Деформация и разрушение модифицированных ионными пучками материалов при трении

2
Содержание
Введение...............................................................9
Глава 1. Физические основы повышения трибологических свойств
металлов и сплавов методом ионно-пучковой обработки..............29
1.1. Изнашивание материалов при трении...........................29
1.1.1. Физические процессы, происходящие в приповерхностных слоях материалов при трении.......................................30
1.1.2. Акустические колебания, возникающие при трении; влияние акустических колебаний на деформационное поведение металлов 38
1.1.3. Основные механизмы изнашивания твердых тел при трении 42
1.2. Ионная имплантация как метод модификации поверхностных свойств металлов и сплавов..........................................53
1.2.1. Физические процессы, происходящие в металлах и сплавах при ионной имплантации..........................................55
1.2.2. Свойства ионно-имплантированных металлов и сплавов........60
1.3. Выводы......................................................70
1.4. Задачи исследования.........................................71
Глава 2. Характеристики объектов н методы исследования................72
2.1. Образцы для исследований....................................72
2.2. Изделия для разработки и апробирования технологий модифицирования материалов методом ионной имплантации.......74
2.3. Методы исследования.........................................75
Глава 3. Разрушение ионно-имплантированных материалов
при трепки.......................................................86
3.1. Изучение закономерностей изнашивания армко-железа. стали 45, титана ВТ1-0 и сплава ВТ6 при трении........................86
3.1.1. Кинетика изнашивания армко-железа и стали 45
3
при трепни.........................................................87
3.1.2. Кинетика образования пятен контактов .металлов при трении в условиях подавления акустических колебаний....................93
3.2. Изучение спектральных характеристик акустических колебаний, возникающих в трибосистеме....................................95
3.3. Изучение влияния ионной имплантации на акустические характеристики поверхностных слоев стали 45...................96
3.4. Исследование микроструктуры поверхностных слоев образцов стали 45 после испытаний на трение............................97
3.5. Влияние структуры материалов на изнашивание образцов.........107
3.6. Изменение структуры приповерхностных слоев при трении........126
3.7. Морфология поверхностей трения...............................131
3.8. Выводы.......................................................139
Глава 4. Разрушение и изнашивание режущего инструмента при
эксплуатации......................................................141
4.1. Механизмы изнашивания режущего инструмента...................141
4.2. Разрушение режущего инструмента..............................149
4.3. Некоторые особенности разрушения твердосплавных резцов.......153
4.3.1. Мезомеханическне особенности разрушения твердосплавных резцов.......................................................153
4.3.2. Развитие периодически расположенных проточин...............159
4.4. Изучение влияния структуры материала твердосплавных пластин
на их изнашивание.................................................170
4.4.1. Влияние термомеханнческой обработки на структурно-фазовый
состав твердого сплава............................................172
4.4.2. Влияние термомеханической обработки на микротвердость и износостойкие свойства твердого сплава...........................180
4.5. Выводы.......................................................183
Глава 5. Повышение эксплуатационных характеристик режущего
4
инструмента путем формирования слоевых структур в приповерхностных областях материалов........................185
5.1. Формирование износостойких приповерхностных слоев методом ионной имплантации..........................................188
5.1.1. Формирование приповерхностных слоев в твердосплавных мелкоразмерных сверлах отечественного производства..........189
5.1.2. Повышение износостойкости твердосплавных мелкоразмерных сверл фирмы Key ware technology inc.........................194
5.1.3. Повышение износостойкости мелкоразмерных сверл из быстрорежущей стали.........................................198
5.1.4. Формирование износостойких приповерхностных слоев в твердосплавных пластинах, используемых для обточки колесных пар
вагонов..........................................................201
5.2. Формирование приповерхностных слоев, обеспечивающих повышение износостойкости и коррозионной стойкости
стати 65X13......................................................208
5.2.1. Повышение стойкости тонколезвийного инструмента...........208
5.2.2. Возможности использования ионной имплантации для бактерицидной защиты........................................216
5.3. Формирование износостойких покрытии напылением, совмещенным с ионной имплантации............................219
5.4. Апробирование метода ионной имплантации
в машиностроении.................................................222
5.5. Выводы......................................................224
Глава 6. Защита материалов трмбосистем от акустического разрушения
поверхностных слоев..............................................226
6.1. Закономерности в разрушении материалов трмбосистем..........226
6.2. Ноль акустических колебаний, генерируемых трибосистемой,
в разрушении материалов при трении...............................229
5
6.3. Подавление ЛК, генерируемых в резцах при резании..........231
6.4. Использование ионной имплантации для подавления АК........238
6.5. Подавление АК, генерируемых в рельсах железнодорожного транспорта.....................................................241
6.6. Подавление АК, генерируемых в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания...........................................250
6.7. Выводы....................................................257
Заключение.....................................................259
Литература.....................................................263
Приложения.....................................................288
Основные условные обозначения и сокращения
6
А - молекулярная составляющая силы трения.
