Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
КРУКОВСКИЙ Константин Витальевич
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТИТАНА ВТ1-0 И СПЛАВОВ ПТ-3В И ВТ6 С КРУПНОЗЕРНИСТОЙ И УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ
05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов 01.04.07 Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Томск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждение науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН Научный руководитель доктор технических наук, доцент Кашин Олег Александрович Научный консультант доктор технических наук, доцент Гриценко Борис Петрович Официальные оппоненты доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией физикохимии порошковых материалов, ИФПМ СО РАН Прибытков Геннадий Андреевич кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией металлографии, ОСП СФТИ ТГУ Табаченко Анатолий Никитович Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Защита состоится л11 мая 2012 г. в 1430 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр-кт Академический, 2/4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.
Автореферат разослан л__ апреля 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук О.В. Сизова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Титан и его сплавы на сегодняшний день являются одними из перспективных металлических материалов для современной техники и медицины. Однако низкое сопротивление изнашиванию титана и его сплавов значительно ограничивает сферу их применения. Тем не менее, титан и его сплавы используют в трибосопряжениях, где по условиям эксплуатации требуются высокая коррозионная стойкость в сочетании с низким весом, но при этом предполагается кратковременная работа узла, либо для повышения износостойкости используют различные методы модификации поверхности изделий или нанесение покрытий.
В настоящее время использование методов интенсивной пластической деформации для формирования ультрамелкозернистой структуры в титане и титановых сплавах позволило повысить их прочностные свойства, что открыло новые перспективы их применения. В литературе имеется сравнительно небольшое количество сведений о трении и изнашивании титана и его сплавов с ультрамелкозернистой структурой, а сделанные в этих работах выводы противоречивы. По-видимому, это обусловлено неполным учетом особенностей ультрамелкозернистой структуры, характеризующейся не только малым размером зерен, но и высокой неравновесностью. Таким образом, актуальным является выяснение факторов, определяющих закономерности трибологического поведения ультрамелкозернистых титана и его сплавов.
Разработаны достаточно эффективные способы повышения износостойкости титана и титановых сплавов путем модификации поверхности либо нанесения покрытий. Однако для материалов с ультрамелкозернистой структурой эти способы не всегда пригодны, поскольку большинство из них предполагает высокое и продолжительное термическое воздействие. Поэтому исследование возможности повышения износостойкости титана и его сплавов с ультрамелкозернистой структурой также является актуальной задачей.
В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является изучение закономерностей изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой при трении с граничной смазкой, а также исследование возможности повышения износостойкости этих материалов методами высокодозной ионной имплантации и электроискрового легирования.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:
1. Провести аттестацию структуры титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6 в исходном состоянии и после формирования ультрамелкозернистой структуры по различным технологическим схемам.
2. Исследовать закономерности изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой в условиях трения с граничной смазкой.
3. Выявить наиболее значимые параметры структуры ультрамелкозернистых материалов (размер зёрен, фазовый состав, степень неравновесности струк туры), оказывающие определяющее влияние на закономерности их изнашивания.
4. Определить параметры высокодозной ионной имплантации и электроискрового легирования, обеспечивающие наибольшую износостойкость исследуемых материалов.
Научная новизна. Установлено, что в исследованных условиях интенсивность изнашивания сплавов ПТ-3В и ВТ6 выше, чем у титана технической чистоты ВТ1-0, и ее величина максимальна для сплава ВТ6, имеющего наибольшие концентрации легирующих элементов.
Разработана методика оценки неравновесности структуры с использованием метода дифракции обратно рассеянных электронов.
На основе проведенных экспериментальных исследований сформулированы общие закономерности и различия элементарных механизмов изнашивания нелегированного титана технической чистоты ВТ1-0 и титановых сплавов ПТ-3В, ВТ6.
Показано, что при испытаниях в исследованных условиях определяющим параметром для всех исследованных материалов является степень неравновесности структуры: чем выше степень неравновесности структуры, тем выше интенсивность изнашивания.
Практическая значимость. Установленная в работе более высокая интенсивность изнашивания сплавов ПТ-3В и ВТ6 по сравнению с титаном технической чистоты ВТ1-0 как в крупнозернистом, так и в ультрамелкозернистом состоянии позволяет рекомендовать для применения в трибосопряжениях нелегированный ультрамелкозернистый титан.
Выявленная в работе корреляция интенсивности изнашивания со степенью неравновесности ультрамелкозернистой структуры может быть использована для выработки рекомендаций по корректировке технологических режимов получения ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ1-0 и сплавах ПТ-3В и ВТ6, чтобы обеспечить, наряду с повышением прочностных характеристик, и повышение сопротивления изнашиванию.
Результаты по влиянию сорта имплантируемых элементов при высокодозной имплантации и материалов электрода при электроискровом легировании на закономерности изнашивания могут использоваться для повышения износостойкости титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6 как с крупнозернистой, так и с ультрамелкозернистой структурой.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика оценки относительной степени неравновесности структуры ультрамелкозернистых металлов и сплавов по параметру, рассчитанному на основании данных компьютерной обработки картин дифракции обратнорассеянных электронов.
