Анотація до роботи:

Король В.І. Нанесення на вуглецеві сталі дифузійних карбідних покриттів на основі титану, ванадію, хрому з підвищеною зносостійкістю – Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01- Металознавство та термічна обробка. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2004

Мета роботи - підвищення зносостійкості вуглецевих сталей нанесенням дифузійних карбідних покриттів за участю титану, ванадію та хрому, встановленням залежності їх функціональних властивостей від фазового та хімічного складів, структури, міжатомної взаємодії, механічних характеристик та термічної обробки. В роботі вперше систематизовано вплив термічної обробки на фазовий та хімічний склади, міжатомну взаємодію, структуру, механічні властивості та характеристики покриттів на основі карбідів титану, ванадію та хрому на вуглецевих сталях, що зумовлено дифузійним перерозподілом хімічних елементів у карбідній та перехідній зонах покриттів на основі карбідів титану, ванадію і хрому.

Встановлено, що показники мікроміцності та мікрокрихкості карбідних покриттів, довжина утвореної тріщини є величинами, які характеризують властивості та напружено – деформований стан покриттів. Встановлено відсутність кореляційних залежностей між показниками мікроміцності та мікрокрихкості покриттів з однієї сторони і їх мікротвердістю з іншої.

Показано, що карбідні і боридні покриття ефективно підвищують зносостійкість сталі У8А в 2,5 - 30 разів у залежності від типу покриття та способу випробувань. Підвищення показників зносостійкості при терті ковзанні без змащування (Р = 0,5 МПа, V = 2-10 м/с) для покриттів на основі карбідів хрому на сталі У8А склало: без термічної обробки 20,6 разів; після відпалу - 13,8 разів; після гартування з низьким відпуском - 10,2 разу в порівнянні зі зразками без покриття. Встановлено можливість використання для адекватної оцінки різних видів зношування захисних покриттів таких характеристик матеріалу, як мікротвердість, показники мікроміцності та мікрокрихкості, адгезійна взаємодія покриття до основи. Проведені вивчення явищ в зонах контакту при зношуванні дозволили розробити рекомендації щодо оптимальної структури, складу та термічної обробки покриттів для роботи в різних умовах зношування.

1. Встановлено особливості структури покриттів на основі карбідів титану, ванадію, хрому на сталях 20, 45, У8А, У10А, У12А, ХВГ. Отримані в роботі дифузійні покриття по кількості шарів, що відрізняються по фазовому складі у карбідній зоні можна розділити на три групи. При титануванні формуються одношарові покриття на основі карбіду TiС, при ванадіюванні - двошарові на основі карбідів відповідно VC, V₂C, при хромуванні трьохшарові - на основі карбідів Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ і s -фази. Аналізом поверхонь зламу карбідних покриттів показано, що для покриттів на основі карбідів титану характерно транскристалітне руйнування, для покриттів на основі карбідів ванадію і хрому - міжкристалітне. Показано відповідність аксіальної і морфологічної кристалографічної текстури покриттів.

2. Величина показників тріщиностійкості досліджених покриттів (показники мікроміцності та мікрокрихкості, довжина утвореної тріщини, навантаження утворення тріщини) визначаються фазовим складом і структурою. У порядку зменшення показника мікроміцності досліджені покриття можна розташувати в такий ряд: FeВ, Fe₂B Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ (Ti,V)C VC TiС; у порядку зменшення показника мікрокрихкості: TiС VC (Ti,V)C Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ FeВ, Fe₂B; у порядку зменшення навантаження утворення тріщини: FeВ, Fe₂B Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ (Ti,V) C TiС VC. Необхідно відзначити, що значення показників тріщиностійкості змінюються по товщині покриттів. Встановлено відсутність кореляційних залежностей між мікроміцністю, показником мікрокрихкості покриттів з одного боку і їх мікротвердістю з іншого.

