Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 8
1.1. Особенности условий работы рабочих органов строительно-дорожных машин (СДМ) и факторы, определяющие их износостойкость 8
1.1.1. Некоторые особенности условий работы и характерные виды повреждений (износа) рабочих органов С ДМ 8
1.1.2. Абразивный износ и факторы, определяющие износостойкость рабочих органов СДМ . 14
1.2. Существующие методы повышения срока службы рабочих органов СДМ 19
1.2.1. Конструктивные и эксплуатационные способы повышения срока службы рабочих органов СДМ 19
1.2.2. Технологические способы повышения срока службы рабочих органов СДМ 20
1.3. Упрочнение деталей машин плазменным напылением 25
1.3.1. Факторы, определяющие прочностные свойства плазменных покрытий повышенной толщины. 25
1.3.2. Повышение качества плазменных покрытий и особенности воздушно-плазменного напыления 27
1.3.3. Анализ методов упрочняющей обработки плазменных покрытий 34
1.3.4. Анализ методов регулирования остаточных напряжений в плазменных покрытиях повышенной толщины 43
1.4. Выводы. 48
1.5. Цель и задачи исследования 49
Глава 2. Применяемые материалы и методика исследования 50
2.1. Экспериментальное оборудование и рабочие материалы 50
2.1.1. Экспериментальное оборудование и методика проведения опытов 50
2.1.2. Обоснование выбора рабочих материалов 56
2.2. Методика исследований физико-механических и триботехнических свойств покрытий 57
2.2.1. Методика определения прочности соединения покрытия с основой 57
2.2.2. Методика определения твердости и микротвердости 63
2.2.3. Методика металлографического и рентгеноструктурного анализов 64
2.2.4. Оборудование и методика лабораторных испытаний образцов и деталей при трении в абразивной среде 66
2.3. Методика эксплуатационных испытаний упрочненных рабочих органов СДМ 70
2.4. Выводы 71
Глава 3. Математическая модель состояния системы «покрытие-основа» при плазменном напылении с охлаждением клиновидного зуба 72
3.1. Математическая модель теплового режима зуба при нанесении покрытия плазменным напылением 73
3.1.1. Постановка задачи 73
3.1.2. Моделирование теплового режима для задачи полуограниченного тела 74
3.1.3. Моделирование теплового режима процессов ВПН и ВПНО при зигзагообразном движении плазмотрона 78
3.1.4. Моделирование теплового режима процессов ВПН и ВПНО при однонаправленном движении плазмотрона 89
3.2. Расчет охлаждения системы «покрытие основа» при ВПНО 94
3.2.1. Расчет необходимого расхода охлаждающей воды 95
3.2.2. Определение размерных параметров форсунки 97
3.3. Выводы 98
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 100
4.1. Определение оптимальных технологических режимов 100
4.2. Изучение физико-механических и триботехнических свойств покрытий 108
4.2.1. Прочность соединения покрытия с основным материалом... 108
4.2.2. Твердость и микротвердость покрытий 109
4.2.3. Металлографическое исследование и рентгеноструктурный анализ материалов покрытия 111
4.2.4. Исследование абразивной износостойкости покрытий 117
4.3. Выводы 121
Глава 5. Реализация технологии воздушно-плазменного напыления с аэрозольным охлаждением крупногабаритных деталей 123
5.1. Основные положения технологического процесса по упрочнению коронки зуба ковша экскаватора методом ВПНО 123
5.2. Результаты натурных стендовых и эксплуатационных испытаний упрочненных коронок зубьев ковша экскаватора 125
5.3. Экономическое обоснование эффективности разработанной технологии ВПНО 129
5.4. Выводы 138
Общие выводы 139
Список используемой литературы 141
Приложения 156
- Абразивный износ и факторы, определяющие износостойкость рабочих органов СДМ
- Оборудование и методика лабораторных испытаний образцов и деталей при трении в абразивной среде
- Моделирование теплового режима процессов ВПН и ВПНО при зигзагообразном движении плазмотрона
- Металлографическое исследование и рентгеноструктурный анализ материалов покрытия
Введение к работе
Актуальность темы. При изготовлении крупногабаритных деталей с упрочняющими покрытиями проблемой является получение износостойких толстослойных покрытий. Особо трудно это сделать при плазменном напылении на сложных поверхностях клиновидной формы, к которым относятся рабочие органы строительно-дорожных машин (СДМ).
