Структура та властивості захисних покриттів на основі евтектичних сплавів заліза з тугоплавкими фазами втілення, отриманих кристалізацією в нерівноважних умовах

Досліджено структурні та фазові зміни, які виникають у відпалених при високих температурах (0,9Т_пл) газо-термічних евтектичних покриттях. Із збільшенням часу відпалу відбуваються процеси коагуляції кристалів фаз втілення, часткове зникнення границь між зернами твердого розчину на основі заліза, зменшення періоду їх гратки через частковий розпад, змінення складу нерівноважних сполук. У всіх досліджених евтектичних системах завдяки розвитку дифузійних процесів спостерігаються фазові перетворення, пов'язані із наближенням структури та фазового складу до більш рівноважного стану.

Вимірювання мікромеханічних властивостей структурних складових, у залежності від часу відпалу досліджуваних покриттів, показало їх суттєву зміну в областях із структурою тонкого конгломерату фаз, які, як було показано вище, в основному визначають триботехнічні та корозійні властивості покриттів. Мікропластичність цих областях зростає на (40-50)%. Мікротвердість при цьому знижується майже в три рази, при незначному зростанні мікропружністі (рис.10). Властивості областей з колоніальною структурою якісно змінюються таким же чином, але величина змін, в кількісному відношенні, є суттєво меншою.

Аналогічні зміни властивостей спостерігаються і у випадку детонаційних евтектичних покриттів, причому кількісні показники мікромеханічних властивостей покриттів, одержаних цими методами напилення, практично співпадають, що опосередковано підтверджує їх однакову природу утворення.

Встановлена можливість суттєво змінювати властивості структурних складових отриманих евтектичних газо-термічних покриттів відкриває широкі можливості впливу на їх триботехнічні характеристики. На рис.11 представлено типові для всіх досліджуваних евтектичних покриттів залежності триботехнічних характеристик від часу відпалу, тобто від структурно-фазових змін, описаних вище. Із наведених графіків видно, що діапазон змін значень зносу як контр-тіла, так і покриттів дуже широкий. В залежності від методу напилення та часу відпалу сумарний знос пари тертя може визначатися або зносом покриття або заносом конрт-тіла. Це дає змогу підбирати такі комбінації термообробки евтектичних покриттів та матеріалу відповідного контр-тіла, коли в заданих реальних умовах тертя знос пари тертя буде мінімальний.

Дослідження складу утворюваних в процесі тертя вторинних структур показало, що це переважно оксидні плівки заліза складу Fe₂O₃ та Fe₃O₄, тобто, при сухому терті ковзання формуються ті ж самі сполуки, що мали місце в області пасивації при корозійних іспитах в умовах кислого середовища.

Склад вторинних структур, та фрактографія поверхні тертя показали, що відпал евтектичних покриттів змінює механізм тертя у порівнянні з вихідним напиленим станом. Замість крихкого руйнування переважно твердих та крихких областей із структурою тонкого конгломерату фаз, збільшення їх пластичності призводить до появи слідів пластичного відтиснення з характерними напливами, вигладжуванню поверхні тертя і, як наслідок, зниженню зносу пари тертя. Основними компонентами вторинних структур - окисних плівок, є оксиди Fe₂O₃ та Fe₃O₄, які поставляються в зазор тертя металевою матрицею - твердим розчином на основі заліза.

Триботехнічні властивості відпалених газо-термічних евтектичних покриттів сильно залежать від методу напилення, тобто зазначених вище характерних структуро-фазових станів. Наведені на рис.11 залежності виконуються для всіх досліджених евтектичних систем і показують, як, вибираючи метод напилення або склад евтектичних покриттів, можна свідомо підбирати оптимальні властивості пари для конкретних умов тертя.

В роботі відзначено, що на сьогоднішній день існує дуже мало металевих систем (переважно на основі міді та свинцю) в яких можна в широкому діапазоні регулювати зносостійкість, особливо в умовах сухого тертя. Встановлені можливості спрямованої зміни властивостей евтектичних газо-термічних покриттів шляхом термообробки, дозволяють суттєво розширити коло вирішення існуючих проблем вузлів тертя.

Іншим, але не менш ефективним шляхом впливу на властивості досліджуваних евтектичних газо-термічних покриттів є обробка потужним лазером неперервної дії частини покриття. Параметри лазерного випромінювання (щільність потужності, швидкість пересування променя, кут падіння, діаметр променя, довжина хвилі) вибиралися таким чином, щоб швидкість охолодження з рідкого стану була значно меншою, за критичну швидкість, при якій відбувається зміна механізму евтектичної кристалізації. За таких умов, у результаті кристалізації в зоні переплаву реставрується колоніальна структура евтектичного зерна із своїми, як було показано вище, характерними властивостями. Переплав відбувався на всю товщину покриття, до границі розділу з підкладкою, що збільшувало адгезію розплавленої області, а відтак, всього покриття, за рахунок сплавлення нижньої частини покриття з підкладкою. Чергування областей з переплавленим та похідним станами вихідним станами дозволило утворити покриття з композитною структурою: чергування зон з колоніальною структурою та зон зі структурою тонкого конгломерату фаз. Оскільки властивості цих зон суттєво відрізняються, задаючи співвідношення між густиною і шириною, можна досягти оптимального поєднання триботехнічних властивостей, що і було реалізовано в роботі.

Дослідження фазового складу зон лазерного переплаву дозволило встановити, що, практично, він співпадає із складом розпилених порошків відповідних фракцій за винятком невеликої кількості метастабільних сполук, поява яких, вочевидь, є слідством особливостей стану рідини перед кристалізацією, характерного для лазерного переплаву.

Електронно-мікроскопічне дослідження тонкої структури дозолило встановити, що механізм зародження та сумісного росту, утворюючих евтектику фаз, є таким самим, як і у випадку кристалізації сплавів із швидкостями, нижче критичної (рис.13.), тобто, зароджуючою та ведучою фазою є рівноважні та метастабільні фази втілення. Таким чином, було встановлено, що в зонах лазерного переплаву вихідного покриття реставрується механізм композиційного зміцнення і, чергування зон з різною структурою визначає сукупність дії механізмів зміцнення в покритті - композиційного та дисперсійного. Оскільки комбінація структур та механізмів зміцнення є керованою, це дає змогу, також, керувати триботехнічними властивостями досліджуваних евтектичних покриттів оптимізуючи їх під конкретні умови тертя.

Наведені в шостому розділі експериментальні результати дали змогу стверджувати, що високотемпературний відпал та застосована лазерна обробка є ефективними засобами цілеспрямованої зміни триботехнічних властивостей напилених евтектичних покриттів, що відкриває широкі можливості їх практичного застосування для вирішення різних задач конструювання та технології виготовлення вузлів тертя, які працюють в умовах відсутності мастила та одночасної дії хімічно активного середовища.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Установлено, що при кристалізації евтектичних сплавів на основі заліза з тугоплавкими карбідами і боридами, при досягненні критичної швидкості охолодження з рідкого стану, яка становить ~5·10⁵К/с, відбувається зміна механізму кристалізації, що призводить до утворення структури тонкого конгломерату фаз.

2. Установлено, що основними фазовими складовими областей із структурою тонкого конгломерату фаз, що формуються у досліджених евтектичних покриттях, є твердий розчин заліза, з невеликим ступенем пересиченості, та рівномірно розподілені в ньому кристали стабільних та метастабільних фаз втілення з дисперсністю від одиниць до десятків нанометрів. Метастабільні інтерметалідні фази при цьому не утворюються.

3. Установлено, що кількість евтектичної складової, яка має структуру тонкого конгломерату фаз, що утворюється внаслідок кристалізації при великих швидкостях охолодження з рідкого стану, визначає високі триботехнічні та корозійні властивості газо-термічних і іонно-плазмових покриттів з евтектичних сплавів на основі заліза з тугоплавкими карбідами та боридами.