АБ - период нормального изнашивания.
ВС - период катастрофического изнашивания.
0 А - период приработки.
АК - акустические колебания.
ВК - вольфрам - кобальтовые твердые сплавы.
ИГ1 - избирательный перенос.
ИНД - интенсивная пластическая деформация.
К - безразмерный коэффициент износа, являющийся мерой “жесткости” процесса изнашивания.
ОКР - области когерентного рассеяния.
СМ К - субмикрокристаллическая структура.
ГК - титан - кобальтовые твердые сплавы.
ТМО - термомеханическая обработка.
УМЗ - ультрамелкозсрнистые.
а, с - параметры элементарной ячейки решетки.
а - угол.
Сг - скорость поверхностной волны.
1 - износ.
Ь - длина полуволны.
1: - модуль упругости.
1' - частота.
X - длина волны.
Н - ширина поверхности катания колес рельсового транспорта по головке рельса.
11т - твердость изнашиваемого материала.
7
11,v, - твердость менее прочного металла.
F - сила.
N - нагрузка.
т0 - сдвиговая прочность фрикционной связи (т.е. прочность единичного пятна касания, образовавшегося при одновременном действии нормальных и танген-сальных нагрузок, и исчезающего при снятии нормальной нагрузки).
т - сопротивление сдвигу.
h - глубина внедрения.
Ни - микротвердость, г - радиус единичной неровности.
/? - пьезокоэффициент молекулярной составляющей трения.
F^-сила зрения.
Р - сила нормального давления.
Рс - контурное давление.
Рг - фактическое давление.
W - удельная энергия адгезии контактирующих металлов.
X - глубина внедрения твердой неровности в поверхность менее прочного металла.
t - максимально допустимый для данного региона местности тепловой зазор между торцами рельсов вдоль оси рельсов.
G - модуль сдвига, р - плотность вещества.
<р> - плотность дислокаций.
а - тангенциальные напряжения, v - коэффициент Пуассона.
0 - углы дифракции.
£ - деформация.
8
Из - износ по задней поверхности. Т - период работы инструмента.
I - время.
9
Введение
Актуальность темы. Прежде чем перейти к рассмотрению закономерностей деформации и разрушения материалов при трении, повышению трнболо-гических свойств материалов, необходимо остановиться на исключительной важности этого вопроса для жизнедеятельности человека. В настоящее время с трением связана одна из острейших проблем машиностроения - износ деталей машин и механизмов. Подавляющее количество машин (85 - 90 %) выходят из строя из-за износа деталей (1]. Ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышает их стоимость. Для автомобилей превышение составляет 6 раз, для самолетов - до 5 раз, для станков - до 8 раз 12]. Если производство и обслуживание тракторов принять за 100 %, то заводы, выпускающие новые тракторы, составляют лишь 22 % мощностей, на долю заводов, выпускающих запасные части к тракторам, приходится 34 % мощностей, а на долю ремонтных предприятий 44 % (11. Таким образом, на ремонт тракторов затрачивается более чем в 4 раза больше мощностей, чем на их изготовление. Необходимо также учесть, что изношенные двигатели внутреннего сгорания значительно сильнее загрязняют атмосферу отработавшими газами, чем новые.
В работе [3] приводятся данные ежегодных затрат в США на борьбу с изнашиванием (см. табл. I). Из таблицы видно, что затраты на износ просто колоссальные. В Великобритании в 50-х годах была проведена работа в рамках государства по внедрению достижений триботехники. В 1966 году был опубликован отчет Британского совета но триботехнике, согласно которому экономический эффект от внедрения достижения триботехники составил более 500 млн. фунтов стерлингов 11 ).
По подсчетам американских ученых, возможная экономия за счет внедрения результатов триботехники в практику в США составит 12-16 млрд. долларов. Необходимо учесть еще и то, что преждевременное изнашивание деталей машин и механизмов является частой причиной катастроф и гибели людей, стоимость жизней которых невозможно подсчитать ни в рублях, ни в долларах.
10
Из приведенных данных становиться очевидным, насколько важным являются изучение трения и износа, поиск и разработка методов зашиты от изнашивания.
Таблица I.
Ежегодные затраты США на борьбу с изнашиванием деталей машин и механизмов
Объекты Число объектов ПХІ0'3 Затраты, млрд. долларов
Самолеты* 200 13,4
Суда 4 6.4
Автомобили 133000 24.2
Режущий инструмент** 500 2,8
Итого: 46,8
* С учетом неплановых, плановых и капитальных затрат на износ.
’** Быстрорежущие стальные резцы и резцы из спеченного карбида.
Поэтому повышение износостойкости трибологических пар является актуальной задачей физики конденсированного состояния. Повышение износостойкости можно условно разделит ь на две задачи.
11ервая - это исследование процессов, которые происходят в материалах при трении. Наибольший вклад в изучение явлении, происходящих при трении, сделали Н. М. Алексеев, В. А. Белый, Л.И. Бершадский. Ф. Боуден. Н.А. Буше, Д.Н. Гаркунов, Х.П. Джост, Б.И. Костеикий, И.В. Крагельский, Л.И. Куксенова, Ю.К. Машков. А. А. 11оляков. Л. М. Рыбакова. Д. Тейбор, Г. Фляйшер, ММ. Хрущев и др. Несмотря на явные успехи в этом направлении в последние годы, решение данной задачи нельзя считать близкой к завершению.
Вторая задача состоит в том, как максимально уменьшить изнашивание материалов при трении. Существует много вариантов решения этой задачи -применение износостойких материалов, различные конструкционные решения, нанесение покрытий (гальванических, ионно-плазменных и др.), модификация поверхностей материалов за счет цементации, борирования, электроискровой
11
обработки, обработки лазерным излучением, ионными и электронными пучками и многие др. [4-10]. Однако во многих случаях они либо малоэффективны, либо не успевают обеспечивать все возрастающие требования повышения сроков службы и надежности изделий.
Исследование деформации и разрушения материалов, их прочностных свойств осуществляется, как правило, на модельных, наиболее простых материалах, используемых в промышленности. Важным для практического материаловедения является заключительный этап в этих исследованиях, изучение свойств и поведение материалов непосредственно в изделиях. Значимость заключительного этапа определяется тем, что в реальных изделиях к материалам предъявляются дополнительные требования, которые невозможно учесть при лабораторных испытаниях образцов.
В данной работе представлены результаты систематических исследований закономерностей и особенностей деформации и разрушения и ионно-пучковые способы упрочнения материалов, которые используются в промышленности - это стати: 65X13, сталь 45, Р6М5; армко-железо, титан ВТ1-0 и сплав ВТ6 в обычном и ультрамелкозернистом состояниях; твердые сплавы Т14К8, ВК6М, КНТ16, и ряд других материалов. Такое разнообразие материалов определено тем, что мы ставили себе задачу поиска общих закономерностей их деформации и разрушения при трении, когда они используются в качестве режущего инструмента, деталей машин и механизмов.
Актуальность темы диссертационной работы определяется сше и тем, что в 80-е годы достижениями науки в области ускорительной техники была фактически подготовлена основа для развития новых методов модификации поверхности материалов. В первую очередь, это касается создания широкоапертурных источников газовых ионов [11, 12], газометаллических - типа ‘Титан” [13] и металлических ионов типа “Диана”, “Радуга”, МЕУУА и др. [12, 14. 15], позволяющих получать ионы с энергией 40-250 кэВ, флюенсом -Ю1 ион/см2 на поверхность площадью -300 см" за разумное время (-20 минут). Эго позволило
12
целенаправленно изменять свойства приповерхностных слоев металлов за счет легирования и перестройки структуры. Одновременно с этими источниками ионов были разработаны ускорители болсс высокой мощности, позволяющие получать ионы с энергией -300 кэВ и флюснсом ~1012 -101'1 ион/см2 за один импульс на поверхность площадью до ~200 см2. Такие источники осуществляют модификацию приповерхностных слоев металлов за счет энерговклада. Типичными представителями источников такого типа являются источники ТЕМП и МУК различных модификаций (16).
Разработка названных выше источников ионов позволила исследователям перейти от исключительно научных задач взаимодействия ускоренных ионов с металлами к практическим задачам, а именно: разработке технологий модификации металлов и сплавов с целью повышения их служебных характеристик в изделиях. Необходимо отметить, что такой переход для полупроводников был сделан значительно раньше. Это связано с тем. что для модификации свойств полупроводниковых материалов необходимы флюенсы на два - три порядка более низкие, чем для металлов. Также относительная стоимость полупроводниковых материалов в пересчете на единицу облучаемой поверхности значительно выше, чем у металлов, что делает их обработку ионными пучками экономически более выгодной. Для изделий из металлов и сплавов только после разработки широкоапертурных источников стало экономически целесообразным проводить ионно-лучевую обработку. Именно этим объясняется резко возросший интерес к исследованию взаимодействия пучков ионов с металлами, так как появились реальные возможности использования ионно-лучевых технологий для повышения служебных характеристик металлических изделий.
