CC BY
175
3. Ф1ЗИКО-Х1М1ЧН1 МЕТОДИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ НОВИХ МАТЕР1АЛ1В
УДК 620.169:621.793 Проф. В.М. Голубець, д-р техн. наук;
доц. О.Б. Гасш канд. техн. наук - УкрДЛТУ
ДЕЯК1 ВЛАСТИВОСТ1 ВАКУУМНИХ ЙОННО-ПЛАЗМОВИХ КОНДЕНСАТ1В В УМОВАХ ДП АГРЕСИВНИХ СЕРЕДОВИЩ
Наведено результати дослщжень стiйкостi проти корозiйно-механiчного i кав> тaцiйно-ерозiйного зношування, корозiйноï стiйкостi, корозшно-втомно'1 мiцностi деяких конструкцiйних сталей з покриттям i3 нiтриду титану в рiзних агресивних се-редовищах, а також зносостшюсть при тертi 3i змазкою.
Ключовi слова: зносостiйкiсть, корозiя, втомна мiцнiсть, вaкуумнi йонно-плаз-мовi конденсати, робочi середовища.
Prof. V.M. Holubets, Doc. O.B. Hasiy - USUFWT Some properties of vacuum ion-plasma condensates in corrosive fluids
The results of researches of some construction steels with TiN - coating corrosion - mechanical and cavitation - erosion wear durability, resistance to corrosion, corrosion - fatigue strength in different corrosive fluids and wear durability during oiling friction are shown
Key words: wear durability, corrosion, fatigue strength, vacuum ion-plasma condensates, working fluids.
Одним i3 ефективних 3aco6iB в пробле]Ш захисту металiв ввд корози i корозшно-мехашчного руйнування е нанесення на робочу поверхню виробу захисних покритлв, в тому чи^ таких, що отримуються у вакуумь Так, за кордоном широке розповсюдження отримали методи йонно-плазмового на-пилення тд назвою "Sputtering" i реактивне юшзацшне напилення [1-3].
У нашш краш широко поширений метод нанесення вакуумних йон-но-плазмових покриттiв (конденсаци речовини з юнним бомбардуванням -спосiб КГБ [4]). Ввдомо, що такi покриття знайшли широке застосування для тдвищення стiйкостi рiжучого iнструменту. Так, покриття з штриду титану дозволяе на 20...30 % зменшити тертя при рiзаннi конструкцiйних сталей, зменшити коефщент усадки стружки i зусилля рiзання на 15.20 %, знизити температуру в зош рiзання, значно тдвищити стiйкiсть iнструменту i про-дуктившсть механiчноï обробки [5]. Однак ввдомостей про вплив таких покритлв на iншi властивостi конструкцiйних матерiалiв практично немае.
Для вивчення можливосл розширення областi використання методу йонно-плазмового напилення нами дослвджено ряд експлуатацшних власти-востей покриттiв з позицш фiзико-хiмiчноï механiки матерiалiв - наукового напряму, що враховуе при оцшщ довговiчностi i несучiй здатностi матерiалiв вплив зовнiшнього середовища. Вивченi, зокрема, стiйкiсть проти корозшно-механiчного зношування (КМЗ) i кавиацшно-ерозшного зношування (КЕЗ), корозшна стiйкiсть, корозiйно-втомна мiцнiсть сталi 45 i 40 Х з покриттям iз нiтриду титану в рiзних агресивних середовищах, а також зносостшюсть при терта зi змазкою.
Покриття з штриду титану на робочi поверхш всiх лабораторних зраз-кiв, що дослiджувалися, наносили на установцi "Булат-ЗТ" (рис. 1) при режима струм дуги - 100 А, температура шдкладки (зразкiв) - 673 К, тиск реак-цiйного газу (азоту) в камерi - (4.. .5)х10-1 Па, вiдстань вiд катода до шдкладки - 300 мм, тривалють напилення - 1 год. Матерiал катоду - титан марки ВТ1-О.