4. Установлено залежності формування триботехнічних властивостей, отриманих евтектичних покриттів, від регульованої зміні їх структури і фазового складу, що дозволяє мінімізувати сумарний знос пари тертя в широкому діапазоні умов сухого тертя ковзання.

5. Показано, що триботехнічні та корозійні властивості досліджених евтектичних покриттів, піддаються цілеспрямованій зміні за рахунок формування нових фазових та структурних станів різного ступеня рівноваги, шляхом термічної обробки та часткового лазерного переплаву.

6. Установлено закономірності залежності властивостей від структурно-фазового складу при нерівноважній кристалізації досліджених евтектик що становлять наукову основу розробки нових евтектичних сплавів для покриттів на основі заліза з фазами втілення, які мають одночасно високі триботехнічні та корозійні властивості.

7. Установлено, що пружно-пластичними властивостями та твердістю металевої складової областей тонкого конгломерату фаз, отриманих покриттів з евтектичних сплавів, можна керувати шляхом відпалу, не змінюючи при цьому механізм її дисперсійного зміцнення стабільними та метастабільними фазами втілення.

8. Установлено, що відповідальним за формування кількості та складу вторинних оксидних плівок, виникаючих в процесі сухого тертя ковзання досліджених евтектичних покриттів, є твердий розчин на основі заліза, в якому відсутні компоненти, що утворюють фази втілення.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шурин А.К., Панарин В.Е., Киндрачук М.В. Износостойкость нержавеющих эвтектических сплавов с фазами внедрения // Проблемы трения и изнашивания. -Киев: Техника, 1981. -№19. -С.65-73.

2. Назаренко П.В., Макаркин А.Н., Шурин А.К., Панарин В,Е. Исследование износостойкости композиционных сплавов на основе железа при трении в среде газообразного водорода // Трение и износ. -1982. -Т3, -№3. -С. 495-500.

3. Шурин А,К., Панарин В.Е., Киндрачук М.В., Голего Н.Н. Износостойкие наплавки эвтектическими сплавами на основе железа // Защитные покрытия на металлах.- Киев: ИПМ, 1982, -Вып.№17. -С. 40-43.

4. Назаренко П.В., Панарин В.Е., Микуляк О.В. Износостойкость плазменных покрытий из эвтектичесих сталей // Трение и износ. -1983. -Т.4, -№6. -С. 1074-1079.

5. Шурин А.К., Панарин В.Е. Износостойкие эвтектические стали.-К., 1982. -5с. (Препр./ УкрНИИНТИ. -№82.-107).

6. Панарин В,Е., Микуляк О.В. Влияние термической обработки на износостойкость газоплазменных эвтектичесих покрытий // Известия ВУЗОВ. Черная металлургия. -1983. -№11. -С. 163-164.

7. Панарин В.Е., Микуляк О.В., Коваленко В.С. и др. Износостойкость эвтектических покрытий, обработанных лазером // Электронная обработка металлов. -1984. -№2. -С. 33-36.

8. Назаренко П.В., Панарин В.Е., Астахов Е.А. и др. Структура и изнашивание детонационных покрытий из эвтектических сплавов на основе железа // Порошковая металлургия. -1984. -№9. -С. 71-76.

9. Панарин В.Е., Микуляк О.В., Грипачевский А.Н. Исследование поверхностных пленок при трении газотермических эвтектических покрытий // Трение и износ. -1984. -№4. -С. 611-616.

10. Шурин А.К., Панарин В.Е. Диаграммы состояния железа с фазами внедрения как основа разработки износостойких эвтектических сталей // МиТОМ, -1984. -№2. -С.55-57.

11. Панарин В.Е., Микуляк О.В., Киндрачук М.В. Возможности управления триботехническими свойствами эвтектических газотермических покрытий на основе железа с фазами внедрения // Трение и износ. -1985. -Т.6, -№5. С. 932-936.

12. Шурин А.К., Панарин В.Е., Рагозин И.П. Исследование модуля упругости и микротвердости структурных составляющих сплавов эвтектической системы железо-диборид титана // Металлофизика. -1985. -Т.7, -№1. -С. 47-51.

