Анотація до роботи:

Коновал В.П. Розробка композиційних матеріалів систем TiCrC і TiCrB₂ з металевими зв’язками для нанесення зносостійких покриттів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2008.

Мета роботи – розробка композиційних матеріалів і покриттів з підвищеною зносостійкістю на основі карбіду і дибориду титану-хрому із зв’язкою на основі сплавів заліза шляхом фізико-хімічного дослідження адгезійної взаємодії, структуроутворення та вивчення особливостей трибологічної поведінки плазмових і електроіскрових покриттів. На основі проведених досліджень по контактній взаємодії подвійного карбіду і дибориду титану-хрому із сплавами на основі заліза визначені кінетичні залежності змочування металевими сплавами тугоплавких сполук та закономірності структуроутворення, що дало можливість вибрати склади нових композиційних матеріалів (TiCrC–30 % (Fe-Cr), TiCrB₂–30 % (Fe-Cr)). Нові матеріали отримували спіканням і гарячим пресуванням у вигляді компактних електродів і гранульованих порошків. Досліджено склад, структуру і властивості розроблених композиційних матеріалів, які мають гетерофазну дрібнодисперсну структуру, досить високі механічні (б_зг =1070-1130 МПа, б_t = 2340-2985 МПа, НRA= 89-92, К_1С = 11,7-10,8) і триботехнічні характеристики (знос І=2,7-8,3 мкм/км, коефіцієнт тертя f=0,16-0,25). Вивчення корозійної стійкості розроблених КМ в морській воді і на повітрі при високих температурах виявило їх перевагу над сполуками TiC, TiCrC, TiB₂, TiCrB₂, завдяки утворенню на їх поверхні стійких оксидних шарів Сr₂O₃, TiO₂, Cr₂Ti₂O₅.

Розроблені композиційні матеріали використовували для нанесення плазмових і електроіскрових покриттів на сталі 30ХГСА, ХВГ і титановий сплав ВТ3-1. Вивчено склад, структуру та особливості формуванні розроблених покриттів. Плазмові покриття мають гетерофазну градієнтну структуру із рівномірним розподілом фаз і склад, близький до вихідного матеріалу. Електроіскрове легування розробленими КМ характеризується коефіцієнтом масопереносу до 53 %, наявністю якісного адгезійного контакту між покриттям і основою та відмінністю складу покриття від складу легуючого електроду. Визначені триботехнічні характеристики плазмових і електроіскрових покриттів в умовах тертя-ковзання без змащування, абразивного зносу, фреттінг-корозії в залежності від режимів тертя і складу покриття. Встановлено, що отримані покриття мають на порядок вищу зносостійкість у порівняння з покриттями із металевих сплавів (ВКНА) та зразками без покриття і в 1,3-2 рази вищу зносостійкість у порівнянні з покриттями на основі тугоплавких сполук (ВК3, Cr₃C₂-NiCr).

1. Вперше проведено комплексні дослідження контактної взаємодії карбіду і дибориду титану-хрому із залізом та сплавами Fe-Cr, Fe-Ni. Визначено кінетичні і енергетичні параметри змочування, вивчено структуру і склад продуктів взаємодії. Показано, що досліджувані системи характеризуються інтенсивним змочуванням (значення контактних кутів <<90^о) з утворенням взаємних обмежених твердих розчинів, які забезпечують високий адгезійний зв'язок між металевим сплавом і тугоплавкою складовою. Добавки хрому і нікелю в концентраційному інтервалі 2-30 % в залізі сприяють інтенсифікації процесу змочування сплавом тугоплавких сполук, змінюючи склад сплаву можна регулювати інтенсивність взаємної дифузії компонентів сплаву і тугоплавкої сполуки.

2. На основі виявлених особливостей міжфазної взаємодії тугоплавких сполук титану з металевими сплавами зроблено вибір оптимальних складів нових композиційних матеріалів. Розроблена технологія їх отримання методом гарячого пресування і спікання у вигляді електродів для ЕІЛ та конгломерованих порошків для газотермічного напилення.

3. Досліджено структуру і властивості розроблених композиційних матеріалів. Вивчені фізико-механічні властивості (б_зг = 1020-1130 МПа, б_t= 2340-2985 МПа, НRA = 90-92, К_1С = 11,7-10,8) та триботехнічні характеристики (в умовах сухого тертя при різних швидкостях і навантаженнях І = 2,7-8,3 мкм/км, f = 0,16-0,25) розроблених матеріалів. Показано, що властивості розроблених матеріалів знаходяться на рівні властивостей стандартних твердих сплавів.

