не существенно влияют на процессы фазообразования на контактных поверхностях. Выявлен и обоснован механизм графитизации на поверхности контакта, который происходит в большей части в результате химических реакций на поверхности трения, а не процесса диффузии углерода из объема материала покрытия. Оксидные пленки (бораты, боросиликаты) действуют как обыкновенное смазывающее вещество, что увеличивает долговечность тяжело нагруженных узлов сухого трения.

Предложены модели поверхностного слоя для эвтектических покрытий системы Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr, борированных поверхностей, поверхностей полученных методом электродуговой металлизации системы Fe - B - С - Cr, что объясняет условия их формирования и зависимость процессов трения и изнашивания от внешних параметров работы узлов трения.

Предложено замену подшипников качения на подшипники скольжения, у которых втулки наплавлены эвтектическими материалами системы Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr для комбинированных агрегатов (Комбинатор ЛК-4) предпосевной обработки земли, на ВАТ “Львовский завод фрезерных станков”. Испытания показали, что долговечность замененного узла увеличилась в 2 раза. Подшипники скольжения из эвтектических материалов пригодны к дальшей эксплуатации.

Ключевые слова: трибология, трение, поверхность, окисление, монооксид углерода, оксид бора, графит.

ABSTRACT

Bogun L.I. Forming the secondary structures in pair of friction eutectic material, containing boron - steel and their influence upon tribotechnical characteristics. - A manuscript.

The Thesis for receiving scientific degree of candidate of the technical sciences for profession 05.02.04 - friction and wear-out in machines. - Hmelnyckyj national university, Hmelnyckyj, year 2006.

This thesis is dedicated to decision of the scientific problems of creation of the defensive films against wearing-out, containing boron and graphite. On the grounds of mass-spectrometric studies it was found that in process of friction of the eutectic coverings, that contain boron, occurs the segregation C, B, and Si on surface of friction (before 50-1000A). Herewith compound oxides are formed on base of the system B2O3 - FexOy - SiO2, which local reduce the factor of friction up to molecular. Carbon is found in the form of graphite. For the first time there were calculated and build diagrams phase balance in systems B - C - O and Fe - B - C - O. It is installed that under ambient pressure 0,1 MPA and the temperature 723, 843 and 1644 K formed phases: B2O3, FeO, Fe2O3, Fe3O4 and graphite. The temperatures 723 and 1644 K correspond the temperature of melting B2O3, FeO. Temperature 843 K corresponds to the change of oxidation process from two stages to three stages. It is shown that change of the temperature and pressure unessential influence upon processes formed phases on surfaces of friction. It was substantiate mechanism of depositing the graphite on the surfaces of the contact, which was formed in the result of chemical reaction on surfaces of friction. There were offered models of boundary layer for eutectic covering of the system Fe - Mn - C - B - Si - Ni - Cr, boronizing surfaces, received by arc-electrometallization coverings of the system Fe - C - B - Cr. These models explain conditions of forming boundary layer and dependence of the processes of friction and wear from external parameters of working the nodes of friction. тертя боровмісний матеріал графіт

Key words: carbon monoxide, boron oxide, friction, graphite, oxidation, tribology, wear.

Размещено на Allbest.ru