Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств

С целью установления связи механических и усталостных характеристик покрытий выполнен аналитический обзор литературных источников. Выявлены основные показатели корреляционной связи усталостных и механических характеристик. Получены экспериментальные характеристики усталости хромового покрытия на раб...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2014
1. Verfasser: Гришкевич, А.Д.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2014
Schriftenreihe:Техническая механика
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88496
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств / А.Д. Гришкевич // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 94-99. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-88496
record_format dspace
spelling irk-123456789-884962015-11-17T03:02:06Z Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств Гришкевич, А.Д. С целью установления связи механических и усталостных характеристик покрытий выполнен аналитический обзор литературных источников. Выявлены основные показатели корреляционной связи усталостных и механических характеристик. Получены экспериментальные характеристики усталости хромового покрытия на рабочей поверхности из титанового сплава ВТ22. Разработана программа оптимизации механических характеристик с целью снижения усталости функционального хромового покрытия на изделиях из высокопрочного титанового сплава. Результаты актуальны при разработке ионно-плазменной технологии нанесения функциональных наноструктурированных покрытий. З метою виявлення зв’язків між механічними і втомними характеристиками покриттів виконано аналітичний огляд літературних джерел. Виявлено основні показники кореляційного зв’язку втомних і механічних характеристик. Отримано експериментальні характеристики втомності хромового покриття на робочій поверхні з високоміцного титанового сплаву ВТ22. Розроблено програму оптимізації механічних характеристик з метою зниження втомності функціонального хромового покриття на виробах з високоміцного титанового сплаву. Результати актуальні при розробці іонно-плазмової технології нанесення функціональних наноструктурованих покриттів. The literature is analytically reviewed for correlating mechanical and fatigue characteristics of coatings. The basic indices of correlation of fatigue and mechanical characteristics are revealed. Experimental characteristics for fatigue of chrome coating on the working surface from a VT22 titanium alloy are found. The program of the optimization of mechanical characteristics is developed for decreasing fatigue of functional chrome coating on the products from a high-resistant titanium alloy. The results are useful in developing an ion-plasma technology of functional nanostructurized coatings. 2014 Article Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств / А.Д. Гришкевич // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 94-99. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88496 621.002.56 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description С целью установления связи механических и усталостных характеристик покрытий выполнен аналитический обзор литературных источников. Выявлены основные показатели корреляционной связи усталостных и механических характеристик. Получены экспериментальные характеристики усталости хромового покрытия на рабочей поверхности из титанового сплава ВТ22. Разработана программа оптимизации механических характеристик с целью снижения усталости функционального хромового покрытия на изделиях из высокопрочного титанового сплава. Результаты актуальны при разработке ионно-плазменной технологии нанесения функциональных наноструктурированных покрытий.
format Article
author Гришкевич, А.Д.
spellingShingle Гришкевич, А.Д.
Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств
Техническая механика
author_facet Гришкевич, А.Д.
author_sort Гришкевич, А.Д.
title Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств
title_short Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств
title_full Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств
title_fullStr Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств
title_full_unstemmed Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств
title_sort исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств
publisher Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate 2014
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88496
citation_txt Исследование зависимости усталости магнетронного хромового покрытия от его механических свойств / А.Д. Гришкевич // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 94-99. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series Техническая механика
work_keys_str_mv AT griškevičad issledovaniezavisimostiustalostimagnetronnogohromovogopokrytiâotegomehaničeskihsvojstv
first_indexed 2025-07-06T16:17:28Z
last_indexed 2025-07-06T16:17:28Z
_version_ 1836914991815458816
fulltext 94 УДК 621.002.56 А.Д. ГРИШКЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ УСТАЛОСТИ МАГНЕТРОННОГО ХРОМОВОГО ПОКРЫТИЯ ОТ ЕГО МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ С целью установления связи механических и усталостных характеристик покрытий выполнен анали- тический обзор литературных источников. Выявлены основные показатели корреляционной связи уста- лостных и механических характеристик. Получены экспериментальные характеристики усталости хромо- вого покрытия на рабочей поверхности из титанового сплава ВТ22. Разработана программа оптимизации механических характеристик с целью снижения усталости функционального хромового покрытия на изде- лиях из высокопрочного титанового сплава. Результаты актуальны при разработке ионно-плазменной технологии нанесения функциональных наноструктурированных покрытий. З метою виявлення зв’язків між механічними і втомними характеристиками покриттів виконано аналітичний огляд літературних джерел. Виявлено основні показники кореляційного зв’язку втомних і механічних характеристик. Отримано експериментальні характеристики втомності хромового покриття на робочій поверхні з високоміцного титанового сплаву ВТ22. Розроблено програму оптимізації механічних характеристик з метою зниження втомності функціонального хромового покриття на виробах з високомі- цного титанового сплаву. Результати актуальні при розробці іонно-плазмової технології нанесення функ- ціональних наноструктурованих покриттів. The literature is analytically reviewed for correlating mechanical and fatigue characteristics of coatings. The basic indices of correlation of fatigue and mechanical characteristics are revealed. Experimental characteristics for fatigue of chrome coating on the working surface from a VT22 titanium alloy are found. The program of the op- timization of mechanical characteristics is developed for decreasing fatigue of functional chrome coating on the products from a high-resistant titanium alloy. The results are useful in developing an ion-plasma technology of functional nanostructurized coatings. Интегральным показателем качества деталей машин и механизмов явля- ется их способность противостоять разрушению. По статистическим данным, около 80 % разрушений деталей машин вызвано усталостными процессами. Разрушение из-за усталости происходит в результате накопления усталост- ных микротрещин на рабочих поверхностях деталей, которые и приводят к их разрушению. Одним из способов улучшения усталостных характеристик является модификация механических свойств рабочих поверхностей нанесе- нием функциональных покрытий. В данной работе поставлена задача улучшения усталостных характери- стик цилиндрических рабочих поверхностей пар трения скольжения. Для оп- тимизации технологических режимов обработки рабочих поверхностей необ- ходимо установление корреляционных связей между механическими и уста- лостными характеристиками функционального покрытия. Для оценки уста- лостных характеристик деталей используются различные методы испытаний. К сожалению, методики экспериментального определения усталостной дол- говечности характеризуются значительной трудоемкостью, а результаты ее определения имеют вероятностный характер и зависят от многих случайных факторов. Известно, что существует корреляция между механическими и усталостными характеристиками материалов. Знание корреляционных связей позволяет прогнозировать усталостные характеристики деталей и на этом основании проектировать технологию нанесения покрытий с наперед задан- ными механическими характеристиками рабочих поверхностей. В известных монографиях [1 – 4] освещаются вопросы связи механиче- ских характеристик с показателями долговечности. Рассмотрим их. Так как усталостные трещины образуются в поверхностных слоях, для повышения предела выносливости поверхностная структура материала  А.Д. Гришкевич, 2014 Техн. механика. – 2014. – № 3. 95 должна обладать максимально возможным сопротивлением деформации. Это достигается путем упрочняющей обработки рабочих поверхностей методом нанесения ионно-плазменных функциональных покрытий. Критерием усталостной прочности материала (физическим пределом вы- носливости) является усталостная прочность материала σ-1. Значение уста- лостной прочности при эксплуатации в режиме малоциклового нагружения находится в пределах до 0,6 предела прочности материала σв . Превышение данной величины приводит к катастрофическому разрушению. Другим важ- ным показателем долговечности является циклическая долговечность N. Этот показатель численно равен количеству циклов нагружения, которое выдерживает материал перед разрушением. Сопротивление усталости определяется сочетанием прочностных и плас- тических свойств конструкционного материала и упрочняющего покрытия. Эмпирически устанавливается связь между пределом выносливости и твер- достью материала. Поверхностное упрочнение затрудняет зарождение уста- лостных трещин, но в случае снижения показателя пластичности рас- пространение возникшей трещины может облегчаться. Благоприятного соче- тания прочностных и пластических свойств добиваются измельчением струк- туры (зерна) и созданием композитных материалов. В наноструктури- рованных материалах развитие усталостных трещин затрудняется необхо- димостью перехода через межфазовую границу. Грубые неоднородности и поверхностные дефекты являются концентраторами напряжений, способствующими зарождению усталостных трещин. Наиболее общими рекомендациями по эффективному повышению усталостных характеристик являются: – упрочнение рабочего слоя; – снижение шероховатости и коэффициента трения; – создание сжимающих напряжений в поверхностном слое; – повышение микро- и нанооднородности структуры поверхностного слоя; – увеличение напряжения начала пластической деформации в условиях циклического нагружения, т. е. сдвиг момента начала упруго-пластического перехода и начала разрушения. На основании литературных данных, относящихся преимущественно к пределу выносливости при изгибе гладкого полированного образца круглого сечения, можно сформулировать основные закономерности влияния состава и структуры на сопротивление усталости. В нашей работе рассматриваются детали именно такой конфигурации. В литературе приводятся эмпирически установленные, качественные за- висимости σ-1 от других, сравнительно легко определяемымых, механи- ческих характеристик поверхности. Для предварительных оценок иногда ис- пользуют эмпирическое соотношение σ-1 = 0,35 ÷ 0,5σв. На усталостную прочность оказывают влияние и другие механические характеристики, например условный предел текучести σ02. Величина механических характеристик функционального покрытия в значительной степени определяется его структурными характеристиками, которые в свою очередь находятся в зависимости от технологических пара- метров нанесения. В [5] исследовалось влияние среднего размера структур- ного элемента (d) на предел выносливости и циклическую долговечность. Было установлено, что повышение предела выносливости находится в пря- 96 мой зависимости от измельчения структурных элементов покрытия. При этом достаточно хорошо выполняется соотношение типа Холла–Петча: σ−1 ~ d−1/2. В [6] сообщается, что в ионно-плазменных нитридтитановых покрытиях преобладают напряжения сжатия. В работе также установлено, что при нане- сении нитрида титана существенно (до 25 %) повышается предел прочности и условный предел текучести материала. При этом значения показателей пла- стичности в некоторых случаях даже повышаются. Замечено, что значитель- ное упрочнение поверхностного слоя происходит уже после предварительной обработки низкоэнергетическими ионами. Авторы [6] считают, что эти эф- фекты обусловлены комплексным влиянием многих факторов, среди которых наиболее значимыми являются формирование нанокристаллической структу- ры в поверхностном слое и залечивание поверхностных дефектов. Влияние ионно-плазменных покрытий на усталостные характеристики обсуждается во многих работах. Однако анализ влияния строится в основном на основании применения нитидтитановых покрытий (TiN). Влияние ионно- плазменного хромового покрытия на характеристики усталости изучено не- достаточно. Часто приводимые в публикациях данные оказываются доста- точно противоречивыми и расходятся как в количественном, так и в каче- ственном отношении. Так, в [7] сообщается, что нанесение TiN на лопатки компрессора повышало сопротивляемость усталостному разрушению. В работе [8] дается негативная оценка влиянию жесткого TiN покрытия, нанесенного на образцы из титанового сплава ВТ22. При испытании образцов на малоцикловую усталость усталостные характеристики высокопрочного титанового сплава существенно ухудшались. Правда, в случае нанесения ламинатного покрытия TiN-Ti-TiN наблюдалась явная тенденция к улучшению усталостных характеристик. В работах [9, 10] исследовалось влияние толщины слоя моно- и многослойных покрытий на сопротивление усталости. Было показано, что размер структурного элемента (толщина бислоя композита или величина зер- на d) влияет на σ−1 в соответствии с законом Холла–Петча. Делается вывод, что усталостная прочность покрытий может быть улучшена за счет уменьше- ния толщины слоев. Таким образом, выявляется определяющая роль струк- турного состояния покрытия для всех его функциональных и эксплуатацион- ных характеристик. В настоящее время прогресс в области модификации поверхностных свойств путем нанесения функциональных наноструктурированных ионно- плазменных покрытий обеспечивается пониманием и использованием раз- мерных