Очевидно, что сама возможность повышения служебных характеристик материалов с помощью ионных пучков - это еще не метод, и тем более не технология. Для того чтобы использовать ионные пучки на практике, необходимо знать следующее: каким образом столь малые толщины модифицированных слоев материалов (-100 им) могут повышать износостойкость материалов в 2-4
13
и более раз; какую роль при деформации и разрушении материалов играют тонкие приповерхностные слои; каким обратом происходят деформации и разрушение материалов при трении. Необходимо развить физические представления о том, какими свойствами должны обладать приповерхностные слои материалов. для того чтобы их износ был минимальным. Ускорители ионов, которые можно использовать для повышения служебных характеристик металлических изделий, можно условно разделить на два типа. Первый - это те ускорители, которые осуществляют модификацию приповерхностных слоев за счет энерговклада, при этом легирование поверхностных слоев из-за малых концентраций вводимых примесей не играет какой-либо заметной роли. Эффекты, возникающие при воздействии ионов данных источников, определяются их мощностью и энергией в импульсе. Исследования в этом направлении хорошо представлены в работах [16-22] и в данной работе рассматриваться не будут. Второй метод -это модификация приповерхностных слоев за счет ионной имплантации, когда мощность источников ионов относительно невелика, а флюенс ионов позволяет говорить о легировании приповерхностных слоев металлов. Изменение свойств материала в этом случае определяется не только радиационными дефектами, но и типом вносимых легирующих элементов. Именно этот метод и был выбран для изучения и разработки на его основе способов повышения ресурса работы изделий, так как этот метод, с нашей точки зрения, имеет уникальные возможности по модификации поверхностей материалов. Используя ионную имплантацию, можно легировать приповерхностные слои материалов с очень большим выбором элементов периодической системы Д.И. Менделеева, и создавать в этих слоях различные неравновесные структурно-фазовые состояния. Однако научные основы формирования таких состояний методом ионной имплантации еще только создаются, и для их разработки необходимы систематические исследования как на модельных объектах, так и на сплавах, которые широко используются в промышленности.
14
Таким образом, актуальность данной работы определяется еще и тем, что на основе исследований закономерностей деформации и разрушения материалов при трении, изучения свойств приповерхностных слоев материалов, формируемых ионными пучками, возможно улучшать эксплуатационные свойства трибосистем.
Решаемой в данной работе проблемой является повышение эксплуатационных свойств трибосистем, разработка и совершенствование ионнопучковых методов модификации материалов на основе исследований деформации и разрушения их при трении, установления влияния приповерхностных слоев, сформированных ионными пучками, на деформационные процессы.
Состояние проблемы на начало работы. К началу работы (1986 г.) было установлено, что с помощью ионных пучков можно эффективно изменять свойства приповерхностных слоев материалов [4, 8. 14, 17. 23-26]. При производстве полупроводниковых приборов широко использовались нонно-лучевые технологии. Начали использовать (единичные случаи) газовые источники ионов для промышленных целей (машиностроение). Интенсивно велись работы по созданию широкоапертурных источников металлических ионов средних энергий, то есть таких источников, которые можно было бы использовать в заводских условиях для обработки изделий машиностроения [12-17]. В России, в Институте сильноточной электроники СО АН СССР совместно с Томским институтом автоматизированных систем управления и радиоэлектроники и Республиканским инженерно-техническим центром при Институте физики прочности и материаловедения СО АН СССР, велись работы по созданию источника металлических ионов “Диана”. В НИИ ЯФ при Томском политехническом институте создавался источник металлических ионов “Радуга”. В США Яном Брауном с сотрудниками в Lawrence Berkeley Laboratory разрабатывался источник металлических ионов типа MEVVA. Именно в это время резко возрос интерес к исследованию воздействия ионов средних энергий (40-200 кэВ) на металлические материалы, причем не только на чистые металлы, но и стали и
15
сплавы, используемые в машиностроении. Во .многих исследовательских центрах были начаты работы по изучению возможности повышения ресурса работы изделии за счет обработки их ионными пучками.
Несмотря на то, что первые же исследования показали перспективность данного способа повышения износостойкости изделий, возникли большие проблемы с его применением на практике. Это было связано с нестабильностью работы первых имплантеров и малым временем непрерывной работы (требовалось менять расходуемый катод и керамический изолятор). Следствием были малая производительность обработки изделий и высокая стоимость конечного продукта. Результаты, получаемые при ионно-лучевой обработке изделий, были нестабильны (с очень большим разбросом). Не была определена область, где можно было бы использовать подобные технологии. К началу работы уже имелась достаточно обширная литература по воздействию пучков ионов па металлы, в том числе и средних энергий, которые представляли интерес для практического применения (8, 23-261. Однако эти исследования были выполнены преимущественно либо на чистых металлах, либо на сплавах, которые мало употреблялись в технике. Использованные ускорители ионов, как правило, были исследовательскими. а не технологическими, которые можно было бы применять в заводских условиях. Понятно, что эти результаты можно было рассматривать всего лишь как демонстрацию возможностей метода. Исходя из изложенного выше, очевидно, что о применении на практике такого способа упрочнения для изделий, используемых в машиностроении, в то время не могло быть и речи.
Вще одна очень серьезная проблема возникла сразу же при попытке использования ионных пучков для повышения износостойкости изделий, ресурс которых определялся трением. Проблема связана с недостаточной изученностью процессов, происходящих в приповерхностных слоях материалов изделий при трении. В первую очередь это касается тонких приповерхностных слоев. На начало проведения исследований не была выявлена роль, которую играют столь малые толщины в процессах деформации и разрушения при трении. Совершен-
16
но нс поддавалось объяснению, каким образом легированный слой толщиной всего в -100 нм приводит к увеличению износостойкости изделий в десятки раз. Причем толщина унесенного слоя за счет трения и износа превышала толщину легированного слоя буквально сразу после начала работы изделия, а эффект упрочнения сохранялся. Без установления роли “тонких" приповерхностных слоев не представлялось возможным целенаправленно и стабильно создавать приповерхностные слои, повышающие износостойкость изделий.
Следствием недостаточности знаний о роли и поведении “тонких” приповерхностных слоев при трении являлось то. что было неясно, какие должны быть приповерхностные слои но составу и структуре. Общих представлений было явно недостаточно, поскольку условия работы приповерхностных слоев материалов при трении очень специфичны и несопоставимы с любыми другими условиями. Появилась потребность получения новых, дополнительных знаний по работе "тонких” приповерхностных слоев материалов при трении и, уже исходя из них, обоснование способов формирования приповерхностных слоев с помощью ионных пучков для конкретных материалов, изделии и условий работы.
В процессе выполнения данной работы выяснилось, что в представлении физики разрушения материалов при трении был упущен важный механизм, который хотя и был "очевидным”, но не учитывался. Речь идет о разрушении материалов трибологических пар за счет акустических колебаний, возникающих при трении.
Поэтому, прежде чем перейти к использованию метода ионной имплантации для решения практических задач но повышению служебных характеристик изделий, необходимо было провести дополнительные исследования для выявления природы и механизмов деформации и разрушения материалов при трении. И только после этого приступить к построению приповерхностных слоев трибологических пар с помощью ионных пучков.
17
Принципиальные трудности, возникающие при решении рассматриваемых проблем:
- при трении присутствуют почти все механизмы деформации, и, в зависимости от материала и условий работы, превалируют те или иные механизмы разрушения;
- процессы, происходящие в материалах при трении, могут развиваться сразу на всех микро-, мезо- и макромасштабных уровнях;
- структуры, которые образуются в приповерхностных слоях материалов при трении, являются термодинамически неравновесными и нестабильными;
- свойства приповерхностных слоев сильно зависят от самого материала трибологических пар, от условий работы (используемой смазки, нагрузки, атмосферы, характера работы - непрерывный режим работы или циклический,- и др.), что сильно затрудняет выявление общих закономерностей разрушения материалов при трении;
- возникающий в процессе трения промежуточный слой, так называемое “третье тело", существует фактически только во время работы трибологической пары и после остановки процесса трения меняет свои свойства, что существенно усложняет изучение закономерностей деформации и разрушения приповерхностных слоев.
Ставя задачу по разработке технологии повышения служебных характеристик промышленных металлических изделий с помощью ионных пучков, необходимо было учесть целый ряд условий:
- ускоритель ионов должен работать в заводских условиях;
- из-за относительно невысокой стоимости самих изделий стоимость обработки ионными пучками должна быть невысокой;
- для того чтобы вести обработку- заводских изделий, производительность ионно-лучевых установок должна быть достаточно высокой;
18
- технология не должны быть слишком сложной для реализации;
- определены области применения ионно-лучевых технологии.
Рассматривая решаемую проблему с точки зрения физики разрушения материалов при трении, необходимо было изучить следующее:
- каким образом приповерхностные слои, создаваемые ионными пучками средних энергии, оказывают существенное влияние на изнашивание изделий при трибологическом контакте;
- какую структуру должны иметь приповерхностные слон для того, чтобы материал трибологической пары как можно меньше изнашивался;
- каким образом с помощью ионных пучков можно изменять элементный состав и структуру приповерхностных слоев материалов изделий, которые являются оптимальными с точки зрения износа;
- закономерности и особенности деформации и разрушения материалов трибологических пар с модифицированными поверхностными слоями.
Особенностями нагружения образцов при трении является не только многообразие используемых материалов и условий работы, но и то, что даже небольшое изменение нагрузки или условий работы может существенным образом изменить характер износа. Причины и закономерности этого в полной мере не изучены. Очевидно, что без выявления причин последнего управлять трибологическими свойствами материалов, лаже таким весьма удобным методом как ионные пучки, весьма затруднительно.
