Введение к работе
Актуальность темы исследования. Актуальность темы исследования обусловлена тем, что разрушение деталей машин и инструмента, как правило, начинается с поверхности. Поэтому разработка новых методов упрочнения и защиты именно поверхности, а не всего объема материала, оказывается экономически эффективной. Они находят все более широкое применение в промышленности. Получили развитие методы упрочнения, основанные на использовании концентрированных потоков энергии. К ним, в частности, относятся электровзрывное легирование (ЭВЛ) и обработка поверхности низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Они позволяют проводить локальное упрочнение поверхности в местах ее наибольшего разрушения при эксплуатации и увеличивать функциональные свойства в несколько раз.
Степень ее разработанности. В последние годы выполнены исследования в области комбинированной обработки поверхности металлов и сплавов, сочетающей ЭВЛ и последующую электронно-пучковую обработку (ЭПО). Изучены особенности упрочнения поверхностных слоев стали 45 и титана после электровзрывного алитирования и бороалитирования, меднения и боромеднения. Исследования показали, что такая обработка приводит к формированию нанокомпозитных структурно-фазовых состояний, обеспечивающих кратное повышение микротвердости и износостойкости поверхности.
Цель и задачи. Целью настоящей работы явилось выявление физической природы повышения физико-механических свойств поверхности технически чистого титана ВТ 1-0 при комплексном ЭВЛ с использованием порошковых навесок и последующей ЭПО.
Для этого были поставлены и решены следующие задачи:
-
определить микротвердость, износостойкость и коэффициент трения поверхности титана после различных видов ЭВЛ и последующей ЭПО в различных режимах;
-
установить оптимальные режимы упрочняющей комбинированной обработки;
-
изучить изменение по глубине структуры и фазового состава зоны упрочнения, сформированной в оптимальных режимах упрочнения и выявить его физическую природу;
-
выработать рекомендации по практическому использованию результатов обработки.
Научная новизна. В работе установлено, что на поверхности зоны ЭВЛ формируется покрытие, которое при последующей ЭПО объединяется с нижележащей зоной легирования, образуя единую зону упрочнения. На поверхности зоны легирования, а также во фрагментах покрытия наблюдаются следы течения расплава, микротрещины и поры. Последующая ЭПО поверхности зоны легирования приводит к уменьшению ее шероховатости, залечиванию микротрещин и пор, выравниваю содержания легирующих элементов
как по поверхности зоны обработки, так и по ее глубине. Зона упрочнения имеет двуслойное строение. Верхний слой имеет мелкодисперсное дендритное строение, а нижний - либо более грубое дендритное строение как в случае использования порошка диборида титана, либо равноосное строение как при использовании частиц порошка карбида кремния и оксида циркония. Установлено, что максимальное упрочнение как после ЭВЛ, так и после ЭПО достигается при использовании порошка диборида титана, а наименьшее -при использовании порошка оксида циркония. После ЭВЛ максимальный уровень микротвердость имеет на поверхности зоны легирования. Во всех режимах ЭПО зоны ЭВЛ микротвердость как на поверхности, так и ее средний уровень по объему зоны упрочнения уменьшается, а глубина зоны упрочнения увеличивается. Распределение микротвердости по глубине зоны упрочнения после ЭПО имеет немонотонный характер - вблизи границ верхнего и нижнего слоя формируются максимумы микротвердости. С ростом плотности энергии электронного пучка содержание а-Ті в зоне упрочнения увеличивается, а упрочняющих фаз уменьшается. Во всех случаях основной упрочняющей фазой является карбид титана. Частицы упрочняющих фаз, а также титановые прослойки, разделяющие их, имеют в основном субмикро- и наноразмерный характер. Взаимодействие с расплавом частиц порошков, использованных для легирования, приводит к образованию новых наноразмер-ных упрочняющих фаз.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты работы расширяют модельные представления о процессах формирования структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов при ЭВЛ и ЭПО. Они используются аспирантами, обучающимися по специальностям «Физика конденсированного состояния», апробированы на предприятиях промышленности и рекомендованы к внедрению.
Тема диссертации соответствует критической технологии РФ «Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов» и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем».
Исследования выполнялись по тематическому плану НИР СибГИУ, проводимых по госзаданию Минобрнауки № 2.4807.2011, в соответствии с грантами РФФИ (проекты №№ 11-02-91150-ГФЕН и 11-02-12091 офи-м-2011) и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813).
Методология и методы исследования. Методологической основой исследования является положение, согласно которому свойства поверхностных слоев материалов определяются их составом и структурой, которая зависит от режимов обработки. Исследование структуры и фазового состава модифицированных слоев проводили с использованием высокоинформативных методов металлографического анализа. Повышение физико-механических свойств оценивали, измеряя микротвердость, износостойкость и коэффициент трения.
Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).
Положения, выносимые на защиту:
-
комбинированная обработка поверхностных слоев сплава ВТ1-0, сочетающая электровзрывное науглероживание с порошковыми навесками ди-борида титана, карбида кремния и оксида циркония и последующую электронно-пучковую обработку, приводит к кратному повышению микротвердости. В случае использования порошка диборида титана она увеличивается на поверхности в 14 раз и монотонно падает с глубиной зоны упрочнения. После ЭПО средний уровень микротвердости в 10 раз выше, чем в основе материала. При этом изменение микротвердости по глубине становится немонотонным, а глубина зоны упрочения увеличивается в 1,5 раза. Износостойкость поверхности также многократно увеличивается (при использовании порошковой навески диборида титана - в 8,2 раза);
-
после ЭВЛ на поверхности зоны легирования формируется неоднородное по толщине тонкое покрытие, образованное конденсированными частицами продуктов взрыва углеродных волокон и порошковых навесок, а последующая ЭПО приводит к объединению покрытия с зоной легирования и формированию двухслойного строения зоны упрочнения, имеющей дендритный характер, выглаживанию рельефа поверхности, залечиванию микротрещин и микропор;
-
сформированные при комбинированной обработке поверхностные слои отличаются друг от друга степенью дисперсности, имеют структуру дендритного и глобулярного типа субмикро- и наноразмерного диапазона, основной упрочняющей фазой которой является карбид титана.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием высокоинформативных методов металлографического анализа, определения микротвердости и износостойкости, соответствием полученных экспериментальных данных и результатов результатам других авторов.
Результаты диссертации представлялись на International conference World Academy of Science, Engineering and Technology (WASET 2011), Venice, Italy, 2011; XII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2011; XXI Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012; V Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур (ПРОСТ
2012), Москва, 2012; XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2012; III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Москва, 2012; 3 International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2012; International Conference Nanomaterials and Properties, 2012, Alushta, the Crimea, Ukraine, 2012; Международной конференции «Электрон-фононные и спиновые взаимодействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах», Ольгинка, 2012, 2013; Научных чтениях им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012; 53 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2012; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2012; Четвертой ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, Москва, 2012; 11-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск, 2013.
Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение и приложение, изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 6 таблиц, список литературы состоит из 98 наименований.
Основное содержание работы опубликовано в 24-х работах, в том числе в 11 -ти статьях в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК, в 4-х главах коллективной монографии, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций и других научных мероприятий.