2. Экспериментально установленное образование на поверхности трения образцов крупнозернистого титана и ультрамелкозернистого титана с равновесной структурой износостойких вторичных структур в виде островков, предположительно содержащих мелкодисперсный диоксид титана, которые предотвращают адгезионный механизм изнашивания.
3. Определяющее влияние степени неравновесности ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ1-0 и сплавах ПТ-3В и ВТ6 на интенсивность их изнашивания: чем больше степень неравновесности структуры, тем выше интенсивность изнашивания.
4. Повышение износостойкости титана ВТ1-0 с крупнозернистой структурой путем высокодозной имплантации ионов алюминия, обеспечивающей формирование в поверхностном слое титана износостойких ультрадисперсных интерметаллидных частиц Ti3Al.
Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается использованием современных апробированных методик исследования, анализом литературных данных, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных, статистической обработкой результатов эксперимента.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на Всероссийской конференции молодых ученых Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии (Томск, 2006 г.), III Всероссийской конференции студентов и молодых ученых Перспективы развития фундаментальных наук (Томск, 16-19 апреля 2006 г.), VI Всероссийской школе-семинаре Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2006 (Томск, 13-16 июня 2006 г.), XVI Международной конференции Физика прочности и пластичности материалов (Самара, 26 - 29 июня 2006 г.), IV Всероссийской конференции студентов и молодых ученых Перспективы развития фундаментальных наук (Томск, 15-18 мая 2007 г.), VII Всероссийской школе-семинаре Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2007 (Томск, 13-15 июня 2007 г.), VIII Международной конференции Трибология и надежность (Санкт-Петербург, 2008 г.), 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (September 21 - 26, Tomsk, Russia, 2008), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов (Белгород, 16 - 20 ноября 2009 г.), I Международная научно-практическая конференция Технология, материалы, транспорт и логистика:
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ TMTLТ10 (20-24 сентября 2010 г., Ялта, Украина), Открытой школе-конференции стран СНГ Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2010 (Уфа, 11-15 октября 2010), Научно - технической конференции с участием иностранных специалистов Трибология - машиностроению, посвящённая 120 - летию со дня рождения проф. М.М. Хрущова (Москва, 7-9 декабря 2010 г.), V Международной научно-технической конференции Современные методы и технологии создания и обработки материалов (Минск, 15-17 сентября 2010 г.), XII Международной конференции Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов ДСМСМС-2011 (Екатеринбург, 13-16 июня 2011 г.), Международной конференции Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов (Томск, 5-9 сентября 2011 г.), XI Международной конференции Трибология и надёжность (27-29 октября 2011 г. СанктПетербург).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, из них 5 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 18 докладов и тезисов - в материалах научных конференций различного уровня.
ичный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задачи диссертации, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 91 наименование. Всего 171 страница машинописного текста, в том числе 75 рисунков и 7 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.
Первый раздел посвящен обзору литературных данных о теоретических основах трибологии и основных терминах и определениях, используемых в настоящее время в литературе при описании экспериментальных данных по изучению закономерностей изнашивания материалов. Проведён анализ литературных данных о закономерностях изнашивания титана и его сплавов в различных условиях: со смазкой и без смазки; при различной нагрузке и скорости, на воздухе, в атмосфере различных газов и в вакууме; в паре с различными материалами. Рассмотрены различные методы повышения износостойкости титана и его сплавов, описаны их достоинства и недостатки.
Второй раздел посвящён постановке задачи исследования и содержит описание используемых в работе материалов и методики экспериментальных исследований. В работе исследованы технически чистый титан ВТ1-0, сплавы ПТ-3В и ВТ6 с крупнозернистой (КЗ) и ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, химический состав которых приведен в таблице 1.
Таблица 1. Химический состав (вес. %) исследуемых материалов.
Al V Zr Si Fe C O2 N2 HВТ1-0 0,5 0,09 0,18 0,07 0,12 0,04 0,ПТ-3В + 4,66 1,92 0,02 0,013 0,006 0,004 0,096 0,006 0,0ВТ6 + 6,2 4,0 0,02 0,038 0,13 0,006 0,168 0,010 0,0УМЗ структура в титане ВТ1-0 и сплавах ПТ-3В и ВТ6 была сформирована по различным схемам термомеханических обработок с использованием метода всестороннего изотермического прессования (авс-прессования) с дополнительной прокаткой при разных температурах. Формирование ультрамелкозернистой структуры с заданными параметрами проводили в рамках Госконтракта № 02.447.11.2002 в Учреждениях Российской академии наук Институте проблем сверхпластичности металлов РАН (г. Уфа) и Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (г. Томск).
Рентгеновский структурно-фазовый анализ проводили на дифрактометре ДРОН-7 с излучением CoK. Помимо съемки с геометрией по Брэггу-Брентано, использовали асимметричную схему скользящего луча. Морфологию поверхностей трения исследовали на оптическом микроскопе AXIOVERT-200 М и на растровом электронном микроскопе EVO 50 фирмы Карл Цейс (Германия).
