Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
12
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів
ЧЕРНЕГА СВІТЛАНА МИХАЙЛІВНА
УДК 621.785:621.793
наукові основи створення кавітаційностійких захисних покриттів на сталях
Спеціальність: 05.16.01-Металознавство та термічна обробка металів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ –
Дисертація є рукопис
Роботу виконано в Національному технічному університеті України
“Київський політехнічний інститут”.
|
Науковий консультант: |
доктор технічних наук, професор Лоскутов Володимир Федорович. Професор кафедри металознавства та термічної обробки НТУУ ”КПІ”. |
|
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор Мельник Петро Іванович. Прикарпатський університет ім. В.Стефаника. Професор кафедри матеріалознавства та новітніх технологій. доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник ПодрєзовЮрій Миколайович. Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділуфазових перетворень. доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шипицин Сергій Якович. Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу дисперсійного зміцнення сплавів. |
Провідна установа: Інститут металофізики ім.Г.В. Курдюмова НАН України
Захист відбудеться ”_____” ____травня______2007 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, за адресою:
, м. Київ - 142, пр. Вернадського, 34/1
З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України
Автореферат розісланий ”_12___” ____квітня_____ 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, с.н.с. Тарасевич М.І.
Актуальність теми. Удосконалення конструкцій деталей машин і механізмів, що працюють у потоці рідини, призводить до прискорення швидкості їх руху і, як наслідок, до посилення руйнування у результаті кавітації. Кавітаційна довговічність деталей може бути суттєво підвищена за рахунок застосування матеріалів, стійких до кавітації. Створення об'ємнолегованих спеціальних сплавів дозволяє одержати досить високу кавітаційну стійкість виробів. Однак такий шлях боротьби з кавітацією не завжди доцільний, оскільки до складу більшості високолегованих сталей і сплавів входять дорогі і дефіцитні елементи. До того ж, ці сплави відрізняються низькою технологічністю.
Оскільки кавітаційне руйнування розвивається на поверхні деталі, альтернативою об’ємному легуванню може бути створення кавітаційно-корозійно стійких покриттів на дешевих залізовуглецевих сталях. Проведені дослідження в Україні і за кордоном (Погодаєвим Л.І., Абачараєвим М.М., Ворошніним Л.Г., Векслером Ю.Г., Некозом О.І., та інш.) з розробки та використання дифузійних, газотермічних покриттів для захисту металевих виробів від дії кавітації, свідчать про перспективність пошуків у цьому напрямку.
Незважаючи на успіхи у світовій та вітчизняній науці щодо розробки кавітаційностійких легованих сплавів, практично відсутня комплексна система вибору матеріалу покриттів, оптимізації їх структури та цілеспрямованого керування властивостями покриттів. Необхідність створення такої системи уявлень, при розробці та впровадженні кавітаційностійких покриттів, обумовлена суттєвим підвищенням вимог до деталей та приладів нового покоління, які працюють у наджорстких імпульсно-швидкісних умовах та у корозійно-активних середовищах.
Для оптимізації існуючих способів та вдосконалення технології зміцнення поверхні шляхом створення захисних покриттів необхідно з’ясувати механізми їх кавітаційного руйнування, розробити критерій оцінки їх стійкості і на цій основі визначити характеристики приповерхневих шарів та закономірності формування оптимальних структур, що адекватно відображають здатність матеріалу протистояти кавітаційно-корозійному руйнуванню.
