CC BY
26
К. Н. ПОЛЕЩЕНКО С.Н.ПОВОРОЗНЮК А. Л. АГАФОНОВ И. Б. КОЗОРОГ И. В. РЕВИНА
Омский государственный университет
Омский государственный технический университет
УДК. 539.1.06:620.22
СТРУКТУРНАЯ АДАПТАЦИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ПРИ ТРИБОМЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ_
ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ. СВИДЕТЕЛЬСТВУЮЩИЕ О СТРУКТУРНОЙ АДАПТАЦИИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ. ПРОАНАЛИЗИРОВАНЫ ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ УПРОЧНЕННЫХ СЛОЕВ ПРИ ИЗНАШИВАНИИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ИЗУЧЕНА РОЛЬ ДИФФУЗИОННЫХ И ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ФОРМИРОВАНИИ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР. ПОКАЗАНО, ЧТО РАДИАЦИОННО-ЛУЧКОВАЯ МОДИФИКАЦИЯ СПОСОБСТВУЕТ ОБРАЗОВАНИЮ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ, ОБЛАДАЮЩИХ ВЫСОКОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ.
Модификация инструментальных твердых сплавов радиационно-пучковой обработки обеспечивает существенное повышение их износостойкости в условиях высокотемпературного трибонагружения при резании. При этом модификация слаботочными пучками заряженных частиц (ионной имплантацией) позволяет улучшать триботехнические свойства материалов за счет изменения химического состава, структурно-фазового и напряженного состояния их приповерхностных слоев [1]. Считается [2-6]. что упрочнение поверхностных слоев материалов в значительной степени обусловлено образованием, вследствие внедрения легирующих примесей, химических соединений по типу карбидов, оксидов, нитридов, а также метастабильных твердых растворов. Механизм дисперсионного упрочнения металлических систем при ионной имплантации является одним из общепризнанных. Относитепьно механизмов образования фаз внедрения, наиболее вероятным представляется их зарождение на растущих комплексах дефектов, способствующих достижению концентрационных соотношений, близких к стехиометрическим. Упрочнение материалов и, соответственно, повышение их износостойкости при ионно-лучееой обработке достигается не только за счет внедрения химически активных элементов, но и при облучении ионами инертных газов, а также за счет вариации дозы внедряемых ионов. Как показывает анализ экспериментальных исследований, ионно-лучевая обработка может способствовать повышению сопротивляемости модифицированных материалов абразивному, адгезионному и окислительному изнашиванию, что, в целом, демонстрирует ее высокую эффективность использования в технологических целях. К настоящему времени наиболее изученными являются причины повышения триботехнических свойств материалов после ионной имплантации, связанные с четырьмя основными явлениями [2]:
- упрочнением поверхностных слоев;
- созданием благоприятной схемы остаточных напряжений;
- изменением химических и адгезионных свойств поверхностей;
- изменением закономерностей деформации поверхностных слоев.
Вместе с тем, такие трибостимулироеанные процессы и явления, как формирование многофазной зоны, перенос имплантированных ионов вглубь матрицы в результате эффекта "трибодиффузии", а также образование I специфических кислород- и углеродсодержащих слоев, | наряду с указанными факторами в значительной степени влияют на изменение триботехнических свойств модифицированных материалов, особенно в условиях
высокотемпературного нагружения. В процессе высокотемпературного трибонагружения при резании интенсифицируются процессы тепломассопереноса, взаимной диффузии контактирующих материалов и окисления, которые определяют тип формирующихся вторичных структур инструментапьного материала, ответственных за его износостойкость. Исследование механизмов образования вторичных структур, а также идентификация их типа, представляет научный и практический интерес в связи с возможностями формирования методами радиационно-пучковой обработки трибоадатируемых поверхностных структур, обладающий высокой износостойкостью в условиях повышенных температур и химически активных сред.
