Покрытия для защиты от фреттинг-коррозии

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

--------: ----------D D---------------------
Досліджено вплив багатошарового вакуумно-плазмового покриття (a-Ti+TiN)x5, а також покриття з MoS2 на стійкість до руйнування зразків зі сталі в умовах фре-тинг-корозії при різних комбінаціях контактуючих поверхонь та амплітудах циклічного навантаження
Ключові слова: вакуумно-плазмове
покриття, фретинг-корозія, адгезія
?-----------------------------------?
Исследовано влияние многослойного вакуумно-плазменного покрытия (a-Ti+TiN)x5, а также покрытия из MoS2, на устойчивость к разрушению образцов из стали в условиях фреттинг-коррозии при различных комбинациях контактирующих поверхностей и амплитудах циклического нагружения
Ключевые слова: вакуумно-плазменное покрытие, фреттинг-коррозия, адгезия
?-----------------------------------?
Influence of multilayer vacuum-plasma coating (a-Ti+TiN)x5 and also coating from MoS2 on damage resistance of steel samples in conditions offretting-corrosion at different combinations of contact surfaces and repeated loading amplitudes has been investigated
Key words: vacuum-plasma coating, fretti-ng-corrosion, adhesion -------------------? ?---------------------
УДК 620. 193:621. 793. 1
ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ
С. В. Ляшок
Аспирантка Отдел материаловедения Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного ул. Дм. Пожарского, 2/10, г. Харьков, Украина, 61 046 Контактный тел.: (057) 778−89−86, (057) 349−47−80 Е-mail: matsevlad@ipmach. kharkov. ua
1. Введение
Решение проблемы повреждений в результате изнашивания в условиях фреттинга ответственных узлов машин и механизмов является одной из первоочередных задач. Процессы фреттинга характеризуются следующими отличительными признаками:
— относительная скорость перемещения поверхностей контактирующих тел значительно ниже по сравнению со скоростью при трении скольжения-
— фреттинг, приводящий к разрушению, характеризуется амплитудами менее 25 мкм, но, в любом случае, — не более 130 мкм [1], при этом поверхности не выводятся из зоны контакта, а, следовательно, продукты износа не удаляются из зоны образования-
— внешний вид продуктов фреттинг-износа отличается по цветовым показателям: например, на стали они значительно краснее, чем обычная ржавчина-
— кислород интенсифицирует повреждения при фреттинг-коррозии. Так как фреттинг характеризуется малыми амплитудами взаимных перемещений контртел, то вторичные структуры в приповерхностных объемах, защищающие основу при других видах изнашивания, не успевают образоваться за счет частого взаимодействия одних и тех же неровностей в каждом цикле. Последовательное схватывание неровностей на соприкасающихся поверхностях с дальнейшим разрушением адгезионного шва является главной причиной разрушения при фреттинге.
Для уменьшения адгезии и повышения фреттинг-усталостной прочности применяют следующие технологические методы: пластическое деформирование, химическую и электрохимическую обработку, различные виды химико-термической обработки [2]. Снизить интенсивность процессов схватывания, как отмечается в работе [1], можно путем использования различных видов смазок, защитных неметаллических пленок. Высокую износостойкость в условиях адгезионноусталостного изнашивания и низкую адгезионную активность продемонстрировали в качестве защитных при использовании в технике вакуумно-плазменные покрытия, состоящие из карбидов, нитридов, оксидов d-переходных металлов и sp-элементов [3].
Целью данной работы являлось исследование эффективности разработанных покрытий с большим сопротивление фреттинг-коррозии для предотвращения разрушения или уменьшения интенсивности коррозионной повреждаемости деталей из стали 20Х13.
2. Методика исследований
Разрабатываемое защитное покрытие должно иметь следующие характеристики: крепкое сцепление с подложкой- высокую когезионную прочность- адгезионную пассивность внешнего слоя относительно контртела- низкую химическую активность относительно среды.
Е
Крепкая связь с подложкой может быть реализована за счет химической адгезии (адгезия, обеспечиваемая путем создания между поверхностью подложки и материалом покрытия межатомных связей), либо диффузионным взаимопроникновением материалов подложки и покрытия. Среди современных методов нанесения защитных покрытий, обеспечивающих надежную адгезию покрытия к металлической подложке, можно выделить вакуумно-плазменные и детонационные методы.
Нанесение разработанного вакуумно-плазменного покрытия осуществлялось по методу КИБ — конденсации с ионной бомбардировкой — на модернизированной установке «Булат-6». Бомбардировка подложки ионами металла или газа с энергией ~ 1 эВ позволяет распылять поверхностные пленки и нарушать стабильные электронные конфигурации валентных электронов металла на поверхности подложки для создания химических адгезионных связей. Непрерывность процесса осаждения покрытия, энергия, достаточная для организации химической адгезии, низкая микрохрупкость основной фазы покрытия и конструкция, состоящая из чередующихся слоев, обеспечивают высокую когезионную прочность покрытия. Для достижения низкой химической и адгезионной активности внешней стороны покрытия наносили поверхностный слой соответствующего химического и фазового состава — ^№.
