Содержание к диссертации
Введение
Г л а в а 1. Взрывное прессование как метод получения порошковых твердых сплавов и покрытий из них 25
1.1. Ударные волны в порошках 25
1.2. Параметры ударно-волнового сжатия порошков 33
1.3. Сварка частиц порошка при взрывном прессовании 38
1.4. Структурные и химические превращения при обработке порошков ударными волнами 44
1.5. Нанесение порошковых покрытий взрывом 46
1.6. Выбор металлической связки при получении твердых сплавов взрывом 54
1.7. Задачи исследования 60
Г л а в а 2. Материалы и методы исследования 64
2.1. Материалы, взрывчатые вещества и схемы нагружения 64
2.2. Методика расчета параметров сжатия и ее программная реализация 72
2.3. Методика исследования структуры и свойств полученных материалов 99
2.4. Методика испытаний на трение и износ 107
2.5. Методика организации экспериментальных исследований 116
Г л а в а 3. Уплотнение порошковых смесей карбида хрома с металлами при взрывном прессовании 118
3.1. Влияние технологических параметров взрывного нагружения на условия уплотнения порошковых смесей карбида хрома с металлами 118
3.2. Закономерности уплотнения порошковых смесей карбида хрома и металлической связки при взрывном прессовании 123
3.3. Уравнения прессования порошковых смесей карбидов с металлами при взрывном уплотнении 135
3.4. Выводы 139
Г л а в а 4. Межфазное взаимодействие компонентов и структура порошковых твердых сплавов, полученных взрывом 142
4.1. Химическое взаимодействие компонентов порошковых смесей карбида хрома с металлами на стадии прессования 142
4.2. Условия образования прочных границ между компонентами твердых сплавов карбида хрома с металлами 157
4.3. Строение межфазных границ в твердых сплавах 170
4.4. О временнм промежутке формирования прочных межфазных границ между компонентами твердых сплавов 176
4.5. Размер карбидных частиц в структуре твердых сплавах, полученных взрывом 179
4.6. О возможности получения твердых сплавов на основе WC и SiC 184
4.7. Выводы 192
Г л а в а 5. Получение покрытий из твердых сплавов 195
5.1. Формирование покрытий в условиях нагружения нормально падающей детонационной волной 195
5.2. Особенности формирования покрытий из твердых сплавов при скользящем нагружении 206
5.3. Повышения прочности соединения покрытий с основой путем термической обработки 214
5.4. Выводы 219
Г л а в а 6. Эксплуатационные свойства порошковых карбидохромовых твердых сплавов с титановой связкой и технология их нанесения на детали узлов трения взрывом 222
6.1. Устойчивость фазового состава порошковых твердых сплавов системы карбид хрома – титан к нагреву 222
6.2. Стойкость сплавов системы карбид хрома – титан к окислению при повышенных температурах 231
6.3. Триботехнические свойства твердых сплавов на основе карбида хрома и оптимизация их составов 234
6.4. Технология нанесения покрытий из твердых сплавов на рабочие поверхности деталей узлов трения 248
6.5. Выводы 251
Список используемых источников 256
- Сварка частиц порошка при взрывном прессовании
- Методика исследования структуры и свойств полученных материалов
- Уравнения прессования порошковых смесей карбидов с металлами при взрывном уплотнении
- О временнм промежутке формирования прочных межфазных границ между компонентами твердых сплавов
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Прогресс ряда областей техники определяется успехами в создании новых материалов для использования в узлах трения, которые способны успешно работать в необычных, более тяжелых условиях: при повышенных температурах, высоких скоростях скольжения и удельных нагрузках, в агрессивных средах, вакууме, в условиях сильной радиации и т.п. Одним из перспективных направлений современного материаловедения в этой связи является разработка новых порошковых материалов триботехнического назначения, и в частности антифрикционных твердых сплавов на основе карбида хрома Cr3C2, оптимально сочетающего коррозионную стойкость и высокое сопротивление схватыванию с достаточно низкой температурой перехода в пластичное состояние, обеспечивающее минимальные значения коэффициента трения.
