Журнал Вестник двигателестроения 2007 №2

Подождите немного. Документ загружается.

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007

171

Таким образом, максимальные деформации

достигаются при угле армирования

ϕ = 0°, а мини-

мальные при

ϕ = 90°. Анизотропия свойств прояв-

ляется несущественно ввиду того, что упругие ха-

рактеристики ниобия и титана различаются незна-

чительно.

Перечень ссылок

1. Ольшанецкий В.Е., Шнякин B.Н. Исследова-

ние технологии получения листовых жаропроч-

ных металлокомпозитов методом импульсной

сварки // Металловедение и термическая об-

работка. – 2001. – № 10. – С. 9-13.

2. Коваль А.Д., Ольшанецкий В.Е., Виниченко В.

С.

Новые жаропрочные металлокомпозиты для

сопловых блоков реактивных двигателей «Тех-

нологические системы». –2001. –3 (а). – С. 21-

25.

3. Киричевский В.В., Сахаров А.С. Нелинейные

задачи термомеханики конструкций из слабос-

жимаемых эластомеров. – Киев: Будiвельник,

1992. – 216 с.

4. Метод конечных элементов в вычислительном

комплексе «МІРЕЛА+». Киричевский В.В., Дох-

няк Б.М., Козуб Ю.Г., Гоменюк

С.И., Киричев-

ский Р.В., Гребенюк С.Н. – К.: Наук. думка,

2005. – 416 с.

5. Композиционные материалы. Справочник // Под

общ. ред. Д.М. Карпиноса. – К.: Наук. думка,

1985. – 592 с.

Поступила в редакцию 14.05.2007

З використанням методу скінчених елементів визначені температурні деформації у

консольних титанових пластинах з різними схемами одношарового лінійного армування

матриці ніобієвими волокнами відносно заданого напрямку.

With the use of method of eventual elements temperature deformations are definite in cantilever

titanic plates with different types of single-layer linear reinforcement of matrix by the niobium

fibres of the relatively set direction.

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

172

УДК 669.721.5

В. А. Шаломеев, Э. И. Цивирко, Н. А. Лысенко, В. В. Лукинов, В. В. Клочихин

МЕХАНИЧЕСКИЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

ЖАРОСТОЙКОГО МАГНИЕВОГО СПЛАВА МЛ-10 СО

СКАНДИЕМ

Изучено влияние скандия на структуру и свойства магниевого сплава Мл-10. Опре-

делены оптимальные содержания скандия, обеспечивающие высокие механические и спе-

циальные свойства магниевому сплаву.

Со все возрастающим усложнением и ужесто-

чением условий эксплуатации современной техни-

ки чрезвычайно актуальной является проблема

создания материалов, обеспечивающих высокий

комплекс механических и специальных свойств.

Данная задача может решаться разработкой новых

материалов или улучшением имеющихся, что наи-

более рационально. Одним из перспективных на-

правлений повышения свойств литых магниевых

сплавов является их модифицирование, позволя

ющее совершенствовать структуру сплавов для

достижения требуемых свойств [1]. Наиболее пер-

спективным для достижения поставленной цели

является модифицирование магниевых сплавов

металлами группы РЗМ, в частности скандием [2].

Изучали влияние скандия на комплекс механи-

ческих свойств и жаропрочность магниевого спла-

ва МЛ-10.

Магниевый сплав МЛ-10 выплавляли в газовых

печах по серийной технологии. По готовности спла-

ва, порционно отбирали ковшом расплав, в который

вводили возрастающие присадки 10 % Mg-Sc ли-

гатуры и заливали стандартные образцы для меха-

нических испытаний в песчано-глинистую форму.

Химический состав исследуемых сплавов пос-

ле различных вариантов фракционного отбора

удовлетворял требованиям ГОСТ 2856-79 [3] и по

содержанию основных элементов находился при-

мерно на одном уровне. Термическую обработку

образцов проводили по

режиму Т6 (закалка – 415

±5

°С; старение 200

±5

°С).

Микроструктура серийного сплава МЛ-10 пред-

ставляла собой

δ -твердый раствор с располагаю-

щейся по границам зерен в виде пленочных выде-

лений интерметаллидной фазы (рис. 1, а). Прове-

денный рентгеноструктурный анализ на дифракто-

метре «Дрон-3», показал, что интерметаллидная

фаза представляет собой соединение ( MgZr)

Nd.