эффектов, возникающих при осаждении ионно-плазменных покры- тий [11]. Наноструктурированные покрытия обладают физико-механичес- кими характеристиками, существенно отличающимися от характеристик того же материала в массивном состоянии. Отмечается также зависимость меха- нических свойств наноструктурированных покрытий от параметров техноло- гического процесса. Практически установлены закономерности управления свойствами по- крытий в зависимости от условий их получения [12]. Показано, что имеется реальная возможность получения разнообразных структурных характери- стик, что открывает перспективы получения покрытий с заданными проч- ностными свойствами [13]. В работе [14] выявлено влияние технологических факторов осаждения на переход хромовых покрытий от микрокристалличе- 97 ской структуры к нанокристаллической. В [14] показано, что наиболее мел- козернистая структура с размером зерна до 60 нм может формироваться в толстых (до 40 мкм) слоях хрома при магнетронном осаждении в «цикличе- ском» режиме. При этом значение твердости покрытия достигает 18,7 ГПа и приближается к значениям нижней границы теоретической твердости хрома (21,3 ГПа). Для сравнения: твердость крупнозернистого литого хрома равня- ется около 1,8 ГПа. Обосновывается, что причиной такого повышения твер- дости является «циклический» режим осаждения, при котором облегчается взаимодействие поверхности конденсата с остаточной атмосферой вакуум- ной камеры. При этом в результате геттерного эффекта в покрытие внедря- ются атомы кислорода, обладающие более сильной химической связью с атомами хрома, чем связь атомов хрома между собой. В результате этого вза- имодействия ликвидируются несплошности в границах зерен, то есть проис- ходит упрочнение. Механические свойства покрытий из наноматериалов хорошо характери- зуются их твердостью Н, упругим возвратом We (работа упругой деформа- ции) и приведенным модулем Юнга Е* = Е/(1 – v2). Здесь Е – модуль Юнга и v – коэффициент Пуассона. Сопротивление материала пластической дефор- мации повышается в материалах с высокой твердостью и низким модулем Юнга. Низкий модуль Юнга покрытия предпочтителен, так как он допускает использование нагрузок, превышающих предельную для данного материала. Зависимости H = f(E*), H3/E*2 = f(H) и Wе = f(H) (Wе – работа упругого вос- становления) устанавливают основные соотношения между механическими свойствами ионно-плазменных нанопокрытий, поскольку именно они опре- деляют поведение тонкопленочных покрытий под действием механических нагрузок. Результаты, полученные авторами рассмотренных работ, вселяют опти- мизм относительно возможности улучшения функциональных и эксплуата- ционных характеристик хромовых покрытий рабочих поверхностей пар тре- ния, полученных по магнетронной технологии с ионным ассистированием. В данной работе была предпринята попытка экспериментального уста- новления связи между циклической долговечностью титановых образцов с хромовым покрытием различной толщины и технологическими параметрами осаждения. Схема нанесения покрытия показана на рисунке. Магнетронное нанесение хромового покрытия производилось с предварительной ионной подготовкой поверхности вращающихся образцов. Покрытие наносилось с плазменным энергетическим ассистированием. В таблице ниже представлены режимные параметры и результаты испытаний образцов на циклическую долговечность. Испытания проводились на испытательном стенде ГП Анто- нов по стандартной методике. При испытаниях образцов фиксировалось ко- личество рабочих циклов до разрушения при заданном максимальном напря- жении цикла. К сожалению, из имеющегося ограниченного количества экс- периментальных образцов было получено относительно малое количество образцов с кондиционным покрытием. Часть образцов была использована для предварительной отработки режима нанесения покрытия. Вследствие этого результаты испытаний имеют низкую статистическую достоверность. Основным выводом из эксперимента является необходимость совершенство- вания технологии нанесения покрытия с целью обеспечения воспроизво- димости технологических режимов нанесения покрытия. Тем не менее, мож- но отметить, что усталостные характеристики образцов с качественным (по 98 результатам внешнего осмотра) покрытием близки к нормативным значени- ям. Схема нанесения покрытия на образцы. 1 – Коническая магнетронная распылительная система (КМРС); 2 – образцы; 3 – катод магнетрона; 4 – анод магнеторона. Таблица – Обработка образцов и результаты испытаний Условия получения покрытия Результаты испытаний № Р, Торр Uраз, В Iраз, А T, мин δ, мкм σ, МПа N, Кол. цик- лов Оценка Примеч. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 К ам ер а о тк ач и в ал ас ь д о д ав л ен и я 1 0 -4 Т о р р А р го н н ап у ск ал ся д о д ав л ен и я 2 ,5 ∙1 0 -3 Т о р р . 480 5,1 40 20 540 20915 н/конд. Плохая адге- зия 2 301 3∙106 н/конд. 3 Не об- рабат. 