Образцы из стали 20Х13 изготавливались из листового проката в нормализованном состоянии (НВ 175) в виде пластин разных размеров с припуском на шлифование после термообработки. Химический состав стали: С — 0,19%, Мп — 0,2−0,3%, Si — 0,2−0,3%, Сг — 12−13%, № - 0,10%.
Режим термообработки: нагревание до 1050 °C, выдержка 40 минут, закалка в масле, отпуск в течение 2-х часов при 700 °C, последующее охлаждение в воде. Твердость образцов составляет НЯС 18−20. После термической обработки образцы со стороны больших граней сошлифовывали на глубину ~ 0,5 мм. Размеры образцов после шлифования следующие: длинные образцы ~ 110×14×4 мм- короткие образцы ~ 33×14×4 мм.
Было ра зработано защитное многослойное вакуумно-плазменное покрытие (а-П+^№)х5, состоящее из чередующихся слоев а-Т толщиной ~ 0,1 мкм и толщиной ~ 1 мкм (приведена толщина для одного слоя каждого типа). Общее количество слоев в покрытии — 10, толщина полученного покрытия — 4−5 мкм.
Одним из методов защиты от фреттинг-коррозии является использование твердых смазок. По результатам экспериментов, проведенных авторами работ [4, 5], дисульфид молибдена — перспективное средство для уменьшения повреждений при фреттинг-коррозии. В связи с этим представляет интерес исследовать также взаимодействие поверхностей образцов в комбинации: сталь с покрытием (а-П+^№)х5, находящаяся в контакте с контртелом, покрытым MoS2.
После подготовки поверхности образцов для нанесения покрытия на основе MoS2 на наждачной бумаге, они были подвергнуты влажной пескоструйной обработке, в результате чего поверхность стала достаточно шероховатой, содержащей значительное количество углублений и выступов. После этой обработки образцы тщательно промывали водой и выдерживали на
з…
воздухе. После обезжиривания путем погружения в бензин Б70 образцы подсушивали на воздухе в течение 15 минут.
Для нанесения покрытия использовали суспензию ВНИИНП-212, содержащую дисульфид молибдена, растворитель и мочевиноформальдегидную смолу. Покрытие наносили путем погружения нагретых до 100 °C образцов в суспензию. После этого их подсушивали на воздухе до сухого состояния (10−15 минут) и далее переносили в термостат, нагретый до 100 °C. Повышали температуру в термостате до 150 °C, и выдерживали образцы при этой температуре на протяжении 2-х часов. После охлаждения на воздухе образцы готовы к использованию.
Долговечность образцов из стали в условиях фрет-тинга при различных комбинациях контактирующих поверхностей и амплитудах циклического нагружения оценивали по времени до полного разрушения плоских образцов на специальном стенде. На рис. 1 приведена схема нагружения образцов при испытаниях на фреттинг-усталость.
3. Результаты исследований
Исследование структуры поверхности полученных покрытий проводили на электронных сканирующих микроскопах JSM-840, а также ZEISS EVO 40XVP с системой рентгеновского микроанализа INCA Energy.
На рис. 2 продемонстрирована морфология поверхности и вид поперечного сечения образца с покрытием (a-Ti+TiN)x5, свидетельствующие о формировании при осаждении четко выраженной двухфазной структуры покрытия.
P
Рис. 1. Схема расположения образцов при испытаниях на фреттинг-усталость: 1 — усталостный (длинный) образец-
2 — прижимающие (короткие) образцы- Р — нагрузка, обеспечивающее постоянное сжимающее напряжение 100 МПа- N — циклическая нагрузка
Большее увеличение (рис. 2 в) позволяет отметить присутствие на поверхности значительного количества капельной фазы титана, а также отдельных пор, круглых ямок. Последние можно идентифицировать как следы, оставшиеся на поверхности в результате скола отдельных элементов капельной фазы, размер которых от 1 до 14 мкм. Относительная площадь поверхности покрытия, занятая капельной фазой, составляет ~ 10%.
Фазовый рентгеновский анализ поверхности многослойного покрытия и его структурных составляющих показал, что основной фазой является ^№, но с различным соотношением Т и N (рис. 3 и табл. 1). В
покрытии также присутствует некоторое количество а-П, сосредоточенного в тонких титановых слоях и в капельной фазе.
Качество адгезии и когезии разработанного покрытия оценивали с помощью системы глубокого проникновения в поверхность образца с покрытием алмазного конуса при использовании системы нагружения твердомера Роквелла [6]. Анализ показал, что покрытие имеет удовлетворительную адгезионную и когезионную прочность: не наблюдается отслаивание слоев и скола отдельных участков покрытия от подложки.