Установлено [7], что при изнашивании твердых сплавов в определенных условиях трибомеханического нагружения на этапе приработки происходит образование упрочненных приповерхностных слоев, характеризующихся высокой концентрацией микродвойников в карбидной фазе и дислокаций - в связующей, образованием субзерен ной структуры связки, а также большим содержанием вторичных фаз. Формирование подобных поверхностных структур в условиях трибовзаимодействия способствует сохранению повышенной износостойкости модифицированных инструментальных материалов и в тех случаях, когда глубина изношенных слоев значительно превышает толщину модифицированного слоя. В этом случае
Т15К6, модифицированного слаботочными ионными и сильноточными электронными пучками (СЭП) при резании стали 40Х. Скорость резания У»300 м/мин, подача 3=0,07 мм/об, глубина резания ,5 мм.
1 - «сходный; 2 - ИППИ Е=30 кэВ, Ц«2х10" иои/см1, Т|*^=2000 мкА/см'; 3-НИПЕ=30 иэВ,Д«2х10" ион/ем1, ТгМ'.^ЮОмкА/ем1:4 - СЭП Е,=1,2 Дж/см3,5 - СЭП Е5=2 Дж/см1; 6-СЭП Е5=-2,7 Дж/см1.
зависимости изнашивания модифицированных инструментальных материалов характеризуются менее выраженным участком приработки, заметно снижение интенсивности на участке установившегося изнашивания {рис.1). Анализ полученных экспериментальных данных и выявление типичных кинетических зависимостей изнашивания модифицированных твердых сплавов показал, что в подавляющем большинстве условий эксперимента достижение наибольших эффектов повышения износостойкости инструментального материала наблюдается при минимальной интенсивности их изнашивания на участке приработки. Подобные кинетические зависимости свидетельствуют об определяющей роли механизмов трансформации модифицированных структур твердых сплавов на начальном этапе фрикционного взаимодействия, контролирующих структурно-фазовые превращения на последующих стадиях их изнашивания.
Анализ возможных механизмов, ответственных за образование упрочненных слоев на некоторой глубине от поверхности с привлечением современных представлений об образовании так называемых "debris - слоев" [в] позволил высказать предположение, что наблюдаемые эффекты связаны с распадом пересыщенных твердых растворов, полученных в результате радиационно-пучковой модификации с последующим усиленным массолереносом, стимулированным трибоэнерге-тическим воздействием.
Для изучения указанных явлений структурно-неоднородный материал (твердый сплав) рассматривался как иерархически организованная и самосогласующаяся под влиянием внешнего (трибомеханического) воздействия система, в которой источниками самосогласованного движения являются концентраторы напряжений на границах зерен 19], Вследствие интенсивной пластической деформации эти источники активизируются и генерируют потоки дефектов и примеси вглубь материала. В структурно неоднородных средах локализованная пластическая деформация, происходящая не только на микро-, но и на мезоуровне может иметь волновой характер и распространяться в виде нелинейных волн, что дает возможность использовать локально-неравновесные модели массопереноса.
Для описания трансформации поверхностных структур твердосплавных инструментальных материалов и процессов массопереноса использовались положения расширенной необратимой термодинамики [10.11]. В разработанной модели начальные условий для значений концентрации и потока принимались на основе исходных распределений концентрации по глубине модифицированного материала. Параметры структуры слоев характеризовались изменениями коэффициента диффузии по глубине и аппроксимировались кусочно-линейной функцией.
8 данной модели структурные представления позволяют обосновать использование для трансформации структур и активации процессов массопереноса положения расширенной необратимой термодинамики, которые приводят к уравнению Максвелл а-Каттанео для потока массы J [10,11]:
J + т — = -DVC (1)
' dt
еде Тс - время релаксации потока, D - коэффициент диффузии, С • концентрация.
Ударные и тепловые волны, возникающие е процессе трибоконтакта, вызывают дополнительный массоперенос [12]. Вклад е изменение концентрации за счет тепловой и ударных волн в модели учтен членами, пропорциональными произведению градиентов концентрации на градиент температуры и давления соответственно. Давление играет важную роль е формировании экстремального значения концентрации е
глубине образца [13]. Высокие сдвиговые напряжения, возникающие во фронте ударной волны, приводят к высокоскоростному перемещению дислокаций, движение которых, главным образом, способствует интенсивному массопереносу |14]. Вклад в изменение концентрации за счет бародиффузии учитывается е модели с помощью пдРдС
члена Ц = 1{кТ). где С(х,() - концентрация,
Э - коэффициент термической диффузии, Р- давление, V,-объем, приходящийся на один атом, к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Специфику ударного воздействия можно исследовать, используя модель ударной волны в виде солитонного профиля:
где Р0 - амплитуда давления, х0 - полуширина импульса, э -скорость его распространения.