Наиболее эффективным способом упрочнения этих деталей является воздушно-плазменное напыление (ВПН). Однако в мировой практике и отечественном машиностроении в настоящее время нет технологий одновременного нанесения упрочняющего покрытия на всю рабочую поверхность клина. Особо вьщеляется проблема равномерного нанесения покрытия на кромку зуба. Это связано с тем, что нет эффективных способов формирования высокопрочных толстослойных покрытий крупногабаритных зубьев и научно обоснованных режимов и условий их получения.
Известно, что плазменное напыление позволяет достичь твердости порядка 58...60 1ЖСэ и значительно повысить абразивную износостойкость. Вместе с тем, традиционный подход не позволяет получать толстослойные покрытия (более 1 мм) из-за больших значений возникающих остаточных напряжений, которые возрастают с ростом толщины наносимого слоя и могут привести к самопроизвольному отслаиванию покрытия. Это ограничивает способ применения плазменного, в том числе воздушно-плазменного напыления зубьев экскаваторов, у которых износ достигает до 3 мм и более.
Известно, что оплавление поверхности покрытия повышает прочность соединения с основой. Однако при этом из-за температурного воздействия снижается твердость покрытий. При искусственном отводе тепла из зоны оплавления или при управлении процессом перераспределения тепла плазменное покрытие приобретает достаточную адгезионную прочность и износостойкость. Поэтому необходимо создать способы нанесения покрытий с управляемым температурным режимом.
Упрочнение зубьев СДМ воздуїішо-плазменньїм напылением с искусственным охлаждением системы «покрытие - клиновидная основа» является
актуальным и необходимым для совершенствования технологии создания упрочняющих покрытий.
Работа выполнялась в соответствии с госзаказом Управления строительства, инженерно-технического обеспечения и расквартирования Военно-Воздушных Сил РФ от 03.07.1998 года на научно-исследовательскую работу «Стойкость»,
Целью работы является разработка технологии упрочнения крупногабаритных клиновидных деталей напылением толстослойных плазменных покрытий с аэрозольным охлаждением в процессе их формирования, обеспечивающих высокую износостойкость.
Исходя из цели работы, определены основные задачи исследования:
Создать и обосновать способ нанесения толстослойного покрытия (более 1 мм) на крупногабаритные клины, обеспечивающий за счет управляемого температурного режима формирование высокопрочных покрытий на комбинированных поверхностях.
Установить взаимосвязи технологических параметров процесса напыления с показателями качества покрытий и построить математические модели процесса нанесения толстослойного покрытия с учетом влияния технологических факторов на прочность соединения с основой и модель температурного режима поверхности детали.
Разработать средства технологического обеспечения процесса непрерывного ВПН на сложные поверхности с применением внешнего водно-аэрозольного охлаждения системы «покрытие-основа» и методики исследований особенностей нанесения покрытий.
Разработать технологический процесс упрочнения клиновидных зубьев ковша экскаватора нанесением износостойких плазменных покрытий, установить оптимальные режимы напыления. Провести натурные стендовые и эксплуатационные испытания и промышленную опробацию разработанной технологии.
Методы исследования основаны на теории воздушно-плазменного напыления и физико-химических высокотемпературных процессов; использовании методик определения физико-механических и триботехнических
свойств покрытий; металло- и рентгенографии; применении математической статистики, теории подобия и размерностей величин, моделирования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
Разработан способ воздушно-плазменного напыления с охлаждением (ВПНО) высокопрочных толстослойных покрытий на протяженные комбинированные поверхности с использованием направленной водно-аэрозольной завесы для управления температурным режимом реализованный в устройстве для плазменного напыления фигурных плоскостей, что подтверждено положительным решением заявки на патент.