Присадка 0,05 % скандия приводила к образова-

нию пленочных пограничных выделений эвтектики

δ + (MgZr)

Nd), количество которой возрастало с

увеличением остаточного содержания скандия в

металле (рис. 1, б-г).

После проведения термической обработки в

структуре исследуемых сплавов наблюдалось вы-

деление эвтектоида

δ + (MgZr)

Nd в виде облас-

тей сферической формы (рис. 1, д). В процессе тер-

мической обработки уменьшалась химическая

неоднородность сплава, границы становились бо-

лее четкими и тонкими.

С повышением концентрации скандия в сплаве

наблюдалось увеличение размеров выделений

эвтектоида

δ +(MgZr)

Nd (рис. 1, е-з). Так, при вве-

дении в расплав более 0,7 % Sc размеры эвтекто-

идных областей увеличивались примерно в 4 раза

в сравнении со стандартным сплавом.

Анализируя структурные параметры исследуе-

мых сплавов, получили зависимость изменения ве-

личины микрозерна (табл. 1). При этом, увеличе-

ние присадок скандия до 0,3 % приводило к неко-

торому измельчению зерен. Дальнейшее повыше

ние содержания модификатора (до 1,0 %) обуслов-

ливало их увеличение до 160 мкм.

Следует отметить, что введение модификатора

более 0,7 % приводило к образованию грубых мик-

рорыхлот (рис. 2, а) и загрязнению сплава плена-

ми (рис. 2, б).

Микрорентгеноспектральный анализ структур-

ных составляющих, проводимый на электронном

микроскопе «JSM-6360LA», показал, что сферичес-

кие области обогащены, в основном, цирконием,

неодимом и

скандием (рис. 3). В отдельных учас-

тках наблюдалось повышение концентрации алю-

миния. Установлено, что в модифицированных спла-

вах содержание скандия в сферических областях

выделений эвтектоида

δ+(MgZr)

Nd в ∼ 1,5…...2,0

раза выше, чем в

δ-твердом растворе.

Микротвердость

δ-твердого раствора стандарт-

ного сплава (до термообработки) более чем в 3

раза ниже микротвердости выделений в сфери-

ческих эвтектоидных областях. После проведения

термообработки наблюдалось увеличение микро-

твердости матрицы и снижение значений твердо-

сти эвтектоида, что свидетельствует о повышении

однородности термообработанного сплава, а так-

же об упрочнении твердого раствора мелкими час-

тицами интерметаллидной

фазы типа (MgZr)

Nd.

Введение скандия от 0,02% до 0,3% способ-

ствовало повышению микротвердости структурных

составляющих, как в литом, так и в термообрабо-

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007

173

Размер структурных составляющих, мкм

Величина микрозерна

№

п/п

Количество

модификатора

Sc, %

эвтектика

типа δ+(MgZr)

до

термообработки

после термообработки

1 – 10…25 30…75 (50) 40…150 (90)

2 0,02 10…29 50…100 (75) 50…100 (75)

3 0,05 10…32 35…80 (60) 25…135 (90)

4 0,07 10…40 35…75 (60) 30…130 (75)

5 0,10 15…45 35…90 (75) 25…120 (65)

6 0,30 18…45 50…125 (90) 35…100 (75)

7 0,50 20…55 75…135 (90) 50…120 (80)

8 0,70 20…70 60…125 (90) 35…150 (100)

9 1,00 40…85 70…200 (130) 60…160 (110)

Примечание. В скобках представлены средние значения величины зерна.

Таблица 1 – Размеры структурных составляющих в образцах из сплава МЛ-10

танном состоянии. В сплавах с присадками более

0,3 % Sc наблюдалось снижение микротвердости

матрицы и эвтектоида (табл. 2).

