Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении

Исследовано поведение многослойного вакуумно-плазменного покрытия, нанесенного на сталь 20Х13, в растворе хлорида натрия с различным pH, а также в растворах соляной и серной кислот. Проведены испытания в условиях коррозионной среды при циклическом нагружении. Использование защитных покрытий приводит...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2013
Main Authors:	Вакуленко, К.В., Казак, И.Б.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2013
Series:	Проблемы машиностроения
Subjects:	Материаловедение в машиностроении
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99113
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении / К.В. Вакуленко, И.Б. Казак // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 1. — С. 75-79. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99113
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-991132025-02-09T17:28:36Z Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении Performance multilayer coatings in different environments and under cyclic loading Вакуленко, К.В. Казак, И.Б. Материаловедение в машиностроении Исследовано поведение многослойного вакуумно-плазменного покрытия, нанесенного на сталь 20Х13, в растворе хлорида натрия с различным pH, а также в растворах соляной и серной кислот. Проведены испытания в условиях коррозионной среды при циклическом нагружении. Использование защитных покрытий приводит к повышению коррозионной стойкости в средах различной агрессивности в 11–90 раз и усталостной прочности в 1,2 раза. Досліджено поведінку багатошарового вакуумно-плазмового покриття, що нанесене на сталь 20Х13, у розчині хлориду натрію з різним pH, а також у розчинах соляної і сірчаної кислот. Проведені випробування в умовах корозійного середовища при циклічному навантаженні. Використання захисних покриттів приводить до підвищення корозійної стійкості в середовищах різної агресивності в 11–90 разів і утомної міцності в 1,2 рази. Investigated the behavior of multilayer vacuum-plasma coatings deposited on steel 20Ch13, at sodium chloride solution with different pH, as well as in solutions of hydrochloric and sulfuric acids. Been tested in a corrosive environment under cyclic loading. The use of protective coatings leads to increased corrosion resistance in various aggressive environments in the 11 – 90 times and fatigue strength in the 1,2. 2013 Article Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении / К.В. Вакуленко, И.Б. Казак // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 1. — С. 75-79. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99113 620.198:620.193; 620.194.23 ru Проблемы машиностроения application/pdf Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Материаловедение в машиностроении Материаловедение в машиностроении
spellingShingle	Материаловедение в машиностроении Материаловедение в машиностроении Вакуленко, К.В. Казак, И.Б. Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении Проблемы машиностроения
description	Исследовано поведение многослойного вакуумно-плазменного покрытия, нанесенного на сталь 20Х13, в растворе хлорида натрия с различным pH, а также в растворах соляной и серной кислот. Проведены испытания в условиях коррозионной среды при циклическом нагружении. Использование защитных покрытий приводит к повышению коррозионной стойкости в средах различной агрессивности в 11–90 раз и усталостной прочности в 1,2 раза.
format	Article
author	Вакуленко, К.В. Казак, И.Б.
author_facet	Вакуленко, К.В. Казак, И.Б.
author_sort	Вакуленко, К.В.