13. Шурин А.К., Панарин В.Е. Повышение абразивной износостойкости стали 120Г13 // МиТОМ. -1985. -№6. -С. 57-59.

14. Микуляк О.В., Панарин В.Е., Аяотс М.Э. Исследование трения тонких покрытий // Проблемы трения и изнашивания. -1988. -№34. -С. 66-69.

15. Панарин В.Е., Микуляк О.В., Киндрачук М.В., Бондарь А.И. Газотермические покрытия из эвтектических сплавов на основе железа с ультрадисперсной структурой // Защитные покрытия на металлах. -1988. -№22. -С. 26-30.

16. Шурин А.К., Панрин В.Е., Микуляк О.В. Влияние ионно-плазменного напыления на твердость закаленной стали У8 // Авиационная промышленность. -1989. -№7. -С. 68-69.

17. Микуляк О.В., Панарин В.Е., Бондарь А.И. Исследование адгезионной прочности тонких покрытий // Проблемы трения и изнашивания. -1991. -№30. -С. 39-41.

18. Микуляк О.В., Панарин В.Е., Щурин А.К., Гончаренко А.Е. Изучение износостойкости ионно-плазменных покрытий из эвтектических сплавов железа // Трение и износ. -1991. -Т.12, -№2. -С. 315-319.

19. Панарин В.Е., Микуляк О.В., Бондарь А.И. Амплитудно-частотное исследование изнашивания ионно-плазменных эвтектических покрытий // Проблемы трения и изнашивания. -1991. -№39. -С. 36-39.

20. Микуляк О.В., Панарин В.Е., Шурин А.К. Износостойкость термообработанных ионно-плазменных покрытий из эвтектических сплавов на основе железа // Порошковая металлургия. -1992. -№7. -С. 40-44.

21. Киндрачук М.В., Панарин В.Е., Микуляк О.В. Использование высококонцентрированных источников энергии для повышения триботехнических свойств эвтектических покрытий // Защитные покрытия на металлах. 1993. Вып.27. С. 50-54.

22. Киндрачук М.В., Панарин В.Е., Москаленко Ю.Н. Влияние термоциклической обработки на структуру и свойства плазменных покрытий из эвтектических сплавов на основе железа // Металловедение и обработка металлов. -1995. -№1. -С. 38-45.

23. Панарин В.Е. Структурные изменения в эвтектических сплавах железа, затвердевших с различными скоростями // Металловедение и обработка металлов. -1997. -№1. -С.20-25.

24. Киндрачук М.В., Панарин В.Е., Голего Н.Н. Технологические аспекты повышения износостойкости газотермических эвтектических покрытий // Проблемы трения и изнашивания. -1998. -№44. -С.113-122.

25. Vasylyev M.A., Panarin V.E., Deina A.A. at set. Increase the corrosion-resistance of the metals after low energy ion treatment // Czechoslovak Journal of physics. -2 0 0 0. -Vol. 5 0, S u p p l. -s.3. -P.457-460.

26. Васильев М.А., Панарин В.Е., Косячков А.А. Изменение коррозионной стойкости металлов после бомбардировки ионами инертного газа // Известия РАН. Серия физическая. -2002. -Т.66, -№1. -С.93-95.

27. Панарин В.Е., Дабижа Е.В. Разработка технологии ионно-плазменного напыления износостойких и коррозионно-стойких покрытий из эвтектических сплавов на основе железа с фазами внедрения // Сверхтвердые материалы. -2001. -№ 6. -С. 17-23.

28. Vasylyev M.A., Panarin V.E., Senkevich A.I. at set. AES and XPS analyses of the TiN coatings deposited on Al-alloy substrate by the vacuum arc technique // МиНТ. -2002. -Т.24, -№3. -С.331-339.

29. Панарін В.Є., Васільев М.А., Погорєлая В.В. Змінення корозійної стійкості металів після бомбардування низько енергетичними іонами інертних газів // Фундаментальні орієнтири науки. Хімія та наукові основи перспективних технологій. -Київ: Академперіодика. 2005. -С.199-209.