Традиционно подобные твердые сплавы получают путем прессования исходных смесей порошков карбида и металлической связки с последующим спеканием или наносят на поверхность стальных деталей в виде покрытий газотермическим напылением. Это накладывает определенные ограничения на подбор состава материалов, связанные, прежде всего, с химической совместимостью компонентов, что сдерживает возможности повышения эксплуатационных свойств материалов и покрытий за счет применения новых металлических связок.
Весьма перспективной с научной и практической точек зрения является возможность обойти данные ограничения путем использования взрывного ком-пактирования порошковых смесей карбидов с металлами. Вопросам изучения воздействия взрыва на порошки и их смеси посвящено большое количество работ, выполненных такими видными отечественными и зарубежными исследователями, как С. С. Бацанов, Г. А. Ададуров, О. Н. Бреусов, С. В. Першин,
A. Н. Дремин, В. Ф. Нестеренко, Н. А. Костюков, А. А. Штерцер, А. М. Ставер,
B. Д. Рогозин, А. М. Каунов, М. П. Бондарь, И. В. Яковлев, В. В. Пай, R. A.
Pruemmer, K. Hokamoto, M. A. Meyers, L. E. Murr, A. G. Mamalis и др. Благода
ря их усилиям к настоящему времени достигнут высокий уровень теоретиче
ского понимания процессов, протекающих при взрывной обработке порошко
вых материалов, позволяющий сделать вывод, что взрывное прессование по-
* Автор выражает глубокую благодарность чл.-корр. РАН, д.т.н., проф., Заслуженному деятелю науки РФ В. И. Лысаку, определившему основную идею и стратегическое направление исследований.
рошков может обеспечить как их уплотнение до практически беспористого состояния, так и сварку структурных компонентов порошкового материала. Специфика взрывного нагружения дает возможность совместить процесс уплотнения порошков с их нанесением в виде покрытия на поверхность заготовок деталей. При этом толщина покрытия может быть существенно выше, чем при использовании традиционных способов напыления.
Вместе с тем, практическая реализация перечисленных принципиальных возможностей взрывного метода применительно к процессам получения твердых сплавов остается неизученной и требует экспериментального выявления критериев, позволяющих выбирать металлическую связку и прогнозировать параметры ударно-волнового воздействия на смесь порошков карбида и металла, обеспечивающие формирование твердых сплавов и покрытий из них на стадии прессования.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтвер
ждается его выполнением в рамках федеральной целевой программы «Научные
и научно-педагогические кадры инновационной России» (контракт №
02.740.11.0809), программы поддержки ориентированных фундаментальных исследований по актуальным междисциплинарным темам РФФИ (проект № 13-08-12028) и в рамках финансирования проведения фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований РНФ (проект № 14-29-00158).
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является создание технологических процессов получения и нанесения на детали узлов трения карби-дохромовых твердых сплавов на основе исследования основных закономерностей формирования их структуры и свойств при взрывной обработке порошковых смесей без последующего спекания.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
на основании изучения закономерностей уплотнения порошковых смесей карбида хрома и металлической связки при взрывном прессовании выявлены условия, обеспечивающие получение без спекания плотности прессовок, близкой к плотности монолитного материала;
-
в результате исследования закономерностей формирования и особенностей тонкого строения межфазных границ в порошковых материалах на основе карбида хрома и металлической связки выявлены условия, обеспечивающие получение консолидированных твердых сплавов на стадии прессования;
-
изучена возможность одновременного формирования твердых сплавов
и их нанесения в виде покрытия на монолитные основания при взрывном нагружении; разработаны технологические приемы нанесения покрытий, обеспечивающие их сохранение на покрываемой поверхности и необходимую прочность соединения между ними;
4) исследована термическая стабильность, стойкость к окислению и износостойкость порошковых твердых сплавов на основе карбида хрома, полученных взрывной обработкой; разработан технологический процесс их нанесения взрывом на поверхность трения деталей центробежных насосов для перекачки перегретого дистиллята.
Научная новизна состоит в создании научно обоснованных технических и технологических решений в области получения антифрикционных порошковых твердых сплавов и покрытий, базирующихся на выявленных общих закономерностях формирования их структуры и свойств при ударно-волновом нагруже-нии и обеспечивающих возможность создания материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками путем взрывного прессования смесей порошков без последующего спекания.
