Гратон СК
Общество с ограниченной ответственностью "Гратон-СК", Москва
Работает с 1999 года
Электронная почта: plant@graton.su
Контактные телефоны: (499) 132 6009
(499) 135 4184
главная страница / испытания и исследования покрытий / исследование износостойкости

ИССЛЕДОВАНИЕ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И МИКРОТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ ХРОМАЗОТИСТОЙ СТАЛИ С ИОННО–ПЛАЗМЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
(1) Исследование абразивной износостойкости образцов–имплантатов с ионно–плазменными покрытиями

Испытания на абразивную износостойкость проводилась по методике, широко используемой в часовой и ювелирной отраслях промышленности для оценки стойкости декоративных, износостойких биоинертных покрытий, контактирующих с кожей человека.

Суть эксперимента заключается в следующем. Барабан установки (диаметром 100мм и шириной 50мм) заполняют абразивным материалом. В качестве абразивного материала используют резину (содержащую вкрапления микрочастиц абразива), нарезанную в виде гранул (с условным диаметром 4-6мм) и предварительно обработанную в барабане в течение 8ч.

Образцы (диаметром 7мм, толщиной 2мм) загружают в барабан, заполненный гранулами абразивной резины на 1/3. При вращении барабана (скорость вращения 30об/мин.) происходит истирание покрытия абразивным материалом. Замеры убыли массы образцов осуществляются на аналитических весах ВЛР-200 (2 класс, ГОСТ 241004-80) через каждые 6-7 часов при общей продолжительности эксперимента 50 часов. Продолжительность испытания и убыль массы образца предварительно коррелируются с толщиной покрытия для исключения возможности износа основы имплантата – хромазотистой стали. В табл.1 представлены экспериментальные данные убыли массы образцов (по сравнению с исходной массой образца) в зависимости от продолжительности изнашивания.

Экспериментальные данные обработаны с помощью математической программы Mathcad 8. В результате получены апроксимирующие кривые убыли массы m(t) и изменения скорости изнашивания dm/dt в зависимости от продолжительности износа в графическом (рис.1-20) и аналитическом виде. Ряд существенных оценочных характеристик изнашивания образцов, полученных в результате обработки экспериментальных данных, приведены в табл.2.

Таблица 1.

Износостойкость хромазотистых сталей с покрытиями и без них

Группа 1. Хромазотистая сталь без покрытия
номер образца и условное обозначение покрытияуменьшение массы образца*, mx106, г/мм2
продолжительность износа, часы
369111718232429364143444750
1) без покрытия0,30,6-1,61,9-2,7-3,03,1-3,3--3,6
2) без покрытия0,30,8-1,62,2-3,0-3,53,8-4,1--4,3
3) без покрытия0,0-0,2--0,8-1,5-2,83,0-3,63,84,0

Группа 2. Хромазотистая сталь с покрытиями на основе циркония и его соединений
номер образца и условное обозначение покрытияуменьшение массы образца*, mx106, г/мм2
продолжительность износа, часы
3918243641444750
5) Zr00,20,20,92,22,22,43,13,9
7) ZrN00,60,61,01,71,72,62,62,6
8) ZrxCOy00,20,20,81,92,32,73,43,6

Группа 3. Хромазотистая сталь с покрытиями на основе ниобия и его соединений
номер образца и условное обозначение покрытияуменьшение массы образца*, mx106, г/мм2
продолжительность износа, часы
12,5192531,534,542,546,550
18) Nb0,40,80,81,62,02,53,74,14,5
19) Nb00,40,81,22,02,53,23,23,7
20) NbN0,40,40,40,81,61,62,02,52,9
21) NbN000,40,80,80,81,62,02,0
22) NbxCOy0,40,40,81,21,61,62,52,52,5
23) NbxCOy00,41,21,62,92,93,74,14,1

