close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Структура и свойства поверхностных слоев и покрытий при модифицирующей ультразвуковой обработке

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КОВАЛЕВСКАЯ Жанна Геннадьевна
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ И ПОКРЫТИЙ
ПРИ МОДИФИЦИРУЮЩЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКЕ
Специальность: 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Томск 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном
образовательном учреждении высшего образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
и в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки
Институте физики прочности и материаловедения
Сибирского отделения Российской академии наук
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Клименов Василий Александрович
Официальные оппоненты:
Конева Нина Александровна – доктор физико-математических наук, профессор,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования
«Томский
государственный
архитектурно-строительный
университет», профессор кафедры физики
Попова Марина Владимировна – доктор технических наук, доцент, Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный индустриальный университет», профессор кафедры
материаловедения, литейного и сварочного производства
Пугачева Наталия Борисовна – доктор технических наук, доцент,
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, главный
научный сотрудник лаборатории микромеханики материалов
Ведущая
организация:
Федеральное
образовательное учреждение высшего
государственный технический университет»
государственное
бюджетное
образования «Новосибирский
Защита диссертации состоится «15» февраля 2019 г. в 14:30 на заседании
диссертационного совета Д 003.038.02 на базе Федерального государственного
бюджетного учреждения науки Института физики прочности и материаловедения
Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) по адресу:
634055, г. Томск, пр. Академический, 2/4, e-mail: dvi@ispms.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН, а также на
официальном сайте: http://www.ispms.ru
Автореферат разослан "____"___________2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор физико-математических наук, профессор
В.И. Данилов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Комбинированные технологии обработки
поверхности,
включающие
предварительное
или
одновременное
модифицирование структуры поверхностного слоя, являются современными и
передовыми методами создания на поверхности деталей из конструкционных
сталей слоев и покрытий с заданными свойствами. Достичь эффективного
модифицирования структуры позволяет поверхностная пластическая
деформация с использованием акустической энергии ультразвуковых
колебаний. Самым выигрышным является метод обработки поверхности
инструментом с наложением на статическую нагрузку ультразвуковых
колебаний частотой 22 кГц. При использовании ультразвукового воздействия
на инструмент обеспечивается существенное уменьшение трения в контакте
«инструмент-поверхность», и интенсифицируется процесс пластической
деформации поверхностного слоя детали, что обуславливает сглаживание
исходной шероховатости, упрочнение поверхностного слоя, создание
благоприятных сжимающих напряжений.
Механизм модифицирования стали ультразвуковой финишной обработкой
(УФО) заключается в сложных структурных и фазовых превращениях,
обуславливающих увеличение дефектов кристаллического строения в
поверхностном слое, в том числе плотности дислокаций и неравновесных
вакансий, формирование субструктуры и мелкодисперсных выделений вторых
фаз. Это дает основание рассматривать УФО не только как самостоятельную
операцию упрочнения поверхности конструкционных сталей, но и как одну из
операций комбинированной обработки поверхности, включающей химикотермическую обработку (ХТО) или нанесение газотермических покрытий (ГТП).
Во всех случаях интенсификация процесса формирования упрочняющих слоев и
покрытий связана с одними и теми же явлениями, происходящими в структуре
поверхностных слоев материала при УФО.
Степень
разработанности
темы.
Научные
разработки
по
модифицированию поверхностных слоев конструкционных сталей с помощью
ультразвуковой обработки находят все новые и новые сферы применения.
Исследованиям в данной области посвящены работы В.П. Северденко,
А.И. Маркова, И.И. Муханова, S.S. Pande, В.Е. Панина, В.А. Клименова,
А.В. Панина, Ю.В. Холопова, В.П. Алехина, D.E. Brehl, M. Malaki, K. Lu и др.
За рубежом особый интерес у исследователей вызывает практическое
приложение УФО – работы J. Huuki, A.T. Bozdana, G. Gómez-Gras, A. Amanov и
разработка комбинированных технологий азотирования наноструктурированных
поверхностей деталей– работы W.P. Tong, Y. Li, B. Wu.
При использовании УФО как метода поверхностного упрочнения деталей
машин ранее исследователями не учитывался фактор возможного наследования
неоднородности строения поверхностного слоя от предыдущих операций резания,
не оценивались условия воздействия на данный структурный фактор последующей
УФО. Согласно А.Г. Суслову, была принята следующая классификация режимов
УФО: ОУО – отделочно-упрочняющая обработка с частичным сглаживанием
неровностей поверхности; УО – упрочняющая обработка с формированием нового
4
регулярного профиля. При каких условиях УФО стали осуществляется в режиме
ОУО и УО, как при этом связаны между собой режимы резания и режимы УФО –
эти вопросы на данный момент недостаточно изучены. Актуальным остается
определение условий использования УФО на деталях с нормативно
установленными показателями состояния поверхности. Требуется понимание
характера формирования микроструктуры и механизмов выделения
упрочняющих фаз в поверхностных слоях стали, полученных с помощью УФО
и интенсивных низкотемпературных методов азотирования.
УФО значительно выигрывает на фоне других методов, используемых
для активации поверхности основного материала перед нанесением
газотермических покрытий. Исследование влияния параметров напыления на
характер образования физико-химических связей на границе «покрытие –
основа с УФО» является актуальной задачей.
О том, что ультразвуковое воздействие на материал можно использовать
в процессе нанесения ГТП, было впервые показано в работах сотрудниками
ИФПМ СО РАН. Разработка метода плазменного напыления с одновременной
ультразвуковой обработкой требует расширения знаний о строении
формирующихся покрытий на всех масштабных уровнях.
Цель работы – установление закономерностей и особенностей
формирования упрочненных поверхностных слоев и покрытий, полученных
самостоятельным и комбинированными методами с предварительной или
одновременной ультразвуковой обработкой на изделиях из конструкционных
сталей.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1.
Установить особенности формирования топографии поверхности
углеродистых сталей в процессе отделочно-упрочняющей и упрочняющей
ультразвуковой обработки. Исследовать структурные превращения в
поверхностном слое сталей, обусловленные точением и ультразвуковой
обработкой.
2.
Определить условия применения ультразвуковой обработки для деталей из
углеродистых сталей с нормативно установленными показателями состояния
поверхности.
3.
Изучить структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях
хромистых
сталей, подвергнутых низкотемпературному интенсивному
азотированию, в том числе, с учетом предварительной модификации поверхности
ультразвуковой обработкой.
4.
Исследовать взаимодействие стальной основы, модифицированной
ультразвуковой обработкой, и напыляемого материала. Разработать рекомендации
по подготовке поверхности основы для газотермического напыления.
5.
Оценить влияние одновременной ультразвуковой обработки на строение и
свойства плазменных покрытий с учетом классификации напыленных частиц,
полученных в разных скоростных режимах охлаждения.
Научная новизна работы
1.
Впервые описана неоднородность структуры впадин и оснований
выступов поверхности точения углеродистой стали. Показано, что основания
5
выступов деформируются в меньшей степени чем впадины, что проявляется в
особенностях формирования субструктуры – меньшей плотности дислокаций,
большем размере образующихся фрагментов и их анизотропии.
2.
Впервые описаны структурно-фазовые превращения, происходящие в
поверхностном слое хромистых сталей при комбинированной обработке,
включающей ультразвуковую обработку и низкотемпературное азотирование
из плазмы дугового разряда низкого давления или высокоинтенсивную
низкоэнергетическую ионно-лучевую имплантацию.
3.
Обоснована методика подготовки поверхности стальной основы
ультразвуковой обработкой перед нанесением газотермических покрытий.
4.
Определена роль условий охлаждения и ультразвуковой модификации в
процессе формирования структуры и свойств плазменного покрытия.
Теоретическая значимость работы
Представленная в работе совокупность полученных данных о строении
поверхностного слоя углеродистых сталей на уровне топографии и на уровне
микроструктуры, после резания и последующей УФО, позволила выработать
научно-обоснованные критерии формирования упрочненных слоев деталей
машин в режиме отделочной и отделочно-упрочняющей обработок.
Установленные закономерности модифицирующего воздействия УФО на
структуру и свойства азотированных слоев и газотермических покрытий вносят
существенный вклад в развитие физических представлений о процессах диффузии
в сталях с разным субструктурным состоянием, характере образования физикохимических связей на границе «покрытие – основа» и структурных превращениях
в газотермических покрытиях на всех масштабных уровнях, позволяя
прогнозировать улучшение физико-механических свойств получаемых слоев и
покрытий.
Результаты исследований представляют существенный научный интерес как
для материаловедения, так и смежных научных специальностей – 05.16.06
Порошковая металлургия и композиционные материалы; 05.02.10 Сварка,
родственные процессы и технологии; 05.16.01 Металловедение и термическая
обработка металлов и сплавов.
Ценность научных работ соискателя подтверждается многочисленными
публикациями результатов исследований в рецензируемых российских и
зарубежных изданиях, участием в российских и международных конференциях
с устными докладами.
Практическая значимость работы
Предложенные в рамках «Программы переоснащения базовых
организаций локомотивного хозяйства до уровня технологического
регламента» ОАО «Российские железные дороги» оптимальные по
производительности в процессе ремонта режимы УФО и внедренные в
локомотивных депо комплексы для УФО бандажей локомотивных колес
(договоров № 544 от 20.10.2001 г., № 73/02 от 28.11.2002 г.) улучшают качество
поверхности катания и снижают износ бандажа железнодорожного колеса.
Научно-аналитическая документация, содержащая практические решения
выбора параметров ультразвуковой обработки конструкционных сплавов, и
6
поставленный Генеральному Исследовательскому Институту Цветных
Металлов, КНР, комплект для ультразвуковой финишной обработки (контракт
№NO GRINM071111A от 24.04.2007 г.) развивают технологию поверхностного
упрочнения деталей машин широкой номенклатуры, работающих в условиях
переменных нагрузок.