Таблица 2 – Микротвердость образцов из сплава МЛ-10 до и после стандартной термообработки

Микротвердость, HV, МПа

до термообработки после термообработки

№

п/п

Количество

модификатора

Sc, %

матрица (оси)

эвтектика

δ+(MgZr)

матрица

(оси)

эвтектика

δ+(MgZr)

1 –

591,8…733,4

(662,6)

1821,6…

2627,6

(2224,6)

1017,3…1064,0

(1040,7)

1225,5…1354,4

(1290,0)

2 0,02

681,0…858,0

(769,5)

1891,6…

3047,3

(2469,5)

1114,1…1167,8

(1141,0)

1286,6…1469,6

(1378,1)

3 0,05

733,4…824,0

(778,7)

1891,6…

2288,9

(2090,3)

1017,3…1167,8

(1092,6)

1287,5…1504,7

(1396,1)

4 0,07

761,8…894,1

(828,0)

1781,6…

2011,7

(1896,7)

1114,1…1354,4

(1234,3)

1589,5…1891,6

(1740,6)

5 0,10

733,4…858,0

(795,7)

1781,6…

2011,7

(1896,7)

1167,8…1287,5

(1227,7)

1589,5…1891,6

(1740,6)

6 0,30

761,8…932,5

(847,2)

1781,6…

2288,9

(2035,3)

1225,5…1354,4

(1290,0)

1581,6…2627,6

(2104,6)

7 0,50

792,0…932,5

(862,3)

1781,6…

2288,9

(2035,3)

1167,8…1287,5

(1227,7)

1354,4…2011,7

(1683,1)

8 0,70

792,0…917,3

(854,7)

1817,6…

2287,3

(2050 ,5)

1167,8…1354,4

(1261,1)

1354,4…1426,6

(1390,5)

9 1,00

612,4…761,8

(687,1)

1891,6…

2011,7

(1951,7)

1167,8…1287,5

(1227,7)

1354,4…1426,6

(1390,5)

Примечание. В скобках представлены средние значения микротвердости.

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

174

Рис. 1. Микроструктура сплава Мл-10 до термообработки (а, б, в, г) и после (д,е,ж,з), х500:

а, д – без присадки Sc; б, е – с присадкой 0,05 % Sc; в, ж – с присадкой 0,5 % Sc; г, з – с присадкой 1,0 % Sc

гз

вж

бе

аб

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007

175

Механические и жаропрочные свойства в ис-

следуемых сплавах определяли на термически

Таблица 3 –Механические и жаропрочные свойства сплава МЛ-10 (Т

исп.

= 150/250 °С, σ = 80 МПа)

обработанных образцах. Результаты испытаний

представлены в таблице 3.

Механические свойства

Усл. №

образца

Количество

модификатора

(Sc), %

исп.,

°С

МПа

δ,

Длительная прочность,

р,

час

1 – 20 235,0 3,6 1252/26

2 0,02 20 252,0 4,1 1252/52

3 0,05 20 245,0 6,3 1252/48

4 0,07 20 240,0 4,0 1252/64

5 0,10 20 254,0 5,6 1252/48

6 0,30 20 199,0 2,6 1252/36

7 0,50 20 235,0 4,0 1252/56

8 0,70 20 200,0 3,6 1252/31

9 1,00 20 187,0 3,3 1252/8

Примечание: Испытание образцов на длительную прочность проводили ступенчатым образом: при

150 °С, затем при 250 °С.

Рис. 2. Грубые микрорыхлоты (а) и плены (б) в образцах из сплава МЛ-10 с присадкой 0,7...…1,0 % Sc,

100

аб

Массовая доля элементов, % *

№

точки

Mg Al Si Sc Zr Nd

Всего, %

007 97,39 – 0,1 0,39 0,1 2,02 100

008 93,07 0,45 0,08 0,57 1,83 4 100

009 92,36 – 0,17 0,54 4,03 2,9 100

010 96,1 – 0,17 0,24 0,53 2,96 100

* – данные носят оценочный характер

Рис. 3. Микрорентгеноспектральный анализ структурных составляющих сплава Мл-10 с присадкой 0,5 % Sc

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

176

Присадка скандия в сплав Мл-10 0,05...…0,1 %

способствовала повышению как механических, так

и жаропрочных свойств. Далее наблюдалась тен-

денция к снижению физико-механических харак-

теристик материала. При фрактографическом ана-

лизе разрушенных в процессе испытания образ-

цов с присадкой 0,5 % Sc в изломах обнаружены

дефекты, характерные для пленочных за-грязнений

с наличием грубых микрорыхлот, что и явилось

причиной

снижения механических и, в особеннос-

ти, жаропрочных свойств.

