Тертя та зношування інструментальних матеріалів зі зносостійкими покриттями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МАКОВКІН ОЛЕГ МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.891

ТЕРТЯ ТА ЗНОШУВАННЯ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ ЗІ ЗНОСОСТІЙКИМИ ПОКРИТТЯМИ

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький - 2009

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Хмельницькому національному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Гладкий Ярослав Миколайович, Хмельницький національний університет, професор кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, Dr.-Ing. habil., професор Семенюк Микола Федорович, Хмельницький національний університет, професор кафедри машинознавства

кандидат технічних наук, доцент Гупка Богдан Васильович, Тернопільський державний технічний університет ім. І.Пулюя, доцент кафедри технології машинобудування

Захист відбудеться “ 2 ” грудня 2009 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розісланий “2” листопада 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

тертя зношування інструментальний матеріал

Актуальність теми. Протягом багатьох років вдосконалення інструментальних матеріалів відбувалось шляхом підвищення твердості, теплостійкості, зносостійкості при одночасному зниженні характеристик міцності і в'язкості.

Проблема створення інструментального матеріалу з “ідеальними властивостями” повинна вирішуватися на основі розробки композиційного інструментального матеріалу, в якого високі значення поверхневої твердості, теплостійкості і фізико-хімічної інертності поєднувалися б з достатніми значеннями міцності, в'язкості і границі витривалості та оптимальним співвідношенням "крихкої" і "пластичної" міцності. Одним з найбільш ефективних способів забезпечення оптимального поєднання "твердість - пластичність" є застосування різних технологій поверхневої модифікації, найбільше застосування при цьому знаходять технології нанесення зносостійких покриттів.

Сучасні технології дозволяють отримувати покриття комбінованого складу, багатошарові, з індивідуальними фізико-механічними, хімічними та трибологічними властивостями. На поверхнях тертя утворюється сукупність складних вторинних структур, що мають значний вплив на процес зношування. Ці процеси та властивості досліджені мало, тому даний напрямок є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планом проведення науково-дослідних робіт Хмельницького національного університету, у відповідності з науково-дослідною роботою, що фінансується державним бюджетом Міністерства освіти та науки України “Підвищення зносостійкості та працездатності обладнання паливо-енергетичного та машинобудівного комплексів” (№ ДР 0105U000721).

Мета та задачі дослідження. Дисертаційна робота направлена на розробку методології і дослідження трибологічних характеристик інструментальних матеріалів зі зносостійкими покриттями в жорстких умовах випробувань, наближених до реальних умов експлуатації.

Відповідно до мети роботи поставлені і розв'язані наступні задачі:

1. Експериментальним шляхом вивчити трибологічну поведінку досліджуваних інструментальних матеріалів, визначити режими тертя, за яких забезпечується мінімальне зношування.

2. Розробити технології нанесення спеціальних зносостійких покриттів на поверхню зразка, дослідити їх трибологічні характеристики, провести порівняльну оцінку зношування зразків з покриттями та без них.

3. Розробити методику прогнозування зношування матеріалів залежно від швидкісно-силових параметрів тертя.

Об'єкт дослідження - формування трибологічних характеристик та зносостійкості матеріалів без покриттів та з покриттями, нанесеними на поверхню тертя.

Предмет дослідження - сталі У8А, 60С2, ХВГ, Р6М5 і твердий сплав ВК-3 зі зносостійкими покриттями та без них.

Методи дослідження. Поставлені цілі та задачі розв'язувались з використанням різноманітного сучасного обладнання, нових технологій, методів та методик. Дослідження проводились на комп'ютеризованій машині тертя. Для пояснення отриманих результатів проводилось дослідження поверхонь тертя з використанням мікрорентгеноспектрального та рентгенофазового аналізу. Використовувалися сучасні методики та обладнання для нанесення зносостійких покриттів.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Експериментальним шляхом встановлено трибологічні параметри (лінійне зношування, коефіцієнт тертя, середня температура у зоні тертя) матеріалів зі зносостійкими покриттями та без них в жорстких умовах випробувань, наближених до реальних умов експлуатації інструментів у безперервному режимі, з автоматичним фіксуванням трибологічних характеристик та кінетики зношування.

2. Досліджено особливості тертя та зношування інструментальних матеріалів з покриттями і без них на стадії припрацювання, виявлені матеріали та умови, при яких виявляється схильність до утворення наросту. Запропоновано заходи по запобіганню наростоутворенню.

3. Розроблена технологія осадження та встановлені режими, за яких забезпечується мінімальна інтенсивність зношування комбінованих зносостійких покриттів на основі нікелю, міді, нітриду бору та двоокису алюмінію.

4. Розроблена методика отримання формул розрахунку зношування трибологічних пар залежно від швидкості ковзання та зусилля притискання; методика апробована на прикладі досліджуваних матеріалів.

5. Встановлено, що особливістю зношування покриттів з композиційних матеріалів є утворення вторинних структур, тонкодисперсних плівок, які є оксидами металів компонентів покриттів і виконують роль твердої змазки. Товщина і щільність плівок залежить від навантаження і швидкості тертя, від яких, в свою чергу, залежить температура в зоні тертя, відповідно й інтенсивність окислення.

Практичне значення отриманих результатів

1. На основі проведених досліджень встановлено режими тертя, за яких забезпечується мінімальна інтенсивність зношування і оптимальна стійкість сталей Р6М5, У8А, 60С2, ХВГ та твердого сплаву ВК-3 з покриттями і без них.

2. Представлено результати експериментальних досліджень зношування ряду: а) зносостійких покриттів, нанесених хімічним способом (Cr, Ni); б) електрохімічних покриттів (Ni); в) комбінованих покриттів, нанесених електролітичним методом на основі нікелю (Ni-Cu), (Ni-Al₂O₃), (Ni-BN); г) покриттів, нанесених методом електроіскрового легування (ЕІЛ) TiCrC-(FeCrAl), TiCrC-(FeCr), AlN-ZrB₂, TiCrB₂-(FeCr), ВК-3, TiCrB₂-30(Fe-15Cr); д) покриттів, нанесених плазмовим напилюванням (ПН) TiCrC-(FeCr); є) покриттів, нанесених комбінованим способом: ЕІЛ (TiCrC-(FeCr))+ПН (TiCrC-(FeCr)), де ЕІЛ слугує підшаром для ПН, що забезпечує кращу адгезію останнього. Отримані результати дають можливість визначити режими тертя, які забезпечують максимальну працездатність трибопари і стійкість інструментів.