Разработанный метод подготовки поверхности основного материала перед
нанесением газотермических покрытий, включающий ультразвуковую обработку
с изменяемыми режимами, используется в технологических процессах,
применяемых ООО «Промышленная механика», г. Томск, РФ, обеспечивает
формирование топографии поверхности с разной морфологией для того или иного
метода нанесения покрытия (патент РФ № 2442841 от 20.02.2012) и
совершенствует технологию формирования защитных и функциональных
покрытий на деталях из конструкционных сталей.
Результаты исследований включены в учебный процесс при
преподавании дисциплины «Материаловедение и технологии конструкционных
материалов» в НИ ТПУ, а также при руководстве научной работой бакалавров
и магистрантов.
Методология и методы исследования
В работе использовались современные экспериментальные методы
исследования строения и физико-механических свойств материалов со
статистической обработкой полученных экспериментальных результатов,
расчетный метод конечных элементов. Оценка топографии проводилась на
профилометрах 296, Micro Measure 3D Station и сканирующем туннельном
микроскопе Nanometr-1 (СТМ). Рентгеноструктурный анализ (РСА)
осуществлялся на дифрактометрах ДРОН-1,5 и ДРОН-3,0 в CоK-излучении,
Shimadzu XRD 6000 в CuK-излучении. Микроструктурный анализ выполнялся на
оптических микроскопах “Neofot-32”, Carl Zeiss Axio Observer, растровом
электронном микроскопе SEM 515 «Philips» и просвечивающем электронном
микроскопе ЭМ-125. На поверхности и в поперечном сечении образцов
определялась твердость и микротвердость материала на приборах Виккерса,
ПМТ-3, “Nano Hardness Tester” NHT-S-AX-000Х. Триботехнические исследования
азотированных слоев проводились на комплексе PC-Controlled High Temperature
Tribometer TH-S-HX000, оценка фреттинг-коррозии плазменных покрытий – на
установке, разработанной на базе машины трения МФК-I.
На защиту выносятся следующие положения
1.
Строение поверхностного слоя углеродистых сталей, полученного в
процессе ультразвуковой финишной обработки, определяется исходной
неоднородностью, задаваемой резанием на уровне топографии и на уровне
микроструктуры, и классифицирует обработку как отделочно-упрочняющую
или упрочняющую.
2.
Неоднородность микроструктуры впадин и оснований выступов
поверхности точения, которая проявляется в образовании субструктуры разной
морфологии, устраняется упрочняющей ультразвуковой обработкой за счет
формирования однородного модифицированного слоя с градиентным по
глубине строением и двухуровневой топографией поверхности, состоящей из
7
микрорельефа и субмикрорельефа.
3.
Предварительная
ультразвуковая
модификация
структуры
поверхностного слоя хромистых сталей интенсифицирует процесс
низкотемпературного азотирования, увеличивая глубину упрочненного слоя и
долю нитридов в результате ускоренной диффузии ионов азота по
дополнительным дефектам кристаллического строения, совмещенной с
процессом возврата и полигонизации в дислокационной структуре.
4.
При
нанесении
газотермического
покрытия
предварительная
ультразвуковая обработка основного материала способствует образованию
надежной адгезионной связи в результате формирования благоприятной
топографии поверхности контакта и ее активации за счет образования большого
количества дефектов микроструктуры.
5.
Совмещение процесса газотермического напыления покрытия из сплава
на основе железа с ультразвуковой обработкой воздействует на покрытие на
всех структурных уровнях: снижает пористость, способствует образованию
однородных по форме частиц и смещает размер элементов микроструктуры в
нано- и субмикронную область, повышая твердость и износостойкость
покрытия в условиях фреттинг-коррозии.
Достоверность
полученных
экспериментальных
результатов,
обоснованность выносимых на защиту положений, выводов и рекомендаций,
сформулированных в работе, обеспечены использованием современных
методов исследования структуры, механических свойств и эксплуатационных
характеристик, воспроизводимостью и согласованием результатов с данными
других исследований.
Личный вклад автора в работу. Все изложенные в диссертации
результаты исследований получены при непосредственном участии автора.
Автору принадлежат идеи в определении цели, анализа и интерпретации
результатов, формулировке основных положений и выводов. Большинство
экспериментальных исследований выполнено лично автором, под его
руководством и при непосредственном участии.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований,
обобщенные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на следующих
всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях
и симпозиумах: Международной конференции «Перспективные материалы с
иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (г.
Томск, 2015, 2016, 2018 гг.); 9th, 10th, 12th International Conferences on
Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (г. Томск, 2008,
2010, 2014 гг.); Межрегиональной конференции «Ультрадисперсные порошки,
материалы и наноструктуры» (г. Красноярск, 1996, 1999, 2003 гг.);
Международном Российско-Китайском симпозиуме «Передовые материалы и
процессы» (Россия-Китай, 1995, 2001, 2003 гг.); XVI, XIX, XXI Уральских
школах металловедов-термистов (2002, 2008, 2012 гг.), XVII, XVIII, XIX
Петербургских чтениях по проблемам прочности (С.-Петербург, 2007, 2008,
2010 гг.); I, II, III, IV Международных конференциях «Современные проблемы
машиностроения (г. Томск, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.); V, VI, VII
8
Международных научно-практических конференциях «Инновационные
технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2014, 2015, 2016 гг.); III
и VII Международных семинарах «Структурно-морфологические основы
модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (г. Обнинск,
1995, 2003 гг.); 16th International Metallurgical and Materials Conference «Metal
2007» (Czech Republic, Ostrava, 2007 г.); Международной практической
конференции-выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и
обновления машин, механизмов, оборудование и металлоконструкций» (С.Петербург, 2003, 2006 гг.); VIII Международной конференции «Трибология и
надежность»
(С.-Петербург,
2008 г.);
Международной
конференции
«Физическая мезомеханика многоуровневых систем - 2014. Моделирование,
эксперимент, приложения» (г. Томск, 2014 г.); Международной научной
конференции «Ультразвук: проблемы, разработки, перспективы» (Уфа, 2017 г.);
Международной конференции «Иерархически организованные системы живой
и неживой природы» (г. Томск, 2015, 2017 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 печатных
работ, из них 19 статей в журналах из перечня ВАК, 12 статей в зарубежных
изданиях, цитируемых в Scopus, зарегистрировано 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех разделов, основных выводов, списка сокращений, списка цитируемой
литературы, включающей 390 наименований, двух приложений, содержит 334
страницы в том числе 114 рисунков и 18 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена цель и
задачи работы, степень разработанности, научная новизна, методология и методы
исследования, теоретическая и практическая значимость полученных результатов
и положения, выносимые на защиту, представлены апробация работы,
публикации и личный вклад соискателя, описаны структура и объем диссертации.
В первом разделе диссертации даны характеристики исследуемых
материалов, представлены методы получения упрочненных слоев и покрытий,
исследованы их строение и свойства. В работе использовались
конструкционные стали 20, 45, 60, 40Х, 40Х13, 20Х13. Для газотермического
напыления применялись порошки сплава FeSiAlC, сплавов системы NiCrBSi,
чистого никеля, хрома и молибдена.
УФО образцов проводили на токарно-винторезном станке с
использованием ультразвукового комплекта, состоящего из генератора
УЗГ 02/22 и магнитострикционного преобразователя–инструмента ПМС-063 с
закрепленным в нем твердосплавным индентором с радиусом закругления 5 мм.
Режимы УФО: мощность генератора 200 Вт, амплитуда колебания индентора
10 мкм, усилие прижима индентора 75 Н. Окружная скорость вращения детали
и подача инструмента при точении и УФО задавались с помощью станка.
Азотирование проводили двумя низкотемпературными методами.
Высокоинтенсивная низкоэнергетическая ионная имплантация выполнялась на
ионно-лучевой установке, разработанной в Физико-Техническом Институте
9
НАН Беларуси, г. Минск. Насыщение ионами азота из плазмы дугового разряда
низкого давления выполняли на ионно-плазменной технологической установке,
снабженной плазмогенератором ПИНК, разработанной в Институте
сильноточной электроники СО РАН, г. Томск.
Нанесение газотермических покрытий осуществлялось: высокоскоростным
газопламенным напылением (HVOF) на установке ТСЗП SB-500 с горелкой SB500; детонационным напылением на установке, разработанной в Институте
гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН, г. Новосибирск; плазменным
напылением на установке УПУ-3Д, оснащенной плазмотроном ПП-25.
Плазменное напыление с одновременной ультразвуковой обработкой проводилось
на той же установке, модернизированной комплектом оборудования,
включающим ультразвуковой генератор УЗГ-10-22 с магнитострикционным
преобразователем ПМС-15А-18 и волноводом-концентратором.
Во втором разделе диссертации представлены результаты исследования
топографии и микроструктуры поверхностных слоев сталей 20, 45, 60 после
УФО с учетом особенностей исходной поверхности, полученной точением.
Кратко изложены современные представления о формировании
поверхностного слоя при изготовлении детали в процессе точения и финишной
обработки поверхности. Особое внимание уделено вопросу технологической
наследственности – сохранению неоднородности строения и свойств поверхности
после финишных операций. Показано, что предпочтительно проводить
финишную обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД). В
этом случае, выбирая режимы обработки, можно управлять состоянием
получаемой поверхности, начиная с частичного сглаживания неровности точения
и сохранением структурной неоднородности при ОУО и заканчивая
формированием нового профиля и микроструктуры при УО.
Обоснован выбор обработки поверхности детали с помощью УФО.
Отмечено, что главной особенностью всех методов ультразвуковой
поверхностной обработки является использование энергии ультразвуковых
колебаний, оказывающих существенное влияние на характер взаимодействия
инструмента и поверхности детали. Опираясь на работы ученых
В.П. Северденко, Б.А. Аграната, А.И. Маркова, О.В. Абрамова, А.В. Кулемина,
Н.А. Тяпуниной, В.В. Благовещенского, В.Е. Панина, А.В. Панина,
В.П. Алехина и др., описаны механизмы ультразвукового воздействия на
металлические материалы. Показано, что при ультразвуковом воздействии
пластическая деформация металла происходит при меньшем напряжении за
счет образования неравновесных вакансий, активации дислокаций, их легкого
скольжения, неконсервативного движения и аннигиляции. Особое внимание
уделено вопросу влияния ультразвуковых колебаний на топографию
получаемой поверхности, микроструктуру поверхностного слоя и его свойств.
