Деформация и разрушение модифицированных ионными пучками материалов при трении.
На правах рукописи
Гриценко Борис Петрович ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТРЕНИИ.
Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Томск – 2007 2
Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и Томском политехническом университете
Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор физико математических наук, профессор Лисицын Виктор Михайлович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Кривобоков Валерий Павло вич;
доктор технических наук, профессор Батаев Анатолий Андреевич;
доктор физико-математических наук, доцент Иванов Юрий Федорович
Ведущая организация: Институт машиноведения УрО РАН
Защита диссертации состоится “ 29 ” мая 2007 г. в 15 часов на засе дании диссертационного совета Д 212.269.02 при Томском политехниче ском университете по адресу: 634050, Г. Томск, проспект Ленина 30.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского поли технического университета.
Автореферат разослан “_” 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Коровкин М.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время с трением связана одна из острейших проблем машиностроения - износ деталей машин и механиз мов. Подавляющее количество машин (85 – 90 %) выходят из строя из-за износа деталей. Ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышает их стоимость. Изношенные двигатели внутреннего сгора ния значительно сильнее загрязняют атмосферу отработавшими газами, чем новые. Поэтому повышение износостойкости трибологических пар яв ляется актуальной задачей физики конденсированного состояния. Сущест вует много вариантов решения проблемы повышения износостойкостей, таких как применение износостойких материалов, различные конструкци онные решения, нанесение покрытий (гальванических, ионно-плазменных и др.), модификация поверхностей материалов путем цементации, бориро вания, электроискровой обработки, обработки лазерным излучением, ион ными и электронными пучками и многие др. Однако остается много не решенных задач из-за слишком широкого круга существующих трибоси стем из-за его постоянного расширения, все возрастающих требований по повышению сроков службы и надежности изделий.
Исследования деформации и разрушения материалов, их прочност ных свойств осуществляются, как правило, на модельных и наиболее про стых, используемых в промышленности материалах. Важным для практи ческого материаловедения является заключительный этап этих исследова ний, изучение свойств и поведения материалов непосредственно в издели ях. Значимость заключительного этапа определяется тем, что в реальных изделиях к материалам предъявляются дополнительные требования, кото рые невозможно учесть при лабораторных испытаниях образцов.
В данной работе представлены результаты систематических иссле дований закономерностей деформации и разрушения модифицированных ионными пучками материалов при трении и способы их упрочнения. В ка честве объектов исследования были выбраны материалы, которые исполь зуются в промышленности: стали 65Х13, 45, Р6М5;
армко-железо, титан ВТ1-0, сплав ВТ6 в обычном и ультрамелкозернистом состояниях;
твердые сплавы Т14К8, ВК6М, КНТ16 и др. Такое разнообразие материалов опре деляется тем, что ставилась задача поиска общих закономерностей дефор мации и разрушения при трении, общих принципов формирования с по мощью ионных пучков устойчивых к изнашиванию приповерхностных структур.
Актуальность темы диссертационной работы определяется еще и тем, что в 80-е годы достижениями науки в области ускорительной техни ки была фактически подготовлена основа для развития новых методов мо дификации поверхности материалов. В первую очередь это касается созда ния широкоапертурных источников газовых и металлических ионов типа “Титан”, “Диана”, “Радуга”, MEVVA и др., позволяющих имплантировать ионы с энергией 40-250 кэВ, флюенсом ~1017 ион/см2 в мишень площадью ~300 см2, за разумное время (~20 минут).
Разработка названных выше источников ионов позволила исследова телям перейти от решения исключительно научных задач взаимодействия ускоренных ионов с металлами к практическим, а именно: разработке тех нологий модификации металлов и сплавов с целью повышения их служеб ных характеристик. Очевидно, что сама возможность повышения служеб ных характеристик материалов с помощью ионных пучков - это еще не ме тод и тем более не технология. Для того чтобы использовать ионные пучки на практике, необходимо знать следующее: каким образом столь малые толщины модифицированных слоев материалов (~100 нм) могут повышать износостойкость материалов в 2-4 и более раз;
какую роль при деформации и разрушении материалов играют тонкие приповерхностные слои;
каким образом происходит деформация и разрушение материалов при трении.
Появилась необходимость развить физические представления о том, каки ми свойствами должны обладать приповерхностные слои материалов, для того чтобы их износ был минимальным.
Используя ионную имплантацию, можно легировать приповерхност ные слои материалов многими элементами периодической системы Д.И.
Менделеева и получать в этих слоях различные неравновесные структур но-фазовые состояния. Однако научные основы формирования таких со стояний методом ионной имплантации еще только создаются и для их раз вития необходимы систематические исследования как на модельных объ ектах, так и на сплавах, которые широко используются в промышленности.
Таким образом, актуальность данной работы определяется необхо димостью развития представлений о деформации и разрушении твердых тел при трении и разработки научных основ формирования приповерхно стных состояний методом ионной имплантации с целью повышения изно состойкости изделий.
Цель настоящей работы – установить закономерности деформации и разрушения материалов модифицированных ионными пучками при тре нии, разработать ионно-пучковые технологии формирования приповерх ностных слоев материалов трибологических пар для повышения их экс плуатационных свойств и надежности.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- изучение влияния ионной имплантации на формирование неравно весных структурно-фазовых состояний и химического состава в припо верхностных слоях;
- исследование закономерностей и особенностей деформации и раз рушения материалов при трении;
- выявление структур, образующихся в приповерхностных слоях при трении, и установление их влияния на скорость изнашивания материалов;
- изучение общих закономерностей изнашивания трибологических пар при эксплуатации, выявление роли деформации и акустических коле баний в их разрушении, разработка способов защиты от разрушающего действия акустических колебаний;
- разработка принципов формирования с помощью ионных пучков приповерхностных слоев материалов трибологических пар с целью повы шения их функциональных характеристик;
- разработка технологии модифицирования материалов трибологиче ских пар, - режущего инструмента, деталей машин и механизмов, штам повой оснастки, - и проведение апробирования разработанных технологий в заводских условиях.