3. Результати роботи впроваджені на державному підприємстві "Новатор" (м. Хмельницький), в ВАТ "Укрелектроапарат" (м. Хмельницький) та використовуються кафедрою технології машинобудування Хмельницького національного університету при викладанні дисципліни "Технологія і устаткування ремонту".

Особистий вклад здобувача

Наукові та практичні результати, представлені у дисертаційній роботі, отримані дисертантом самостійно. Постановка задачі та обговорення результатів проводились разом з науковим керівником та частково із співавторами публікацій. У наукових працях, які виконані у співавторстві, особистий внесок наступний: показана важливість та необхідність переходу на безперервне фіксування трибологічних параметрів тертя 1, 3, 7, 14, 16; розроблена методика отримання формул розрахунку зношування трибологічних пар залежно від швидкості ковзання та зусилля притискання 9, 10; встановлено режими термічної обробки покриттів (нанесених електролітичним та хімічним способами) для зняття внутрішніх напружень 2; виявлено матеріали, схильні до утворення наросту та запропоновано ряд покриттів, які запобігають його утворенню 5, 6, 8; встановлено трибологічні властивості покриттів при жорстких режимах тертя, наближених до реальних умов експлуатації 4, 11 - 13, 15.

Апробація результатів дисертації

Результати досліджень, представлені у дисертації, доповідались на наукових конференціях та семінарах: міжнародному науково-технічному семінарі “Высокие технологии: тенденции развития” (м. Алушта, 2006 р.); промисловій конференції з міжнародною участю та бліц-виставці “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (с. Славське, Карпати, 2006 р.); інтернаціональному трибологічному симпозіумі “Built-up edge during friction and wear of high strength tool steels” (Польща, м. Краків, 2006 р.); всеукраїнській науково-технічній конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво” (м. Хмельницький, 2006 р.); міжнародному науковому семінарі "Высокие технологии в машиностроении" (м. Харків, 2008 р.); ІІ міжнародній науково-практичній конференції “Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування” (м. Луцьк, 2009).

Публікації. Результати дисертації відображені у 16 публікаціях: 6 - у провідних фахових журналах, 6 статей у збірниках наукових праць, 2 патенти, а також 2 праці у матеріалах та тезах конференцій.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Загальний об'єм дисертації складає 176 сторінок, в тому числі 87 рисунків, 7 таблиць та 146 найменувань літературних джерел. Основна частина роботи складає 170 сторінок машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено стан наукової проблеми, обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи і дана її загальна характеристика, сформульовані мета та завдання роботи.

Перший розділ дисертації присвячений аналізу методів та способів захисту вузлів та деталей від зношування. Методи та способи захисту вузлів та деталей від зношування можна поділити на наступні групи: матеріалознавчі; технологічні; конструкційні; виробничі та експлуатаційні. Наведено аргументи щодо доцільності використання технологічних методів.

Представлено найбільш поширені методи нанесення покриттів, типи, їх види, а також трибологічні, фізичні та механічні властивості.

Викладено методи та методики трибологічних досліджень.

У другому розділі дисертаційної роботи обґрунтовано вибір досліджуваних матеріалів: високовуглецева стальУ8А, кремнієва пружинна сталь 60С2, сталь ХВГ, швидкорізальна сталь Р6М5 та твердий сплав ВК-3.

Наносились наступні зносостійкі покриття: хімічним та електролітичним осадженням хрому та нікелю; комбіновані електролітичні покриття на основі нікелю (нікелево-мідне, нікелево-корундне, нікельнітридборидне покриття); покриття, нанесені методом електроіскрового легування TiCrC-(FeCrAl), TiCrC-(FeCr), AlN-ZrB₂, TiCrB₂-(FeCr), ВК-3, TiCrB₂-30(Fe-15Cr) плазмовим напилюванням TiCrC-(FeCr) та їх комбінуванням.

Трибологічні дослідження проводились в умовах сухого тертя на універсальній машині УМТ 2168 за схемою диск - палець.

Проаналізовані похибки, що виникають при вимірюванні величин зносу ваговим і лінійним методами і показано, що ці методи вимірювання не можуть бути використані при дослідженні тертя та зношування зразків з покриттями.

Коли товщина покриттів коливається в межах від нанометрів до декількох міліметрів, це створює певні труднощі при визначенні їх фізичних властивостей і висуває певні вимоги до методики дослідження триботехнічних характеристик матеріалів. Аналіз недоліків існуючих методів трибологічних досліджень показав, що зупинки процесу тертя (технологічні зупинки) для вимірювання і фіксування трибологічних параметрів спотворюють результати досліджень. Виникають додаткові проблеми, пов'язані з розмежуванням роботи безпосередньо самого покриття і перехідної зони між покриттям та основою. Кожне знімання та встановлення зразка на машину тертя пов'язане з похибкою базування, має свій період припрацювання, період нормального дослідження і на деяких ділянках критичний знос (рис. 1), що також вносить свої похибки у результати експерименту.

Для отримання достовірних даних необхідно позбутись похибок, які виникають при зупинці та запуску обладнання з метою фіксації проміжних значень. Цього можна досягти шляхом модернізації лабораторного обладнання та автоматичним фіксуванням досліджуваних параметрів без зупинки процесу тертя.

Датчик включено в коливальну систему двочастотного автогенератора і оптимізовано за динамікою перехідних процесів.

Використання вимірювального перетворювача з частотним виходом значно підвищує стійкість системи щодо похибок. Для підвищення точності вимірювань система доукомплектована вимірювачем глибини канавки контртіла, яка утворюється під час випробувань. Вимірювач являє собою кварцовий датчик з модульованим міжелектродним зазором, який оптимізовано щодо впливу термальних зовнішніх дестабілізуючих факторів, це дозволяє досягти високої розрізнювальної здатності та точності вимірювань.

Блок цифрової обробки та керування виконано на основі однокристалевого мікроконтролера. В блок інтегровано мікропроцесорне ядро, селектор аналогових сигналів, 12-розрядний аналогово-цифровий перетворювач послідовного наближення та трансивер UART. Після попередньої обробки інформації дані передаються каналом послідовного зв'язку на персональний комп'ютер (ПК) для подальшої обробки та використання.

Дискретність вимірювання досліджуваних параметрів задається за допомогою програми, необхідні налаштування можливі з будь-яким кроком, починаючи від 0,5 с.

Програмне забезпечення (ПЗ) має зручний інтерфейс користувача (рис. 2), забезпечуючи відображення отриманої інформації у реальному часі з довільною комбінацією каналів (від 1 до 8) вимірювання. По закінченні експерименту формується масив даних (рис. 2, праворуч) у вигляді файлу.