Для оценки влияния состояния поверхности после точения на
топографию поверхности с УФО были исследованы образцы из стали 20 и 60 в
широком диапазоне режимов точения. В рассмотренном интервале режимов
резания состояние поверхности точения менялось от характерного для тонкого
точения – с шероховатостью Rа = 1,0 – 1,7 мкм и полосчатым микрорельефом
10
до чернового точения – с шероховатостью Rа = 12 мкм и рваным
микрорельефом, обусловленным наличием на поверхности большого
количества дефектов резания: наростов и вырывов (рисунок 1).
24,4 мкм
0,8 мм
0,5 мм
продольная
шероховатость
а
поперечная
шероховатость
б
Рисунок 1 – Зависимость шероховатости поверхности стали 20 от подачи
инструмента S (а) при глубине резания ∆ = 0,5 мм и скорости резания V = 1 – 21
м/мин; 3 – 66 м/мин; 4 – 155 м/мин, а также V = 21 м/мин и ∆: 1 – 0,5 мм; 2 –
0,35 мм. Трехмерное изображение поверхности стали 20 после точения (б)
Для исследования строения поверхностного слоя стали 20, а именно,
выступов и впадин точения, были использованы методы оптической
микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Для оценки
эволюции структуры в каждой из зон был выработан специальный порядок
подготовки образцов для ПЭМ. На первом этапе работы утонение поверхности
точения дало возможность провести исследование только материала впадин. На
втором этапе после снятия шлифовкой выступов точения исследовалось
структурное состояние впадин и основания выступов. Сравнительный анализ
полученных результатов первого и второго этапа исследований дал
возможность идентифицировать локальные участки фольг, соответствующие
основанию выступов и впадин точения*.
Сравнительный анализ результатов ПЭМ выступов и впадин точения
показал, что в ферритной составляющей микроструктуры впадин формируются
дислокационные ансамбли с большей плотностью дислокаций, выделяется
большее количество мелкодисперсных частиц цементита и образуется большее
число изгибных экстинкционных контуров (ИЭК), чем в ферритной
составляющей микроструктуры оснований выступов.
В перлитной составляющей микроструктуры как впадин, так и оснований
выступов наблюдается фрагментация ферритных пластин. Цементитные
пластины разбиваются на частицы, вплоть до наноразмерных, и в большей
степени – во впадинах. При этом выступы испытывают деформацию сдвига,
В основе проведенного анализа лежат, в первую очередь, работы Э.В. Козлова и Н.А. Коневой
о закономерностях эволюции структуры при пластической деформации металлических
материалов, в том числе феррито-перлитных сталей.
*
11
что приводит к формированию анизотропной субструктуры, а впадины –
деформацию сжатия с формированием изотропной субструктуры (таблица 1).
Таблица 1 – Микроструктуры в поверхностном слое стали 20 после точения и УФО
Структурные составляющие
Вид
Зона
обрасъемки
ботки
–
Точение
Феррит
Структура
В
глубине
Зерна размером
5…15 мкм
Основание
выступов
Субзерна вытянутой
формы размером
0,4 х 1,3 мкм с
малоугловой
разориентировкой
Равноосные
Впади- субзерна 0,1…0,3
ны
мкм с малоугловой
разориентировкой
Зерна до 0,1 мкм
Точе- Поверхние и ностны
УФО й слой
Зерна от 0,1 до
0,7 мкм
По границам
расположены
наноразмерные
частицы цементита
Перлит
Пластины
Субструктура, Третичный
Пластины
феррита,
цементит
цементита
, см-2
, см-2
Частицы
ДХ или
Блоки
ДХ,
удлиненной
нерегулярные
длиной до
формы
 3.109
.
9
0,4 мкм
СДС,  7 10
400…500 нм
СДС
–
СДС
 5,6·1010
Частицы
удлиненной
формы
400…500 нм
с ИЭК
Дислокаций
почти нет
СДС,
 5,5·1010
ЯДС,
 2·1010 2
Блоки до
0,1 мкм
Фрагменты Блоки
с размером разбиты на
0,4 мкм с частицы
ЯСДС,
размером
10
3…5 нм
 3,5·10
Блоки
Частицы
Фрагменты разбиты на
разбиты на
0,3 мкм с разориенблоки
ЯСДС, тированные
субмикронны
нанораз 4·1010
х
мерные
размеров
частицы
Наличие
большого
количества
ИЭК
 – плотность дислокаций, СДС – сетчатая дислокационная субструктура, ДХ –
дислокационный хаос, ЯДС – ячеистая дислокационная субструктура, ЯСДС – ячеистосетчатая дислокационная субструктура.
По данным ПЭМ, при УФО стали 20 происходит однородная
пластическая деформация поверхностного слоя стали, устраняющая
полосчатую неоднородность структуры поверхности, формируемую точением,
с эволюцией микроструктуры, опережающей эволюцию микроструктуры на
поверхности точения (таблица 1). В свободном феррите образуются зерна с
большеугловыми границами. Частицы третичного цементита разбиваются на
блоки. В перлите происходит разделение цементитных пластин на
наноразмерные частицы. Плотность дислокаций в процессе УФО возрастает не
12
столь значительно, как возможно при обычной пластической деформации. Это
обусловлено релаксационными процессами, сопровождающими деформацию в
акустическом поле ультразвуковых колебаний. Такая эволюция субструктуры
может быть отнесена к интенсивной пластической деформации (ИПД). Степень
упрочнения на поверхности стали 20 после УФО составила 75%. Основной
механизм упрочнения – зернограничный за счет торможения дислокаций как на
большеугловых, так и на малоугловых границах зерен и субзерен.
По результатам профилографического анализа поверхности стали 20 и 60
после точения и УФО в широком интервале параметров обработки были
определены условия протекания процесса в режиме УО и ОУО (рисунок 2).
Для стали 20 УФО
проходит в режиме УО при
исходной шероховатости на
поверхности точения Ra менее
4,5 мкм, для стали 60 – 2,7 мкм.
Как видно на рисунке 2,
пологий участок кривых, где
шероховатость
поверхности
стали 20 после УФО не зависит
от шероховатости поверхности
точения, соответствует режиму
УО. Вся остальная часть кривых
Рисунок 2 – Зависимость шероховатости
соответствует режиму ОУО.
поверхности стали 20 после УФО с разной
Определено,
что
в
подачей (S) от исходной шероховатости
зависимости
от
состояния
поверхности, полученной точением: 1 –
поверхности точения, УФО в
0,2 мм/об; 2 – 0,05 мм/об
режиме
ОУО
может
формировать
микрорельеф
поверхности трех видов: с частичным сохранением впадин, выступов или
дефектов точения.
мкм
40
20
0
0 0,2
0,6
1,0
1,4
1,8 мм
мкм
30
20
10
0 0
1
а
20
0 0,2
0,6
1,0
в
3
мм
б
мкм
0
2
1,4
1,8 мм
мкм
20
10
00
1
2
3
мм
г
Рисунок 3 – Профилограммы поверхности стали после точения (а, б) и УФО в
режиме ОУО с частичным сохранением впадин (в) и выступов (г) точения
13
При шаге неровностей микрорельефа точения менее 0,25 мм после УФО
возможно частичное сохранение впадин точения, при большем шаге – выступов
точения (рис. 3). Вероятность частичного сохранения дефектов точения
возрастает при обработке поверхности, полученной точением на низкой
скорости – 21 м/мин.
Увеличить глубину проработки поверхности точения при УФО и, тем
самым устранить выступы и впадины точения, можно за счет увеличения
мощности ультразвукового генератора (таблица 2). Устранение таких дефектов
точения, как наросты и задиры возможно при УФО за счет уменьшения шага
подачи инструмента. Увеличение
интенсивности
пластической
Таблица
2
–
Параметры
деформации одновременно за счет
шероховатости Ra на поверхности
двух параметров: малого шага
стали 60 после УФО
подачи
с
множественным
Мощность Подача инструмента S,
деформированием одного и того же
мм/об
генератора
объема материала и высокой
N, Вт
0,2
0,1
0,05
мощности генератора с большей
200
0,65
0,49
0,32
пластической
деформацией
315
0,64
0,53
0,91
поверхностных
слоев
может
472
0,56
0,58
2,59
привести к разрушению материала
630
0,53
0,58
3,51
поверхностного слоя.
Топография
поверхности,
образованная в процессе УФО в режиме УО характеризуется двухуровневым
строением. В процессе наложения канавок пластически вытесненного металла в
направлении подачи инструмента формируется микрорельеф поверхности,
зависящий, в первую очередь, от скорости подачи инструмента и твердости
стали. Микрорельеф поверхности задает значения поперечной шероховатости
поверхности (рисунок 4 а).
3,5 мкм
Sпод
Sпод
Vокр
Vокр 1,63 мкм
0,25 мм
0,25 мм
0,25 мм
0,25 мм
а
б
Рисунок 4 – Трехмерное изображение поверхности стали 45 после УФО c
подачей инструмента S 0,2 мм/об (а) и 0,05 мм/об (б). Стрелками указаны
выступы: микрорельефа (черный цвет) и субмикрорельефа в продольном
(белый цвет) и поперечном (серый цвет) направлении
14
Субмикрорельеф формируется за счет пластического течения металла от
импульсного контакта инструмента с деталью. Субмикрорельеф формируется как
в продольном, так и в поперечном направлениях и задает значения продольной
шероховатости поверхности. На субмикрорельеф влияют линейная скорость
вращения детали и физико-механические свойства обрабатываемой стали
(рисунок 4 б). Со снижением скорости подачи ультразвукового инструмента
микрорельеф сглаживается. При скорости подачи менее 0,05 мм/об частое
наложение канавок приводит к тому, что поперечная шероховатость снижается,
достигая значений продольной шероховатости. Топография поверхности стали
теряет выраженную анизотропию и может быть описана как одноуровневая
система (рисунок 4 б). Как показали результаты СТМ, поверхность стали после
УФО имеет характерное строение со следами сдавливания и экструзии материала,
где выступ плавно переходит во впадину уступами без формирования острых
кромок, что является принципиальным отличием в сравнении со строением
поверхности, полученной шлифованием.
