Модификация структуры и триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов пучками заряженных частиц

Введение
Глава 1. Физические основы повышения гриботсхническнх свойств инструментальных твердых сплавов методами радиационно-пучковой обработки.. 17
1.1. Влияние радиационно-пучкового воздействия на структуру и триботехнические свойства металлических материалов............................................18
1.1.1. Формирование поверхностных структур в металлах и сплавах под воздействием ионных и электронных пучков.............................................18
1.1.2. Влияние радиационно-пучковой модификации на процессы трения и изнашивания материалов..................................................26
1.2. Проблема повышения триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов......................................................................32
1.2.1. Особенности изнашивания инструментальных твердых сплавов.............33
1.2.2. Пути совершенствования инструментальных твердых сплавов..............37
1.3.Предпосылки повышения триботехнических свойств твердосплавных инструментальных материалов с использованием методов радиационно-пучковой обработки....................................................................40
1.3.1. Технологические возможности радиационно-пучковой обработки...........40
1.3.2. Технологические возможности повышения работоспособности трибосистемы резания.................................................................42
1.3.3. Гипотеза комплексной модификации.....................................52
1.3.3. Роль массопереноса в процессах структурообразования при трибомеханическом воздействии.............................................................61
1.4. Технологические условия комплексной модификации...........................63
1.5. Выводы................................................................... 64
1.6. Задачи исследования.......................................................65
Глава 2. Струкгурио-фазовые изменения в твердых сплавах при радиационно-пучковом воздействии.............................................................67
2.1. Влияние радиационно-пучкового воздействия на структуру, фазовый и элементный состав инс грумектальных сплавов.............................................67
2.2. Характеристика объектов исследования и техники эксперимента...............73
2.2.1. Структурные особенности твердых сплавов..............................73
2.2.2. Техника эксперимента.................................................78
J
2.3. Результаты исследований структурно-фазовых изменений при радиационно-пучковом воздействии........................................................81
2.3.1. Изменения микроструктуры и морфологии поверхности....................81
2.3.2. Изменения фазового состава...........................................94
2.3.3. Изменения элементного состава.......................................................................114
2.3.4. Изменения в тонкой структуре........................................126
2.4. Анализ механизмов структурной модификации...............................141
2.5. Выводы..................................................................144
Глава 3. Триботсхнические свойства модифицированных твердых сплавов............148
3.1. Влияние радиационно-пучкового модифицирования на эксплуатационные и триботехнические свойства инструментальных материалов......................149
3.2. Кинетика изнашивания инструментальных твёрдых сплавов при резании конструкционных материалов.................................................156
3.2.1. Изнашивание при резании сталей......................................157
3.2.2. Изнашивание при резании титановых сплавов...........................171
3.2.3.Изнашивание при резании никелевых сплавов...........................1 79
3.3. Анализ кинетических зависимостей износа модифицированных твердых сплавов. 188
3.4. Влияние вида модифицирующей обработки на износ твердосплавных материалов. ...........................................................................190
3.4.1. Износ твёрдых сплавов, модифицированных слаботочными пучками........190
3.4.2.Износ твёрдых сплавов, модифицированных сильноточными пучками........198
3.5. Выводы..................................................................202
Глава 4. Комплексная модификация структуры н свойств твёрдых сплавов...........205
4.1 .Анализ факторов, определяющих износостойкость модифицированных твёрдосплавных материалов....................................................205
4.1.1. Влияние структурно-фазовых изменений на износостойкость инструментальных твердых сплавов.......................................205
4.1.2. Влияние модификации на адгезионные свойства твердых сплавов и контактные процессы...............................................................212
4.1.3. Влияние геометрических параметров режущих пластин на формирование контактных условий и износостойкость твердых сплавов...................223
4.1.4. Влияние структурных особенностей твёрдых сплавов на проявление эффектов модификации........................................................... 230
4
4.1.5. Влияние модификации на трансформацию поверхностных структур твёрдых сплавов................................................................233
4.1.6. Анализ механизмов формирования трибоструктур........................252
4.2. Взаимосвязь процессов, определяющих формирование трибоструктур и износостойкость при комплексной модификации инструментальных твердых сплавов. 262
4.3. Выводы..................................................................266
Глава 5. Разработка способов модифицирования грибо технических свойств инструментальных твердых сплавов и комплексной упрочняющей технологии .... 268
5.1. Разработка эффективных способов радиационно-пучковой обработки..........268
5.1.1. Повышение триботехнических свойств ИТС комбинированным модифицированием.......................................................270
5.1.2. Повышение триботехнических свойств ИТС комплексной обработкой 280
5.2. Разработка комплексной комплексной триботехнологии......................298
5.2.1. Этапы проектирования комплексной технологии.........................299
5.2.2. Научные основы комплексной технологии...............................299
5.2.3. Оценка эффективности комплексной триботехнологии....................343
5.3. Рекомендации по рациональному использованию модифицированных инструментов ...........................................................................343
5.4. Рекомендации по совершенствованию комплексной технологии................347
5.5.Вывод ы..................................................................348
Заключение.....................................................................350
Литература.....................................................................354
Приложения......................................................................354
5
Введение
Актуальность темы. В настоящее время в связи с разработкой и использованием новых классов конструкционных материалов с повышенными физико-механическими свойствами. имеющих низкую обрабатываемость резанием, резко возросли требования к инструментальным твердосплавным материалам, что наряду с возрастающим дефицитом и высокой стоимостью порошков вольфрама и кобальта, поставило проблему повышения эффективности использования и экономии твердых сплавов, в ряд первоочередных проблем материаловедения. Это привело к интенсивному развитию научных направлений, связанных с созданием ряда новых материалов инструментального назначения, разработкой технологий их получения. а также освоением перспективных методов поверхностной модификации. Традиционные пути совершенствования инструментальных материалов, такие как термическая обработка, алмазная обработка и поверхностное пластическое деформирование, практически исчерпали свои технологические возможности и не обеспечивают оптимального сочетания комплекса физико-механических свойств твердых сплавов.
В мировой практике совершенствование инструментальных твердых сплавов (ИТС) связано с нанесением покрытий многослойно-композиционного типа, технологии создания которых освоены ведущими фирмами - производителями инструментальной промышленности: «Крупп Видиа», «Хертель» /Германия/. «Сандвик Коромант» /Швеция/. «Планзее» /Австрия/. «Искар» /Израиль'. Применение подобных твердосплавных пластин эффективно при обработке резанием целого ряда конструкционных сталей и сплавов. Однако при обработке резанием осооопрочных жаростойких материалов так и не удается достичь стабильных положительных результатов повышения триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов в связи с недостаточной жаропрочностью твердосплавной основы, приводящей к ослаблению связей с покрытием с последующим их отслаиванием и разрушением. При этом известно, что нанесение износостойких покрытий не приводит к улучшению качества самой основы. Поэтому создание альтернативных технологий совершенствования инструментальных материалов, в частности, радиационно-пучковых, является актуальной научно-технической проблемой.
В создание физических основ технологий модифицирования материалов пучками заряженных частиц заметный вклад внесли исследования, выполненные А.Н. Диденко, Э.В. Козловым, Ю.П. Шаркеевым, А.Е. Лигачевым, А.И. Рябчиковым, В.М. Анищиком, А.Д. Ко-ротасвым, Г.Е. Ремнсвым, В.П. Кривобоковым, Д.И. Проскуровским, В.П. Ротшгейном. В этих исследованиях показано, что технологические возможности радиационно-пучковой модификации материалов связаны с получением свсрхме.ткозернистой и аморфной структуры, формированием высокодисперсных фаз, образованием сверхвысоких концентраций метаста-
6
сильных фаз, формированием градиентных структур и многослойных композиций, а также эволюцией (распадом) метастабильных радиационно-индуцированных структурно-фазовых состояний. Указанные возможности делают весьма привлекательным использование радиационно-пучковой обработки в области триботехнологии конструкционных и инструментальных материалов.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается выполнением исследований в рамках ряда научно-технических программ: «Научные основы конструирования новых материалов и создания новых технологий», «Ресурсосберегающие технологии машиностроения», «Радиационные комплексы и радиационные технологии», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения». «Плазменно-лучевые технологии и радиационные комплексы», «Фундаментальные физико-математические и прикладные исследования в области критических технологий». «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий».
Решаемой в настоящей работе проблемой является повышение триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов посредством использования и совершенствования методов радиационно-пучковой обработки, разработки эффективных способов их модификации пучками заряженных частиц различной интенсивности и создания комплексной упрочняющей технологии.
Состояние проблемы. Несмотря на интенсивные исследования и прогресс в области радиационно-пучковых три боге хнол опий, до настоящего времени целый ряд вопросов остается малоизученным и малопонятным. Например, каковы механизмы, лежащие в основе изменения трибологических свойств инструментальных материалов? Почему сохраняются повышенные свойства модифицированных металлов и сплавов даже в тех случаях, когда глубина изношенного слоя многократно превышает толщину модифицированных слоев? Остается неясным, почему столь незначительные толщины модифицированных слоев могут обеспечивать многократное повышение физико-механических и эксплуатационных свойств материалов? Нет ответа на вопросы об эффективности слаботочных и сильноточных пучков применительно к модификации триботехнических свойств материалов инструментальною назначения. В связи с этим можно констатировать, что до настоящего времени в области триботехнологии материалов остается нерешенной проблема выбора эффективных методов радиационно-пучковой модификации.