Для дослідження обрано схему тертя диск - напівсферичний палець, що забезпечує досягнення високих питомих тисків, наближених до реальних напружень на робочих поверхнях інструментів; миттєве припрацювання; контроль величини зносу покриття з точністю 0,001 мм.

Використання безперервного методу збирання інформації про тертя та зношування підвищує точність експериментальних досліджень приблизно на 30%.

Для прогнозування зношування матеріалів використовується залежність:_________

де h - величина лінійного зношування (мкм), С - коефіцієнт пропорційності, N - нормальна реакція (навантаження) (Н), V - швидкість ковзання (м/с), б, в - коефіцієнти.

Для визначення параметрів рівняння (1) проводиться повнофакторний експеримент типу 2². Для підвищення точності розрахунків величини зношування вводимо (рис. 3) залежність коефіцієнтів регресії від шляху тертя.

Трибологічні параметри досліджуваних пар тертя записуються в автоматичному режимі з дискретністю від 0,5 с.

Дана методика розрахунку дозволяє отримувати розрахункові формули високої точності.

В третьому розділі представлені результати досліджень параметрів тертя та зношування найбільш поширених інструментальних матеріалів (вуглецеві сталі У8А, леговані 60С2 (температури відпуску (Т_відп.) - 200, 300, 400⁰С) і ХВГ, швидкорізальна сталь Р6М5 та твердий сплав ВК-3), що відрізняються між собою за фізико-механічними характеристиками, хімічним складом та температурою красностійкості. Вони служать для порівняльної оцінки зносостійкості матеріалів з покриттями та без них залежно від питомого тиску та швидкості ковзання (табл. 1).

Таблиця 1

Режими випробовувань інструментальних сталей

№ режиму тертя	Початкове контактне напруження, МПа	Нормальне зусилля притискання, Н	Швидкість ковзання, м/с	Потужність тертя, (Н•м)/с
1	2000	60	1,33	80
2	1300	20	1,33	27
3	2000	60	0,67	40
4	1300	20	0,67	13

На кривих зношування (рис. 4, 5) спостерігаються дві чітко виражені зони тертя - припрацювання та нормального зношування. Припрацювання відбувається миттєво і займає відносно невеликий проміжок часу залежно від технологічної підготовки пар тертя, властивостей матеріалу, середовища та режимів тертя. При цьому відзначаємо відсутність припрацювання як довготривалої спеціальної операції, що використовувалась у стандартних методиках.

Зона припрацювання поверхонь залежно від режиму тертя складає від 10 до 80 м шляху тертя. Її ознаками є раптове збільшення температури (рис. 4, в), коефіцієнту тертя (рис. 4, б), стрімкий спад напруження та інтенсивності зношування.

Оцінку зносостійкості матеріалів проведено шляхом порівняння залежності величини лінійного зношування (h) від потужності тертя -на окремих ділянках випробувань (рис. 6).

На початковій стадії для всіх режимів випробувань при пройденому шляху до 100 м (рис. 6, а) найбільшою зносостійкістю відзначається твердий сплав ВК-3 (інтенсивність зносу І_з=5•10^-13) на 2, 3, 4 режимах випробування, і в порядку зменшення зносостійкості можна утворити ряд - сталь Р6М5 (І_з=6•10^-11), У8А(І_з=7•10^-11), 60С2 (І_з=2•10^-9).

При випробуваннях сталі ХВГ на режимах 2, 3, 4 на початковій стадії виявили збільшення лінійних розмірів (рис. 5 та рис. 6, крива 3), що є характерним для схоплювання і наростоутворення. Максимальний розмір наросту складав 10…50 мкм. Процес зношування відбувався шляхом збільшення розмірів наросту до критичного і періодичного його сколювання, що чітко відслідковується на графіках (рис. 5). На першому режимі випробування сталі ХВГ таке явище не спостерігали, а після 100 м пройденого шляху на режимах 2, 3, 4 воно більше не повторювалося (рис. 6, б, крива 4), що можна пояснити зменшенням питомого тиску і утворенням вторинних структур при незмінності інших параметрів тертя.

Встановлено, що оптимальними з точки зору експлуатаційних режимів на цій ділянці є для сталей 60С2, ХВГ,У8А третій, а для сталі Р6М5 другий режими випробування і ця тенденція зберігається на наступних ділянках (рис. 6, а).

Після 2000 м пройденого шляху тертя (рис. 6, г) найкращі показники зносостійкості мають твердий сплав ВК-3 на першому режимі (рис. 6, г, крива 5, І_з=2,5•10^-11); Р6М5 - на другому режимі (крива 2, І_з=4,25•10^-11); У8А - на третьому режимі (крива 3, І_з=6,5•10^-11); ХВГ - на першому режимі (крива 4, І_з=7,5•10^-11) і 60С2 - на першому режимі (крива 1, І_з=11•10^-11).

Прогнозування лінійної величини зношування досліджуваних матеріалів проведено за наведеною вище методикою. Різниця розрахункової величини лінійного зношування досліджуваних матеріалів і експериментальних значень знаходиться в межах 5…30%. Як приклад, на рис. 7 представлені дані, отримані для сталі Р6М5.

Розрахункові залежності мають наступний вигляд.

В четвертому розділі представлені результати трибологічних досліджень сталей з осадженими на робочу поверхню зносостійкими покриттями за режимами, наведеними в табл. 1. Розглядались покриття низькотемпературні: електролітичний та хімічний хром, нікель; композиційні електролітичні покриття на основі Ni (КЕП) - Ni-BN, Ni-Cu, Ni-Al₂O₃, та високотемпературні: плазмое напилювання (ПН) TiCrC-30(Fe-Cr); електроіскрове легування (ЕІЛ) - TiCrC-(FeCrAl), TiCrC-(FeCr), TiCrB₂-(FeCr), TiCrB₂-30(Fe-15Cr), AlN-(ZrB₂), ВК-3, та комбіновані покриття (КП=ЕІЛ+ПН) - TiCrC-(FeCr). Товщина покриттів складала при хімічному осадженні - 8…10 мкм; електролітичному - 18…22 мкм; КЕП - 18…22 мкм; ЕІЛ - 100…150 мкм; ПН - 150…200 мкм.

КЕП на нікелевій основі, отримані гальванічним методом, складаються з металевої матриці і тонкодисперсних часток другої фази (оксиди, нітриди, бориди), що розподілені в її об'ємі, підвищуючи мікротвердість та зносостійкість за рахунок зменшення розмірів кристалів осадженого металу.

Для покриттів, отриманих методом ПН, ЕІЛ та ЕІЛ+ПН, використовували конгломеровані композиційні порошки відповідного складу розміром 0,4…0,63 мкм з наступним пресуванням та спіканням у вакуумній печі.

