Методика определения работы разрушения многоэлементных покрытий

Список литературы

1. Шлямнев А. П. [и др.]. Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: справочник. М.: Проммет-сплав, 2008. 336 с.

2. Наплавочные материалы стран-членов СЭВ. Каталог. Киев; Москва: ВИНИТИ, 1979. 619 с.

3. Степин В. С., Старченко Е. Г. [и др.]. Современные наплавочные материалы для уплотнительных поверхностей арматуры АЭС и ТЭС // Арматуростроение. 2006. № 2. С. 55-56.

4. Юзвенко Ю. А., Кирелюк Г. А. Наплавка порошковой проволокой. М.: Машиностроение, 1975. 45 с.

5. Лякишев Н. П., Плипер Ю. Л., Лаппо С. И. Боросодержащие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1986. 192 с.

6. Артемьев А. А., Соколов Г. Н., Дубцов Ю. Н., Лысак В. И. Формирование композиционной структуры износостойкого наплавленного металла с боридным упрочнением // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. № 2. С. 44-48.

7. Eremin E. N. Using boride compounds in flux-cored wires for depositing maraging steel // Welding International. 2013, Vol. 27, no 2. P. 144-146.

8. Yeremin Ye. N., Losev A. S. Mechanical properties and thermal stability of a maraging steel with borides, deposited with a flux-cored wire // Welding International. 2014. Vol. 28, no. 6. P. 465-468.

9. Zhong L., Xiang C., Yan-xiang L., Kai-hua H. High boron iron-based alloy and its modification // J. of Iron and Steel Research, International. 2009. V. 16, no. 3. P. 37-42.

10. Raghavan V. B - Cr - Fe - Ti (Boron - Chromium - Iron - Titanium) // Journal of Phase Equlibria. 2003. V. 24, no. 5. P. 459-460.

11. Данькин А. А., Светлополянский В. И., Каледа В. Н. Электрошлаковая наплавка карбидов бора и кремния на стальные изделия // Сварочное производство. 1993. № 2. С. 8-10.

12. Шеенко И. Н., Гапонов О. П. Применение карбоборидных соединений в наплавочных материалах // Сварочное производство. 1969. № 5. С. 27-28.

УДК 620.178.1:539.533

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ РАЗРУШЕНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Е. Н. Еремин1, В. М. Юров2, С. А. Гученко2, В. Ч. Лауринас2

'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова, г. Караганда, Казахстан

БОГ: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-185-188

Аннотация - Предлагается экспериментально определять работу разрушения покрытия по их поверхностному натяжению. Поверхностное натяжение покрытия определяется по размерной зависимости его микротвердости. Сравнение работ разрушения многоэлементных покрытий с нитридными покрытиями показывает, что использование многоэлементных покрытий весьма перспективно для машиностроения.

Ключевые слова: поверхностное натяжение, покрытие, микротвердость, работа разрушения покрытия.

I. Введение

Уже в середине прошлого века стало ясно, что необходимо идти не по пути создания дорогих специальных сплавов для нужд многих отраслей промышленности, а разрабатывать технологии нанесения покрытий на уже известные стали и сплавы, которые обладали бы нужными технологическими свойствами. Это связано с тем, что 90% деталей механизмов и машин выходит из строя из-за поверхностного износа.

Появился большой поток публикаций на эту тему, из которых мы отметим лишь работы [1-6], где приведена более обширная библиография.

В последние годы получила развитие концепция высокоэнтропийных или многоэлементных сплавов и покрытий на их основе [7-11].

Стабильность структуры и состава, а также высокие эксплуатационные характеристики высокоэнтропийных систем создают весьма привлекательную возможность формирования на их основе покрытий с целью совершенствования характеристик поверхности или применения их в качестве защитных пленок, препятствующих попаданию вредных примесей в приповерхностные слои.

II. Постановка задачи

Поверхностный износ деталей машин относится к поверхностным явлениям и является предметом многочисленных исследований. Эти исследования привели к появлению нового направления в материаловедении -инженерии поверхности [12].

Большинство существующих методов оценки разрушения и износа материалов, включая и покрытия, основаны либо на большом количестве статистических экспериментальных данных [13], либо на сложных математических расчетах [14].

Поэтому простая количественная оценка энергии разрушения покрытий будет весьма полезна для отработки технологии их нанесения.

