CC BY
101
Проведено дослідження зносостійкості деталей з вуглецевої сталі з покриттям ТіШ. Запропоновано комплексну порівняльну методику оцінки ефективності зміцнюючих і тонкоплівкових технологій
Ключові слова: іонно-плазмова технологія, метод склерометрії, зносостійкість
□ □
УДК 537.533
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЯМИ НИТРИДА ТИТАНА
Проведено исследование износостойкости деталей из углеродистой стали с покрытием TiN. Предложена комплексная сравнительная методика оценки эффективности упрочняющих и тонкопленочных технологий
Ключевые слова: ионно-плазменная технология, метод склерометрии, износостойкость
□------------------------------------□
Research of wear resistance of details from a carbon steel with coating TiN is carried out. The complex comparative technique of an estimation of efficiency of strengthening and thin-film technologies is offered
Keywords: ionic-plasma technology, a method scratch-hardness test, wear resistance --------------------□ □----------------------
1. Введение
Надежность работы машин и механизмов определяется в первую очередь качественным состоянием рабочих поверхностей входящих деталей. Создание на рабочих поверхностях композиционных покрытий на металлической матрице позволяет успешно решить задачу создания поверхностей трения с определенным комплексом требуемых эксплуатационных параметров по надежности, износостойкости, контактной выносливости и усталостной прочности, а применение тонких покрытий является весьма перспективным направлением, открывающим широкие возможности управления физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей.
Одним из перспективных методов, позволяющих решить задачу повышения износостойкости поверхности, является новый, эффективный и экологически чистый способ нанесения покрытий, конденсации ионной бомбардировкой или ионно-плазменный метод. На сегодняшний день достаточно успешно доказали свою эффективность тонкие пленки нитрида титана (^^ наносимые на режущий инструмент [1], однако нанесение покрытий на интенсивно изнашивающиеся детали (ножи, лезвия, скальпели), осталось без должного внимания. Как известно, большинство таких деталей
И . А . С е л и в е р с т о в
Кандидат технических наук, доцент Кафедра основ конструирования Херсонский национальный технический университет Бериславское шоссе, 24, г. Херсон, Украина, 73008 Контактный тел.: (0552) 32-69-39 E-mail: [email protected]
С . Р . С е л и в е р с т о в а
Кандидат технических наук, доцент Кафедра автоматики та электрооборудования Херсонский филиал национального университета кораблестроения им. адмирала Макарова ул. Ушакова, 44, г. Херсон, Украина, 73002 Контактный тел.: 067-438-59-07 E-mail: [email protected]
изготавливается из углеродистых и легированных сталей, не обладающих достаточной теплостойкостью, что в процессе нанесения покрытия может приводить к структурным изменениям основного материала из-за высоких температур конденсации и ухудшению эксплуатационных свойств деталей с покрытием.
В этой связи, используя результаты работы [2,3], нами было предложена технология получения тонких покрытий которая позволяет прогнозировать температуры конденсации и не допускать чрезмерного перегрева поверхности материала.
2. Методика эксперимента
Тонкие покрытия ТіN (3-5мкм) наносились на поверхность углеродистой и легированной стали твердостью 45-55 НЯС. Для получения покрытий использовалась модернизированная вакуумная установка ионно- плазменного напыления АНГА - 1.
Для оценки износостойкости поверхности с покрытиями применяли общеизвестный склерометрический метод испытаний в котором имитируется реальные условия эксплуатации изделий (например, абразивный износ), заключающийся в «царапании» (деформировании) твердым индентором поверхности металла с
|бГ
заданной шероховатостью как при нормальной, так и повышенной температурах [4]. В качестве индентора использовалась четырехгранная алмазная пирамида Виккерса с ромбической основой и углом между гранями при вершине 136о.
Шероховатость испытуемого образца по ГОСТ 2789-73 не была грубее Яа = 0,32 мкм. Глубина внедрения пирамиды в исследуемый материал составляла Ь~1-10 мкм.