4 5 450 5.4 16 10 450 81180 н/конд. Плохая адге- зия 6 397 181600 н/конд. 7 460 5,3 20 10 326 3∙106 н/конд. Перегрев 8 337 3∙106 н/конд. Перегрев 9 490 5,1 20 10 351 181600 н/конд. Перегрев 10 норма Не испыт. 11 490 5.1 30 15 350 103162 н/конд. Перегрев 12 360 79820 норма 13 465 5,3 30 15 360 1708017 норма 14 норма 15 470 5,2 30 15 400 49481 норма 16 400 38825 норма 17 470 5,1 30 15 380 60718 норма 18 норма Не испыт. 19 500 5,0 30 15 380 66369 норма 20 норма Не испыт. В колонках таблицы приведены следующие данные: 2 – давление в рабочей камере; 3, 4 – параметры разряда; 5 – время обработки; 6 – толщина покры- тия; 7 – максимальное напряжение при циклическом нагружении; 8 – количе- ство циклов до разрушения. Тем не менее, можно отметить, что усталостные характеристики образцов с качественным (по результатам внешнего осмотра) покрытием близки к нормативным значениям. 99 Обобщая литературные данные, можно утверждать, что улучшение уста- лостных характеристик рабочих поверхностей пар трения может быть до- стигнуто при нанесении наноструктурированного покрытия, обладающего повышенной прочностью и преимущественно сжимающими внутренними напряжениями. При уменьшении толщины покрытия можно ожидать повы- шения усталостных характеристик. Формирование в функциональном по- крытии ламинатной структуры с толщиной бислоя d < 100 мкм оказывает по- ложительное влияние на усталостные характеристики. Аналогичного эффек- та можно достигнуть применением «циклического» режима нанесения по- крытия. Для подтверждения выводов, полученных в результате обзора лите- ратурных источников и проведения предварительных экспериментов, необ- ходимо проведение дополнительных исследований. В дальнейшей работе по настоящей тематике предполагается проведение экспериментальных работ по следующей программе: 1. Уточнение толщины слоя покрытия, допустимой из условий допу- стимого износа за период эксплуатации изделия; 2. Уточнение влияния параметров наноструктурирования на механиче- ские характеристики покрытия при энергетическом ассистировании; 3. Уточнение влияния параметров получения ламинатной структуры и технологических параметров «циклического» режима нанесения; 4. При этом необходимо обеспечить управляемость, стабильность и воспроизводимость технологического процесса. 1. Экобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов : Пер. с яп. / Т. Экобори. – Киев : Наук. думка, 1978. – 352 с. 2. Трощенко В. Т. Сопротивление усталости металлов и сплавов / В. Т. Трощенко, Л. А. Сосновский. – Киев : Наук. думка, 1987. – 339 с. 3. Золотаревский В. С. Механические свойства металлов / В. С. Золотаревский. – М. : МИСиС, 1998. – 400 с. 4. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Ч. 2 / Я. Б. Фридман. – М. : Машиностроение, 1974. – 369 с. 5. Трапезон А. Г. Влияние параметров напыления и толщины покрытий из нитрида титана TiN на сопро- тивление усталости / А. Г. Трапезон, Б. А. Ляшенко // Проблемы прочности. – 2010. – № 6. – С. 73 – 80. 6. Дьяченко С. С. Влияние ионно-плазменной обработки на микро- и нанотвердость конструкционных сталей / С. С. Дьяченко, С. И. Дуб, И. В. Пономаренко // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. – 2009. – № 1. – С. 21 – 28. 7. Будилов В. В. Защитные свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий на лопатках компрессоров ГТД / В. В. Будилов, В. С. Мухина // Авиационная промышленность. – 1995. – № 3-4. – С. 41 – 45. 8. Краля О. В. Втомні характеристики титанового сплаву ВТ22 із зносостійкими покриттями / О. В Краля, О. Г. Моляр., А. М. Хімко, Д. О. Пугачеський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2009. – Т. 45, № 6. – С. 45 – 49. 9. Фирстов С. А. О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых и дисперсно упрочненных материалов / С. А. Фирстов // Доповіді НАН Україны. – 2008. – № 10. – С. 112 – 117. 10. Фирстов С. А. Теоретическая (предельная) твердость / С. А. Фирстов, Т. Г. Рогуль // Доповіді НАН України. – 2007. – № 4. – С. 110 – 114. 11. Андриевский. Р. А. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. Ч. 2. Механические и физические свойства / Р. А. Андриевский, А. М. Глезер // Физика металлов и металловедение. – 2000. – Т. 89, № 1. – С. 91 – 112. 12. Musil J. The role of energy in formation of sputtered nanocomposite films / J. Musil , J. Ŝuna // Mater. Scien. Forum. – 2005. – Vol. 502. – P. 291 – 296. 13. Кавалейро А. Наноструктурные покрытия / А. Кавалейро, Д. де Хоссон. – М. : Техносфера, 2011. – 753 с. 14. Ракицкий А. Н. Структура осажденного хрома при магнетронном распылении / А. Н. Ракицкий // По- рошковая металлургия. – 1992. – № 2. – С. 56 – 63. Институт технической механики Получено 09.09.2014, Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 06.10.14 Государственного космического агентства Украины, Днепропетровск