3. Дослідження покриттів на основі карбідів титану, ванадію і хрому методом безперевного вдавлювання індентора дозволили провести якісну і кількісну оцінку адгезійної взаємодії покриттів з основою. У порядку зменшення показника адгезії досліджувані покриття можна розташувати в наступний ряд: Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ VC, V₂C, (Ti,V)C, TiС.

4. В результаті відпалу, відзначена зміна фазового та хімічного складу та товщини карбідних фаз та їх механічних властивостей. У покриттях на основі карбідів титана відзначене зниження товщини карбідної зони; у покриттях на основі карбідів ванадію відзначене практично повне зникнення фази V₂C при незначному зростанні товщини фази VC; в покриттях на основі карбідів хрому - практично повне зникнення s-фази, зниження товщини фази Cr₂₃C₆ при рості товщини Cr₇C₃. Зафіксовано зниження параметрів кристалічної гратки карбідних фаз після відпалу. Після проведення відпалу відбувається перерозподіл хімічних елементів у дифузійних покриттях на основі карбідів титана, ванадію і хрому. Спостерігається зниження концентрації відповідно титану, ванадію та хрому та підвищення вмісту заліза в карбідних зонах досліджуваних покриттів. В покриттях на основі карбідів ванадію спостерігаються зменшення зони стовбчастих кристалів карбіду ванадію VC, зменшується різнозернистись, як в зоні рівновісних, так і стовбчастих кристалів. Середній розмір зерен карбіду ванадію VC біля границі поділу покриття – сталь зменшується з 1,5 до 1,0 мкм. В карбідохромових покриттях в зоні карбіду хрому Cr₇C₃ має місце збільшення товщини зони стовбчастих кристалів за рахунок зростання загальної товщини карбідного шару, форма та розмір зерен фази Cr₂₃C₆ залишились практично без змін. Середній розмір зерен карбіду Cr₂₃C₆ після відпалу зменшився з 1,5 до 1,0 мкм; карбіду Cr₇C₃ відповідно з 4,0 до 3,0 мкм. В покриттях на основі карбідів титану та ванадію на сталі 40 і У8А під карбідною зоною відзначено зростання товщини феритної зони; в структурі покриттів на основі карбідів хрому відзначено зростання товщини перлітної зони з утворенням безпосередньо під шаром карбідів тонкої (1,5 - 2 мкм) зони хромистого фериту. Необхідно відзначити, що на сталях 20 та ХВГ в карбідохромових покриттях утворення такої зони не спостерігалося. Встановлено незначне зростання на 0,5 - 1,0 ГПа мікротвердості покриттів карбідів титану, та зниженні на 0,5 - 1,2 ГПа мікротвердості карбідів ванадію і хрому. Мікротвердість карбідних фаз TiС; VC; Cr₂₃C₆; Cr₇C₃ на сталі У8А після відпалу складають відповідно 36,0; 23,7; 15,2; 17,5 ГПа. Показано зменшення навантаження утворення тріщини, що мало місце для покриттів на основі титану, ванадію та хрому на всіх досліджених сталях.

5. Показано, що карбідні і боридні покриття ефективно підвищують зносостійкість сталі У8А в 2,5 - 30 разів у залежності від способу випробувань. При цьому найбільше високі результати показали: при терті ковзанні без змащування без попереднього притирання контактуючих поверхонь - покриття типу VC, V₂C; при терті ковзання без змащування з попереднім притиранням контактуючих поверхонь - покриття типу (Ti,V)C; при абразивному зношуванні закріпленим абразивом - покриття типу Cr₇C₃, Cr₂₃C₆; при абразивному зношуванні вільним абразивом - покриття типу TiС.