III. Теория

Работа, необходимая для разрушения покрытия, равна:

W = а- S,

где с - поверхностное натяжение покрытия, S - площадь покрытия.

Способ экспериментального определения поверхностного натяжения покрытий предложен нами в работе [15]. Зависимость микротвердости осаждаемого покрытия от его толщины описывается формулой:

М = Мо -I 1 -

где д - микротвердость осаждаемого покрытия; д0 - микротвердость «толстого» образца; h - толщина осаждаемого покрытия.

Параметр d связан с поверхностным натяжением с формулой:

2ои

d = -

RT

Здесь с - поверхностное натяжение массивного образца; и - объем одного моля; Я - газовая постоянная; Т -температура.

В координатах д ~ 1/Ь (1/Ь - обратная толщина осаждаемого покрытия), получается прямая, тангенс угла наклона. который определяет ^ и по формуле (3) рассчитывается поверхностное натяжение осаждаемого покрытия (с).

В качестве примера рассмотрим определение поверхностного натяжения нитрид титановых упрочняющих покрытий на сталь. Результаты показаны на рис. 1. В координатах д/д, ~ экспериментальная кривая спрямляется в соответствии с (2), давая значение И = 1,3 мкм. Для нитрида титана объемом одного моля и = 11,44 см3/моль и из соотношения (3) для поверхностного натяжения получено: с = 0,474 Дж/м2.

а Ь

Рис. 1. Зависимость микротвердости от толщины (а) и обратной толщины (Ь) нитрид титанового покрытия на стали Х12

IV. Результаты экспериментов Для нанесения покрытий одновременно использовались композиционные катоды и катоды из стали марки 12Х18Н10Т. С помощью этих катодов наносились покрытия на установке ННВ - 6.6.И1 на стальную подложку из стали Х12 в газовой среде аргона в течение 40 мин при токе дуги 1и = 80 А, опорном напряжении иоп = 200 В и давлении газа в камере Р = 5*10-3 мм рт. ст.

Поверхностное натяжение покрытий определялось по методике, описанной выше. Работа разрушения покрытия площадью 1 м2 вычислялась по формуле (1). Результаты эксперимента приведены в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1

РАБОТА РАЗРУШЕНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ В СРЕДЕ АРГОНА

Покрытие W, Дж Покрытие W, Дж

12X18H10T+Zr 0,95 12X18H10T+Zn-Al 1,08

12X18H10T+Zn-Cu-Al 1,07 12X18H10T+Al 1,12

12X18H10T+Fe-Al 1,27 12X18H10T+Cu 1,42

V. Обсуждение результатов Сравним полученные результаты с нитридными покрытиями, которые широко используются в различных областях техники. Результаты показаны в табл. 2.

ТАБЛИЦА2

РАБОТА РАЗРУШЕНИЯ НИТРИДНЫХ ПОКРЫТИЙ

Нитрид W, Дж Нитрид W, Дж

TiN 0,474 NbN 0,670

ZrN 0,518 TaN 0,735

HfN 0,610

Сравнение табл. 1 и 2 показывает, что разрушить многоэлементное покрытие значительно труднее, чем покрытие из нитридов металлов.

Высокоэнтропийные сплавы и покрытия имеют, как правило, однофазную структуру [13]. В этом случае работу по разрушению покрытий можно оценить, не используя экспериментальное значение поверхностного натяжения, по формуле [16]:

а = 0,7 • {Х{Гт1 + Х2Тт2 + • • • + ХпТтп),

где Tm - температура плавления i-го компонента покрытия. Xi - процентное содержание i-го компонента.

VI. Выводы и заключение

Представленные в работе результаты показывают, что работу разрушения покрытия экспериментально можно оценить по его поверхностному натяжению. Зная состав покрытия и температуру плавления его компонент работу разрушения можно оценить также по формуле (4). Резюмируя, можно сказать, что высокоэнтропийные покрытия должны обладать высокими эксплуатационными характеристиками.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-19-01224.

Список литературы

1. Polcar T., Parreira N. M. G., Novak R. Friction and wear behaviour of CrN coating at temperatures up to 500 °C // Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 201. P. 5228-5234.

2. Choi E. Y., Kang M. C., Kwon D. H., Shin D. W., Kim K. H. Comparative studies on microstructure and mechanical properties of CrN, Cr-C-N and Cr-Mo-N coatings // J. Mater. Process. Tech. Technol. 2007. Vol. 187-188. P. 566-572.

