Анотація до роботи:

Горбань В. Ф. Розробка матеріалів з легованих сплавів хрому і покриттів з них з метою захисту виробів від зносу та підвищення їх жаро-, корозійної стійкості

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01. – матеріалознавство –Інститут проблем матеріалознавства ім. І.Н. Францевича Національної академії наук України, Київ, 2005.

Проаналізовано вплив хімічного, фазового складу та деформування на структуру, механічні характеристики і характер руйнування малолегованих сплавів хрому в широкому інтервалі температур з метою оптимізації параметрів термопластичної обробки. На отриманих даних ґрунтується розробка дослідно-промислових технологій одержання вихідного матеріалу із сплавів хрому що відповідають технічним умовам газотермічного та вакуумного розпилювання. Вперше визначено межу структурного розміру рекристалізованого хрому нижче якої для нього властиві схильність до надпластичності та різке зниження чутливості до поверхневих дефектів, що дає змогу витримувати багаточисельні згини-перегини.

Встановлені фактори які контролюють як властивості покриття, так і їх поведінку в умовах тертя, впливу тепла та агресивного середовища і обґрунтована можливість управління цими факторами для забезпечення одночасного підвищення захисних властивостей матеріалу, що покривається, - жаростійкості, зносостійкості та корозійної стійкості. На підставі цих досліджень сформульовані вимоги до фазового складу вихідного матеріалу і оптимізовані різноманітні технології його нанесення які забезпечують отримання необхідного структурного та фізико-хімічного стану покриття.

Встановлено, що зносостійкість в умовах тертя зі змащенням і підвищених температурах визначається такими факторами як стабільність характеристик твердості при максимальній температурі в областях контакту, пластичністю структури і її здатністю протистояти зниженню когезійної міцності в локальних зонах де відбувається тріщиноутворення. Виявлено появу фази нітриду Cr₂N у поверхневих шарах тертя хромових покриттів і показано, що його інактивність по відношенню до сталі і чавуну сприяє підвищенню зносостійкості.

Визначено, що рівень жаростійкості газотермічних покриттів визначає наявності плівок оксиду LaCrO₃ за рахунок підвищення концентрації лантану під час напилювання та впливу температури і розміром структурних складових. Доведено, що корозійні властивості покриття дещо вищі за компактний хром завдяки наявності на поверхні ламелей стабільної оксинітридної плівки яка, зумовлює відсутність області пасивації.

1. Уперше визначено, що зниження чутливості хрому до поверхневих дефектів залежить від структурного розміру зерен хрому і насичення його поверхні домішками проникнення, а це дає змогу виробам зі структурою зерна нижче 3 мкм витримувати багаточисельні згини-перегини без допоміжної поверхневої обробки. Встановлено, що для даного структурного стану сплавам на основі хрому властива схильність до надпластичності.

Уперше встановлено взаємозв’язок між характером руйнації сплавів на основі хрому та зміною їх механічних властивостей в області температур від 200 до 1700 К. Виявлено вплив швидкості деформування на характер руйнації хрому, що дозволило узагальнити схему руйнування хрому в області температур від 200 до 1700 К. На підставі встановлення оптимальних температурних і деформаційних інтервалів деформування малолегованих сплавів хрому вперше у світовій практиці отримано в промислових умовах пластичні пруток і труби (ТУ 1-809-121-84, ВІЛС м. Москва, Росія), пруток діаметром 4 мм (ТУ 4216-09-89, УзКТЖМ, м. Чирчик, Узбекистан), труби діаметром 54х4 мм (ТУ 14-3-1359-85, НДІТП, м. Дніпропетровськ), труби діаметром 6,4х0,4 мм (ТТІ 3-ТРТБ-2-235-84, НДІТП, м. Дніпропетровськ), які придатні для використання в технологіях вакуумного, газотермічного напилювання та електроіскрового легування. Розроблено нові режими надшвидкої електротермічної обробки та хімічної поліровки поверхні хрому, які увійшли до складу регламентів дослідно-промислових технологій отримання прутка та тонкостінних труб.

2. Уперше розроблено фізико-хімічні основи створення зносо,- жаростійких газотермічних покриттів на основі хрому, що базується на принципах стабільності властивостей покриттів до температур 1200 К, за рахунок вмісту до 3 % оксидо-карбідоутворюючих елементів і до 0,5 % лантану. Встановлено фактори які контролюють як властивості покриття зі сплавів на основі хрому, так і їх поведінку в умовах тертя, впливу тепла та агресивного середовища і обґрунтована можливість управління цими факторами для забезпечення одночасного підвищення захисних властивостей матеріалу, що покривається, - жаростійкості, зносостійкості та корозійної стійкості.