На рис. 4 продемонстрирована поверхность покрытия MoS2 толщиной ~ 10 мкм, по внешнему виду похожего на слой мелкой щебенки, которой засыпаны неровности поверхности образцов, образовавшиеся при влажной пескоструйной обработке.
Результаты испытаний образцов на фреттинг-усталость представлены в табл. 2, где о — амплитуда изгибающегонапряжения, N — количество циклов до разрушения, К — коэффициент повышения долговечности стали в сравнении с вариантом 1.
Использование вакуумно-плазменного покрытия на контактирующих поверхностях контртел обеспечивает максимальные коэффициенты повышения долговечности стали при амплитудах изгибающего напряжения 150 МПа и 100 МПа (вариант 2). Несколько меньшая эффективность (вариант 3) наблюдается при нанесении покрытия (а-Л+^№)х5 на поверхность усталостного образца, находящуюся в контакте с поверхностью прижимающего, покрытого MoS2. Покрытие из дисульфида молибдена (вариант 4) также приводит к повышению долговечности, однако в меньшей степени, чем вакуумно-плазменное покрытие (на 30% и 60% при соответствующих амплитудах).
Рис. 2. Морфология поверхности при разных увеличениях (а, в) и микроструктура поперечного шлифа (б) многослойного покрытия (а-Ті+Ті^х5
-I-| і I 1 |гт||т~|& gt-4 'Т1 I-I-I I Ч-і і
-ку*т-^
6 Е, кеВ 8
Рис. 3. Микрорентгеноспектральный анализ поверхности (а) и структурных составляющих (в) покрытия (а-^+^)х5 и их спектрограммы (б, г)
0
2
4
Е
Таблица 1
Химический состав поверхности и структурных составляющих вакуумно-плазменного покрытия
Содержание элементов Место точечного анализа
Спектр 1 Спектр 2
ат. % масс. % ат. % масс. %
N 53,6 25,5 66,4 36,7
Ti 45,4 74,8 33,6 63,4
Рис. 4. Поверхность образца после пескоструйной обработки (а) и нанесения покрытия, содержащего дисульфид молибдена (б)
Влияние покрытий на фреттинг-усталость
Вариант Характеристика вариантов с = 100 МПа с = 150 МПа
Усталостный образец Прижимающий образец N-10−6 К N-10−6 К
1 Сталь Сталь 0,532 1 0,217 1
2 Сталь+(а-^+^№)х5 Сталь+(а-Ti+TiN)х5 1,81 3,40 0,794 3,66
3 Сталь+(а-^+^№)х5 Сталь+ MoS2 1,45 2,73 0,548 2,5
4 Сталь Сталь+ MoS2 0,854 1,6 0,282 1,3
3. Выводы
По результатам исследования влияния разработанных покрытий на устойчивость к разрушению контактирующих образцов в условиях фреттинг-коррозии,
установлено, что при нанесении вакуумно-плазменного покрытия на сопряженные поверхности контртел наблюдается наибольшее повышение долговечности. Использование покрытия (а-П+^^х 5 на поверхности только одного образца (усталостного), а на другой
— MoS2, также способствует значительному повышению долговечности стали. Таким образом, применение покрытий — вакуумно-плазменного с низкой адгезионной активностью и твердосмазочного — позволяет снизить интенсивность процессов схватывания при фреттинг-коррозии, а, следовательно, повысить долговечность изделий из стали.
Литература
1. Уотерхауз Р. Б. Фреттинг-коррозия / Р. Б. Уотерхауз. — Л.: Машиностроение, 1976. — 272 с.
2. Шевеля В. В. Фреттинг-усталость металлов / В. В. Шевеля, Г. С. Калда. — Х.: Поділля, 1998. — 299 с.
3. Мацевитый В. М. Покрытия для режущих инструментов / В. М. Мацевитый. — Х.: Вища школа, 1987. — 128 с.
4. Weismantel E. E. Friction and Fretting with Solid Film Lubricants / E. E. Weismantel // Lubrication Engineering. — 1955. — Vol. 11.
— P. 97 — 100.
5. Batten B. K. Fatigue Tests in Air on Model Propeller-Tailshaft Assemblies / B. K. Batten, A. J. Couchman // Trans. N. E. Coast Instn. Engrs. Ship-builders. — 1963. — Vol. 79, N 5.
— P. 189 — 228.
6. Мацевитый В. М. Способ контроля качества адгезии износостойких покрытий
/ В. М. Мацевитый, Л. М. Романова, В. М. Береснев // Применение прогрессивных инструментальных материалов и методов повышения стойкости режущих инструментов: І науч. -техн. конф., 1983 г.: тезисы докл. — Краснодар: НТО Машпром, 1983. — С. 93 — 94.
Таблица 2

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой