Дослідження триботехнічних характеристик електроіскрових покриттів з евтектичного сплаву на сталі 12Х18Н10Т Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 6 Панарін В.Є.,* Гуменюк І.А.,** Кіндрачук М.В.,** Тісов О.В.** * Шнститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, ** Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна E-mail: nau12@ukr.net ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИБОТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕЛЕКТРОІСКРОВИХ ПОКРИТТІВ З ЕВТЕКТИЧНОГО СПЛАВУ НА СТАЛІ 12Х18Н10Т УДК 621.891 У роботі досліджено тертя і зношування евтектичних сплавів в умовах сухого тертя. Матеріалом для нена- сення покриття був розроблений евтектичний сплав із карбідним зміцненням. Покриття на поверхню сталі 12Х18Н10Т наносили електроіскровим методом у захисній атмосфері. Трибологічні випробування виконано на ма- шині тертя М22-П, у якості контртіла використано сталь 45 загартовану до твердості 45 HRC. Випробувано три серії покриттів – без обробки (у стані «як нанесено»), і після відпалу – 15 і 45 хв. Структура необробленого покриття є то- нким конгломератом фаз, що змінює механізм зміцнення матеріалу (порівняно з литим сианом). У вихідному стані покриття має високу корозійну стійкість, твердість і порівняно високу зносостійкість. Шляхом відпалу нанесеного покриття можна змінювати його механічні і трибологічні властивості і підібрати необхідні характеристики для зада- них умов тертя. Ключові слова: електроіскрові поркиття, нерівноважний стан, сталь 12Х18Н10Т, диборид хрому, добо- рид титану, тонкий конгломерат фаз. Вступ В останні десятиліття увагу розробників нових матеріалів все більше привертають можливості використання метастабільних станів, що виникають в умовах ведення нерівноважної кристалізації мета- левих сплавів. Такі умови виникають, наприклад, при нанесенні покриттів фізичними методами, які ви- користовують концентровані джерела енергії з великою густиною потужності – лазери, плазмові потоки, детонаційно-газові методи, електроіскрове легування, напилення вибухом тощо. [0, 0]. Високоенергетич- ний вплив на матеріал за малі проміжки часу приводить до виникнення в покритті нерівноважних фаз і структур, які в звичайних чи інших більш рівноважних умовах, не утворюються [0]. Ці стани надають покриттям властивості, що визначаються поєднанням нерівноважних структур і фаз і, крім того, з'явля- ється можливість керувати їхніми властивостям шляхом переведення покриття як термодинамічну сис- тему до більш рівноважного стану. Тут необхідно відмітити важливий момент. Змістити покриття, що знаходиться в нерівноважно- му стані, в сторону термодинамічної рівноваги можна двома шляхами. Перший – це цілеспрямований зо- внішній енергетичний вплив (наприклад, дифузний відпал, зовнішня деформація, лазерний переплав, ультразвукова обробка тощо). Другий – це мимовільний зовнішній енергетичний вплив, який виникає безпосередньо у процесі роботи покриття (наприклад, в умовах тертя, корозійної дії, циклічної взаємодії з іншим тілом). У другому випадку можна говорити про самоорганізацію системи і оптимальну її прис- тосованість до умов зовнішнього руйнівного впливу. Рушійною силою такого процесу є зниження внут- рішньої енергії системи за умов підведення енергії ззовні за рахунок дисипації будь-яким способом. Реалізація другого варіанту видається більш ефективною, оскільки створити умови для самоор- ганізації нерівноважної системи простіше, ніж заздалегідь спрогнозувати і забезпечити оптимальну стру- ктуру і склад покриття для заданих умов роботи. Евтектичні сплави на основі заліза з тугоплавкими боридами квазіпотрійної системи 12X18H9- CrB2-TiB2 [0] відповідають правилу Шарпі, оскільки в литому стані вони містять тверді кристали боридів (~ 20 об.%) і м'яку, пластичну металеву матрицю (~ 80 об. %), що відповідає складу неіржавйної сталі 12X18H9 (рис. 1, а). Було показано, що евтектичні сплави зазначеної системи в литому вигляді мають ви- соку зносостійкість, з мінімальним сумарним зносом пари тертя в контакті з різними сталями в умовах сухого тертя ковзання на повітрі і високу корозійну стійкість [0]. Зсув за складом сплавів цієї системи в за- або доевтектичну область призводить до збільшення сумарного зносу пари тертя, що відповідає зако- ну Курнакова. Нанесення покриттів з евтектичних сплавів зазначеної системи газотермічним або методом кон- денсації, стимульованим іонним бомбардуванням, розширює за складом область мінімального сумарного зносу пари тертя і знижує його величину в порівнянні з литим станом. Пояснюється це формуванням більш дисперсної структури покриття і термодинамічно більш нерівноважним в порівнянні з литим станом. Дослідження триботехнічних характеристик електроіскрових покриттів з евтектичного сплаву на сталі 12Х18Н10Т Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 7 У даній роботі поставлено завдання: дослідити можливість поширення на електроіскрові пок- риття висновків про ефективність управління триботехнічними властивостями евтектичних покриттів, що створені за рахунок диспергації їх структури і використання різного ступеня нерівноважності. Метод електроіскрового легування, так само, як і зазначені вище методи, дозволяє досягти висо- кої концентрації енергії електричного розряду в малих розплавлених об’ємах матеріалу електрода за ко- роткі проміжки часу. Оскільки підкладка при цьому залишається практично холодною (її інтегральна те- мпература знаходиться поблизу кімнатної), то під час кристалізації розплавлаву матеріалу катода можна досягти великих швидкостей охолодження, що приведе до появи нерівноважних станів у покритті. Ці особливості створюють умови, що є аналогічними до умов, які створюються під час використання зазна- чених вище методів нанесення покриттів. Це дає підстави очікувати існування аналогічних закономірно- стей зношування і зносостійкості. Методика дослідження Для вирішення поставленого завдання були отримані електроіскрові покриття з розробленого ев- тектичного сплаву [0] на підкладці зі сталі 12X18H10Т. Оскільки сплав містить активні метали (Ti, Cr), які здатні інтенсивно окислюватися на повітрі за підвищених температур, процес електроіскрового легу- вання проводився в атмосфері захисного газу – аргону. Для порівняння ефективності впливу на триботе- хнічні характеристики різних термодинамічних нерівноважних станів випробувалися як покриття у поча- тковому стані, так і покриття, що були відпалені за двома різними режимами. Відпал проводився у ваку- умній печі СШВЛ за тиску залишкової атмосфери 5 мм. рт. ст. і температурі 900 °С (0,75Тпл) протягом 15 і 45 хв. Охолоджувалися зразки з піччю. Випробування на тертя і зношування проводилися на установці М22-П за наступних умов: схема сполучення: вал – частковий вкладиш; матеріал контртіла – сталь 45 (HRC 45); тертя– без мащення; шви- дкість ковзання - 0,5 м/с; питомі навантаження - 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 МПа; площа зразка – 1 см2; шлях тертя - 1000 м. Дослідження мікроструктури покриттів і поверхні тертя проводилися на металографічному мік- роскопі «Neophot-2» і растровому електронному мікроскопі Jeol-45 з використанням аналізатора з мікро- рентгеноспектральною приставкою MXR. Результати дослідження Мікроструктура вихідного напиленого електроіскрового евтектичного покриття (рис. 1, б) є су- мішшю ультрадисперсних кристалів бориду титану і хрому, які рівномірно розподілені в металевій мат- риці, що має склад неіржавійної сталі 12Х18Н9. Білі області в покритті – це частини покриття, які не протравлюються в реактиві і ділянки тонкого конгломерату фаз, що не розпалися; а темніші – дідягнки покриття, які частково перетаорені і перебувають у більш рівноважному стані. Така структура покриттів принципово відрізняється структури від литого стану (рис. 1, а), оскільки внаслідок великої швидкості охолодження, що реалізовується під час електроіскровго напилення, відбувається зміна механізму евтек- тичною кристалізації з формуванням структури тонкого конгломерату фаз [0]. а б Рис. 1 – Структура досліджуваного евтектичного сплаву в литому стані (а) і напиленого у вигляді електроіскрового покриття (б) Формування такої структури зумовлює зміну механізму зміцнення в порівнянні з литим станом. За невеликих швидкостей охолодження (під час рівноважної кристалізації розплаву) формується розга- лужений каркас із боридів, що несе основне навантаження під час тертя, а сталева матриця передає і пе- рерозподіляє напруження між його окремими гілками. Така структура досить жорстка, термодинамічно стійка, здатна витримувати високі навантаження і робочі температури, але володіє високою крихкістю, Дослідження триботехнічних характеристик електроіскрових покриттів з евтектичного сплаву на сталі 12Х18Н10Т Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 8 яка визначається крихкістю фаз впровадження. За умов досягнення критичної швидкості охолодження [0] в електроіскровому евтектичному покритті формується структура тонкого конгломерату фаз, у якій основне навантаження несе металева матриця, а дисперсні кристали боридів зміцнюють її, блокуючи рух дислокацій. На рис. 1, а стрілками вказана товщина кристалів боридів, а на рис. 1, б в нижній частині знімка видно підкладку зі сталі 12Х18Н10Т. Така будова теоретично передбачає вищу пластичність у по- рівнянні зі структурою литого стану [0]. Однак насправді у необробленому електроіскровому покритті пластичність знижена внаслідок перенасичення твердого розчину на основі заліза боридними фазами. Високотемпературний відпал вихідного покриття приводить до часткового розпаду пересиеної металевої матриці, зниження мікротвердості і коагуляції спочатку високодисперсних кристалів боридів [0, 0]. Зі збільшенням часу відпалу ступінь розпаду твердого розчину на основі заліза і ступінь коагуляції кристалів боридів зростають, що приводить до зміни мікромеханічних властивостей структурних складо- вих покриття. Це, в свою чергу, відбивається на триботехнічних характеристиках покриття в цілому (рис. 2). Коефіцієнт тертя, f Питоме навантаження, МПа Ваговий знос зразка, мг/км Питоме навантаження, МПа а б Лінійний знос пари тертя, мкм/км в Рис. 2 – Триботехнічні властивості електроіскрових евтектичних покриттів в вихідному і відпаленому за різними режимами станах Якщо коефіцієнт тертя вихідного покриття навіть дещо знижується зі збільшенням навантажен- ня, то у відпалених покриттях залежність складніша (рис. 1, а). Більш тривалий відпал (45 хв) до питомих навантажень 0,15 МПа обумовлює мінімальні значення f, нижчі ніж в початковому стані, а при великих значеннях Р він різко зростає. Причому характер залежності зберігається для обох режимів відпалу, що практично виключає помилку експерименту. Така залежність визначається описаними вище процесами зниження твердості, міцності і підвищення пластичності, металевої матриці покриття, яка несе основне навантаження. Ці ж процеси можуть призвести до збільшення вагового зносу покриття при великих пи- томих навантаженнях (рис. 2, б), що спостерігається для обох режимів відпалу. Катастрофічне збільшен- ня зносу відпаленого протягом 15 хв покриття при Р > 0,15 МПа, швидше за все викликано повним зно- шуванням покриття до підкладки і його безпосередньою участю в процесі тертя. Наведене пояснення підтверджується дослідженням поверхні тертя вихідних і відпалених пок- риттів (рис. 3). Якщо на поверхні тертя вихідного покриття видно сліди крихкого руйнування і викришу- вання окремих областей, то після відпалу протягом 15 хв з'являються сліди пластичної деформації, сту- пінь якої збільшується при збільшенні тривалості відпалу до 45 хв. Дослідження триботехнічних характеристик електроіскрових покриттів з евтектичного сплаву на сталі 12Х18Н10Т Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 9 а б Рис. 3 – Поверхня тертя вихідного (а) і відпаленого (б) протягом 15 хв при 900 ° С електроіскрового евтектичного покриття За результатами дослідження хімічного складу утворених в процесі тертя плівок були встанов- лені наступні закономірності. В основі всіх окисних плівок, як вихідного, так і відпалених покриттів, ле- жать сполуки заліза з киснем, іноді леговані хромом і нікелем в кількості (в атомних частках, %) 18,6 - 1,8 і 4,9 - 0,17 відповідно. Склад цих сполук відповідає формулам Fe3О4 і Fe2O3. Інші метали, при- сутні в покритті, незважаючи на їх велику, в порівнянні з залізом активність, самостійних оксидів не утворюють. Збільшення часу відпалу сприяє зниженню корозійної стійкості вихідного покриття і, як на- слідок, призводить до збільшення кількості окисних плівок (якісна оцінка проводилася за інтенсивністю піків елементів). Необхідно відзначити, що проведений відпал вихідних покриттів не тільки знижує їх крихкість, але і одночасно знижує їх початково високу корозійну стійкість. Як зазначалося вище, невідпалені пок- риття слабо травляться в реактиві і при терті утворюють порівняно невелику кількість окисних плівок. Завдяки низькому коефіцієнту тертя сумарний знос пари тертя мінімальний. При відпалі відбувається ча- стковий розпад металевої матриці, підвищується її пластичність і одночасно знижується корозійна стій- кість – зростає активність травлення в реактиві, інтенсифікується процес утворення окисних плівок при терті. Таким чином, в результаті відпалу покриттів відбуваються конкуруючі процеси, які призводять до протилежних результатів. З одного боку, збільшується кількість окисних плівок, які грають роль твердо- го мастильного матеріалу, і зростає пластичність, що знижує утомне руйнування і викришування покрит- тя, що приводить до зниження зношування. З іншого боку, відпал призводить до зниження твердості і міцності металевої матриці, яка несе навантаження і сприяє підвищенню зношування покриття, особливо за великих навантажень. Таким чином, змінюючи ступінь нерівноважного стану отриманих покриттів шляхом їх відпалу, можна в деякому діапазоні змінювати їх триботехнічні властивості, мінімізуючи су- марний знос пари тертя. Оскільки встановлені залежності триботехнічних властивостей для вихідних і термооброблених покриттів досить сильні, з'являється можливість самоорганізації оптимального стану досліджених покриттів для різних умов тертя (різні матеріали контртіла, навантаження, швидкості ков- зання, температурний режим тертя, атмосфера тощо). Висновки 1. У досліджених евтектичних покриттях, отриманих методом електроіскрового легування, в процесі напилення відбувається формування високодисперсної термодинамічної нерівноважної структу- ри тонкого конгломерату фаз. Такі покриття мають високу зносостійкість при терті ковзання без мастила в парі з загартованою сталлю 45. 2. Відпал отриманих електроіскрових евтектичних покриттів призводить до зниження коефіцієн- та тертя при питомих навантаженнях до 0,15 МПа і зниження зносостійкості при великих навантаженнях. 3. Створення різного ступеня нерівноважних станів у досліджених евтектичних покриттях приз- водить до зміни їх триботехнічних властивостей, що дозволяє підбирати оптимальні параметри сполуче- ної пари в різних умовах тертя. Література 1. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, И. В. Зуев, А. И. Ко-кора. – М.: Машиностроение. – 1991. – 147с. 2. Высокоэффективные лазерно-плазменные технологии в машиностроении / В. А. Барвинок, В. М. Новикови, Г. М. Змеевской и др. – М.: Машиностроение – 1997. – 74 с. Дослідження триботехнічних характеристик електроіскрових покриттів з евтектичного сплаву на сталі 12Х18Н10Т Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 10 3. Виноградов Б. А., Гаврилин В. Н., Либенсон М. Н. Теоретические основы воздействия лазер- ного излучения на материалы: Учебн. пособие. – Благовещенск.: Изд-во БПИ. – 1993. – 344 с. 4. Шурин А. К. Износостойкость нержавеющих эвтектических сплавов с фазами внедрения/ А. К. Шурин, В. Е. Панарин, М. В Киндрачук // Проблемы трения и изнашивания. – К.: Технiка, – 1981. – №19. – С. 65 – 73. 5. Пат. 102244 України. Зносостійкий евтектичний сплав на основі заліза / Кіндрачук М. В., Ла- бунець В. Ф., Денисенко М. І., Загребельний В. В., Гуменюк І. А.; № и 2015 03259; заявл. 07.04.2015; опубл. 26.10.2015, Бюл. № 20. 6. Таран Ю. Н., Мазур В. И. Структура эвтектических сплавов. – М.: Металлургия, 1978. – 311 с. 7. Панарин В. Е. Структурные изменения в эвтектических сплавах железа, затвердевших с разли- чными скоростями // Металлове-дение и обработка металлов. – 1997. – №1. – С. 20 – 25. 8. Панарин В. Е. Газотермические покрытия из эвтектических сплавов на основе железа с ульт- радисперсной структурой / В. Е. Панарин, О. В. Микуляк, М. В. Киндрачук, А. И. Бондарь // Защитные покрытия на металлах. – 1988. – №22. – С. 26 – 30. 9. Киндрачук М. В. Влияние термоциклической обработки на структуру и свойства плазменных покрытий из эвтектических сплавов на основе железа / М. В. Киндрачук, В. Е. Панарин, Ю. Н Москален- ко // Металловедение и обработка металлов. – 1995. – №1. – С. 38 – 45. 