11 Ю '
Рис. 1. Схема установки для нанесення вакуумних йонно-плазмових покриттiв (типу "Булат "): 1 - корпус вакуумно'1 камери; 2 - напилюват зразки; 3 - запалювальний електрод; 4 - автоматичний натжач реакцйних газiв; 5 - випаровувач; 6 - катод; 7 -фокусуюча система; 8,11 - джерело живлення випаровувачiв; 9 - джерело живлення тдкладки; 10 - мехашзм обертання тдкладки; 12 - соленоЧд запалювального електрода
У металографiчному аспекта покриття е св^лою смужкою, що не травиться в 3 %-му розчиш НКОз в етиловому спирта, товщиною 8-10 мкм, мш-ротвердють яко!" становить Н20 = 22.24 ГПа.
Рис. 2. Зразок для визначення корозтно! стiйкостi
Корозшну стшюсть дослвджували на зразку (рис. 2) зi сталi 40 Х у вщ-паленому сташ (вщпал при 1163 К протягом 1 год., охолодження з шччю). Зразки шлiфували до шорсткоста Яа = 0,32 мкм. Стшкють покриття з ТК на цих зразках вивчали ваговим способом за методикою [6] в 6 н Н2 Б04 при 303, 333, 363 К в 3 %-му розчиш КаС1, а також у проточнш водi при 295 К. Середовище при вшьному доступi кисню термостатували при температурi дослiду з точнiстю ±0,5 К. Тривалють корозiйних випробувань складала при 295 К - 100 год., при 303 К - 4 год., при 333 К - 1 год., при 363 К - 0,4 год. Абсолютну змшу маси зразюв визначали з точнютю 0,0002 г при масi кожно-
го з них бшя 3,6 г. Бшьш детально методика корозiйних випробувань описана в [7]. Результати дослщв наведеш в табл. 1.
_Табл. 1. Корозшна стшюсть стали 40 Хв рiзних середовищах_
Середовище Втрати маси при температурi середовища, г/(м2год) Коефщент захисту при Т, К
295 К 303 К 333 К 363 К 295 303 333 363
6 н Н Я04 - 70,40 29,89 1081,39 368,1 6988,88 1916,11 - 2,3 2,9 3,6
3 %-ний ШС1 0,08 0,04 - - - 2,0 - - -
Проточна вода 0,08 0,05 - - - 1,6 - - -
Прим1тка\ Над рискою - результати для сгат без покриття, тд рискою - з покриттям iз ТШ.
1з порiвняння швидкостей корозп шлiфованих зразкiв i зразкiв з покриттям випливае, що ефектившсть гальмування коро^У покриттям ¡з штриду титану зростае пор1вняно пшфованою сталлю у всмх середовищах, що дос-лщжуються. Характерно, що ¡з збшыненням температури середовища в 6 н Н2804 захисш власти вост1 покриття з штриду титану реагпзовуються повшше.
Рис. 3. Зразки для досл^дження суцiльностi вакуумних йонно-плазмових nокриттiв
»4 и
Рис. 4. Корозшна стштсть вуглецевоХ конструкцiйноi сталi з покриттям ¿з титану в 5 %-му розчимН3 РО4:1 - а= 90 °, Я2
= 10мкм; 2 - а = 60 °, Я2 = 10мкм; 3 - а = 40°, Я2 = 10мкм; 4- а = 30°, Я2 = 10мкм; 5-а = 90°, Я2 = 40мкм; 6- а = 45°, Я2 = 40мкм Дослщження корозiйноí стiйкостi конструкцiйних сталей з покриття-ми показують, що штенсившсть корозií в рiзних точках зразка неоднакова. Тому дослщжено вплив деяких технолопчних параметрiв процесу нанесення покритлв, зокрема кута падiння плазмового потоку i шорсткостi пiдкладки на сущльнють конденсатiв. Непрямою характеристикою суцiльностi служить корозшна стшюсть зразкiв зi Ст. 3 (рис. 3) з шорстюстю поверхш Я2 = 40 мкм i Я2 = 10 мкм з покриттям з Тi в 5 %-му водному розчиш Н3РО4. Покриття наносили на вс зразки з одшо установки, кут напилення становив 90, 60, 45, 30°. Встановлено, що iз зменшенням кута падiння потоку плазми на тд-кладку через наявнють затiнених дiлянок значно знижуеться суцiльнiсть покриття, доказом чого е збшьшення цiеí залежностi iз зростанням шорсткостi (рис. 4). Отже, покриття формуеться з направленого потоку плазми, i для от-
римання суцшьних плiвок необхiдно, щоб кут падшня потоку до пiдкладки становив 60-90°.