Саме тому створення наукових принципів вибору матеріалів покриттів, будови шарів, методів оцінки їх стійкості, та розробка кавітаційностійких покриттів із заданим та керованим комплексом властивостей є актуальною проблемою.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає основним науковим напрямкам роботи НТУУ-„КПІ” і виконувалася в рамках тем відомчого замовлення; робота мала зв’язок з темами №2524, 2727 ”Багатокомпонентні покриття за участю хрому”, що розроблялася згідно завданню Міністерства освіти і науки України; № держреєстрації 01044008782 „Підвищення експлуатаційних характеристик деталаей машин та інструментів захисними покриттями”; № держреєстрації 0104U008780 „Підвищення експлуатаційних характеристик багатокомпонентнх карбідних покриттів на сталях”; № держреєстрації 0103U008730 „Підвищення працездатності деталей машин і інструмента шляхом посилення захисних покриттів”; № держреєстрації 0103U008729 „Розробка та впровадження матеріалозберігаючих технологічних процесів виготовлення зносостійких деталей шляхом нанесення захисних покриттів на залізовуглецеві сплави”;
Мета роботи і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці наукових принципів створення кавітаційностійких захисних покриттів на сталях, які ґрунтуються на комплексному експериментальному дослідженні та теоретичному аналізі механізмів кавітаційного зношування.
Основні завдання. Для досягнення поставленої мети вирішено наступні задачі:
1. Дослідити механізми руйнування дифузійних та газотермічних покриттів в умовах кавітаційно-корозійного впливу. Розробити методи оцінки стійкості матеріалів покриттів та прогнозування їх працездатності за умов експлуатації у мікроударних умовах кавітації. Встановити фізичні та матеріалознавчі критерії вибору покриттів.
2. Дослідити кавітаційну стійкість вуглецевих сталей з газотермічними покриттями та дифузійними покриттями на основі карбідів перехідних металів і легованих боридів заліза. Визначити оптимальні способи отримання, склади та структури кавітаційностійких покриттів.
3. Встановити зв’язок між фізико-механічними характеристиками покриттів (мікротвердістю, мікрокрихкістю, мікропористістю, величиною та знаком залишкових напружень, тріщиностійкістю, розміром зерна, напруженнями сколювання), їх структурою та кавітаційно-корозійною стійкістю.
. Дослідити роль корозійного фактору руйнування у залежності від характеристик робочої рідини та умов мікроударного навантаження при кавітації. Розробити технологічні рішення, щодо нанесення дифузійних покриттів для експлуатації в умовах кавітаційно-корозійного руйнування.
5. На основі дослідження закономірностей формування оптимальних структур кавітаційностійких покриттів розробити технології їх промислової реалізації.
Об’єктом дослідження є дифузійні та газотермічні покриття та механізми їх кавітаційного зношування.
Предметом дослідження є склади, структура, властивості, характеристики дифузійних багатокомпонентних легованих боридних, карбідних, на основі перехідних металів, та газотермічних покриттів, їх взаємозв’язок із кавітаційною стійкістю.
Методи дослідження- магнітострикційний ультразвуковий метод кавітаційного зношування, рентгенівський фазовий аналіз, мікроструктурний аналіз, локальний рентгеноспектральний аналіз, спектральний аналіз, дюрометричний аналіз, вимірювання тріщиностійкості проводили методом індентування, гравіметричний метод, корозійні дослідження проводили потенційностатичним методом.
Достовірність та обґрунтованість результатів досліджень і висновків дисертації підтверджується значним обсягом експериментальних даних, отриманих з використанням сучасних методів дослідження; статистичною обробкою експериментальних даних та їх кількісною оцінкою за допомогою комп'ютерного моделювання; залученням фундаментальних положень фізики ударних явищ, гідродинамічних процесів при кавітації, хіміко-термічної обробки поверхні сталей; узгодженістю параметрів фізико-механічних характеристик та структури одержаних покриттів із процесом кавітаційного зношування, визначених в умовах фізичного та обчислювального експериментів; позитивними результатами численних стендових досліджень та дослідно-промислових випробувань; апробацією і публікаціями роботи протягом останніх 20 років.
Наукова новизна.
1. Вперше запропоновано концептуальний підхід до створення кавітаційностійких покриттів, який ґрунтується на розробці критеріїв вибору їх типу і хімічного складу, а також технології їх нанесення.
