Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Кузнецова Ю.А. 1 Лауринас В.Ч. 1 Гученко С.А. 1 Юров В.М. 1

---

1 Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова

В работе рассмотрено влияние лазерного излучения на трибологические свойства многоэлементных покрытий. Покрытия получали ионно-плазменным методом при одновременном распылении композиционного катода Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al и титанового катода в атмосферах аргона и азота. При осаждении Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti в атмосфере азота структура покрытия резко изменяется, при этом формируются области, содержащие нитриды титана и хрома. После лазерной обработки покрытий Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученных в среде аргона и азота, коэффициенты трения уменьшаются. Для покрытий, полученных в среде аргона, уменьшение коэффициента трения более значительно, чем для покрытий, полученных в среде азота. Эффект лазерного воздействия на трибологические свойства покрытий связывается с уменьшением шероховатости поверхности за счет ее оплавления лазерным лучом.

Статья в формате PDF

2514 KB

покрытие

структура

трение

лазерное излучение

1. Булгаков А.В., Булгакова Н.М., Бураков И.М. и др. Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество. – Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2009. – 462 с.

2. Вейко В.П., Петров А.А. Введение в лазерные технологии. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. – 143 с.

3. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: Изд-во МГТУ, 2006. – 664 с.

4. Калиниченко А.С., Бергман Г.В. Управляемое направленное затвердевание и лазерная обработка: теория и практика. – Минск: Технопринт, 2001. – 367 с.

5. Колесников В.А., Байсагов Я.Ж., Юров В.М. Информационно-измерительный прибор для определения коэффициента трения скольжения // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 12. – Ч. 1. – С. 121–124.

6. Лосев В.Ф., Морозова Е.Ю., Ципилев В.П. Физические основы лазерной обработки материалов. – Томск: ТПУ, 2011. – 199 с.

7. Майоров В.С. Лазерное упрочнение металлов // Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. – М.: Физматлит, 2009. – С. 439–469.

8. Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. – Красноярск, СФУ, 2008. – 312 с.

9. Самсонов Г.В. Нитриды. – Киев: Наукова думка, 1969. – 312 с.

10. Соболь О.В., Андреев А.А., Горбань В.Ф. и др. О воспроизводимости однофазного структурного состояния многоэлементной высокоэнтропийной системы Ti-V-Zr-Nb-Hf и высокотвердых нитридов на ее основе при их формировании вакуумно-дуговым методом // Письма в ЖТФ. – 2012. – Т. 38, Вып. 13. – С. 40–47.

В последнее время возрос интерес исследователей к синтезу высокоэнтропийных многоэлементных однофазных покрытий вакуумными методами [10]. Это связано с тем, что такие составы практически невозможно получить обычными методами металлургии.

Лазерное излучение обладает высокой энергонасыщенностью, монохроматичностью и когерентностью, узкой направленностью. Оно позволяет концентрировать энергию с плотностью мощности от предельно малой до 10¹⁸ Вт/см2. Лазерное излучение при воздействии на поверхность обрабатываемого материала позволяет быстро и дозированно передавать эту энергию [2–4, 7].

В настоящей работе приведены экспериментальные результаты по лазерному воздействию на коэффициент трения многоэлементных покрытий.

Материалы и методы эксперимента

В настоящей работе использовались катоды Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al, полученные методом индукционного плавления, и титановые катоды марки ВТ-1-00 по ГОСТ 1908. Покрытия наносились на стальную подложку ионно-плазменным методом на установке ННВ-6.6И1 при одновременном распылении указанных выше катодов. Исследование микроструктуры и количественный анализ элементного состава композиционных катодов и покрытий проводились на электронном микроскопе JEOL JSM-5910. Трибологические исследования проводились на установке, описанной в работе [5].

Нами использовалось осаждение многоэлементных покрытий в условиях ионного ассистирования. Перед нанесением покрытий в вакуумной камере производилась очистка подложек сначала тлеющим разрядом, для этого на подложку подавалось напряжение (1–3) кВ в течение (5–10) мин, затем – ионная очистка.

Покрытия наносились в среде аргона и азота. В качестве источника лазерного излучения в работе использовался лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом (λ = 1064 нм). Длительность вспышки ламп накачки лазера, работавшим в режиме свободной генерации, составляла 2∙10^–3 с. Энергия лазерного импульса составляла 1 Дж и перед проведением эксперимента измерялась с помощью ИМО-2Н, частота следования лазерных импульсов регулировалась от 0,1 до 35 Гц.

Результаты эксперимента и их обсуждение

На рис. 1 показано электронно-микроскопическое изображение покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде аргона. Отчетливо видны зерна титана размером от 1 до 10 мкм в диаметре. Материалы с таким размером зерен принято называть крупнокристаллическими.

Результаты количественного РФЭС-анализа показали, что содержание Mn, Si, Cu и Al менее 1 масс. %. При нанесении в среде азота структура покрытия резко изменяется (рис. 2) благодаря образованию нитрида титана.

Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение покрытия Cr-Mn-Si-Cu- Fe-Al+Ti в среде аргона

Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде азота

В этом случае средний размер зерен составляет (100–150) нм. Такие покрытия называют субмикрокристаллическими. Результаты количественного РФЭС-анализа покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al+Ti в среде азота показали, что содержание хрома, титана и азота близки между собой. Это говорит о том, что помимо образования нитрида титана идет процесс образования и нитрида хрома. Из рис. 2 видно, что микрокристаллиты нитридов титана и хрома имеют преимущественную ориентацию (предположительно в направлении (200)), что также отлично от сферической симметрии микрокристаллитов чистого титана (рис. 1).

В табл. 1 приведены коэффициенты трения образцов Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученных в среде аргона, а табл. 2 – в среде азота без лазерной обработки и после лазерной обработки. Определение коэффициентов трения производилось в паре: покрытие – покрытие; покрытие – алюминий; покрытие – медь.

Таблица 1

Результаты трибологических исследований покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде аргона

Таблица 2

Результаты трибологических исследований покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде азота

Сущность лазерного упрочнения железоуглеродистых сталей, как и обычных методов закалки, состоит в бездиффузионном превращении при быстром охлаждении гранецентрированной кубической решетки аустенита в искаженную объемо-центрированную решетку мартенсита [1].

Закалка цветных металлов не связана с фазовыми переходами в объеме вещества, а обусловлена «исправлением» искажений структуры металлов, возникших при их затвердевании [8, 9]. Поэтому в нашем случае влияние лазерного излучения на свойства композиционных покрытий, основу которых составляет алюминий, не столь тривиально, как это может показаться с первого взгляда. К этому нужно добавить и наноструктурное состояние исследованных покрытий, теплофизические свойства которых значительно отличаются от объемных свойств вещества.

Как следует из табл. 1 и 2, коэффициент трения одноименных пар металлов (покрытие ‒покрытие) значительно больше, чем для разноименных. Это классический результат, который говорит о том, что для уменьшения трения в сопряженных парах необходимо использовать разнородные металлы или разнородные металлические покрытия.

После лазерной обработки покрытий коэффициенты трения уменьшаются. Для покрытий, полученных в среде аргона, уменьшение коэффициента трения более значительно, чем для покрытий, полученных в среде азота.

Эффект лазерного влияния на коэффициенты трения покрытий мы связываем с уменьшением их шероховатости после оплавления лазерным лучом. Отличие покрытий, полученных в среде азота, связано с наличием, как было показано выше, нитридных фаз титана и хрома, которые мало чувствительны к малым дозам облучения из-за их высокой температуры плавления.

Заключение

На основе представленных в настоящей работе результатов исследования можно сделать вывод, что, изменяя режимы лазерного облучения металлических покрытий, можно изменять их трибологические свойства.

Работа выполнена по программе МОН РК 055 «Научная и/или научно-техническая деятельность», подпрограмма 101 «Грантовое финансирование научных исследований».

Библиографическая ссылка