30. Панарін В.Є., Кіндрачук М.В., Мансур Д.І., Погорєлая В.В. Використання метастабільних станів у формуванні властивостей зносостійких евтектичних покриттів на основі заліза // МОМ. -2006. -№ 3. -С. 9-25.

31. Сталь. А.с. №870481 СССР. Шурин А.К., Панарин В.Е., Макаркин А.Н. Заявит. ИМФ АН УССР. Приоритет 21.12.79. Опубл. 07.10.81, Бюл. №37.

32. Сталь. А.с. №897886 СССР. Шурин А.К., Панарин В.Е., Макаркин А.Н., Назаренко П.В. Заявит. ИМФ АН УССР. Приоритет 21.12.79. Опубл. 15.10.82, Бюл. №2.

33. Сплав на основе железа. А.с. №1010154 СССР. Шурин А.К., Панарин В.Е., Ильинский И.И., Духота А.И., Шарыпов А.З., Хорошенин А.З. Заявитель Пермский моторостроительный завод, ИМФ АН УССР.Опубл. 07.04.83, Бюл. № 13.

34. Порошковый материал для порошковых покрытий. А.с. №1050179 СССР. Киндрачук М.В., Корнеев Л.И., Мелентьев И.В., Огуенко В.Н., Панарин В.Е, Скуридин А.А., Спеваков Ю.С., Шатохин В.В., Шурин А.К. Заявитель НПО “Тулачермет”. ДСП. Приоритет 05.03.1982.

35. Сплав для наплавки. А.с. №1055179 СССР. Шурин А.К., Панарин В,Е., Киндрачук М.В., Голего Н.Н., Лещинер Я.А. Заявитель ИМФ АН УССР. ДСП. Приоритет:05.03.1982.

36. Состав порошкового материала для износостойкой наплавки и напыления. А.с. №1137670 СССР. Гетьман И.С., Лобачев Н.Н., Огуенко В.Н., Панарн В.Е., Тимофеев А.П., Шатохин В.В., Шурин А.К. Заявитель НПО “Тулачермет”. ДСП. Приоритет: 06.01.1984.

37. Способ подготовки поверхности металлических изделий в вакууме перед нанесением покрытий. А.с. №1626723 СССР. Панарин В.Е., Васильев М.А., Микуляк О.В., Дейна А.А., Киндрачук М.В. ДСП. Заявитель ИМФ АН УССР.

38. Сплав на основе железа А.с. №1705398 СССР. Панарин В.Е., Микуляк О.В., Дейна А.А., Истомин В.Ю., Марьяш А.Д., Масловский А.И. Заявитель ИМФ АН УССР, НПО “Технорибор”. Бюл. №2, 1992.

АНОТАЦІЯ

Панарін В.Є. Структура та властивості захисних покриттів на основі евтектичних сплавів заліза з тугоплавкими фазами втілення, отриманих кристалізацією в нерівноважних умовах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.16.01 - металознавство та термічна обробка металів. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова Національної академії наук України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена отриманню та дослідженню структури і властивостей евтектичних сплавів на основі заліза з тугоплавкими фазами втілення, в різних умовах нерівноважної кристалізації - у вигляді порошків та покриттів. Основною ідеєю роботи є реалізація можливості управління експлуатаційними властивостями евтектичних сплавів, отриманих в нерівноважних умовах. Нерівноважні умови створюються в покриттях, напилюваних фізичними методами, які припускають швидкий нагрів часток вище за температури ліквідус та подальше швидке охолодження на холодній підкладці. В результаті протікання такого температурно-часового циклу в покриттях з евтектичних сплавів виникають нерівноважні структурні та фазові стани з різними притаманними їм властивостями. Подальший нагрів таких покриттів призводить до зсуву їх до положення рівноваги, шляхом проходження проміжних станів, які мають свої характерні властивості. Таким чином, температурна обробка евтектичних покриттів дає можливість отримати стани з оптимальними експлуатаційними властивостями.