Исследование фундаментальных и прикладных аспектов использования ионной имплантации для модификации трибологических свойств конструкционных и инструментальных материалов приобретает в последнее время самостоятельное развитие [12]. Возможности метода ионной имплантации демонстрируют его высокую эффективность в области три-
7
ботехнического материаловедения [13-23]. В то же время возможности сильноточных пучков заряженных частиц полностью не раскрыты, хотя полученные результаты дают основания для оптимистических прогнозов в плане технологического использования мощных ионных и сильноточных электронных пучков [24-31].
Анализ состояния решаемой проблемы показал, что технологические возможности радиационио-нучковой обработки в области трибологии резания реализованы недостаточно. Основные попытки решения указанной проблемы концентрировались на установлении корреляционных зависимостей между режимами радиационно-пучкового воздействия, изменениями структу рно-фазового состояния модифицированного материала и констатацией достигаемых эффектов повышения триботехнических свойств. Практически не уделялось внимания явлениям, развивающимся в процессе фрикционного взаимодействия, которые и определяют. но нашему мнению, наблюдаемые изменения триботехнических свойств модифицированных материалов. В частности, не исследовалось влияние радиационно-пучковой модификации на формирование контактных трибомеханических процессов и механизмы трансформации ралиационно-индупированных поверхностных структур.
Принципиальные трудности решения рассматриваемой проблемы обусловлены:
- структурными особенностями твердых сплавов как композиционных материалов:
- особенностями их трибонагружения в условиях резания.
Особенностями объектов исследования - твердых сплавов в исходном состоянии являются:
- существенная неоднородность микроструктуры;
~ высокая дефектность межфазовых и межэеренных границ;
* ограниченная растворимость компонентов матрицы \У и С в связующей фазе Со.
Особенности трибонагружения инструментальных твердых сплавов обусловлены спецификой функционирования трибосистемы резания, и характеризуются следующими условиями;
. действие на инструментальный материал высоких контактных давлений и температур, достигающие порядка 1000 -2000 МПа и, соответственно, 800-1000° С;
. неравномерное распределение контактных напряжений и температурных полей вдоль контактных плошадок;
_ взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом в условиях выраженных автоколебательных процессов;
« существование в области трибоконгакта двух областей - пластического и упругого участков;
- высокая интенсивность процессов схватывания и переноса атомов при трибоконтакте;
8
- одновременное изнашивание передней и задней поверхностей, сопровождающееся изменением их микро-и макрогеометрии поверхностей;
- высокая интенсивность изнашивания на начальной стадии фрикционного взаимодействия, в связи с чем период приработки может составлять до 30-40% всего периода изнашивания и допустимой величины износа.
Перечисленные факторы характеризуют систему резания как динамическую трибоси-стему, функционирующую в экстрема.1 ьных условиях нагружения, входные параметры которой в процессе работы непрерывно изменяются, а выходные - зависят от функциональных характеристик элементов трибосистемы.
Триботехнические свойства твердых сплавов определяются процессами поверхностного деформирования и разрушения, происходящими в экстремальных условиях нагружения и сопровождающимися структурно-фазовыми превращениями в поверхностных слоях инструментальных материалов, которые инициируют трансформацию их свойств. Неоднородность нагружения контактных поверхностей (неравномерное распределение контактных давлений и температур) в совокупности с высокой неоднородностью микроструктуры и наличием выраженных внутренних границ раздела (концентраторов напряжений) инструментального материала уже на начальной стадии создает предпосылки для кардинальной перестройки структуры твердых сплавов. Именно наличие указанных концентраторов напряжений приводит к локализации деформации, генерации потоков деформационных дефектов, движению мезообъемов и образованию фрагментированных и градиентных структур, прогнозирование поведения которых в конкретных нагрузочно-скоростных и температурных условиях не представляется возможным. При этом в зависимости от релаксации напряжений и развития деформационных процессов в приповерхноетныъх слоях инструментального материала на начальном этапе трибонагружения, соответствующему стадии приработки на кривой изнашивания, происходит формирование вторичных структур, контролирующих дальнейшее развитие трибофизических процессов. Из этого следует, что для решения проблемы повышения триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов необходимо создание нового типа структур, адаптированных к определенным условиям трибоэнсргстического воздействия. Чрезвычайно важным является то обстоятельство, что трибоэнергетическое воздействие при резании, в силу вышеуказанных условий, может кардинальным образом повлиять на эволюцию модифицированных пучками заряженных частиц поверхностных метастабильных структурно-фазовых состояний. Распад метастабильных состояний при трибонагружении можег способствовать достижению повышенных физико-механических свойств твердых сплавов. В этом случае требуется обеспечить соответствующие режимы трибонагружения, при которых может быть реализован механизм деформационного упрочнения твердых сила-
9
во» и использованы резервы повышения их износостойкости, что наряду с радиационнопучковым воздействием открывает новые пути совершенствования инструментальных материалов. Поэтому наиболее эффективным направлением решения проблемы повышения гри-ботехнических свойств твердых сплавов представляется реализация комплексной модифицирующей обработки пучками заряженных частиц с последующим трибоэнергетическим воздействием.
В связи с этим создание физических основ комплексной модификации должно базироваться на выявлении условий и механизмов формирования определенного типа кинетически устойчивых трибоструктур, адаптированных к определенным условиям трибонагруже-ния, что, в свою очередь предполагает установление связи между режимами радиационнопучковой обработки, структурно-фазовым состоянием модифицированных твердых сплавов, их износостойкостью и нагрузочно-скоростными условиями трибонагружения.
Целыо диссертационной работы являлась разработка физических осноз комплексной технологии поверхностного упрочнения инструментальных твердых сплавов на базе исследования закономерностей структурной модификации пучками заряженных частиц различной интенсивности и изучения их влияния на износостойкость ИТС в условиях резания сталей и сплавов, обеспечивающей повышение триботехнических свойств и эффективности применения твердосплавных инструментальных материалов.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.
В первой главе «Физические основы повышения триботехническнх свойств инструментальных твердых сплавов методами радиационно-пучковой обработки» приведён анализ состояния вопросов использования ионных и электронных пучков для модифицирующей обработки материалов, основных процессов и эффектов модифицирования их структуры и свойств. Показано, что в результате модифицирования происходит формирование в приповерхностных слоях металлов к сплавов пространственно-неоднородных структур, различающихся дислокационным строением, элементным и фазовым составом. Структурная неоднородность, проявляющаяся на разных масштабных уровнях, зависит от вида и режимов радиационно-пучкового воздействия. Приводится анализ моделей формирования глубинных слоев при ионной имплантации и облучении сильноточными импульсными пучками заряженных частиц. Рассмотрено влияние радиационно-пучковой модификации на процессы трения и изнашивания материалов. Дана постановка проблемы повышения трибо-техиических свойств инструментальных твердых сплавов в связи со спецификой их трибонагружения и особенностями изнашивания в условиях резания. Проведен анализ основных направлений совершенствования инструментальных материалов металлургическими, термическими, физико-химическими методами. Рассмотрены предпосылки повышения триботех-
10
нических свойств твердосплавных инструментальных материалов методами радиационно-пучковой обработки. Показано, что обеспечение комплекса требуемых свойств твердосплавных инструментальных материалов может быть достигнуто за счет использования пучков заряженных частиц различной интенсивности, а также комбинированной и комплексной обработкой. В полной мерс технологические возможности радиационно-пучковой модификации могут быть реализованы только с учетом специфики функционирования трибосистемы резания, сопровождающейся совокупностью протекающих механических и физикохимических процессов и формирования контактных условий. С позиций энергетического баланса при резании рассмотрены резервы повышения эффективности функционирования и пути управления трибосистемой резания. Обоснованы гипотеза комплексной модификации твердосплавных инструментальных материалов и технологические условия для ее реализации. Сформулированы задачи исследования.
Во второй главе «Структурно-фазовые изменении в твердых сплавах при радиационно-пучковом воздействии» приведены результаты исследований радиационно-индуцированных процессов и механизмов, определяющих эффекты модификации поверхностных структур твёрдых сплавов при воздействии ионных и электронных пучков. Изложены результаты влияния радиационно-пучкового воздействия на структуру, фазовый и элементный состав инструментальных сплавов. Рассмотрены структурные особенности твердых сплавов и приведены основные технические характеристики используемых источников заряженных частиц. Изложены результаты исследований структурно-фазовых изменений при радиационно-пучковом воздействии. Установлены изменения микроструктуры и морфологии поверхности под воздействием слаботочных и сильноточных пучков. Приведены экспериментальные данные, свидетельствующие об образовании новых фаз твердых сплавов в результате их радиационно-пучковой модификации слаботочными и сильноточными пучками. Рассмотрены возможные механизмы радиационно-стимулированных фазовых превращений в приповерхностных слоях твердых сплавов и их эволюция в зависимости от интенсивности облучения. Представлены результаты исследования формирования элементного состава приповерхностных слоев твердых сплавов при высокодозовой имплантации непрерывными и импульсно-периодическими пучками ионов, а также при воздействии импульсными сильно-точными пучками. Получены данные, свидетельствующие об изменении кристаллической структуры фазовых составляющих твердых сплавов в зависимости от интенсивности радиационно-пучкового воздействия. Приведен качественный анализ механизмов формирования структурно-фазового состояния твердых сплавов при модифицирующей обработке.