Распределение значений микротвердости по глубине поперечного сечения
сталей после УФО показало, что упрочнение происходит на глубину, значительно
превышающую зону ИПД, наблюдаемую методом оптической металлографии.
Так, для стали 20 глубина зоны ИПД составляет менее 8 мкм, а далее следует зона
градиентного упрочнения глубиной до 100 мкм. У стали 60 глубина
вышеописанных зон составляет 15 мкм и 180 мкм, соответственно.
Для оценки толщины слоя деформационного воздействие УФО на сталь
60 для исследования методом ПЭМ было проведено послойное приготовление
фольг на глубине 0,2 мкм, 250 мкм и 800 мкм (рисунок 5).
б
a
0,5 мкм
в
0,5 мкм
0,5 мкм
Рисунок 5 – ПЭМ изображение микроструктуры стали 60 после УФО на
глубине  0,2 мкм (а),  250 мкм (б);  800 мкм (в). Стрелками указаны ИЭК
В поверхностном слое стали в зоне ИПД в перлитных колониях и в
ферритных зернах происходит образование субструктуры, состоящая из зерен с
большеугловыми границами, сопровождающееся растворением и повторным
выделением карбидных частиц. Частицы цементита формируют вокруг
субзерен феррита кольцевые структуры, что стабилизирует субструктуру
(рисунок 5 а). На расстоянии 250 мкм в зоне, выходящей за пределы зоны
15
градиентного упрочнения, структурные составляющие сохраняют свою
исходную морфологию. Отличие состоит в том, что в зернах феррита
наблюдается большое число ИЭК, что свидетельствует о наличии непрерывных
разориентировок в кристаллической решетке феррита (рисунок 5 б).
Значительное, до 90%, упрочнение поверхностного слоя стали 60
обусловлено дислокационным механизмом за счет повышения плотности
дислокаций в ферритных зернах, зернограничным механизмом за счет
формирования субграниц, твердорастворным механизмом за счет частичного
растворения цементита в ферритных пластинках перлита и дисперсионным
механизмом за счет формирования наноразмерных частиц цементита.
Для оценки условий формирования в процессе УФО на поверхности
стали 60 наноразмерной структуры был выбран особый подход: изменяемыми
параметрами обработки поверхности были режимы точения – геометрия резца
и шаг подачи инструмента. Определено, что наноразмерная структура
формируется в случае предварительного точения стали резцом, имеющим
определенные углы заточки. Это обуславливает образование поверхности с
трапециевидной формой выступов профиля шероховатости с высотой выступов
шероховатости 10…15 мкм и шириной при основании 35…50 мкм. УФО
осуществлялось за один проход с подачей 0,05 мм/об.
Предложен метод улучшения качества поверхности катания бандажа
железнодорожного колеса методом УФО. При использовании в процессе
ремонта ультразвукового технологического комплекса для финишной
обработки бандажей локомотивных колесных пар, формируется новая
поверхность галтельного перехода бандажа, соответствующая всем
техническим требованиям и повышающая эксплуатационные свойства
колесной пары. Рекомендуемые режимы обработки при работе на станке
КЗТС 1836: скорость вращения колесной пары – 8…10 об/мин; скорость подачи
ультразвукового инструмента – 0,17 мм/об; усилие прижима инструмента к
обрабатываемой поверхности – 50…70 Н. УФО проходит в режиме ОУО.
Шероховатость поверхности снижается с Rz 50 мкм до Rz 16,8 мкм.
Формирование на поверхностности бандажа модифицированного слоя
глубиной 200 мкм обеспечивает повышение твердости на 25 %.
Для оценки условий формирования в процессе УФО на поверхности
стали 60 наноразмерной структуры был выбран особый подход: изменяемыми
параметрами обработки поверхности были режимы точения – геометрия резца
и шаг подачи инструмента. Определено, что наноразмерная структура
формируется в случае предварительного точения стали резцом, имеющим
определенные углы заточки. Это обуславливает образование поверхности с
трапециевидной формой выступов профиля шероховатости с высотой выступов
шероховатости 10…15 мкм и шириной при основании 35…50 мкм. УФО
осуществлялось за один проход с подачей 0,05 мм/об.
Предложен метод улучшения качества поверхности катания бандажа
железнодорожного колеса методом УФО. При использовании в процессе
ремонта ультразвукового технологического комплекса для финишной
обработки бандажей локомотивных колесных пар, формируется новая
16
поверхность галтельного перехода бандажа, соответствующая всем
техническим требованиям и повышающая эксплуатационные свойства
колесной пары. Рекомендуемые режимы обработки при работе на станке КЗТС
1836: скорость вращения колесной пары – 8…10 об/мин; скорость подачи
ультразвукового инструмента – 0,17 мм/об; усилие прижима инструмента к
обрабатываемой поверхности – 50…70 Н. УФО проходит в режиме ОУО.
Шероховатость поверхности снижается с Rz 50 мкм до Rz 16,8 мкм.
Формирование на поверхностности бандажа модифицированного слоя
глубиной 200 мкм обеспечивает повышение твердости на 25 %.
В третьем разделе исследовано влияние на строение азотированных
слоев сталей предварительного модифицирования УФО с учетом особенностей
протекания диффузионных процессов при низкой температуре.
Дан анализ современных представлений о диффузионных процессах,
сопровождающих насыщение поверхности стали атомами внедрения. Показано,
что диффузия в твердых телах структурно-чувствительный процесс. Самым
распространенным способом влияния на диффузионные процессы путем
изменения структурного состояния металла является его холодная пластическая
деформация. Однако, существует два противоположных научных взгляда на роль
дислокаций в диффузионном процессе: теории дислокаций-ловушек Я.Е. Гегузина
и легкой диффузии по дислокациям Ю.М. Лахтина. С учетом двух существующих
научных взглядов сделано предположение о возможных сценариях
взаимодействия дефектов кристаллического строения с транспортируемыми
атомами внедрения.
Описано структурное состояние сталей, использованных для
азотирования: 40Х с феррито-перлитной структурой, 20Х13 с ферритной
структурой и частицами карбида Cr23C6 и 40Х13 со структурой отпущенного
мартенсита. Подготовка поверхности образцов к азотированию заключалась в
шлифовании торцевой поверхности или УФО, обеспечивающей формирование
поверхности с минимальной шероховатостью.
Результаты исследований показали, что УФО модифицирует поверхностный
слой стали (рисунок 6).
а
б
30 мкм
0,25 мкм
в
0,25 мкм
Рисунок 6 – Оптическое изображение поперечного сечения стали 20Х13 с зоной
УФО (указана стрелкой) (а) и ПЭМ исходной структуры (б) и после УФО (в)
17
По данным ПЭМ, в зернах -фазы формируется субзеренная структура с
малоугловыми границами и высокой плотностью дислокаций, а также происходит
дроблении частиц карбида (рисунок 6 б). Во всех исследованных сталях УФО
сопровождается частичным растворением карбида в -фазе и переходом атомов
углерода и хрома в кристаллическую решетку основной фазы.
Глубина упрочнения составляет на стали 40Х ~ 120 мкм, 20Х13 ~ 80 мкм
и 40Х13 ~ 20 мкм. Глубина модифицированных слоев, полученных УФО,
соизмерима с глубиной азотированных слоев. Близкие размеры слоев,
полученных УФО и азотированием, обеспечили корректность сравнительного
анализа происходящих структурных превращений.
Представлены результаты исследования строения стали 40Х и 40Х13
после насыщения поверхности ионами азота методом высокоинтенсивной
низкоэнергетической ионно-лучевой имплантации (далее имплантация) и
комбинированного воздействия с УФО. При имплантации стали 40Х в
интервале температур 350-500ºС формирование азотированного слоя идет за
счет образования нитридов железа и роста зоны внутреннего азотирования I
рода (таблица 3, рисунок 7 а).
Таблица 3 – Характеристики поверхности стали после ионной имплантации
40Х
Т, ºС
350
400
α-фаза, Fe3C, ε-фаза
α- фаза, ε-, γ'-фаза, Fe3C
450
α- фаза, ε-, γ'-фаза, Fe3C
500
α- фаза, γ'-, ε-фаза
350
40Х13
Фазовый состав
400
450
500
α-фаза, N-мартенсита,
α''-, ε-фаза, Cr23C6,
α-фаза, N-мартенсита,
α''-, ε-, γ'-фаза
α-фаза, N-мартенсита,
α''-, ε-, γ'-фаза, Cr23C6
α-фаза, CrN,
γ'-фаза
Строение азотированного слоя
Зона внутреннего азотирования I рода
Зона внутреннего азотирования I рода
Нитридная зона, зона внутреннего
азотирования I рода
Нитридная зона, зона внутреннего
азотирования I рода
Зона внутреннего азотирования I рода
Нитридная зона, зона внутреннего
азотирования I рода
Нитридная зона, зоны внутреннего
азотирования II и I рода
Нитридная зона, зоны внутреннего
азотирования II и I рода
Чем выше температура процесса, тем больше глубина диффузионной
зоны и выше концентрация нитридов на поверхности стали.
При повышении температуры имплантации увеличивается доля
низкоазотистого нитрида γ'-Fe4N, что связано с распределением
диффундирующего азота на бо́льшую глубину и процессом обратной диффузии
углерода (таблица 3).