title	Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении
title_short	Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении
title_full	Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении
title_fullStr	Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении
title_full_unstemmed	Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении
title_sort	эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Материаловедение в машиностроении
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99113
citation_txt	Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении / К.В. Вакуленко, И.Б. Казак // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 1. — С. 75-79. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Проблемы машиностроения
work_keys_str_mv	AT vakulenkokv éffektivnostʹmnogoslojnyhpokrytijvrazličnyhsredahipricikličeskomnagruženii AT kazakib éffektivnostʹmnogoslojnyhpokrytijvrazličnyhsredahipricikličeskomnagruženii AT vakulenkokv performancemultilayercoatingsindifferentenvironmentsandundercyclicloading AT kazakib performancemultilayercoatingsindifferentenvironmentsandundercyclicloading
first_indexed	2025-11-28T18:30:59Z
last_indexed	2025-11-28T18:30:59Z
_version_	1850059959306289152
fulltext	МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 1 75 УДК: 620.198:620.193; 620.194.23 К. В. Вакуленко, канд. техн. наук И. Б. Казак, канд. техн. наук Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (г. Харьков, e-mail: matsevlad@ipmach.kharkov.ua) ЭФФЕКТИВНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ И ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ Исследовано поведение многослойного вакуумно-плазменного покрытия, нанесенного на сталь 20Х13, в растворе хлорида натрия с различным pH, а также в растворах соляной и серной кислот. Проведены испытания в условиях коррозионной среды при циклическом нагружении. Использование защитных покрытий приводит к повышению коррозионной стойкости в средах различной агрессивности в 11–90 раз и усталостной прочности в 1,2 раза. Досліджено поведінку багатошарового вакуумно-плазмового покриття, що нанесене на сталь 20Х13, у розчині хлориду натрію з різним pH, а також у розчинах соляної і сірча- ної кислот. Проведені випробування в умовах корозійного середовища при циклічному навантаженні. Використання захисних покриттів приводить до підвищення корозійної стійкості в середовищах різної агресивності в 11–90 разів і утомної міцності в 1,2 рази. Введение и постановка задачи В настоящее время широкое распространение получили защитные покрытия на ос- нове карбидов, нитридов, оксидов d-переходных металлов и sp-элементов. Эти покрытия обладают высокой износостойкостью в условиях адгезионно-усталостного изнашивания, низкой адгезионной активностью, достаточной адгезионной и когезионной прочностью, вы- сокой твердостью, низкой пористостью, термостойкостью [1, 2]. С целью улучшения свойств покрытий на основе простых нитридов их легируют Si, B, Al, Ni, Cr, которые способствуют формированию зернограничной фазы по границам на- нозерен нитрида, что ограничивает рост зерна на уровне d ≤ 10–15 нм. Еще одним направле- нием улучшения свойств ординарных покрытий этого класса является создание многослой- ных покрытий, состоящих из твердых и очень тонких промежуточных пластичных слоев, что позволяет решать проблему создания высокопрочных покрытий. Этот уникальный комплекс свойств позволяет использовать данный вид покрытий для снижения интенсивности схватывания поверхностей контактирующих материалов, по- вышения износостойкости, предотвращения или уменьшения скорости коррозионной по- вреждаемости материалов и т. д. [1–5]. Вместе с тем еще недостаточно исследовано влияние защитных свойств многослойных покрытий в различных средах при циклическом нагруже- нии. Целью работы является исследование защитных свойств многослойных вакуумно- плазменных покрытий Cr + (TiCr)N на стали 20Х13 в средах различной агрессивности и в условиях циклического нагружения. Методика исследований Покрытия, состоящие из чередующихся слоев Cr и (TiCr)N, нанесены на образцы из стали 20Х13 методом конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ). Общая толщина по- крытий составляла 10–12 мкм, количество слоев – 20 (10 слоев Cr + 10 слоев(TiCr)N). Струк- туру и состав полученных покрытий изучали на растровом электронном микроскопе ZEISS EVO 40XVP с системой рентгеновского микроанализа INCA ENERGY. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 1 76 Коррозионно-электрохимические исследования полученных покрытий осуществля- лись в потенциодинамическом режиме со скоростью подачи потенциала 2 мВ/с в различных средах: в 3%-м растворе NaCl c разным pH и при разных температурах, в 10%-м растворе HCl и 10%-м растворе H2SO4. Электродом сравнения служил хлоридсеребряный электрод. Оценка коррозионной стойкости исследуемых материалов производилась по величине плот- ности тока коррозии. Коррозионно-усталостные испытания проведены на установке типа МУИ-6000 по схеме чистого изгиба с вращением на базе 2·107 циклов при симметричном цикле нагруже- ния. Результаты и их обсуждение Результаты изучения структурных составляющих полученного многослойного по- крытия Cr + (TiCr)N представлены в табл. 1 и на рис. 1. Анализ полученных данных свиде- тельствует о том, что структурные составляющие многослойного покрытия Cr + (TiCr)N представляют собой соединения системы Ti-Cr-N. Капельная составляющая покрытия со- держит частицы материала катода, не прореагировавшие с реакционным газом. Результаты электрохимической оценки коррозионной стойкости покрытий, нанесен- ных на образцы из стали 20Х13, представлены в табл. 2. Анализ полученных результатов свидетельствует о следующем. − При испытаниях в 3%-м растворе NaCl с изменением рН от 2,5 до 11,2 коррозионная стойкость образцов с покрытием выше по сравнению со сталью 20Х13 от 37,5 до 11 раз соответственно. При переходе от кислотной среды к щелочной стойкость покрытия воз- растает в 2 раза. Cr Cr Ti N Ti Cr Ti 0 2 4 6 8Е, кеВ N Ti Cr CrCr Ti Ti 0 2 4 6 8Е, кеВ Рис. 1. Микрорентгеноспектральный анализ характерных структурных составляющих многослойного покрытия Cr + (TiCr)N и их спектрограммы МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 1 77 − В ходе испытаний в 3%-м растворе NaCl с рН 6,4 с повышением температуры коррози- онная стойкость образцов с покрытием превышает стойкость стали 20Х13 в 2 раза. − В растворах кислот коррозионная стойкость покрытия выше по сравнению со сталью в 90 раз в 10%-м растворе НCl и свыше 20 раз в 10%-м растворе Н2 SO4. Таблица 1. Химический состав характерных структурных составляющих покрытия Cr + (TiCr)N Место точечного анализа Спектр 1 Спектр 2 Содержание элементов ат. % мас. % ат. % мас. % N 53,8 24,9 — — Ti 32,7 51,8 95,6 95,3 Cr 13,6 23,3 4,3 4,7 Таблица 2. Электрохимические характеристики и коррозионная стойкость многослойного покрытия на стали 20Х13 в разных средах Материал Среда Показатели коррозии Сталь 20Х13 Сталь 20Х13 {Cr+(TiCr)N} Екор, мВ –500 –263 ікор, мА/м2 111,0 2,96 bк 0,103 0,105 2,5 рН bа 0,068 0,057 Екор, мВ –220 –298 ікор, мА/м2 31,8 1,95 bк 0,076 0,074 20 °С bа 0,044 0,053 Екор, мВ –336 –260 ікор, мА/м2 4,85 2,26 bк 0,150 0,138 40 °С bа 0,029 0,049 Екор, мВ –314 ікор, мА/м2 4,0 bк 0,298 0,123 6, 4 рН 60 °С bа 0,142 0,120 Екор, мВ –336 –213 ікор, мА/м2 16,8 1,48 bк 0,079 0,100 3 % -й р ас тв ор N aC l 11,2 рН bа 0,074 0,414 Екор, мВ –416 –409 ікор, мА/м2 2584,0 28,5 bк 0,085 0,085 10% HCl bа 0,071 0,064 Екор, мВ –415 –410 ікор, мА/м2 5434,0 254,0 bк 0,080 0,048 10% H2SO4 bа 0,047 0,082 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 1 78 Таким образом, результаты оценки электрохимических характеристик и коррози- онной стойкости многослойного покрытия в разных средах свидетельствуют об эффектив- ности использования покрытия {Cr+(TiCr)N} для снижения скорости коррозионного повреж- дения стали 20Х13 во всех исследованных сре- дах. На следующем этапе работы представ- лялось необходимым изучить способность предложенного покрытия противостоять воз- действию коррозионной среды в условиях цик- лического нагружения. Испытания проводили в среде водопроводной воды и в 3%-м растворе NaCl при температуре 80 °С, используя разъем- ное приспособление, которое состояло из ван- ночки со штуцером для слива жидкости, уплот- нительной резиновой прокладки и крышки со встречной резиновой прокладкой. В верхней части крышки закреплялась металлическая трубка с рассеивателем, позволяющим распре- делять струю жидкости по всей рабочей по- верхности образца. При этом образец омывался жидкостью постоянно. Ванночка закреплялась на корпусе машины. Нагревание жидкости осуществлялось с помощью термостата, что позволяло автоматически поддерживать задан- ную температуру жидкой среды и ее циркуля- цию. В процессе испытаний определялись ограниченный предел выносливости и ограниченная долговечность при перегрузках. Испы- тания проводились до полного разрушения образца. Результаты усталостных испытаний в различных средах представлены на рис. 2. Обращает на себя внимание тот факт, что при испытаниях в водной среде определя- ется действительный предел выносливости (классический вид кривой усталости), а при ис- пытаниях в солевом растворе наблюдается постепенное снижение разрушающего напряже- ния с увеличением числа циклов нагружения, т.