На зносостшкють дослiджено зразки - кшьця iз зовнiшнiм дiаметром 40 мм i товщиною 10 мм зi сталi 45 у вщпаленому станi з покриттям iз штри-ду титану. Тертя здiйснювали на машиш 2070 СМТ-1 при наступних режимах: р = 5 МПа, V = 0,5 м/с, Ьтр = 45 км. Площа тертя становила 2*10-4 м2. Для порiвняння використанi зразки пiсля борування [8], виконаного газовим контактним методом в негерметичному контейнерi в сумiшi 84 % В4С + 16 % Ка2В407 при Т = 1223 К протягом 6 ч. Пюля борування на поверхш сталi от-риманi дифузiйнi шари, що складаються з боридiв залiза, шд якими знахо-диться зона, збагачена вуглецем за рахунок витиснення його з поверхш, а та-кож зона а-твердого розчину. На поверхш знаходиться фаза ГеВ, шд нею Ге2В. Дифузiйний шар мае форму голок, направлених перпендикулярно до поверхш, що насичуеться. Товщина борованого шару становить 100 мкм, мжротвердють Нц20= 16 ГПа.
Тертя кiлець з покриттями здiйснювали по нерухомому вкладишу зi сталi 45, термообробленiй на мартенсит вщпуску (температура гартування 1123 К, витримка 1 год., гартувальне середовище - вода, температура вщпуску - 453 К, витримка 2 год.). Внаслщок випробувань встановлено (рис. 5), що покриття з штриду титану бшьш, нiж в 10 разiв шдвишуе зносостiйкiсть сталi 45 порiвняно зi зносостiйкiстю ще1 ж сталi пiсля дифузiйного борування при терта в умовах змазки (солщол жирово'1 марки "УС") i бiльше, нiж в 20 разiв при тертi в середовишi 3 %-го водного розчину №С1.
Рис. 5. Зносостттсть сталi 45 борова- Рис. 6. Циклiчна мщмсть сталi 45 без
но1 (1) iз покриттям iз штриду тита- покриття (1) i з покриттям iз ттри-
ну (2) при тертi в солiдолi марки УС (I) дJ титану (2) в 3 %-ому розчит МаС1 '¡в 3 %-му водному розчит МаС1 (II)
Втомш випробування зразюв ^аметр робочо'1 частини 5 мм) проводили на установщ ИМА-5 [9] за схемою чистого згину при обертанш зразка з частотою 50 с-1. Визначали витривалють зразюв зi сталi 45 у вщпаленому ста-ш з покриттям iз нiтриду титану i без покриття на повiтрi i в 3 %-му розчиш №С1. Прийнята база випробування на втому в корозшному середовишi -5х107 циклiв.
Встановлено, що умовна межа корозшно! витривалостi (в середовищi 3 %-ного розчину №С1) сталi 45 з вказаним покриттям тдвищився в 2 рази порiвняно з цieю ж сталлю без покриття (рис. 6). Витривалють зразкiв з покриттям iз нiтриду титану на повiтрi змiнюeться незначно (в зв'язку з високою крихкiстю i малою товщиною) i вiдповiдаe приблизно 220 МПа, тобто знахо-диться на рiвнi витривалостi сталi 45 у вщпаленому станi.
На ультразвуковiй установцi УЗДН-2 Т дослiджено кавiтацiйну стiйкiсть покриття в середовищд 3 %-ного водного розчину №С1 (рН 6,8), дистильовано! i водопроводно! води. Методика випробувань наведена в [7]. Частота коливань зразюв 22 кГц, амплггуда 79 мкм, час випробувань 2 год. Величину зносу вимь рювали на аналггичнш вазi ВЛР-200 г з точнютю до 10-4 г. Дослщжено зразки (рис. 7) зi сталi 45 (нормалiзованоí) з покриттям iз нiтриду титану, а також iз ще! ж стал1 без покриття (нормалпованоУ \ об'емнозагартованоГ).