Научная новизна работы определяется следующими результатами и положениями, сформулированными на основе анализа систематических исследований деформации и разрушения материалов при трении, изучения структуры, физико-механических, химических и эксплуатационных свойств металлов и твердых сплавов, обработанных ионными пучками.
- На основе изучения кинетических зависимостей изнашивания ис следуемых материалов показано, что в их разрушении существенную роль играют акустические колебания, генерируемые в самой трибосистеме. Это позволило объяснить ранее не объясненные экспериментальные факты пе риодичности в расположении мест разрушения поверхностей и дополнить представления о механизмах разрушения материалов при трении. Показа но, что акустические колебания, возникающие при трении, являются до полнительной “эффективной” нагрузкой на трибосистему. Демпфирование акустических колебаний приводит к снижению износа.
- В результате изучения кинетики изнашивания ионно имплантированных материалов предложено объяснение высокой эффек тивности защитных свойств тонких, толщиной всего в 100 нм, модифици рованных слоев при трении, которое основано на рассеянии и поглощении поверхностных акустических колебаний. Предложенное новое объяснение влияния тонких приповерхностных слоев на изнашивание материалов до полняет физические представления кинетики изнашивания материалов.
- Изучено разрушение твердосплавных резцов при резании на мезо уровне и показано, что оно осуществляется, так же как и разрушение ста лей при механических нагрузках, через стадии фрагментации, объедине ния фрагментов и последующее прорастание магистральной трещины.
- Разработаны физические принципы формирования тонких ( нм) слоевых структур ионными пучками с целью повышения износостой кости и коррозионной стойкости, основанные на том, что каждый слой не сет свою вполне определенную функцию.
Научно-практическая значимость и реализация результатов ра боты. Совокупность полученных результатов и установленных законо мерностей позволяет дополнить представления о природе физических процессов разрушения ионно-модифицированных материалов при трении.
Полученные экспериментальные данные позволяют по-новому взглянуть на роль тонких приповерхностных слоев материалов при трении, на их за щитные свойства при коррозии. Экспериментальные результаты и их ана лиз являются основой для разработок ионных технологий упрочнения ме таллов и сплавов, работающих в условиях трибосопряжения.
1. Установленное существенное влияние акустических колебаний, генерируемых при трении, на разрушение материалов трибосистем позво ляет использовать принципиально новые способы повышения износостой кости.
2. Разработаны ионно-лучевые технологии обработки режущего ин струмента, деталей машин и механизмов, позволяющие повышать износо стойкость изделий в два и более раз, которые прошли апробирование на многих предприятиях России и за рубежом.
3. Разработаны способы защиты от разрушения для твердосплавных резцов, рельсов железнодорожного транспорта, гильз двигателя внутрен него сгорания. На данных примерах показано, каким образом можно за щищать изделия от разрушений, которым способствуют акустические ко лебания, возникающие при трении.
4. Результаты исследований использованы:
при разработке технологических процессов упрочнения твердо сплавных чашечных резцов, используемых для переточки колесных пар вагонов для предприятий Томского, Новосибирского и Омского (Москов ка) вагонных депо;
при разработке технологических процессов упрочнения для изделий Томского завода резиновой обуви (для упрочнения ножей для обрезки об лоя, петлителей, пробойников и др.);
при разработке технологических процессов упрочнения мелкораз мерных твердосплавных сверл для Томского радиозавода и Тайваньской фирмы Key ware technology inc;
в лекционных курсах “Лучевые технологии”, “Взаимодействие иони зирующих излучений с веществом”, читаемых студентам электрофизиче ского факультета Томского политехнического университета, в учебных и методических пособиях.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Экспериментально обоснованное доказательство важной роли акустических колебаний, возникающих при трении, в деформации и раз рушении материалов трибосистем. Необходимость введения при разработ ке изделий, представляющих собой пары трения, контроля возможности возникновения в них при работе резонансных акустических колебаний.
Методы защиты трибосистем от собственных акустических колебаний.
2. Закономерности деформации и разрушения твердосплавных пла стин в процессе резания, заключающиеся в последовательных событиях:
пластической деформации, фрагментации, образовании микросколов и прорастании магистральной трещины. Генерируемые при резании акусти ческие колебания являются составной частью механизма разрушения твер досплавных инструментов.
3. Результаты исследований формирования приповерхностных структур, деформации и разрушения армко-железа, стали 45, титана ВТ1- и сплава ВТ6 при трении, обусловленных ионно-лучевой обработкой. Ус ловия и режимы ионно-лучевой обработки, при которых может изменяться механизм изнашивания с адгезионного на усталостный.