В третьей главе “Триботехнические свойства модифицированных твердых сплавов” на основе имеющихся результатов исследований дан анализ влияния радиационно-
пучкового модифицирования на эксплуатационные и триботехнические свойства инструментальных материалов. Представлены результаты оригинальных исследований процессов изнашивания модифицированных сплавов в различных условиях трибомеханического контакта. Изучено влияние температурно-скоростного фактора на кинетику и особенности изнашивания твердых сплавов. Получены кинетические зависимости изнашивания твердосплавных инструментальных материалов, модифицированных слаботочными непрерывными и импульсно-периодическими пучками, а также сильноточными ионными и электронными пучками при резании сталей, титановых и никелевых сплавов. Изучено влияние вида и режимов модифицирующей обработки на износ твердосплавных инструментальных материалов. Представлены результаты исследования элементного состава изношенных поверхностей твердых сплавов. Проанализирована роль диффузионных явлений в формировании состава и вторичных структур поверхностных слоев модифицированных инструментальных материалов при высоких скоростях резания. На основе обобщения экспериментальных результатов выявлены закономерности изменения триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов в зависимости от вида радиационно-пучковой обработки и режимов резания.
Четвёртая глава «Комплексная модификация структуры и свойств твердых сплавов» посвящена обобщению и анализу радиационно-индуцированных структурнофазовых превращений при модификации с точки зрения их влияния на изменения триботехнических свойств инструментальных материалов. Дан анализ и определены основные тенденции влияния поверхностной модификации на формирование контактных условий в процессе резания. Проведены электронно-микроскопические исследования трансформации модифицированной структуры твердого сплава на начальной стадии изнашивания. Проанализированы механизмы трибостимулированных структурно-фазовых превращений. Представлена феноменологическая модель взаимосвязи факторов, определяющих износостойкость модифицированных инструментальных материалов. На основе обобщения экспериментальных исследований обоснована концепция комплексной модификации твердых сплавов.
В пятой главе «Разработка способов модифицирования триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов и комплексной упрочняющей технологии» представлены оригинальные разработки способов модификации твердых сплавов с использованием слаботочных и сильноточных пучков, а также термического и ионно-плазменного воздействия. Рассмотрены причины достигаемого повышения износостойкости твердых сплавов, модифицированных комбинированной и комплексной после радиационнопучковой обработкой. Дана оценка эффективности предложенных способов модификации. Представлены этапы проектирования комплексной упрочняющей технологии инструментальных твердых сплавов, включающие выбор: марки твердого сплава и рациональных гео-
12
метрических параметров твердосплавных режущих пластин, режимов предварительной термической обработки твердых сплавов, состава и толщины ионно-плазменного покрытия, назначение режимов ионно-плазменной и радиационно-пучковой обработки обработки, выбор вида и режимов послераднационной термической обработки; назначение геометрических параметров режущего инструмента и режимов трибоэнергетической модификации. Изложены рекомендации по назначению геометрических параметров и рациональному использованию модифицированных режущих инструментов для широкого круга обрабатываемых материалов. Представлены результаты производственных испытаний модифицированных твердосплавных режущих пластин. Сформулированы рекомендации по совершенствованию комплексной технологии.
Научная новизна работы определяется следующими результатами и положениями, сформулированными на основе анализа проведенных систематических исследований влияния методов радиационно-пучковой обработки на структурно-фазовое состояние и лрибо-техничсские свойства инструментальных твердых сплавов.
1. Обоснованы физические представления о формировании неравновесных структурно-фазовых состояний поверхностных слоев твердых сплавов под воздействием пучков заряженных частиц с учетом интенсивности облучения и структурных особенностей модифицируемых материалов. На основе развивающихся диффузионных и рекристаллизационно-дннамических процессов, обусловленных процессами физико-химических взаимодействий в области межфазных границ твердого сплава показано, что плотность тока лучка при облучении приводит к формированию новой зерешюй структуры, фазовым превращениям, суб-структурным изменениям в фазовых составляющих материала.
2. Получены и выявлены кинетические зависимости изнашивания инструментальных твердых сплавов для различных видов и режимов радиационно-пучковой обработки и температурно-скоростных условий трибомеханического контакта при резании сталей, титановых и никелевых сплавов. Установлено, что условия температурно-скоростного нагружения наряду с режимами радиационно-пучковой обработки определяют вид кинетической зависимости изнашивания и износостойкость модифицированных твердых сплавов. Определены температурно-скоростные диапазоны трибомеханического контакта, соответствующие минимальной интенсивности изнашивания модифицированных инструментальных тзердых сплавов для различных условий трибонагружения.
3. Выявлены особенности поверхностного разрушения модифицированных твердосплавных материалов в процессе изнашивания в зависимости от микроструктуры, режимов радиационно-пучковой обработки и режимов резания. Показано, что изнашивание мелкозернистых твердых сплавов, модифицированных сильноточными пучками, сопровождается
13
хрупким разрушением контактных поверхностей вследствие резкого снижения пластичности композиционного материала. При этом повышение скорости (температуры) резания способствует стабилизации процесса изнашивания модифицированных сплавов и при назначении рациональных режимов радиационно-пучковой обработки позволяет существенно снизить вероятность хрупкого разрушения инструментального материала.
4. Получены экспериментальные данные, свидетельствующие о протекании трибостимулированных структурно-фазовых превращений в приповерхностных слоях модифицированных твердых сплавов на участке начального изнашивания и изучена их роль в формировании упрочненных слоев с высокой концентрацией вторичных фаз и плотностью дислокации. способствующих сохранению повышенной износостойкости инструментальных материалов на участке нормального изнашивания. Показано, что реорганизация радиационно-индуциорованных структурно-фазовых состояний связана с формированием вторичных структур на участке приработки и проявляется в определенных условиях трибомеханического контакта для пары «инструментальный-обрабатываемый материалы».
5. Предложена концепция комплексной модификации структуры и свойств инструментальных твердых сплавов посредством предварительного воздействия пучков заряженных частиц и последующего трибоэнергегического воздействия непосредственно в условиях резания путем вариации скорости (температуры) резания. Реализация указанной физической концепции позволяет достичь значительного повышения триботехнических свойств твердосплавных инструментальных материалов.
6. Разработаны новые способы модифицирования инструментальных твердых сплавов, сочетающие радиационно-пучковую, термическую и ионно-плазменную обработку и изучены сопутствующие изменения структуры, фазового и элементного состава при модификации и их влияние на изменение триботехнических и эксплуатационных свойств.
7. Разработана комплексная технология и обеспечены технологические условия для ее реализации, включающие определенную последовательность и режимы радиационнопучкового, термического, ионно-плазменного и трибоэнергетического воздействия.
Научно-практическая значимость н реализации результатов работы. Совокупность полученных результатов и установленных закономерностей позволяют расширить и уточнить представления о физической природе процессов формирования и реорганизации радиационно-индуцированных структурно-фазовых состояний в твердосплавных материалах. Представленные экспериментальные данные позволяют прогнозировать изменение физико-механических и триботехнических свойств инструментальных твёрдых сплавов под воздействием слаботочных и сильноточных пучков заряженных частиц и обоснованно назначать рекомендации по их применению. Полученные результаты могут быть использованы
14
при разработке новых грибогехнологнй и способов поверхностной упрочняющей обработки изделий из сплавов и композитов.
1. Установленные закономерности изнашивания модифицированных твёрдых сплавов позволяют определить режимы рационального использования твердосплавных режущих инструментов в процессах металлообработки, в том числе труднообрабатываемых титановых и никелевых сплавов.
2.Установленные закономерности формирования структурно-фазовых состояний в приповерхностных слоях материалов позволяют оптимизировать режимы ионно-лучевой и электронно-лучевой обработки для конкретных марок твёрдых сплавов.
3.Разработанные способы комбинированной и комплексной упрочняющей обработки с использованием пучков заряженных частиц различной интенсивности позволяют повысить износостойкость инструментальных твёрдых сплавов в условиях превалирующих видов изнашивания инструментов при резании.
4.Разработанная комплексная упрочняющая технология обеспечивает стабилизацию физико-механических свойств и повышение износостойкости твердосплавного инструмента при резашш труднообрабатываемых титановых и никелевых сплавов на чистовых и полу-чистовых режимах до 3,4 - 3,6 раз.
5.Результаты исследований использованы:
при разработке технологических процессов упрочнения специзделий в условиях производства авиационных двигателей (ОмПО им. Баранова. НИИД);
при упрочнении и использовании твердосплавных режущих пластин предприятиями заказчика (ПРИ АК «Омскэнерго»; АО «ГВЭЛ», ТОО «ИНТОМ»).
в лекционных курсах «Физические основы электронных и ионных технологий» и «Высокие технологии и новые материалы», читаемых студентам физического факультета Омского госунииерситсга, а также отражены в учебных и методических пособиях.
Положения, выносимые на защиту.