На всех режимах наблюдается плавное снижение значений
микротвердости от поверхности стали в глубину (рис. 7 а). Микротвердость на
18
поверхности азотированных слоев с увеличением температуры имплантации
возрастает в два раза (рисунок 8 а). При имплантации стали 40Х13 с
повышением температуры процесса с 350ºС до 500С азотированный слой
меняет свое строение – наряду с нитридами железа ε-Fe3N и -Fe4N образуется
нитрид хрома и азотированный слой состоит из зоны нитридов, зон
внутреннего азотирования I и II рода (рисунок 7 б).
а
б
Рисунок 7 – Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя в
стали 40Х (а) и 40Х13 (б) после УФО (-■-), ионной имплантации азотом (-○-) и
комбинированной обработки (-□-) при 350ºС (а) и 500ºС (б)
а
б
Рисунок 8 – Глубина упрочненного слоя и микротвердость стали 40Х (а) и
40Х13 (б) после ионной имплантации азотом (-■- , -●-) и комбинированной
обработки (-□- , -○-)
Нитридная зона имеет максимально высокие значения микротвердости. В
зоне внутреннего азотирования II рода значения микротвердости ниже. Они не
меняются по глубине зоны, что характерно для зоны II рода. В зоне
19
внутреннего азотирования I рода микротвердость плавно снижается до
исходных значений (рисунок 7 б).
Комбинированная обработка не меняет фазовый состав в азотированных
слоях сталей. Меняется соотношение фаз и доля нитридов. Так, по данным
ПЭМ, после комбинированной обработки стали 40Х13 при 450ºС нитридный
слой имеет ту же морфологию (смесь -, - и -фазы и мелкодисперсных
включений CrN), но с увеличением объемной доли нитридов железа и нитридов
хрома Cr2N и CrN. Образовавшиеся нитриды хрома изоструктурны
кристаллической структуре основных фаз: частицы фазы -Cr2N наблюдаются в
иглах -фазы, частицы фазы CrN – в -фазе. Увеличение количества нитридных
частиц при комбинированной обработке связано с увеличением плотности
линейных дефектов и малоугловых границ в поверхностных слоях, что
обеспечивает ускоренную диффузию азота по данным дефектам и увеличение
количества центров зарождения и роста нитридных частиц. За счет
интенсификации диффузионных процессов возрастает глубина азотированного
слоя стали (рисунок 6 б, 7 б).
Поскольку УФО увеличивает долю нитридов и количество растворенного
в феррите азота, то микротвердость поверхности стали становится больше
(рисунок 6 б, 7 б). Исключением является режим азотирования обеих сталей
при 500ºС, когда одновременно с процессом диффузии азота в
модифицированной УФО структуре активизируются процессы, характерные
для полигонизации пластически деформированного материала. В результате
увеличивается глубина зоны внутреннего азотирования и уменьшается доля
нитридов на поверхности (рисунок 6 а).
Представлены результаты исследования строения сталей 20Х13 и 40Х13
после насыщения поверхности ионами азота из плазмы дугового разряда
низкого давления (далее ионно-плазменное азотирование) и комбинированного
воздействия с предварительной УФО. Используемый метод азотирования
позволил снизить температуру процесса до 200ºС и оценить влияние УФО на
процесс насыщения поверхности азотом в температурной режиме, для которого
характерна структурная устойчивость модифицированного слоя.
Ионно-плазменное азотирование стали 20Х13 проводилось с изменением
температуры и времени (таблице 4).
Таблица 4 – Характеристики поверхности стали 20Х13 после ионноплазменного азотирования
Характеристика
200ºС
8ч
3,7/4,4*
350ºС, 2 ч
500ºС, 40 мин
Азот, масc. %
2ч
2,7/3,5*
12,4/14,2*
9,6/10,3*
Глубина слоя, мкм
-
24/50
30/52
60/78
HV50, МПа
3170/3470*
4200/4980*
10720/13000*
12050/13600*
* – значения, полученные после комбинированной обработки
20
Элементный анализ показал, что на всех режимах азотирования
поверхностный слой стали насыщается атомами азота и в большем количестве
при комбинированной обработке. Данные РСА подтверждают, что процесс
образования нитридов начинается уже при 200ºС.
По данным ПЭМ, в процессе азотирования в течение 8 часов при 200ºС
диффузия азота проходит в кристаллической решетке -фазы и в ее зернах
образуются выделения мелкодисперсных частиц нитрида железа и хрома
(рисунок 9 а-в). За счет возникновения внутренних микронапряжений в
кристаллической решетке основной фазы и выделений дисперсных частиц
нитридов микротвердость поверхности возрастает (таблица 4).
б
а
[100] Fe4N
в
частицы
Fe4N
0,25 мкм
г
совершенные
границы
прослойки
0,25 мкм
100 нм
д
е
[002]CrN
частицы
CrN
Рисунок 9 – ПЭМ изображение структуры поверхностного слоя стали 20Х13
после ионно-плазменного азотирования (а-в) и комбинированной обработки
(г-е) в течение 8 ч при 200С: светлое (а, г) и темное поле в рефлексе
[100]Fe4N (б), [002]CrN (д); микродифракций (в, е)
При комбинированной обработке поверхности диффузия азота вглубь
материала происходит одновременно с возвратом в дислокационной структуре.
Повышенная активность дислокаций способствует протеканию диффузии азота
по дефектам и вместе с ними. Образовавшиеся частицы нитрида хрома
располагаются преимущественно по границам зерен и субзерен (рисунок 9 г-д).
В результате комбинированной обработки упрочнение поверхностного слоя
стали происходит в большей степени, как за счет мелкодисперсных частиц
нитридов, так и сформировавшейся при нагреве субструктуры (таблица 4).
Увеличение температуры процесса азотирования стали 20Х13 ускоряет
процесс диффузии и увеличивает глубину азотированного слоя. При 350ºС
получаемый упрочненный слой состоит из нитридной зоны, образованной
ε-фазой и зоны внутреннего азотирования I рода, состоящей из зерен азотистой
-фазы, ε-фазы и частиц CrN (таблица 5).
21
Таблица 5 –Микроструктура поверхностного слоя стали 20Х13 и 40Х13 после
ионно-плазменного азотирования
40Х13
20Х13
Режим
–
200ºС,
8 часов
350ºС,
4 часа
500ºС,
40 минут
–
500ºС,
40 минут
Фазовый состав
Строение азотированного слоя
α-фаза, Cr23C6
–
α-фаза, Cr23C6, γ'-фаза
Зона внутреннего азотирования I рода
(α-фаза, Cr23C6, CrN)*
Нитридная зона, зона внутреннего
ε-, α-фаза, CrN
азотирования I рода
Нитридная зона, зона внутреннего
ε-, α-фаза, CrN, γ'-фаза
азотирования II рода
α-фаза, Cr23C6
–
Нитридная зона, зона внутреннего
α-фаза, CrN
азотирования II рода
Ионно-плазменное азотирование стали 20Х13 и 40Х13 с нагревом до
500ºС обеспечивает диффузионную активность хрома, в результате чего в
азотированном слое наряду с нитридной зоной образуется зона внутреннего
азотирования второго рода, состоящая из мелкодисперсных частиц CrN в
матрице основных фаз (таблица 5). Комбинированная обработка обеспечивает
большую глубину и высокие значения микротвердости на поверхности стали
(рисунок 10, таблица 4).
а
*
б
*
**
**
5 мкм
Рисунок 10 – Излом стали
40Х13 азотированной при 500ºС (а) и
после комбинированной обработки (б):
* – нитридный слой;
** – зона внутреннего азотирования
7 мкм
В результате триботехнических испытаний
определено, что
комбинированная обработка стали 40Х13 при 500ºС повышает износостойкость
по сравнению с ионно-плазменным азотированием на 50 %.
В четвертом разделе исследованы особенности формирования
адгезионного контакта при ультразвуковой модификации поверхности основы
перед напылением и внутреннего строения покрытия при его послойном
наращивании в условиях одновременного ультразвукового воздействия.
22
Описаны механизмы формирования адгезионной связи на границе
раздела «покрытие-основа», представлены все современные методы подготовки
поверхности изделия к напылению. Описан процесс нанесения
газотермического покрытия с учетом теплофизических процессов
кристаллизации и затвердевания частиц. Показано, что газотермическое
покрытие по своей структуре, фазовому составу и физико-механическим
свойствам является сложной гетерогенной композицией, требующей
подробного изучения его структуры с учетом современных взглядов.
Представлены особенности формирования покрытия с одновременным
воздействием ультразвукового инструмента.
Исследовано формирование адгезионного контакта на границе «покрытие
– основа с УФО» путём изучения строения поверхностных слоёв образцов
после отрыва покрытий (рисунок 11). Показано, что фактическое соединение
между частицей и подложкой происходит в очагах схватывания, где
адгезионные силы превышают когезионные. Заполнение поверхности контакта
очагами схватывания есть внешнее проявление степени развития физикохимических процессов на границе «покрытие – основа».
а
б
сохранившееся
покрытие
очаг
схватывания
в
3 мкм
основа
500 мкм
200 мкм
0,46 мкм
Площадь, %
65
40
5
Рисунок 11 – Оптические изображения поверхности с УФО стали 20 после
отрыва покрытия (а, б) и площадь очагов схватывания (в)
Площадь очагов схватывания газотермического покрытия с основой
определялась с помощью программного обеспечения профилометрического
комплекса «MICRO MEASURE 3D station» (рисунок 11 в).
При отрыве покрытия от основы прикрепленные частицы,
располагающиеся выше уровня исходной шероховатости поверхности,
учитываются как зоны адгезионного контакта, и их совокупная площадь
принимается за площадь очагов схватывания покрытия с основой.
На начальном этапе исследований был проведен эксперимент по оценке
влияния на адгезионную связь состояния поверхности основы перед
напылением – ее топографии, эффективной площади контакта, активации.
Поверхность образцов из стали 45 полировалась, обрабатывалась УФО и
струйно-абразивной обработкой (САО). В таблице 6 приведены
23
характеристики: исходная шероховатость RZ, степень упрочнения N исходной
поверхности, площадь очагов схватывания S.