При електроіскровому легуванні в якості матеріалу легуючого елементу застосовували композиційні матеріали того ж складу, що і порошок, який наноситься на поверхню для збільшення адгезії в системі “покриття - основа”.

Вплив внутрішніх напружень на зношування покриттів. Причиною раптового руйнування хімічного та електролітичного покриття є неякісне його зчеплення з основою, що виникає за рахунок внутрішніх напружень першого роду та його дефектної структури, що можуть бути усунуті термічною обробкою (відпуском протягом 2 годин).

Для кожного типу покриття існують оптимальні режими термообробки, що забезпечують зменшення внутрішніх напружень та покращують зчеплення покриття з матрицею. Оптимальними Т_відп. для зразків зі сталі У8А з покриттям є: хімічне нікелювання - 200 ⁰С; електрохімічне нікелювання - 100 ⁰С; покриття ЯНГ - 100 ⁰С; композиційне Ni-Cu покриття - 200 ⁰С; Ni-Al₂O₃ - 100 ⁰С.

Термічна обробка покриттів збільшує зносостійкість у декілька разів, зокрема: хімічне нікелювання - на 50%, електрохімічний нікель - на 60%, хімічне хромування (ЯНГ) - на 50%, Ni-Cu покриття - на 70%, Ni-Al₂O₃ - на 80%.

Закономірності тертя та зношування інструментальних сталей зі зносостійкими покриттями.

Хімічне осадженням хрому (ЯНГ) та хімічне нікелювання здійснювали на поверхню матеріалів з температурою розчину 50…60 єС, що не впливає на внутрішню структуру основи. Ці покриття мають бездефектну структуру та незначну товщину (8…10 мкм), мікротвердість складає (1000…1200) HV для хрому і (700…800) HV - для нікелю.

Інтенсивність зношування (І_з) та коефіцієнт тертя для сталі 60С2 з цими покриттями зменшились у 2 рази, а для швидкорізальної сталі Р6М5 - у 3 рази. В той же час, значних змін І_з сталі У8А з хімічним хромовим покриттям не відзначено, що свідчить про вплив фізико-механічних характеристик основи покриття на його трибоповедінку.

Суттєві зміни спостерігаються в природі зношування сталі ХВГ з покриттям ЯНГ на усіх режимах і особливо на першій стадії випробування. Оскільки процес тертя та зношування сталі ХВГ без покриття проходить з утворенням наросту (рис. 5, 6, табл. 2), то при наявності покриття наріст відсутній.

Електрохімічне осадження нікелю та хрому. Трибологічні властивості даного покриття досліджували на сталях Р6М5, У8А та ХВГ. Найкращі показники зносостійкості спостерігаються на сталі Р6М5 з електрохімічним нікелем - зносостійкість залежно від режиму випробування збільшилась у 2…3 рази (табл. 2), а коефіцієнт тертя залишився без змін. Покриття, нанесені на сталь ХВГ та У8А, мало впливали на їх трибологічні характеристики.

Порівняльна оцінка величин коефіцієнтів тертя та температури на зразках з хімічними та електролітичними хромовими покриттями свідчить, що у зразків з електролітичними покриттями, через значні відмінності у їх будові і структурі, коефіцієнт тертя та температура в зоні тертя є більшими, ніж у зразків з хімічним покриттям.

Комбіновані електролітичні покриття (КЕП) на основі Ni та дисперсних частинок Cu, Al₂O₃ та BN осаджували на робочі поверхні зразків з наступним відпуском за оптимальними температурами.

Ni-Cu КЕП, нанесені на сталі Р6М5, У8А та ХВГ, підвищили зносостійкість сталі Р6М5 у 2…5 рази, сталі У8А - в 1,5…2 рази, а зносостійкість сталі ХВГ на другому режимі зменшилась у 4 рази. Відзначено появу наросту, що свідчить про те, що мідь у прийнятій пропорції не призводить до суттєвих змін у трибоповедінці досліджуваних матеріалів і необхідно підібрати співвідношення міді у нікелі та встановити оптимальні режими тертя, оскільки мідь відіграє у процесі тертя роль твердого змащувального матеріалу.

Ni-BN КЕП, осаджені на сталі У8А та ХВГ, підвищили їх зносостійкість в 1,5 рази на другому і третьому режимах випробування, а на більш жорстких режимах це покриття не придатне для використання через високу твердість і крихкість нітриду бору.

Таблиця 2

Залежність лінійного зношування матеріалів з покриттями від потужності тертя

Покриття	Режим	Матеріал
		Р6М5	У8А	ХВГ
		Шлях тертя, L м
		100	2000	100	2000	100	500	1000	2000
Cr	І	0,09	0,16	0,01	-0,03	-0,02	-0,03	-0,03	-0,02
	ІІ	0,01	0,06	0,01	0,04	0	0	0	0
	ІІІ	0	0,06	-0,06	-0,01	-0,02	-0,03	-0,04	-0,02
	IV	0,01	0,06	-0,09	-0,07	0,04	0,06	0,07	0,09
ЯНГ	І	0,03	0,17	0,2	0,5	0,1	0,25	0,4	0,5
	ІІ	0,01	0,09	0,09	0,33	0,03	0,09	0,17	0,3
	ІІІ	0,02	0,1	0,07	0,35	0,13	0,19	0,25	0,4
	IV	0,05	0,15	0,04	0,23	0,01	0,07	0,11	0,2
Ni	І	0,01	0,08	0,07	0,5	0,15	0,3	0,35	0,45
	ІІ	0,02	0,06	0,07	0,24	0,18	0,33	0,4	0,5
	ІІІ	-0,01	0,09	0,1	0,2	0,04	0,07	0,12	0,2
	IV	0,01	0,08	0,06	0,2	0,03	0,05	0,12	0,2
Ni-Cu	І	-0,1	0,1	0,01	-	0,09	0,2	0,35	-
	ІІ	0,03	0,1	0,17	0,4	0,05	0,08	0,14	0,2
	ІІІ	0,02	0,1	0,06	0,35	0,09	0,13	0,18	0,33
	IV	0,01	0,2	0	-	0,07	0,09	0,14	0,25
Ni-Al2O3	І	0,04	0,2	0,2	-	0,25	0,15	0,4	-
	ІІ	0,04	0,1	0,05	0,19	0,02	0,15	0,28	0,4
	ІІІ	-0,1	0,1	0,04	0,22	0,01	0,02	0,03	0,05
	IV	0,04	-	0,06	0,25	0,05	0,1	0,17	0,27
(ЕІЛ) TiCrC- (FeCrAl),	І					0,03	0,08	0,15	0,25
	ІІ					0,05	0,06	0,07	0,08
	ІІІ					0,06	0,07	0,08	0,13
	IV					0,13	0,2	0,25	0,3
(ЕІЛ) TiCrB2- (FeCr),	І					0,08	0,16	0,25	0,35
	ІІ					0,08	0,11	0,14	0,23
	ІІІ					-0,02	-0,06	-0,01	0,03
	IV					0,02	0,06	0,13	0,18

Ni-Al₂O₃ КЕП, осаджені на сталях У8А, 60C2 (Т_відп. - 200 єС і 400 єС), Р6М5, ХВГ, є більш зносостійким у порівнянні з покриттями з чистого нікелю та зразками без покриття. Зносостійкість збільшилась приблизно на 10…30% залежно від режиму тертя, а значних змін значень коефіцієнта тертя та температури не відбулося.