4. Разработанные способы ионно-лучевой обработки режущего инст румента, основанные на многоэлементной ионной имплантации с форми рованием многослойных структур в приповерхностных областях материа лов, повышающие ресурс работы изделий в два и более раз, коррозионную устойчивость в 3 раза.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследова ний докладывались и обсуждались на следующих международных, всерос сийских и региональных конференциях, совещаниях, симпозиумах и семи нарах: 1 Всесоюзной конференции “Модификация свойств конструкцион ных материалов пучками заряженных частиц” (Томск, 1988);
II Всесоюз ном научно-техническом симпозиуме “Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения деталей машин и инстру ментов” (Саратов, 1990);
8, 9, 10-ой Международной конференции по ра диационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1993, 1996, 1999);
1V Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996);
Second International Conference MPSL’96, (Sumy, Ukraine, 1996);
V Interna tional Conference Computer-Aided design of advanced materials and technolo gies, 1997 CADAMT-97, (Tomsk, 1997);
Advanced materials and processes.
Fourth Sino-Russian symposium beijing, (China, 1997);
X11 International conf.
Ion Implantation Technology, (Kyota, Japan, 1998);
Sixth International Confer ence on Plasma Surface Engineering (Garmisch-Partenkirchen, 1998);
V Rus sian-Chinese International Symposium “Advanced Materials and Processes” (Baikalsk, 1999);
Региональной научно-практической конференции "Транс сиб 99" (Новосибирск, 1999);
1V International Conference on Modification of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials (Feodosiya, 2001);
Между народном технологическом конгрессе “Современные технологии при соз дании продукции военного и гражданского назначения” (Омск-2001);
Ме ждународной конференции “Современные проблемы машиностроения и приборостроения” (Томск 2002);
Proceedings of X APAM topical seminar and III conference "Materials of Siberia" "Nanoscience and technology" devoted to 10-th anniversary of APAM (Novosibirsk 2003);
“Mesomechanics” Funda mentals and Applications" (MESO’2003) and VII International Conference "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (CADAMT’2003) (Tomsk 2003);
Международном научно-практическом симпозиуме Славянтрибо-6: Интегрированное научно-техническое обес печение качества трибообъектов, их производства и эксплуатации (Санкт Петербург, 2004);
XLIII международной конференции “Актуальные про блемы прочности” (Витебск, 2004);
Proceedings of 5, 6, 7, 8 -th international conference on modifications of materials with particle beams and plasma flows.
(Tomsk 2000, 2002, 2004, 2006).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 36 пе чатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журна лах, сборниках и трудах конференций, в том числе коллективная моногра фия, 7 патентов РФ и 2 авторских свидетельства на изобретения, свиде тельство на полезную модель.
Достоверность полученных экспериментальных результатов, выво дов, научных положений и рекомендаций, представленных в работе, обес печена корректностью постановки задачи, использованием современных методов исследований и аппаратуры, систематическим характером иссле дований, статистической воспроизводимостью и согласованностью ре зультатов, полученных с использованием разных методов и методик.
Личный вклад автора в работу. Результаты исследований, изло женные в диссертации, получены при непосредственном участии автора.
Автор формировал цель и задачи работы, выбирал методы исследований, ему принадлежит ведущая роль в решении научных задач, анализе, обоб щении и интерпретации результатов. Автором сформулированы основные научные положения и выводы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, цитируемой литературы и приложения. Работа содержит 297 страниц, включая 111 рисунков, 19 таблиц, список цитируе мой литературы из 235 наименований и приложение.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сфор мулированы цели и задачи исследования, дано краткое содержание дис сертации, основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна, обоснованы научная и практическая значимость полученных ре зультатов, представлены сведения об объеме диссертации, публикациях, конференциях и семинарах, на которых были доложены основные резуль таты работы, определен личный вклад автора.
В первой главе проведен анализ состояния вопроса по изнашива нию материалов при трении, рассмотрены физические процессы, происхо дящие при трении, структура и физико-химические свойства приповерхно стных слоев материалов испытывающих трибологическое взаимодействие.
Рассмотрены основные механизмы разрушения твердых тел при трении и дан их анализ. Отмечено, что акустические колебания могут оказывать существенное влияние на разрушение материалов. Однако, в исследовани ях по трению при рассмотрении физических процессов возможность влия ния акустических колебаний, генерируемых в процессе трения, на разру шение материалов трибосистем не рассматривалось. В связи с этим изуче ние этого влияния представляется актуальным как с научной, так и прак тической точек зрения.
Рассмотрены основные физические процессы, происходящие при взаимодействии ионных пучков с твердым телом, и свойства модифициро ванных материалов, вопросы влияния обработки ионными пучками на экс плуатационные характеристики металлов и сплавов. Показано, что с по мощью ионных пучков можно существенно влиять на трибологические свойства материалов, тем самым управлять их износостойкими свойства ми. Отмечено, что при рассмотрении эффекта повышения износостойких свойств материалов после воздействия ионных пучков недостаточно полно обоснован механизм, за счет которого эффективно происходит данное по вышение. Указывается, что знания о механизмах повышения износостой кости материалов при воздействии пучков ионов позволят не только пол нее понять процесс разрушения материалов при трении, но и эффективно использовать эти знания для разработки новых технологий упрочнения изделий. На основе представленного анализа сформулированы задачи ис следования.
Во второй главе обосновывается выбор материалов для исследова ний. Отмечается, что для изучения общих закономерностей разрушения материалов при трении необходимо проводить исследования с разными материалами, работающими в различных условиях. В связи с этим для ис следований были использованы технически чистое железо, различные ста ли, титан ВТ1-0 и его сплав ВТ6, твердые сплавы. Интересным представ ляется сравнение трибологических свойств ультрамелкозернистых и обыч ных материалов, изучение влияния структуры материала на его трибологи ческие свойства. Поэтому ряд материалов, таких как армко-железо, титан ВТ1-0 и сплав ВТ6, исследовался в обычном и ультрамелкозернистом со стояниях.