Установлено, что на процесс формирования твердых сплавов из смесей порошков Cr3C2 с металлами при взрывном нагружении влияют акустическая жесткость используемого в качестве связки металла и его склонность к карби-дообразованию. От величины первой из них зависит степень уплотнения порошковых смесей при ударно-волновой обработке, а от значения второй – прочность формирующихся границ между карбидной и металлической составляющими твердого сплава. С этих позиций оптимальной связкой при получении твердых сплавов и покрытий на основе Cr3C2 взрывом является титан.
Установлено, что процесс образования прочных межфазных границ при взрывном нагружении смесей порошков карбида хрома и титана, сопровождающийся скачкообразным ростом твердости спрессованного материала, происходит на стадии ударно-волнового сжатия при разогреве в ударных волнах до температур, превышающих (0,35-0,4) температуры плавления Cr3C2, что соответствует переходу последнего в пластичное состояние. Выявленная закономерность проявляется также при использовании других карбидов (SiC и WC).
Впервые показано, что образовавшаяся прочная граница между карбидом хрома и титаном представляет собой переходную зону сложного состава и строения толщиной 50-100 нм, содержащую два кристаллических слоя со стороны Cr3C2 и Ti соответственно, между которыми располагается аморфная прослойка толщиной 5-7 нм. В пределах переходного слоя наблюдается непрерывное монотонное изменение содержания Cr и Ti при практически неизменном
содержании углерода.
Установлено, что максимальная допустимая температура разогрева при взрывном компактировании смесей порошков Cr3C2 и Ti определяется появлением в процессе ударно-волнового сжатия жидкой фазы, что приводит к существенному ускорению диффузии, полному или частичному растворению компонентов исходной порошковой смеси в ней и образованию термодинамически стабильных фаз.
Показано, что основным фактором, определяющим прочность соединения образующихся в процессе взрывного прессования покрытий из твердых сплавов Cr3C2+Ti с покрываемой стальной поверхностью, являются внутренние термические напряжения, обусловленные разностью остаточных температур материалов покрытия и основы в момент разгрузки после ударно-волнового сжатия.
Установлено, что антифрикционные свойства и износостойкость карбидо-хромовых твердых сплавов при трении скольжения по силицированному графиту в воде определяются соотношением значений их твердости и содержания Cr3C2. Показана ведущая роль фактического контакта трущихся поверхностей по карбидной составляющей твердого сплава как в процессах износа элементов данной пары трения, так и при переходе режима трения в ней от жидкостного к граничному и схватыванию.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований послужили основой успешного решения комплекса вопросов по выбору металлической связки и назначению режимов взрывной обработки, обеспечивающих получение консолидированных твердых сплавов системы Cr3C2-Ti и покрытий из них на стадии прессования без спекания.
Доказано, что нагружение смесей порошков Cr3C2 и Ti на монолитных подложках плоской нормально падающей детонационной волной позволяет совместить процессы формирования порошковых твердых сплавов и их нанесения в виде покрытий на монолитные основания. Предложены и апробированы на практике способы увеличения прочности соединения покрытий из твердого сплава с покрываемой поверхностью, основанные на введении между слоем наносимого порошка и основой промежуточного слоя порошка Ti и использовании термической обработки.
Определены температурные границы сохранения твердыми сплавами карбида хрома и титана исходного фазового состава, а также их устойчивости к окислению при последующей эксплуатации, разработаны принципы оптимизации и определены оптимальные составы сплавов, обеспечивающие существен-6
ное улучшение антифрикционных характеристик и износостойкости по сравнению с твердыми сплавами карбида хрома с никелем, полученными прессованием и спеканием.
Разработанная методика расчета физических условий сжатия при взрывной обработке порошков на металлических подложках реализована в виде специализированной программы (свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010616142 от 17 сентября 2010 г.). Подана заявка на изобретение "Способ нанесения покрытия из антифрикционного твердого сплава".
На базе полученных теоретических и экспериментальных результатов разработана технология нанесения взрывом на поверхность деталей центробежных насосов для перекачки перегретого дистиллята в условиях АЭС покрытий из порошковых твердых сплавов системы Cr3C2-Ti, обеспечивающая высокую твердость покрытий и прочность из соединения с покрываемой поверхностью, термическую стабильность, стойкость к окислению и существенно лучшие по сравнению с существующими материалами триботехнические характеристики при трении по силицированному графиту в воде. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 2 338 тыс. руб. на один насос.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на 29 международных и всероссийских конференциях и симпозиумах (Москва – 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2015, 2016; Санкт-Петербург – 2010, 2012, 2014, Новосибирск – 2009, 2013; Черноголовка – 2011, Волгоград – 1998, 2001, 2002, 2008, 2009, 2010, 2014, 2015, 2016; Сочи – 2013, 2014, 2015; Киев, Украина – 2013; Прага, Чехия – 2014), а также на научных семинарах в ВолгГТУ и ДГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 120 работ, в том числе 1 монография, 45 статей в реферируемых журналах (из списка ВАК), 8 статей в зарубежных журналах, входящих в реферативные базы Scopus и Web of Science, 1 свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация написана на 281 странице, состоит из введения, шести глав и общих выводов. В приложении содержатся сводные таблицы результатов проведенных экспериментов, а также копии свидетельства о гос. регистрации программы для ЭВМ и актов испытаний полученных материалов и покрытий сторонними организациями.
Сварка частиц порошка при взрывном прессовании
К недостаткам рассмотренных методик следует отнести тот факт, что в них не учитываются ударно-волновые процессы в ударнике и прокладке, а также не рассмотривается отражение волны от поверхности какой–либо основы, которая в большинстве случаев присутствует в схемах нагружения и на которой располагается обрабатываемый порошковый слой. Это обстоятельство ограничивает расчет рассмотрением только первой ударной волны, распространяющейся по исходному неуплотненному порошку, и не позволяет оценить параметры его многоволнового сжатия в отраженных ударных волнах. Неприменимы описанные методики и в случае использования скользящего нагружения порошка, поскольку в них рассмотрены лишь варианты метания ударника в направлении, перпендикулярном его поверхности, или одномерного разлета ПД.
Поскольку оценка физических параметров сжатия является необходимым условием понимания физической стороны процесса формирования твердых сплавов при ударно-волновом нагружении смесей порошков карбидов с металлами, то проведение исследований данного процесса без разработки соответствующих методик расчета не представляется возможным.
Получение консолидированных материалов из смесей порошков взрывным (как, впрочем, и любым другим) методом предполагает формирование прочного соединения его компонентов.
В последнее десятилетия процессы, происходящие при этом, явились предметом многочисленных исследований [36, 61…66, 128…137]. Однако, несмотря на большое количество накопленного экспериментального материала и несомненные успехи в области взрывного компактирова-ния порошков, должного теоретического понимания и единой точки зрения на факторы, обуславливающие реализацию прочного соединения их частиц в условиях воздействия высоких динамических давлений, не выработано.
В этой связи, представляется интересным сопоставить условия и критерии получения прочного соединения частиц при компактировании порошков и пластин при сварке взрывом [36, 62]. Общим для них является важность понимания роли локальных процессов деформаций и тепловыделения на контактах. Однако в отличие от сварки взрывом условия соударения и, соответственно, деформация на контактах частиц прессуемых порошков отличаются высокой гетерогенностью: если режимы сварки можно описать определенным набором параметров соударения, то ввести подобные величины, например, в качестве усредненных характеристик для ком-пактирования порошков в принципе невозможно, т.к. отсутствует стационарность режимов столкновения частиц и в ряде случаев само столкновение как таковое. Отметим, что, хотя в [62] и приведена картина волнообразования между крупными частицами меди при компактирова-нии, в случае деформирования частиц порошка средних и мелких фракций в динамическом режиме, достаточном для образования прочных связей, формирования волн не наблюдалось [63, 128].