В дисертації досліджена структура і фазовий склад порошків різних фракцій з евтектичних сплавів на основі заліза з тугоплавкими карбідами і боридами, отриманих методом розпилення рідкого металу струменем інертного газу. Аналіз отриманих результатів дозволив встановити залежність структуроутворення від швидкості охолодження. В порошках, охолоджених з великими швидкостями був виявлений ефект зміни механізму кристалізації з утворенням структури тонкого конгломерату фаз. Визначена критична швидкість переходу від колоніальної структури, до структури незалежного зародження і зросту фаз евтектичного зерна.

Досліджена структура і фазовий склад газо-плазмових, детонаційно-газових і іонно-плазмових покриттів з евтектичних сплавів заліза з фазами втілення. Встановлено закономірності їх утворення від умов нанесення покриттів. Показано, що у всіх покриттях досягається критична швидкість охолодження і формуються структури тонкого конгломерату фаз.

Дослідження фазового складу отриманих порошків і покриттів з евтектичних сплавів показало, що їх основу складають тверді розчини на основі б- або г-заліза, а зміцнюючими, є фази втілення.

Встановлено, що у всіх випадках реалізованих нерівноважних станів, як в порошках, так і в покриттях, одночасно з рівноважними утворюються нерівноважні сполуки, які є, також, фазами втілення. Склад і кількість нерівноважних фаз визначається не тільки швидкістю охолодження рідини, але і її станом перед кристалізацією.

Дослідження триботехнічних властивостей отриманих евтетичних покриттів, показало, що вони, в основному, визначаються кількістю і станом областей з нерівноважною структурою тонкого конгломерату фаз. Технологічними параметрами напилення можна регулювати співвідношення кількості областей з колоніальною і структурою тонкого конгломерату фаз, змінюючи тим самим експлуатаційні властивості покриття в цілому.

Зсув до положення термодинамічної рівноваги евтектичних покриттів, шляхом високотемпературного відпалу, дозволяє змінювати їх структурно-фазовий склад і, отже, зносо- та корозійну стійкість, значеннями яких можна керувати для мінімізації зносу пари тертя.

На підставі отриманих в роботі закономірностей формування властивостей евтектичних покриттів від ступеня нерівноважності структурно-фазових станів розроблені нові склади сплавів для покриттів з оптимальним поєднанням експлуатаційних характеристик.

Отримані і досліджені наплавлені і оплавлені плазмовим і полум'яним пальниками покриття з евтектичних сплавів заліза з фазами втілення. Показано, що в умовах наплавки і оплавлення, при малих швидкостях охолодження, відбувається формування колоніальних структур, властивих литому стану.

Досліджено структуро-фазові перетворення, що відбуваються в напилених евтектичних покриттях при їх частковій лазерній переплавці із швидкостями охолодження, нижче критичної. Показано, що при цьому можливо відновлення колоніальної структури, в переплавлених областях, що дає змогу керувати властивостями покриттів в цілому, шляхом чергування областей з різним структурним станом.

Отримані результати мають як наукове, так і прикладне значення, розширюють уявлення про умови зміни механізму евтектичної кристалізації і області складів металевих систем, для яких це виконується. Вони, також, є науковою основою розробки нових складів евтетичних сплавів з регульованими властивостями.

Ключові слова: покриття, евтектики, залізо, фази втілення, нерівноважні стани, зносостійкість, корозійна стійкість, керування властивостями.

