К.т.н. Бись С.С., магістр Онищук О.І.

Хмельницький національний університет, Україна

Вплив зносостійких покриттів на властивості матеріалів

Одним із способів отримання матеріалів з різними властивостями об'єму і поверхні, що забезпечують підвищення їх зносостійкості і захист від дії навколишнього середовища, це використання технологічних методів створення зносостійких поверхневих покриттів.

Останні розробки в області технології покриттів дозволили вирішити ряд трибологічних проблем шляхом використання їх нового виду. Не дивлячись на різноманітність методів зміцнення, проблема підвищення зносостійкості матеріалів залишається актуальною.

Методи і технологічні прийоми нанесення покриттів, на нашу думку, повинні забезпечувати високі показники зносостійкості поверхні і конструкційної міцності основи (міцність і в'язкість руйнування). Лише у такому разі можна отримати максимальний ефект зміцнення. Умови нанесення деяких покриттів передбачають нагрів і тривалу витримку матеріалу при температурах 550°С і вище, що призведе до неминучої зміни структурного стану. Не дивлячись на це початковий структурний стан матеріалу впливає на якість покриття, що наноситься.

При виборі виду зміцнення необхідно враховувати умови експлуатації деталі, а особливо можливість насичення воднем. Як відомо багато покриттів, що мають хороші показники зносостійкості на повітрі, при роботі в умовах наводнювання різко зменшують ступінь захисту основи матеріалу від зношування.

При оцінці трибологічних характеристик матеріалів із зносостійкими покриттями необхідно провести цілий ряд трудомістких випробувань на тертя і зношування, які дозволили б визначити найбільш ефективний метод технологічного зміцнення поверхні з урахуванням умов експлуатації пар тертя. Тому було вирішено провести дослідження показників мікротекучості і поверхневої міцності сталі 60С2 із зносостійким покриттям і порівняти отримані результати з її трибологічними характеристиками.

Методика нанесення різних покриттів описана в різній літературі. Для дослідження впливу технологічних методів зміцнення на трибологічні характеристики сталі 60С2 зразки піддавалися наступним видам обробки:

- покриття, що наносяться на робочу поверхню при температурах до 100°С (так звані низькотемпературні покриття) внаслідок чого початковий структурний стан основи не змінювався. Досліджувалося покриття типу ЯНГ, розроблене в Хмельницькому національному університеті (м. Хмельницький), а також проводили хімічне нікелювання пар тертя.

- покриття, що наносяться на робочу поверхню при температурах 550-650°С: азотування досліджуваних матеріалів в тліючому розряді (іонне азотування), покриття зразків нітридом титану (ТiN), нітридом хрому (CRN), хромом аморфним (Cr-аморфный), і комплексним покриттям нітриду хрому і титану ((Cr,Ti)N).

Вибрані методи зміцнення поверхні сталі 60С2 дозволяють охопити широкий спектр поширених технологічних методів і вивчити нові, сучасні способи (ЯНГ) зміцнення поверхні матеріалів.

Відомо, що структурний стан матеріалу визначає його трибологічні властивості. Дослідимо зміну показників мікропластичності матеріалу з різними технологічними способами зміцнення. Показники мікропластичності матеріалу є структурно чутливими і їх слід розглядати з погляду теорії руху дислокацій. Зміна стану поверхневих шарів матеріалу неминуче спричинить зміну характеристик мікропластичності, не дивлячись на те, що товщина зразків (2 мм) значно перевищує товщину зміцненого шару (2...180 мкм). Проте, очевидно, зіставляти значень мікропластичності матеріалів із покриттям і без нього буде об'єктивним лише за умови однакового структурного стану основи матеріалу (нагадаємо, що показники мікропластичності дуже структурно чутливі). Така умова дотримуватиметься тільки при нанесенні на поверхню зразків низькотемпературних покриттів ЯНГ (хімічне хромування) і хімічного нікелювання з подальшою термічною обробкою (т.о.). При використанні решти досліджених покриттів основа зразків нагрівалася до температур 550...1050°С, що неминуче призводило до відпуску основи матеріалу і зміни його структурного стану.

Для оцінки зміни мікропластичності сталі 60С2 із зносостійкими покриттями, на повітрі використовувалася методика, в основу якої покладено визначення значення критичної напруги s₃ показника деформаційного зміцнення А₂ для досліджуваних покриттів. Необхідно відзначити, що криві межі мікротекучості сталі 60С2 із зносостійким покриттям мали трьох стадійний характер залежності s- Öe_ост.

Як приклад на рис. 1 представлені криві зміни на повітрі значень s₃ і А₂ сталі 60С2 з нанесеним на її поверхню покриттям ЯНГ. При нанесенні на поверхню сталі 60С2, не залежно від її структурного стану, покриття ЯНГ, характеристики мікропластичності матеріалу збільшуються, якісний характер залежності мікропластичності від структурного стану основи матеріалу зберігається, і для структури мартенситу відпуску (300 °С) вони приймають максимальні значення (див. рис. 1).