Для оценки эффективности нанесенного покрытия использован метод в основу которого положено контактное взаимодействие (трение двух скрещенных цилиндров, при котором индентор внедряют при его вращательном движении в контртело (исследуемый образец), твердость которого ниже твердости индентора, и по размерам отпечатка на контртеле оценивают состояние поверхности и эксплуатационные характеристики объекта. Образцы для исследований изготавливаются в форме цилиндра диаметром 8 мм и длиной 80мм, шероховатость поверхности цилиндра должна быть не выше Яа = 0,63... 0,30. При различном задании количества циклов нагружения на контртеле получают отпечатки, измеряют их диаметры, ориентированные вдоль ^пр) и поперек ^поп) оси контртела и определяют dсpi.
$ + $
1 _ пр1 пот
сР, - 2
Затем образец подвергают обработке или нанесению покрытия и вновь измеряют диаметры отпечатков dсpj., полученных на контртеле. По соотношению к средних величин диаметров отпечатков до и после обработки, определяют эффективность покрытия. Ин-дентор изготавливали из быстрорежущей стали Р6М5, нагрузка на контртело (образец) составляла 10Н.
Микроструктуру исследуемых образцов в зоне трека, а также его геометрические параметры изучали на микроскопе МИИ-8.
3. Результаты и обсуждение полученных данных
при наблюдении в оптический микроскоп, определяется какая минимальная (фактическая) нагрузка, привела к его разрушению, в нашем случае при равномерной постоянно увеличивающейся нагрузки на ин-дентор в процессе царапания эта нагрузка составляет Ркр = 3,5Н. Таким образом, установлено, что при нагрузках меньших Ркр, работа разрушения материала связана только со свойствами и составом покрытия, а выше Ркр со свойствами и составом покрытия и основного материала.
При оценке эффективности работы образцов с покрытиями установлено, что средняя величина диаметра пятна при исходном состоянии образца была равна
0,58 мм, после нанесения покрытия - 0,22 мм, при количестве 1000 циклов нагружения, при 5000 циклах средняя величина диаметра пятна составляла 0,78 мм. и 0,34 мм. соответственно Испытания показали существенное уменьшение диаметра пятна, что свидетельствует о высокой защитной способности покрытия нитрида титана, сформированного на поверхности образца.
4. Выводы
Как видно из приведенных данных механические свойства образцов с покрытиями повышаются, а интенсивность износа снижается при уменьшении нагрузок на индентор, что обуславливается свойствами и эффективностью защиты от абразивного износа тонкой пленки
Таким образом, комплексным исследованием установлено, что применение тонкопленочных покрытий нитрида титана снижает интенсивность изнашивания при грубом абразивном износе более, чем на 20%, а при незначительном, тонком абразивном износе, при работе самого покрытия, более чем в 10 раз. Вышесказанное позволяет успешно применять такие покрытия на интенсивно изнашивающихся деталях станков и механизмов машиностроительного производства: ножи, лезвия, иглы и др.
Результаты исследований по приведенной методике в работе [4] приведены в таблице.
Таблица
Свойства деталей с покрытиями ТіМ
Материал Нагрузка Рв, Н Микротвердость, Нц, ГПа Микротвердость, HGV, МПа Интенсивность изнашивания, г/км (±3%)
Без покрытия 1,0 5,77 13520 2,88
С покрытием та 1,5 6,18 15305 2,22
1,0 7,01 18946 1,65
0,5 16,20 61654 0,40
Покрытие ТіN 0,25 37,10 93124 0,25
Используя рассмотренный метод, может быть определена не только твердость и износостойкость, а также адгезионная и когезионная прочность покрытия, количественно оцененная в паскалях по величине HGV.
Можно сделать вывод о механизме разрушения покрытия. По появлению следов разрушения покрытия
Литература
Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями -М.: Машиностроение, 1986. -192 с.
Копилов В.І. Процеси іонно-плазмового плакування порошків для газотермічних покриттів / В.І. Копилов,
І.В.Смирнов, І.А.Сєліверстов // НАУКОВІ ВІСТІ Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” . — 2009. — №3(65). — С.11—20. Копылов В.И. Исследования параметров плазменных потоков вакуумного дугового разряда при плакировании порошков / В.И. Копылов, И.В. Смирнов, И.А. Селиверстов, А.А. Давыдов // Проблемы техники. — 2008. — №1. — С.63-78.
Матюнин, В.М. Определение механических свойств и адгезионной прочности ионно-плазменных покрытий склерометрическим методом / В.М. Матюнин, П.В. Быков, Р.Х. Сайдахмедов и др. //МИТОМ, 2002.№ 3. С. 36-39.