Таблица 6 – Результаты оценки адгезии между покрытием и основой
Обработка
основы
Полировка
САО
RZ, мкм
0,09
28,5
0,72
1,4
УФО
1,4
1,4
4,1 / 1,4
Шлифование
5,6
УФО
4,1 / 1,4
N, %
0
18
38
36 / 52
5
36 / 52
Напыление
Плазменное
Детонационное
HVOF
Напыляемый
материал
сплав NiCrSiB
тоже
тоже
Ni
Cr
Mo
сплав NiCrSiB
тоже
тоже
S, %
30
70
43
20
40
80
47 / 47
14
38 / 26
Для напыления был выбран плазменный метод, для которого характерно
формирование покрытия из нагретых твердых и жидких частиц, осаждаемых со
скоростями менее 500 м/с. В этом случае растекающиеся частицы напыляемого
материала легко заполняют неровности поверхности.
При отрыве покрытия от полированной основы разрушение происходит по
границе раздела. Очагами схватывания являются целые частицы или их фрагменты.
Общая площадь очагов схватывания составляет около 30%. Металлографический
анализ поперечных шлифов показал, что на большей части границы раздела
образовываются трещины, сформировавшиеся в процессе охлаждения покрытия
под действием остаточных напряжений растяжения (рисунок 12 а).
б
а
приваренная частица
очаг схватывания
в
50 мкм
растущая
трещина
30 мкм
отслоившаяся часть
покрытия
образовавшиеся
трещины
40 мкм
Рисунок 12 – Оптическое изображение
границы раздела «покрытие – основа»
с основой после: полировки (а),
САО (б) и УФО (в)
24
После отрыва покрытия от основы с САО, разрушение происходит и по
границе раздела, и по телу покрытия (данные оценки адгезии плазменного
покрытия с основой с САО повторяются в экспериментах, оценивавших
адгезию покрытий, полученных детонационным и высокоскоростным
газопламенным напылением). Оценить площадь очагов схватывания с
помощью выбранной методики в этом случае было затруднительно, так как
часть сохранившегося на поверхности подложки покрытия могла находиться
ниже уровня выступов шероховатости. Общая площадь очагов схватывания
составила около 70%. Результаты металлографического анализа показали, что
на границе раздела формируются поры, которые являются концентраторами
напряжения и источниками зарождения и роста трещин (рисунок 12 б). Особо
опасными концентраторами напряжения являются приварившиеся частицы
абразива и крупные выступы шероховатости, имеющие рыхлую структуру за
счет эрозионного воздействия абразивных частиц.
Покрытие, напыленное на подложку с УФО, отделяется от подложки по
границе раздела «покрытие – основа» частично (рисунок 11). На поверхности
подложки наблюдаются очаги схватывания размером от 15 до 40 мкм и
агломераты
напыленных
частиц,
удерживаемые
группой
близко
расположенных очагов схватывания. Соединение частиц напыляемого
материала и основы происходит в первую очередь на выступах. На это
указывает расстояние между очагами схватывания, совпадающее с расстоянием
между выступами поверхности – около 100 мкм. Общая площадь очагов
схватывания и не отделившихся агломератов составляет около 40%. Высокое
значение адгезии покрытия и подложки с УФО обеспечено несколькими
факторами. Во-первых, созданием на поверхности подложки благоприятного
микрорельефа в виде плотно расположенных лунок с радиусом профиля,
соизмеримым с радиусом напыленных частиц и пологим наклоном боковых
поверхностей, что дало возможность частицам деформироваться в большей
степени. Во-вторых, выходом на поверхности подложки большего количества
дефектов кристаллического строения. В таких условиях напыления
активизируется процесс диффузионного массопереноса, обеспечивающий
формирование надежной химической связи между напыляемым материалом и
материалом подложки. По данным металлографического анализа, разрушение
материала при отрыве покрытия происходит выше границы раздела
(рисунок 12 в). На поверхности подложки сохраняется тонкий слой
напыленного материала, соизмеримый с высотой двух или трех
деформированных частиц. Такое строение характерно для зоны с когезионным
отрывом покрытия.
На основе проведенных исследований определено, что УФО за счет
образования большого количества дефектов микроструктуры и благоприятной
топографии поверхности контакта дает возможность достигать на границе
раздела «плазменное покрытие – основа» адгезии, достаточной для решения
практических задач.
Оценка роли теплофизических характеристик напыляемого потока в
адгезии покрытия была выполнена на образцах, полученных детонационным
25
напылением тугоплавких металлов – Ni, Cr, Mo на подложку с ультразвуковой
обработкой, обеспечивающей минимальную шероховатость и слабо
выраженную анизотропию. Показано, что при отрыве покрытия совокупная
площадь очагов схватывания возрастает с увеличением температуры плавления
напыляемого металла (таблица 6, рисунок 13).
a
очаг схватывания
поверхность
основы
40 мкм
б
поверхность
основы
в
очаг
схватывания
очаг
схватывания
40 мкм
40 мкм
Рисунок 13 – РЭМ изображение поверхности основы из стали 20,
модифицированной УФО после отрыва покрытия нанесенного с использованием
порошка: a – никеля; б – хрома; в – молибдена
Частицы молибдена (tпл = 2620ºС) прогревают основу до подплавления,
тем самым обеспечивая создание металлической связи. В случае напыления
хрома (tпл = 1860ºС) и никеля (tпл = 1455ºС) взаимодействие напыляемых частиц
и основы идет за счет образования прочной физико-химической связи. При
таком механизме взаимодействия очень важна дополнительная активация
поверхности, а значит, УФО особо эффективна.
Оценка скорости напыляемого потока на адгезию проводилась на
образцах с покрытиями, напыленными детонационным методом и HVOF.
Напыление производилось порошком сплава на основе никеля на основу из
стали 20. Детонационный метод напыления позволяет осаждать частицы
порошка со скоростью 1000 м/с. В данных условиях для напыляемых частиц
характерен больший запас кинетической энергии. Результаты эксперимента
показали, что при выбранных параметрах топографии поверхности основы
после УФО: с периодическим (Rz = 4,1 мкм, S = 200 мкм) и однородным
(Rz = 1,4 мкм) микрорельефом, общая площадь очагов схватывания в обоих
случаях составляет около 47% (таблица 6).
HVOF осуществлялось с меньшей скоростью – около 600 м/с. В данных
условиях напыления адгезия покрытия стала зависеть от топографии поверхности
основы. При переходе от периодического микрорельефа с Rz = 4,1 мкм к
однородному с Rz = 1,4 мкм S снижалась с 38% до 26%. Следовательно, при
снижении запаса кинетической энергии напыляемых частиц на первый план
выходит топография поверхности основы, полученная УФО.
Для оценки роли топографии поверхности с УФО в процессе
кристаллизации и охлаждении напыляемого материала на основе с помощью
26
метода конечных элементов было проведено численное моделирование
процесса. Для этого использовалось решение нестационарного уравнения
теплопроводности с учетом фазового перехода «расплав – твердый материал».
В результате проведенных расчетов были получены зависимости изменения
температуры и скорости охлаждения от времени на этапе охлаждения расплава,
кристаллизации и остывания напыленного материала (рисунок 14).
Рисунок 14 – Зависимость изменения температуры (T) на этапе кристаллизации и
охлаждения напыленного материала на основу в точке 1 (а) и точке 2 (б) с учетом
разной морфологии основы, заданной режимами УФО
Показано, что условия охлаждения напыляемого материала зависят от
микрорельефа поверхности – высоты и шага микронеровностей. На всех
исследуемых поверхностях процесс кристаллизации напыленного материала
первого слоя заканчивается до осаждения последующего слоя. При образовании
нового слоя температура в первом слое вновь повышается до значительно
меньших значений, что необходимо учитывать при описании процесса
структурообразования покрытия. Определено, что поверхность с максимальной
высотой и шагом микронеровностей создает максимальный градиент температуры
и скорости охлаждения напыленного материала в расчетный конечный момент
времени. С помощью представленной численной модели можно подбирать
оптимальный микрорельеф поверхности основы с УФО, исходя из особенностей
метода напыления и требуемых от покрытия структуры и свойств.
Были исследованы закономерности формирования строения плазменных
покрытий из сплава на основе железа (состав в вес.%: Fe – основной; C – 2%;
Al – 5%; Si – 8%) на всех структурных уровнях, оценено влияние
ультразвуковой обработки на строение покрытия.
Оценено влияние высоких и сверхвысоких скоростей охлаждения
4
(10 -107 К/с) на процесс формирования фаз и структуры сплава. Установлено, что
при формировании сплава в условиях быстрой закалки из расплава (плазменное
напыление монослоя, распыление порошка разных фракций в воздух) в сплаве
формируются неравновесные - и -фазы, пересыщенные Si, C, Al. Размер зерна
27
основных фаз меняется от единиц нанометров до десятков микрометров. Размер
микроструктурных элементов, так же, как и объемное соотношение основных фаз,
определяется скоростью охлаждения исследуемого материала. Микротвердость
сплава по сравнению с материалом, полученным в равновесных условиях,
возрастает с 2800 МПа до 6800 МПа. Основные механизмы упрочнения –
зернограничный, твердорастворный и дисперсными частицами вторых фаз.
При наращивании покрытия происходит увеличение доли объемных
дефектов покрытия и в большей степени за счет образования несплошностей
при послойном наложении монослоев в процессе напыления, нежели за счет
образования внутренней пористости отдельного слоя. На фоне увеличения доли
объемных дефектов снижается твердость плазменного покрытия.
Составлена классификация типов напыленных частиц в массивном
плазменном покрытии, определена их микроструктура и физико-механические
свойства (таблица 7).