Известно, что начало работы трибологической пары, как правило, сопровождается процессом приработки, перестройки структуры приповерхностных слоев. Трибологическая система приспосабливается к условиям работы, самоорганизуется. Начальный этап работы, этап приработки, во многом определяет дальнейшую работу трибологической пары. Однако до сих пор закономерности
19
процессов приработки не изучены в полном объеме. Это не позволяет надежно прогнозировать работу трибологической нары.
Цель настоящей работы - установить закономерности деформации и разрушения материалов, модифицированных ионными пучками, при трении; разработать ионно-пучковые технологии формирования приповерхностных слоев материалов трибологических пар для повышения их эксплуатационных свойств и надежности.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи;
- изучение влияния ионной имплантации на формирование неравновесных структурно-фазовых состояний и химического состава в приповерхностных слоях;
- исследование закономерностей и особенностей деформации и разрушения материалов при трении;
- выявление структур, образующихся в приповерхностных слоях при трении, и установление их влияния на скорость изнашивания материалов;
- изучение общих закономерностей изнашивания трибологических пар при эксплуатации, выявление роли деформации и акустических колебаний в их разрушении, разработка способов защиты от разрушающего действия акустических колебаний;
- разработка принципов формирования с помощью ионных пучков приповерхностных слоев материалов трибологических пар с целью повышения их функциональных характеристик;
- разработка технологии модифицирования материалов лрибологических пар. - режущего инструмента, деталей машин и механизмов, штамповой оснастки. - и проведение апробирования разработанных технологий в заводских условиях.
20
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, цитируемой литературы и приложений. Работа содержит 297 страниц, включая 111 рисунков. 19 таблиц и список цитируемой литературы из 235 наименований.
В первой главе проведен анализ состояния вопроса по изнашиванию материалов при трении, рассмотрены физические процессы, происходящие при трении, структура и физико-химические свойства приповерхностных слоев материалов, испытывающих трибологическое взаимодействие. Рассмотрены основные механизмы разрушения твердых тел при трении, и дан их анализ. Показано, что в исследованиях по трению при рассмотрении физических процессов не изучено влияние акустических колебаний, генерируемых в процессе трения, на разрушение материалов трибосистсмы. Отмечено, что данные акустические колебания могут оказывать существенное влияние на разрушение материалов. В связи с этим актуальным является, как с научной, так и практической точек зрения, изучение этого влияния.
Рассмотрены основные физические процессы, происходящие при взаимодействии ионных пучков с твердым телом, и свойства модифицированных материалов, влияние обработки ионными пучками на эксплуатационные характеристики металлов и сплавов. Показано, что с помощью ионных пучков можно существенно влиять на трибологические свойства материалов, тем самым управлять их износостойкими свойствами. Отмечено, что при рассмотрении эффекта повышения износостойких свойств материалов, после воздействия ионных пучков, недостаточно полно обоснован механизм, за счет которото эффективно происходит данное повышение. Указывается, что знания механизма повышения износостойкости материалов при воздействии пучков ионов позволит не только полнее понять процесс разрушения материалов при трении, но и эффективно использовать эти знания для разработки новых технологий упрочнения изделий. На основе представленного анализа сформулированы задачи исследования.
21
Во второй главе обосновывается выбор материалов для исследований. Отмечается, что для изучения общих закономерностей разрушения материалов при трении необходимо проводить исследования с разными материалами, работающими в различных условиях. В связи с этим для исследований были использованы технически чистое железо, различные стали, титан ВТ 1-0 и его сплав ВТ6, твердые сплавы. Интересным представляется сравнение трибологических свойств ультрамелкозернистых и обычных материалов, изучение влияния структуры материала на его трибологические свойства. Поэтому ряд материалов, таких как армко-железо, титан ВТ 1-0 и сплав ВТ6. исследовался в обычном и ультрамелкозернистом состояниях.
Для проведения экспериментальных работ с демпфированием акустических колебаний, генерируемых при трении, была сконструирована и изготовлена специальная машина трения. Для расширения возможностей по имплантируемым элементам был разработан специальный катодный узел. Новый катодный узел позволяет осуществлять имплантацию на ионных источниках типа “Диана”, MEVVA и др. не только ионов металлов, но и полупроводников. Это сильно расширило технологические возможности источников данного типа (получено свидетельство на полезную модель). Для анализа приповерхностных слоев использовались современные методы: электронная просвечивающая микроскопия, вторичная ионная масс-спектроскопия (ВИМС), Оже-спектроскопия, проводились рентгеноструктурные и металлографические исследования. Исследования спектров акустических колебаний, возникающих при трении, были проведены па диагностическом акустическом стенде Сибирского физико-технического института им. В.Д. Кузнецова при Томском госу дарствен ном университете.
Работа имеет не только научную, но и техническую направленность, поэтому большое внимание в ней было уделено испытаниям изделий, обработанных по разработанным технологиям.
22
Третья глава посвящена изучению изнашивания ионно-имплантированных материалов при трении. Проведено изучение влияния ионно-лучевой обработки на деформационное поведение приповерхностных слоев при трении и кинетику изнашивания. Исследовано влияние структуры материалов и акустических колебаний на изнашивание материалов. Выдвинуто предположение. что акустические колебания, генерируемые при трении, оказывают существенное влияние на разрушение материалов трибосистем. На основе экспериментальных результатов и предложенной гипотезы дано объяснение высокой эффективности ионно-лучевой обработки при работе материалов в трибо-системах.
В четвертой главе представлены результаты анализа причин разрушения режущего инструмента. Показано, что ряд важных экспериментальных фактов по разрушению режущего инструмента не находит объяснения в рамках существующих представлений. Изучены мезомеханические особенности разрушения твердосплавных резцов, влияние структуры и термомеханической обработки на износостойкость твердого сплава. Проведены измерения акустических колебаний. возникающих при резании в твердосплавных пластинах. Показано, что в процессе резания генерируются акустические колебания, которые приводят к разрушению резца- На основе проведенных исследовании расширены представления о процессе разрушения твердосплавных резцов при эксплуатации.
Пятая глава посвящена изучению влияния специально сформированных приповерхностных слоев малых толщин (-100 нм) на износостойкость различных видов изделий. Одним из основных критериев для выбора изделий, в которых формировались приповерхностные модифицированные слои с помощью ионных пучков, являлось то, что для них другие технологии неприемлемы или малоэффективны. На основе производственных испытаний изделий отечественного и зарубежного производства определены основные закономерности формирования приповерхностных слоев, позволяющие эффективно повышать износостойкость изделии, показана существенная роль приповерхностных ело-
23
ев малых толщин в разрушении материалов при трении, разработаны способы формирования тонких приповерхностных слоев, позволяющие повышать ресурс работы изделий в два и более раз. Проведено апробирование технологий, основанных на использовании ионной имплантации в медицине, и показано, что данные технологии и в этой области могут также эффективно применяться.
В шестой главе представлены результаты по разработке способов защиты материалов от разрушения за счет акустических колебаний, возникающих при трении. На примере твердосплавных резцов, блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания и рельсов железнодорожного транспорта показано, что разрушение изделий по поверхности при их эксплуатации происходит неравномерно. На поверхностях присутствуют периодически расположенные места более интенсивною износа. Из этого следует, что, кроме известных видов разрушения, дополнительно накладывается разрушение за счет акустических колебаний. Предложены методы зашиты изделий от акустического разрушения при трении, основанные на исследованиях, представленных в третьей и четвертой главах, и анализе литературных данных. Существенным в предлагаемых решениях является то. что эти методы защиты от разрушения достаточно просто реализовать не только для рассмотренных изделий, но и для многих других.
Научная новизна работы определяется следующими результатами и положениями, сформулированными на основе анализа систематических исследований деформации и разрушения материалов при трении, изучения структуры, физико-мехапических, химических и эксплуатационных свойств металлов и твердых сплавов, обработанных ионными пучками.
- На основе изучения кинетических зависимостей изнашивания исследуемых материалов показано, что в их разрушении существенную роль играют акустические колебания, генерируемые в самой трибосистеме. Это позволило объяснить ранее не объясненные экспериментальные факты периодичности в расположении мест разрушения поверхностей и дополнить представления о механизмах разрушения материалов при трении. Показано, что акустические
24
колебания, возникающие при трении, являются дополнительной “эффективной" нагрузкой на трибосистему. Демпфирование акустических колебаний приводит к снижению износа.
- В результате изучения кинетики изнашивания ионно-имплантированных материалов предложено объяснение высокой эффективности защитных свойств тонких, толщиной всего в 100 нм. модифицированных слоев при трении, которое основано на рассеянии и поглощении поверхностных акустических колебаний. Предложенное новое объяснение влияния тонких приповерхностных слоев на изнашивание материалов дополняет физические представления кинетики изнашивания материалов.
- Изучено разрушение твердосплавных резцов при резании на мезоуровне и показано, что оно осуществляется, так же как и разрушение сталей при механических нагрузках, через стадии фрагментации, объединения фрагментов и последующее прорастание магистральной трещины.
- Разработаны физические принципы формирования тонких (-100 нм) слоевых структу р ионными пучками с целью повышения износостойкости и коррозионной стойкости, основанные на том, что каждый слой несет свою вполне определенную функцию.
Достоверность полученных экспериментальных результатов, выводов, научных положений и рекомендаций, представленных в работе, обеспечена корректностью постановки задачи, использованием современных методов исследований и аппаратуры, систематическим характером исследований, статистической воспроизводимостью и согласованностью результатов, полученных с использованием разных методов и методик.