Согласно существующим представлениям [97, 130…138], формирование соединения при сварке взрывом протекает по механизму трехста-дийной топохимической реакции с образованием физического контакта (смятие микронеровностей на соединяемых поверхностях и их сближение на расстояния действия ван-дер-ваальсовских сил); активацией поверхностей, находящихся в физическом контакте (образование активных центров), в результате которой происходит валентное межатомное взаимодействие с формированием между атомами соединяемых материалов химических связей (схватывание); объемным взаимодействием, начинающимся с момента образования активных центров и заканчивающейся слия нием дискретных очагов взаимодействия в плоскости контакта, а в объеме – релаксацией напряжений.
В соответствии с теорией топохимических реакций активация контактных поверхностей есть необходимое и достаточное условие образования соединения в твердой фазе. При сварке с высокоинтенсивным силовым воздействием, к числу которой относится как сварка взрывом, так и взрывное прессование порошков, основным (наиболее вероятным) каналом активации поверхностных атомов является дислокационный, приводящий к образованию межатомных связей между взаимодействующими металлами (схватыванию) на активных центрах (рис. 1.8) [130, 138].
Методика исследования структуры и свойств полученных материалов
При детонации заряда ВВ продукты взрыва, воздействуя через прокладку на порошок, вызывают появление в нем ударной волны, двигающейся по направлению к основанию. Эта ударная волна отражается от подложки и движется вверх. Достигнув внутренней поверхности промежуточной прокладки, она снова отражается и начинает двигаться вниз. При этом в прокладке также возникает ударная волна, которая после выхода на внешнюю поверхность прокладки превращается в волну разгрузки, проходящую последовательно через прокладку и спрессованный порошок, снимая давление в последнем (длительность основного импульса давления, таким образом, остается постоянной по высоте слоя порошка и будет определяться толщиной промежуточной прокладки и скоростью ударной волны в ней).
Основной задачей расчета в данном случае является определение максимального давления сжатия порошкового материала и температуры его разогрева в процессе прохождения по нему ударных волн. В полном объеме и точной постановке, однако, рассматриваемая задача практически не поддается решению, в связи с чем возникает необходимость приближенного решения, которое наиболее удобно осуществить методом (P,u) -диаграмм, основанном на поэтапном определении характеристик падающих и отраженных волн путем анализа пересечений ударных адиабат прокладки, порошка, основания и продуктов детонации в координатах "давление - массовая скорость" [1, 6].
Поскольку при скользящем нагружении угол, составляемый косой ударной волной в порошке, с поверхностью подложки обычно не превышает 10, то для анализа ударно-волновых процессов в рассматриваемой схеме (см. рис. 2.5) можно пользоваться одномерной моделью, независимо от направления инициирования заряда взрывчатого вещества [42].
Использование при моделировании метода (P,u) - диаграмм предполагает знание ударных адиабат продуктов детонаций, прокладки, порошка и основания.
Построение адиабат металлических основания и промежуточной прокладки, как правило, не вызывает особых затруднений: в интересую щем практику диапазоне давлений, даже в случае протекания фазовых превращений, как следует из рис. 2.6, удовлетворительным является акустическое приближение: Р = р0с0и (2.1) где Рии -давление и массовая скорость вещества за фонтом ударной волны; р0 и с0 - плотность и скорость объемных звуковых волн для металлов прокладки или подложки при нормальных условиях.
Следует отметить, что если в координатах "удельный объем-давление" допущение (2.2) является достаточно грубым, то в координатах "давление - массовая скорость" оно дает, как видно из рис. 2.7 весьма неплохой результат, что связано со структурой формулы (1.7), предусматривающей гораздо более сильную зависимость давления P от значений массовой скорости u и насыпной плотности р0, чем от плотности ударно сжатого порошка .
Основные трудности при построении ударной адиабаты продуктов детонации связаны с необходимостью учета их разлета с верхней свободной поверхности заряда (разлет в других направлениях может не учитываться в связи с использованием боковых написаний заряда).
Сделать это в первом приближении можно, если учесть, что при давлениях, мало отличающихся от давлений в точке Жуге, ударная адиабата двойного сжатия продуктов взрыва совпадает с изоэнтропой [6]: P = Apk, (2.3) причем ее показатель к может считаться неизменным.
Примем за исходную точку построения этой изоэнтропы состояние ударного сжатия продуктов детонации, характеризующееся максимально возможным для выбранной схемы нагружения давлением Рх. В случае скользящего нагружения это давление отвечает состоянию продуктов детонации в плоскости Чепмена-Жуге, а при нагружении нормально падающей детонационной волной соответствует ее набеганию на абсолютно жесткую стенку и полному торможению продуктов взрыва.
И в том, и в другом случае перемещение продуктов детонации в направлении преграды отсутствует и его появление приведет к снижению давления в соответствии с изоэнтропой расширения, которая может быть записана [1, 6] в виде: P Рс где и - скорость продуктов детонации в направлении преграды; Р - давление продуктов детонации на границе раздела с ней; р, с - соответственно плотность продуктов детонации и скорость звука в них.
Интегрирование уравнения (2.4) с учетом того, что изоэнтропа проходит через точку с параметрами (Рх, сх, рх) дает: где сх, рх - соответственно скорость звука и плотность продуктов детонации, сжатых до давления Рх. Примем k =3 и будем считать, что разлет продуктов детонации по свободной поверхности заряда в реальных условиях нагружения происходит так же, как и в случае абсолютно жесткой преграды. При скользящем нагружении Тогда для определения величины Px при нагружении нормально падающей детонационной волной можно использовать выражение: где PH - давление продуктов взрыва в плоскости Чепмена-Жуге; h высота заряда взрывчатого вещества; D - скорость детонации; т - время, отсчитываемое от момента инициирования детонации на свободной поверхности заряда. в случае, когда волна разгрузки еще не успела достигнуть поверхности промежуточной прокладки, давление Рх следует принять равным [183]: рх=рн, (2.7) а в дальнейшем использовать известное решение о разлете сжатого газа от абсолютно жестком стенки [6]: где cH - скорость звука в продуктах взрыва за фронтом детонации; - время, отсчитываемое от начала разлета продуктов детонации в их фиксированном сечении, движущемся вдоль поверхности промежуточной прокладки параллельно фронту детонации со скоростью, равной массовой скорости продуктов взрыва в плоскости Чепмена-Жуге.
Уравнения прессования порошковых смесей карбидов с металлами при взрывном уплотнении
Если значения параметра л— станут еще меньше, то число взаимо действий неровностей в пределах площади контакта еще более возрастет, а толщина пленки смазки уменьшится до нескольких мономолекулярных слоев и менее. В результате наступит режим граничного трения. В этом режиме объемные свойства жидкости становятся несущественными, а нагрузка почти полностью воспринимается деформирующимися неровностями трущихся поверхностей. Мономолекулярные слои смазки устраняют адгезионное взаимодействие твердых поверхностей, поэтому коэффициент трения и износ остаются сравнительно низкими.
Если переместиться по кривой Штрибека еще влево, например, за счет увеличения давления, то в результате усиления контактного взаимодействия трущихся поверхностей станет возможным прорыв и разрушение граничной пленки смазки: наступит трение несмазанных поверхностей, коэффициент трения и износ резко возрастут. Может развиться такая тяжелая форма повреждения трущихся поверхностей как задир.
Область значений параметра л—, лежащая на рис. 2.21 правее линии является областью устойчивого коэффициента трения: если в результате изменения в режиме работы узла трения кратковременно изменится, например, повысится, скорость скольжения (или понизится нагрузка), то коэффициент трения возрастет (т.к. мы сместились по кривой Герси-Штрибека вправо), возрастет тепловыделение в зоне трения, уменьшится вязкость смазывающей жидкости, параметр л— несколько уменьшится и коэффициент трения примет значение, близкое к первоначальному Напротив, левее линии ЪЪ на рис. 2.21 лежит область неустойчивых коэффициентов трения. Так, если увеличится нагрузка на подшипник, работающий в режиме смешанной смазки, то коэффициент трения возрастет, тепловыделение увеличится, вязкость смазки уменьшится, и коэффициент трения увеличится еще больше. При этом может произойти переход к граничной смазке и даже к трению без смазочного материала.
Таким образом, устойчивая и долговечная работа узла трения возможна при жидкостном и частично при смешанном режимах трения. Переход в режим граничного трения увеличивает износ трущихся деталей узла и является нежелательным. Трение в режиме схватывания, как правило, ведет к катастрофически быстрому выходу узла трения из строя и является недопустимым.
Следует отметить, что при эксплуатации узлов трения возможны кратковременные ужесточения условий работы, например, увеличение нагрузки, или перебои в подаче смазки. Кроме того, ни один узел трения не работает, как правило, непрерывно. В момент пуска и остановки скорость скольжения изменяется от нуля до своего номинального значения и наоборот. Это означает, что при эксплуатации реальных узлов трения возможны перехода от одного режима трения в нем к другому. Поэтому устойчивое сохранение жидкостного и граничного режимов трения, очевидно, будет являться одной из важнейших предпосылок надежной и долговечной работы пары трения.
Однако только параметров, характеризующих способность пары сохранять наиболее благоприятные режимы трения в широком диапазоне скоростей скольжения и удельных нагрузок для оценки ее работоспособности, еще недостаточно. Очевидно, что пара должна кроме того обеспечивать минимальное значение коэффициента трения при различных режимах смазки. Это необходимо как с точки зрения минимизации потерь энергии на трение, так и с тех позиций, что высокий коэффициент трения ведет к значительному тепловыделению при трении, что в свою очередь увеличивает вероятность ужесточения условий работы подшипника. И, конечно же, износ в паре трения должен быть минимальным, особенно в наиболее жестких условиях трения.
Соответственно методика триботехнических испытаний, используемая для оптимизации состава твердых сплавов, должна обеспечивать количественную оценку всех этих, в общем случае не зависящих друг от друга параметров.
Следует отметить в этой связи, что при изучении режимов трения пользоваться комплексной характеристикой rj- неудобно, так как в нее входит значение вязкости смазывающей жидкости rj, сильно зависящее от температуры в зоне трения, измерить которую в свою очередь довольно трудно. Кроме того, параметр п— в достаточной мере однозначно харак теризует трение только в том случае, когда несущая способность узла трения зависит от объемных свойств смазки, то есть при гидродинамическом, упруго-гидродинамическом и смешанном трении [212, 213]. При граничном же трении и при трений несмазанных поверхностей коэффициент трения совершенно не зависит от вязкости и определяется в большей степени температурой на контактирующих поверхностях, которая, в свою очередь, зависит от параметра PV, а не от отношения —.
В этом плане нанесение на диаграмму Герси-Штрибека (см. рис. 2.21) режимов граничного трения и трения несмазанных поверхностей является не вполне строгим, так как перехода от граничного трения к трению несмазанных поверхностей можно достигнуть, только уменьшая параметр 77- за счет увеличения P. Уменьшение же V к такому переходу в общем случае не приведет. Более того, добиться его можно как раз не уменьшая, а увеличивая V и связанную с ней температуру на контактах до момента десорбции граничной пленки смазки.
В связи с этим, как нам представляется, целесообразно исследование антифрикционных свойств полученных материалов проводить, зафиксировав определенное значение скорости скольжения и изменяя удельное давление P, так как именно монотонное изменение P в сторону уменьшения или увеличения дает возможность зарегистрировать все возможные режимы смазки трущихся поверхностей.
О временнм промежутке формирования прочных межфазных границ между компонентами твердых сплавов
В случае разрушения вдоль межфазных поверхностей трещина локализуется преимущественно в титане, следы которого можно наблюдать на поверхности карбидных частиц (рис. 4.21, б).
Вид зависимостей, приведенных на рис. 4.16 и 4.17, не позволяет с достаточной уверенностью сделать какое-либо заключение о том, какой из факторов – давление или температура разогрева порошка при ударно-волновой обработке – является определяющим для начала формирования прочных поверхностей раздела между структурными элементами порошкового материала.
Для ответа на этот вопрос необходимо обратиться к данным следующей серии опытов, в которой была использована титановая связка и различное количество карбида хрома в исходной смеси порошков.
Зависимость твердости сплавов, полученных в данной серии, от технологических параметров нагружения при ударно-волновой обработке (рис. 4.22) показывает, что, как и в предыдущей, с увеличением интенсивности нагружения (высоты заряда и скорости детонации ВВ) твердость увеличивается.
