CC BY
4
УДК 621.891
В. В. Широков, Н. Б. Рацька
П1ДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 СПЛАВУ ВН-10 ОКСИДУВАННЯМ НА ПОВ1ТР1
Досл1джено зносост1йкють \ проанал1зовано структуру та топограф1ю поверхневих шар1в сплаву ВН-10 п1сля тертя ¡з сталлю 45. За умов сухого тертя ковзання кращ1 трибо-лог1чн1 показники притаманн1 оксидованому металу в д1апазон1 температур 350-550 °С.
Надмнють i довговiчнiсть машин та механз|Мв залежать вщ стабтьност корозмно-мехаычних характеристик конструкцйних матерiалiв. Для за-доволення потреб ядерно!' енергетики, ракетноТ i космiчноí' технiки необхiдне застосування i розроб-ка нових матерiалiв iз задовiльним комплексом експлуатацiйних характеристик: високою мiцнiстю, технологiчнiстю, стiйкiстю в умовах випромЫення, задовiльним опором високотемпературному окис-ленню, а також зносостiйкiстю та Ы [1]. До таких вщносяться сплави на основi нiобiю. На сьогодн деякi Т'х фiзико-механiчнi властивост встановленi [1-3], але данi щодо триболопчних показникiв вiдсутнi. Вивчення процесу тертя, встановлення його основних закономiрностей, а також вивчення впливу кисню на механiзми зношування нiобiю i сплавiв на його основi вимагають всебiчноí' уваги.
Мета роботи - дослщити вплив оксидування на зносостмкють сплаву ВН-10.
Методика
Для дослщження застосовувались плоскi зраз-ки сплаву ВН-10 (38...-45 % мас Т з домiшками Мо, 2г, А1 до 7 %, решта нюбм) розмiрами 14x11 х1 мм виготовлено пюля прокатки (деформацiя 75 %) та вiдпалу при 1100 °С протягом години, а також оксидован у печi типу СНОЛ 1.6.2, 5.1/9-И3 в дiа-пазонi температур вщ 300 °С до 800 °С з кроком 100 °С. Зразки завантажувались у пiч пюля на-грiву до заданих температур i витримувались протягом години. Зносослймсть оцiнювали на установцi для випробувань реверсивним тертям без змащу-вання. Знос зразка i контртла визначали зважуван-ням на аналiтичнiй вазi ВЛА-200М з точнiстю 10-7 кг. Контртiло - загартована сталь 45. Програма випробувань на зношування прийнята наступною: швидксть тертя 30 мм/с, тривалють циклiв 60, 120,
180 хв; шлях тертя L = 500......4000 м; навантажен-
ня 0,8 кг; номЫальна площа контакту Аа = 5 мм2.
Результати дослщжень
Важливий вплив на процес зовншнього тертя мають оксиднi плiвки, як вiдiграють роль промiжно-го середовища. Екрануючи контактнi поверхнi, вони сприяють прояву сил адгези i не допускають молекулярного схоплення поверхонь матерiалiв трибо-системи [4]. Оксидн плiвки на поверхнi металу
© В. В. Широков, Н. Б. Рацька 2006 г.
присутн практично завжди. 1х товщина, структура i властивостi сильно залежать вiд температури, три-валостi i середовища нагрiвання, а також вiд хiмiчного складу матерiалу. Вiдомо, що основним недолгом нiобiю е низький опiр окисленню. Ме-ханiзм його окислення проходить у три стади, в результат утворюеться вищий пористий порошко-подiбний оксид ^-N6205 (напiвпровiдник п - типу з дефцитом по кисню). Специфка властивостей цiеí' окалини зумовлюе переважну дифузю анiонiв кисню через не!' та подальшу реакцю окислення на межi роздiлу метал-оксид. Тому доцтьно легувати нiобiй елементами, як сприяють утворенню захис-них поверхневих плiвок на робочiй поверхн.