Разработана математическая модель температурного режима процесса ВПНО и создан алгоритм расчета распределения температур на поверхности и глубине клиновидной детали.
Разработан способ и предложена методика оценки прочности соединения покрытия с основой при сдвиге с равномерно распределенной нагрузкой по контуру нанесенного покрытия.
Установлено влияние технологических факторов процесса ВПНО на величину толстослойного покрытия, сплошность и равномерность его распределения по сложным клиновым и фасонным поверхностям. Определены оптимальные диапазоны варьирования технологических параметров с учетом температурного режима процесса ВПНО (мощность дуги плазмотрона, расходов плазмообразующего газа и напыляемого порошка, дистанции напыления и массового расхода), установлены рациональные режимы проведения процесса напыления толстослойного покрытия, обеспечивающие высокую прочность соединения системы «покрытие-основа».
Практическая ценность. Созданы средства технологического обеспечения процесса ВПНО толстослойных покрытий крупногабаритных деталей с фасонными поверхностями. Установлены оптимальные технологические режимы ВПНО, обеспечивающие получение высокопрочных покрытий толщиной в диапазоне 1...2 мм на комбинированные поверхности с равномерным пространственным распределением. Создана технология ВПНО, обеспечивающая получение высокопрочных толстослойных композиционных покрытий с высокой адгезионной способностью. Доказана целесообразность при-
менения порошка на хромоникелевой основе 60 % ПГ-СР4 + 25 % ІШ85Ю15 + 15 % WC для напыления рабочих органов С ДМ, обладающих высокой износостойкостью при эксплуатации в грунтах II категории. Разработанная технология напыления покрытий предназначена для промьппленного использования.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные результаты исследований по созданию износостойких воздушно-плазменных покрытий проверены в Воронежском ДГУП Управления механизированных работ № 518 на коронках зубьев ковшей экскаваторов ЭО-5124А и ЭО-5225 при строительстве автомобильной дороги Воронеж-Ростов и административных зданий г. Воронежа. Предлагаемый технологический процесс передан для внедрения на экскаваторный завод АООТ «ТЯЖЭКС» им. Коминтерна г. Воронежа. Основные научные положения используются в учебном процессе и НИР на кафедре «Производство, ремонт и эксплуатация машин» Воронежской ГЛТА.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Ин-терстроймех-98» (Воронеж, ВГАС А, 1998); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение технического уровня машин лесного комплекса» (Воронеж, ВГЛТА, 1999); Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, ВВА-ИИ, 1999) и на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВВАИИ по теме НИР «Стойкость» (Воронеж, 1998, 1999, 2000).
Публикации. Основные выводы диссертационных исследований нашли отражение в 11 публикациях. По теме диссертационных исследований получено положительное решение по 1 заявке на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, приложения. Основная часть работы изложена на 155 страницах, содержит 25 рисунков, 29 таблиц, список литературы из 167 наименований и приложения на 23 листах.
Абразивный износ и факторы, определяющие износостойкость рабочих органов СДМ
Установлены критические значения этих коэффициентов, при которых осуществляется переход от пластического деформирования к прямому разрушению (микрорезанию) поверхностного слоя материала. Значения Кф колеблются от 11 для окатанных частиц до 100 для остроугольных частиц размерами 0,2...2 мм. При Кф 11,25 прямого разрушения материала не происходит. Критическое значение коэффициента Kj = 0,5...0,7. При Кт 0,5, т.е. когда абразив в 2 раза и более тверже изнашивающегося материала, возможно его прямое разрушение (при соответствующей форме частиц и достаточной нормальной нагрузке); при Кт 0,7 прямое разрушение невозможно, т.к. контактный выступ частицы разрушается раньше, чем деформируется материал.