Группа 6. Хромазотистая сталь с покрытием на основе сплава ВТ1-00
номер образца и условное обозначение покрытияуменьшение массы образца*, mx106, г/мм2
продолжительность износа, часы
12,5192531,534,542,546,550
30) ВТ1-0000,20,81,92,73,05,05,05,2
31) ВТ1-000,21,01,22,53,23,75,05,55,5

* - по сравнению с исходной массой образца

Рис.1
Образец №1. Сталь без покрытия

m(t) = 1.706·10-5·t3 - 2.83·10-3·t2 + 0.1721·t - 0.1307

dm/dt = 5.118·10-6·t2 – 5.659·10-3·t + 0.1721

Рис.2
Образец №2. Сталь без покрытия

m(t) = -1.06·10-8·t5 + 2.5304·10-6·t4 - 1.799·10-4·t3 + 3.288·10-3·t2 + 0.1219·t - 0.0264

dm/dt = -5.31·10-8·t4 + 1.0122·10-5·t3 - 5.396·10-4·t2 + 6.576·10-3·t + 0.1219

Рис.3
Образец №3. Сталь без покрытия

m(t)= -3.712·10-5·t3 + 3.526·10-3·t2 - 3.147·10-3·t - 0.0156

dm/dt = -1.114·10-4·t2 + 7.052·10-3·t - 3.147·10-3

Рис.4
Образец №5. Покрытие на основе Zr, продолжительность напыления 10мин.

m(t) = 1.158·10-5·t3 + 6.932·10-4·t2 + 0.01005·t - 0.0199

dm/dt = 3.4736·10-5·t2 + 1.386·10-3·t + 0.01005

Рис.5
Образец №7. Покрытие на основе ZrN, продолжительность напыления 11мин.

m(t)= -1.8016·10-6·t4 + 1.9608·10-4·t3 - 6.263·10-3·t2 + 0.1037·t - 0.0872

dm/dt = -7.2065·10-6·t3 + 5.882·10-4·t2 - 0.0125·t + 0.1037

Рис.6
Образец №8. Покрытие на основе ZrCxOy, продолжительность напыления 11мин.

m(t)= 4.492·10-7·t3 + 1.639·10-3·t2 - 0.0102·t + 0.027

dm/dt = 1.3476·10-6·t2 + 3.2787·10-3·t - 0.0102

Рис.7
Образец № 18. Покрытие на основе Nb, продолжительность напыления 20 мин.

m(t)= 3.17·10-6·t3 + 1.0834·10-3·t2 + 0.0284·t + 0.0895

dm/dt = 9.5099·10-6·t2 + 2.1668·10-3·t + 0.0284

Рис.8
Образец №19. Покрытие на основе Nb, продолжительность напыления 20 мин.

m(t)= 6.52·10-8·t5 - 8.6323·10-6·t4 + 3.579·10-4·t3 - 3.619·10-3·t2 + 0.0307·t - 0.0257

dm/dt = 3.26·10-7·t4 - 3.4529·10-5·t3 + 1.0738·10-3·t2 - 7.239·10-3·t + 0.0307

Рис.9
Образец №20. Покрытие на основе NbN, продолжительность напыления 10мин.

m(t)= -7.137·10-7·t4 + 7.0075·10-5·t3 - 1.2529·10-3·t2 + 0.0315·t + 0.0733

dm/dt = -2.8548·10-6·t3 + 2.1023·10-4·t2 - 2.5058·10-3·t + 0.0315

Рис.10
Образец №21. Покрытие на основе NbN, продолжительность напыления 10мин.

m(t)= - 1.4084·10-6·t3 + 8.685·10-4·t2 + 2.7568·10-3·t - 0.0312

dm/dt = -4.2251·10-6·t2 + 1.737·10-3·t + 2.7568·10-3

Рис.11
Образец №22. Покрытие на основе NbCxOy, продолжительность напыления 10,5 мин.

m(t)= -2.107·10-5·t3 + 1.854·10-3·t2 + 0.0104·t + 0.091

dm/dt = -6.3217·10-5·t2 + 3.7085·10-3·t + 0.0104

Рис.12
Образец №23. Покрытие на основе NbCxOy, продолжительность напыления 10,5 мин.