е. определяется ограниченный предел вы- носливости на базе 107 циклов. Сравнение усталостных кривых для образцов без покрытия в различных средах по- казывает, что в среде 3%-го раствора NaCl предел выносливости снижается с 210 МПа (кри- вая 1) до 90 МПа (кривая 3). Кривая 2, соответствующая испытаниям образцов стали 20Х13 с покрытием, лежит несколько выше кривой 3, при этом предел ограниченной выносливости σ-1 равен 110 МПа. Исследование изломов образцов показало, что разрушение образцов как с покрыти- ем, так и без него и при высоких, и при малых напряжениях начинается с поверхности. На образцах без покрытия, разрушившихся при высоком напряжении (и соответст- венно малом количестве циклов нагружения), в зоне начала деформации наблюдается не- большое количество крупных рубцов и ступенек, свидетельствующих о высокой степени перегрузки при симметричном изгибе. Зона усталостного разрушения отличается ускорен- ным развитием, а зона долома невелика. На образцах с покрытием наблюдается большое количество очагов начала деформации, а зона развития усталостного разрушения характери- зуется множественными мелкими рубцами. Зона долома также небольшая. Рис. 2. Результаты коррозионно-усталостных испытаний: 1– сталь 20Х13 без покрытия в среде воды; 2 – сталь 20Х13 с покрытием в растворе NaCl; 3 – сталь 20Х13 без покрытия в растворе NaCl МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 1 79 Отличие в изломах образцов с покрытиями и без покрытий, разрушенных при малых напряжениях (большое количество циклов нагружения) состоит в том, что образцы с покры- тиями не имеют ярко выраженных рубцов и ступенек, а само разрушение происходит доста- точно быстро. На изломах образцов с покрытием наблюдаются зоны замедленного усталостного развития с четко выраженными волнообразно расположенными усталостными линиями. Выводы Таким образом, установлено, что многослойное покрытие повышает коррозионную стойкость стали 20Х13 в 11–37 раз в 3%-м растворе NaCl с различным рН и в 20–90 раз в 10%-х растворах Н2 SO4 и НCl соответственно. Результаты усталостных испытаний образцов с многослойным покрытием {Cr +(TiCr)N} на стали 20Х13 в 3 %-м растворе NaCl по сравнению с результатами испытаний в таких же условиях образцов без покрытия свидетельствуют о том, что нанесенное покрытие приводит к повышению усталостной прочности образцов из стали 20Х13. При этом несколько изменяется и сам характер разру- шения образцов в сторону замедленного развития разрушения. Литература 1. Мацевитый В. М. Покрытия для режущих инструментов / В. М. Мацевитый. – Харьков: Вища шк., 1987. – 128 с. 2. Мацевитый В. М. Физико-технические аспекты адгезии твердых тел // В. М. Мацевитый, И. Б. Казак, К. В. Вакуленко. – Киев: Наук. думка, 2010. – 255 с. 3. Корозійна тривкість іонно-плазмового багатошарового нітридтитанового покриття у середовищах різної агресивності / В. Мацевітий, О. Калахан, І. Казак та ін. // Фізико-хімічна механіка матеріа- лів. Спец. випуск: «Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів»: в 2-х т. – Львів. – 2008. – Т. 1, № 7. – С. 263–267. 4. Корозійно-елекрохімічна поведінка вакуумно-плазмового та магнетронного TiN покриття на сталі 20Х13 у середовищах різної агресивності / О. Калахан, В. Мацевітий, І. Казак та ін. // Фізико- хімічна механіка матеріалів. Спец. випуск: «Проблеми корозії та протикорозійного захисту мате- ріалів». – Львів. – 2010. – № 8. – С. 276–280. 5. Захисні властивості покриття TiN, осадженого магнетронним методом на сталь 20Х13 / О. С. Калахан, С. Й. Ковалишин, Г. Г. Веселівська та ін. // Вопр. химии и хим. технологии. – 2011. – № 4(1). – С. 215–217. Поступила в редакцию 07.12.12

Эффективность многослойных покрытий в различных средах и при циклическом нагружении

Institution

Similar Items