CC BY
200
УДК 669.017
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОПРИВОДОВ
Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к. т.н.,
Е.А. Нестеренко, ассистент, ХНАДУ, Г.Н. Толмачева, ст. науч. сотр.,
ННЦ «ХФТИ», Ю.В. Рыжков, инженер, ООО СКТБ «Гидромодуль», г. Харьков
Аннотация. Исследовано влияние Ti-N и Ti-N-Cr покрытия, наносимого на сталь 38Х2МЮА, на износостойкость, коррозионную стойкость и нанотвердость. Установлены оптимальные параметры нанесения ионно-плазменного покрытия.
Ключевые слова: износостойкость, коррозионная стойкость, ионно-плазменное покрытие, нанотвердость.
П1ДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТТЙКОСТТ ТА КОРО.ЗТЙНОТ СТТЙКОСТТ ДЕТАЛЕЙ ОБ’еМНИХ Г1ДРОПРИВОД1В
Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н.,
О. А. Нестеренко, асистент, ХНАДУ, Г.М. Толмачова, ст. наук. сшвр.,
ННЦ «ХФТ1», Ю.В. Рижков, шженер, ТОВ СКТБ «Гщромодуль», м. Харкчв
Анотаця. Досл1джено вплив Ti-N i Ti-N-Cr покриття, що наноситься на сталь 38Х2МЮА, на знососттюсть, корозтну сттюсть i нанотвердiсть. Визначено оптимальш режими нанесен-ня iонно-плазмового покриття.
Ключовi слова: знососттюсть, корозтна сттюсть, iонно-плазмове покриття, нанотвер-дтть.
INCREASE OF WEAR RESISTANS AND CORROSIVE RESISTANCE OF HYDRAULIC DRIVES PARTS
D. Glushkova, Associate Professor, Candidate of Technical Science, V. Tarabanova, Associate Professor, Candidate of Technical Science, KhNADU, G. Tolmachova, research worker, U. Ruschkow, engineer, «Gidromodul», Kharkiv
Abstract. The article analyses the influence of the Ti-N and Ti-Cr-N coatings on the wear resistance, corrosive resistance and nanohardness of the 38Cr2MoAl steel. The optimum parameter of ionplasma process are proposed.
Key words: wear resistance, corrosion resistance, ion-plasma coating, nanohardness.
Введение
Важную роль в развитии машиностроения играет дальнейшее развитие и совершенствование технологии изготовления деталей объемного гидропривода, являющихся неотъемлемой частью машин различного назначения.
Приближение к западноевропейскому уровню требует от отечественных производите-
лей пересмотра материалов, используемых для изготовления деталей объемных гидроприводов, а также поиска нетрадиционных методов повышения износо- и коррозионной стойкости их поверхностей трения.
Анализ публикаций
В настоящее время для изготовления золотниковых пар на ряде предприятий использу-
ют сталь 45. Детали подвергают улучшению, а затем карбонитрации.
Однако такие детали после указанной обработки не удовлетворяют запросам предприятий, так как имеют пониженную износо- и коррозионную стойкость. В связи с этим стоит задача выбрать марку стали и способ упрочнения поверхности деталей гидропривода, подвергающихся трению.
Проведенные исследования показали, что для данных условий работы следует провести замену стали 45 на сталь 38Х2МЮА, преимущества которой показаны в работе [1].
Обычно применяются для изготовления подобных деталей методы химико-термической обработки, диффузионной металлизации и поверхностного легирования. Однако традиционные технологии не дают устойчивых промышленных результатов [2].
В настоящее время для деталей, работающих в условиях интенсивного износа, используются покрытия, нанесенные методом конденсации в условиях ионной бомбардировки [3].
Цель работы
Определение параметров (температуры, давления) нанесения ионно-плазменного покрытия и оценка его качества с помощью нанотвердости, которая позволяет проследить изменения свойств в ультрамалых объемах.
Материал и методика исследования
Материалом исследования была сталь 38Х2МЮА. В качестве ионно-плазменного покрытия выбраны две композиции: Ti-N и Ti-Cr-N. Исследовалась износо- и коррозионная стойкость, адгезия. Испытания на износ проводились на машине трения СМЦ-2, по схеме «ролик-колодочка». Роликом служила сталь 38Х2МЮА, колодочкой - серый чугун СЧ20.
Адгезию Kа. оценивали по методике, основанной на совместной пластической деформации покрытия и подложки при внедрении индентора твердомера Роквелла [3]:
K = S0
а Sk + So’
где S0 - площадь отпечатка в плоскости рабочей поверхности; S¿ - площадь скола покрытия в плоскости рабочей поверхности.
Коррозионная стойкость определялась гравиметрическим методом, который заключался во взвешивании образцов до начала испытаний. Таким способом определяют массу ть рассчитывают площадь поверхности S0, проводят испытания в течение определенного времени т, снова взвешивают (масса т2) и рассчитывают усредненный показатель скорости коррозии по формуле
Кт = (тг - m2) /So-т.
Нанотвердость и модуль упругости определили на нанотвердомере последнего поколения Nano Indentor V200. Обработка экспериментальных данных приводилась методом Оливера и Фарра [4].