Также существует вполне определенное значение нормальной нагрузки Ркр на абразивное зерно, ниже которого прямого разрушения материала не происходит, хотя по значениям коэффициентов Кф и Кт микрорезание вполне возможно. Это было экспериментально показано Т. Тернером (1886 г.), а затем Е. Н. Масловым и И. В. Крагельским.
Таким образом, при определенных значениях коэффициентов Кф, Кт и значениях нормальной нагрузки Р, превышающих критические, происходит прямое разрушение материала [15]. Наряду с этим, немаловажными факторами влияющими на интенсивность изнашивания являются степень закрепления абразивных частиц и направление действия удара. С ростом этих факторов изнашивающая способность абразива возрастает [7,15,16].
О влиянии скорости трения на износостойкость в литературе имеются противоречивые данные. Одни исследователи [17-21] показали, что относительная скорость трущихся поверхностей деталей машин, работающих в разных условиях эксплуатации, является основным фактором, определяющим вид износа. Так, в результате испытаний (резание песчано-глинистых брикетов ножами из стали 40 со скоростью 5...30 м/с) установлено [21], что по мере увеличения скорости резания износостойкость материала снижается. Другие [22] утверждают, что с увеличением скорости изнашивания при трении о грунт износостойкость наплавочных материалов увеличивается.
Анализ изнашивающей способности грунтов при эксплуатации ЗРО и практические наблюдения за их износом показывают, что основное действие абразивных частиц - это царапание с оттеснением материала в стороны. Если бы микрорезание было ведущим процессом разрушения поверхности при абразивном изнашивании или даже сопутствующим, то интенсивность изнашивания была бы настолько высокой, что ЗРО выходили бы из строя после нескольких часов работы. При абразивном износе - царапании, когда снимается стружка толщиной равной микронам или долям микрона, часто происходит смятие металла, а не резание. Естественно, что такое явление будет проявляться тем больше, чем более твердым и менее пластичным будет исследуемый материал [23]. По пути царапания свободная частица может повернуться и прекратить выдавливание материала; она может дойти до твердой структурной составляющей сплава, «перешагнуть» через нее и вновь начать царапание. Ее выступ может вырвать твердую составляющую, обломиться, частица может раздробиться. Если частица закреплена (например, частица кварца в камне) и повернуться не может, то в этом случае канавки будут наиболее глубокими (0,001-0,02 мм) при небольшой длине (0,05-0,5 мм). Одновременно, наряду с этим, происходит окисление атмосферным кислородом и коррозионное воздействие воды (влаги) грунта. Но окисление и коррозия в сравнении с абразивным изнашиванием протекает очень медленно. При работе в каменистых грунтах соприкосновение металлических режущих кромок ЗРО (очаг контакта) может сопровождаться тепловым эффектом, в том числе - парообразованием, что приводит к изменению первичной структуры и свойств поверхностного слоя металла. При работе в однородных грунтах тепловые явления незначительны и практически не влияют на течение процесса изнашивания [24].
Проведенный анализ условий эксплуатации ЗРО позволяет считать абразивное изнашивание основным видом повреждения (износа) их рабочей поверхности, а также показывает, что повышение износостойкости рабочих органов СДМ (т.е. создание структуры, обеспечивающей минимальный износ) базируется на понимании главным образом механических аспектов воздействия абразива на поверхность детали. При этом от грунтовых условий (вида, категории грунта и его влажности) зависит степень закрепления частиц.
Влияние физико-химических и структурных свойств материала на его износостойкость изучалось многими исследователями. Установлено, что существует пропорциональная зависимость твердости технически чистых металлов с износостойкостью, и при прочих постоянных условиях изнашивания не зависит от скорости трения, но находится в прямой зависимости от пути трения и величины удельной нагрузки [25]. Однако твердость не может однозначно характеризовать износостойкость гетерогенных материалов (сплавов) [26,27]. Это особенно проявляется в сплавах со структурой метастабильного аустенита, где большая износостойкость при трении о закрепленный абразив объясняется фазовыми превращениями аустенита в мартенсит, а также в сплавах, у которых металлическая матрица подвержена значительному наклепу.