Легування елементами, що утворюють твердi розчини замiщення, суттево впливають на умови рiвноваги нiобiю з киснем, вони змЫюють роз-чиннiсть кисню, швидксть дифузи, склад продуктiв реакци i кiнетику процесiв в цтому. Загальновщо-мо, що оксиди таких елементв, як И, А1, 2г, Сг тер-модинамiчно стабiльнi i в багатьох випадках волод-ють високою твердiстю та iншими фiзико-механiч-ними характеристиками, тому можуть впливати на експлуатацйн показники нiобiю. ^м цього, легування нiобiю титаном до 45 % сприяе пдвищенню не ттьки жаротривкостi за рахунок утворення щiльних слабопроникних для кисню плiвок, але й пщвищити показники мЦносл. Найпростiше отримати оксиднi плiвки типу рутилу, корунду можна нагрiван-ням легованого металу на повпрк Так, пiсля ряду iзотермiчних витримок (Т = 500-1100 °С) нами вста-новлено, що на поверхн матерiалу формуеться щтьна окалина, яка згiдно з рентгеноструктурним аналiзом [5] складаеться з оксидiв типу Т10 4А10 зNbQ 302 (рутил) i TiNb207.
ХiмiKо-термiчна обробка на пов^ суттево впли-вае на опр зношуванню сплаву (рис. 1) Дослд ження на зносостмкють за умов сухого тертя ков-занням показали, що на малих базах дослщження найвищу зносостiйкiсть мае сплав ВН-10 пюля окислення на пов^ за температур 400-500 °С (рис. 1).
Рис. 1. Зношування сплаву ВН-10 у вихщному CTaHi, пюля вiдпалу при 1100 °С та окислення вщ 300 °С до 800 °С
Зносост1йк1сть оксидованого сплаву при 400-500 °С у 8 раз1в вища, н1ж у вихщному стан п1сля де-формаци. М i кротверд1 сть зразк1 в сплаву у вихщно-му стан i (деформац я 75 %) складае 3,8 ГПа, в зон i фрикцмноТ взаемод ii зб ¡льшуеться до 4,7 ГПа п юля 23 год випроб. Проф ¡ль поверхн i цих оксидованих зразк в пор i вняно з вихщним станом (12 клас шор-сткост) практично не зм i нюеться. На поверхн i п iсля 50 год випроб тертям спостер ¡гаються залишки оксидно'' пл iвки у виглядi забарвлених остр i вц i в (рис. 2, б).
1нтенсивн i сть зношування сплаву в ¡дпаленого при 1100 °С е найб ¡льшою i становить 0,04 кг/м2 п i сля тертя протягом 23 год, а для оксидованого зразка при 500 °С - 0,0025 кг/м2.
В ¡домо, що процес тертя проходить у три ета-пи: 1 - початковий, або етап припрацювання по-верхонь, 2 - усталене зношування (прямол i н i йна дтянка), 3 - процес р ¡зкого зростання швидкост зносу (стадiя катастроф ¡чного руйнування повер-хонь тертя). Встановлено, що для всх досл ¡джу-
б
Рис. 2. Mi кроструктури з поверхонь тертя сплаву ВН-10: а - гпсля 25 год тертя (вихщний стан); б - 50 год (окис-лення при 500 °С)
ваних зразк в, незалежно в ¡д режимi в обробки, ус-талений етап наступае п i сля 9 год випроб. До цьо-го в ¡дбуваеться i нтенсивне згладжування мi кроне-р i вностей i хвилястост контактуючих поверхонь, виникнення нового, в дносно р вноважного експлу-атац йного м крорельефу. В процес припрацюван-ня швидю сть зношування поступово зменшуеться i досягае певного постйного значення, якому в ¡дпо-в ¡дае процес усталеного зношування. Цей процес характерний для оксидованих зразк в за температур 500 °С, 600 °С протягом 50 год тертя. За вста-новленого зношування в дбуваеться деформуван-ня, руйнування i неперервне в ¡дтворення на окре-мих дтянках поверхневого шару з максимальни-ми оп рними властивостями. Накопичення пошкод-жуваност, прискорюе зношування i призводить до ¡нтенсивного руйнування (трет й етап), якому в ¡дпо-в ¡дае наростання швидкост зношування (рис. 1, крива оксидованого зразка за температури 300 °С i у вихщному стан i).
Руйнування поверхонь в ¡дбуваеться мiкро-дря-панням - втиснута дтянка поверхн i або частинка при ковзанн i вщл сняеться або п ¡дминае пщ себе матер i ал, залишаючи подряпини. Як правило, м i кро-подряпини паралельн i шляху ковзання (рис. 2, а). М ¡ж ними м i ститься матер i ал, який п ¡ддавався бага-торазов i й пластичн ¡й деформац ii' i багаторазовому наклепу, тобто передеформуванню. Продукти зношування порошкоподiбнi.