Загальне збільшення мікропластичності сталі 60С2 при нанесенні покриття ЯНГ (товщиною порядку 6...8 мкм), на нашу думку, можна пояснити закріпленням дислокацій на поверхні матеріалу, що сприяє зміцненню його поверхні.

Рис. 1. Зміна показників мікропластичності (s₃ и А₂) сталі 60С2 від структурного стану, із покриттям ЯНГ та без нього.

У таблиці 1 представлені значення показників мікропластичності сталі 60С2 із нанесеним зносостійким покриттям для різного початкового структурного стану матеріалу.

При нанесенні на поверхню сталі 60С2 покриття нітриду титану (TіN), хрому (CrN), хрому і титану ((Cr,Ti)N), а також Cr-аморфного відбувається нагрів і тривала витримка матеріалу при температурі 550...650 °С, а при боруванні – 950 °С, що неминуче призведе до зміни початкового структурного стану основи. Тому, на нашу думку, враховуючи те, що мікропластичність є структурно чутливою, порівняння значень s₃ і А₂ сталі 60С2 з такими покриттями і результатів отриманих без них було б не об'єктивним. Дійсно, аналізуючи значення s₃ і А₂ (див. табл. 1) для вище перерахованих покриттів можна відзначити їх загальну рівність незалежно від структурного стану основи матеріалу перед зміцненням поверхні.

Таблиця 1. Мікропластичність (s₃ і А2) сталі 60С2 в різному початковому структурному стані з нанесеними зносостійкими покриттями

Вид покриття	Показники s3 (МПа) и А2 в залежності від температури відпуску матеріалу
	200°С		300°С		400°С		500°С
	s3	А2	s3	А2	s3	А2	s3	А2
Без покрытия	619	1,9	1515	6,6	1451	2,8	1365	2,1
ЯНГ	896	2,2	1643	7,2	1557	3,0	1408	2,4
TiN	1371	2,3	1378	2,4	1375	2,4	1374	2,3
CrN	1370	2,4	-	-	-	-	1375	2,4
(Cr,Ti)N	1380	2,3	-	-	-	-	1390	2,4
Cr - аморфний	1361	2,3	-	-	-	-	1364	2,3
Борування	1285	2,1	1296	2,1	1300	2,1	1300	2,2

Проведені дослідження мікропластичності сталі 60С2 із нанесеними зносостійкими покриттями дозволили визначити закономірності зміни їх показників. На нашу думку, показники мікропластичності можна використовувати як технологічну характеристику для прогнозування трибологічних характеристик матеріалів із зносостійкими покриттями. Тобто по характеру зміни величин s₃ і А₂ можна якісно судити про ефективність використання покриття в тих або інших умовах випробувань (експлуатації). Очевидно, більшу зносостійкість будуть мати ті покриття які більшою мірою підвищують показники мікропластичності матеріалу, а також ступінь зміни мікропластичності матеріалу із зміцненою поверхнею під впливом середовища випробування відповідатиме зміні його зносостійкості в цьому середовищі.

Література:

1. Диффузионные карбидные покрытия / В.Ф. Лоскутов, В.Г. Хижняк, Ю.А. Куницкий, М.В. Киндрачук. - Киев: Тэхника, 1991. - 168 с.

2. Патент України №22093 А від 23.04.1998. Спосіб підвищення тріщиностійкості інструментальних сталей // Я.М. Гладкий, Р.І. Сілін, В.І Семенюк.

3. ГОСТ 9.305-84. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Операции технологических процессов получения покрытий. - Введ. 01.01.86. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 183 с.

4. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. - М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.

5. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме / Костржицкий А.И., Карпов В.Ф., Кабанченко М.П. и др. - М.: Машиностроение, 1991. - 176 с.

6. Гончаренко В.Г. Повышение износостойкости инструмента путём покрытия его нитридом титана // Технология и организация производства. - 1980. - №1. - С. 37-38.

7. Глухов В.П. Боридные покрытия на железе и сталях. - К.: Наукова думка, 1970. - 205 с.

8. Шатинский В.Ф., Нестеренко А.И. Защитные диффузионные покрытия. - К.: Наукова думка, 1988. - 272 с.

9. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. - Новосибирск: Наука, 1990. - 306 с.

10. Тушинский Л.И., Потеряев Ю.П. Проблемы материаловедения в трибологии. - Новосибирск: НЭТИ, 1991. - 64 с.

11. Рыбакова Л.М., Куксёнова Л.И. Структура и износостойкость металла. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.

12. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

13. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. - Кн. 1. - М.: Машиностроение, 1978. - 400 с.