Розроблено оригінальні критерії вибору кавітаційностійких матеріалів, що розділяються на три категорії:
Розроблені критерії використано у роботі для створення нового класу покриттів на основі боридів та карбідів перехідних металів, які були отримані методом хіміко-термічної обробки; запропоновано раціональні способи і режими отримання покриттів та оптимальні суміші насичуючих вихідних порошкових середовищ.
. Запропоновано нові технологічні рішення отримання захисних дифузійних легованих боридних та карбідних, на основі перехідних металів, покриттів, які мають високу стійкість за умов кавітаційно-корозійного зношування; розроблено способи та склади для нанесення на поверхню сталей та сплавів карбідних одно- та багатокомпонентних покриттів, та легованих боридних покриттів, які захищені авторськими свідоцтвами та патентами.
. Вперше встановлено механізм руйнування моно- та багатокомпонентних шарових покриттів за умов кавітаційної дії. На основі аналізу механізму кавітаційного руйнування встановлені кавітаційностійкі типи захисних покриттів: дифузійні леговані боридні - (Fe,Cr)B, (Fe,Cr)B, (Fe,V)B, (Fe,V)B; дифузійні комплексні карбідні - CrC, CrC, VC, (ZrС+ CrC+CrC), (CrC+CrC+NbС); газотермічні покриття евтектичного типу 12Х18Н9Т-TiB-VC, 12Х18Н9Т-TiB-CrB з обов’язковим лазерним оплавленням.
4. Вперше встановлено особливості впливу корозійного фактору на процес кавітаційного руйнування покриттів за умов безперервної кавітації та при циклічному кавітаційно-корозійному впливі і показано, що в умовах циклічних випробувань посилюється руйнування на стадії корозії та кавітації в 1,5...3 рази, а швидкість кавітаційного руйнування переважає корозійне на 2...3 порядки у залежності від агресивності середовища.
Практична значимість отриманих результатів.
Розроблено критерії оцінки стійкості покриттів в умовах кавітації по параметрах мікротвердості та тріщиностійкості, які дозволяють прогнозувати та визначати стійкість покриттів без тривалих стендових чи натурних досліджень. Практичні рекомендації роботи дозволили отримати нові зносостійкі дифузійні покриття на основі карбідів хрому та боридів заліза, легованих хромом, для експлуатації в умовах кавітаційно-корозійного впливу. Розробки захищено 20 авторськими свідоцтвами та патентами України. На основі проведених промислових випробувань встановлено, що використання отриманих результатів для керування складом, структурою, товщиною та напруженим станом покриттів, дозволяє забезпечити їх високу кавітаційну стійкість. Розроблені методи розширюють перспективи створення нових типів покриттів для застосування в умовах кавітаційно-корозійного впливу у різних галузях народного господарства. Створені нові покриття були успішно використані для захисту втулок циліндрів двигунів внутрішнього згоряння та на підприємствах харчової промисловості для захисту елементів конструкцій насосів.
Основні теоретичні положення, методика атестації кавітаційної стійкості сталей із захисними покриттями впроваджено в учбовий процес кафедри металознавства і термічної обробки НТУУ "КПІ" в якості спеціальних розділів у курсі “матеріалознавство” та при підготовці магістрів та аспірантів кафедри.
Особистий внесок здобувача.
У дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, виконаних безпосередньо автором або колективом співробітників під його керівництвом. Під час роботи з колективом автор формулював мету, завдання, розробляв методику досліджень, аналізував та узагальнював отримані результати. Матеріали дисертаційної роботи не містять ідей та розробок, що належать співавторам. Особистий внесок полягає в тому, що, будучи керівником та відповідальним виконавцем науково-дослідних робіт, вона брала участь у розробці ідеї і концепції всіх досліджень, постановці мети і задач. Брала безпосередню участь в експериментах, у розробці методик. Нею самостійно виконанні розрахунки, аналіз та обробка експериментальних даних, узагальнення одержаних результатів. Написання статей у співавторстві виконувалося під керівництвом і при безпосередній участі автора. Нові наукові та теоретичні положення дисертації належать авторові. Освоєння та впровадження технологій у виробництво здійснювалося при безпосередній участі автора спільно із співробітниками кафедри “Металознавства і термічної обробки металів” НТУУ “КПІ”та працівниками відповідних підприємств.
Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати та матеріали, представлені в дисертації, були оприлюднені та пройшли апробацію на наукових конференціях: Всесоюзні науково-технічні конференції."Новые материалы и технологии термической обработки металлов", Москва- Киев, 1985г.;"Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении", Москва-Тольятти, 1986г.; "Современные процессы поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента", 1985, Пенза; "Повышение и надежность долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико-термической обработки", Москва- Хмельницкий,1988г.; Куйбышев XII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов, 1989 г.; XXIII семинар по диффузионному насыщению и защитным покрытиям "Нанесение, упрочнение и свойства защитных покрытий", 1990 г., Ив-Франковск.; Современные технологические процессы упрочнения и восстановления деталей. Республ.н.-техн. конф., 1991 г., Новополоцк.; Міжнародна науково-техн.конф. “Розроблення та впроваджня прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість”, 1997р. Київ, Україна; SECOND INTERNATIONAL CONFERENCE “Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Aplications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization” PROCEEDINGS OF CONFERENCE, 2002, Katsiveli.; VII INTERNATIONAL CONFERENCE MACHINE BUILDING TECHINICS AND TECHNOLOGY AMTECH-2003 Varna, Bulgaria; 6-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, 2003р.; Міжнародний симпозіум інженерів-механіків DYNAMICS, STRENGTH AND RELIABILITY OF AGRICULTURAL MACHINES, 2004, Ternopil.
Публікації. Основні положення дисертації викладено у 105 друкованих працях, з них: 52 статей, 20 патентів, 33 тез наукових конференцій. Новизну отриманих результатів підтверджено 16 авторськими свідоцтвами СРСР(№ 876781 , № 1426131,
№ 1463802 , № 1571102, №1448755, , №1317977, №1300969, №1446955, №1573051, №1588802, №1650770, №1659527, №1659528 , №1721121 ), та 5 деклараційними патентами України на винахід(17.03.2003.- Бюл. №3.- 54924 А.,54925 А., 54844 А., 15.12.2003.- Бюл. №12.- 62739А.). Перелік основних із них подано в кінці автореферату.
Структура дисертації. Робота обсягом с. складається з вступу, 7 розділів, загальних висновків, 134 рисунків, 44 таблиць і цитованої літератури з 304 найменувань, 2 додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрито суть і стан наукової проблеми, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, а також визначено новизну і практичну цінність отриманих результатів.
В першому розділі проаналізовано сучасний рівень досягнень у вирішенні проблеми підвищення довговічності сталевих деталей машин, механізмів, що працюють в умовах інтенсивного кавітаційно-корозійного зношування. Розглянуто два головні напрямки її вирішення, а саме: використання високолегованих (нестабільних аустенітних та мартенситностаріючих) сталей; нанесення захисних покриттів.
Показано, що з технологічної та економічної точок зору найбільш перспективним шляхом підвищення кавітаційної стійкості виробів є дифузійне насичення їхнього поверхневого шару різними комбінаціями легуючих елементів за технологією хіміко-термічної обробки. У зв’язку з цим обґрунтовано економічно-доцільну технологію нанесення покриттів. Хіміко-термічна обробка дозволяє істотно змінити у заданому напрямку фізико-механічні та електрохімічні властивості поверхневих шарів деталей. Можливість обробки деталей будь-якої конфігурації, відносна простота процесу, а також можливість зміни у широких межах параметрів покриттів сприяють широкому впровадженню дифузійного насичення у промисловість.
Обґрунтовано вибір матеріалу основи, на який наноситься покриття. Вибір вуглецевих сталей обумовлений тим, що з них виготовляється більшість деталей машинобудівної, хімічної, харчової та інших галузей промисловості, які порівняно швидко виходять з ладу за умов інтенсивного кавітаційно-корозійного впливу.
У кінці першого розділу описано методики механічних та структурних досліджень, що використовувалися у роботі. Кавітаційні дослідження зразків здійснювали за допомогою магнітострикційного вібратора при частоті коливань 22 кГц, що живиться від ультразвукового генератора УЗДН-2Т. Кавітаційні випробування проводили в водопровідній воді та 3 % розчині морської солі у воді. Кавітаційну стійкість зразків визначали за критерієм втрати маси, яку вимірювали через кожні 0,5 год. обробки. Загальний термін випробувань складав 12...15 год., що є достатнім для екстраполяції на довший термін. Визначення втрати маси зразків проводили на терезах марки ВЛР-200Г з точністю 5·10-7кг.
Мікроструктурні дослідження проводили на металографічному мікроскопі Neophot-21 та растровому електронному мікроскопі JSM-35C. Мікроструктура дифузійних шарів на сталях досліджена на растровому електронному мікроскопі СКАН-S4-10 з мікрорентгеноспектральною приставкою LNK System-290. Фазовий рентгенівський аналіз провадився на установці ДРОН-2 у мідному випромінені з нікелевим фільтром при U=35 mV, J=10 mA. Дюрометричний аналіз та визначення мікрокрихкості проводили при застосуванні приладу ПМТ-3. Для визначення параметру тріщиностійкості застосовували метод індентування Еванса –Чарльза. Залишкові напруження у дифузійних шарах досліджували методом стравлювання на приладі, розробленому в НТУУ "КПІ". Визначення корозійної стійкості зразків з вуглецевих сталей із дифузійними покриттями і без таких проводили гравіметричним і потенціостатичним методами із застосуванням потенціометру П-5848, використовуючи як корозійні середовища водопровідну воду та 3% розчин морської солі у воді.
У другому розділі запропоновано физичні та матеріалознавчі критерії вибору складу та структури покриттів. На основі аналізу високошвидкісних ударних явищ обґрунтовано вибір матеріалу кавітаційностійких одношарових і багатошарових покриттів шляхом врахування його фізичних характеристик, які впливають на акустичний опір матеріалу: щільність (), модуль Юнга(Е), швидкість звуку(с).
Показано, що критерієм кавітаційної стійкості захисних покриттів є виконання співвідношення між величинами акустичного опору покриття (ρс • сс), матриці (ρm • сm ) і кавітуючої рідини(l • сl): l • сl < c • сc >m • сm у випадку одношарових покриттів або : l • сl <ρс1 • сс1 ρс2 • сс2 ρс3 • сс3 ρс4 •сс4…ρсn • ссn ρm • сm –у випадку багатошарових покриттів. За результатами експериментальних досліджень встановлено, що дифузійні покриття на основі карбідів перехідних металів хрому, ванадію і титана та легованих відповідно хромом чи ванадієм боридів заліза забезпечують високий ступінь захисту металевої матриці в умовах кавітації.
Теоретично обґрунтовано вимоги до мінімальної товщини захисного шару покриття hc, яка забезпечує загасання ударних хвиль у покритті. Це сприяє запобіганню виникнення відбиттої ударної хвилі від границі розділу фаз і, як наслідок, усуває можливість ініціюювання зародження поперечних підповерхневих тріщин, які відповідають за зношування. Мінімальна товщина захисного шару (hс) розраховується з нерівності:
, (1)
де d –діаметр кумулятивного струменя рідини, який виникає в результаті схлопування кавітаційного пухирця (за даними випробуваннями становив d=1...2 мкм). Нерівність базується на законі збереження кількості руху при переході через границю розподілу фаз. Таким чином, hс –мінімальна товщина шару матеріалу, яка дозволяє не враховувати відображення ударних хвиль у захисному шарі.