Встановлено взаємозв’язок між рівнем зносостійкості газотермічних покриттів на основі хрому в умовах тертя зі змащенням та стабільністю структури й фазового складу в областях контакту, підвищеним рівнем пластичності структурних складових (ламелей) і їх здатністю протистояти зниженню когезійної міцності в локальних зонах, де відбувається тріщиноутворення. На підставі цих досліджень сформульовані вимоги до фазового складу вихідного матеріалу і визначені різноманітні технології його нанесення, які забезпечують отримання необхідного структурного та фізико-хімічного стану покриття.

3. Встановлено механізми, що впливають на фізико-хімічні властивості газотермічних покриттів на основі хрому (твердість, пористість, когезійну й адгезійну міцність, пластичність, температуру крихко-пластичного переходу, коефіцієнт теплового розширення), а також обґрунтована можливість управління ними для отримання максимального рівня службових характеристик. Визначено, що зниження когезійної міцності газотермічних покриттів на основі гранульованих порошків відбувається за рахунок високої площини окиснених границь. Встановлено, що зміна хімічного складу в газотермічних покриттях на основі хрому відбувається через високу схильність його до випаровування та насичення елементами проникнення і зумовлюється технологією напилювання.

Уперше встановлено характер зв’язку між швидкістю, температурою, середовищем плазмового потоку під час напилювання з фазовим і хімічним складом покриття. Якщо для появи оксиду Cr₃О₄ потрібно лише охолодження зі швидкістю (10^{-3 о}/с і вище), то оксид СrО фіксується лише при надшвидкому охолодженні і температурі нагріву основної маси частинок при формуванні покриттів не вище 1400 К. Вперше за допомогою електронно-мікроскопічних досліджень вивчено структуру газотермічних покриттів на основі хрому. Вона складається з рівнобічних комірок, розмір яких коливається від 1 до 5 мкм із різним рівнем дефектності і включень другої фази залежно від температури і атмосфери в якій проводиться напилювання.

4. Уперше всебічно вивчено особливості впливу тертя на склад, структуроутворення а також визначено механізми самоорганізації у поверхневому шарі в парах тертя монокристал хрому–чавун та газотермічне покриттях на основі хрому–чавун. Встановлено, що головними механізмами локальної самоорганізації структури поверхневого шару під час контактної взаємодії є: а) структурний – локальне, поступове зменшення розміру комірчастої структури з 1–5 мкм до 20–100 нм з поширенням цього процесу на глибину до 10 мкм; б) насичення поверхневої структури киснем з 5–6 до 20–26 % на глибину до 3 мкм; в) тріщиноутворення в локальних місцях поверхневого шару, після вичерпування процесу пластичної деформації; г) поява нітридів хрому в поверхневому шарі тертя завтовшки до 3 мкм, що зменшує інтенсивність адгезійної взаємодії з матеріалом контртіла і поліпшує зносостійкість.

5. Визначено, що оптимальною технологією яка забезпечує високі характеристики зносостійкості. є газополуменеве або електродугове розпилювання дроту, яке дозволяє отримувати покриття з максимальним рівнем пластичності і структуру з розміром ламелей понад 20 мкм. Запропоновано показник рівня відносної пластичності покриття для відображення його спроможності до релаксації напруг під час циклічних навантажень, що сприяє підвищенню зносостійкості.

6. Встановлено, що рівень жаростійкості визначається розміром структурних складових окисної плівки та наявністю плівок оксиду LaCrO₃ за рахунок збільшення концентрації лантану з 0,1–0,5 до 5–10 % на поверхні покриття під час напилювання і впливу робочої температури. Характеристики жаростійкості газотермічних покриттів на основі легованих сплавів хрому не залежать від технології їх отримання і при оптимальному легуванні досягають значень » 0,01 мг/(см²год.) при 1300 К.

7. Доведено, що корозійні властивості покриття дещо вищі за компактний хром завдяки наявності на поверхні ламелей стабільної оксинітридної плівки яка, зумовлює відсутність області пасивації. Захисні властивості покриття залежать від розміру вихідного порошку і їх кінетичної енергії при формуванні покриття і можуть змінюватися у 200 разів.