Термодиффузия вносит заметный вклад в массоперенос в приповерхностных слоях структурно неоднородного материала [15].Тепловые волнывтрибосистеме, наряду с волнами напряжений являются термоактиваторами движения межузепьных атомов во фронте ударной волны, а также активируют трансляционно-ротационные процессы зеренной субструктуры инструментального материала, которые приводят к активации потенциальных источников. В модели еклад в изменение концентрации компонентов за счет термодиффузии учитывался с помощью члена
к, дТ(х,г) дС(х,0
Т бх дх
где Т(х,() -температура в точке х и момент времени (, , _ Па
~ и кТ ' термодиффузионное отношение, где П -поток тепла, который необходим для переноса единицы концентрации фазы в единицу времени через единичную площадку в изотермическом режиме: Еа, Еа -энергия активации диффузии, а - температуропроводность, и, -характерная скорость переноса теппа.
Резупьтаты численного моделирования свидетельствуют, что для каждого из представленных структурных состояний градиентных материалов наблюдается эффект упрочнения глубинных слоев, выраженный е виде формирования вопнообраэных профилей концентраций (рис.2). Электронно-микроскопическими исследованиями распределения плотности дислокаций в поверхностном слое твердого сплава установлено, что распределение дислокаций носит немонотонный характер. Максимум плотности наблюдается на расстоянии до 20 мкм от поверхности, С увеличением времени максимум смещается вглубь. В облученных образцах толщина слоя с повышенной ппотностью увеличивается линейно ~ от 5 мкм (время Юс) до 50-10 мкм (при 120с), в то время как дпя необлученного образца это увеличение незначительно. Экспериментальные данные качественно подтверждают результаты математического моделирования.
Особого внимания заслуживают результаты электронно-микроскопических исследований, сеидетельст-
Рис.2. Поверхность концентрации компонента в координатах пространствах и времени (дли профиля 1й. Режим нагруженил: количество импульсов N=5; период подачи импульса амплитуда давления 10.
СI, % iT.
С i, % ат.
Ширина луикн L, им
Рис.3. Элементный состав наношенных поверхностей твердого сплава BKS. модифицированного слаботочным ионным пучком состава (Ta*-Mo')-N*, (участок установившегося изнашивания);
а) - концентрационные зависимости распределения элементов в поверхностном слое твердого сплава после 12 мин. резания;
б) - концентрационные зависимости распределения элементов в поверхностном слое твердого сплава после 14 мин. резания.
аующие о том, что при трансформации модифицированных структур инструментальных твердых сплавов на этапе приработки в связке, наряду с дислокационной субструктурой и появлением дефектов упаковки, происходит образование кислородсодержащих вторичных фаз СоТ)Оэ, которые фиксируются как внутри связки, так и по границам раздела WC-C. Образование энергоемких кислородсодержащих фаз при изнашивании инструментальных твердых сплавов является благоприятным фактором, способствующим повышению их износостойкости в условиях резания р 6], Радиационно-пучковое воздействие позволяет изначально формировать в приповерхностных слоях твердых сплавов оксидные фазы. В частности, установлено, что имплантация твердых сплавов ионами химически активных элементов, таких как тантал, цирконий, молибден [171, приводит к образованию энергоемких оксидных фаз, образованных с присутствующим е матрице в качестве примесного элемента кислородом. Кроме того, как показало исследование элементного состава изношенных поверхностей твердых сплавов, изнашивание твердых сплавов на этапе приработки сопровождается миграцией имплантированных атомов примеси вглубь инструментального материала, а химический состав приповерхностных слоев модифицированных твердых сплавов в режиме установившегося изнашивания характеризуется повышенным содержанием кислорода (рис.З). Приведенные данные свидетельствуют об интенсивных трибоокислительных процессах, которые тем не менее оказывают положительное влияние на износостойкость модифицированных инструментов.