m(t)= 8.1884·10-10·t6 - 1.298·10-7·t5 + 7.8998·10-6·t4 - 3.018·10-4·t3 + 8.9718·10-3·t2 - 0.0436·t - 1.8·10-3

dm/dt = 4.9·10-9·t5 - 6.49·10-7·t4 + 3.16·10-5·t3 - 9.054·10-4·t2 + 0.0179·t - 0.0436

Рис.13
Образец № 30. Покрытие на основе ВТ1-00, продолжительность напыления 17 мин.

m(t) = -8.41·10-5·t3 + 7.8525·10-3·t2 - 0.0769·t + 0.0779

dm/dt = -2.523·10-4·t2 + 0.0157·t - 0.0769

Рис.14
Образец №31. Покрытие на основе ВТ1-00, продолжительность напыления 17 мин.

m(t)= -5.681·10-5·t3 + 5.0755·10-3·t2 + 6.367·10-4·t + 0.0424

dm/dt = -1.704·10-4·t2 + 0.0102·t + 6.367·10-4

Таблица 2
Характеристики абразивного изнашивания образцов-имплантатов из хромазотистой стали с ионно-плазменными покрытиями и без них

образецdm/dt при t=0tmin(dm/dt)tmax(dm/dt)dm/dt при t=50Dm=m(t) при t=50
1) без покрытия0,15050,01713,6
2) без покрытия0,14480,0354,3
3) без покрытия0; 0,022*3310,0714,0
5) Zr0; 0,022*3500,16623,9
7) ZrN0; 0,0667*15400,04722,6
8) ZrCxOy0; 0,022*3480,15713,6
18) Nb0,066710480,16054,5
19) Nb0; 0,032*46280,07487,8
20) NbN0,066712410,0752,9
21) NbN0; 0,021*5470,03782,5
22) NbCxOy0,066750310,0792,0
23) NbCxOy0; 0,032*50270,01884,1
30) ВТ1-000;5320,07755,2
31) ВТ1-000,03350300,08215,5

Примечание 1 - скорость изнашивания [dm/dt·106 г/мм2·ч] в начальный момент (t=0);
примечание 2 - продолжительность изнашивания [ч], при которой достигается минимальная скорость износа;
примечание 3 - продолжительность изнашивания, при которой достигается максимальная скорость износа;
примечание 4 - скорость изнашивания (убыли массы) при продолжительности испытания на износ 50 часов (t=50);
примечание 5 - Dm=m(t)
при t=50 - экспериментальные значения убыли массы [Dm=m(t)·106г/мм2] образцов при продолжительности испытания на износ 50 часов (t=50);
* - среднее значение скорости изнашивания от нулевого до первого ненулевого значения убыли массы.

Анализ экспериментальных данных по критериям, приведенным в таблице 2, позволяет сделать следующие выводы:

1) Скорость изнашивания [dm/dt·106 г/мм2·ч] в начальный момент (t=0) в половине случаев (57,2%) имеет небольшие значения (0,033 и менее).

2) Продолжительность изнашивания tmin(dm/dt) [ч], при которой достигается минимальная скорость износа, у 43% образцов (образцы № 1,2,19,22,23,31) находится в пределах 44-50 часов (заключительная стадия испытаний). Другая группа образцов (№ 3,5,7,8,18,20,21,30), составляющая 57% от общей массы, имеет минимальную скорость изнашивания в начальной стадии процесса износа (продолжительность 3-15 часов).

3) Максимальная скорость износа в 43% случаях наблюдается при продолжительности изнашивания 27-32 часов, то есть находится в середине участка кинетической кривой убыли массы во времени. Также в 43% случаях максимальная скорость износа приходится на завершающую стадию испытания (40-50 часов) и лишь 14% - на начальную стадию (5–8 часов).