1 .При формировании поверхностных структурно-фазовых состояний в твёрдых сплавах под воздействием слаботочных и сильноточных пучков заряженных частиц развиваются общие для радиационно-пучковой обработки диффузионные и рекристаллизационные процессы, которые зависят от интенсивности пучка и сопровождаются образованием вторичных фаз и дислокационных структур в фазовых составляющих.
2.Нагрузочно-скоростные и температурные условия фрикционного взаимодействия при резании стимулируют формирование в период приработки градиентных структур с аномально высокой плотностью дислокаций и концентрации вторичных фаз, которые ь значи-
15
тельной степени определяют дальнейшее протекание процесса изнашивания модифицированных твёрдых сплавов при более низком уровне интенсивности изнашивания.
3.Триботехнические свойства твёрдых сплавов, модифицированных пучками заряженных частиц, определяются исследованным комплексом взаимосвязанных процессов: образования градиентного структурно-фазового состояния модифицированных поверхностных слоев, формирования контактных условий и формирования вторичных структур инструментального материала в определенных условиях фрикционного взаимодействия.
4/Гехнология комплексной модификации, основанная на использовании термического, ионно-плазменного, ионно-лучевого, термического и трибоэнергетического воздействия обеспечивает повышение триботехнических и эксплуатационных свойств твёрдосплавного инструмента при резании труднообрабатываемых титановых и никелевых сплавов 3.4 - 3.6 раз за счет повышения износостойкости и формоустойчивости многогранных неперетачи-ваемых режущих пластин.
Апробация работы. Результаты работы представлялись и докладывались на конференциях "Модификация конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск. 1989; Томск, 1994; Томск, 1996); 1988); на I Всесоюзном съезде технологов машиностроителей (Москва. 1989); на международных конференциях по модификации материалов ионными пучками (США, Knoxville, 1990; Washington, 1991); XXIII, на XXV, XXVII и XXVIII Международных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1995, 1997, 1998, 1999гг.); на научной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1993); на II .Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPC, 1995; Иваново, 1995); на IV Международной конференции "Радиационные гетерогенные процессы" (Кемерово, 1995); на IV Международной конференции "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий" CADAMT-95 (Томск, 1995); на IX Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1996); II Международном симпозиумах «Конверсия науки - международному сотрудничеству» (Томск, 1997, 1998), на 10th International Conference «Surface Modification of Metals by Ion Beams», (USA, Gatlinburg, 1997), на IV Всероссийском научно-техническом семинаре «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород. 1998); на VIII Межнациональном совещании «Радиационная физика твёрдого тела» (Севастополь, 1998), III Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» (1999, Минск), на III Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск. 1999), на Международном симпозиуме «9th Nordic Symposium on Tribology - NORDTRIB» ( Finland, 2000). на 151 International
16
congress on radiation physics, high current electronics, and modification ol materials: 5*' Conferens on modification of materials with particle beams and plasma flows. Tomsk. 2000.
Личный вклад автора. Диссертация является обобщением работ, выполненных в лаборатории физики высоких плотностей энергий и радиационных технологий Института сенсорной микроэлектроники СО РАН (г.Омск) и на кафедре физического материаловедения Омского государственного университета. Часть работ проводилась в сотрудничестве с Институтом сильноточной электроники СО РАН (г. Томск), Институтом физики прочности и материаловедения СО РАМ, НИИФ при ТПУ (г. Томск). В совместных исследованиях автору принадлежит постановка задач и интерпретация полученных результатов. Автор является инициатором и научным руководителем цикла исследований, представленных в диссертации. Личный вклад состоит в непосредственном участии на всех этапах выполнения работы. Организация научно-исследовательских работ, выбор основных направлений и методов исследований, постановка задач, анализ, интерпретация и обобщение полученных результатов принадлежат автору.
Глава 1. Физические основы повышения триботехиических свойств инструментальных твердых сплавов методами радиационно-пучковой обработки
Поиск целенаправленного изменения свойств материалов базируется на установлении взаимосвязи с их структурно-фазовым состоянием. К моменту начала выполнения данной работы исследования влияния методов радиационно-пучковой обработки на изменение структуры и свойств твердых сплавов не проводились. Исключение составили работы [37,38.39], в которых экспериментально была показана эффективность метода ионной имплантации для повышения эксплуатационных свойств сплавов групп ТК и ВК. Относительно импульсно-пучкового воздействия на твердосплавные материалы, з литературе нашли отражение лишь единичные результаты их успешного применения. Столь незначительно представленный экспериментальный материал не мог составить базу д;ш разработки научных основ радиационно-пучкового модифицирования триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов и создания эффективных способов их обработки.
В тоже время интенсивное развитие получили работы, направленные на изучение фундаментальных процессов формирования структур в металлических системах, а также причин изменения поверхностных свойств конструкционных материалов под воздействием слаботочных, а затем и сильноточных пучков. Все возрастающих объем экспериментальных данных и надежно установленных фундаментальных закономерностей радиационно-стимулированного структуро- и фазообразования, а также анализ применения методов радиационно-пучковой обработки в области трибологии материалов, позволял корректировать направления проводимых автором исследований. В дополнение к этому иное понимание получили вопросы целенаправленного радиационно-пучкового модифицирования материалов и негру ментального назначения в связи с их использованием в специфических условиях резания, что дало возможность проанализировать проблему повышения триботехнических свойств инструментальных твердых сплавов в непосредственной взаимосвязи со специфическими особенностями функционирования динамической трибоси-стемы резания.
Указанные аспекты и явились отправной точкой для решения рассматриваемой проблемы, в которой современные представления о процессах формирования поверхностных структур в металлических системах при радиационно-пучковом воздействии и трибофизических явлениях, сопровождающих фрикционное взаимодействие модифицированных материалов, имеют первостепенное значение.
1.1. Влияние радиационно-пучкового воздействия на структуру и триоотехнические
свойства металлических материалов
1.1.1. Формирование поверхностных структу р в металлах и сплавах под воздействием ионных и электронных пучков.
К настоящему времени исследованиями А.Н. Диденко, А.Е. Лигачева. В.Э. Козлова, Ф.Ф. Комарова, А.Д. Коротасва, Д.И. Проскуровского. В.II. Ротштейна. Г.Е Ремнева. В.II. Шаркеева и др. [40-54] установлено, что воздействие пучков заряженных частиц инициирует формирование в приповерхностных слоях металлов и сплавов пространственно-неоднородных структур, различающихся дислокационным строением, элементным и фазовым составами. При этом структурная неоднородность, проявляющаяся на различных масштабных уровнях, зависит как от вида и режимов облучения, так и от структурных особенностей материалов. Специфика формирования радиационно-индуцированных структурно-фазовых состояний обусловлена комплексом физических процессов, сопровождающих облучение и. в значительной степени, зависит от основных параметров и условий воздействия. Так, при высокодозной ионной имплантации основными факторами, определяющими структуро- и фазообразование. как известно, являются внедрение легирующих примесей и сопутствующие процессы образования радиационных дефектов. В результате ионного облучения происходит формирование в приповерхностных слоях материалов неравновесных структур, синтез новых метастабильных и аморфных фаз. а также образование за счет повышения пределов растворимости в твердом состоянии уникальных ионио-имплантационных сплавов. Структурные превращения при ионной имплантации наиболее полно изучены для модельных материалов. Однако в последнее время дальнейшее развитие получило изучение влияния ионного облучения на структурные превращения в упорядоченных сплавах [55] и жаропрочных сплавах на основе титана и никеля [56].
Кроме того, разработка нетрадиционных методов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов [57-59]. инициировала целый ряд исследований [ТО-72], имеющих большое значение для развития теории структурно-фазовых превращений в металлических системах. В частности, изучение фундаментальных закономерностей структурно-фазовых превращений в упорядоченных и стареющих твердых растворах газовыми ионными пучками [55], позволило зафиксировать структурный фазовый переход типа порядок - беспорядок в сплаве СиАи, а также прерывистый распад в твердом растворе РбСиАй с образованием упорядоченных фаз РсЗСи и А§Рс1, аналогичным ранним стадиям фазового превращения после термической обработки. Полученные результаты имеют не только фундаментальное значение, но и практическую значимость, так как затрагивают
вопросы, касающиеся стабильности и поведения твердого раствора под облучением. По мнению авторов работы [63] стабильность облученных сплавов определяется состоянием твердого раствора. Облучение может стимулировать распад твердого раствора и появление выделений второй фазы, с одной стороны, и приводить к растворению имеющихся выделений за счет эффектов атомного перемешивания. Неравновесные фазовые превращения в условиях облучения, согласно модельным представлениям, связывают с определенными. критическими параметрами воздействия, в частности, скоростями введения дефектов [64]. Рассмотрение процессов микроструктурной перестройки с позиций существования критических скоростей введения дефектов, позволило разработал, теоретические подходы к установлению зависимостей между указанным параметром и пределом растворимости в твердых растворах, а также предложить объяснение явлению рачиационно-стимулированного выделения. Развитие теоретических представлений о роли радиационно-стимулированных процессов (диффузии и сегрегации) в распаде твердого раствора привело к предсказанию диапазонов радиационно-индуцированной неустойчивости и кинетических фазовых переходов в приповерхностных слоях материала, соответствующих определенным условиям облучения. Возникновение неустойчивостей в облученных металлических системах, в том числе твердых растворов с различной кристаллической структурой и их переход з новое структурно-фазовое состояние, было зафиксировано в работе [63]. В некоторой области параметров облучения были обнаружены дифракционные рефлексы, соответствующие существенным структурным изменениям в твердых растворах. Аналогичные эффекты зафиксированы и для других исследуемых материалов. При этом наблюдалась корреляция соответствующих дифракционных пиков с микротвердостью облученных сплавов.