В порядку зменшення стійкості при терті ковзанні без змащування, без попереднього притирання контактуючих поверхонь покриття можна розташувати в такий ряд: (Ti,V)C TiС VC, V₂C FeВ, Fe₂B Cr₂₃C₆, Cr₇C₃; при терті ковзання без змащування з попереднім притиранням поверхонь: VC, V₂C (Ti,V)C TiС Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ FeВ, Fe₂B; при абразивному зношуванні закріпленим абразивом: Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ TiС VC, V₂C; при абразивному зношуванні вільним абразивом: TiС (Ti,V)C VC, V₂C FeВ, Fe₂B Cr₂₃C₆, Cr₇C₃. Відзначено вплив термічної обробки зразків з покриттями на показники зносостійкості. Підвищення показників зносостійкості при терті ковзанні без змащування (Р = 0,5 МПа, V = 2-10 м/с) для покриттів на основі карбідів хрому на сталі У8А склало: без термічної обробки 20,6 разів; після відпалу - 13,8 разів; після гартування з низьким відпуском 10,2 разу в порівнянні зі зразками без покриття. Показано можливість використання для адекватної оцінки різноманітних видів зношування захисних покриттів таких характеристик матеріалу як мікротвердість, мікроміцність, показник мікрокрихкості, адгезійна взаємодія покриття до основи. Так при абразивному зносі закріпленим абразивом зносостійкість визначається величиною адгезії покриття до основи, при абразивному зносі вільним абразивом - мікротвердістю. Металографічними дослідженнями була показана наявність часток боридних і карбідних фаз у зоні тертя на дні лунки зносу досліджуваних покриттів, глибина якої в декілька разів перевищує товщину покриття. Таким чином, процес зношування композиції покриття-основа з добре вираженою лункою зносу контролюється структурою і властивостями матеріалу основи (сталь У8А), структурою і властивостями матеріалу покриття, включення якого присутні не тільки на поверхні, але й на дні лунки зносу, а також адгезійної взаємодією покриття з основою. Встановлено, що покриття карбіду хрому на сталі У8А ефективно сприяють зниженню температури в зоні тертя на 20-30%. Максимальне значення температури зразків з покриттями карбіду хрому спостерігалося в поверхневих шарах зразків (750 - 800⁰С) близьких до поверхні тертя і знижувалося до 340 - 360⁰С при переміщенні в глибину зразка.

6. Аналіз форм і відносних інтенсивностей МеL_a та CК_a - смуг емісії елементів сполук на основі карбідів титану, ванадію та хрому, досліджених на різних глибинах покриттів виявив прифермієвські (Me+C)pd- гібридні зв’язуючи стани, що виникають внаслідок утворення Me-Fe-C – зв’язків в твердих розчинах заміщення. Показано вплив відпалу на міжатомну взаємодію в досліджуваних покриттях та перехідних зонах, що виявилось в змінах ширини та інтенсивності МеL_a та CК_a - смуг емісії.

Публікації автора:

1. Хижняк В.Г., Король В.І. Структура та механічні характеристики дифузійних карбідних покриттів на сталях //Металознавство та обробка металів.-2002.-№ 3.-С. 3-8

Автором досліджено показників тріщиностійкості дифузійнох покриттів на основі карбідів титану, ванадію та хрому на вуглецевих сталях. Вивчено закономірності та особливості зміни показників тріщиностійкості в залежності від вмісту вуглецю в матеріалі основі.

2. Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Король В.І. Склад, структура та властивості карбідних покриттів на сталях та твердих сплавах //Наукові вісті СумДУ.- 2002.-№ 3.- С.161-169

Пошукачем визначено оптимальні співвідношення вихідних реагентів на основі термодинамічного аналізу реакційного середовища при нанесенні покриттів на основі карбідів титану, ванадію та хрому на сталі; досліджено фазовий склад отриманих покриттів, товщини, мікротвердість та показники мікрокрихкості покриттів.

3. Хижняк В.Г., Король В.И. Состав и некоторые свойства карбидных покрытий на стали ХВГ // Известия ВУЗов. Черная металлургия.- 2002.- № 9.- С. 67-68

Автором досліджено особливості та закономірності структури показників тріщиностійкості дифузійних покриттів на основі карбідів титану, ванадію та хрому на сталі ХВГ.