Из вышеизложенного следует, что модифици-

рование сплава МЛ-10 скандием до 0,07 % спо-

собствует повышению механических и жаропроч-

ных свойств вследствие дополнительного упроч-

нения, как твердого раствора, так и эвтектоида

δ+(MgZr)

Nd, при некотором уменьшении величи-

ны микрозерна и увеличении значений микротвер-

дости. Повышение микротвердости сферических

областей обусловлено увеличением в них концент-

рации циркония и ниодима, а в сплавах, модифи-

цированных скандием, – и скандия. Установлено,

что повышение концентрации скандия в сплаве

приводит к увеличению сферических областей вы-

деления эвтектоида. Термическая обработка спо-

собствует

повышению однородности сплава вслед-

ствие выравнивания распределения элементов

между осями и межосными пространствами денд-

ритов, а также дополнительного легирования мат-

рицы за счет диффузии элементов из пограничных

выделений (MgZr)

Nd. Таким образом, термообра-

ботка сплава МЛ10 по стандартному режиму при-

водит к выравниванию свойств по сечению метал-

ла. При введении в расплав более 0,7 % скандия

происходит увеличение количества микрорыхлот

и загрязнение металла пленами.

Перечень ссылок

1. Гуляев Б. Б. Решенные и нерешенные задачи

теории литейных процессов // Литейное произ-

водство. – 1990, №9, С. 2-3.

2. Д.Ф.

Чернега, В.Ф.Сороченко, П.Д.Кудь,

Д.Ф.Иванченко. Некоторые технологические

особенности разработки скандийсодержащего

модификатора для магниевых сплавов // Про-

цессы литья. – 2002, № 1.

3. ГОСТ 2856-79. Сплавы магниевые литейные. – М.:

Госстандарт СССР.

Поступила в редакцию 11.06.2007

Вивчено вплив скандію на структуру й властивості магнієвого сплаву Мл-10. Визна-

чені оптимальні вмісти скандію, що забезпечують високі механічні й спеціальні власти-

вості магнієвому сплаву.

Iinfluence of scandium on structure and properties of magnesian alloy Мл-10 is studied. The

optimum maintenances content of scandium providing high mechanical and special properties of

magnesian alloy are certain.

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007

177

УДК 621.9.025.7

А. С. Верещака, Л. Ш. Шустер, М. Ш. Мигранов, С. М. Минигалеев,

Г. С. Фукс-Рабинович

КОМБИНИРОВАННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ

ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА ИЗ

БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

Приведены результаты экспериментальных исследований износостойкости и три-

ботехнических свойств многослойных износостойких покрытий для режущего интсру-

мента из быстрорежущей стали, а также изменения структурно-фазовых составляю-

щих контактных поверхностей. Установлено, что при резании в результате самоорга-

низации одновременно происходят следующие явления: триборасщепление (распад) тон-

кого поверхностного слоя, формирование стойкого аморфно-подобного защитного

слоя

на инструментальной поверхности.