Досліджувались також електроіскрові і плазмові покриття, нанесені на зразки зі сталі ХВГ - ЕІЛ: (TiCrB₂-(FeCr), TiCrB₂-30(Fe-15Cr), ВК-3 AlN-(ZrB₂), TiCrC-(FeCr), TiCrC-(FeCrAl)); ПН - (TiCrC-(FeCr)), а також з їх комбінуванням ЕІЛ+ПН (TiCrC-(FeCr)).

Карбід TiCrC має більшу твердість, корозійну стійкість та зносостійкість у порівнянні з карбідом титану (ТіС), який поряд з високими показниками твердості має високу крихкість. Використання сплавів на основі заліза призводить до зменшення градієнту концентрації заліза (Fe) у захисному шарі та зміцнюваної поверхні і сприяє зниженню інтенсивності дифузійних процесів на міжфазній границі покриття та основи.

В табл. 2 представлені характеристики зношування сталі ХВГ з покриттями. Зносостійкість сталі ХВГ з покриттям TiCrC-(FeCr), нанесеним методом ЕІЛ, є вищою у порівнянні з ПН+ЕІЛ. Значні відмінності у зносостійкості спостерігаються на 2 … 4 режимах тертя, а величина та тенденції зношування на першому режимі майже не відрізняються. Найменше зношування відзначено для цих покриттів на другому та третьому режимах тертя. Коефіцієнти тертя знаходяться в межах 0,1…0,16 для покриття TiCrC-(FeCr), нанесеного методом ЕІЛ, та 0,12…0,16 - для покриття TiCrC-(FeCr), нанесеного методом ПН+ЕІЛ.

Зносостійкість покриття, нанесеного методом ПН з попередньою піскоструменевою обробкою (ПО), у 1,5…2 рази менша, ніж покриття, нанесеного методом ЕІЛ, а оптимальними режимами тертя є перший та третій. Коефіцієнт тертя з покриттям TiCrC-(FeCr), нанесеним методом (ПО+ПН), знаходиться в межах 0,1…0,17.

Додаткове легування TiCrC-(FeCr) алюмінієм створило TiCrC-(FeCrAl)-покриття, що утворює на доріжках тертя тверді та зносостійкі карбіди (AlC), оксиди (AlO) алюмінію та інші складні сполуки і змінило трибологічну поведінку на другому режимі при пройденому шляху 1000 м, де зносостійкість збільшилась у 1,6 рази (для TiCrC-(FeCr) і склала 0,1 мм, а для TiCrC-(FeCrAl) - 0,06 мм.

Покриття TiCrC-(FeCrAl) краще працює на високих швидкостях ковзання (перший та другий режим - V=1,33 м/с), а зменшення швидкості ковзання у 2 рази (V=0,67 м/с) призвело до погіршення показників лінійного зношування у порівнянні з покриттям TiCrC-(FeCr). Це підтверджує необхідність підбирання складу покриття конкретно для певних режимів тертя з врахуванням умов роботи та впливу середовища.

Покриття TiCrC-(FeCrAl) доцільно використовувати на першому та другому режимах, а для (TiCrB₂-(FeCr)) вони є нераціональними і різниця величини зношування між цими покриттями становить приблизно 50%. Покриття з вмістом бору призводить до погіршення результатів зношування. AlN-(ZrB₂) сприятиме утворенню у зоні тертя вторинних структур у вигляді нітридів та боридів, а величина зношування AlN-(ZrB₂)-покриття на 25% більша, ніж у покриття TiCrC-(FeCr) і для нього найбільш доцільним є використання третього режиму тертя.

Найкращі показники зносостійкості одержали на зразках зі сталі ХВГ з покриттям ВК-3, нанесеним методом ЕІЛ. Це покриття дозволяє використовувати інтенсивні перший та другий режими тертя (на першому режимі тертя величина зношування склала 0,15 мм, на другому - 0,1 мм при шляху тертя 1000 м).

Механізм зношування сталі ХВГ з покриттями. Поверхня тертя зразка зі сталі ХВГ без покриття характеризується рівномірним розподілом включень Сr. Мікроструктура зразка однорідна, без значних виступів, впадин і подряпин. Поодинокі включення - це продукти зношування або дефекти, отримані мікросхоплюванням, деформуванням, перегрівом. Можливе утворення оксидних плівок на основі Cr, але ймовірність цього невисока і це в значній мірі залежить від умов (режимів) тертя.

Зразок з покриттям «хром хімічний» має гладку поверхню тертя без помітних мікронерівностей (виступів, впадин), що говорить про окислювальний знос зразка. Рівномірне розподілення хрому, наявність більш виражених піків, і співпадіння їх з поодинокими включеннями свідчить про утворення на поверхні тертя вторинних структур на основі хрому - сполук систем Cr-O (Cr₂O₃) або Fe-Cr-O (хроміти заліза), які суттєво знижують втрати на знос в умовах сухого тертя.

Мікроструктура доріжок тертя сталі ХВГ з покриттям Al₂O₃-Ni має досить шорстку поверхню з чітко вираженими доріжками і являє собою рівномірно розподілені оксидні плівки Al₂O₃, які мають острівковий характер розподілу. Завдяки їх високій щільності (рис. 8, в) вони охоплюють всю поверхню тертя. Поодинокі включення нікелю (рис. 8, г) свідчать про утворення вторинних структур Ni-Al-O (нікеліни, алюмініди), які суттєво підвищують зносостійкість. При дуже інтенсивному терті (високі швидкості і навантаження) вони руйнуються і виносяться з зони тертя, при цьому на поверхні тертя миттєво утворюються нові плівки, які продовжують захищати поверхню.