Для проведения экспериментальных работ с демпфированием аку стических колебаний, генерируемых при трении, была сконструирована и изготовлена специальная машина трения. Для расширения возможностей по имплантируемым элементам был разработан специальный катодный узел, который позволяет осуществлять имплантацию на ионных источни ках типа “Диана” и др. не только ионы металлов, но и полупроводников (получено свидетельство на полезную модель). Это существенно расшири ло технологические возможности источников данного типа. Для анализа приповерхностных слоев использовались современные методы: электрон ная просвечивающая микроскопия, вторичная ионная масс-спектроскопия (ВИМС), Оже-спектроскопия, проводились рентгеноструктурные и метал лографические исследования. Исследования спектров акустических коле баний, возникающих при трении, были проведены на диагностическом акустическом стенде Сибирского физико-технического института им. В.Д.
Кузнецова при Томском государственном университете.
Третья глава посвящена изучению изнашивания ионно имплантированных материалов при трении. Проведено изучение влияния ионно-лучевой обработки на деформационное поведение приповерхност ных слоев при трении и кинетику изнашивания. Исследовано влияние структуры материалов и акустических колебаний на изнашивание мате риалов. Выдвинуто предположение, что акустические колебания, генери руемые при трении, оказывают существенное влияние на разрушение ма териалов трибосистем. Экспериментальные исследования по влиянию аку стических колебаний на изнашивание представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Кинетические зависимо P, мг сти потери массы образцов стали 1, (1, 2) и армко-железа (3, 4) при испы 1, таниях на трение и износ без демпфе 0, ров (1, 3) и с использованием демпфе 0, 0,3 ров при закреплении их на контртеле и 0, образцах (2, 4). Нагрузка при испыта 0 30 60 90 t, мин ниях составляла 1 МПа для стали 45 и 3 МПа для армко-железа.
Влияние акустических колебаний на изнашивание показано на всех исследуемых материалах армко-железе в крупнозернистом и ультрамелко зернистом состояниях, стали 45, титане ВТ1-0 и ВТ6 так же в крупнозер нистом и ультрамелкозернистом состояниях. В работе установлено, что по своему действию акустические колебания, генерируемые при трении, ана логичны дополнительной эффективной нагрузке. Это хорошо видно из экспериментальных результатов представленных на рис. 2, когда последо вательно убирается гашение акустических колебаний на контртеле и об разцах.
Рис. 2. Кинетическая зависи S, мм мость площади пятен контактов образ цов армко-железа при испытаниях на трение:
1 – участок с использованием демпфе ров на контртеле и образцах;
2 – демпферы только на образцах;
120 180 240 300 360 t, мин 0 3 – без использования демпферов.
Исследования влияния ионной имплантации на изнашивание образ цов показало высокую ее эффективность. Причем методом ионной им плантации можно эффективно защищать от изнашивания даже титан, об ладающий высокими адгезионными свойствами (см. рис. 3).
P, мг Рис. 3. Кинетические ВТ1-0 Имп С зависимости потери массы образцов титана ВТ1-0 при испытаниях на износ после имплантации углеродом и ВТ1-0 Имп Мо молибденом.
t, мин 0 400 800 1200 Установлено, что защита материалов от разрушения путем ионной имплантации и гашением акустических колебаний действуют независимо друг от друга. Из этого следует важный для практического использования вывод, что два этих способа повышения износостойкости можно использо вать одновременно.
Изучены спектральные характеристики генерируемых колебаний при трении (см. табл. 1).
Таблица Расположение максимумов акустических колебаний генерируемых при трении в образце стали №, мах 1 2 3 4 5 6 7 f, МГц 0, 27 0,54 0,81 1,1 1,35 1,6 2,16 2,, мм 18,8 9,4 6,3 4,6 3,8 3,2 2,4 1, Кратность 1 2 3 4 5 6 8 Показано, что основными акустическими колебаниями, существующими в образце при трении, являются собственные колебания данного образца, максимальная длина волны которых определяется его размерами. На осно ве экспериментальных результатов и предложенной гипотезы дано объяс нение высокой эффективности ионно-лучевой обработки при работе мате риалов в трибосистемах.
В четвертой главе представлены результаты анализа причин разру шения режущего инструмента. Показано, что ряд важных эксперименталь ных фактов по разрушению режущего инструмента, в частности, перио дичный характер расположения мест разрушения, не находит объяснения в рамках существующих представлений. Изучены мезомеханические осо бенности разрушения твердосплавных резцов, влияние структуры и тер момеханической обработки на износостойкость твердого сплава. Показано, что основные закономерности деформации и разрушения твердосплавных пластин, происходящие в процессе резания, заключаются в последова тельных событиях: пластической деформации, фрагментации, образовании микросколов и прорастания магистральной трещины. На рисунке 4 пред ставлена режущая кромка чашечного резца Т14К8 после его работы. Вид ны мезополосы нормального износа, микроскол и зона с пластической де формацией режущей кромки.
Рис. 4. Разрушенная в процессе работы режущая кромка чашечного резца Т14К8.
Проведены измерения акустических колебаний, возникающих при резании в твердосплавных пластинах.
Рис. 5. Проявление периодичности в разрушении резца. Показаны макросколы на боковой, нерабочей поверхности.
Впервые показано, что в процессе резания генерируются акустиче ские колебания, которые приводят к разрушению резцов. На рис. 5 пред ставлена нерабочая грань резца КНТ16, на которой видны разрушения, взаимное расположение которых соответствует длине волны акустических колебаний 8 мм. Измеренная частота колебаний составила 250 кГц. На ри сунке видно, что разрушения произошли в тех местах, где резец механиче ски не был нагружен. Места разрушений соответствуют пучностям аку стических колебаний. На основе проведенных исследований расширены представления о процессе разрушения твердосплавных резцов при экс плуатации.
Пятая глава посвящена изучению влияния специально сформиро ванных ионными пучками приповерхностных слоев малых толщин ( нм) на износостойкость различных видов изделий. Одним из основных критериев для выбора изделий, в материалах которых формировались при поверхностные модифицированные слои с помощью ионных пучков, явля лось то, что для них другие технологии неприемлемы или малоэффектив ны. На основе производственных испытаний изделий отечественного и за рубежного производства определены основные закономерности формиро вания приповерхностных слоев, позволяющие эффективно повышать изно состойкость изделий, показана существенная роль приповерхностных сло ев малых толщин в разрушении материалов при трении, разработаны спо собы формирования тонких приповерхностных слоев, позволяющие по вышать ресурс работы изделий в два и более раз. Обоснованы положения, основываясь на которых можно создавать материал более устойчивый к износу. Они сводятся к следующему.
Первое - свойства материала приповерхностных слоев должны быть отличны от свойств материала в объеме. Данное положение следует из то го, что поверхность и объем несут разные функциональные нагрузки и их разрушение происходит по разным причинам. Из этого следует, что мате риал в приповерхностной области должен быть градиентным по своим свойствам. Причем необходимо обеспечить, по возможности, плавный пе реход свойств от объема к поверхности, чтобы не возникало локализации напряжений в переходной зоне ни при изменении температуры, ни при ме ханических нагрузках. Исходя из результатов глав 3 и 4, следует, что су щественную роль в разрушении материалов играют акустические колеба ния, которые генерируются в самой же трибосистеме. Создание градиент ной структуры в приповерхностном слое способствует рассеянию акусти ческие колебания и, соответственно, уменьшает разрушение материалов трибосистем.
Второе - структура самого верхнего слоя должна быть мелкозерни стой, вплоть до аморфной. Это условие вытекает из следующего. В про цессе трения, на первой стадии (стадия приработки), происходит формиро вание мелкозернистой структуры, и только после завершения ее формиро вания скорость изнашивания резко уменьшается. Важным является также то, что при нахождении материала в мелкодисперсном состоянии в про цессе трения из него не выкрашиваются крупные частицы.
Третье - структура и свойства материала должны быть таковыми, чтобы он мог демпфировать возникающие локальные нагрузки и фактиче ски осуществлять смещения типа “сдвиг + поворот” без возникновения трещины. Этот слой должен иметь низкий предел ползучести и по своим свойствам быть подобным “твердой жидкости”, как это реализуется, на пример, когда трибосистема работает в режиме безызносности.
Основываясь на этих принципах, были разработаны технологии по вышения ресурса работы режущего инструмента, деталей машин и меха низмов, штамповой оснастки. В таблице 2, в качестве примера, представ лены результаты испытаний мелкоразмерных сверл (d=0,9 мм, ВК6М, сверление фольгированного стеклотекстолита для печатных плат) после создания ионными пучками двухслойной структуры.
Таблица Результаты испытаний обработанных ионными пучками мелкоразмерных сверл после переточек по сравнению с исходными.
Количество переточек 0 1 2 3 4 Увеличение стойкости 3,8 3,2 2,9 2,4 2,2 1, (во сколько раз) На поверхности создавался слой, имеющий большую пластичность и малый коэффициент трения за счет имплантации молибдена невысоких энергий (70 кэВ), а под ним слой более высокой твердости, за счет имплан тации легкими ионами углерода с энергией 80 кэВ. Интересным в данном примере является то, что даже после того как сверла несколько раз перета чивали их стойкость оставалась существенно выше, чем исходных (на спо соб обработки получен патент Российской Федерации).
Технологии, основанные на использовании ионной имплантации, ап робированы в области медицины: для повышения коррозионной устойчи вости скальпелей (стойкость возросла три раза, получен патент Российской Федерации) и придания поверхностям материалов бактерицидных свойств.
Испытания показали, что ионные пучки могут эффективно использоваться и в этой области.
В шестой главе представлены результаты по разработке способов защиты материалов от разрушений, возникающих при трении. На примере твердосплавных резцов, блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания и рельсов железнодорожного транспорта показано, что разрушение изде лий по поверхности при их эксплуатации происходит неравномерно.
Рис. 6. Периодичность в расположении участков с повышенным износом рельсов.
На поверхностях присутствуют периодически расположенные места более интенсивного износа (см. рис. 6).
В случае рельсов железнодорожного транспорта наиболее часто мес та с повышенным износом встречаются в виде полосок с периодом в ~ 13 и ~ 6 см. В литературе не рассматривается причина возникновения периоди ческого расположения мест с более интенсивным разрушения поверхно стей рельсов. Из наших исследований следует, что кроме известных видов разрушения материалов при трении дополнительно накладывается разру шающее действие акустических колебаний генерируемых в самой трибо системе. Предложены методы защиты изделий от разрушения при трении, основанные на исследованиях, представленных в третьей и четвертой гла вах, и анализе литературных данных. На методы защиты изделий от раз рушений при трении получено 3 патента Российской Федерации. Сущест венным в предлагаемых решениях является то, что эти методы защиты из делий от разрушения достаточно просто реализовать не только для рас смотренных изделий, но и для многих других.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В данной работе проведены систематические исследования законо мерностей и особенностей деформации и разрушения при трении материа лов, модифицированных ионными пучками, изучены механизмы разруше ния при трении, разработаны и апробированы системы формирования “тонких” износостойких слоевых структур с помощью ионных пучков. По казано, что повышение износостойкости можно получать с помощью га шения акустических колебаний, генерируемых самой трибосистемой. В совокупности полученные результаты и установленные закономерности позволили развить и дополнить существующие представления о природе физических процессов деформации и разрушения материалов при трении.