Л. Ш. Шустер

М. Ш. Мигранов, С. М. Минигалеев, Г. С. Фукс-Рабинович, 2007

Введение

Сравнительно недавно «комбинированные» по-

крытия стали одним из наиболее эффективных спо-

собов повышения износостойкости режущих инст-

рументов из быстрорежущей стали. «Комбиниро-

ванные» покрытия включают в себя физически

осажденный слой из нитрида титана, нанесенный

на предварительно азотированный субстрат из бы-

строрежущей стали. Режущие инструменты из бы-

строрежущей стали с такими покрытиями сочета-

ют в себе высокую износо-стойкость поверхности

(износостойкость инструмента повышается в 1,5-2

раза [1]) и достаточную прочность. Однако, покры-

тия, как хрупкие материалы, подвержены значитель-

ному повреждению во время приработки. Зачас-

тую большая часть покрытия разрушается во вре-

мя этой фазы износа, т.е. еще до начала нормаль-

ной стадии износа. Повреждение первоначальной

поверхности часто приводит к значительному сни-

жению износостойкости всего покрытия. По этой

причине наружный слой, с высокими антифрикци-

онными свойствами, является важным компонен-

том, который может быть использован для защиты

всего покрытия. Определение состава и нанесе-

ние наружного слоя является одним из наиболее

важных задач получения износостойких покрытий

на режущих инструментах, работающих при

низ-

ких и умеренных скоростях резания, а также для

обработки труднообрабатываемых материалов, при

которой преобладает адгезионный износ. Этого

можно достичь, например, путем применения са-

мосмазывающихся многослойных покрытий. При

этом наружные слои могут иметь сложную микро-

структуру, которая способствуют рассеиванию энер-

гии (например, покрытия типа TiA1N-MoS

). Одним

из наиболее эффективных покрытий такого типа яв-

ляется многослойное покрытие на основе системы

TiA1N/WC-C с твердой смазкой, созданное компа-

нией «Balzers». Основное преимущество такого

покрытия состоит в очень низкой интенсивности

приработочного изнашивания инструмента в про-

цессе резания, что ведет к значительному повы-

шению его износостойкости. Некоторые оксиды,

такие, например, как WO

, V

, TiO

, как было

обнаружено в работе [2], имеют хорошие триболо-

гические свойства при высоких температурах. Эти

перспективные материалы, выступающие как твер-

дые смазки при высоких температурах, можно на-

носить методами PVD.

Другой тип антифрикционного поверхностного

слоя, успешно применявшийся для твердого по-

крытия, – это «Z-DOL» слой [5]. Z-DOL состоит из

0,5 % раствора перфторполиэфирной кислоты (R

–

OH) в фреоне 113.

Цель работы. Целью данной работы является

изучение износостойкости и трибологических па-

раметров режущего инструмента с «комбинирован-

ными» покрытием, дополнительно улучшенным при-

менением антифрикционного верхнего слоя из пер-

фторполиэфира (Z-DOL).

Некоторые характеристики слоев многослойных

покрытий показаны в табл. 1.

Перфторполиэфиры нашли широкое применение

в промышленности как смазочные вещества для

тяжелонагруженных высокотемпературных трибо-

сопряжений.

Эти жидкости привлекательны как

смазочные вещества из-за их высокой теплостой-

кости, низкой температуры испарения и химичес-

кой инертности. Перфторполиэфир применяется как

антифрикционный верхний слой на поверхности

твердых покрытий. Жидкая смазка представляет

собой 0,5 % раствор перфторполиэфира «Z-DOL» в

фреоне 113. Перфторполиэфир имеет следующую

химическую структуру: HO-CH

-CF

O-(C

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

178

Характеристики исследуемых «дуплексных» покрытий

Наименование слоя

Состав и структура слоя Микротвердость, ГПа Толщина, мкм

Твердое покрытие TiN

(КИБ)

TiN 26-28 6-8

Субстрат из

быстрорежущей стали

с азотированным слоем

Однофазовый с

высоким содержанием

нитрида мартенсита

(α-Fe)

11-12 30-32

Таблица 1 – Характеристики исследуемых «дуплексных» покрытий [5]

(CF

-CF

-CH

-OH. Пленка из перфторполиэфи-

ра наносилась путем погружения образцов с по-

крытиями в раствор при температуре точки кипе-

ния. Физико-химические свойства перфторпоэли-

фира приведены в табл. 2.

Таблица 2 – Физико – химические свойства

перфторполиэфира

Свойство Величина, единица

Молекулярная масса 2194

Плотность 1560 кг/м

Толщина пленки 5-2500 нм

Несущая способность

(макс. допуст. нагрузка)

3 ГПа

Максимальная рабочая

температура

723 К

Методика проведения исследований

Процесс износа покрытых режущих инструмен-

тов исследовали при точении и фрезеровании ста-

ли 40Х. Режущие инструменты подвергались ис-

пытанию при резании с использованием охлажда-

ющей жидкости 5 %-ной эмульсии и без нее. Усло-

вия проведения испытаний в процессе резания при-

ведены в табл. 3. Выбранные условия проведения

испытаний могут привести к

интенсивному износу

с повреждением поверхности режущего инструмен-

та, так как известно [2], что адгезионный износ пре-

обладает на поверхностях режущего инструмента

во время резания на низких и средних скоростях.

Адгезионный износ вызывается формированием

«мостиков» сварки шероховатостей на поверхнос-

тях обрабатываемой детали, стружки и инструмен-

та. Последующий разрыв этих соединений, вызы-

ваемый сдвигом,

ведет к появлению микроскопи-

ческих фрагментов изношенного материала инст-

румента.

Трибологические параметры покрытий опреде-

лялись с помощью специального сконструирован-

ного прибора, описанного в [3]. Вращающийся

индентор с покрытием устанавливался между дву-

Таблица 3 – Условия проведения испытаний при резании

Режимы резания

Обрабатываемый

материал

Операция

Скорость

резания, м/мин

Подача

Глубина резания,

мм

Ширина резания,

мм

СОЖ (5%-ной

эмульсия)

Режущий

инструмент

из

быстрорежу

щей стали

Сталь 40Х Точение 50 – 70

0,28

мм/об

1,0 + Пластины

Сталь 40Х

Фрезерова

ние

63,0

мм/мин

3,0 5,0 +

Концевые

фрезы

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2007

179

мя отполированными образцами, изготовленными

из обрабатываемой стали 40Х. Чтобы смоделиро-

вать условия трения режущего инструмента, об-

разцы нагревались электроконтактным способом в

диапазоне температур от 150° до 550°С. Нормаль-

ная сжимающая сила 2400 Н обеспечивала плас-

тическую деформацию в контактной зоне. Для оцен-

ки трибологических свойств покрытий использова-

лась адгезионная составляющая коэффициента

трения. В основном

именно этот компонент отве-

чает за адгезионный износ инструментов из быст-

рорежущей стали (когда имеют место истирание и

задиры металла [3]). Величина адгезионной состав-

ляющей коэффициента трения определялась как

отношение прочности

пп

на срез адгезионных свя-

зей между инструментом и обрабатываемой дета-

лью и нормальным контактным напряжением p

возникающим на контактирующей поверхности при

температуре испытаний (

пп

Чтобы понять физический механизм явлений,

которые имеют место на поверхности «режущий

инструмент – обрабатываемая заготовка», иссле-

довали химический и фазовый составы поверхно-

стных слоев с помощью: ОЖЕ-электронной спект-

роскопии (ОЭС), анализа расширенной мелкой

структуры спектров потери энергии электронов

(EELFAS) и вторичной ионной масс спектрометрии

(ВИМС), с использованием спектрометра VG

ESCALAB MK2. ОЖЕ-спектроскопия использова-

лась

для анализа состава поверхности покрытия и

наружной поверхности пленок, образующихся на

лезвиях режущего инструмента, а также для ана-

лиза контактирующей поверхности стружки. В каж-

дом их этих случаев были выбраны для анализа

несколько секторов размером 15

×15 мм. Фазовый

состав поверхности фаски износа изучали с помо-

щью ВИМС. С этой целью пучок ионов аргона ди-

аметром в 0,5 мкм сканировали синхронно с высо-

коскоростной телевизионной разверткой с ускоря-

ющим напряжением в 5,0 кэВ и давлением аргона

(Ar) в 2

×10

-5

Па. При таких условиях скорость ион-

ного травления не превышала 0,5 монослоя в мин.

Анализ проводился в приближенном к статическо-

му режиму. Аморфизация и тонкие структурные

изменения в ближайшем атомном окружении были

исследованы с помощью EELFAS-метода путем

анализа расширенной тонкой структуры спектров

электронов. Этот метод (в режиме отражения элек-

тронов) в настоящее время

используется для точ-

ных исследований атомной структуры в тонких по-

верхностных слоях. По аналогии с EXAFS (рентге-

новским методом определения плотности расши-

ренной тонкой структуры), мелкая структура спект-

ров электронов содержит информацию о структуре

ближайшего атомного окружения на поверхности.

Результаты исследований

Данные стойкостных испытаний режущих инст-

рументов приведены на рис. 1. Из рисунка видно

что наружный (антифрикционный) слой уменьшает

интенсивность изнашивания инструмента на пер-

воначальной (приработочной) стадии износа, т.е.

повреждение поверхности уменьшается и износо-

стойкость резца значительно увеличивается.

Исследования влияния температуры на трибо-

технические параметры многослойных покрытий,

состоящих из ФОП твердого покрытия TiN с верх-

нем слоем из «Z-DOL» в контакте со сталью 40Х,

показывают (рис

. 2), что эти параметры улучшают-

ся. Однако, улучшение триботехнических парамет-

ров (уменьшение коэффициента трения) само по

себе не может объяснить существенное повыше-

ние износостойкости (в 1,5-2,0 раза) режущего ин-

струмента с многослойным покрытием (рис.1).