Уровень достигаемых значений твердости соответствует максимальным значениям, реализуемым на материалах на основе карбида хрома (типа КХН-15, КХН-20), полученных с помощью традиционных технологий, что свидетельствует о достаточно полном протекании процессов консолидации на стадии ударно-волновой обработки порошковых смесей и указывает на возможность отказа от операции спекания полученных материалов.
Влияние содержания титановой связки в исходной смеси порошков неоднозначно: ее уменьшение от 50 до 30% приводит к росту твердости, связанному, очевидно, с увеличением содержания карбидной фазы в структуре материалов, а далее – от 30 до 20% – к уменьшению (рис. 4.23).
Зависимость твердости сплавов от их пористости (рис. 4.24) позволяет предположить, что это уменьшение связано с ухудшением прессуемо-сти порошковых смесей и соответствующим ростом остаточной пористости сплавов (так как при одинаковой пористости в исследованных пределах ее изменения твердость сплавов, содержащих 20% Ti, оказывается выше твердости сплавов с 30 % связки).
Характер приведенных на рис. 4.24 зависимостей совпадает с ранее описанным (см. рис. 4.18): на каждой из них также четко проявляется переходный участок, соответствующий формированию прочных поверхностей раздела между компонентами исходных смесей порошков карбида и металлической связки.
Интервалы температур и давлений, соответствующие этим участкам, могут быть определены по кривым зависимости твердости соответствующих порошковых сплавов от температуры их разогрева и макси 167 мального давления ударно-волнового сжатия при взрывной обработке, приведенным на рис. 4.25.
Анализ этих кривых показывает, что интервалы давлений, соответствующие формированию прочных поверхностей раздела в порошковых сплавах с различным содержанием металлической связки, существенно разнятся, а интервал температур разогрева остается неизменным и совпадает с подобным интервалом, выявленным в первой серии экспериментов.
Данный факт можно считать достаточным основанием для признания превалирующей роли в процессе образования прочных связей между структурными компонентами порошкового твердого сплава величины температуры его разогрева в процессе ударно-волнового сжатия.
Температура 500 … 600 С, при которой наблюдается описанный скачок твердости, соответствует температуре (0,35 … 0,4)Тпл, равной, как было отмечено в п.3.2 гл.3, температуре перехода карбида хрома Cr3C2, составляющего основу исследованных порошковых сплавов, в пластичное состояние. Объяснить этот факт можно, если применить для описания процессов, протекающих при ударно-волновом сжатии порошковых смесей карбидов с металлами, основные положения теории сварки разнородных материалов в твердой фазе, сформулированные Ю. Л. Красулиным применительно к микросварке полупроводников с металлами [133…136].
В соответствии с этой теорией переход карбидной фазы в пластичное состояние делает возможным скольжение дислокаций и их выход в процессе деформирования карбидных частиц на поверхность карбидной фазы, активацию этой поверхности и образование прочных границ между карбидными частицами и металлической матрицей, что и приводит в конечном счете к скачкообразному повышению твердости материала.
Исследование обнаруженной прослойки на наш взгляд может послужить основой для объяснения обнаруженного (см. рис. 4.16, 4.17, 4.18) влияния типа используемой металлической связки на твердость материалов.
С целью выявления сплавах, полученных на режимах, обеспечивающих образование прочного соединения между компонентами исходной порошковой смеси на стадии прессования, было проведено их исследование с привлечением природы прослойки на границе карбида хрома с титаном (см. рис. 4.26) в средств современной высокоразрешающей электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа [235…237].
Результаты исследования распределения химических элементов сплава на границе раздела карбидной и металлической фаз с применением методов рентгеновской энерго-дисперсионной спектроскопии (EDS) показывают (рис. 4.27 и 4.28), что характерной особенностью прослойки на границе карбида хрома с титаном является плавное непрерывное изменение ее химического состава от максимально возможного содержания одного металла до максимально возможного содержания другого при неизменном по сечению содержании углерода. Указанное изменение концентрации металлов наблюдается на участке толщиной 80…100 нм, что в точности соответствует толщине наблюдаемых прослоек.