Известно [18], что интенсификации окислительных процессов при изнашивании твердых сплавов способствуют и усталостные повреждения при циклическом нагружении сплавов, приводящие к возникновению в их приповерхностных слоях субмикроскопических трещин. Взаимодействие твердых сплавов с кислородом при резании инициирует окисление вы со ко дефектных межэеренных границ с последующим их охрупчиванием и вырыаом карбидных зерен. Ионная имплантация может активно влиять на развитие указанных процессов как за счет пассивации контактных поверхностей твердых сплавов, так и посредством дисперсионного упрочнения кобальтовой связки. Следует подчеркнуть, что формирование упрочненных слоев на этапе приработки и образование кислородосодержащих фаз на стадии установившегося изнашивания происходит в определенных температурно-скоростных диапазонах резания. Как правило, им соответствуют повышенные для каждого обрабатываемого материала скорости резания.
Результаты проведенных исследований позволили установить диапазоны скоростей резания, обеспечивающие наибольшую эффективность применения модифицированных пучками заряженных частиц инструментальных твердых сплавов в процессах чистового и получистового резания сталей, никелевых сплавов и сплавов на основе титана. Диапазоны скоростей резания, соответствующие минимальной интенсивности изнашивания модифицированных твёрдых сплавов составляют: при обработке стали 4 ОХ-У=ЭО Ом/мин.. при обработке титанового сплава С)Т4-\/=80-90м/мин.р при обработке никелевого сплава ЭИ693 -У=10-12м/мин.,адля сплава ЭП742 ВД -\/=25-30м/мин.
Таким образом, согласно результатам проведенных исследований процесс изнашивания модифицированных твердосплавных материалов с учетом превалирующего влияния основных факторов и стадийности процесса в общем виде можно охарактеризовать схемой, приведенной на рис.4. Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что роль предварительной поверхностной модификации пучками заряженных частиц заключается, в том числе, в формировании метастабильных трибоадап-рируемых поверхностных слоев твердых сплавов. По-видимому. это связано с тем, что' релаксационные процессы при изнашивании модифицированных твердых сплавов происходят путем развития и формирования дислокационной субструктуры с повышенной устойчивостью к микрополэучести и окислению вследствие
Рис.4 Схема, характеризующая процессы трансформации модифицированных структур инструментальных твердом сплавов в процесса изнашивания.
1 - деформационные и диффузионные процессы: формирование аысокодефектнык структур, образование вторичных фаз ло типу тройным соединений и окислов, усиленный массоперенос внедренной примеси;
2 - превалирование диффузионных процессов, протекание твердофазных реакций, формирование вторичных структур с повышенной концентрацией кислорода, углероде, азота, образование энергоемких фаз;
3- пластическое деформирование поверхностных слоев, разупрочнение материала.
образования термостабильных кислородсодержащих фаз. В связи с тем, что в условиях высокоскоростного трибомеханического контакта температурный фактор определяет развитие процессов микро- и макрополэучести инструментального материала, а трибоокислительные явления в значительной степени регламентируют стойкость модифицированного твердосплавного инструмента, рациональным режимам резания соответствуют весьма узкие температурно-скоростные диапазоны, расположенные в области повышенных скоростей резания.
Максимальные эффекты повышения триботехнических свойств инструментальных материалов обусловлены явлениями их структурной адаптации, характеризующейся образованием упрочненных подслоев и наличием кислородсодержащих фаз. Формирование подобных градиентных структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях твердых сплавов, адаптированных к экстремальным условиям нагружения при резании, достигается при сочетании радиационно-пучкового и трибоэнергетического воздействий на рациональных режимах. Дальнейшая разработка физических основ комплексного упрочнения твердых сплавов открывает новые возможности их структурной модификации и повышения эксплуатационных свойств инструментальных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попетика М.Ф., Полещенко К.Н., Повороэнюк С.Н.. Орлов П.В, Закономерности изнашивания твердосплавных инструментальных материалов, модифицированных пучками заряженных частиц. //Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Сб. тр. Томского политехнического ун-та. Томск; ТПУ, 1997,-С. 22-27.