Теоретичні оцінки товщини захисного покриття, що виконані за рівнянням (1), підтверджено результатом експериментів з кавітаційного зношування дифузійних карбідних, боридних і газотермічних плазмових і детонаційних покриттів систем: Ni –Cr –Al –J, 12Х18Н9Т –TiВ –VC, 12Х18Н9Т –TiВ –CrВ. Результати експериментів показали, що товщина дифузійних карбідних покриттів, яка забезпечує високу кавітаційну стійкість, знаходиться на рівні 20 –мкм.
Якщо нерівність (1) не виконується, необхідно брати до уваги явище відбиття ударних хвиль від міжфазних границь (рис.1, рис.2). Послаблення напружень при переході через міжфазну границю у нижній шар можна виразити через співвідношення акустичних опорів (ρ·с) шарів покриття:
, (2)
де r –напруження відображеної хвилі, а t –напруження хвилі, що пройшла в нижній шар. G= ρ·с –акустичний опір верхнього шару, G= ρ∙с –акустичний опір нижнього шару покриття.
Якщо G << G, то спостерігається майже повне відображення імпульсу, якщо ж G ≈ G, то напруження майже цілком передається через границю наступному шарові. Таким чином, в покриттях із шаруватою будовою імпульс напруження може бути розділений та більш послаблений порівняно з однорідним шаром. Однак це можливо лише при достатній адгезії шарів.
G1
σft
σfr
σf1
d0. 1. .
Виконання запропонованих критеріїв, які грунтуються на фізиці ударних явищ, є необхідною умовою для вибору кавітаційностійких захисних покриттів.
Оцінка структури та напруженого стану покриттів визначає матеріалознавчі критерії проектування кавітаційно-стійких захисних покриттів.
В роботі запропоновано оцінювати працездатність матеріалів покриттів за умов мікроударного впливу при кавітації, використовуючи загальні принципи теорії зношування. Виходячи з цих міркувань, оцінка кавітаційного зношування матеріалів проводилась по характеристиках твердості, як міри пластичності матеріалу, та тріщиностійкості, яка є мірою в'язкості руйнування матеріалу.
На основі проведених експериментів (рис.3) отримана емпірична залежність зносу при кавітації від мікротвердості (H) та тріщиностійкості (K1c) досліджених матеріалів:
, (3)
де G – втрата маси; d(G/ρ)/dt - втрата об’єму V в одиницю часу; m, n -емпіричні константи, А – стала величина, що зв'язує зазначені механічні характеристики зі значенням зносу при кавітації. Визначення показників ступеня m, n та параметра А, проводили по результатах досліджень кавітаційного зношування покриттів: Cr23C6, Cr7C3, VC, ZrC, Nb, Ti, (Zr - Cr)C, (Si - Cr)C. Оскільки в теорії зношування залежність швидкості зношування dV/dt від енергії гідравлічного удару (Е) та механічних характеристик матеріалу (тріщиностійкості K1c та мікротвердості H) записується у вигляді :
, (4)
з порівняння виразів (3) та (4) випливає, що параметр А характеризує енергетичні витрати на процес кавітаційного зношування.
Для визначення показників m і n, при побудові залежності (3), використовували мінімізацію функціонала:
f(m,n) = [G i - (K1c )i m· (H ) i n]2, (5)
де ΔGi – втрата маси при кавітації i-го зразка. Параметри m і n, що визначають мінімум f(m,n), обчислювали за допомогою комбінації методів загального і випадкового пошуку, та методу найменших квадратів. Після лінеаризації рівняння (5) одержали залежність:
G = A(K1c ) m· (H )n , (6)
і за допомогою методу найменших квадратів визначали як значення m і n, так і величину A. В результаті одержали наступні значення коефіцієнтів: А =1,953; m = -0,733; n = -0,384. Як зазначено вище, коефіцієнт А відображує потужність удару і є константою, визначеною для конкретної експериментальної установки чи умов випробувань.
Таким чином, рівняння, що зв'язує кавітаційне зношування покриттів з характеристиками їх тріщиностійкості і мікротвердості, має вигляд:
ΔG=1,953K1c-0,733·Hμ-0,384. (7)