Мікроструктура поверхні тертя сталі ХВГ з покриттями ЕІЛ +ПН (TiCrC - (Fe-Cr) + TiCrC - (Fe-Cr) при режимах сухого тертя (у=2000 МПа; V = 1,33 м/с, сумарне спрацювання - 0,41 мм, шлях тертя - 6000 м) характеризується досить великою площею вторинних структур (плівки ТіО₂). Це пояснюється досить жорсткими умовами тертя, в результаті чого в зоні контакту виникають високі температури і значно інтенсивніше відбувається окислення поверхні. На поверхні тертя виявлено дисперсні зерна карбідної фази, розміри більшості яких ?0,5 мкм.

Утворення ТіО₂ забезпечує дуже високу зносостійкість. При випробуваннях при даних режимах зразка без покриття граничний знос становив 0,42 мм вже через 180 м пройденого шляху, а з покриттям - 0,41 мм після шляху тертя 6000 м. Використання ЕІЛ покриття як підшару для ПН забезпечує кращі триботехнічні і експлуатаційні характеристики, тому що адгезійний зв'язок плазмового покриття до поверхні значно вищий. Більш жорсткі режими тертя виявляють значно вищу перевагу зразків з покриттям. Так, якщо при режимах тертя у = 1300 МПа, V = 0,67 м/с; у = 1300 МПа, V = 1,33 м/с, зносостійкість зразків з покриттям була в 1,5…3 рази вищою, то при у = 2000 МПа, V = 1,33 м/с - в 5…30 разів вища. Це пояснюється інтенсивністю утворення вторинних структур в зоні тертя, які виконують функції твердої змазки.

Основною особливістю зношування покриттів з композиційних матеріалів на основі ТіCrC і TiCrB₂, нанесених методами ПН і ЕІЛ на сталі ХВГ, є утворення тонкодисперсних плівок ТіО₂, товщина і щільність яких залежить від навантаження і швидкості тертя, від яких, в свою чергу, залежить температура в зоні тертя, відповідно й інтенсивність окислення. Високі показники зносостійкості покриттів забезпечуються наявністю вторинних структур (оксидні плівки), які виконують роль твердої змазки. Значну роль в забезпеченні високої зносостійкості відіграють вторинні структури, які являють собою оксиди металів компонентів покриттів (ТіО₂, Сr₃O₂, Al₂O₃), що не змочуються сталями - відсутній адгезійний зв'язок між матеріалом покриття і контртілом (відсутнє схоплювання).

ВИСНОВКИ

1. Досліджена зносостійкість сталей У8А, Р6М5, ХВГ, 60С2 та твердого сплаву ВК-3 в умовах високих питомих тисків та швидкостей. Залежно від шляху і режимів тертя вивчені наступні трибологічні властивості:

· лінійне зношування (У8А, Р6М5, ХВГ, 60С2, ВК-3);

· коефіцієнт тертя (У8А, Р6М5, ХВГ, 60С2, ВК-3);

· середня температури в зоні тертя (У8А, ХВГ, 60С2);

· вплив потужності тертя на величину зношування (У8А, Р6М5 ХВГ, 60С2, ВК-3);

· інтенсивність зношування (Р6М5, ХВГ, 60С2);

· напруження в зоні контакту (Р6М5, 60С2).

Розглядались різні режими тертя (табл. 1).

За результатами досліджень визначені режими тертя, при яких досягається найвища зносостійкість.

2. Розроблено технології нанесення зносостійких хімічних та електрохімічних покриттів на основі нікелю і хрому. Проведено порівняльну оцінку зносостійкості інструментальних матеріалів з осадженими покриттями:

· електролітичний та хімічний хром, нікель;

· композиційні покриття - Ni-BN, Ni-Cu, Ni-Al₂O₃;

· плазмові та електроіскрові покриття - TiCrC-(FeCrAl), TiCrC-(FeCr), TiCrB₂-(FeCr), TiCrB₂-30(Fe-15Cr), AlN-(ZrB₂), ВК-3, TiCrC-(FeCr).

3. Встановлено, що внутрішні напруження, що виникають в процесі осадження покриття на основу матеріалу, відіграють важливу роль в забезпеченні зносостійкості і адгезійної міцності між покриттям і основою матеріалу. На хромистих та нікелевих покриттях, товщина яких складає 8…10 мкм, і які наносяться хімічним способом, відшарування не відбувається.

4. Зняття внутрішніх напружень за допомогою двохступеневої термічної обробки відіграє значну роль у підвищенні зносостійкості покриттів, нанесених електролітичним методом. Для хромових і нікелевих покриттів рекомендованою температурою відпуску є 200…230 ^оС, що забезпечує перетворення кристалічної ґратки хромового покриття з гексагональної в кубічну, а також сприяє зменшенню в 3 рази вмісту водню на поверхні деталі та в покритті у порівнянні з не відпущеними. При цьому термін служби деталей збільшується у 1,5…2,0 рази (зокрема, хімічне нікелювання - в 1,5 рази, електролітичний нікель - в 1,6 рази, Ni-Cu покриття - в 1,7 рази, Ni-Al₂O₃ - в 1,8 рази, хімічне осадження хрому - в 1,6…2 рази).

5. В процесі трибологічних досліджень інструментальних матеріалів виявлено на початкових стадіях і певних режимах випробувань (контактне напруження, швидкість ковзання) появу явища наростоутворення - зростання початкових розмірів досліджуваних зразків, що супроводжується стрімким зростанням температури та моменту тертя (більші розміри наросту відповідали більш високим контактним напруженням).

6. Для запобігання наростоутворенню використовували не тільки збільшення швидкості та зменшення початкового контактного напруження, але й використання покриттів, які запобігають утворенню наросту.

7. Виявлено, що електролітичні одношарові нікелеві та хромисті покриття сприяють утворенню наросту на досліджуваних матеріалах і це явище не залежить від режимів тертя, в той час як такі ж хімічні покриття, що мають практично бездефектну структуру, майже не схильні до наростоутворення.

8. Встановлено, що електролітичні покриття на основі нікелю та хрому мають велику кількість дефектів у вигляді мікротріщин, які сприяють схоплюванню цих покриттів завдяки локальному збільшенню коефіцієнтів тертя і зростанню температури на цих ділянках. В той же час напруження в зоні контакту перевищують границю текучості електролітичного нікелю.

Крім того встановлено, що такі хімічні елементи, як нікель, хром, мідь, алюміній за певних умов тертя створюють умови для схоплювання контактуючих тіл. При високих контактних напруженнях і швидкостях ковзання, в умовах, близьких до умов стружкоутворення при обробці металів різанням, що супроводжуються безперервним утворенням нових ювенільних поверхонь, створюються умови до наростоутворення.