4. Проведено дослідження корозійної стійкості розроблених КМ при високих температурах на повітрі і в морській воді. Встановлено, що в інтервалі температур 550-730 ^оС утворюються оксиди Fe₂O₃, TiO₂, Cr₃O₂. При температурах > 800 ^оС утворюються тверді розчини Cr₂TiO₅ і Fe₂TiO₅, які захищають матеріал підвищуючи його окалиностійкість. Показано, що в морській воді розроблені матеріали мають порівняно високу корозійну стійкість завдяки утворенню на їх поверхні оксидних шарів CrO, Cr₂O₃, TiO, TiO₂ і Na₄TiO₄. Розроблені КМ можуть бути рекомендовані як конструкційні для експлуатації в агресивних середовищах.

5. Розроблено технологію нанесення плазмових, електроіскрових та комбінованих покриттів із розроблених матеріалів систем TiCrC–(Fe-Cr), TiCrB₂–(Fe-Cr) на сталь 30ХГСА і титановий сплав ВТ3-1. Досліджено особливості формування, структуроутворення, фазовий склад плазмових і електроіскрових покриттів із розроблених КМ. Плазмові покриття представляють собою гетерофазний матеріал на основі зерен тугоплавкої фази і тонких прошарків металевого сплаву з достатньо рівномірним розподілом фаз, та характеризуються градієнтним розподілом фазових складових по товщині (кількість металевої фази збільшується в напрямку основи), суцільністю, низькою пористістю та збереженням складу покриття близького до вихідного матеріалу. Електроіскрові покриття мають фазовий склад відмінний від складу матеріалу легуючого електроду, кінетика масопереносу має трьохстадійний характер з коефіцієнтом масопереносу до 53 %. Покриття характеризуються відсутністю тріщин, що досягається завдяки близькості значень КТР тугоплавкої складової, металевої зв’язки і матеріалу основи.

6. Вивчено триботехнічні характеристики електроіскрових і плазмових покриттів в умовах фреттінг-корозії, абразивного зносу, тертя-ковзання без змащування за схемою «диск – палець». Зносостійкість плазмових і ЕІЛ покриттів в різних умовах випробувань знаходиться на рівні покриттів із твердих сплавів типу ВК, і на порядок вища у порівнянні із металевими покриттями і зразками без покриття. В умовах тертя-ковзання без змащування при швидкості V = 2 м/с і навантаженнях Р = 6,3-12,7 МПа відносна зносостійкість розроблених плазмових покриттів змінюється в діапазоні І=5-16 мкм/км, а коефіцієнти тертя f=0,2-0,23, для електроіскрових покриттів І = 4-8 мкм/км, f=0,21-0,23. При випробуваннях електроіскрових покриттів на фреттінг-корозію в парі «покриття – покриття» знос менший ніж в парі «покриття – сталь».

7. Проведено зміцнення інструментальної сталі ХВГ електроіскровими, плазмовими та комбінованими покриттями із розроблених матеріалів та сплаву ВК3. Дослідження зносостійкості зразків з фіксацією і записом лінійного зношування та коефіцієнтів тертя проводилось в автоматичному режимі без зупинки процесу тертя. Показано, що в зоні тертя утворюються в процесі трибоокиснення вторинні структури (оксиди Ti, Cr), які мають достатньо високий рівень адгезії до поверхні покриття і виконують роль твердого мастила, сприяючи зниженню втрат при терті. Зразки з електроіскровими і комбінованими покриттями із розроблених КМ мають в 1,3–2 рази вищу зносостійкість у порівнянні з покриттями із твердого сплаву ВК3. Враховуючи отриману зносостійкість і затрати на нанесення покриття, ефективність способів нанесення покриттів збільшується в ряді: ПНЕІЛ+ПНЕІЛ.

8. Зроблено практичні рекомендації щодо використання розроблених покриттів для зміцнення деталей авіаційної техніки (лопатки газотурбінних двигунів та компресорів, деталі вузлів шасі), деталей транспортерів машин паперової та поліграфічної промисловості, направляючих конусів верстатів текстильної промисловості, сопел струменевоабразивних установок.

Публікації автора:

1. В.А. Лавренко, А.П. Уманский, В.А. Швец, В.П. Коновал, А.Д. Панасюк, С.С. Чупров. Коррозия композиционных материалов на основе карбидов титана и хрома в морской воде // Сверхтвердые материалы. – 2005. №4. – С. 41-46.

2. А.П. Уманский, В.П. Коновал, А.Д. Панасюк, И.П. Нешпор. Механизм контактного взаимодействия двойного карбида титана-хрома со сплавами Fe-Ni и Fe-Cr // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 2005. – №38. – С. 51-58.

3. Уманский А.П., Коновал В.П. Композиционный материал на основе двойного карбида титана-хрома с металлической связкой Fe-Ni для нанесения износостойких покрытий // Материалы международной конференции “Современное материаловедение: достижения и проблемы”: Сб. науч. трудов.– Киев, Украина. – 2005. – С. 588-589.

4. Пат. 74309 Україна. Композиційний антифрикційний матеріал на основі карбіду титану / Уманський А.П., Панасюк А.Д., Григорьєв О.М., Коновал В.П., Гулевець В.Д., Недайборщ С.Д., Петриченко С.О. – Заявл. 28.12.2004; Опубл. 15.11.2005. Бюл. № 11.

5. Панасюк А.Д., Уманский А.П., Коновал В.П. Структура и свойства газотермических покрытий на основе двойного карбида титана-хрома // Международный симпозиум (III Самсоновские чтения) “Принципы и процессы создания неорганических материалов”: Сб. науч. трудов. – Хабаровск, Россия. – 2006. – С. 217-218.

6. А.П. Уманский, В.А. Лавренко, С.С. Чупров, В.П. Коновал. Высокотемпературное окисление композиционных материалов на основе карбонитрида титана и двойного карбида титана-хрома // Новые огнеупоры. – 2006. – №8. – С. 42-46.

7. Уманский А.П., Панасюк А.Д., Коновал В.П. Композиционный материал на основе TiCrC с металлической связкой Fe-Сr // Материалы докладов 7-й международной научно-технической конференции “Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия”: Сб. науч. трудов.– Минск, Белоруссия.– 2006.– С. 230-231.

8. Уманский А.П., Панасюк А.Д., Коновал В.П., Подчерняева И.А., Чупров С.С. Газотермические покрытия из композиционного материала на основе двойного карбида титана-хрома // Материалы 6-й международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий”: Сб. науч. трудов.–Ялта, Украина.–2006.–С.189-191.

9. A.P. Umansky, A.D. Panasyuk, V.P. Konoval. Composite Material on the Base of TiCrC with Metallic Binder // International Conferences on Modern Materials and Technologies “CIMTEC-2006”.– Acireale, Sicily, Italy.– 2006. P. 14.

10. Уманский А.П., Чупров С.С., Коновал В.П., Кошелев М.В. Высокотемпературное окисление плакированного композиционного материала на основе диборида титана // Четвертая международная конференция “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”: Сб. науч. трудов. – Жуковка, Украина. – 2006. – С. 316.

11. А.П. Уманский, А.Д. Панасюк, В.П. Коновал. Взаимодействия диборида титана-хрома со сплавами Fe-Ni // Адгезия расплавов и пайка материалов.– 2006. – №39. – С. 28-39.

12. Уманский А.П., Коновал В.П., Панасюк А.Д., Дворник Е.П. Контактное взаимодействие двойного диборида титана и хрома со сплавами Fe-Cr // Порошковая металлургия. – 2007. – №1/2. – С. 109-115.

13. Уманский А.П., Коновал В.П., Панасюк А.Д., Подчерняева И.А., Малышкин В.В., Краля В.А. Cтруктура и свойства плазменных покрытий из композиционных порошковых сплавов системы (TiCrC)–Fe-Cr // Порошковая металлургия. – 2007. – №3/4. – С. 37-45.

14. Уманский А.П., Коновал В.П., Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Гладкий Я.Н., Маковкин О.Н. Износостойкость инструментальной стали ХВГ, упрочненной покрытием из композита на основе двойного карбида титана-хрома // Сверхтвердые материалы.– 2007. – №4.– С. 67-74.

15. Пат. 25933 Україна. Композиційний зносостійкий матеріал на основі дибориду титану / Уманський А.П., Панасюк А.Д., Коновал В.П., Ігнатович С.Р., Дворник Є.П., Гулевець В.Д., – Заявл. 27.04.2007; Опубл. 27.08.2007. Бюл. №13.

16. Уманский А.П., Панасюк А.Д., Коновал В.П. Электроискровое легирование композиционным материалом ТХБФ-30 // Материалы международной конференции “HighMatTech”: Сб. науч. трудов.– Киев, Украина. – 2007. – С. 474.