Изложенные экспериментальные данные позволяют по-новому взглянуть на роль приповерхностных слоев материалов при трении. Полученные экспериментальные результаты и их анализ являются основой для разрабо ток ионных технологий упрочнения металлов и сплавов, работающих в ус ловиях трибосопряжений.
1. На основе изучения кинетических зависимостей изнашивания ис следуемых материалов показано, что в их разрушении существенную роль играют акустические колебания, генерируемые в самой трибосистеме. Это позволяет объяснить ранее не объясненные экспериментальные факты пе риодичности в расположении мест разрушения поверхностей и вносит но вые представления о разрушении материалов при трении.
2. Установлено, что акустические колебания, возникающие при тре нии, по характеру влияния на изнашивание материалов подобны дополни тельной “эффективной” нагрузке на трибосистему. Демпфирование аку стических колебаний приводит к снижению этой дополнительной нагрузки и, как следствие, уменьшению износа. Выявленная существенная роль акустических колебаний, генерируемых при трении, в разрушении мате риалов трибосистем открывает принципиально новые способы повышения износостойкости.
3. Разработаны способы защиты от акустического разрушения для твердосплавных резцов, рельсов железнодорожного транспорта, гильз дви гателя внутреннего сгорания. На разработанные способы получены патен ты Российской Федерации. На данных примерах показано, каким образом можно защищать изделия от разрушения, происходящего за счет возни кающих при трении акустических колебаний.
4. На основе изучения и анализа изнашивания ионно имплантированных материалов предложено объяснение высокой эффек тивности защитных свойств “тонких”, толщиной менее 1 мкм, модифици рованных слоев при трении. При обработке материалов пучками ионов формируется приповерхностный ионно-модифицированный слой с резко отличающимися от основного материала физико-механическими свойст вами. Модифицированный слой влияет на распространение поверхност ных акустических волн, которые локализуются в слое толщиной, примерно равной длине волны. Таким образом, есть основания предполагать, что на личие даже такого “тонкого” модифицированного слоя может существен но изменять уровень акустических колебаний, оказывая тем самым влия ние на величину износа.
5. Разработаны принципы формирования тонких (100 нм) слоевых структур ионными пучками с целью повышения износостойкости и корро зионной стойкости, основанные на том, что каждый слой несет свою, вполне определенную, функцию.
6. Исследования разрушения резцов на мезоуровне показали, что в процессе работы в объеме резца происходят изменения механических свойств на глубине до 250-300 мкм. Можно проследить две стадии разру шения: 1) формирование участков фрагментированной мезосубструктуры, внутри которых появляются и распространяются деформационные мезо полосы, вплоть до развития микротрещин, не вызывающих разрушения материала;
2) объединение фрагментов, т.е. переход на макроуровень. Ко гда размеры фрагментов становятся соизмеримы с размерами образца, происходит развитие магистральной трещины, вызывающей скалывание фрагментов или разрушение резца.
7. Показано, что при трении более пластичных материалов, таких как армко-железо, титан, деформация локализуется в тонких слоях 10 мкм, а в более твердых, таких как сталь 45, твердые сплавы, деформация мате риала достигает 100 мкм и более. Интенсивная пластическая деформация армко-железа существенно изменяет характер изнашивания. Происходит адгезионное схватывание материала образца с материалом контртела. В результате этого происходит формирование слоев в виде полос на глубину 30 мкм, а деформация простирается на глубину до 100 мкм. На поверхно сти трения наблюдаются мощные наплывы, представляющие собой объе мы пластически смещенного по поверхности материала. Ионная имплан тация не устраняет схватывание, хотя и замедляет этот процесс.
8. Исследование деформации приповерхностных слоев стали 45 при трении показало, что она происходит обычным путем через образование и накопление дислокаций, их объединение, возникновение сетчатых струк тур и фрагментации. В результате фрагментации создаются мезофрагмен ты, и затем следует разрушение материала. Однако, деформация при тре нии имеет ряд своих особенностей. Основной и главной особенностью яв ляется высокая степень деформации без нарушения сплошности материа ла. При этом цементитные пластинки ломаются и перемешиваются с фер ритом. В приповерхностном слое после испытаний на трение присутству ют мелкодисперсная фаза и окислы железа. Степень деформации резко не однородна по поверхности материала.
9. Результаты сравнительных исследований исходных твердосплав ных пластин и прошедших термомеханическую обработку (ТМО) показа ли, что ТМО приводит к изменению структуры твердого сплава и растяги вающие напряжения, возникающие при изготовлении твердосплавных пластин, уменьшаются. В результате изменения структуры уменьшаются абсолютные значения и изменения микротвердости в приповерхностных слоях твердого сплава. Из результатов исследований следует, что техноло гия ТМО может быть использована только для случаев, когда допустимый износ резцов мал. Такая обработка резцов может эффективно применяться, например, при чистовом резании.
10. На основе метода ионной имплантации разработаны технологии обработки режущего инструмента, деталей машин и механизмов, повы шающих износостойкость изделий в два и более раз, которые прошли ап робирование на многих предприятиях России и за рубежом.