9. Зносостійкість сталі ХВГ з композиційними покриттям TiCrC-(FeCr), нанесеним методом електроіскрового легування, є вищою у порівнянні із плазмовим + електроіскровим легуванням на режимах тертя 2, 3, 4, що зумовлено кращою адгезією покриття з матрицею. Значення коефіцієнту тертя для обох випадків майже однакові і знаходяться в межах 0,1...0,16 для покриття TiCrC-(FeCr), нанесеного методом ЕІЛ, та 0,12...0,16 для покриття TiCrC-(FeCr), нанесеного методом ПН+ЕІЛ.

10. Встановлено, що особливістю зношування покриттів із композиційних матеріалів на основі ТіCrC і TiCrB₂, нанесених методами ПН і ЕІЛ на сталі ХВГ, є утворення вторинних структур, тонкодисперсних плівок ТіО₂, Сr₃O₂, Al₂O₃, які представляють оксиди металів компонентів покриттів і виконують роль твердої змазки, товщина і щільність яких залежить від навантаження і швидкості тертя, від яких, в свою чергу, залежить температура в зоні тертя, а відповідно й інтенсивність окислення.

Покриття, що отримані електроіскровим легуванням (TiCrC-(FeCr)) та з добавками алюмінію, на доріжках тертя утворюють карбіди, оксиди алюмінію (AlC, AlO) та інші складні сполуки, які є досить твердими та зносостійкими, що призводить до збільшення зносостійкості в 2...3 рази на усіх режимах тертя.

11. Розроблено методику прогнозування зношування інструментальних матеріалів з покриттями і без них залежно від параметрів тертя - величини контактного напруження, швидкості ковзання і тривалості (шляху) тертя. Експериментальна перевірка, здійснена з використанням сталей Р6М5, У8А, ХВГ, 60С2 та сплаву ВК-3, показала достатню точність - розходження між результатами розрахунків і експериментальними даними не перевищує 30%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Автоматизація досліджень процесу тертя та зношування / Я. М. Гладкий, А. А. Таранчук, О. М. Маковкін, О. А. Лаба // Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - № 1. - С. 12 - 16.

2. Вплив термічної обробки на зносостійкість покриттів / Я. М. Гладкий, Г. А. Покришко, Є. М. Заверач, О. М. Маковкін // Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - № 5, ч. 1. Т. 1. - С. 27 - 30.

3. Програмно-апаратний комплекс для проведення трибологічних досліджень / Я. М. Гладкий, В. В. Милько, Ю. В. Таран, О. М. Маковкін // Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - № 5, ч. 1. Т. 2. - С. 155 - 158.

4. Гладкий Я. М. Трибологія зносостійких покрить / Я. М. Гладкий, О. М. Маковкін, С. С. Бись // Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - № 6. Т. 2. - С. 19 - 23.

5. Гладкий Я. М. Феноменологічні особливості тертя та зношування високоміцних інструментальних сталей / Я. М. Гладкий, О. М. Маковкін // Вісник Хмельницького національного університету. - 2006. - № 2. Т. 2. - С. 126 - 131 с.

6. Гладкий Я. М. Наростоутворення при терті та зношуванні високоміцних інструментальних сталей / Я. М. Гладкий, О. М. Маковкін // Резание и инструмент в технологических системах : междунар. науч.-техн. сб. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2006. - Вып. 70. - С. 120 - 131.

7. Маковкін О. М. Автоматизація лабораторного обладнання / О. М. Маковкін, Я. М. Гладкий // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях : материалы шестой ежегодной конф. с междунар. участием (Славское, Карпаты, 20 - 24 февраля 2006 г.). - К. : УИЦ «НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИЯ», 2006. - С. 147 - 149.

8. Glatki J. Powstanie narostu przy tarciu i zuїyciu stali narzedziowych o duїej wytrwaloњci (Built-up edge durning friction and wear of high strength tool steels) / Glatki Jaroslav, Makovkin Olek // Proceedings of 7^th International tribological Symposium “INSYCONT `06” (Cracow, 14 - 16^th September 2006). - P. 123 - 132.

9. Маковкін О. М. Прогнозування зносостійкості інструментальних матеріалів в умовах тертя та зношування / О. М. Маковкін, Я. М. Гладкий, В. В. Милько // Вісник Хмельницького національного університету. - 2006. - № 6. - С. 168 - 172.

10. Маковкін О. М. Прогнозування зносостійкості інструментальних матеріалів в умовах тертя та зношування / О. М. Маковкін, Я. М. Гладкий, В. В. Милько // Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво : тези доп. шостої Всеукр. науково-техн. конф. - Хмельницький : ХНУ, 2006. - С. 7 - 8.

11. Упрочнение инструментальной стали ХВГ композитом на основе двойного карбида титана - хрома / А. П. Уманский, В. П. Коновал, И. А. Подчерняева, А. Д. Панасюк, Я. Н. Гладкий, О. Н. Маковкин // Сверхтвердые материалы. - 2007. - № 4. - С. 67 - 74.

12. Працездатність спеціальних покрить на інструментальних матеріалах / Я. М. Гладкий, В. В. Милько, С. С. Бись, О. М. Маковкін // Високі технології в машинобудуванні : зб. наук. праць НТУ “ХПІ”. - Харків, 2008. - Вип. 2 (17). - С. 77 - 87.

13. Заверач Є. М. Трибологічні характеристики нікелевих композиційних електрохімічних покриттів / Є. М. Заверач, О. М. Маковкін // Вісник національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” : зб. наук. праць. - Харків : НТУ “ХПІ”, 2008. - № 16. - С. 29 - 30. - (Тематичний випуск: Хімія, хімічна технологія та екологія).

14. Підвищення точності дослідження трибологічних характеристик матеріалів / Я. М. Гладкий, А. А. Бурлаков, С.С. Бись, В.В. Мілько, О. М. Маковкін // Міжвузівський збірник за напрямом “Інженерна механіка” : наукові нотатки ІІ Міжнар. науково-практ. конф. “Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування”, (Луцьк, 2 - 5 червня 2009 р.). - Луцьк, 2009. - Вип. 25, ч. І. - С. 100 - 103.

15. Деклараційний пат. на винахід 66171 А, МКІ C 23 C 28/00, B 23 P 15/28. Багатошарове покриття для металорізального інструменту / Я. М. Гладкий, О. М. Маковкін. - № 2003087505 ; заявлено 11.08.2003 ; опубл. 15.04.2004, Бюл. № 4. - 4 с.