Зношування ¡стотно залежить в ¡д структури матер i алу. Так, у вихщному стан i п i сля деформац i i' 75 % метал знаходиться в структурно-нестаб ¡льному стан зерна однаково ор ентован , сплющен . П сля в ¡дпалу при 1100 °С проходять процеси рекристал-i зац i i', в зернах сплаву ВН-10 заф i ксован i видтен-ня вторинно''' фази - розмит кругл i включення, границ зерен розширюються. М i кротверд ¡сть поверхн п i сля в ¡дпалу - 3,40 ГПа, а п ¡сля тертя - 4,9 ГПа.
П сля окислення на пов тр проходять процеси не лише рекристал ¡зацп, але й дифуз ii кисню, утво-рення оксидних пл вок. Так, п сля окислення на пов ¡тр i за температур 400-500 °С оксидн i шари на поперечних шл i фах не розр i зняються, поверхня матер i ал i в отримуе ф i олетове забарвлення, але металограф i чн i досл ¡дження окислених зразкв при 600 °С i 800 °С показали, що зерна набувають р ¡зно'' форми, всередин i зерен видтяються кругл i включення, зб ¡льшуеться товщина оксидно'' пл ¡вки (рис. 3).
На рис.4 наведена крива, яка характеризуе i нтенсивн i сть зношування сплаву протягом години в залежност вщ температури окислення на пов ¡тр i. Встановлено, що задов ¡льна зносо-стйк сть сплаву досягаеться в дi апазон i температур 350-550 °С.
—0т19яшВестникяИвигателестроенияя1 4/п006
# 137 -
1ят Г-иТ-
\
\
\
Рис. 3. MiKpocTpyKTypHi особливостi сплаву ВН-10 пiсля окислення на noBiTpi за температур: а - 600 °С; б - 800 °С
Для визначення оптимальних температурно-ча-сових дiапазoнiв процесу зношування ВН-10 на великих базах дослщження та прогнозування екс-периментально отриманих значень iнтенcивнocтi зношування проводили вщповщы розрахунки, що базувались на застосуванн чисельних poзв'язкiв на ПК (програма Excel).
1» 41 Ч (II ГШ Л) i*С
Рис. 4. Зношування сплаву в залежнocтi вщ температури окислення на пoвiтpi.
Початковий етап зношування описуеться лiнiйним piвнянням y = ax + b , а другий - логариф-мiчним y = a1 ln x + b1. Поправочн кoефiцiенти a, b, ai, bi наведенi в таблицi.
Висновки
При окислены на пов^ поверхня cплавiв типу ВН покриваеться складною за будовою i складом, вiднocнo щтьною та твердою окалиною, яка скла-даеться з oкcидiв близьких за cтехioметpiею до T'0 4AI0 3^0 3O2 (рутил) i TiNb2O7. Оптимальний дiапазoн температур окислення сплаву з метою покращення триболопчних властивостей за сухого тертя становить 350-550 °С протягом години.
Список лторатури
Таблиця - Кoефiцiенти iнтеpпoляцiйних piвнянь для ^енсивност зношування зразш сплаву ВН-10
б
1. Савицкий E.M., Бурханов Г.С. Металловедение - 311 с.
тугоплавких металлов и сплавов. - М.: Наука, 5. Широков В.В., Рацька Н.Б. Окислення сплаву
1967. - 323 с.
2. Тугоплавкие металлы и сплавы. / Под ред. Г.С, Бурханова, Ю.В. Уфимова. - М.: Металлургия, 1986. - 251с.
3. Костецкий Б.И., Носовский И.Г. Износостойкость и антифрикционность деталей машин. -К.: Техника, 1969. - 168 с.
4. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. Трение и смазка при обработке металлов давлением . Справочник. - М.: Металлургия, 1982.
Nb - Ti та його вплив на зносотривкють. // Эффективность реализации научного ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях. Материалы Шестой юбилейной Промышленной конференции с международным участием и блиц выставки, 20-24 февраля 2006 г., п. Славское "Карпаты", С. 215-218.
Поступила в редакцию 23.06.2006 г.
Исследована износостойкость и проанализированно состояние поверхности сплава ВН-10 после трения со сталью 45. В условиях сухого трения скольжения лучшие три-бологические показатели имеет сплав, оксидированный в интервале температур 350-550 °С.
The friction properties and wear-resistance of alloy ВН-10 after friction with steel 45 have been investigated. The best tribological results nave been obtained after oxidation of alloy at the temperature 350-550 °С.