Научно-практическая значимость и реализации результатов работы. Совокупность полученных результатов и установленных закономерностей позволяет дополнить представления о природе физических процессов разрушения ионно-моднфицированных материалов при фении. Полученные экспериментальные данные позволяют по-новому взглянуть на роль тонких приповерхно-
25
стных слоев материалов при трении, на их защитные свойства при коррозии.
Экспериментальные результаты и их анализ являются основой для разработок
ионных технологий упрочнения мегаллов и сплавов, работающих в условиях
трибосопряжения.
1. Установленное существенное влияние акустических колебаний, генерируемых при трении, на разрушение материалов трибосистем позволяет использовать принципиально новые способы повышения износостойкости.
2. Разработаны ионно-лучевые технологии обработки режущего инструмента, деталей машин и механизмов, позволяющие повышать износостойкость изделий в два и более раз, которые прошли апробирование на многих предприятиях России и за рубежом.
3. Разработаны способы защиты от разрушения для твердосплавных резцов, рельсов железнодорожного транспорта, гильз двигателя внутреннего сгорания. На данных примерах показано, каким образом можно защищать изделия от разрушений, которым способствуют акустические колебания, возникающие при трении.
Результаты исследований использованы:
- при разработке технологических процессов упрочнения твердосплавных чашечных резцов, используемых для переточки колесных пар вагонов для предприятий Томского. Новосибирского и Омского (Московка) вагонных депо:
- при разработке технологических процессов упрочнения для изделий Томского завода резиновой обуви (для упрочнения ножей для обрезки облоя, петлн-телей, пробойников и др.);
- при разработке технологических процессов упрочнения мелкоразмерных т вердосплавных сверл для Томского радиозавода и Тайваньской фирмы Key ware technology inc;
- в лекционных курсах “Лучевые технологии", “Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом", читаемых студентам электрофизического фа-
26
культета Томского политехнического университета, в учебных и методических пособиях.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Экспериментально обоснованное доказательство важной роли акустических колебаний, возникающих при трении, в деформации и разрушении металлов и сплавов трибосистсм. Необходимость введения при разработке изделий, представляющих собой нары трения, контроля возможности возникновения в них при работе резонансных акустических колебаний. Методы защиты трибосистем от собственных акустических колебаний.
2. Закономерности деформации и разрушения твердосплавных пластин в процессе резания, заключающиеся в последовательных событиях: пластической деформации, появления периодических структур, фрагментации, образовании микроскопов и прорастании магистральной трещины. Генерируемые при резании акустические колебания являются составной частью механизма разрушения твердосплавных инструментов.
3. Результаты исследований формирования приповерхностных структур, деформации и разрушения армко-железа, стали 45, титана ВТ 1-0 и сплава ВТ6 при фении, обусловленных ионно-лучевой обработкой. Условия и режимы ионно-лучевой обработки, при которых может изменяться механизм изнашивания с адгезионного на усталостный.
4. Разработанные способы ионно-лучевой обработки режущего инструмента. основанные на многозлементной ионной имплантации с формированием многослойных структур в приповерхностных областях материалов, повышающие ресурс работы изделий в два и более раз. коррозионную устойчивость в три раза.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских и региональных конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах: 1 Всесоюзной конференции “Модификация свойств конструкционных материалов пуч-
27
ками заряженных частиц" (Томск. 1988); II Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов" (Саратов, 1990); 8, 9, 10-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск. 1993. 1996, 1999); IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск. 1996); Second International Conference MPSL'96. (Sumy, Ukraine. 1996); V International Conference Computer-Aidid design of advanced materials and technologies, 1997 CADAMT-97, (Tomsk, 1997); Advanced materials and processes. Fourth Sino-Russian symposium beijing, (China, 1997); XI1 International conf. Ion Implantation Technology, (Kyota, Japan, 1998); Sixth International Conference on Plasma Surface Engineering (Garmisch-Partenkirchen, 1998); V Russian-Chincse International Symposium “Advanced Materials and Processes” (Baikalsk, 1999); Региональной научно-практической конференции "Транссиб 99" (Новосибирск, 1999); IV International Conference on Modification of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials (Feodosiya, 2001); Международном технологическом конгрессе “Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения" (Омск-2001); Международной конференции "Современные проблемы машиностроения и приборостроения” (Томск 2002); Proceedings of X АРАМ topical seminar and III conference "Materials of Siberia" "Nanoscicncc and technology" devoted to 10-lh anniversary of АРАМ (Novosibirsk 2003); “Mcsomechanics” Fundamentals and Applications" (MESO’2003) and VII International Conference "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (CADAMT2003) (Tomsk 2003); Международном научно-практическом симпозиуме Славянтрибо-6. Интегрированное научно-техническое обеспечение качества трибообъектов, их производства и эксплуатации (Санкт-Петербург, 2004); XLIII международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Витебск, 2004): Proceedings of 5, 6. 7, 8 -th