ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ С УЛЬТРА МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

 

Мигранов М.Ш., Шустер Л.Ш. (УГАТУ, г. Уфа, РФ)

 

Results of experimental researches of wear resistance and tribotechnical properties of multilayered wearproof coverings for the cutting tool and also change of structurally-phase structures of contact surfaces are resulted.

 

В последнее время в машиностроении все большее применение как при конструировании новых машин и агрегатов, так и при их изготовлении находит материалы, имеющие особую кристаллографическую структуру. Известно [1], чем меньше зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнее особенно важно для металлических покрытий и изделий  на основе титана и его сплавов, работающих при повышенных температурах и больших переменных нагрузках. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением ультрамелкозернистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений структурных несовершенств, способствующих образованию трещин и вследствие всего вышесказанного в большинстве случаев проявлению уникальных свойств – сверхпластичность, высокая долговечность, износо- и коррозионностойкость. В тоже время особенности трибологического поведения этих материалов и покрытий на их основе в ультрамелкозернистом (УМЗ) состоянии с размером зерен менее 1 мкм могут заметно отличаться от таковых для крупнозернистых аналогов и требует проведения теоретических и экспериментальных исследований.

Данная работа посвящена изучению влияния структурных состояний с разным размером зерен, полученных интенсивной пластической деформацией (ИПД), на триботехнические свойства технически чистого титана в широком интервале температур, а также влияние нанесенных многослойных покрытий с УМЗ структурой на износостойкость режущего инструмента. 

В качестве материала использовали горячекатаный пруток Æ50 мм из технически чистого титана ВТ1-0 (состояние поставки) и его же после равноканального углового прессования (РКУП) в интервале температур 450-400 °С с дополнительной холодной прокатке со степенью деформации 75% [1]. В результате была получена однородная по объему прутка микроструктура с размером зерен в двух последних состояниях 0,3 и 0,1 мкм, соответственно.

Для оценки триботехнических параметров (τ_nn, p_rn, τ_nn/p_rn) использовали экспериментальный метод [2,3]. В основе этого метода принята физическая модель (рис. 1), которая в первом приближении отражает реальные условия трения и изнашивания на локальном контакте. Согласно этой модели  сферический индентор 2 (имитирующий единичную неровность пятна касания трущихся твёрдых тел), сдавленный двумя плоско-параллельными образцами 1(с высокой точностью и чистотой контактирующих поверхностей) вращается под нагрузкой вокруг собственной оси. Сила F, расходуемая на вращение индентора и приложенная к тросику 3, уложенному в паз диска 4, связаны главным образом со сдвиговой прочностью τ_nn адгезионных связей.

Рисунок 1 – Модель фрикционного контакта

 

С целью использования этого способа применительно к условиям повышенных температур контакта разработана и создана [2] специальная аппаратура, позволяющая производить электроконтактный нагрев (через шины 5, изолированные от корпуса прокладками 6, рис. 1) зоны соприкосновения и обеспечивать характерное для трибоконтакта распределение температуры в приповерхностном слое. Разработаны также методы тарирования регулирования температуры контакта, а также получение зависимости величины τ_nn от нормальных напряжений p_rn при различных температурах контакта. На рис. 2 приведены температурные зависимости триботехнических параметров τ_nn, p_rn и τ_nn/p_rn , полученные на образцах титана, находящихся в разном структурном состоянии. Из рис. 2, а видно, что сдвиговые напряжения τ_nn, для всех состояний уменьшаются с увеличением температуры, однако их соотношение принципиально отличается для температур ниже и выше 400 °С. При температурах ниже 400 °С параметр τ_nn для состояния РКУП + холодная прокатка (кривая 3) выше значений для других состояний, а при температурах выше 400 С, наоборот ниже всех значений. Для всех исследованных состояний при температуре 400 °С наступает равенство тангенциальных напряжений. Нормальные напряжения  p_rn с увеличением температуры контакта для всех состояний также уменьшаются, но  практически сближаются только при температуре 800 °С (рис. 2, б). Однако, параметр p_rn для состояния РКУП + холодная прокатка остается наибольшим во всем интервале температур (рис.2б, кривая 3). В результате УМЗ состояния (рис. 2, в, кривые 2 и 3) в титане имеют существенно лучшие триботехнические свойства, так как во всём исследованном диапазоне температур контакта θ (от 20 до 800 °С) повышается устойчивость материалов фрикционной пары к локальному сдвигу (в связи со снижением отношения τ_пп /р_rn), т.е. уменьшается вероятность схватывания (сварки). Причем, это снижение тем существеннее, чем меньше средний размер зерна и выше температура θ контакта.

 

Рисунок 2 – Влияние температуры контакта на основные триботехнические характеристики фрикционного контакта:

1 – ВТ1-0 (исх.) – ВК8;  2 – ВТ1-0(РКУП) – ВК8; 3 – ВТ1-0 (РКУП + х/прок.) – ВК8.

 

Износостойкостные испытания покрытий проводились при продольном точении Ст.40Х со сменными четырехгранными твердосплавными пластинами ТТ8К6 и ТТ8К6 + покрытия TiN, (TiAl)N, (AlTi)N с различным структурным состоянием и процентным  содержанием каждого из элементов покрытия, при различных режимах резания (рис. 3).

 

 

Рисунок 3 – Влияние скорости резания на линейную интенсивность
изнашивания резцов с различными покрытиями:
1 – без покрытия; 2 – TiN; 3 – (AlTi)N; 4 – (TiAl)N

 

По результатам этих исследований можно сделать следующие выводы:

–    формирование ультамелкозернистой структуры в титане ВТ1-0 снижает адгезионную составляющую коэффициента трения  и уменьшает его склонность к схватыванию. Этот эффект тем сильнее, чем меньше размер зерен и выше температура контакта. Последнее по-видимому связано с сверхпластическим поведением УМЗ титана при повышенных температурах;

-применение покрытия с УМЗ структурой принципиально не изменяет механизмы изнашивания твердых сплавов, сдвигая их в область более высоких скоростей резания за счет снижения уровня термомеханической напряженности зоны резания и обеспечивает более высокую износостойкость.

 

Литература

1.      Васин Р.А., Еникеев Ф.У. Введение в механику сверхпластичности. В 2-х ч. – Уфа.: Гилем, 1998. – Ч. 1. – 280с.

2.      Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие твердых металлических тел. – Уфа.: Гилем, 1999. – 199с.

3.      Мигранов М.Ш., Шустер Л.Ш. Интенсификация процесса металлообработки на основе использования эффекта самоорганизации при трении. – М.: Машиностроение, 2005. – 202 с.