Введение к работе
Актуальность работы. Модифицирование конструкционных материалов с целью направленного изменения их физико-химических свойств является весьма востребованной и актуальной задачей современного материаловедения. Во многих отраслях машиностроения широко востребованы материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами, такими как работоспособность, механическая прочность, износостойкость, коррозионная стойкость и т.д.
В процессе эксплуатации деталей, узлов и агрегатов технологического оборудования, а также изделий машиностроения, изготовленных из конструкционных сталей и сплавов, в условиях высокотемпературных импульсных воздействий происходит снижение их работоспособности с дальнейшим разрушением, например, в установке лазерной резки «LaserMat-4200». Изготовление деталей из дефицитных и дорогостоящих материалов нерационально, а зачастую невозможно, что обусловливает актуальность фундаментальных и прикладных исследований, направленных на формирование покрытий, наносимых на различные конструкционные металлические материалы с целью повышения их работоспособности. В тех случаях, когда изменениям, в том числе необратимым, подвергается поверхностный слой объемной детали, в качестве альтернативы ее полного восстановления с использованием дорогостоящих конструкционных материалов, применяются методы поверхностного модифицирования. Нанесение покрытий позволяет восстановить свойства изделий, утраченные в процессе эксплуатации, а также повысить их ресурс, поэтому чаще всего модифицируют поверхности исходных изделий, получаемых в процессе производства. Среди таких методов высокой эффективностью отличается ионно-плазменное модифицирование.
Таким образом, актуальность проблемы повышения работоспособности конструкционных сталей обусловлена их широким применением в механизмах машин и технологического оборудования, эксплуатируемых при воздействии высоких импульсных температур. Одним из возможных способов разрешения этой проблемы является модифицирование поверхностей конструкционных сталей посредством применения ионно-плазменных методов.
Объект и методы исследования. Конструкционная сталь 38Х2МЮА, модифицированная молибденом и танталом комбинированным ионно-плазменным методом.
При выполнении работы были использованы апробированные экспериментальные методы исследования поверхности (зондовая и электронная микроскопия), а также структуры и химического состава (рентгенографическая дифрактометрия) поверхностных слоев.
Используемые методы модифицирования поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА:
1. Ионная имплантация: частотно-импульсный ионный источник «ДИАНа», позволяет получать пучки ионов любых проводящих материалов с энергиями до 150 кэВ, при этом пробег ионов в мишени составляет до десятых долей микрона.
2. Магнетронное напыление: VSM-200 позволяет производить предварительную очистку мишени в плазме тлеющего разряда (в среде аргона), а также проводить поверхностное модифицирование с получением качественных однородных плотных покрытий.
Цель работы: разработка методических основ поверхностного модифицирования изделий из конструкционной стали 38Х2МЮА, обеспечивающего повышение их работоспособности.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи исследования:
1. Исследование процесса распространения кратковременного теплового импульса в бинарной системе «сталь – покрытие» и разработка физико-математической модели его эволюции.
2. Обоснование критериев выбора материала, обеспечивающего снижение высокотемпературного воздействия и вызванных им напряжений, для модифицирования поверхности стали 38Х2МЮА.
3. Разработка комбинированного метода ионно-плазменного модифицирования поверхности стали 38Х2МЮА, а также режима модифицирования, обеспечивающего повышение её работоспособности.
4. Установление взаимосвязи между характеристиками модифицированной стали (микротвердость, топография) и материалом модификатора, а также режимом его нанесения.
5. Установление взаимосвязи между структурными изменениями и химическим составом поверхностного слоя стали 38Х2МЮА и материалом модификатора.
Научная новизна результатов исследования:
1. Физико-математическая модель эволюции кратковременного (до 0,2 мс) теплового импульса в бинарной системе «сталь – покрытие», разработанная с использованием уравнений теплопроводности и упругой волны с соответствующими начальными и граничными условиями, позволяющая рассчитать возникающие температурные поля, нормальные и тангенциальные напряжения, обусловленные этими полями.
2. Экспериментальные зависимости изменения микротвердости и топографии поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА, модифицированной молибденом и танталом, от параметров режима модифицирования.
3. Комбинированный ионно-плазменный метод модифицирования, включающий предварительную ионную имплантацию с целью улучшения адгезионных свойств поверхности и последующее ионно-плазменное напыление покрытий из молибдена и тантала, обеспечивающего повышение работоспособности стали 38Х2МЮА.
На защиту выносятся:
1. Модель эволюции теплового импульса, позволяющая рассчитать температурные поля, нормальные и тангенциальные напряжения, возникающие в бинарной системе «сталь – покрытие».
2. Установленные в рамках разработанной модели критерии выбора материала для модифицирования конструкционной стали 38Х2МЮА, обеспечивающего снижение высокотемпературного импульсного воздействия и вызванных этим воздействием напряжений.
3. Экспериментальные зависимости микротвердости модифицированных поверхностей от режима ионно-плазменной обработки, позволяющие выбрать оптимальные параметры процесса имплантации и напыления работоспособного покрытия.
4. Характеристики топографии модифицированных поверхностей, позволяющие выбрать материал для напыления работоспособного покрытия.
5. Комбинированный метод модифицирования поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА, включающий ионную имплантацию с последующим ионно-плазменным напылением молибдена или тантала, в зависимости от условий эксплуатации.
Практическая значимость работы. Разработан метод поверхностного модифицирования стали, заключающийся в сочетании предварительной ионной имплантации (с целью повышения адгезионных свойств поверхности) с последующим ионно-плазменным вакуумным напылением выбранного материала (молибден, тантал), обеспечивающий повышение работоспособности конструкционной стали 38Х2МЮА.
Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы для поверхностного модифицирования тарировочных пластин установки лазерной резки «LaserMat-4200». Пластины, модифицированные комбинированным ионно-плазменным методом, прошли натурные испытания на данной установке на заводе мостовых металлоконструкций ООО НПО «Мостовик». Оценочные испытания показали значительное (не менее чем в 2, а в отдельных случаях от 4 до 6 раз) увеличение межремонтных сроков эксплуатации, что дает значительный экономический эффект.
Личный вклад автора состоит в выборе основных направлений исследования, разработке физико-математической модели эволюции кратковременного теплового импульса, методики модифицирования конструкционной стали 38Х2МЮА комбинированным ионно-плазменным методом, в проведении экспериментов и расчетов, анализе экспериментальных и расчетных данных, в обобщении результатов исследования.
Степень достоверности результатов диссертации. Достоверность полученных результатов подтверждается высокой степенью корреляции между результатами, полученными различными методами (рентгеновский микроанализ, атомно-силовая и электронная микроскопия), а также согласием с результатами, полученными в данной области отечественными и зарубежными исследователями.
Апробация результатов исследования. Основные практические результаты и теоретические выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах международного, федерального, регионального и вузовского уровней в Донецке (международная научно-практическая конференция «Машиностроение и техносфера XXI века», 2007 г.), Омске (VI и VIII международная научно-практическая конференция «Динамика систем, механизмов и машин», 2007, 2011, 2012 гг.; V Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность!», 2013 г.), Киеве (международная научно-практическая конференция «Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении», 2011 г.), Санкт-Петербурге (международная научно-практическая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов», 2012 г.) и нашли своё отражение в научных публикациях, в том числе в статьях, рекомендованных ВАК.
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 14 работах, в том числе 2 работы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 132 наименования и приложения. Основной текст изложен на 124 страницах, содержит 22 рисунка и 8 таблиц.