Таблица 7 – Классификация частиц в плазменном покрытии из сплава FeSiAlC
Тип и объем
частиц
Частицысплэты
~ 80%
Механизм
формообразования
частиц
Растекание и
затвердевание
жидких капель
Форма и
высота
частиц
Прослойки
1-15 мкм
Пластическая
ЧастицыПрослойки
деформация нагретых
диски ~ 13%
10-35 мкм
частиц
Порошок
Овальная 35–
~ 7%
40 мкм
ЧастицыРазбрызгивание
Сферы
сферы ~ 1%
жидких капель
1-5 мкм
Микроструктура частиц
(HV50, МПа)
Не разрешается в оптическом
микроскопе (6460210)
Зеренная (5990410)
Дендритроподобная с
выделениями (7720150)
Зеренная (6050470)
Дендритоподобная (6690140)
Не разрешается в микроскопе
Зеренная
Определено, что плазменное напыление сплава на основе железа можно
рассматривать как один из способов получения материала быстрой закалкой из
расплава, что подтверждается результатами исследования фазового состава,
микроструктуры и микротвердости покрытия (таблица 8).
Ультразвуковая обработка оказывает влияние как на форму напыленных
частиц, так и на макро- и микроструктуру. Напыляемый материал под
воздействием ультразвука образует более плотное покрытие за счет растекания
жидких частиц на большую площадь и дополнительной пластической
деформации нагретых частиц (рисунок 15).
По данным ПЭМ, ультразвуковая обработка покрытий приводит к
заметному диспергированию микроструктуры. Размер зерен α- и -фазы
варьируется в пределах от 2,5 до 500 нм. Элементов структуры микронных
размеров не наблюдается (таблица 8).
28
Таблица 8 – Строение и свойства плазменного покрытия из сплава FeSiAlC
Фазовый -фаза,
НV50,
Форма и размер структурных элементов
состав
МПа
об. %,
Наноразмерные (~ 3 нм), субмикронные (0,1- и 0,5 мкм), микронные (~ 10 мкм) зерна -фазы;
фаза
54
FeSiC,
субмикронные (0,1-0,5 мкм) зерна -фазы;
Al14SiC4,
наноразмерные (5-25 нм) прослойки по
FeAlSi
границам и выделения вторых фаз
Наноразмерные (~ 2,5 нм и ~ 30 нм),
- и субмикронные (от 70 нм до 0,2 мкм) зерна и
фаза
прослойки -фазы; субмикронные (0,1-0,5
48
Al8Fe2Si.
мкм)
зерна
и
прослойки
-фазы;
Fe2Al12
наноразмерные (5-10 нм) прослойки по
Fe2Al8Si
границам и выделения вторых фаз
6660
Массивное
покрытие с
УЗО
5800
Массивное
покрытие
Материал
а
б
50 мкм
50 мкм
Рисунок 15 – Структура поперечного сечения покрытия из сплава FeSiAlC,
полученного обычным способом (а) и с ультразвуковой обработкой (б)
За счет снижения дефектности и неоднородности макроструктуры и
смещения размера микроструктурых элементов в нано- и субмикронную область
улучшаются механических свойств плазменного покрытия. Пористость покрытия
снижается на 40%, микротвердость увеличивается на 18%, твердости – на 30%.
На основе проведенных испытаний на фреттинг-коррозию показано, что
износостойкость плазменного покрытия из сплава FeSiAlC с ультразвуковой
обработкой превышает износостойкость оплавленных покрытий из
самофлюсующихся сплавов на основе никеля, применяемых для упрочнения
деталей машин. Исследуемые покрытия демонстрируют высокие прочностные
и износостойкие характеристики в условиях фреттинг-коррозии лишь в том
случае, если в процессе сопротивления изнашиванию будут участвовать
элементы микроструктуры покрытия без вовлечения в процесс
макроструктурных элементов.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1.
Показано, что при точении в поверхностном слое малоуглеродистой
стали формируется неоднородность структуры, что проявляется в разной
29
степени эволюции структурных составляющих впадин и оснований выступов
точения. В ферритных зернах впадин формируются дислокационные ансамбли
с большей плотностью дислокаций и бо́льшим числом экстинкционных
контуров; в перлитных зернах происходит бо́льшая фрагментация ферритных и
цементитных пластин. Эволюция структуры в процессе УФО превышает
эволюцию структуры в процессе точения. Ферритные зерна фрагментируются с
образованием высокоугловых границ. Частицы третичного цементита
разбиваются на блоки. В перлите происходит разделение цементитных пластин
на разориентированные наноразмерные частицы. Произошедшая эволюция
структурных составляющих стали позволяет отнести УФО в заданных режимах
к методам интенсивной пластической деформации.
2.
Показано, что при УФО в поверхностном слое сталей 20 и 60
формируется упрочненный слой с градиентной структурой. Непосредственно
под поверхностью образуется зона интенсивной пластической деформации
глубиной 8 мкм и 15 мкм соответственно. Далее следует зона градиентного
упрочнения толщиной 100 мкм и 180 мкм соответственно. На большей глубине
эффект упрочнения обусловлен наличием упругих полей напряжений.
Микротвердость на поверхности стали 20 повышается на 80 % и стали 60 на
110 %. Экспериментально установлены параметры обработки поверхности
стали 60, обеспечивающие формирование наноразмерной микроструктуры.
Установлено, что необходимо точить поверхность с образованием
трапециевидных выступов (Rz 10…15 мкм и Sm 35…50 мкм) и проводить УФО
за один проход с подачей 0,05 мм/об.
3.
Определены критерии проведения УФО в режиме упрочняющей и
отделочно-упрочняющей обработки. УФО в режиме упрочняющей обработки
происходит на поверхности стали 20 с шероховатостью Rz менее 25 мкм и на
стали 60 с шероховатостью Rz менее 18 мкм. Для формирования на
поверхности стали изотропного субмикрорельефа рекомендуется использовать
следующие технологические приемы УФО: подача инструмента менее 0,1
мм/об и проведение своевременной переполировки индентора. В режиме
отделочно-упрочняющей обработки УФО, в зависимости от состояния
поверхности точения, может формировать микрорельеф поверхности двух
видов: при среднем шаге неровностей профиля до 0,25 мм – с частичным
сохранением впадин точения; при увеличении среднего шага неровностей
профиля более 0,25 мм – с частичным сохранением выступов точения.
4.
Предложен метод улучшения качества поверхности катания бандажа
железнодорожного колеса методом УФО. При использовании в процессе
ремонта ультразвукового технологического комплекса для финишной
обработки формируется новая поверхность галтельного перехода бандажа,
соответствующая всем техническим требованиям: шероховатость поверхности
снижается с Rz = 50 мкм до Rz = 16,8 мкм, а твердость повышается на 25 %.
5.
Определено, что при высокоинтенсивной низкоэнергетической
имплантации ионами азота и азотировании в плазме дугового разряда низкого
давления легированных хромом конструкционных сталей формируется
30
поверхностный упрочненный азотированный слой, строение и фазовый состав
которого задаются количеством хрома в стали и температурой процесса:
– при азотировании стали 40Х в интервале температур с 350C до 500C
образуется зона внутреннего азотирования I рода с фазовым составом: твердый
раствор азота в феррите, цементит, нитриды железа – ε-Fe3N и -Fe4N;
– при азотировании сталей 20Х13 и 40Х13 в интервале температур
200C - 350C образуется зона внутреннего азотирования I рода того же
фазового состава; повышение температуры до 400 C формирует на поверхности
дополнительно нитридную зону, состоящую из нитридов железа; нагрев выше
450C за счет диффузионной активности хрома способствует образованию в
нитридной зоне нитридов хрома Cr2N и CrN и далее зон внутреннего
азотирования II и I рода; при 500С упрочненный слой состоит в основном из
зоны нитридов хрома и зоны внутреннего азотирования II рода;
– нитридная зона имеет максимально высокие значения микротвердости до
19000 МПа; зона внутреннего азотирования II рода – от 6000 до 15000 МПа; в
зоне внутреннего азотирования I рода микротвердость плавно снижается до
исходного значения микротвердости исследуемой стали.
6.
УФО обеспечивает интенсификацию процесса азотирования:
–
УФО
стали
20Х13
и
40Х13
приводит
к
образованию
субмикрокристаллической структуры с малоугловыми границами и высокой
плотностью дислокаций, а также дроблению частиц карбидов, что обеспечивает
увеличение плотности дефектов кристаллического строения;
– во всем исследованном интервале температур азотирования формируются
упрочненные слои большей глубины за счет диффузии азота по дефектам
структуры;
– в интервале температур 200C – 450C в азотированном слое увеличивается
доля нитридных фаз, приводящая к повышению значений микротвердости как в
зоне нитридов, так и в зоне внутреннего азотирования, что обусловлено
увеличением количества центров зарождения и роста нитридных частиц в
модифицированной УФО структуре стали;
– при температуре азотирования 500ºC значительно возрастает зона
внутреннего азотирования и уменьшается доля нитридов на поверхности стали,
что обусловлено ускорением процесса диффузии азота, совмещенного с
процессом полигонизации – это приводит к снижению микротвердости, но, как
показали испытания образцов из стали 40Х13, азотированных в плазме
дугового разряда низкого давления, повышает износостойкость на 50 %.
7.
Определено, что УФО основы способствует образованию надежной
адгезионной
связи
при
нанесении
покрытий
высокоскоростным
газопламенным, плазменным и детонационным способом. Адгезия
обеспечивается за счет высокой плотности дефектов кристаллического
строения и благоприятной топографии поверхности контакта. Выбран
оптимальный для напыления микрорельеф основы с УФО: периодический с
Sm = 0,2 мм и Rz = 3,2 мкм для жидких и высоко нагретых частиц, осаждаемых
31
со скоростями менее 600 м/с; однородный с Rz = 1,4 мкм для умеренно
нагретых частиц, осаждаемых со скоростями более 600 м/с.
8.
Показано, что плазменное напыление с одновременным ультразвуковым
воздействием приводит к формированию более плотного и гомогенного
покрытия с модифицированной структурой на макро- и микромасштабных
уровнях, что снижает износ трибопары при фреттинг-коррозии.
Основные результаты работы изложены в следующих публикациях
В журналах, входящих в перечень ВАК:
1. Клименов, В.А. Влияние различных высокоэнергетических обработок на
структуру и свойства плазменнонапыленных покрытий на основе
эвтектического железа / Клименов В.А., Ковалевский Е.А., Иванов Ю.Ф.,
Семухин Б.С., Сенчило (Ковалевская) Ж.Г. // Перспективные материалы.
1997.  № 2. – С. 66-74.
2. Витязь, П.А. Структура и свойства покрытий из стали 40Х13, полученных с
использованием различных методов газотермического напыления / Витязь П.А.,
Белоцерковский М.А., Кукареко В.А., Калиновский Д.М., Сухоцкий П.Г.,
Ковалевская Ж.Г. // Физическая мезомеханика.  2002.  T. 5.№1.  С. 29-36.
3. Клименов, В.А. Экспериментальное и теоретическое исследование
мезоcкопической деформации и разрушения при сжатии образцов
малоуглеродистой стали с напыленными покрытиями, оплавленными в
условиях мощных ультразвуковых колебаний / Клименов В.А., Панин С.В.,
Балохонов Р.Р., Нехорошков О.Н., Кузьмин В.И., Ковалевская Ж.Г.,
Шмаудер З. // Физическая мезомеханика. – 2003. – Т. 6. - № 2. – С. 99-109.
4. Клименов, В.А. Ультразвуковое модифицирование поверхности и его влияние
на свойства покрытий / Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Уваркин П.В.,
Нехорошков О.Н., Иванов Ю.Ф., Кукареко В.А. // Физическая мезомеханика. –
2004. – Т. 7. – Спец. выпуск – Часть 2 – С. 157–160.
5. Лотков, А.И. Влияние ультразвуковой пластической обработки на структурнофазовое состояние поверхности никелида титана / Лотков А.И., Батурин А.А,
Гришков В.Н., Ковалевская Ж.Г., Кузнецов П.В. // Письма в ЖТФ. – 2005. –
T. 31 (21). – С. 24-29 (переводная версия представлена в Scopus).
6. Клименов, В.А. Влияние ультразвуковой обработки поверхности стали 40Х13
на
микроструктуру
азотированного
слоя,
сформированного
при
высокоинтенсивной низкоэнергетической имплантации ионами азота /
Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Перевалова О.Б., Иванов Ю.Ф.,
Кукареко В.А. // Физика металлов и металловедение. – 2006. – Т. 102. – № 6. –
621-629 (переводная версия представлена в Scopus).
7. Ковалевская, Ж.Г. Исследование износостойкости стали, упрочненной
высокоэнергетическими воздействиями / Ковалевская Ж.Г., Клименов В.А.,
Гончаренко И.М., Коваль H.H., Толмачев A.K, Доломанова B.A. // Физическая
мезомеханика. – 2006. – Т.9. – Спец. выпуск – С. 153-156.
8. Клименов, В.А. Структура, фазовый состав и свойства стали 60, подвергнутой
ультразвуковой финишной обработке / Клименов В.А., Нехорошков О.Н.,
32
Уваркин П.В., Ковалевская Ж.Г., Иванов Ю.Ф. // Физическая мезомеханика. –
2006. – Т.9. – Спец. выпуск – С. 173-176.
9. Клименов,
В.А.
Исследование
адгезии
покрытий,
полученных
высокоскоростным
газопламенным
напылением
/
Клименов
В.А.,
Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Толмачев А.И. // Известия ТПУ.  2007.  Т. 310. 
№3.  С. 57-61.
10.Клименов, В.А. Влияние ультразвуковой обработки основы на формирование
покрытия при детонационном напылении / Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г.,
Ульяницкий В.Ю., Зайцев К.В., Борозна В.Ю. // Технология машиностроения. 
2008.  № 7.  С. 22-26.
11.Клименов, В.А. Ультразвуковая поверхностная обработка – метод
повышения ресурса работы бандажей колес локомотивов / Клименов В.А.,
Ковалевская Ж.Г., Уваркин П.В., Белявская О.А., Толмачев А.И. // Тяжелое
машиностроение – 2009. – № 12. – С. 24-28.
12.Ковалевская, Ж.Г. Исследование процесса износа при фреттинг-коррозии
газотермического покрытия, напыленного с одновременным ультразвуковым
воздействием // Известия ТПУ. – 2009. – Т. 315. – № 2. – С. 128–133.
13.Ковалевская, Ж.Г. Численное описание процесса кристаллизации
газотермически напыленного материала на основу с разным микрорельефом /
Ковалевская Ж.Г., Жуков А.П., Клименов В.А., Бутов В.Г., Зайцев К. В. //
Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – №11. – С. 18-27.
14.Ковалевская, Ж.Г. Расчет влияния микрорельефа поверхности, создаваемого
ультразвуковой обработкой на процесс охлаждения напыленного материала /
Ковалевская Ж.Г., Жуков А.П., Клименов В.А., Бутов В.Г., Зайцев К. В. //
Известия ТПУ. – 2011. – Т. 318. – № 2. – С. 120-125.
15.Ковалевская, Ж.Г. Особенности формирования микрорельефа поверхности
стали при ультразвуковой финишной обработке / Ковалевская Ж.Г., Уваркин
П.В., Толмачев А.И. // Дефектоскопия – 2012. – Т. 48. – №. 3 – С. 10-17
(переводная версия представлена в Scopus).
16.Ковалевская, Ж.Г. Исследование влияния дефектов точения на
формирование микрорельефа поверхности стали при ультразвуковой
финишной обработке / Ковалевская Ж.Г., Уваркин П.В., Толмачев А.И. //
Обработка металлов. – 2012. – № 1. – С. 14-18.
17.Ковалевская, Ж.Г. Исследование строения и фазового состава
азотированных слоев мартенситной стали, полученных ультразвуковым
выглаживанием и ионной имплантацией / Ковалевская Ж.Г., Кукареко В.А. //
Обработка металлов. – 2013. – №4 . – С. 19-27.
18.Ковалевская, Ж.Г. Исследование микроструктуры поверхностных слоев
малоуглеродистой стали после точения и ультразвуковой финишной обработки
/ Ковалевская Ж.Г., Иванов Ю.Ф., Перевалова О.Б., Уваркин П.В. // Физика
металлов и металловедение. – 2013. – № 1 – С. 47-60 (переводная версия
представлена в Scopus).
19.Ковалевская, Ж.Г. Особенности формирования азотированных слоев в
пластически деформированной стали 40Х, обработанной интенсивными
33
потоками ионов азота / Ковалевская Ж.Г., Кукареко В.А. // Известия ТПУ –
2014. – Т. 324. – № 2 – С. 118-125.
В зарубежных изданиях:
20.Klimenov, V.A. Structural and phase transformation in the Ni- and Fe- based
plasma coating under the effect of high energy / Klimenov V.A., Ivanov Yu.F.,
Perevalova O.B., Senchilo (Kovalevskaya) Z.G. // Materials and Manufacturing
Processes. – 1997.  V. 12. – № 5.  P. 849-861.
21.Klimenov, V.A. Nanocrstallization surface treatment of titanium alloys /
Klimenov V.A., Kovalevskaya Zh.G., Borozna V.Yu., Sun Zeming, Zhu Qifang //
Rare Metals. – 2009. –V. 28. Spec. Issue. – №10. – P.195-198.
22.Kovalevskaya, Z.G. Chromium аlloyed steel nitriding within close-to-critical
temperature range / Kovalevskaya Z.G., Klimenov V.A., Goncharenko I.M., Ivanov Y.F.,
Belousova N. S. // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1013. – P. 146-152.
23.Kovalevskaya, Z.G. Interfacial adhesion between thermal spray coating and
substrate achieved by ultrasonic finishing / Kovalevskaya Z.G., Klimenov V.A.,
Zaytsev K.V. // Applied Mechanics and Materials. – 2014. – V. 682. – P. 459-463.
24.Kovalevskaya, Zh.G. Research of surface activating influence on formation of
adhesion between gas-thermal coating and steel substrate/ Kovalevskaya Zh.G.,
Klimenov V.A., Zaitsev K.V. // IOP Conference Series: Materials Science and
Engineering. – 2015. – V. 91. – [012057, 8 p.].
25.Kovalevskaya, Z.G. Research of adhesion bonds between gas-thermal coating and
pre-modified base / Kovalevskaya Z.G., Zaytsev K.V., Klimenov V.A. // IOP Conference
Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – V. 142. – [012087, 7 p.].
26.Kovalevskaya, Z.G. The structure of quaternary iron-based alloy obtained at high
and ultrahigh cooling rates / Kovalevskaya Z.G., Kovalevskiy E.A., Khimich M.A. //
Key Engineering Materials Submitted. – 2016. – V. 712. – P. 205-210.
27.Kovalevskaya, Z. Structural and phase transformations in iron-based alloy
obtained in conditions of high cooling rate crystallization / Kovalevskaya Z.,
Khimich M. // AIP Conference Proceedings. – 2016. – V. 1783. – [020108, 6 p.].
28.Kovalevskaya, Zh.G. The character of fracture of iron based thermal coating at
fretting / Kovalevskaya Zh.G., Kovalevskiy E.A., Khimich M.A. // IOP Conference
Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – V. 124. – [012126, 4 p.].
В патентах:
29.Клименов, В.А. Способ упрочнения деталей из конструкционных сплавов /
Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Борозна В.Ю., Толмачев А.И. /
Патент РФ № 2354715, опубл. 10.05.2009. бюл. № 13.
30.Ковалевская, Ж.Г.
Способ
подготовки
поверхности
детали
с
использованием ультразвуковых колебаний / Ковалевская Ж.Г., Клименов В.А.,
Зайцев К.В., Толмачев А.И., Борозна В.Ю., Перевалова О.Б. / Патент РФ №
2442841, опубл. 20.02.2012. бюл. № 5.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
1 978 Кб
Теги
модифицирующие, ультразвуковой, структура, поверхностные, свойства, покрытия, слоев, обработка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа