Повышение износостойкости композиционных инструментальных материалов комбинированной ионно-лучевой обработкой

ЛИТЕРАТУРА

1. Вигдергауэ М.С. Качественный хроматографический анализ. М. Химия, 1978.244 с.

2. Below Е., Burmann М. // Liquid Chromatogr. -1994, v. 17, N20, р.4134-4144.

3. Топчий В.А., Дворкин П.Л. // Новые информационные технологии в университетском образовании. Новосибирск, 1997.-С.31-35.

4. Столяров Б.В., Савинов ИМ, Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии.

А. А. ГЛАДЕНКО, К. Н. ПОЛЕЩЕНКО', H.A. ПРОКУДИНА

Омский государственный технический университет 'Омский государственный университет

УДК 669.14.018.25

Введение. К настоящему времени получены многочисленные положительные результаты применения пучков заряженных частиц различной интенсивности, позволяющих целенаправленно изменять свойства конструкционных и инструментальных материалов [1-3].

Эффекты модифицирования при этом обусловлены изменением структуры, фазового и элементного состава приповерхностного слоя в результате физико-химических процессов термического, термомеханического и диффузионного характера.

К методам модификации структуры и свойств материалов следует отнести следующие виды радиационно-энер-гетической обработки:

- методы ионно-лучевой и электронно-лучевой обработки

- методы комбинированного ионно-лучевого воздействия;

- методы комплексного ионно-лучевого воздействия.

Повышение эксплуатационных свойств материалов

при ионной имплантации достигается легированием приповерхностных слоев, изменением элементного и фазового состава, а также вследствие радиационно-стимули-рованных превращений.[4]

Модификация свойств материалов сильноточными импульсными ионными пучками обусловлена физико-химическими процессами термического, термомеханического и диффузионного характера [5,6]. При этом физические явления, инициируемые высокоинтенсивным импульсно-пучковым воздействием, определяются энергетическими параметрами ионного пучка, вариации которых позволяют формировать широкий спектр метастабильных структурно-фазовых состояний, способствующих повышению эксплуатационных свойств конструкционных и инструментальных материалов.

Данные методы хорошо зарекомендовали себя для обработки конструкционных материалов. Однако для инструментальных материалов, работающих в условиях, ха-

Л.: Химия, 1988. С.179.

5. Вершинин В.И., Топчий В.А. //Ж.аналит.химии. 1989. Т. 44. №6. С.1085-1093.

ТОПЧИЙ Валентин Алексеевич -докт.физ.-мат.наук, профессор кафедры матанализа ОмГУ, завлабораторией ОФИМСОРАН.

ВЕРШИНИН Вячеслав Исаакович - докт.хим.наук, профессор, завкафедрой аналитической химии и химии нефти ОмГУ.

растеризующихся высокими температурами и нагрузками, добиться такого же эффекта в повышении износостойкости не удается.

Технологические возможности конструирования требуемого фазового и элементного состава инструментальных материалов могут быть расширены путем разработки способов комбинированного и комплексного радиационно-энергетического воздействия.

Комбинированное модифицирование, основанное на последовательном облучении материала ионными пучками различного состава представляет собой:

- многократную обработку слаботочными ионными пучками путем последовательной вариации их химического состава;

- имплантацию ионов требуемого состава до (либо после) облучения материала мощным ионным пучком.

В случае комбинированного облучения на основе ионной имплантации структурно-фазовые изменения в поверхностном слое обусловлены повышением вероятности образования твердых растворов-замещения и увеличением глубины проникновения легирующей примеси.

Комплексное радиационно-энергетическое воздействие предполагает проведение (последующей после облучения) термической обработки для снижения напряжений, характеризующих воздействие сильноточных пучков.

Цель данной работы - оценить эффективность применения комбинированной радиационно-энергетической обработки в последовательности МИП+НПИ как технологического способа повышения износостойкости инструментальных твердых сплавов.

Методика эксперимента. В качестве объектов исследования использовали неперетачиваемые режущие пластины сплава Т15К6 (TIC-15%, WC-79%, Со-6%). Образцы предварительно облучались на ускорителе "Темп" мощным ионным пучком (70%С*+30%Н\ Е=300 кэВ, j=50-150 А/см2, п=1). Последующую имплантацию осуществляли на установке "Композит" непрерывным газоме-таплическим пучком Zr*-Ar*(E=30K3B, D=5*1017 ион/см2).