титану (2) в 3 %-ому розчит МаС1
Дослщження показали (рис. 8), що покриття з ТМ в умовах впливу аг-ресивних середовищ значно тдвищують кавiтацiйно-ерозiйну стiйкiсть ста-лi 45. Порiвняно невелике збшьшення стiйкостi при кавiтацií в дистильованш водi порiвняно з iншими середовищами викликане, мабуть, малою товщиною, а також руйнуванням крихкого захисного шару на м'якш основi при дп кав1тацшних навантажень.
Аию~?кг
П
в
яНй.п
Л-
Рис. 8. КавШацшно-ерозшна стштсть сталi 45 з покриттям 1з мтриду титану (1), без покриття - нормалiзовано'i (2) i загартованог (3): I - дистилъована вода; II -водопровгдна вода; III - 3 %-ний водний розчин ЫаС1 (рН 6,8)
Проведенi дослвдження дозволяють констатувати наступне. G Bci тд-стави вважати, що, KpiM пiдвищення зносостiйкостi рiжучоro iнструменту, ва-куумш йонно-плазмовi покриття з нитриду титану можуть служити ефектив-ним засобом захисту стальних виробiв як ввд корози, так i ввд корозшно-ме-ханiчного руйнування, зокрема для тдвищення стiйкостi проти КМЗ i КЕЗ, зношування при граничному терта, а також для збшьшення корозшно-втом-но! мiцностi. Цьому значною мiрою сприяють добра адгезiя покриття з мета-левою основою, висока суцшьшсть i рiвномiрнiсть напиленого шару по тов-щинi, рiвноважнiсть структури.
Л^ература
1. Aciers rapides: ils peuvent aussietre revetus// Machines production, 1978. - 8, № 193. - Р.
37-38.
2. David T. Curry Sputtering basics for beginners// Machine Design, 1979, №1. - Р. 96-97.
3. Schulze D. Untersuchungen zur reaktiven ionengestutzten abscheidung von TiN// Schichten Technik, 1977. - 33, № 7. - S. 399-402.
4. Толок В.Т. Вакуумно - плазмова технологiя високих енергiй// BicH. АН УРСР. -1980, № 11. - C. 63-66.
5. Джеломанова Л.М. Прогрессивные методы нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент: Обзор. - М.: НИИмаш, 1979. - 46 с.
6. Миндюк А.К., Савицкая О.П., Бабей Ю.И. Ингибирующее действие некоторых анионов на растворение стали в серной кислоте// Физико-химическая механика материалов. -1971, № 4. - C. 108-110.
7. Голубец В.М. Долговечность эвтектических покрытий в коррозионных средах. - К.: Наук думка, 1990. - 120 с.
8. Похмурский В.И., Далисов В.Б., Голубец В.М. Повышение дол-говечности деталей машин с помощью диффузионных покрытий. - К.: Наук думка, 1980. - 188 с.
9. Погорецкий Р.Г., Мацейко М.М. Машина ИМА - 5 для испытаний на усталость в жидких средах// Влияние рабочих сред на свойства материалов. - 1964, вып. 3. - C. 146-150.
УДК539.06 Доц. О.1. Думанський, канд. техн. наук -УкрДЛТУ
ЗАГАЛЬНИЙ МЕТОД ДОСЛ1ДЖЕННЯ КРУЧЕННЯ СУЦ1ЛЬНИХ ПРИЗМАТИЧНИХ ВАЛ1В (БРУС1В)
Пропонуеться загальний метод дослщження напруженого стану сущльних призматичних вал!в (бруав) шд дiею моменту кручення, якщо конформно перетво-рююча функщя поперечного перетину вала (бруса) на круг мае вигляд полшома до-вшьного ступеня. Наведений приклад кручення вала (бруса), поперечним перетином якого е область ештрохощи.
Doc. O.I. Dumanskiy - USUFWT
General twisting research method of continuous prismatic billows (squared beams)
Offers a general research method of strained state of continuous prismatic billows (squared beams) under twisting moment action, if reflecting function of transversal billow (squared beam) crossing on circle has appearance of polynomial of arbitrary degree. Brought billow (squared beam)twisting example, by transversal crossing of which a domain of epitrochoida.