8. Проведено стендові порівняльні дослідження зносостійкості пар тертя - хромове газополуменеве і гальванічне покриття–чавун під час впливу температури 473 К, тиску 1-6 МПа, швидкостей 1-14 м/с в умовах граничного змащування на характеристики. Визначено перевагу газотермічних хромових покриттів перед гальванічними в умовах роботи пари тертя при навантаженнях більше 2 МПа і швидкості вище 3 м/с завдяки структурній стабільності і підвищеній пластичності. Стендові іспити підтвердили, що в умовах форсованої роботи ДВЗ потужністю 8000 кВт, 900 об/хв, при витраті мастила 1,2 г/(кВт. год.), застосування хромових газополуменевих покриттів на поршневих кільцях дало змогу підвищити ресурс їх роботи у вище означених умовах до 10-12 тис. мотогодин порівняно з 5-6 тис. для гальванічних хромових та молібденових електродугових покриттів.

9. Встановлено основні закономірності формування структури, фазового складу, механічних та триботехнічних властивостей одно- та багатошарованих їонно-плазмових покриттів на основі нітридів хрому та титану. Показано, що підвищення твердості з 14 до 28 ГПа при зростанні кількості шарів з 2 до 24 зумовлено як зниженням розміру структурних складових шарів покриттів, так і внеском міжфазних меж. Встановлено, що поліпшення характеристик зносостійкості для таких покриттів обумовлено відсутністю локального зміцнення, насичення поверхні елементами проникнення, значним зниженням рівня адгезійного схвачування і масопереносу. Їм властивий безкисневий механізм зношування. Ці покриття перспективні для зміцнення поверхневої кромки ріжучого інструменту.

10. Виявлено наявність двох шарів по товщині зміцненої поверхні сталі та чавуну методом електроіскрового легування хромом, які відрізняються різним фазовим складом, але не мають різкої межі між собою. Встановлено рівень зміцнення та глибину насичення поверхні сталі та чавуну хромом і показано, що головним фактором зміцнення поверхневого шару матеріалів під час електроіскрового легування хромом є наявність карбідів Cr₂₃C₆ і Cr₇C₃ й підвищення щільності дефектів в результаті термічних ударів.

Публікації автора:

Основні положення дисертації викладені у таких роботах:

1. Горбань В.Ф., Сычев В.В. Взаимосвязь структуры и износостойкости газотермических покрытий на основе хрома // Трение и износ. – 1994. – 15, №6. – С. 1014–1021. Здобувачем визначено технології напилювання які формують оптимальні фізико-механічні властивості покриття для забезпечення максимальної зносостійкісті.

2. Горбань В.Ф., Бритун В.Ф., Косско И.Л. Исследование влияния контактного взаимодействия трущихся пар на структуру и фазовый состав покрытий // Порошк. металлургия. - 1995. - №5/6. - С. 80-85. Здобувачем визначено границі розповсюдження деформаційних процесів та насичення киснем поверхневого шару під час фрикційного контакту.

3. Горбань В.Ф., Бега Н.Д., Саржан Г.Ф. Исследование кинетики развития пластической деформации и упрочнения приповерхностных слоев трения // Металлофизика и новейшая технология. – 1994. – 16, №11. – С. 35–41. Здобувачем встановлена неоднорідність процесу деформації під час тертя та визначено вклад когезійної міцності в процес руйнування поверхневого шару.

4. Горбань В.Ф., Панарина Н.И., Ракицкий А.Н. Жаростойкость газотермических покрытий на основе хрома // Защита металлов. – 1994. – 30, №6. – С. 596–598. Здобувачем встановлено вплив температури на фазовий склад і властивості оксидної плівки.

5. Горбань В.Ф. Жаростойкость углеродистой стали с нанесенным газотермическим покрытием на основе хрома // Защита металлов. – 1996. – 32, №3. – С. 335–336.

6. Горбань В.Ф. Исследование структурных превращений в напыленном слое хромовых покрытий при трении // Трение и износ. – 1996. – 17, №6. – С. 810–815.

7. Горбань В.Ф. Закономірність формування структури поверхневих шарів хромових газотермічних покриттів за умов напилювання та випробування на тертя // Металознавство та обробка металів. – 1999. – № 4. – С. 34–38.

8. Горбань В.Ф. Взаимосвязь пластичности материала покрытий на основе хрома с характеристиками износостойкости // Электронная микроскопия и прочность металлов. – Киев: ИПМ НАН Украины, 1999. – С. 25–37

9. Горбань В.Ф. Повышение жаро- и износостойкости деталей способом газотермического напыления покрытий из сплавов на основе хрома // Автомат. сварка. – 2000. –№ 2. – С. 27–33.