16. Пат. на корисну модель 29595 Україна, G01B 21/06. Спосіб підвищення точності вимірювання лінійного зношування / Я. М. Гладкий, С. К. Підченко, А. А. Таранчук, О. М. Маковкін, О.А. Лаба. - Заявл. 12.03.2007 ; опубл. 25.01.2008, Бюл. № 2. - 4 с.

АНОТАЦІЯ

Маковкін О.М. Тертя та зношування інструментальних матеріалів зі зносостійкими покриттями. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Хмельницький національний університет, Хмельницький, 2009.

Представлено результати експериментальних досліджень трибологічної поведінки інструментальних матеріалів зі зносостійкими покриттями та без них. Дослідження проводились при високих питомих тисках та швидкостях ковзання, наближених до реальних умов роботи різального інструменту. Фіксування та зберігання показників (момент тертя, середня температура у зоні тертя, лінійне зношування) в процесі зношування відбувалося автоматично, без зупинки процесу тертя, з дискретністю від 0,5 с.

Розроблено методику прогнозування зношування. Використання методики дало змогу отримати формули розрахунку зношування інструментальних матеріалів з покриттями та без них.

Для матеріалів, схильних до утворення наросту в процесі тертя та зношування, в якості методу боротьби з даним негативним явищем запропоновано методику нанесення зносостійких покриттів. Ефективність запропонованого методу перевірена експериментально.

Встановлено, що внутрішні напруження, які виникають в процесі осадження покриття на основу матеріалу, відіграють важливу роль в забезпеченні зносостійкості і адгезійної міцності між покриттям і основою матеріалу. Зняття внутрішніх напружень з допомогою термічної обробки забезпечує збільшення терміну служби покриттів у 1,5…2,0 рази.

Встановлено, що особливістю зношування покриттів з композиційних матеріалів, нанесених на поверхню тертя, є те, що підчас зношування утворюються вторинні структури та тонкодисперсні плівки. Плівки являють собою оксиди металів компонентів покриттів і виконують роль твердої змазки. Товщина і щільність плівок залежить від навантаження і швидкості тертя, від яких, в свою чергу, залежить температура в зоні тертя, а відповідно й інтенсивність окислення.

Ключові слова: інструментальні матеріали, зносостійкі покриття, прогнозування зношування, трибологічні характеристики.

АННОТАЦИЯ

Маковкин О.Н. Трение и изнашивание инструментальных материалов с износостойкими покрытиями. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и износ в машинах. - Хмельницкий национальный университет, Хмельницкий, 2009.

Представлены результаты экспериментальных исследований трибологического поведения инструментальных материалов с износостойкими покрытиями и без них. Исследования проводились при высоких контактных напряжениях и скоростях скольжения, приближенных к реальным условиям работы режущего инструмента, которые оказывают существенное влияние на кинетику износа. Фиксирование и сохранение показателей (момент трения, средняя температура в зоне трения, линейный износ) в процессе износа происходили автоматически, без остановки процесса трения, с дискретностью от 0,5 с. Фиксирование линейного износа производилось с помощью емкостного датчика, диапазон измерения составлял 0…0,5 мм. Благодаря использованию образца со сферической поверхностью трения и беспрерывному автоматическому фиксированию трибологических показателей, была исключена дополнительная операция приработки образца к контртелу, что, в свою очередь, обеспечило возможность выполнять трибологические исследования тонких (до 10 мкм) покрытий.

Оценку износостойкости материалов осуществляли путем сравнения зависимости величины линейного износа (h) от мощности трения.

Благодаря использованию беспрерывного метода фиксирования и сохранения информации в ходе трения и износа точность эксперимента увеличивается приблизительно на 30 %.

Разработана методика прогнозирования линейного износа. Получены формулы расчета изнашивания материалов с покрытиями и без них. Для прогнозирования изнашивания использовалась зависимость:, где h - величина линейного износа (мкм), С - коэффициент пропорциональности, N - нормальна реакция (Н), V - скорость скольжения (м/с), б, в - коэффициенты. Для определения параметров данного уравнения проводился полнофакторный эксперимент типа 2². Для повышения точности расчетов величины изнашивания была введена зависимость коэффициентов регрессии от пути трения. Погрешность методики не превышает 30%.

Экспериментально установлено, что при прохождении пути трения до 100 м наибольшей износостойкостью отличается твердый сплав ВК-3 (интенсивность износа І_з=5•10^-13), и в порядке уменьшения износостойкости можно образовать ряд - сталь Р6М5 (І_з=6•10^-11), У8А (І_з=7•10^-11), 60С2 (І_з=2•10^-9).

Установлены материалы и режимы трения, при которых образуется нарост. Как метод предотвращения данного негативного явления предложено использовать износостойкие покрытия. Эффективность предложенного метода подтверждена экспериментально.

Использованы низкотемпературные покрытия: электролитический и химический никель, хром; композиционные электролитические покрытия на основании Ni (КЭП) - Ni-BN, Ni-Cu, Ni-Al₂O₃ и высокотемпературные: плазменное напыление (ПН) TiCrC-30%(Fe-Cr); электроискровое легирование (ЭИЛ) - TiCrC-(FeCrAl), TiCrC-(FeCr), TiCrB₂-(FeCr), TiCrB₂-30(Fe-15Cr), AlN-(ZrB₂), ВК-3, и комбинированные покрытия (КП=ЭИЛ+ПН) - TiCrC-(FeCr). Толщина покрытий составила при химическом осаждении 8…10 мкм; электролитическом - 18…22 мкм; КЭП - 18…22 мкм; ЭИЛ - 100…150 мкм; ПН - 150…200 мкм.

Установлено, что внутренние напряжения, которые возникают в процессе осаждения покрытия на основу, имеют значительное влияние на адгезионную прочность. Снятие внутренних напряжений с помощью термической обработки (t_отп=(150…230 ⁰С) увеличивают ресурс работы в 1,5 … 2,0 раза.

Все покрытия в той или иной степени увеличивают износостойкость образцов (деталей). Экспериментально установлено, что на износостойкость покрытий влияет не только химический состав покрытий, но и метод их нанесения, физико-механические, химические свойства основания.

Установлено, что особенностью износа покрытий из композиционных материалов, нанесенных на поверхность трения, является образование вторичных структур и тонкодисперсных пленок. Пленки представляют собой нитриды, бориды, оксиды металлов и другие более сложные соединения (никелины, алюмениды). Компоненты покрытий выполняют роль твердой смазки. Толщина и плотность вторичных структур зависят от нагрузки и скорости трения, от которых, в свою очередь, зависит температура в зоне трения, а соответственно и интенсивность окисления. Это подтверждают микроструктурные исследования дорожек трения.