Установленные закономерности ионного перемешивания адсорбированных элементов и анализ их роли в структурных и фазовых превращениях [65] выявили ряд эффектов. связанных с образованием в ионно-легированном слое высококонцентрированных неравновесных твердых растворов, элементов газовых сред, дефектных структу р с высокой кривизной кристаллической решетки, а также нанокристаллических и аморфизиро-ванных структур. Вместе с тем при этом наблюдалось формирование поверхностных слоев, дисперсно-упрочненных фазами внедрения. Фазовые превращения с образованием оксидов, карбидов, боридов и других более сложных соединений, зафиксированы при ионной имплантации гетерогенных систем [66. 67]. Присутствие высокодисперсных выделений наблюдается, как правило, в легированном слое, соизмеримом с глубиной проникновения внедренных ионов и оказывает положительное влияние на прочностные свойства материалов [13,14,15,40]. Помимо дисперсионных механизмов упрочнения представляют
интерес механизмы структурных изменений, связанных с образованием и перераспределением различных типов дефектов в приповерхностных слоях. Изучение дислокационного строения приповерхностных слоев материалов после ионной имплантации в непрерывном и частотно-импульсном режиме позволило авторам (41.42,43,47,48.49) предложить достаточно универсальную модель сформированных структур [44).
Образование поверхностных структур под действием импульсных сильноточных пучков заряженных частиц отличается принципиально иным характером взаимодействия, заключающимся в проявлении нелинейных коллективных процессов, возникающих в твердом теле [52, 68.69]. Интенсивный разогрев, сопровождающийся испарением тонких поверхностных слоев, высокие скорости охлаждения и образование ударных волн, инициирует формирование сильнонеравновесных структурно-фазовых состояний, неоднородно распределенных по глубине облучаемых материалов.
Исследование закономерностей образования структурных состояний в металлах под воздействием мощных ионных пучков выявило ряд особенностей дислокационного строения глубинных слоев (рис. 1.1), обусловленных по мнению автора [53]. температурным влиянием. Установлено [53], что в интервале глубин до 25 мкм наблюдается значительная концентрация вакансионных кластеров и дислокационных петель. Кроме того, в указанном интервале образуются сжимающие напряжения. В области до 75 мкм преобладают дефекты межузельного типа и растягивающие остаточные напряжения. Интервал 75-125 мкм характеризуется в соответствии сданными эксперимента [53] наличием дислокационных петель вакансионного происхождения, дислокаций и дефектов упаковки, а также образованием сжимающих напряжений.
Динамические эффекты играют определяющую роль в модифицировании поверхностных структур материалов и при воздействии сильноточных электронных пучков. В этой связи особое значение имеют процессы распространения нелинейных волн напряжений. а также распределения температурных полей и их параметры. В частности [68], в режиме начального оплавления параметры волны напряжений и характер ее взаимодействия с кристаллической решеткой материала (сталь 45) обуславливают резкую диссипацию энергии волны в узком интервале глубин порядка И = 120 - 140 мкм. При этом установлено. что существует прямая связь между характером изменений параметров волны напряжений и особенностями формирования микроструктуры в зоне воздействия электронного пучка. На глубинах 70-80 мкм обнаруживается повышенная плотность дислокаций и преобладают плоские скопления, характерные для материалов с ГЦК-решеткой после высо-
21
5.2
4.3
% 44 |
4,0
100 200 300 400 7/0
Рис. 1.1а. Зависимость скорости счета в максимуме кривых У РАФ 1^(0) и Я - параметра от температуры отжига (изохронный отжиг) образца Си, облученного МИП с ]=100 А/см2 [53].
Рис. 1.16. Зависимость 1м(0) и Я - параметра кривых УРАФ по глубине модифицированного слоя Си (травление по глубине), облученного МИП с]=100 А/см" [53].
коскоростной деформации. Однако наиболее четко пластическая деформация, в виде множественных следов скопления, фрагментации и полос адиабатического сдвига и соответствующее повышение микротвердости наблюдается на глубине 120-150 мкм, в области резкого уменьшения амплитуды воли [68].
Сопоставление расчетных зависимостей тепловых процессов и структурных характеристик глубинных слоев облученного материала [69-71] подтверждает существование корреляций между уровнем термомеханического воздействия и особенностями формирования структурно-фазовых состояний. В этом случае под действием динамического поля температур и напряжений, инициируемого сильноточными электронными пучками, реализуются фазовые и структурные превращения с переходом в пределах зоны теплового влияния в метастабильные и аморфоподобные состояния. Па больших глубинах структурно-фазовое состояние приповерхностных областей определяется параметрами волны напряжений и характером ее воздействия на материал.
Следует отметить, что механизмы формирования приповерхностных структур в металлах, в основном, согласуются с современными представлениями о процессах взаимодействия заряженных частиц с веществом. Однако экспериментально обнаруженные структурные изменения глубинных слоев, значительно превышающие глубину модифицированных областей металлов и сплавов, а также их заметное влияние на свойства материалов, а именно, микротвердости и износостойкости не получили всестороннего научного обоснования. Важность технологических приложений обнаруженного дальнодейст-вующего влияния пучков заряженных частиц или «эффекта дальнодействия»[41-49.72,81] и возможность его использования в прикладных задачах инициировали проведение даль-нейших исследований. Все экспериментальные результаты, свидетельствующие о проявлении тех или иных признаков «эффекта дальнодействия» условно разделяют [44,72.81] на две группы. К первой группе относятся данные, касающиеся изменения физикомеханических свойств материалов на глубинах до десятков и сотен микрометров. Ко второй группе относятся данные, характеризующие изменение дислокационного строения, в частности, аномально глубокого расположения ионно-индуцированных дефектов различного типа, и структурно-фазового состояния приповерхностных слоев металлов и сплавов. Так, еще в начале 80- годов [15] было обнаружено повышение микротвердости образцов из нержавеющей стали на глубине до 200 мкм, облученных ионами Ti* с энергией 30 кэВ
IЛ 1
и дозой 2-10 ион/см . При этом максимум распределения внедренных элементов фиксировался на расстоянии 0,01 мкм от поверхности. Результаты последующих исследований неоднократно подтверждали упрочнение материалов и для других условий ионного облучения [72,93,94]. Помимо повышения микротвердости были отмечены также изменения,
как правило, в сторону улучшения и других физико-механических свойств металлов и сплавов, неоднократно обсуждавшиеся в рамках различных конференций и семинаров [86-94]. Касаясь обсуждения явлений, связанных с изменением свойств глубинных слоев материалов при облучении их ионами в диапазоне энергий от единиц до десятков килоэлектронвольт, многие исследователи отмечают активную роль массообмена. Считается, что механизмы этого явления имеют диффузионный характер, а эффекты обусловлены радиационно-ускоренной диффузией и радиационно-стимулированной сегрегацией.
Структурные аспекты проявления эффекта дальнодействия, зафиксированные экспериментально. связаны с изменениями параметров кристаллической решетки [82-86], степени дефектности структуры [41-44, 49,94], которые наглядно иллюстрируются схемой, приведенной на рис. 1.2, а также структурно-фазовыми превращениями [86-90].
Экспериментальные результаты [82-86] свидетельствуют о неоднозначном влиянии ионного облучения на изменения величин параметров кристаллической решетки металлов. Установлено как увеличение параметров решетки поликристаллов А1. Ре. и Си [100] так и их уменьшение [82]. Вместе с тем экспериментальные зависимости, в частности, приведенная в работе [85] зависимость (рис. 13) показывает неоднозначное влияние дозы облучения на характер изменения периода решетки №. Подобные изменения, по мнению авторов могут быть обусловлены конкурирующим влиянием накапливаемых в образце дефектов различного типа с увеличением дозы облучения. В пользу этого свидетельствует также варьирование периода решетки по глубине облученного образца [90]. Фазовый переход с полиморфным превращением ОЦК —> ГЦК обнаружен во всем объеме образцов сплава Ре - N1 (фольги толщиной 30 мкм) после облучения ионами Лг' и ЕГ с энергией Е < 25 кэВ и плотностью тока] < 0,1 мА/см2 в непрерывном и импульсном режимах ,88]. При обсуждении полученных результатов авторы пришли к выводу, что для осуществления наблюдаемого фазового перехода необходима некоторая минимальная плотность мощности, определяемая плотностью ионного тока, в то время как доза ионов является менее существенным параметром воздействия. Другими структурными эффектами, проявляющимися на значительных глубинах, являются переориентация кристаллов [87], повышение степени упорядоченности структуры сплава [88], и фазовые превращения типа порядок - беспорядок [55]. В частности, прецизионное изучение процессов атомной перестройки упорядоченного сплава Си3Ли под воздействием ионов Лг+ с энергией Е = 15 кэВ и дозой 13 = 1016 ион/см2 позволило обнаружить инициируемые излучением изменения дислокационной структуры на глубине до 0,5 мкм. При этом проективный пробег ионов аргона составлял не более 10 нм. Наиболее подробное изучение дислокационных структур, формирующихся в приповерхностных слоях металлов и сплавов а-Ре, Си, Мо,
(О
из
€Н
ф-Ц
Н
-п
фН
ф--
©—
УО)
агьлл
*г:ш
ЯО
•*рглггив**Ф"* OûpisottuHf:
* -••<■«UMV
• ' Ö troc*"”»
О <5 <^1 UXj<l*A4*U*i*
^ -~#A»
«V лн<л</ш ; « - Ль*улп%и&
\w 11:»**
I'aj^umommo-
нмгдснки
cerpCCAUM«
.•’ІЛ-ДЦИ'ИМ^
стимулировании
г >4 ‘«'..v-iui
ФормК»0**""«
A»<#0*H|»0»mO*
с*»«игурм
^И1*0Н1ц-О>И!1CtpfMrypft Cu АО ш>пноЛ
По* pi Кост* ^ Легируемая ОС л літ» u-ше- м Muufuu
« ,, ■ -
Г2р«4ПО»ер% МОСТІМ • MWH“* С ШАГ .IC И И.І*
И'Ъ-OÙ ИУПЧМТЩНС* £5|.;л ЭА»иМл-МС*> r»rv»fv*4ip 1 ■ ................................................