10. Горбань В.Ф., Сычев В.В. Сравнительные характеристики изнашивания хромовых гальванических и газотермических покрытий // Трение и износ. – 1997. – 18, № 1. – С. 125–128. Здобувачем встановлено механізми які сприяють зносостійкості газотермічних покриттів на основі хрому.

11. Горбань В.Ф. О некоторых особенностях разрушения хрома // Электронная микроскопия и прочность материаллов. – Киев: ИПМ НАН Украины, 1998. – С. 68–76.

12. Щербакова Л. А., Горбань В.Ф. Защитные газотермические покрытия из сплавов на основе хрома // Защита металлов. 1998. – 34, №4, – С. 396-397. Здобувачем запропонована ідея досліджень й на підставі отриманих експериментальних даних визначено механізми які сприяють корозійної стійкості газотермічних покриттів на основі хрому.

13. Ракицкий А.Н., Турцевич Е.В., Рогуль Т.Г., Горбань В.Ф., Захаренко Н.И., Самелюк А.В., Бритун В.Ф. Структура и фазовый состав газотермических покрытий из малолегированных сплавов хрома // Порошк. металлургия. - 1987. - №11. - С. 51-55. Здобувачем виготовлено вихідний матеріал й проведено вивчення структури і твердості покриттів.

14. Хуторский А.Л., Турцевич Е.В., Бега Н.Д., Ракицкий А.Н., Горбань В.Ф., Шмаль С.Н. Особенности накопления микронапряжений в деформированном хроме // Пробл. прочности. – 1991. –№ 7. – С. 69–75. Здобувачем виготовлено вихідний матеріал й проведено термомеханічну обробку, вивчення структури і механічних властивостей деформованого хрому.

15. Турцевич Е.В., Ракицкий А.Н., Рогуль Т.Г., Н.И. Захаренко, В.Е. Марушко, Горбань В.Ф. В.А. Сагайдак. Структура осажденного хрома при магнетронном распылении // Порошк. металлургия. - 1992. - N2. - С. 56-63. Здобувачем виготовлено вихідний матеріал й проведено вивчення впливу технологічних факторів на структури і твердості покриттів.

16. Бега Н.Д., Горбань В.Ф., Кириленко С.Н., Панарина Н.И., Паустовский А.В., Ракицкий А.Н., Хачикян В.Э. Электроискровые покрытия из сплавов на основе хрома // Порошк. металлургия. - 1994. - №7/8. - С. 85-89. Здобувачем виготовлено вихідний матеріал й визначено механізми впливу технологічних факторів на твердості і службові властивості покриттів.

17. Горбань В.Ф., Бега Н.Д., Бритун В.Ф. Сычов В.В., Бродниковский Н.П. Структурные особенности хромовых газотермических покрытий // Электронная микроскопия и прочность металлов – Киев, ИПМ НАН Украины, 1994. – С. 25–37. Здобувачем запропонована ідея досліджень й на підставі отриманих експериментальних даних визначено вплив вплив технології напилювання на структурні особливості покриттів.

18. Бродниковский Н.А., Шевченко А.И., Писаренко В.А., Горбань В.Ф. Методика контроля адгезии износостойких хромовых покрытий с помощью ультразвука // Техн. диагностика и неразрушающий контроль. - 1995. - №4. - С. 50-54. . Здобувачем визначено механізми впливу технології напилювання на рівень адгезійної міцності покриттів.

19. Gorban V., Bega N., Sarzhan G. Study of plastic deformation and hardening in friction surfase layers // Phus. Metals.(Overseas publishers Assosstion) – 1995 – 14, № 11. – P. 1211–1218. Здобувачем на підставі отриманих експериментальних даних встановлено процеси, що відбуваються у поверхневому шарі покриття під час фрикційного контакту.

20. Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Новомлинец О.А., Горбань В.Ф. Диффузионная сварка в вакууме хрома с медью // Автомат. сварка. – 2002. –№ 7. – С. 41–42. Здобувачем розроблена ідея досліджень, виконані експериментальні дослідження і узагальнені їх результати.

Збірники наукових праць

21. Трефилов В.И., Ракицкий А.Н., Горбань В.Ф., Золотогоров М.Г., Капитанский В.М., Протасов Г.А., Подсыпанин М.Л. Разработка хромовых особоизносостойких газотермических покрытий на поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания. // Конструкционные сплавы хрома. – Киев: Наук. думка, 1986. – С. 66–72.