Исследование износостойкости модифицированных твердых сплавов проводилось при чистовом точении

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

КОМПОЗИЦИОННЫХ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

КОМБИНИРОВАННОЙ

ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКОЙ

ИЗЛОЖЕНЫ МЕТОДЫ КОМБИНИРОВАННОЙ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛАБОТОЧНЫХ И СИЛЬНОТОЧНЫХ ПУЧКОВ. ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕНЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РЕЗАНИИ. ПОКАЗАНО, ЧТО ПРЕДЛОЖЕННЫЙ МЕТОД МОДИФИКАЦИИ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХАБРАЗИВНОГО, АДГЕЗИОННОГО И ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ИЗНАШИВАНИЯ.

штамповой стали 4Х4ВМФС (С-(0.37-0.44)%,81-(0.6-1.0)%,Мп-(0.2-0.5)%,Сг-(3.2-4.0)%.\Л/-(0.8-1.2)%, Мо-(1.2-1.5)%,\/-(0.6-0.9)%) в широких диапазонах скоростей (N/=50-300 м/мин). Режимы резания определялись следующими значениями: подача 8=0.14 об/мм, глубина резания 1=1.5 мм. В процессе испытания контролировался линейный размер фаски износа по задней поверхности Иь. В качестве вариантов для сравнения использовались режущие пластины в состоянии поставки, модифицированные либо мощным ионным пучком, либо слаботочным непрерывным ионным пучком.

Результаты и обсуждение. Впервые идея комбинированного воздействия в данной последовательности была высказана д.т.н., проф. Г.Е. Ремневым. Томскими учеными была проведена модификация широкого класса инструментальных и конструкционных материалов. Однако полученные результаты не рассматривались сточки зрения повышения износостойкости. [7]

Известно, что под действием мощных ионных пучков наносекундной длительности в материале в результате торможения ионов происходит интенсивный нагрев поверхности с последующим быстрым охлаждением за счет высокой теплопроводности материала. Это приводит к существенному изменению поверхности, что выражается в образовании и развитии зеренных конгломератов, образовании на поверхности микрократеров, гомогенизации поверхности. Помимо этого происходит формирование новых фаз, обусловленных физико-химическим взаимодействием карбида и кобальта в области межфазных границ: в результате диффузии атомов через дефектную границу часть их захватывается дефектами границы, способствуя ее упрочнению за счет создания пограничного слоя с прочно связанными атомами (происходит растворение \Л/,С и насыщение связки). В целом физико-химические процессы, проходящие на межфазных границах и вызванные радиационно-энергетическим воздействием, имеют важное значение для прочностных характеристик материала. Впервые эта особенность для твердых сплавов была отмечена С.Н. Поворознюком. [5]

При облучении МИП в приповерхностных слоях сплава образуются интерметаллидные соединения, которые способствуют повышению твердости, но, с другой стороны, снижают пластичность, что при определенных условиях приводит к повышению интенсивности адгезионного износа.

В результате воздействия МИП наблюдается значительное увеличение степени дефектности карбидной и кобальтовой фаз:

- возрастают искажения кристаллических ячеек фазовых составляющих;

V

гпш

Рис.1. Кинетические зависимости изнашивания модифицированных режущих инструментов из твердого сплава Т15К6 при чистовом точении штамповой стали 4Х4ВМФС: 7-необлученный образец; 2-облученный ионным пучком ¿Г-Аг*; 3- облученный ионным пучком П*^*; 4- облученный МИП (¡=150 А/смг); 5-облученный МИП (¡=150 А/ см2) с последующей имплантацией 2Г-АГ(0=3*1017 ион/см2).

- увеличивается плотность дислокаций, что приводит к возрастанию упругой энергии карбидных зерен;

• увеличиваются сжимающие напряжения в карбидах, что препятствует выходу микротрещин на поверхность, тем самым увеличивается сопротивляемость хрупкому разрушению в процессе изнашивания.

Данные аспекты были подробно изучены для твердого сплава ВК8 [6].

Таким образом, можно говорить, что облучение мощным ионным пучком характеризуется большой глубиной воздействия и сопровождается аморфизацией поверхности. Однако использование для модификации твердых сплавов МИП не позволяет сформировать такое количество соединений, обладающих хорошими диссипативными свойствами, которое необходимо для более существенного повышения износостойкости модифицированных образцов.

Данную проблему позволяет решить последующее применение ионной имплантации.

Выбор для имплантации комбинации ионов 2г*-Аг обусловлен теоретической и практической возможностью создания твердых растворов замещения и значительной карбидо - и оксидообразующей способностью этого металла, благодаря чему помимо образования твердых растворов возможен синтез соответствующих твердых и тугоплавких фаз. Для известного состава твёрдого сплава на основе анализа диаграммы состояния и растворимости карбидов переходных металлов можно прогнозировать синтез новых соединений в результате ионной имплантации. Образование карбидных и оксидных фаз происходит в результате взаимодействия имплантанта с примесными атомами основы.

Комбинированная модификация способствуют также проникновению легирующей примеси на большую глубину (до 0.55 мкм) и позволяет осуществить "залечивание" поверхностных дефектов, инициированных воздействием мощного ионного пучка, изменить адгезионные свойства модифицированных поверхностей. Такой режим обработки способствует стабилизации физико-механических свойств инструментальных материалов.

На рис. 1 приведены результаты исследования износостойкости инструментальных твердых сплавов, модифицированных различными методами комбинированной ион-но-лучевой обработки. Результаты проведенных исследований показывают, что при различных видах ионно-луче-вого воздействия наблюдается снижение в различной степени интенсивности изнашивания по сравнению с немоди-фицированными образцами .Это подтверждается изучением контактных поверхностей, которые характеризуются меньшим количеством и размером адгезионных выры-вов. Основными отличиями в кинетике изнашивания модифицированного материала являются меньшая интенсивность изнашивания на участке приработки и стабильное изнашивание без сколов и выкрашиваний режущей кромки на этапе установившегося изнашивания.

Износостойкость облученного инструмента была выше во всем скоростном диапазоне. При этом увеличение стойкости тем больше, чем выше скорость резания, что свидетельствует о значительном сопротивлении модифицированных поверхностей адгезионному и диффузионному изнашиванию. Присутствие в приповерхностных слоях твердого сплава оксидных фаз, являющихся термодинамически устойчивыми структурами [8], приводит к снижению адгезионной активности поверхностных слоев в условиях высокотемпературного контакта и благоприятствует формированию вторичных структур, обладающих высокими диссипативными свойствами, о чем свидетельствует меньшая интенсивность изнашивания на

участке установившегося износа

Выводы. Проведенные исследования показывают, что комбинированная ионно-лучевая обработка обеспечивает повышение изностойкости инструментальных твердых сплавов при резании. Основными причинами повышения эксплуатационных свойств инструментальных материалов, подвергнутых комбинированной ионно-лучевой обработке, является образование твердых растворов замещения, а также легирование более глубоких слоев, гомогенизация структуры поверхности.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что предлагаемый способ модифицирования поверхности при соответствующем выборе режима облучения целесообразно использовать для повышения эксплуатационных свойств твердосплавного инструмента.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полещенко К.Н.,.Вершинин Г.А., Геринг Г.И. и др.//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1998, №2, С. 140-143.

2. Платов Г.Л., Леонов Е.Ю., Аникин В Н., Аникеев А.И./ Порошковая металлургия, 1988, №2, С.87-89.

3. Гринберг П.Б., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н. и

Ю. К. МАШКОВ, Л. Ф. КАЛИСТРАТОВА, А. Н.ЛЕОНТЬЕВ, О. А. МАМАЕВ, В. А. ЕГОРОВА ОмГТУ Омский танковый инженерный институт

УДК 678.073:661.481

Введение. Проблема структурной модификации и приспосабливаемое™ полимерных композиционных материалов (ПКМ) при работе в металлополимерных трибосисте-мах (ТС) изучается в связи с необходимостью решения актуальной задачи повышения надежности и ресурса многих ответственных узлов трения машин и технологического оборудования. Вследствие преждевременного старения и повышенного износа уплотнительных, направляющих и опорных элементов конструкций металлополимерных узлов трения снижается технический уровень и эффективность использования техники.