4) Для образцов с покрытиями, отличающихся лучшей износостойкостью (NbN, ZrN – см. табл.2), характерно следующее:
  а) минимальная скорость изнашивания наблюдается в начальной стадии испытания в интервале 3-15 часов);
  б) максимальная скорость изнашивания образцов с указанными покрытиями находится в области завершающей стадии эксперимента (40-47 часов);
  в) как следует из данных эксперимента, наименьшей износостойкостью обладают хромазотистая сталь без покрытия и с покрытиями ниобием, цирконием и титаном - ВТ1-00 (убыль массы 3,9·10-6 - 5,35·10-6 г/мм2). Лучшей износостойкостью (в 1,5-2 раза) характеризуются образцы с покрытиями на основе нитридов циркония и ниобия.

(2) Исследование микротвердости образцов из хромазотистой стали с покрытиями.

Исследована микротвердость поверхности образцов из хромазотистой стали без покрытий и с ними (табл.3 и 4)

Таблица 3.
Микротвердость поверхности образцов из хромазотистой стали

№ и характеристика образцовмикротвердость Н20, МПаН20ср , МПа
1) без покрытия270290295256310302287
2) без покрытия350340280320320310320
3) Zr340450420362320320369
17) Zr280302340340320320317
7) ZrN594520442370520382466
8) ZrCxOy508473350442386400427
18) Nb412386473473412548451
19) Nb386442350508592473459
20) NbN928644592701680570686
21) NbN548490590450701644571
22) NbCxOy594412340340442490436
23) NbCxOy386412412473456412425

Сопоставление значений микротвердости поверхности имплантатов и характеристик их износостойкости (табл.4) позволяет высказать следующие предположения:

1) Наблюдается определенная корреляция между микротвердостью и износостойкостью (убылью массы) образцов – имплантатов из хромазотистой стали без покрытия и с покрытиями на основе циркония и фаз внедрения (NbN, ZrN, NbCxOy, ZrCxOy, ). С понижением твердости уменьшается износостойкость.

Таблица 4.
Усредненные значения исходной микротвердости и удельной убыли массы образцов–имплантатов из хромазотистой стали с покрытиями и без них за 50 часов изнашивания

условное обозначение покрытияусредненная микротвердость Н20ср , МПаубыль массы, mx106, г/мм2
NbN6292,45
ZrN4662,6
NbCxOy4313,3
ZrCxOy4273,6
Zr3433,9
без покрытия3043,97
Nb4554,1
ВТ1-00-5,35

2) Пока неясной является причина малой износостойкости покрытия на основе ниобия, обладающего достаточно высокой твердостью

 

в начало
на главную

 

карта сайта
главная страница
напыление поверхностных слоев
триботехнические качества
историческая справка
образцы ПКХП
коррозионная стойкость ПКХП
технология ПКХП
химическая стойкость ПКХП
вакуумная техника
фотогалерея
оптимальный комплекс
напыление автомобильных зеркал
термовакуумная установка
основные направления
покрытия на имплантанты
нирвана и сансара
испытания и исследования покрытий
апробация ПКХП
исследования ПКХП
заключение о ПКХП
  исследование изностойкости
покрытия на лопатках 1
покрытия на лопатках 2
покрытия на лопатках 3
алюминидные покрытия
ТУ на ВСДП11
покрытия детонационные
средства контроля
коррозионно стойкие покрытия
испытания на коррозийную стойкость
ионно-плазменное напыление
технологические основы
мембранные технологии
цирконий для биосовместимых покрытий
технология биоинертных имплантантов
результаты исследований 1
результаты исследований 2
коррозионная стойкость
метод летучих ингибиторов коррозии
методы коррозионных испытаний
керамика
композиционная керамика
архитектурное стекло
селективное стекло
наномандула
технология построения песочных мандул
Киотский протокол
Киотский протокол 1
Киотский протокол, статьи 1-10
полемика
Киотский протокол, статьи 11-28
Венская конвенция
Монреальский протокол
мнения
глобальные проекты
космическая энергостанция
модель биосферы
залатать озоновые дыры

 

© 2005-2008 Гратон-СК