10. Панарин В. Е., Микуляк О. В., Киндрачук М. В. Возможности управления триботехнически- ми свойствами эвтектических газо-термических покрытий на основе железа с фазами внедрения // Тре- ние и износ. – 1985. – Т.6. – №5. – С. 932 – 936. Поступила в редакцію 07.11.2017 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 Дослідження триботехнічних характеристик електроіскрових покриттів з евтектичного сплаву на сталі 12Х18Н10Т Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 11 PanarinV., HumeniukI., KindrachukV. , Tisov O. Investigation of tribotechnical properties of electrosparc coatings made of eutectic alloy based on steel 12Х18Н10Т. In current work we have investigated an urgent problem of managing tribologial properties of steel based composite coating. As a material of the coating we used an eutectic alloy with chromium and titanium diborides as strengthening phases. The chemical composition of matrix material was a composition of stainless steel 12X18H9. IA substrate material is a steel 12Х18Н10Т. For coating deposition we used an electrospark method in protective argon atmosphere, which allows to obtain coating material in quasistable condition. As a result of equilibrium cooling the coating has s following structure: den- dritic crystals of diborides with spaces filled with steel matrix. These strengthening crystals bear the major amount of friction load. Increasing the cooling rate of molten material the coating structure changes (after some critical cooling rate) – it turns to a fine strengthening crystals embedded into steel matrix. We call this a fine phase conglomeration. Reheating the coating al- lows tu turn this conglomeration to more (or to equilibrium) thermodynamically stable state (coating annealing). For tri- bological testing we used a wear test facility M22-P which utilizes a shaft - bush test specimens layout. A counterspecimen (shaft specimen) material is steel 45 hardened to 45 HRC. We have tested three series of specimens without any treatment (is as deposited condition), і після відпалу – 15 і 45 хв. It was proved, that coating reheating changes hardness, corrosion resis- tance, wear resistance. By selecting heating temperature and annealing duration it is possible to change tribological behavior of material. This allows to select a definite set of properties, which are required for particular application. Key words : electrosparc coating, nonequilibrium state, steel 12Х18Н10Т, chromium diboride, titanium diboride, fine phase conglomeration. References 1. Lazernaya i elektronno-luchevaya obrabotka materialov: Spravochnik. N. N. Ryikalin, A. A. Uglov, I. V. Zuev, A. I. Ko-kora. M.: Mashinostroenie. 1991. 147p. 2. Vyisokoeffektivnyie lazerno-plazmennyie tehnologii v mashinostroenii. V. A. Barvinok, V. M. Novikovi, G. M. Zmeevskoy i dr. M.: Mashinostroenie 1997. 74 p. 3. Vinogradov B. A., Gavrilin V. N., Libenson M. N. Teoreticheskie osnovyi vozdeystviya lazernogo izlucheniya na materialyi: Uchebn. posobie. Blagoveschensk. Izd-vo BPI. 1993. 344 p. 4. Shurin A. K. Iznosostoykost nerzhaveyuschih evtekticheskih splavov s fazami vnedreniya. A. K. Shurin, V. E. Panarin, M. V Kindrachuk. Problemyi treniya i iznashivaniya. K.: Tehnika, 1981. №19. P. 65 – 73. 5. Pat. 102244 Ukrayiny. Znosostiykyy evtektychnyy splav na osnovi zaliza. Kindrachuk M. V., Labunets' V. F., Denysenko M. I., Zahrebel'nyy V. V., Humenyuk I. A.; # y 2015 03259; zayavl. 07.04.2015; opubl. 26.10.2015, Byul. # 20. 6. Taran Yu. N., Mazur V. Y. Struktura evtektycheskykh splavov. M.: Metallurhyya, 1978. 311 p. 7. Panarin V. E. Strukturnyie izmeneniya v evtekticheskih splavah zheleza, zatverdevshih s razlichnyimi skorostyami. Metallove-denie i obrabotka metallov. 1997. №1. P. 20 – 25. 8. Panarin V. E. Gazotermicheskie pokryitiya iz evtekticheskih splavov na osnove zheleza s ultradispersnoy strukturoy. V. E. Panarin, O. V. Mikulyak, M. V. Kindrachuk, A. I. Bondar. Zaschitnyie pokryitiya na metallah. 1988. №22. P. 26 – 30. 9. Kindrachuk M. V. Vliyanie termotsiklicheskoy obrabotki na strukturu i svoystva plazmennyih pokryitiy iz evtekticheskih splavov na osnove zheleza. M. V. Kindrachuk, V. E. Panarin, Yu. N Moskalenko. Metallovedenie i obrabotka metallov. 1995. №1. P. 38 – 45. 10. Panarin V. E., Mikulyak O. V., Kindrachuk M. V. Vozmozhnosti upravleniya tribotehnicheskimi svoystvami evtekticheskih gazo-termicheskih pokryitiy na osnove zheleza s fazami vnedreniya. Trenie i iznos. 1985. Vol.6. №5. P. 932 – 936.