Химический состав поверхности определяли методом микрорентгеноспектрального анализа с использованием приставки энергодисперсионного анализа INCA Oxford Instruments. Исследование структуры методом дифракции обратно рассеянных электронов (ДОЭ) также проводили на микроскопе EVO 50 с использованием приставки NORDLYS Oxford Instruments HKL Technology. Получение и обработка результатов по методу ДОЭ производились с помощью программного обеспечения CHANNEL 5. Аттестацию структурно-фазового состояния исследуемых образцов проводили методом просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе ЭМ-125К.
Для оценки степени неравновесности микроструктуры в работе была разработана методика, основанная на методе автоматического анализа картин дифракции обратнорассеянных электронов. Для всех исследуемых материалов с помощью данного метода были получены карты качества картин дифракции.
Построение карты осуществляется пошаговым сканированием поверхности образца от точки к точке, в каждой точке происходит оценка и детектирование дифракционной картины (Кикучи-линий). Высокая плотность дефектов, таких как дислокации, внутренние границы раздела, точечные дефекты, а также вызванные данными дефектами искажения кристаллической решётки (присущие материалам, полученным интенсивной пластической деформацией) приводят к искажению Кикучи-линий, к их размытию и снижению интенсивности. При достаточно высокой плотности дефектов дифракционная картина не может быть проанализирована программным обеспечением, и точка обозначается на карте как не детектированная. Чем выше плотность дефектов в объеме материала, то есть чем более неравновесна структура, тем меньше количество детектированных точек. Процентное отношение детектированных точек к общему количеству точек на заданной площади мы обозначили как коэффициент детектирования Kdet. По величине этого параметра можно оценить относительную степень неравновесности структуры материала, полученного по различным режимам: чем меньше значение коэффициента детектирования, тем выше неравновесность структуры. При исследовании по методу ДОЭ ускоряющее напряжение на микроскопе составляло 20 кэВ, ток пучка - 10 нA, шаг сканирования для крупнозернистых материалов - 5 мкм, для ультрамелкозернистых - 0,2 мкм.
При анализе величины коэффициента детектирования необходимо также учитывать изменение протяженности границ зерен. По нашим оценкам, при изменении размера зерен на 3 порядка коэффициент детектирования может уменьшиться на 30%.
Триботехнические испытания проводились по схеме диск-палец на машине трения, аналогичной УМТ-1. Образцы имели форму параллелепипеда с размерами 5540 мм. Одновременно устанавливали по 3 образца для обеспечения устойчивой плоскости трения. Образцы перед установкой подвергали механической шлифовке и электролитической полировке для снятия наклёпанного слоя. Контртелом служил диск диаметром 200 мм из закаленной стали ШХ 15 (HRC = 62-65). Нагрузка при испытаниях титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6 составляла 25 Н. Скорость при испытании всех образцов составляла 3 м/с.
В качестве граничной смазки применяли индустриальное масло И-20.
Ионную имплантацию образцов проводили на технологическом ускорителе ионов ДИАНА-2. При модификации поверхности методом высокодозной ионной имплантации использовали ионы С, Si, Al, Ni, Nb, Mo. Ускоряющее напряжение при имплантации составляло 60 кВ, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность - 200 мкс. При имплантации титана ВТ1-0 и сплавов ПТ3В и ВТ6 ионами C и Si флюенс составлял 1017 ион/см2, при имплантации ионами Mo, Ni, Al, Nb - 51017 ион/см2. Образцы перед ионной имплантацией подвергали шлифовке и электролитической полировке.
Поверхностную модификацию методом электроискрового легирования (ЭИЛ) проводили на установке SEЦ5.01, разработанной в ИФПМ СО РАН.
Использовали электроды из меди М1, графита ГЭ и титана ВТ1-0. Выходное напряжение и ёмкость конденсатора подбирали таким образом, чтобы получаемое покрытие получалось сплошным и имело наименьшую шероховатость. Напряжение при обработке медью составляло V=59 В, ёмкость конденсатора С=мкФ (1 режим), V=70 В и С=130 мкФ (2 режим), при обработке углеродом V=В и С=315 мкФ, при обработке титаном V=57 В, C=40 мкФ.
Третий раздел посвящен описанию технологии получения, аттестации структуры и закономерностей изнашивания титана ВТ1-0 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой. В таблице 2 приведены принятые в работе обозначения, параметры структуры и механические свойства материалов в зависимости от технологии их получения.
Таблица 2. Технологические схемы получения, параметры структуры и механические свойства титана ВТ1-0.