2. Трибология. Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ/Под ред. В.А. Белого, К. Лудемы, Н.К. Мышкина. - М: Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон пресс, 1993, -454 с.
3. Белый A.B., Ших С.К. Ионно-лучевое легирование и фрикционные свойства металлов и сплавов // Трение и износ,- 1987. • Т.8, № 2. - С.330-343.
4. Hartley N.E.W. The Tribology of ion implanted metal surfaces II Tribology International., 1975. - v,8. - № 1. - P. 65-72.
5. Гусева М.И. Ионная имплантация в металлы //Поверхность. Физика, химия, механика.-1902,- №4, - С.27-39.
6. Ионная имплантация / Под ред. Дж. К. Хирвонена - М.: Металлургия, 1985, - 392с.
7. Трибостимулированные структурные превращения в приповерхностных слоях модифицированных твердых сплавов I Попещенко К.Н., Орлов П.В., Машков Ю.К. Иванов Ю.Ф., Поворознюк С.Н,, Вершинин Г.А. /Ярение и износ. -1990. - Т. 14, № 4, - С. 459-465,
8. Громаковский Д.Г. Актуальные проблемы теории надежности трибосистем. II Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте Труды междун. конф., Самара. -1999. * С, .5-19.
9. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. /Под ред. В.Е. Панина.- М.: Наука .1995.-Т. 1.- с. 7-49.
10. Собопее С.Л. Локально-неравновесные модели процессов переноса// УФН. -1991. -Т. 167, -Ns 10. - С.1095-1106.
11. Соболев С. Л. Процессы переноса и бегущие волны в локально-неравновесных системах.//УФН.-1991.-Т. 161. Ni 3. - С. 5-29,
12. Геринг Г.И,, Полещенко К.Н., Вершинин ПА., Поворознюк С.Н., Орлов П.В. Роль диффузионных процессов в повышении износостойкости модифицированных твердых сплавов.//Трение и износ. 1998.-Т, 14, Ni 4, - С. 453-458.
13. Вершинин ГА., Полещенко К.Н., Геринг Г.И., Мазое П.В. Температурные поля и массоперенос в твердых сплавах при воздействии мощными ионными пучками II ; Тез .докл. II Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии.. 1995. - С.312-314.
14. Крестелев А.И., Бекренев А Н. Массоперенос в металлах под действием ударных волн. II Физика и химия обработки материалов. 1985. - Ni 2. - С. 58-60.
15. Hutohings R The improvement of wear resistance by ion implantation II J.S Afr.Inst,Mining and Met, -1986. - v,86. - №3. -R77-80
16. КабалдинЮ.Г, ШпилевА, M. Синергетический подход к управлению процессами механообработки в автоматизированном производстве //Вестник машиностроения. -1996,. -Na 8. - С.13 -19.
17. Попещенко К. Н., ГерингГИ., ПопегикаМ.Ф., Вершинин Г.А., Тайлашев A.C. Фазовый состав и износостойкость приповерхностных слоев твердого сплава WC-Co, облученного газометаллическими ионными пучками II Физика металлов и металловедение -1995.- Вып.1.- Т.80, -С.112-116.
18. Жилин В. А. Роль окисления в износе режущего инструмента.//Станки и инструмент. -1974.-Na 5.-С.25-26.
ПОЛЕЩЕНКО Константин Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры физического материаловедения Ом ГУ;
ПОВОРОЗНЮК Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры физического материаловедения ОмГУ;
АГАФОНОВ А.Л., кандидат техничнских наук, доцент кафедры программного обеспечения ОмГГУ; КОЗОРОГ И. Б., инженер АК "Сибнефть"; РЕВИНА Ирина Вячеславовна, кандидат техничнских наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ОмГТУ.
К вашему сведению
В Омском государственном техническом университете функционирует совет Д 212.178.05 по защите докторских и кандидатских диссертаций по специальностям 05.02.01 - материаловедение (промышленность); 05.02 04 - трение и износ в машинах; 05.02.06 - технология машиностроения.
Председатель совета - д.тнхн. н„ профессор Анатолий Павлович Моргунов, ученый секретарь - к.физ.-мат.н., профессор Вадим Иванович Суриков. Тел. (3812) 65-34-07.