АННОТАЦИЯ

Панарин В.Е. Структура и свойства защитных покрытий на основе эвтектических сплавов железа с тугоплавкими фазами внедрения, полученных кристаллизацией в неравновесных условиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.16.01 - металловедение та термическая обработка металлов. - Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова Национальной академии наук Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена получению и исследованию структуры и свойств эвтектических сплавов на основе железа с тугоплавкими фазами внедрения, в различных условиях неравновесной кристаллизации - в виде порошков и покрытий. Основной идеей работы является реализация возможностей управления эксплуатационными свойствами эвтектических сплавов, полученных в неравновесных условиях. Неравновесные условия создаются в покрытиях, напыляемых физическими методами, которые предполагают быстрый нагрев частиц выше температур ликвидус и последующее быстрое охлаждение на холодной подложке. В результате протекания такого температурно-временного цикла в покрытиях из эвтектических сплавов возникают неравновесные структурные и фазовые состояния с различными, присущими им свойствами. Последующий нагрев таких покрытий приводит к смещению их к положению равновесия, путем прохождения промежуточных состояний, которые имеют свои характерные свойства. Таким образом, температурная обработка эвтектических покрытий дает возможность получить состояния с оптимальными эксплуатационными свойствами.

В диссертации исследованы структура и фазовый состав порошков различных фракций из эвтектических сплавов на основе железа с тугоплавкими карбидами и боридами, полученных методом распыления жидкого металла струей инертного газа. Анализ полученных результатов позволил установить зависимости структурообразования от скорости охлаждения. В порошках, охлажденных с большими скоростями, был обнаружен эффект изменения механизма кристаллизации с образованием структуры тонкого конгломерата фаз. Определена критическая скорость перехода от колониальной структуры, к структуре независимого зарождения и роста фаз эвтектического зерна.

Исследованы структура и фазовый состав газо-плазменных, детонационно-газовых и ионно-плазменных покрытий из эвтектических сплавов железа с фазами внедрения. Установлены закономерности их образования от условий нанесения покрытий. Показано, что во всех покрытиях достигается критическая скорость охлаждения и формируются структуры тонкого конгломерата фаз.

Исследование фазового состава полученных порошков и покрытий из эвтектических сплавов показало, что их основу составляют твердые растворы на основе б- или г-железа, а упрочняющими, являются фазы внедрения.

Установлено, что во всех случаях реализованных неравновесных состояний, как в порошках, так и в покрытиях, одновременно с равновесными образуются неравновесные соединения, которые представляют собой, также, фазы внедрения. Состав и количество неравновесных фаз определяется не только скоростью охлаждения жидкости, но и ее состоянием перед кристаллизацией.

Исследование триботехнических свойств полученных эвтектических покрытий, показало, что они, в основном, определяются количеством и состоянием областей с неравновесной структурой тонкого конгломерата фаз. Технологическими параметрами напыления можно регулировать соотношение количества областей с колониальной и структурой тонкого конгломерата фаз, изменяя тем самым эксплуатационные свойства покрытия в целом.

Смещение к положению термодинамического равновесия эвтектических покрытий, путем высокотемпературного отжига, позволяет изменять его структурно-фазовый состав и, следовательно, износо- и коррозионную стойкость, значениями которых можно управлять для минимизации износа пары трения.

На основании полученных в работе закономерностей формирования свойств эвтектических покрытий от степени неравновесности структурно-фазовых состояний разработаны новые составы сплавов для покрытий с оптимальным сочетанием эксплуатационных характеристик.

Получены и исследованы наплавленные и оплавленные плазменной и пламенной горелками покрытия из эвтектических сплавов железа с фазами внедрения. Показано, что в условиях наплавки и оплавления, при малых скоростях охлаждения, происходит формирование колониальных структур, присущих литому состоянию.

Исследованы структуро-фазовые превращения, происходящие в напыленных эвтектических покрытиях при их частичном лазерном переплаве со скоростями, ниже критической. Показано, что при этом возможно восстановление колониальной структуры в переплавленных областях, что дает возможность управлять свойствами покрытий в целом, путем чередования областей с различным структурным состоянием.

Полученные результаты имеют как научное, так и прикладное значение, расширяют представления об условиях изменения механизма эвтектической кристаллизации и области составов металлических систем, для которых это выполняется. Они, также, являются научной основой разработки новых составов эвтетических сплавов с регулируемыми свойствами.

Ключевые слова: покрытия, эвтектики, железо, фазы внедрения, неравновесные состояния, износостойкость, коррозионная стойкость, управление свойствами.

ABSTRACT

Panarin V.E. Structure and properties of the protective coatings on the base of iron- based eutectic alloys with refractory interstitial phases obtained by crystallization under non-equilibrium conditions. -Manuscript.