Результаты исследования и их обсуждение
Свойства покрытия существенно зависят от технологии его нанесения. В табл. 1 представлено влияние температуры ионной бомбардировки титаном на адгезию покрытия с подложкой и износ.
Как следует из табл. 1, оптимальная температура - 500 °С, при которой достигается наилучшая адгезия и наименьший износ.
Оптимальное давление азота с точки зрения износостойкости (табл. 2) и обеспечения получения качественного покрытия [5] составляет 1 Па.
Для повышения коррозионной стойкости было предложено Ti-Cr-N покрытие при следующем соотношении ингредиентов (% по массе): Ti - от 10 до 75; Cr - 5-70; N - 15-21.
Проведенные испытания на коррозионную стойкость свидетельствуют о преимуществах покрытия Ti-Cr-N по сравнению с покрытием Ti-N (рис.1).
Для получения информации о состоянии поверхностных слоев измерялась нано-твердость методом индентирования на такой глубине, когда не оказывает влияния подложка.
Таблица 1 Влияние температуры ионной бомбардировки титаном на адгезию
покрытия с подложкой и износ
Адгезия Ка при температурах бомбардировки (в числителе) и износ в г (в знаменателе), °С
300 400 500 600 700
0,60 0,75 1 0,80 0,50
2,8 -10-3 2,5 -10-3 2,0-10-3 2,1 -10-3 2,3 -10-3
Таблица 2 Влияние парциального давления азота на износостойкость деталей с покрытием
Износ, г -10"3 (в знаменателе) при парциальном давлении азота (в числителе)
без покрытия с покрытием
3-10"3Па 3-10"2Па 1 Па
3,0 2,8 2,5 2,0
Время испытаний, час
Рис. 1. Зависимость показателя скорости коррозии исследуемых материалов от времени: 1 -сталь 38Х2МЮА после улучшения; 2 - сталь 38Х2МЮА после улучшения с покрытием 'Л-К; 3 - сталь 38Х2МЮА после улучшения с покрытием 'Л-Сг-К
На рис. 2, а приведено распределение нанотвердости по глубине внедрения индентора для Т>К покрытия, а на рисунке 2, б - для Л-Сг-К покрытия.
Из рис. 2 видно, что до 10 нм имеет место резкий спад твердости, что объясняют снижением шероховатости.
При дальнейшем погружении индентора в исследуемую поверхность в (до 30-50 нм) наблюдается рост среднего контактного давления под индентором. Около 50 нм начинается пластическое течение под индектром.
После чего становится возможным измерение нанотвердости. Для данных покрытий была выбрана глубина 100 нм (т. М), которая позволяет избежать влияния поверхностных эффектов и подложки на результаты испытаний.
Среднее значение нанотвердости для покрытий Т^ - 12 ГПа, П-Сг-К - 14 ГПа.
С увеличением глубины внедрения инденто-ра значения измеряемых величин сближаются (т. Ы).
10 X 30 «О !0 (О П) Ю 90 <00 110 IX 130 140 1» 160 170 1» 190 хо
Глубина внедрения индентора, нм
а
Глубина внедрения индентора, нм б
Рис. 2. Зависимость нанотвердости от толщины покрытия Ti-N (а) и Ti-Cr-N (б)
30 30 40 SO во ГО 80 во 100 110 130 130 140 150 160 170 180 190 300
Глубина внедрения индентора, нм
а
Глубина внедрения индентора. нм б
Рис. 3. Зависимость модуля упругости от толщины покрытия Ti-N (а) и Ti-Cr-N (б)
Выводы
1. Установлены оптимальные параметры ионной бомбардировки (температура 500 °С, давление азота 1 Па), обеспечивающие наименьший износ и наилучшую адгезию.
2. Нанесение ТьСг-К покрытия позволяет повысить коррозионностойкость, что весьма важно для деталей объемного гидропривода, работающих в условиях износа.
Литература
1. Мощенок В.И. Эффективный метод по-
вышения износостойкости узлов объемного гидропривода / В.И. Мощенок, Г. А. Аврунин, Д.Б. Глушкова, В.П. Та-рабанова, Ю.В. Рыжков // Мат. 4-й меж-дунар. конф. «Стратегия качеств в промышленности». - Варна : Болгария. -2008. - Т. 1. - С. 406-408.
2. Рыжков Ю. В. Применение плазменных
покрытий для повышения изностойко-сти деталей устройств объемного гидропривода / Ю.В. Рыжков, Д.Б. Глушкова,
B.И. Мощенок, В.П. Тарабанова // Сварщик. - 2008. - №4. - С. 38-39.
3. Андреев А.А. Исследование многослой-
ных вакуумно-дуговых износостойких покрытий, подвергнутых термообработке // Материалы международной научн.-техн. конф. «Пленки-2002», - М., 2002.
C.206-209.
4. Oliver W.C. An improved technique for de-
termining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr // Jounal Materials Research. - 1992. -Vol. 7, № 6. - P. 1564-1583.
5. Андреев А. А. Вакуумно-дуговые устрой-
ства и покрытия / А.А. Андреев, Л.П. Саблев, В.М. Шулаев, С.Н. Григорьев. - Харьков : ННЦ «ХФТИ», 2005. - 235 с.
Рецензент: И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 26 августа 2010 г.