3. Silva P. N., Dias J. P., Cavaleiro A. Tribological behaviour of W-Ti-N sputtered thin films // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 200. P. 186-191.

4. Cozza R. C. A study on friction coefficient and wear coefficient of coated systems submitted to micro-scale abrasion tests // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 215. P. 224-233.

5. Sundberg J., Nyberg H., Sarhammar E. et.al. Influence of composition, structure and testing atmosphere on the tribological performance of W-S-N coatings // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 258. P. 86-94.

6. Lemm J. D., Warmuth A. R., Pearson S. R., Shipway P. H. The influence of surface hardness on the fretting wear of steel pairs-Its role in debris retention in the contact // Tribology International. 2015. Vol.81. P. 258-266.

7. Otto F., Yang Y., Bei H., George E. P. Relative effects of enthalpy and entropy on the phase stability of equiatomic high-entropy alloys // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. P. 2628-2638.

8. Tsai M. H., Yeh J. W. High-entropy alloys: a critical review // Mater. Res. Lett. 2014. Vol. 2. P. 107-123.

9. Schuh B., Mendez-Martin F., Vulker B. et. al. Mechanical properties, microstructure and thermal stability of a nanocrystalline CoCrFeMnNi high-entropy alloy after severe plastic deformation // Acta Materialia. 2015. Vol. 96. P. 258-268.

10. Погребняк А. Д., Багдасарян А. А., Якущенко И. В., Береснев В. М. Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и нитридных покрытий на их основе // Успехи химии. 2014. Т. 83, № 11. С. 1027-1061.

11. Комаров Ф. Ф., Погребняк А. Д., Константинов С. В. Радиационная стойкость высокоэнтропийных на-ноструктурированных покрытий (Ti, Hf, Zr, V, Nb)N // Журнал технической физики. 2015. Т. 85, Вып. 10. С. 106-111.

12. Сидоренко С. И., Пащенко В. Н., Кузнецов В. Д. Материаловедческие основы инженерии поверхности. Киев: Наукова думка, 2001. 230 с.

13. Гун Г. С., Чукин М. В. Оптимизация процессов технологического и эксплуатационного деформирования изделий с покрытиями. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2006. 324 с.

14. Ботвина Л. Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности. М.: Наука, 2008. 334 с.

15. Юров В. М., Лауринас В. Ч., Гученко С. А., Завацкая О. Н. Поверхностное натяжение упрочняющих покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 1. С. 33-36.

16. Yurov V. M. Superficial tension of pure metals // Eurasian Physical Technical journal. 2011. Vol. 8, no 1 (15). P. 10-14.

УДК 621.891:678.7

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПТФЭ-НАНОКОМПОЗИТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ СТРУКТУРНОЙ МОДИФИКАЦИИ

Ю. К. Машков1, А. С. Рубан2, Е. А. Рогачев1, О. В. Чемисенко1

1 Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия

БОГ: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-188-193

Аннотация - Условия применения полимерных материалов, в том числе содержащих в качестве модификаторов нанокомпоненты, значительно влияют на требования к их физико-механическим и трибо-техническим свойствам. Однако механизмы влияния наночастиц на триботехнические свойства полимеров изучены недостаточно. Целью работы является анализ результатов исследований политетрафторэтилена, модифицированного скрытокристаллически графитом и диоксидом кремния, и определение эффективности применяемых методов модификации и способов дальнейшего улучшения механических и триботехнических свойств наполненного ПТФЭ. Методами РЭМ проведен анализ влияния модификаторов на надмолекулярную структуру ПКМ. Рассматриваются результаты модифицирования поверхности образцов ПКМ путем нанесения медной пленки методами ионно-вакуумного напыления и изменения структурно-фазового состава и триботехнических характеристик. Полученные результаты позволяют охарактеризовать физико-химические процессы, протекающие в условиях фрикционного взаимодействия в металлополимерных трибосистемах.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, структурная модификация, надмолекулярная структура, скорость изнашивания, износостойкость.

I. Введение

Теоретические и экспериментальные результаты исследований, связанных с влиянием модифицирования полимерных материалов металлополимерных трибосистем на триботехнические свойства полимерных компо-