Основные публикациях по теме диссертационной работы 1. Попов А.Ю., Рауба А.А., Васильев Е.В., Коньшин Д.В., Гриценко Б.П., Мухамадеева Р.М. Система эксплуатации твердосплавного режущего инструмента. - Петропавловск. 2004. - 218 с.
2. Гриценко Б. П., Круковский К. В., Гирсова Н. В., Кашин О. А. Влияние высокодозной ионной имплантации и акустических колебаний, гене рируемых при трении, на износостойкость армко-железа и стали 45. // Трение и износ. – 2005. – Т. 26. - № 6. - C. 593-599.
3. Гриценко Б. П., Кашин О. А. Влияние высокодозной ионной имплан тации и акустических колебаний в трибосистеме на деформационное поведение и износостойкость стали 45. // Известия Томского политех нического университета. – 2004. – Т. 307. - № 4. – С. 121-125.
4. Гриценко Б.П., Круковский К.В., Кашин О.А. Деформационное пове дение ионно-имплантированных армко-железа и стали 45 при трении и износе в условиях подавления акустических колебаний. // Физическая мезомеханика. – 2004. - Т.7. Спец. выпуск. Часть 1. - С. 415-418.
5. Gritsenko B.P., Krukovsky K.V., Girsova N.V., Kashin O.A. The influence of high-ion implantation on wear mechanisms of Ti and VT6 alloy in coarse-grained and ultrafine grained states. // Известия вузов. Физика. 2006. – № 8. Приложение. – С. 301-303.
6. Sharkeev Yu. P., Perry A. J., Gritsenko B. P., Fortuna S. V. Modification of mettalic materials and hard coatings using vacuum arc metal ion implanta tion. // Vacuum – 1999. - V. 52. - № 1. - Р. 247-254.
7. Легостаева Е.В., Панин С.В., Гриценко Б.П., Шаркеев Ю.П. Исследо вание процессов пластической деформации на макро-, мезо- и микро масштабном уровнях при трении и износе стали 45, поверхностно уп рочненной ионной имплантацией. // Физическая мезомеханика. – 1999.
– Т. 2. – № 5. – С. 79–92.
8. Sharkeev Yu.P., Legostaeva E.V., Panin S.V., Gritsenko B.P. Experimental investigation of friction and wear of Mo ion implanted ferritic-perlitic steel // Surface and Coating Technology. - 2002. - V. 158-159. - P. 674-679.
9. Гирсова Н.В., Гриценко Б.П., Шаркеев Ю.П., Рябчиков А.И., Тайлашев А.С., Фортуна А.С., Козлов Э.В. Структурно-фазовые превращения в сплаве N3Fe при высокодозной ионной имплантации. // Известия ву зов. Физика. – 1998. - № 11. – С. 15 - 24.
10. Гриценко Б.П. Роль акустических колебаний, генерируемых при тре нии, в разрушении материалов трибосистем. // Трение и износ. – 2005.
– Т. 26, - № 5. - C. 481-488.
11. Беспалов В.В., Гриценко Б.П. Некоторые особенности разрушения твердосплавных резцов. // Трение и износ. – 2000. – Т. 21. - № 5. – С.
511–517.
12. Панин С.В., Шаркеев Ю.П., Гриценко Б.П., Панин В.Е.. Изучение влияния ионно-легированного слоя на развитие пластической дефор мации поликристаллического алюминия на мезоуровне. // Поверх ность. – 1998. - № 6. - С. 56-65.
13. Sharkeev Yu.P., Gritsenko B.P., Fortuna S.V., Perry A.J. Modification of metals and hard coatings using vacuum-arc metal ion implantation. - Ion Implantation Technology-98. J. Matsuo, G. Takaoka and Yamada, eds. Pub lisher, IEEE, Piscataway. - N.J. - 1999. – P. 873-876.
14. Мейснер Л.Л., Сивоха В.П., Шаркеев Ю.П., Кульков С.Н., Грицен ко Б.П. Пластическая деформация и разрушение ионно модифицированного сплава Ni50Ti40Zr10 с эффектом памяти формы на мезо и макроуровнях. // Журнал технической физики. - 2000. Т. 70. - В. 1. - С. 32-36.
15. Karlov A.V., Kolobov Yu.R., Saguymbaev E.E., Gritsenko B.P.
Implantation der Ar – Ionen in Kalziumphosphatschichten // Biomedizinische Technik. – 2000. – B. 45. - № 1.- S. 109-110.
16. Колобов Ю.Р., Кашин О.А., Шаркеев Ю.П., Гриценко Б.П., Найденкин Е.В. Технологии обработки поверхности изделий технического и ме дицинского назначения высокоэнергетическими потоками для восста новления их геометрических размеров и увеличения сроков эксплуата ции. // Технология машиностроения. – 2006. - № 4. – С. 39-44.
17. Колобов Ю.Р., Кашин О.А., Веселов Ю.Г., Слосман А.И., Гриценко Б.П., Сагымбаев Е.Е., Гирсова Н.В. Повышение стойкости стального режущего инструмента с использованием методов ионного азотирова ния и ионной имплантации. // Техника машиностроения. – 2006. - № 3.
– С. 34- 39.
18. Денисов И.П., Кабанова Е.В., Гриценко Б.П., Яковлев В.Ю. Время разрешенная оптическая спектроскопия кристаллов деформированных одноосным сжатием. // Физика твёрдого тела. – 1992. - Т. 34. - № 7. - С.
1999-2006.