КЗ ВТ1-0 УМЗ ВТ1-0 I УМЗ ВТ1-0 II УМЗ ВТ1-0 III Схема Заводская abc-прессование abc-прессование abc-прессование поставка (1123-773К, (1123-773К, е7,3) + (1123-773К, е7,3) + е7,3) многопроходная многопроходная прокатка (293 K, е0,45) прокатка (573 K, е1,8) dср, мкм 400 0,8 0,8 0,, 109см-2 3 3 50 Kdet, % 98 39 27 B, МПа 420 576 635 70,2, МПа 275 557 460 4, % 21,6 16 12 H, МПа 1900 2100 2800 27dср - средний размер зерен, - скалярная плотность дислокаций, Kdet - коэффициент детектирования, B - предел прочности, 0,2 - условный предел текучести, - деформация при разрушении, H - твердость.
Из таблицы 2 можно видеть, что наибольшую дефектность и неравновесность структуры имеет материал УМЗ ВТ1-0 II (рис. 1 б), о чем свидетельствуют высокая скалярная плотность дислокаций и низкий коэффициент детектиро б а в Рис. 1 - Электронно-микроскопические изображения микроструктуры титана УМЗ ВТ1-0 I (а), УМЗ ВТ1-0 II (б), УМЗ ВТ1-0 III (в).
вания. Наиболее равновесную структуру (Kdet=98%) имеет крупнозернистый титан.
График зависимости потери веса образцов титана ВТ1-0 с крупнозернистой структурой от пути трения показан на рисунке 2. На приведенной зависимости имеются стадии с высокой скоростью P, мг изнашивания (1, 3, 5), характерные для адгезионного или абразивного механизма изнашивания, и стадии 2, 4, 6 с установившейся низкой скоростью из4 нашивания, характерные для нормального изнашивания. На начальной стадии 1 наблюдается перенос материала образцов на L, км 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1контртело, и на контртеле происходит Рис. 2 - Зависимости потери массы от пути формирование слоя из перенесенного трения образцов крупнозернистого титана КЗ ВТ1-0. Стадии с высокой скоростью изнашиваматериала (рис. 3 а). При переходе к ния - 1, 3, 5; стадии с установившейся низкой стадии 2 с низкой скоростью изнашискоростью изнашивания - 2, 4, 6.
вания дорожка на контртеле практически полностью исчезает (рис. 3 б), а на поверхности трения образцов происходит формирование вторичных структур в виде островков (рис. 3 в). Данные структуры присутствуют на всей стадии с низкой скоростью изнашивания и имеют практически равную высоту (~ 10 мкм) по отношению к остальной поверхности трения, а также выраженную плоскую поверхность. Площадь островков составляет 510% от поверхности трения. Микрорентгеноспектральный анализ этих островков показывает наличие в них наряду с титаном до 60 ат. % кислорода, углерода и железа (до ат. %), в то время как на основной поверхности трения эти элементы не обнарув а б 2,5 мм 2,5 мм 50 мкм Рис. 3. Поверхность трения контртела на стадии с высокой скоростью изнашивания (а); на стадии с низкой скоростью изнашивания (б); поверхность трения образца (в).
жены. Присутствие углерода может быть обусловлено взаимодействием как со смазкой, вследствие её термомеханической деструкции, так и с контртелом. Источником железа является контртело. Кислород - результат взаимодействия с воздухом. Соотношение концентрации кислорода и концентрации титана говорит о возможности присутствия в островках диоксида титана TiO2. На остальной поверхности трения кислород не обнаруживается ввиду очень малой толщины оксидной плёнки титана. Известно, что её толщина несколько нанометров. Основываясь на данных по морфологии островковых структур и их химическому составу, можно предположить, что такой состав материала островков способствует повышению их твердости при сохранении пластичности и предотвращает интенсивное адгезионное взаимодействие островков с контртелом.
При трении образцов титана с ультрамелкозернистой структурой, полученных по режимам I и II, потеря веса от пути трения имеет практически линейную зависимость и наблюдается высокая скорость изнашивания, что свидетельствует об интенсивном адгезионном взаимодействии (рис. 4). Для титана УМЗ III, с наиболее равновесной P, мг структурой из исследованных ультКЗ ВТ1-УМЗ ВТ1-0 II рамелкозернистых материалов, на- блюдается стадия с установившейся УМЗ ВТ1-0 I низкой скоростью изнашивания.
Морфология поверхности трения обУМЗ ВТ1-0 III разцов УМЗ ВТ1-0 I и УМЗ ВТ1-0 II характерна для адгезионного изнашивания (рис. 5 а, б). В случае УМЗ ВТ1-0 III на поверхности трения об0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 L, км разуются островковые структуры, Рис. 4 - Зависимости потери веса от пути трения образцов титана ВТ1-0 с крупнозернистой и аналогичные структурам, образуюультрамелкозернистой структурой, полученной щимся на поверхностях трения по разным технологическим схемам.
крупнозернистого титана ВТ1-0 (рис.
5 в). Островки также имеют плоскую гладкую поверхность, а результаты микрорентгеноспектрального анализа показывают присутствие в них углерода, железа и кислорода, тогда как на остальной поверхности трения данных элементов нет. На всей поверхности трения образцов УМЗ ВТ1-0 I и УМЗ ВТ1-0 II присутствует значительное количество углерода (до 18 ат. %), которое, очевидно, обусловлено деструкцией смазки при трении. В местах наиболее интенсивного адгезионного взаимодействия присутствует небольшое количество железа а б в 50мкм 50 мкм 50 мкм Рис. 5. Поверхность трения образцов УМЗ ВТ1-0 I (а), УМЗ ВТ1-0 II (б), УМЗ ВТ1-0 III (в).
(до 1 ат. %). Кислород на поверхности трения образцов не обнаружен. Увеличение адгезионного взаимодействия при трении УМЗ ВТ1-0 I и УМЗ ВТ1-0 II также отражается в интенсивном переносе материала образцов на контртело, в результате чего на контртеле образуется слой, по площади равный поверхности трения образцов, который присутствует на протяжении всего эксперимента.
При испытании образцов УМЗ ВТ1-0 III первоначально образовавшийся слой исчез, как и в случае испытания крупнозернистого титана.
Если сопоставить результаты испытаний на трение с результатами структурных исследований (таблица 2), то можно видеть, что нет явно выраженной взаимосвязи сопротивления изнашиванию исследованных материалов как со средним размером зерен, так и с их механическими свойствами. В то же время для исследованных материалов с ультрамелкозернистой структурой прослеживается четкая корреляция интенсивноKdet, % сти изнашивания с величиной коэфI 10-фициента детектирования Kdet, харакI ----теризующего неравновесность структуры: чем больше неравновесность структуры, тем выше интенсивность изнашивания материала (рис. 6).
Таким образом, основным фактором, определяющим сопротивление изнашиванию титана при формирова0 ВТ1-0 ВТ1-0 ВТ1-0 ВТ1-нии в нем УМЗ структуры с использоУМЗ III УМЗ I УМЗ II ванием методов интенсивной пластиРис. 6 - Диаграммы величины коэффициенческой деформации, является неравнота детектирования Kdet (сплошные линии) и весность структуры: чем выше неравинтенсивности изнашивания I (пунктир).
новесность структуры материала, тем ниже его износостойкость. По-видимому, высоконеравновесная структура во всем объеме материала существенно повышает реакционную способность ювенильных поверхностей, образующихся в процессе трения, что увеличивает адгезионное взаимодействие образцов с контртелом.
Проведенные контрольные исследования на примере АРМКО-железа, которое в крупнозернистом состоянии при трении не проявляет признаков адгезионного изнашивания, показали, что формирование высоконеравновесной ультрамелкозернистой структуры в АРМКО-железе, как и в случае титана ВТ10 с неравновесной структурой, активизирует адгезионное взаимодействие АРМКО-железа с контртелом при трении, что приводит к смене механизма изнашивания на адгезионный.
Четвёртый раздел посвящен описанию технологии получения, исследованию структуры и закономерностей изнашивания титановых сплавов ПТ-3В и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой. В таблице 3 приведены обозначения, параметры структуры и механические свойства материалов в зависимости от технологии их получения.
Таблица 3. Технологические схемы получения, параметры структуры и механические свойства сплавов ПТ-3В и ВТ6.
КЗ ПТ-3В УМЗ ПТ-3В I КЗ ВТ6 УМЗ ВТ6 I УМЗ ВТ6 II Схема Заводская abc- Заводская abc-прессование abc-прессование поставка прессование поставка (1173-873К, (1173-873К, е7,3) (1173-773 К, + протяжка е7,3) + раскатка е7,4) (873 K, е0,4) (773 K, е1,2) dср, мкм 600 0,43 600 0,5 0,, 109см-2 1109 11010 1109 1109 210Kdet, % 98 23 97 51 B, МПа 760 1120 985 1145 120,2, МПа 640 1060 890 1070 12, % 12 13 10 22 H, МПа 2920 3970 3350 4020 52Графики зависимостей потери P, мг веса образцов сплавов КЗ ПТ-3В и КЗ ВТ6 от пути трения имеют линейную зависимость, что характерно для адгезионного механизма изнашивания (рис. 7). По сравнению с титаном ВТ1-0 интенсивность из- нашивания сплавов намного выше, причем с увеличением концентрации легирующих добавок (алюми- 0 10 20 60 80 100 L, км ния и ванадия) в сплавах интенсив- Рис. 7 - Зависимости потери веса образцов титановых сплавов с крупнозернистой ность изнашивания увеличивается.
структурой от пути трения: 1 - ВТ6; 2 - ПТПри трении сплавов ПТ-3В и ВТ6, 3В; 3 - ВТ1-0.
как и в случае титана ВТ1-0, происходит перенос материала образцов на поверхность контртела, причем чем выше интенсивность изнашивания сплава, тем больше слой на контртеле, образующийся из перенесённого материала. При этом обратного переноса с контртела на образцы не происходит (рис. 8 а, б). Микрорентгеноспектральным анализом на поверхности трения образцов ПТ-3В и ВТ6 обнаружены углерод и железо в областях схватывания, что также говорит об адгезионном взаимодействии с контртелом. В отличие от титана ВТ1-0, в случае сплавов происходит образование большого количества частиц изнашивания. Частицы изнашивания имеют а б в 50 мкм 50 мкм 100 мкм Рис. 8 - Поверхность трения образцов после испытаний на трение сплава КЗ ПТ-3В (а), КЗ ВТ6 (б). Частицы изнашивания, образующиеся при трении сплавов (в).