Здобувачем досліджено вплив технології напилювання на характеристики покриттів і узагальнені результати.

22. Богомазов В.А., Горбань В.Ф., Изотов В.М., Тарасов К.К. Влияние режимов химической полировки на пластичность сплавов хрома // Исследование тугоплавких материалов. – М: Металлургия, ВНИИТС, 1986. – С. 102–106. Здобувачем визначено вплив хімічної обробки на характеристики пластичності і узагальнені їх результати.

23. Горбань В.Ф. Исследование деформируемости сплава ВХ-2К при различных методах обработки // Конструкционные сплавы хрома, Технология – Киев, Наук. думка, 1988. – С. 31–39.

24. Горбань В.Ф., Скорочкин В.И., Разуваев Е.И, Ракицкий А.Н., Трефилов В.И.. Получение полуфабрикатов сплава ВХ-2К со сверхмелким зерном и его свойства // Конструкционные сплавы хрома, Металлургия. – Киев: Наук. Думка, 1988. – С. 15–19. Здобувачем досліджені механічні характеритики хрому з надмілким зерном і візначені його особливості.

25. Трефилов В.И. Зеленский В.Ф., Ашихмин В.П., Красноруцкий В.С., Ракицкий А.Н., Павлов В.С., Писаренко В.А., Роговой Ю.И., Турцевич Е.В., Горбань В.Ф.,: Разработка и испытания технологии дисперсионного горючего // Труды Междунар. конф. «Радиационное материаловедение»– том 8 - Харьков: ХФТИ. – 1991. – С.103–111. ). Здобувачем досліджено вплив технології вакуумного напилювання на властивості хромових покриттів і оптимізовані параметри компактування дисперсійного палива..

Тезах доповідей

26. Горбань В.Ф. О некоторых особенностях разрушения хрома // Труды Респ.конф. «Физика разрушения» – Киев: ИПМ АН України. – 1985. – С. 92–94.

27. Горбань В.Ф., Горячев К.А., Циулин С.В., Туранин И.В. Прокатка сплавов хрома в многовалковых калибрах // Труды Всесоюз. конф. “Новые технологии процесса прокатки”– Челябинск: ЧПИ. – 1989. – С. 175–176. Здобувачем вивчено вплив ступеня і температури деформування на механічні властивості деформованого хрому.

28. Горбань В.Ф. Газотермические покрытия на основе пластичных сплавов хрома // Труды Междунар. конф. “Технология ремонта машин и механизмов” – Киев: Знание. – 1998. – С. 31-36

29. Горбань В.Ф., Андреев С.А., Сычов В.В. Свойства многослойных покрытий нитрид хрома-нитрид титана // Труды семинара с Междунар. Участием “Разработка, производство и применение инструментальных сталей и сплавов” – Киев: ИПМ. – 1998. – С. 65. Здобувачем запропонована ідея досліджень, проведено вивчення структури й твердості покриттів і на підставі отриманих експериментальних даних визначено вплив вплив технології напилювання на трибологічні характеристики покриттів.

30. Gorban V.F. Gas-thermal chromium-based coatings an alternative to galvanic chromizin // Труды Междунар. конф. «Перспективные материалы» – Киев: ИПМ. – 1999. – С. 83.

31. Gorban V., Brodnikovski N., Grinkevych K. Temperature relation of the characteristics of chromium-based coatings // Труды Междунар. конф. “Materials and Coating for Extreme enviponwents” – Grimca, Ukraine. – 2000 – P.296. Здобувачем запропонована ідея досліджень і на підставі отриманих експериментальних даних визначено оптимальні фізико-механічні властивості покриття для забезпечення максимальної зносостійкісті.

32. Gorban V . Structure and properties of composite coatings the nitride CrN and TiN // Труды Междунар. конф. “Materials and Coating for Extreme enviponwents” – 16-20 September, Katsiveli-town, Grimca, Ukraine. – 2002 – P.495-496.

33. Gorban V, Petrov S., Grechiskin E. Structure and properties of coatings from the chromium-based alloys obtained at supersonic plasma speed // Труды Междунар. конф."Science for Materials in the Frontier of Centuries Advantages and Challenger" – 4-8 November, Київ, Ukraine –2002– с. 260-261. Здобувачем запропонована ідея досліджень і на підставі отриманих експериментальних даних визначено технології напилювання які формують оптимальні фізико-механічні властивості покриття для забезпечення максимальної зносостійкісті.