Для изучения этого явления были проведены

дополнительные исследования поверхностей кон-

такта режущего инструмента и обрабатываемой

детали. На рис. 2, а – в

представлены спектры по-

ложительных и отрицательных ионов, полученные

в результате анализа химического и фазового со-

ставов покрытия TiN + ПФПЭ. Покрытие TiN дает

следующие пики: Ti

(48); TiN

(62); TiO

(64 а.е.м).

ПФПЭ «Z-DOL» дает следующие пики: О

(16); F

(19);

-2

(25); CF

-2

(33); F

(38 а.е.м); а.е.м. – это атом-

ная единица массы. Состав покрытия изменяется

во время резания. Пики с малой интенсивностью

при 64 и 86 а.е.м. появляются после 200 секунд

резания. Появление этих пиков можно объяснить

триборазложением ПФПЭ и TiN с образованием ок-

сидов титана и TiF

Был проведен анализ состава элементов повер-

хности фаски износа инструмента, выполненный с

помощью ОЭС. Результаты представлены как ряд

ОЖЕ-спектров, полученных с поверхности фаски

износа при различной длительности резания (рис.

2).

Полученные результаты позволяют отметить, что

на начальной стадии износа (стадия приработки)

постепенное окисление покрытия TiN (ФОП) имеет

место при высоком локальном напряжении и

тем-

пературах, возникающих во время резания.

Этот процесс наблюдался в покрытиях TiN с

антифрикционным слоем ПФПЭ и без него. В про-

цессе резания происходит постепенное уменьше-

ние содержания азота на поверхности, при этом

кислород замещает азот. Значительное увеличе-

ние интенсивности ОЖЕ - линий для железа при

длительном периоде резания объясняется адгези-

ей материала детали (

стали 40Х) по отношению к

поверхности режущего инструмента и разруше-

нием покрытия TiN на финальной стадии изнаши-

вания. Наблюдается выраженная корреляция

между изменением износостойкости режущего

инструмента и составом покрытия (рис. 1, 2).

Обеднение поверхности покрытия азотом и обога-

щение кислородом во время перехода из прира-

äÓÌÒÚðÛÍˆËÓÌÌ˚Â Ï‡ÚÂðË‡Î˚

180

Рис. 1. Влияние времени обработки на износ инструмента по задней поверхности:

а – точение стали 40Х с жидкой СОТС при v = 70 м/мин; t = 1,0 мм; S = 0,28 мм/об; инструмент, оснащенный пластинами

из быстрорежущей стали Р6М5 с «комбинированным» покрытием; б – фрезерование стали 40Х концевыми фрезами из

Р6М5 Ж12 мм при v = 21 м/мин

; t = 3,0 мм; В = 5 мм; S

= 63 мм/мин

боточной стадии в стадию нормального изнашива-

ния связано с трибоокислением TiN. Предыдущие

исследования показывают, что кислородосодержа-

щее соединение, возникающее на поверхности, это

неравновесный TiO-твердый раствор.

Окисление нитрида титана благоприятно воздей-

ствует на процессы трения и износа. Образование

кислородосодержащего соединения на основе ти-

тана действует как экран, защищающий поверх-

ность. Таким образом, появление кислородосодер-

жащего соединения при переходе из приработоч-

ной в нормальную стадию изнашивания свидетель-

ствует о самоорганизации трибосистемы «инстру-

мент-деталь» [5].

Обсуждение результатов исследований

Изучаемую трибосистему (в рассматриваемом

случае, трибосистему составляет «обрабатываемая

деталь - режущий инструмент»), можно рассмат-

ривать, как открытую термодинамическую систе-

му, в которой происходит обмен энергией, веще-

ством и энтропией с окружающей

средой. Соглас-

но принципам, разработанным И. Пригожиным [6],

второй закон термодинамики исключает возможно-

сти образования высокоорганизованных рассеива-

ющихся структур в открытых системах. В подоб-

ных системах изменение равновесия может пре-

высить некоторую критическую величину, типичную

для резания и процессов упорядочивания матери-

ала, после чего начнет происходить спонтанное

образование рассеивающихся структур [6]. В про-

цессах

трения и изнашивания самоорганизация

материалов трибосистемы происходит как реакция

на внешние условия, вызываемые процессом ре-

зания, что, во многих случаях, приводит к корен-

ным структурным изменениям в поверхностных

слоях материалов. Эти изменения касаются мно-

гих характерных свойств трущихся поверхностей

и близлежащих поверхностных слоев (например,

геометрических параметров, микроструктуры, фи-