< I
MO
ЯМОО ,
Рис. 1.2. Схема физических процессов. происходящих и мишени при имплантации.
n(z) - концентрация легирующего элемента; p(z) - скаларная плотность дислокаций. Положение
поверхности мишени: S(0) - до и S(U после ионной имплантации ['И).
25
Дя ^ з
——10ы, отн. со. а 9
В'10л\ ион-СМ'2
Рис. 1.3. Зависимость изменения периода решетки пленки N1 толщиной - 1 мкм от дозы облучения ионами Не^ с энергией 4 кэВ [85].
Си-Со-А! и ВТ118У) при непрерывном и частотно импульсном воздействии ионных пучков проведено в работах (41-44, 47-49.]. В работе (44] проведен анализ и систематизированы данные о плотности дислокаций и особенностях дислокационных структур в ионно-имплантированных и деформированных материалах. Показано, что «эффект дальнодействия», связан с формированием развитой дислокационной структуры в приповерхностных слоях мишени и наблюдайся в чистых металлах с низким пределом текучести, а также в деформированных сплавах с высоким уровнем пластичности.
Основной причиной модификации приповерхностных слоев и формирования развитых дислокационных структур имплантированных материалов является, по мнению авторов [43,44.81], статические и динамические напряжения. Уровень статических напряжений в легируемом слое по расчетным оценкам может значительно превышать предел текучести облучаемого материала, что, по-видимому, и приводит к развитию пластической деформации глубинных слоев. Вместе с тем, при обсуждении целого ряда полученных результатов исследователи отмечают другую причину, связанную с распространением в материале упругих волн и их взаимодействием с несовершенствами кристаллической решетки [72].
Теоретические модели, объясняющие природу «эффекта дальнодействия» (90-94]. основаны, главным обратом, на предположении о непосредственном переносе генерированных облучением дефектов из приповерхностных в более глубокие слои. В используемых при этом подходах рассматриваются процессы взаимодействия и диффузии дефектов, а также генерации и распространения продольных волн. Следует отметить, что предложенные гипотезы и модели пока не позволяют классифицировать основные механизмы, ответственные за «эффект дальнодействия», в зависимости от уровня радиационнопучкового воздействия и плотности ионного тока. Тем не менее, продолжающиеся теоретические исследования наряду с накапливающимися экспериментальными данными расширяют существующие представления об этом уникальном эффекте и его проявлениях, в том числе, в процессах фрикционного взаимодействия материалов.
1.1.2. Влияние радиационно-пучковой модификации на процессы трения и изнашивания материалов
Наибольшее количество публикаций посвящено исследованию влияния на трибологические свойства материалов ионных пучков килоэлектронвольтых энергий. В гораздо меньшей степени представлены в научной литературе работы, посвященные модификации материалов триботсхиичсского назначения импульсными сильноточными ионными и электронными пучками.
Влияние ионной имплантации на триботехнические сзойсгва материалов связывают [12,13,103,109] с:
* упрочнением поверхностных слоев;
■ созданием благоприятной схемы остаточных напряжений;
■ изменением химических и адгезионных свойств поверхностей;
* изменением закономерностей деформации поверхностных слоев.
Б пользу каждого положения свидетельствует ряд экспериментальных данных, подтверждающих их справедливость. Кроме того, отмечается [67] роль таких процессов, как формирование многофазной зоны в поверхностном слое, перенос имплантированных ионов вглубь матрицы при треп и и в результате эффекта «грибодиффузии». а также образование специфических кислородо- и углеродосодержащих елось за счет облучения в условиях технического вакуума. Считается, что упрочнение поверхностных слоев материалов в значительной степени обусловлено образованием вследствие внедрения легирующих примесей химических соединений по типу карбидов, оксидов, нитридов, а также ме-тастабильных твердых растворов [96-99]. Механизм дисперсионного упрочнения металлических систем при ионной имплантации является одним из общепризнанных. Наиболее вероятным механизмом образования фаз внедрения, по мнению авторов [40.100]. является
их зарождение на растущих комплексах дефектов, способствующих достижению концентрационных соотношений, близких к стехиометрическим.
Следует отметить, что упрочнение материалов и повышение их износостойкости при ионно-лучевой обработке достигается не только при внедрении тугоплавких и химически активных элементов, но и при облучении ионами инертных газов [95], а также за счет вариации дозы внедряемых ионов ’101]. Доза имплантированных ионов оказывает влияние на уровень остаточных напряжений, формирующихся в приповерхностных слоях материалов при внедрении примесных элементов. В частности, установлено [102]. что напряжения, возникающие в алюминии при имплантации ионов азота, линейно возрастают с увеличением дозы до определенных значений. Дальнейшее увеличение дозы приводит к снижению значений остаточных напряжений, что, по мнению автора 1102], является следствием пластической деформации и разупрочнения материала образца. Это согласуется с утверждением [95], об ограничении роста напряжений при достижении предела прочности облучаемого металла или сплава. В этом случае превышение дозы ионов выше критических значений приводит к резкому снижению напряжений за счет разупрочнения материала.
Формирование остаточных напряжений после облучения ионными пучками зафиксировано и в гетерофазных материалах. В работах Ю.К. Машкова [103. 104] изучены характер и особенности напряженного состояния приповерхностных слоев алюминиевого и титанозого сплавоз. Установлено, что сжимающие напряжения распространяются до глубины более 2 мкм, а уровень внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки в тонком поверхностном слое снижаются с увеличением дозы имплантации. Формирование сжимаюших остаточных напряжений сжатия в приповерхностных слоях материалов. наряду с образованием дисперсных фаз является положительным фактором ионно-лучевого модифицирования. Эго подтверждается приведенными на рис. 1.4. зависимостями. показывающими взаимосвязь между величиной остаточных напряжений и износостойкостью имплантированной азотом быстрорежущей стали Р6М5 [99]. Остаточные сжимающие напряжения эффективно предохраняют поверхность от разрушения растягивающими напряжениями, возникающими при фрикционном взаимодействии, тормозят зарождение и развитие поверхностных трещин, препятствует выходу на поверхность подповерхностных трещин, а также улучшают адгезию между высокопрочными выделениями и вязкой матрицей [105]. Кроме лого, сжимающие напряжения способствуют повышению пластичности и ударной вязкости материала, протеканию аллотропических фазовых переходов и могут приводить к аморфизашш ионно-легированных слоев [95,105]. Помимо этого, упрочнение и повышение износостойкости напрямую связывают с особенностями дис-
локационного строения приповерхностных слоев металлов и сплавов, подвергшихся ионно-лучевой обработке [41,106]. В качестве доказательства приводятся экспериментальные зависимости, свидетельствующие о повышенной износостойкости глубинных модифицированных слоев на расстоянии 10-20 мкм от поверхности, и демонстрирующие одно из проявлений «эффекта дальнодействия». Подобные результаты получены и в работе [118], согласно которым поля упругих напряжений, вызванных внедрением ионов, распространяются на расстояния, многократно превышающие глубину проникновения атомов примеси. Ионно-лучевая обработка оказывает также заметное влияние на химические и адгезионные свойства поверхности материалов [14,16,98]. Как следует из анализа результатов исследований, имплантация определенного сорта ионов способствует повышению коррозионной прочности, а также устойчивости ионно-легированных металлов и сплавов к высокотемпературному окислению. Образование химических соединений в сталях л сплавах за счет внедрения имплантированной примеси или повышения предела концентрации элементов [98] изменяет скорость химических реакций и кинетику роста окисных пленок, и кроме того, повышает их сцепление с основой. Формирование окисных пленок и кислородосодержащих фаз может явиться существенным фактором, ответственным за протекание физико-химических процессов фрикционного взаимодействия материалов в условиях высокотемпературного трибомеханического контакта Г1071. По данным
Рис. 1.4. Зависимость остаточных напряжений сжатия а(1) и относительной износостойкости 1Ло(2) поверхности стали P6V15 от времени легирования ионами азота I [99].