19. Pogrebnjak A.D., Gritsenko B.P., Pogrebnjak N.A., Ponariadov V.V., Ruzimov Sh.M., Kylyshkanov M.K. Structure and Properties of Al-Ni Coatings Before and After Irradiation by Charged Beam Particles. // Извес тия вузов. Физика, - 2006. – № 8. Приложение. - С. 446- 20. Гриценко Б.П., Беспалов В.В. Ионно-лучевой способ повышения изно состойкости материала изделий. / Патент РФ № 2192502, опубл. Бюл.
№ 31 от 10.11.02.
21. Гриценко Б.П., Шаркеев Ю.П., Вторушин В.В.. Способ ионно-лучевой обработки изделий / Пат. 2152455 Россия. МКИ С23С 14/48. Заявлено 31.12.1997;
Опубл. 10.07.2000, Бюл. № 19. – 8 с.
22. Гриценко Б.П., Рузаев А.Г., Костерина Н.Г., Черный С.А. Способ ион но-лучевой обработки изделий. / Авторское свидетельство № 1777391, от 23.04.90 г. Россия. МКИ С 23 С 14/48.
23. Афанасьев Н.И., Бугаев С.П., Гриценко Б.П. и др. Способ ионно лучевой обработки мелкоразмерного инструмента. / Авторское свиде тельство. № 1716819 Россия МКИ С 23 С 14/48. от 01.11.91. Приоритет от 12. 02. 90 г.
24. Гриценко Б. П., Беспалов В. В. Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Патент РФ № 2230920. МКИ С1 7 F02B 77/13. F02F 1/18. За явлено 07.10.2002. Опубл. 20.06.04, бюл. № 17. – 6 с.
25. Гриценко Б.П., Беспалов В.В., Рауба А.А., Попов А.Ю., Погребняк А.Д. Рельс для рельсового транспорта. / Пат. 2240394 Россия. МКИ С 7 E 01 B 5/02. Заявлено 17.12.2001;
Опубл. 20.11.2004. Бюл. № 32. 18 с.
26. Гриценко Б.П., Беспалов В.В.. Режущий инструмент. / Пат. Россия. МКИ В23В 27/00. Заявлено 20.06.2000;
Опубл. 27.10.2002.
Бюл. № 30. – 8 с.
27. Гриценко Б.П., Беспалов В.В. Катодный узел ионного источника. / Свидетельство на полезную модель № 29805. МКИ 7H 01 J 1/30. Заяв лено 09.09.2002;
Опубл. 27.05.2003. Бюл. № 15.
28. Сивоха В.П., Мейснер Л.Л., Гриценко Б.П. Материал на основе нике лида титана. / Патент РФ № 2191842. Заявлено 18.08.2000;
МКИ С С 19/03. Опубл. 27.10.02, бюл. № 30. – 6 с.
29. Гриценко Б.П., Колобов Ю.Р., Сагымбаев Е.Е., Кашин О.А. Способ повышения коррозионной стойкости режущего инструмента на основе стали. / Патент РФ № 2156831, МКИ С23С 14/48. Заявлено 26.01.1999;
Опубл. 27.09.2000, бюл. № 27. – 12 с.
30. Гриценко Б.П., Беспалов В.В. Влияние модификации приповерхност ных слоев материалов на износостойкость в трибологических парах.
// Proceedings of 6th international conference on modifications of materials with particle beams and plasma flows. Ed. By: G.A. Mesyats, S.D. Korovin, A.I. Ryabchicov. 23-28 September 2002, Tomsk, Russia. - P. 432-434.
31. Legostaeva E.V., Panin S.V., Gritsenko B.P., Sharkeev Yu.P. Investigation of wear and friction for ion implanted steel. Proceedings of 1st International Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and modification of materials. Tomsk. – 2000. - V. 3. - P. 356-359.
32. Gritsenko B.P., Bespalov V.V. Formation of Near-Surface Layers of Mate rials for Tribologic Pairs. Proceedings of 1st International Congress on Ra diation Physics, High Current Electronics, and modification of materials.
Tomsk. – 2000. - V. 3. - P. 338-340.
33. Легостаева Е.В., Гриценко Б.П., Панин С.В. Сравнительное исследова ние характера пластической деформации и износа при трении ионно имплантированной стали 45 на различных масштабных уровнях. 10-я Международная конференция по радиационной физике и химии неор ганических материалов. Томск. – 1999. - С. 230-232.
34. Sharkeev Yu.P., Gritsenko B.P., Fortuna S.V., Perry A.J. Modification of metals and hard coatings using vacuum-arc metal ion implantation. X11 th International Conference on Ion Implantation Technology. Kyoto, Japan, Jule 22-26, 1998. Proceedings of the 12th International Conference “Ion Implantation Technology IIT98”, Kyoto, Japan, Jule 22-26, 1998. Trans IEEE, to be published.
35. Gritsenko B.P., Krukovskii K.V. and Kashin O.A. The Influence of the Type of Implanted Ions on the Wear Kinetics -Iron and Steel 45. Proceed ings of 7th International Conference on Modifications of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Ed. by: S.D. Korovin, A.I. Ryabchicov.
Tomsk, Publishing house of the IAO SB RAS, 2004. - Р. 309-311.
36. Гриценко Б.П., Круковский К. В., Гирсова Н.В., Кашин О.А. Влияние высокодозной ионной имплантации на износостойкость армко-железа и стали 45. // Славянтрибо-6. Интегрированное научно-техническое обеспечение качества трибообъектов, их производства и эксплуатации:
Материалы международного научно-практического симпозиума. - Ры бинск: РГАТА, 2004. Т.1. С. 135-140.