плоскую, чешуйчатую форму, примерно одинаковую толщину (20 мкм) и острые края, характерные для хрупкого разрушения (рис. 8 в).
При формировании ультрамелкозернистой структуры в сплавах характер изнашивания не изменился. Однако изменилась интенсивность изнашивания. В остальном, для сплавов ПТ-3В и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой не выявлено различий в закономерностях изнашивания. Как и для титана ВТ1-0 для сплавов выявляется корреляция интенсивности изнашивания со степенью неравновесности структуры (рис. 9). Образцы УМЗ ПТ-3В и а б Kdet, % Kdet, % I 10-I 10-I ----I ----0 ВТ6 ВТВТПТ-3В ПТ-3В КЗ УМЗ I КЗ УМЗ I УМЗ II Рис. 9 - Диаграммы величины коэффициента детектирования Kdet (сплошные линии) и интенсивности изнашивания I (пунктир).
УМЗ ВТ6, полученные по режиму II, имеющие низкий коэффициент детектирования, то есть наиболее неравновесную структуру, изнашиваются более интенсивно.
Пятый раздел посвящен изучению влияния ионной имплантации на закономерности изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6. Имплантацию титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6 проводили ионами С, Si, Al, Ni, Nb, Mo. График зависимостей потери веса образцов от пути трения титана ВТ1-0 с крупнозернистой структурой, имплантированного различными ионами, приведён на рисунке 10. Видно, что наибольшую износостойкость имеет титан ВТ10, имплантированный ионами алюминия. При использованном оборудовании вообще не удалось зафиксировать износ на пути трения более трёхсот километров. Исследования морфологии поверхности данных образцов показали, ВТ1-0 Имп С P, мг что в процессе испытания всё-таки происходит разрушение модифициро ВТ1-ВТ1-0 Имп Si ванного слоя.
ВТ1-0 Имп Ni На поверхности трения в месте ВТ1-0 Имп Мо разрушения модифицированного слоя образуются островки с характерной ВТ1-0 Имп Al ровной поверхностью (островки фактиL, км 0 30 60 90 120 150 3ческого контакта), как и в случае крупнозернистого неимплантированного ти- Рис. 10 - Зависимости потери веса от пути трения образцов ВТ1-0 в исходном состоянии и тана ВТ1-0 и УМЗ ВТ1-0 III. Детальные после имплантации различными ионами.
исследования поверхности островков при большом увеличении показали присутствие микровключений в виде сферических частиц, вдавленных в поверхность (рис.
11). Данные частицы по результатам рентгеноструктурного анализа являются фазой Ti3Al. В литературе имеются сведения об образовании в результате имплантации частиц интерметаллидной фазы Ti3Al, повышающих износостойкость, когда им 2 мкм плантацию проводили при температурах выше 800C, в нашем случае образцы наРис. 11 - Поверхность трения образцов греваются не выше 100C.
ВТ1-0 имплантированных ионами алюМикрорентгеноспектральный анализ миния.
не показал присутствие на островках кислорода, как в случае титана ВТ1-0 и УМЗ ВТ1-0 III. Отметим, что на поверхности трения контртела не наблюдали формирования слоя из перенесенного материала, что свидетельствует о предотвращении адгезионного взаимодействия. Повидимому, формирование островков происходило только в результате изменения морфологии поверхности образцов: модифицированные поверхностные слои материала в результате контактного взаимодействия деформируются и собираются в островки, которые представляют собой композиционный дисперсноупрочненный материал.
Для выяснения возможности повышения износостойкости нелегированного титана с неравновесной ультрамелкозернистой структурой были выбраны образцы с ультрамелкозернистой структурой, полученной по первому режиму, указанному в таблице 2. Однако для титана с неравновесной структурой ионная имплантация оказалась не эффективной. По-видимому, в начальный момент на неровностях поверхности имплантированный слой разрушается, что приводит к интенсивному адгезионному взаимодействию основного материала с контртелом и дальнейшему интенсивному разрушению имплантированного слоя.
Для крупнозернистого ПТ-3В имплантация ионами алюминия и никеля привела к увеличению интенсивности изнашивания (рис. 12). Положительный эффект наблюдался только при имплантации ионами молибдена. При импланP, мг P, мг ВТ6 Имп C б а ПТ-3В Имп Ni 100 ВТ6 Имп Ni ПТ-3В Имп Al ВТВТ6 Имп Nb ПТ-3В Имп Мо ВТ6 Имп Al ВТ6 Имп Мо 20 ПТ-3В ВТ6 Имп Si L, км 0 1 2 3 4 5 6 L, км 0 2 4 6 8 40 Рис. 12 - Зависимости потери веса от пути трения образцов КЗ ПТ-3В и КЗ ВТ6 в исходном состоянии и после имплантации различными ионами.