о
18
36 t,c
проф. Б. И. Костецкого наличие пленок мягких оксидов снижает интенсивность образования адгезионных узлов схватывания, снижает коэффициент трения и способствует улучшению трибологических характеристик материалов [108].
Изменение коэффициента трения материалов после ионно-лучевой обработки отмечено во многих работах и является экспериментально установленным фактом [21-24, 29, 30-40, 67,95-101,109]. В качестве одной из основных причин называется снижение адгезионно-химической активности поверхности имплантированных сплавов и сталей. Природа данного явления в достаточной степени не изучена, а понимание основано лишь на некоторых корреляциях изменения химического состава, микротвердости и адгезионно-химических свойств с режимами ионного облучения. Среди специальных исследований, посвяшенных изучению закономерностей влияния ионной имплантации на адгезионные свойства композиционных материалов и, в частности, адгезионную составляющую коэффициента трения, следует отметить работы Б.Т. Грязнова с коллегами [110-112]. Этим же аспектам посвящены работы (96, 119], в которых обсуждаются причины изменения трибологических свойств металлических ионно-имплантированных материалов По мнению В.М. Савостикова природа указанного влияния заключается в формировании структурнофазовых состояний, аналогичных вторичным структурам трения и выполняющим защитные функции [119]. В работах Ю.К. Машкова установлен трибосинтез вторичных фаз наполнителей полимерных композиционных материалов при трении с ионно-модифицированными сталями и сплавами. Роль активных вторичных структур при этом выполняют продукты трибодеструкции - фторосодержащие радикалы или фгор - ионы [113, 114].
Влияние совокупности микроструктурных изменений облученных ионными пучками материалов на процессы их пластической деформации и изнашивания являются наименее изученными. Качественная оценка указанного влияния сводится к констатации экспериментальных данных и объяснению полученных результатов с позиций известных металлофизических и трибологических представлений. Например, считается, что образование в поверхностных слоях сплавов мелкодисперсных фаз типа карбидов, нитридов и боридов увеличивает несущую способность пятен фактического контакта, а вязкая матрица материала основы выполняет функции демпфера [95,98]. Формирование в поверхностных слоях аморфных и аморфноподобных структур, отличающихся сочетанием высокой твердости и пластичности приводит к снижению коэффициента трения за счет изменения соотношения предела прочности на сдвиг и твердости [98. 115. 116]. Из этого следует, что структурная неоднородность модифицированных глубинных слоев материалов может су-
щественно повлиять на кинетику деформирования и механизмы изнашивания материалов, что, в общем, подтверждается результатами работы [120].
Деформационные характеристики ионно-легированных материалов будут зависеть еще, по-видимому, от количества, типа и распределения радиационных дефектов и вторичных фаз в приповерхностных слоях. При этом на механизмы деформации, определяющие сдвиговые процессы, отмеченные факторы могут оказывать влияние через измельчение полос скольжения и гомогенность деформации [95]. Исследование процессов пластической деформации при трении стали 45 в исходном и ионно-имплантированном состояниях, проведенные на макро-, мезо- и микромасштабных уровнях, позволили выявить особенности деформационного поведения материала [120]. Причины различного характера изнашивания стали (отсутствие выраженного участка приработки для ионно-имплангарованных образцов) (рис. 1.5) авторы объясняют разным развитием пластической деформации на мезомасштабном уровне во времени. Согласно сравнительному анализу поведения фрагментированной структуры [120], при пластической деформации не-имплантированных образцов наблюдается более раннее вихревое движение элементов ме-зоструктуры, что способствует их интенсивному износу.
Самостоятельное значение для деформационных и деструкционных явлений, как следует из анализа особенностей фрикционного контактного взаимодействия имплантированных материалов, имеет химический состав внедренной примеси. Внедрение определенного типа элементов может привести, по-видимому, к изменению механизма трения, определяемого через доминирующее влияние окислительных, деформационных и адгезионных процессов. В частности, способность к окислению имплантированных элементов, например, в сплавы на основе железа, будет определять через образование оксидных фаз пластическое течение подповерхностных слоев [29]. Имплантация сталей и сплавов химически активными элементами металлов и металлоидов, в основном, оказывает положительное влияние на трибологические характеристики. В ряде работ [29, 98, 99, 100] и др. улучшение свойств связывают с образованием легкополвижных элементов внедрения и прочных дисперсных выделений. Относительно роли азота, углерода и бора, в механизме упрочнения ионно-имплантированных сплавов, то общепризнанной является гипотеза о декорировании имплантированными элементами образующихся в процессе трения дислокаций. По мнению авторов [100], атомы азота способствуют образованию дислокационных петель в решетке железа, а сами мигрируют к ядрам дислокаций. Имеются основания предположить, что миграция примесей внедрения к дислокациям инициируется температурными градиентами в пятнах контакта [99] и полиморфными превращениями [116]. Активная роль процессов миграции имплантированных элементов в повышенной износо-
s
Бэдмя испытаний, мин
Время испытаний, час
Рис. 1.5. Зависимость толщины унесенного слоя от времени испытаний: при испытаниях на трение по схеме ‘’вал - клодка” для лары трения сталь 45 - стань ШХ 15(a): при испытаниях на трение по схеме “диск - палец’' для пары трения сталь 45 - стать 9ХС(б): 1 - исходные образцы; 2 - имплантированные образцы [1201.
стойкости материалов подтверждается и данными исследований [121,122]. Обнаруженное смещение концентрационного профиля азота и значительные скопления этого элемента в поверхностных слоях сплавов и статей свидетельствуют о существенном влиянии термоактивируемых диффузионных процессов на механизмы изнашивания модифицированных ионными пучками материалов. Названные экспериментально установленные факты, наряду с результатами работ [29.41,106], позволяют считать, что повышение износостойкости имплантированных материалов связано, главным образом, с развитием дислокационных
структур и проявлением «эффекта дальнодействия» в условиях трения. Как показывает анализ экспериментальных исследований, ионно-лучевая обработка повышает сопротивляемость модифицированных материалов абразивному, адгезионному и эрозионному износ) [25. 51, 53, 71, 95], что в целом, демонстрирует ее высокую эффективность в плане технологического использования. Помимо этого, важным следствием из рассмотренного круга вопросов является зависимость эффективности модифицирующей обработки от микроструктуры и химического состава трущихся материалов, определяющих в совокупности с условиями нагружения процессы упруго-пластического деформирования и изнашивания.
1.2. Проблема повышения трнботехническнх свойств инструментальных твердых сплавов
В процессе трибомсханического нагружения на инструментальный материал действуют напряжения сжатия, изгиба и растяжения, его эксплуатация производится в условиях фрикционного взаимодействия при повышенных температурах с неоднородным распределением [35,36.123,124]. Сочетание высоких нагрузок с действием повышенных температур приводит к развитию процессов пластической деформации при контактных слоев инструментальных материалов и формоизменению геометрии инструмента. Взаимодействие инструментальных твердых сплавов с обрабатываемым материалом происходи! в условиях зрения скольжения с высокими скоростями относительного перемещения, при действии высоких контактных давлений и температур, что инициирует протекание адгезионных и диффузионных процессов в зоне трибомсханического контакта. Действие высоких температур и нагрузок в течение длительного времени инициирует структурнофазовые превращения в приконтактных слоях инструментальных сплавов, разупрочнение и потерю режущих свойств инструмента. Процесс резания, характеризующийся экстремальными условиями трибонагружения, в зависимости от температурно-скоростных и силовых условий, определяет интенсивность изнашивания и разрушения поверхностных слоев инструментального материала. Поэтому эффективность обработки резанием зависит от способности инструментальных материатов противостоять указанным физикохимическим и механическим процессам. Сложность решения данной проблемы заключается в том, что в каждом конкретном случае инструментальный материал должен обладать определенным комплексом механических, химических и теплофизических свойств. Обеспечение оптимального комплекса указанных свойств является .многопараметрической задачей, попытки решения которой, основанные на традиционных подходах создания и модифицирования твердосплавных материалов, практически исчерпали свои возможности. Тем не менее накопленный опыт и результаты обширных исследований в области грибо-
логии резания материалов и структурной модификации инструментальных твердых сплавов являются отправной точкой в разработке принципиально иных физических представлений о конструировании и создании инструментальных материалов новою поколения.
1.2.1. Особенности изнашивания инструментальных твердых сплавов
К характеристикам, влияющим на износостойкость твердых сплавов отностятся: твердость, предел прочности при изгибе, предел прочности при сжатии, жаропрочность, устойчивость к окислительным процессам [ 35,36,123.125,127]. Указанные характеристики на этапе получения инструментального материала регулируются путем изменения содержания связки или степени дисперсности структуры карбидной и связующей фаз. Повышение износостойкости инструментальных твердых сплавов путем вариации структуры и фазового состава является многопараметрической задачей, в которой отыскание оптимума модельным путем на сегодняшний день не представляется возможным. Износостойкость твердых сплавов помимо структурных характеристик существенным образом зависит от условий трибомсханического контакта, которые в значительной мере определяют интенсивность поверхностною разрушения (изнашивания), режущего инструмента. Согласно общепринятым представлениям механизмы и процессы изнашивания инструментальных материалов базируется на нижеизлоенных гипотезах, получивших экспериментальное подтверждение и теоретическое обоснование в работах A.A. Авакова, A.C. Верещаки, Г.И. Грановского, В.А. Жилина, H.H. Зорева, К).Б. Кабалдина, М.Н. Клу-шина, Н.С. Кулева, Б.И. Костецкого, Т.Н. Лоладзе. А.Д. Макарова. В.М. Подураева. М.Ф. Полетики, Н.И. Резникова, С.С. Силина, Н.В. Талантова. Е М. Трента. Н И. Ташлицкого и др.
