Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время для упрочнения поверхности деталей машин и механизмов широко применяются различные технологии порошковой металлургии. Наиболее перспективны из них высокоэнергетические способы нанесения износостойких покрытий (плазменное и газопламенное напыление, электродуговая металлизация проволоками и др.). Как показывает анализ работ, для восстановления изношенных деталей техники в промышленных масштабах ремонтного производства по технико-экономическим показателям наиболее эффективна технология электродуговой металлизации порошковыми проволоками.
Для высокоэнергетических технологий нанесения износостойких покрытий в основном используются самофлюсующиеся сплавы на никелевой или кобальтовой основе и их смеси с модификаторами из тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, оксидов и др., которые обеспечивают образование упрочняющих фаз и улучшают структуру покрытия. Покрытия из порошковых проволок характеризуются высокой степенью неоднородности структуры – выделениями избыточных дисперсных и коагулированных фаз, слоистым строением и пористостью. Это обусловлено спецификой высокоэнерге-тических технологических процессов, заключающейся в быстропротекающем (10-3 – 10-5с) высокотемпературном (до температуры плавления) нагреве частиц порошкового материала и их последующем высокоскоростном охлаждении и застывании.
Физико-механические свойства упрочняющих фаз в структуре покрытий из порошковых проволок существенно влияют на эксплуатационные характеристики обработанной поверхности деталей машин и механизмов. Поэтому необходимо исследовать структуру порошковых покрытий, распределение состава и свойств фаз, чтобы оценить износостойкость упрочненной поверхности. При этом следует выявить, как особенности структуры покрытия из порошковой проволоки будут проявляться в процессе изнашивания его поверхности трения.
Таким образом, исследование взаимосвязи состава, структуры и свойств износостойких покрытий из порошковых проволок с характеристиками износа поверхности трения является актуальной проблемой, позволяет научно обосновать технологию получения покрытий с заданными физико-механическими свойствами, обеспечивает возможность разработать пути повышения их эксплуатационных характеристик. Анализ исследований показывает, что для разработки способов повышения износостойкости порошковых покрытий остаются также актуальными работы по использованию методов последующей термической обработки с целью улучшения их структуры.
Связь работы с крупными научными программами. В основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно-исследовательским работам: Программа фундаментальных исследований СО РАН 2.3.3. «Механика деформируемых тел, перспективных материалов, конструкций и сооружений, трибология» и 2.3.6. «Наукоемкие технологии, конструкционное материаловедение и проблемы безопасности в машиностроении», проект «Исследование структурно-деградационных процессов деформирования и разрушения материалов в экстремальных условиях эксплуатации и разработка технологических основ повышения надежности, безопасности и ресурса машин и конструкций» (№ гос. рег. 0120.0 407844), блок 2, раздел 2.1. «Исследование процессов формирования и разрушения структуры функциональных покрытий и материалов с модифицирующими добавками, полученных высокоэнергетическими методами (плазменное напыление, взрывное прессование), и разработка технологических режимов их изготовления» (2004–2006); Программа фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН 14-ОЭ «Накопление поврежденности, разрушение, изнашивание и структурные изменения материалов при интенсивных механических, температурных и радиационных воздействиях», проект 3.12.2 «Повышение износостойкости газотермических покрытий с модифицирующими добавками» (2003–2005); проект № 6781 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка и применение технологий наплавки и напыления порошковых материалов из местного минерального сырья для восстановления и упрочнения деталей техники, работающей в условиях Севера» (2006–2008); проект Президиума РАН 8.5. «Влияние структурно-фазового состояния на процессы разрушения и свойства субмикро-, нанокристаллических материалов при воздействии однократных нагрузок и трении» (2006–2008).
Цель работы – выявление закономерностей изнашивания структуры электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками для повышения их износостойкости при трении скольжения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Обзор и анализ порошковых материалов, используемых для получения износостойких покрытий высокоэнергетическими методами; выбор порошковых проволок для исследования роли тугоплавких добавок в обеспечении износостойкости электрометаллизационных покрытий.
-
Исследование химического состава, структуры и распределения микротвердости электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками, изучение и идентификация основного упрочняющего состава.
-
Выявление уровня износостойкости и закономерностей формирования профиля фрикционных поверхностей электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками при изнашивании в условиях трения скольжения.
-
Проведение термической обработки электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками для повышения их износостойкости и профилометрические исследования поверхности трения термообработанных покрытий при изнашивании.
Научная новизна работы.
1. Упрочняющий фазовый состав Al2O3 износостойкого электрометаллизационные покрытия из порошковой проволоки разработки ИФТПС практически сохраняется в технологических процессах нанесения покрытия, последующей их термообработки и при трении скольжения.
2. Сравнительными испытаниями на износ установлено, что интенсивность изнашивания электрометаллизационного покрытия из проволоки с тугоплавкими добавками Al2O3 разработки ИФТПС ниже, чем у износостойких покрытий из промышленных проволок. Сравнительная износостойкость газотермических покрытий из порошковой проволоки определяется значениями средней микротвердости фазовых составляющих только при условии их существенной разницы, обусловленной химическим составом.
3. Использование тугоплавких добавок в электрометаллизационных покрытиях дает новые возможности управления структурой поверхности трения покрытия. Тугоплавкие добавки покрытия из порошковых проволок существенно влияют на профиль поверхности трения, при этом его изменение подробно и точно отражает этапы процесса изнашивания. Поэтому предложено, что за характеристики износостойкости поверхности трения, зависящие от структуры покрытия из порошковых проволок с тугоплавкими добавками, следует рассматривать количественные параметры профиля поверхности трения.
Выявлено, что термообработка электрометаллизационных покрытий с тугоплавкими добавками приводит к снижению и стабилизации средней шероховатости Ra поверхности трения на участке приработки. За счет термообработки упрочняется матрица покрытия, что повышает удержание тугоплавких добавок, снижается его общий массовый износ.
Практическая значимость работы.
В диссертации с целью повышения износостойкости проведена дополнительная термообработка электрометаллизационного покрытия из порошковой проволоки ИФТПС, снижающей массовый износ в стадии приработки на 40–50%, в стадии установившегося износа на 20–25%. Предложенный способ может быть использован для обеспечения высокой износостойкости деталей техники, восстановленных методом электродуговой металлизации порошковыми проволоками. Снижение и стабилизация шероховатости поверхности трения на участке приработки имеет положительное значение для работы термообработанных деталей техники в период пускового режима.
Полученные практические результаты используются при выполнении проекта № 6781 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Методология исследования.
Методологическая суть работы заключается в применении подхода комплексного сравнительного исследования основных факторов, определяющих износостойкость газотермических покрытий: химического, фазового состава и распределения микротвердости структуры покрытия; в выявлении закономерностей изнашивания структуры покрытия при трении скольжения, установлении влияния упрочнения структуры методом дополнительной термообработки на износостойкость газотермических покрытий.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Обоснование перспективности применения порошковой проволоки с тугоплавкими добавками Al2O3 разработки ИФТПС для получения износостойких газотермических покрытий методом электродуговой металлизации.
-
Выявление основных факторов структуры поверхности трения покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками, характеризующих их износостойкость.
-
Рекомендации по режимам дополнительной термообработки структуры для повышения износостойкости газотермического покрытия из порошковой проволоки с тугоплавкими добавками разработки ИФТПС.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования, применением стандартных методик испытаний на износ и исследования профиля поверхности трения, апробированных и взаимно дополняющих друг друга современных аналитических методов исследования.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на II, III и IV Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2004, 2006, 2008 г.); на международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов «MESOMECH’2006» (Томск); XVI, XVII Международных интернет-конференциях молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС», (Москва, 2004, 2005 г.); на международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов (III Самсоновские чтения)» (Хабаровск, 2006 г.); X и XI Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-10», «ВНКСФ-11» (Москва, 2004 г., Екатеринбург, 2005 г.); научных конференциях студентов и молодых ученых IX и Х «Лаврентьевских чтений» (г. Якутск, 2005, 2006 г.); научно-практической конференции, посвященной Международному году физики и 5-летнему юбилею ФТИ ЯГУ (г. Якутск, 2005 г.); на IX-X Международных практических конференциях «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (г. Санкт-Петербург, 2007, 2008 г.); VII Международном Российско-Китайском симпозиуме “Modern materials and technologies 2007” (Хабаровск, 2007 г.); XIII Международной научно-технической конференции «Проблема ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (Санкт-Петербург, 2007 г.), на семинарах отдела материаловедения ИФТПС.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 36 научных работах: в 22 статьях в научных журналах и сборниках трудов конференций, в том числе 5 рецензируемых журналах ВАК, 14 тезисах докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников из 101 наименований. Полный объем диссертации составляет 121 страниц, включая 34 рисунков, 7 таблиц и приложения.