тации ВТ6 ионами алюминия, никеля и кремния на пути 1,5 - 3 км скорость изнашивания сохраняется на низком уровне, однако после разрушения имплантированного слоя становится такой же, как и в исходном состоянии. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что, по-видимому, наиболее эффективным для повышения износостойкости титана и его сплавов является имплантация ионами, которые образуют с титаном интерметаллические соединения. Имплантация металлами, не образующими с титаном интерметаллидных соединений, может играть роль твёрдой смазки.
Шестой раздел посвящен выяснению возможности повышения износостойкости исследуемых материалов методом электроискрового легирования.
При ЭИЛ медным электродом на поверхности модифицированного слоя содержание меди составляет около 70 ат. %. Содержание меди в модифицированном слое, судя по равновесной диаграмме состояния, достаточно для образования интерметаллидов типа Ti2Cu, TiCu и других. При испытаниях износ практически не наблюдается даже после увеличения нагрузки до 250 Н. Исследования морфологии поверхности трения образцов УМЗ ВТ1-0 II показали, что, несмотря на присутствие трещин на поверхности исходного модифицированного слоя, при трении не происходит его хрупкого разрушения, откалывания или выкрашивания. По-видимому, высокая износостойкость модифицированного медью поверхностного слоя обусловлена образованием интерметаллидов на основе меди и титана, которые, по литературным данным, имеют высокую износостойкость. Разумеется, нельзя исключать, что и присутствие меди способствует высокому сопротивлению изнашиванию.
Поскольку температура при электроискровом разряде достигает 3000 К, было предположено, что, используя для электроискрового легирования углерод, возможно получить в поверхностном слое карбид титана, который обладает высокой твёрдостью и износостойкостью. Толщина модифицированного слоя в случае ЭИЛ углеродом составляет ~10 мкм, однако углерод обнаружен только вблизи поверхности модифицированного слоя. Соотношение титана и углерода в этой области вполне достаточно для образования карбида титана.
Наличие карбида титана подтверждает тот факт, что модифицированный слой оставляет царапины на стекле. Зависимости потери веса от пути трения для этих образцов показаны на рисунке 13.
P, мг КЗ ВТ1-Видно, что после короткой стадии приработки идет нормальное изнашивание с очень низкой интенсивностью.
При постановке исследований влияния электроискрового легирования УМЗ ВТ1-0 II ЭИЛ Ti титаном, когда в качестве электрода применяли материал самих образцов, на УМЗ ВТ1-0 II ЭИЛ C износостойкость титана УМЗ ВТ1-0 II 0 20 40 60 80 100 L, км исходили из того, что в некоторых слуРис. 13 - Зависимости потери веса от пути чаях при модификации поверхности трения образцов УМЗ ВТ1-0 II после монежелательно наличие других элемендифицирования поверхности методом тов в составе материала, как, например, ЭИЛ углеродом и титаном.
в медицине. После модифицирования поверхности титаном толщина слоя составила ~ 18 мкм. Микрорентгеноспектральный анализ не показал присутствия элементов, не принадлежащих материалу основы, в том числе и какого-либо заметного количества кислорода. Из рисунка 13 видно, что при испытаниях в данных условиях наблюдается незначительный износ на стадии приработки и переход на стадию с установившейся низкой интенсивностью изнашивания.
Исследования поверхности трения модифицированных титаном образцов показали, что на ней наблюдаются островки, по морфологии и химическому составу аналогичные наблюдавшимся при трении крупнозернистого титана.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана методика оценки степени неравновесности структуры металлов и сплавов, позволившая количественно характеризовать относительную степень неравновесности структуры, сформированной в титане ВТ1-0 и сплавах ПТ-3В и ВТ6 по различным режимам интенсивной пластической деформации.
2. Установлено, что при исследованных условиях интенсивность изнашивания крупнозернистых титановых сплавов ПТ-3В и ВТ6 на порядок выше, чем у нелегированного крупнозернистого титана ВТ1-0, и увеличивается с увеличением концентрации легирующих элементов (Al, V).
3. Показано, что увеличение степени неравновесности структуры в результате формирования ультрамелкозернистой структуры методами интенсивной пластической деформации приводит к увеличению интенсивности изнашивания при трении как титана ВТ1-0, так и сплавов ПТ-3В и ВТ6, что, по-видимому, обусловлено повышением поверхностной энергии.
4. Экспериментально изучены особенности элементарных механизмов изнашивания титана ВТ1-0 и сплавов ПТ-3В и ВТ6 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой. Показано, что для образцов крупнозернистого титана и ультрамелкозернистого титана с равновесной структурой наблюдается образование на поверхности трения износостойких вторичных структур в виде островков, содержащих, предположительно, мелкодисперсный диоксид титана;
для сплавов ПТ-3В и ВТ6 характерно образование хрупких частиц изнашивания.
5. Показано, что для повышения износостойкости титана ВТ1-0 с крупнозернистой структурой эффективной является высокодозная имплантация ионами алюминия, что связано с образованием на поверхности трения вторичных структур в виде островков, содержащих в качестве износостойкой фазы мелкодисперсный интерметаллид Ti3Al.
6. Установлено, что модификация поверхности титана ВТ1-0 с неравновесной ультрамелкозернистой структурой методом электроискрового легирования с использованием электродов из меди, графита, титана приводит к значительному повышению износостойкости.
Основные результаты диссертации изложены в работах:
1. Гриценко Б.П., Круковский К.В., Кашин О.А. Деформационное поведение ионно-имплантированных -железа и стали 45 при трении и износе в условиях подавления акустических колебаний. Физическая мезомеханика. Т.7. Спец. выпуск. Часть 1, август 2004 г. С. 415-418.
2. Б.П. Гриценко, К. В. Круковский, Н. В. Гирсова, О. А. Кашин УВлияние высокодозной ионной имплантации и акустических колебаний, генерируемых при трении, на износостойкость армко-железа и стали 45Ф. Трение и износ. №6, 2005. С. 622-627.
3. Шаркеев Ю.П., Курзина И.А., Кашин О.А., Гриценко Б. П., Божко И.А., Калашников М.П., Ерошенко А.Ю., Круковский К. В., Баянкин В.Я. Модификация структуры и механических свойств титана при воздействии ионных пучков. // Журнал функциональных материалов. 2008. №6. С. 224-233.
4. Гриценко Б.П., Круковский К.В., Гирсова Н.В. Влияние акустических колебаний, генерируемых при трении, на изнашивание титановых сплавов // Известия ТПУ. - 2011. - № 2 - C.57-61.
5. Гриценко Б.П., Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф., Круковский К.В., Гирсова Н.В., Тересов А.Д. Повышение износостойкости технически чистого титана ВТ1-0 и сплава ВТ6 // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - №4 - С.1009-1013.
6. О.А. Кашин, К.В. Круковский, Б.П. Гриценко, Н.В. Гирсова, А.И. Лотков.
Закономерности и механизмы изнашивания титана вт1-0 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурами // Деформация и разрушение материалов. - 2012. - №1 - С.25-32.
7. B.P. Gritsenko, K.V. Krukovskii and O.A. Kashin The Influence of the Type of Implanted Ions on the Wear Kinetics -Iron and Steel 45. Proceedings 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, p.309-311.
8. Круковский К.В. Формирование субмикрокристаллической структуры в армко - железе методом всестороннего прессования. Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов I Всероссийской конференции молодых ученых (26-29 апреля 2005 г., Томск). - Томск: Томский государственный университет, 2005. С. 105-107.
9. К.В. Круковский, Б.П. Гриценко, О.А. Кашин. Изучение влияния поверхностной и объёмной модификации на антифрикционные свойства титана ВТ1-и сплава ВТ6. Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2006. Труды VI Всероссийской школы-семинара (13-16 июня 2006 г.).-Томск: Издательство ТПУ, 2006. С. 155-110. К.В. Круковский, Б.П. Гриценко, О.А. Кашин. Влияние различных режимов поверхностной и объёмной модификации на триботехнические свойства титана ВТ1-0 и сплава ВТ6. IV Всероссийская конференция студентов и молодых ученых Перспективы развития фундаментальных наук. Томск. 15-18 мая 2007 г. - с. 53-55.
11. А.С. Кравченко, К.В. Круковский. Влияние поверхностной модификации методом электроискрового легирования на износостойкость титана ВТ1-0 // Новые материалы. Создание, структура, свойства-2009: всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи, Томск, 8-11 сентября 20 г.: труды / Томский политехнический университет (ТПУ). - Томск, 2009. - С.
132-136.
12. Гриценко Б.П., Круковский К. В., Гирсова Н.В., Кашин О.А., Миронов Ю.П. Влияние ионной имплантации на закономерности изнашивания крупнозернистых и ультрамелкозернистых титановых сплавов. Сборник научных трудов VIII Международной конференции. Трибология и надежность. СанктПетербург, 2008, с. 135-143.
13. Gritsenko B.P., Krukovskiy K.V., Girsova N.V., Kashin O.A, Mironov Yu.P.
The influence of ion implantation on wear kinetics of coarse-grained and ultrafinegrained titanium alloys. 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. September 21 - 26, Tomsk, Russia 2008, р.
265-267.
14. Кашин О.А., Гриценко Б.П., Круковский К.В., Гирсова Н.В. Закономерности изнашивания ультрамелкозернистых титановых сплавов // УВестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира ДаляФ. - 2010. - №10 (152), часть 1. - С. 89-93.
15. Б.П. Гриценко, Н.Н. Коваль, Ю.Ф. Иванов, К.В. Круковский, Н.В. Гирсова, А.Д. Тересов. Повышение износостойкости технически чистого титана ВТ1-0 // Трибология и надёжность: сборник научных трудов XI Международной конференции, 27-29 октября 2011 г. Санкт-Петербург / ред. проф. К.Н. Войнов. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. - с.100-109.