Dissertation for the Engineering Science Doctor (Dr. Sci.) degree competition on the speciality 05.16/01 (physical metallurgy and heat treatment of metals). G.V. Kurdyumov Institute for Physics of Metals, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2006.

The dissertation is devoted to the obtaining and investigation the structure and properties of iron-based eutectic alloys with refractory interstitial phases in the form of powders and coatings under different conditions of non-equilibrium crystallization. The main idea of the work is realization of possibilities for control the exploitation properties of eutectic alloys obtained under non-equilibrium conditions. Non-equilibrium conditions are originated in coatings being deposited by physical methods which suppose rapid heating of particles to the temperature being above the liquidus one with following rapid cooling on a cool substrate. Non-equilibrium structural and phase states with inherent in them properties are arise in the result of such temperature-temporal cycle in the coatings of eutectic alloys. Following heating of such coatings leads to displacement them to the equilibrium position through interstitial states which have their own characteristic properties. Thus, temperature treatment of eutectic coatings enables to get the states with optimal exploitation properties.

Structure and phase composition of the powders of different fractions of iron-based eutectic alloys containing refractory carbides and borides obtained by the method of liquid metal dispersion by inert gas stream have been investigated in the dissertation. Analysis of obtained results allowed setting dependencies of structure formation on speed of cooling. There has been found the effect of change of crystallization mechanism with formation the structure of thin conglomerate of phases. Critical speed of transition from colonial structure to one of independent nucleation and growth of phases of eutectic grain has been determined.

There have been investigated the structure and phase composition of plasma -spray, detonation gun and ion-plasma coatings of the eutectic alloys of iron containing the interstitial phases. The regularities of their formation under the conditions of deposition the coatings have been established. It was shown that critical speed of cooling was achieved in all coatings, and the structures of thin conglomerate of phases were formed.

Phase composition investigation of obtained coatings and powders of eutectic alloys has shown that solid solutions on the base of б - or г-iron comprised their base but just interstitial phases were the strengthening ones.

It has been established that in all cases of realized non-equilibrium states, both in powders and coatings, non-equilibrium compounds, being also the interstitial phases, were formed simultaneously with equilibrium ones. Composition and quantity of non-equilibrium phases are determined not only by the speed of cooling of liquid but its state before crystallization, too.

Investigation of tribotechnical properties of obtained eutectic coatings has shown that they were largely determined by quantity and state of areas with non-equilibrium structure of thin conglomerate of phases. One can regulate the ratio of colonial structure and thin conglomerate phases areas by the changing of technological deposition parameters improving thereby exploitation properties of coatings as a whole.

Displacement to the position of thermodynamic equilibrium of eutectic coatings by high temperature annealing allows changing its structure-phase composition and, therefore, wear- and corrosion resistance the values of which may be controlled for minimization the wear of friction pair.

The new compositions of eutectic alloys for coatings with optimal combination of exploitation characteristics on the base of obtained in the work dependences of formation the properties of eutectic coatings on the degree of non-equilibrium of structure-phase states have been developed.

There have been obtained and investigated the welds and fused by plasma and flaming gas -rings coatings of eutectic alloys of iron with the interstitial phases. It was shown that under conditions of welding and consolidation at low cooling speeds the formation of colonial structures, peculiar to the casting state, took place.

There have been investigated the structure-phase transformations taking place in the deposited eutectic coatings under their partial re-melting with the speeds lower the critical ones. It was shown that in this case regeneration of colonial structure in re-melted areas gave possibility to control the properties of coatings as a whole by alternation of areas of different structural state.

The obtained results have both scientific and applied value, expand the concept about the conditions of change of eutectic crystallization mechanism and areas of metallic system compositions for which it is performed. They are also the scientific foundation for the development the new compositions of eutectic alloys with regulated properties.

Keywords: coatings, iron, interstitial phases, non-equilibrium states, wear resistance, corrosion resistance, property control.

Размещено на Allbest.ru