Повышение износостойкости и срока службы вышеназванных металлополимерных узлов трения зависит, в первую очередь, от физико-механических и триботехничес-ких свойств ПКМ, применяемых при изготовлении уплотнительных и направляюще-опорных элементов соответствующих узлов трения. Результаты экспериментальных исследований свойств и физико-химических процессов модифицирования полимеров, в частности политетрафторэтилена (ПТФЭ), показывают, что при определенных условиях внешнего энергетического воздействия при технологической переработке и трении возможно развитие термодинамических процессов структурно-фазовых превращений и формирование модифицированных структур, сопровождающееся существенным изменением физико-механических свойств и повышением износостойкости композиционных материалов на основе ПТФЭ. Коллективом три-бологов и материаловедов ОмГТУ накоплен значительный экспериментальный материал, отражающий влияние вида и параметров структурной организации на физико-механические и триботехнические свойства многокомпанент-ных систем на основе ПТФЭ, содержащих волокнистые и дисперсные наполнители-модификаторы [1-5].

Результаты комплексных исследований с применени-

др.//Трение и износ. 19(1998), №4, С.480-486

4. Полещенко К.Н., Полетика М.Ф., Геринг Г.И., Вершинин VA.IIФизика и химия обработки материалов, 1995,№3, С.29-33

5. Поворознюк С.Н., Полещенко К.Н., Кульков С.Н., Вершинин Г.А.// Поверхность. Физика, химия, механика, 1995, №11, С.74-77.

6. Калистратова Н.П. Модификация твердых сплавов мощными ионными пучками и послерадиационной термической обработкой: Автореф. дис....канд.техн. наук/Омск, 1998,21с.

7. A.C. SU1642786 А1

8. Кабалдин Ю.Г.//Вестник машиностроения, 1997,№7, С.31-37

ГЛАДЕНКО Алексей Анатольевич - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой физики ОмГТУ.

ПОЛЕЩЕНКО Константин Николаевич - к.т.н., доцент кафедры радиационной физики и материаловедения ОмГУ.

ПРОКУДИНА Наталья Анатольевна - ассистент кафедры физики ОмГТУ.

ем методик рентгеноструктурного, электронномикроско-пического, термографического анализов позволили изучить и обобщить закономерности влияния отдельных и комплексных наполнителей на процессы структурообразова-ния и фрикционного взаимодействия модифицированного ПТФЭ и характеристики триботехнических свойств последнего [1-3]. В частности, установлено, что увеличение степени кристалличности ПТФЭ, модифицированного измельченным углеродным волокном, и одновременное уменьшение среднего межслоевого расстояния, характерного для аморфной фазы ПТФЭ, приводят к увеличению упругих модулей сдвига в и Юнга Е, которые прямо влияют на триботехнические свойства ПКМ [5].

Установлено также, что в поверхностных слоях многокомпонентных систем на основе ПТФЭ при определенном уровне внешних энергетических воздействий (тепловой поток, контактное давление, скорость скольжения) независимо от их вида развиваются одинаковые физико-химические (трибохимические) процессы, приводящие к формированию слоистых трибоструктур типа термотроп-ных жидких кристаллов [2].

Сравнительный анализ результатов исследования три-бохимических процессов при трении в чистом ПТФЭ и наполненном волокнистыми, дисперсными или ультрадисперсными материалами показывает, что введение ультрадисперсного наполнителя приводит к более глубоким трибохимическим превращениям деструктивного характера, затрагивающим основную структурную цепь полимера С-С, включая также связи С-Р В то же время наряду с деструктивными процессами возможно проявление структурирования за счет сшивки активных фрагментов трибодеструкции в присутствии активных дисперсных наполнителей, выполняющих каталитическую роль [6].

При определенных нагрузке, скорости скольжения и

СТРУКТУРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА_

РАССМАТРИВАЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПТФЭ ПРИ СТРУКТУРНОЙ МОДИФИКАЦИИ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМ СКРЫТОКРИСТАПЛИЧЕСКИМ ГРАФИТОМ (УГС) И КОМПЛЕКСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ (УГС + УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО).