Дослідження поверхні тертя ножів автогрейдеру з іонно - плазмовим покриттям Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 64 Венцель Є.С., Щукін О.В. Харківський національний автомобільно-дорожній університет, м. Харків, Україна E-mail: supercar_88@mail.ru ДОСЛІДЖЕННЯ ПОВЕРХНІ ТЕРТЯ НОЖІВ АВТОГРЕЙДЕРУ З ІОННО - ПЛАЗМОВИМ ПОКРИТТЯМ УДК 621.878 Наведено методику і результати рентгенівських та мікрорентгеноспектральних лабораторних досліджень ножів, які виготовлено зі сталі 65Г, з іонно-плазмовим покриттям TiN-Cr2N та без нього. Встановлено, що підвищен- ня зносостійкості покриття TiN-Cr2N, при оптимальному значенні товщини 4 мкм, обумовлено наявністю титану, а корозіоностійкості – хрому. Титан та хром знаходяться безпосередньо в самому покритті і рівномірно розподілені по його структурі. Встановлено, що покриття TiN-Cr2N при товщині 8 мкм відшаровується внаслідок відносно великої товщини. Покриття товщиною 1 мкм ненадійне для роботи фрагментів ножів автогрейдера в абразивному середови- щу через руйнування поверхневої плівки. Ключові слова: ніж, знос, іонно-плазмове покриття, товщина, рентгеноспектральний аналіз. Вступ Серед широко розповсюджених у практиці машинобудування методів та способів щодо збіль- шення зносостійкості різальних елементів землерийно-транспортних машин (ЗТМ) не можна виділити такі, які не порушують структури матеріалу, зокрема, ножів автогрейдерів. Це пов'язано з головним не- доліком більшості методів – зниження ударної в'язкості матеріалу ножів на тлі незначного збільшення їх зносостійкості. У той же час, аналіз досвіду роботи різних галузей машинобудування показав істотне підвищен- ня зносостійкості робочих поверхонь деталей машин за рахунок нанесення на них плазмових матеріалів [1 - 3]. Основними методами нанесення таких покриттів являють хімічне осадження з газової середовища і конденсація твердої речовини в умовах іонного бомбардування (КІБ) [2]. Найбільш раціональним мето- дом є саме КІБ, тому що основною його перевагою є можливість регулювання температури процесу (~300 - 800 °С). Зважаючи на те, що до ІПП пред'являються спеціальні вимоги, а саме висока зносостійкість та ко- розійна стійкість, було зроблено припущення, що такі покриття можуть задовольнити умови роботи ножів автогрейдера в абразивному середовищі. При цьому на підставі отриманих результатів випробувань [4] на знос зразків на машині тертя СМЦ-2 для підвищення зносостійкості робочої поверхні ножів автогрейдера було обрано захисне покриття на основі титану. Нанесення цього ІПП здійснювалось за допомогою уста- новка Булат-3Т. Результати експлуатаційних випробувань [5] показали, що застосування іонно-плазмового пок- риття (ІПП) TiN-Cr2N товщиною 4 мкм методом КІБ не тільки дозволяє підвищити зносостійкість різаль- них елементів автогрейдерів зі сталі 65Г, майже в 2 рази, а й зберегти геометричну форму ножа, а також значення ударної в'язкості матеріалу, з якого він виготовлений. Це важливо при експлуатації автогрейде- рів, робочі органи яких працюють в умовах постійно діючого динамічного і знакозмінного навантаження. Тому на наш погляд, доцільно було б дослідити структуру ІПП TiN-Cr2N для того, що б встано- вити причину істотного збільшення зносостійкості різальних елементів (ножів) автогрейдерів. Мета і постановка задачі Метою цієї роботи є визначення причин підвищення зносостійкості за рахунок нанесення ІПП на поверхню ножів автогрейдеру з використанням методів мікроструктурного аналізу матеріалу. Виклад матеріалів дослідження Для отримання покриття на основі нітриду титану були використані титановий катод ВТ1-00 (ГОСТ 19807-91) і хромовий катод ВХ-2К (ГОСТ 19807-91). При цьому азот (ГОСТ 9293-74), що володіє чистотою 99,98 %, виступав в якості реакційного газу. Захисне ІПП системи TiN-Cr2N наносилося при режимах, наведених у табл. 1. ІПП, що наносилось на поверхню ножів, складалось із злиття п'яти шарів, що чергуються, Cr2N та чотирьох шарів TiN. В процесі нанесення багатошарового покриття відбувається відпуск сталі 65Г, який призводить до зниження твердості до HRC30. Після термообробки твердість підкладки відновлю- ється і становить HRC 50 - 54. mailto:supercar_88@mail.ru Дослідження поверхні тертя ножів автогрейдеру з іонно - плазмовим покриттям Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 65 Таблиця 1 Режими нанесення ІПП системи TiN-Cr2N Матеріал емісійного катода Струм на Cr, А Струм на Ti, А Напруга U, В Струм I, А Тиск Р, Па Час осадження t, хв 1-й етап: очищення, розігрів і активація іонами хрому. хром 80 - 90 2 1,33 7 2-й етап: напилення покриття в атмосфері азоту 2 катода: 1-й хром 2-й титан 80 70 150 3 0,67 25 Металографічні дослідження ножів з ІПП TiN-Cr2N після експлуатаційних випробувань прово- дили за допомогою мікроскопа МІМ-8 при збільшенні 500, 1000 з подальшим фотографуванням зобра- ження. При цьому металографічні шліфи були отримані в результаті шліфування з використанням алмаз- ної пасти. Разом з тим для виявлення мікроструктури сталі 65Г застосовували хімічне травлення шліфів в 3% спиртовому розчині азотної кислоти. У результаті металографічних досліджень нами було встановлено, що ІПП TiN-Cr2N володіє найкращою адгезією при товщині від 2 до 5 мікрон. В іншому випадку має місце порушення цілісності поверхневого шару. Як видно на прикладі рис. 1, а, при товщині покриття понад 5 мікрон в процесі зно- шування спостерігається його відшарування. В результаті проведених лабораторних випробувань фрагментів ножа автогрейдера з пок- риттям TiN-Cr2N товщиною 1 мікрон спостерігалося його руйнування протягом перших кількох го- дин роботи (рис. 1, б).  1000 а б Рис. 1 – Відшаровування покриття TiN-Cr2N товщиною 8 мкм після зношування: а – відшарування покриття TiN-Cr2N товщиною 8 мкм; б – руйнування покриття TiN-Cr2N товщиною 1 мкм 500 а б Рис. 2 – Поверхня фрагмента ножа зі сталі 65Г: а – з покриттям TiN-Cr2N товщиною 4 мкм; б – після термообробки та шліфування без покриття Дослідження поверхні тертя ножів автогрейдеру з іонно - плазмовим покриттям Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 66 Крім того, як видно з рис. 2, покриття TiN-Cr2N може значно згладити нерівності по поверхні, які можуть бути концентраторами напружень та сприяти швидкому руйнуванню поверхневої плівки. На цих фотографіях покриття виглядає у вигляді світлої смуги, яка має чітку межу зі сталлю і при цьому не труїться ніталем (3 % HNO3). За покриттям має місце перехідна зона, яка відрізняється тим, що вона відносно добре труїться ніталем і володіє товщиною 4 - 5 мікрон. При цьому в результаті проведення мікрорентгеноспектральний аналізу було встановлено, що більша частину титану знаходиться саме в самому покритті. Лише деяка його частина розташовується в перехідній зоні (рис. 3).  1000 Рис. 3 – Розподіл титану в самому покритті TiN-Cr2N і перехідній зоні Метод якісного рентгенівського аналізу, який проводився за допомогою установки УРС 50, до- зволив простежити розподіл хімічних елементів в покритті системи TiN-Cr2N, перехідній зоні і матриці, а також виявити включення різного роду. При цьому суть методу полягав у наступному: пучок електронів при взаємодії з атомами, розташованими на поверхні зразка (пластини), генерував рентгенівське випро- мінювання. При цьому вимірювання довжини хвилі і інтенсивності випромінювання дозволило визначи- ти наявність тих чи інших елементів. У свою чергу інтенсивність випромінювання характеризується чис- лом імпульсів, що виникають за певний відрізок часу переміщення зразка. Результати вимірювань у міру переміщення на задану відстань зразків за допомогою мікрозонда друкувалися на самописному потенціометрі. Залежність інтенсивності випромінювання від координат місця розташування точок фіксувалася на діафрагмової папері, що дозволили в подальшому визначити концентрацію елементів з похибкою до 2 %. Сканування електронного пучка на поверхні пластини дозволило отримати дані поверхневого шару. Однак, зображення, які вийшли за рахунок відображення в електронах, являють собою якісну ха- рактеристику хімічного складу покриття, але такі відомості зумовлюють визначення взаємозв'язку кон- центрації покриття і мікроструктури поверхневого шару. Необхідно відзначити, що на рентгенограмі можна виділити лінії, які характеризуються наступ- ними фазами: TiN, α-Ti, α-Fe. Визначення наявності Cr2N досить суб'єктивний процес. Це пов'язано з тим, що лінії такого з'єднання зазвичай збігаються з лініями інших з'єднань. У нашому випадку хром не був виявлений, але це не говорить про його повній відсутності. Даний факт пояснюється тим, що пред- ставлений метод може бути недостатньо чутливий для виявлення хрому. Висновок Результати рентгенівських і мікрорентгеноспектральних досліджень показали, що підвищення зносостійкості ножів автогрейдеру з покриттям TiN-Cr2N, при встановленому оптимальному значенні то- вщини ІПП 4 мкм, обумовлено наявністю титану, а корозіоностойкість - хрому. Обидва елементи знахо- Дослідження поверхні тертя ножів автогрейдеру з іонно - плазмовим покриттям Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 67 дяться в самому покритті і рівномірно розподілені по його структурі, що також сприяє зменшенню зносу ножів. Покриття TiN-Cr2N товщиною 8 мкм зовсім ненадійне, бо схильне до відшаровування внаслідок відносно великої товщини. Покриття товщиною 1 мкм зовсім не впливає на зносостійкість матеріалу при роботі фрагментів ножів автогрейдера в абразиві через миттєве руйнування поверхневої плівки. Література 1. Роик Т.А. Повышение износо- и коррозионной стойкости деталей объемного гидропривода нане- сением ионно-плазменных покрытий / Т.А. Роик, Д.Б. Глушкова, Ю.В. Рыжков. – Харьков, 2012. – 112 с. 2. Роик Т.А. Повышение стойкости пресс-форм литья под давлением медных сплавов / Т.А. Роик, Д.Б. Глушкова. – Харьков, 2013. – 108 с. 3. Венцель Е.С. Повышение износостойкости рабочих органов землеройно-транспортных машин : монография / Е.С. Венцель, А.В. Щукин. – Харьков, 2015. – 106 с. 4. Венцель Є.С. Збільшення зносостійкості ножів землерийно-транспортних машин / Є.С. Венцель, О.В. Щукін // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2015. – № 2. – C. 30-35. 5. Венцель Е.С. Исследование износа режущих элементов землеройно-транспортных машин с ион- но-плазменным покрытием / Е.С. Венцель, Д.Б. Глушкова, А.В. Щукин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухо- ва. – 2013. – №4. – С. 143-147. П р о б л е м и т р и б о л о г і ї “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” E-mail: tribosenator@gmail.com Поступила в редакцію 27.11.2015 Дослідження поверхні тертя ножів автогрейдеру з іонно - плазмовим покриттям Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 68 Ventsel Ye. S., Shchukin О. V. Research friction surface grader blades with ion-plasma coating. The use of ion plasma coating TiN-Cr2N thickness of 4 micrometers by condensation of ion bombardment can in- crease the wear resistance of cutting elements graders steel 65G 2 times, maintain the geometrical shape of the knife, as well as the value of the toughness of the material from which it is made. The main goal of the research was to determine the reasons for the increase of wear resistance of the cutting ele- ments graders. Metallographic studies were performed using a microscope MIM-8 500 increases, 1000, followed by photograph- ing an image. As a result metallographic investigations we have found that Cr2N-TiN coating has the best adhesion with a thickness of 2 to 5 microns, otherwise there is a violation of the integrity of the surface layer. As a result of electron microprobe analysis, it was found that the portion of titanium is prevalent in the coating. The method of quality X-ray analysis, which was conducted by setting the MSD 50 allowed to trace the distribution of chemical elements in the coating of TiN-Cr2N, the transition zone and the matrix, as well as to identify the inclusion of various kinds. The results of X-ray and micro X-ray spectral studies have shown that increasing the wear-resistant coatings TiN-Cr2N, established at the optimum value of thickness 4 microns, due to the presence of titanium and corrosion resistance - chrome. Keywords: knife, wear, ion-plasma coating, thickness, X-ray analysis. References 1. Roik T.A., Glushkova D.B., Ryzhkov Yu.V. Povyshenie iznoso- i korrozionnoj stojkosti detalej obemnogo gidroprivoda naneseniem ionno-plazmennyx pokrytij. Har’kov, 2012. 112 р. 2. Roik T.A., Glushkova D.B. Povyshenie stojkosti press-form litya pod davleniem mednyx splavov. Xarkov, 2013. 108 р. 3. Vencel E.S., Shhukin A.V. Povyshenie iznosostojkosti rabochix organov zemlerojno-transportnyx mashin : monografiya. Har’kov, 2015. 106 p. 4. Vencel E.S., Shhukіn O.V. Zbіlshennya znosostіjkostі nozhіv zemlerijno-transportnix mashin. Prob- lemi tribologії (Problems of Tribology). 2015, No 2. pp. 30–35. 5. Vencel E.S., Glushkova D.B., Shhukin A.V. Issledovanie iznosa rezhushhix elementov zemlerojno- transportnyx mashin s ionno-plazmennym pokrytiem: Vestnik BGTU im. V.G. Shuxova. 2013, No4, рр. 143–147.