Изнашивание твердых сплавов сопровождается комплексом явлений механического. термического и физико-химического характера [35,36,123,127-141 ] в результате чего инструментальный материал подвергается абразивному, адгезионно-усталостному, диффузионному, окислительному видам износа. Интенсивность проявления указанных процессов зависит от условий резания, в частности, скорости (температуры) влияние которой иллюстрируется схемой (рис. 1.6), предложенной проф. А.Д. Макаровым [125].
Считается, что абразивный износ происходит за счет срезания микроскопических поверхностных объемов инструментального материала твердыми включениями типа карбидов, нитридов, окислов, силикатов и других твердых фаз, присутствующих в обрабатываемом материале. Решающее значение абразивная износостойкость инструмента абразивный износ имеет при обработке материалов с ярко выраженными абразивными свойствами [143,144J. Абразивному износу твердые сплавы подвергаются, в основном, при низких скоростях и температурах резания, а интенсивность абразивного по-
34
верхностного разрушения определяется соотношением твердости инструментального и об рабатывае мсого матери ал о в.
Скорость (температура) резания
Рис. 1.6. Влияние скорости резания на интенсивность износа режущего инструмента:
1 - адгезия: 2 - усталостный износ; 3 - абразивный износ (механическое истирание); 4 -термоусталое разрушение: 5 - окисление; 6 - диффузионные процессы; 7 - пластическое течение [125].
Активная роль адгезионно-химических процессов в износе инструментальных материалов отмечается в работах [137-141]. В результате контактного взаимодействия поверхностей при наличии повышенных температур и давлений происходит периодическое схватывание и срез в отдельных точках контакта, инициирующее развитие усталостных процессов в приповерхностных слоях с последующим разрушением твердых сплавов ь виде выкрашиваний и сколов. В этом случае важное значение приобретают такие характеристики материала, как усталостная прочность и ударная вязкость. Увеличение скорости относительног о перемещения и повышение температуры в зоне резания способствуют структурным превращениям в приповерхностных слоях твердого сплава, приводит к резкому снижению твердости и прочности и, соответственно, увеличению интенсивности адгезионно-усталостного изнашивания. В этих условиях вероятно отслаивание инструментального материала по границам зерен.
Адгезионно-усталостный износ в зависимости от условий контакта и состояния инструментального материала может происходить путем отрыва, либо пластического среза, соответственно механизм изнашивания имеет хрупкую или пластическую природу. Вследствие существенного различия механических свойств структурных составляющих твердого сплава его скорость изнашивания складывается из скорости разрушения зерен
кароида и материала связки. Изнашивание на высоких скоростях резания [137.140] происходит з результате усталостного разрушения карбидов, интенсивность которого по мере снижения скорости резания уменьшается. При дальнейшем снижении скорости резания изнашивание происходит путем отрыва зерен карбидов за счет усталостных явлений в связке [144]. что соответствует экстремуму стойкостной зависимости. Вновь преобладающим усталостное разрушение карбидов становится на малых скоростях резания.
При резании на высоких скоростях существенное значение, по мнению Т.Н. Лолад-зе. И.В. Талантова, Е.М. Трента, приобретают диффузионные явления и связанное с ними изнашивание. Диффузионное изнашивание обусловлено взаимным растворением инструментального и обрабатываемого материалов, разупрочнением приповерхностных слоев твердого сплава вследствие структурных превращений. Несмотря на продолжающиеся дискуссии относительно механизмов диффузионного изнашивания, подтверждение диффузионного износа твердых сплавов получено при резании сталей [35.132-136] и жаропрочных сплавов на никелевой основе [125.149]. Из-за высокого градиента концентрации углерода на границе раздела контактирующих материалов, малого радиуса атомов углерода и их большой подвижности происходит нарушение стехиометрического состава элементов в карбидах, что приводит к возникновению смеси карбидов \УгС - ^'С и \\':С + Появление смеси разных карбидов и устранение пластичной кобальтовой связки между зернами карбидов способствует охрупчиванию и разупрочнению твердого сплава. В работах Н.В. Талантова [132,133] обосновываются несколько возможных механизмов, связанных с диффузионным растворением в обрабатываемом материале элементов твердого сплава, обусловленных диффузией в связку твердого сплава элементов, содержащихся з стачи, снижением устойчивости карбидных зерен в сплаве с последующим их вырывом.
Следует отметить, что экспериментально зафиксированные факты диффузионного переноса, например, наличие железа в межфазных областях, а кобальта - в обрабатываемый материал, не получают подтверждения в других работах [134]. Тем не менее А.Д. Макаровым [125] было доказано, что изнашивание инструментальною материала сопровождается не только взаимным диффузионным растворением контактирующих материалов, но и вырывом частиц твердого сплава за счет адгезии к обрабатываемому материалу, разупрочненного вследствие диффузионных процессов.
Механизм окислительного изнашивания основывается на процессах образования окисных пленок на поверхностях твердого сплава вследствие окисления их структурных составляющих при высокотемпературном фрикционном контакте [125.127,136]. Вклад
окислительной составляющей в износ твердого сплава становится превалирующим при высоких скоростях резания, что подтверждается экспериментально путем воздействия на зону резания газовых сред [127,145). Проникновение газообразных сред на контактные поверхности инициирует разрушение инструментального материала, проявляющееся в виде микроскопических трещин, пор и проточин. Интенсивность окислительных процессов и степень их влияния ка изнашивание твердых сплавов существенно зависит от температуры резания. Минимум интенсивности изнашивания, наблюдающийся при температуре резания менее 600еС, объясняется ’145] положительным влиянием низкотемпературного окисления, способствующего образованию окисных пленок и препятствующих схватыванию с обрабатываемым материалом. Влияние окислительных процессов на механизм и интенсивность изнашивания твердых сплавов помимо указанных. по мнению Н.С. Колева [136], проявляется и через интенсификацию усталостных повреждений при циклическом нагружении сплавов, приводящих к возникновению в их приповерхностных слоях субмикроскопических трещин. Совокупность одновременно протекающих физико-химических процессов при температурах резания порядка 900-1200 °С приводит к течению приконтакгных слоев и пластической деформации твердого сплава за счет снижения предела текучести. Такой вид деформации инструментального материала относится, по мнению Н.В. Талактова [146]. к категории ползучести, форма реализации которого зависит от условий контакта с обрабатываемым материалом, закономерностей распределения давлений и контактных температур по длине контакта [150]. Пластическая деформация инструментального материала сопровождается разрушением поверхностных слоен за счет вырыва отдельных карбидных зерен [125.147]. При предельно высоких контактных температурах между твердым сплавом и обрабатываемой статью возможно образование тонких пленок по типу легкоплавких соединений диффузионного происхождения. В результате ползучести наблюдается заметное формоизменение режущего клина (рис. 1.7) с последующим сколом. Вид формоизменения контактных поверхностей инструментального материала зависит [342.146.147] от теплопроводности контактирующих материалов, а также прочностных свойств обрабатываемых материалов. Указанные характеристики оказывают существенное влияние на формирование контактных условий и определяют схему ползучести.
Анализ механизмов изнашивания инструментальных твердых сплавов показывает, что для снижения интенсивности изнашивания твердых сплавов и повышения их эксплуатационных характеристик, требуется создание инструментальных материалов с высокими физико-механическими и химическими свойствами, а также конкретизация соответствующих условий резания.
37
Рис. 1.7. Схема пластического деформирования режущего клина инструмента из твердого сплава [125].
Как следует из приведенного обзора, активными параметрами, регулирующими протекание всех трибофизических процессов и определяющих интенсивность поверхностного разрушения, являются скорость и температура резания [125,145 -148].
1.2.2. Пути совершенст вования инструментальных твердых сплавов
Одним из направлений совершенствования инструментальных твердых сплавов является оптимизация размеров карбидной фазы [5.6,166]. Получение сплавов с мелкозернистой структурой способствует повышению стабильности их физико-механических свойств [121.122.171]. К настоящему времени разработаны технологии получения мелко-, особо-мелко- и ультрамелкозернистых (до 0,1-0.5 мкм) твердых сплавов, применяемых при обработке резанием различных классов материалов [36,151,156]. Мелкозернистые сплавы характеризуются повышенной сопротивляемостью пластической деформации в условиях высоких термических напряжений [171].
Другие направления совершенствования твердых сплавов связаны с оптимизацией состояния связующей фазы, использования различных легирующих добавок и формирования дисперсных структур.
Анализ исследований и разработок [157-168] показывает, что необходимые для материалов инструментального назначения свойства: твердость, износостойкость, ударная