4. Хижняк В.Г., Костенко А.Д., Король В.И. Износостойкость карбидных и боридных покрытий на стали У8А //Порошковая металлургия. - 2003.- № 11-12.- С. 110 - 115

Автором досліджено показники зносостійкості сталі У8А з захисними покриттями на основі карбідів титану, ванадію, хрому та боридів заліза при різних видах зношування. Визначено вплив показників мікроміцності, мікрокрихкості, адгезіі покриття до основи та напруженного стану, структури, дефектності матеріалу покриття на його стійкість до зносу.

5. Хижняк В.Г., Лоскутова Т.В., Москаленко Ю.Н., Король В.І. Структура та зносостійкість карбідних покриттів з ніобієм та хромом на сталі У8А //Наукові вісті НТУУ „КПІ”.-2002.-№ 6.- С. 94-97

Дисертантом досліджено показники зносостійкості покриттів на основі карбідів хрому на сталі У8А при терті ковзанні без змащування.

6. Хижняк В.Г., Король В.І. Особливості будови та характеристики міцності карбідних покриттів на сталях //Наукові вісті НТУУ „КПІ”.-2003.-№1.- С.62-68

Автором досліджено взаємозв’язки структури, складу та показників тріщиностійкості дифузійнох покриттів на основі карбідів титану, ванадію та хрому на вуглецевих сталях. Вивчено закономірності та особливості зміни показників тріщиностійкості по товщині карбідних покриттів.

7. Хижняк В.Г., Король В.І. Стабільність карбідохромових покриттів на сталях при підвищених температурах // Металознавство та обробка металів. -2003.- № 3.- С. 24 - 29

Дисертантом досліджено вплив підвищених температур на стабільність покриттів, а також на фазовий і хімічних склади, структуру, механічні властивості покриттів на основі карбідів хрому на сталях 20, 40, У8А, ХВГ.

8. Хижняк В.Г., Король В.І. Механічні властивості карбідних покриттів за участю титану та хрому на сталі У8А // Фізика і хімія твердого тіла.-2002.-№ 1, Т 4.- С. 161 – 165

Автором досліджено зносостійкість при терті ковзанні без змащування сталі У8А з захисними покриттями на основі карбідів титану та хрому при терті ковзанні без змащування. Визначено показники тріщиностійкості виробів з покриттями, а також їх вплив на показники зносостійкості

9. Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Король В.І. Cтруктура та властивості карбідних покриттів на сталях та твердих сплавах // Материалы международного XXXVII семинара «Актуальные проблемы прочности», ИПМ НАН Украины, Пуща Водиця, г. Киев, Украина, 2001 г., С.136

Автором проведено класифікацію насичуючих матеріалів по характеру впливу на склад, структуру, товщину та мікротвердість при нанесенні карбідних покриттів на вуглецеві сталі. Досліджено показники мікрокрихкості та зносостійкості отриманих покриттів.

10. Higniak V.G., Korol V.I., Kostenko A.D., Loskutova T.V. Endurance carbides and borides coverages on У8А steel // Materials of second international conference «Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications,Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization» Katsiveli-town, Crimea, Ukraine, 2002, Р. 534-535

Автором досліджено показники зносостійкості покриттів на основі карбідів титану, ванадію та хрому на вуглецевих сталях при терті ковзанні без змащування а також при абразивному зношуванні.

11. C. Iantsevitch, V. Korol, V. Khyzhniak Structure and mechanical characteristics diffusion carbide coatings on carbon steels // Materials conference “Mechanics and materials conference”, Scottsdail, USA, 2003, Р.193

Дисертантом досліджено склад, структуру, показники тріщиностійкості, адгезію покриттів з основою покриттів карбідів титану, ванадію та хрому на вуглецевих сталях.

12. V. Khyzhniak, V. Korol Structure and mechanical characteristics diffusion carbides coatings on steels // Materials conference “АМТЕCH 2003”, Tethnical University - Varna, Bulgaria, 2003., Р.44-48

Автором досліджено вплив відпалу на фазовий та хімічний склади, структуру, механічні властивості покриттів на основі карбідів хрому на сталях 20, 40, У8А, ХВГ.