Существует определенная связь между абразивной износостойкостью металлов и типом их структуры. Так, для повышения износостойкости наплавочных материалов рекомендуется добиваться возможно более равномерного расположения карбидов, увеличивать объем карбидной фазы и следить за тем, чтобы их количество и размеры не превышали критических значений, т.к. это может привести к их выкрашиванию. Для прочного удержания карбидов необходима связующая основа сплава, которая должна обладать надлежащей прочностью и вязкостью [7,23]. Установлено, что мартенситная матрица является наиболее благоприятной для удержания карбидов в активном слое и обладает наибольшей износостойкостью при абразивном изнашивании без ударных нагрузок [26,27]. При ударных нагрузках более высокую износостойкость сплавов обеспечивает аустенитная или аустенитно-мартенситная основа [28]. Аустенит по сравнению с мартенситом менее износостойкий, но зато более вязкий и создает условия для прочного удержания внедренных карбидных частиц в своей основе. Но и в аустенитной матрице для получения сплавов с высокой износостойкостью количество карбидов должно быть в определенных пределах и не превышать 25...30%.
Существующие различия в результатах исследований, которые подтверждены экспериментально, объясняются различием применяемых методик и методов, которые не позволяли учитывать одновременно весь ряд взаимовлияющих факторов, как: твердость материала поверхности и абразива, соотношение между этими твердостями, микроструктура и свойства структурных составляющих материала, свойства и степень закрепления абразивных частиц, удельные нагрузки и скорости скольжения.
Оборудование и методика лабораторных испытаний образцов и деталей при трении в абразивной среде
Результаты испытаний оплавленных покрытий на никелевой основе при трении в абразивной среде показывают их значительное преимущество перед не оплавленными [57,60,137].
Так, при изнашивании не жесткозакрепленными абразивными частицами (согласно ГОСТ 23.208-79) не оплавленного покрытия из ПГ-СР4 разрушение происходит за счет развития трещин и выкрашивания фрагментов размером 10...30 мкм [57,60]. Оплавление покрытия в печи (tonn=10400C) и кристаллизация при охлаждении на воздухе сопровождаются ростом упрочняющих кристаллов (от первоначальных размеров 0,3...1,5 мкм до размеров 2...6 мкм), образованием эвтектик и снижением легиро-ванности твердого раствора, составляющего матрицу сплава. Микротвердость твердого раствора уменьшается с 6000...8000 до 2500...3500 МПа. При изнашивании оплавленного покрытия размер выкрашивающих фрагментов составляет 3...7 мкм, износостойкость выше исходной на 25%. Оплавленные самофлюсующиеся покрытия ПГ-СР2, ПГ-СРЗ, ПГ-СР4 по сравнению со сталью 45 изнашиваются менее интенсивно, причем скорость изнашивания снижается соответственно с повышением твердости указанных покрытий.
Испытания этих же покрытий при изнашивании о закрепленный абразив (по ГОСТ 17367-71) показали, что их износостойкость прямо пропорциональна твердости и превышает износостойкость стали 45 (HRB 91) в 1,5...8 раз. Исследования, проведенные В.М. Борисовым [137] при трении образцов с различными напыленными покрытиями на машине трения X-4Б, также показали преимущества оплавленного самофлюсующегося сплава ПГ-СР4. Величина его относительной износостойкости по сравнению с эталонной закаленной сталью 40Х (HRC 58) составляла 2,35. На основании этих исследований для восстановления и упрочнения деталей бурового и нефтепромыслового оборудования, работающего в условиях абразивного изнашивания, было предложено использовать покрытия из самофлюсующихся сплавов, наносимых методом ГТН с последующим оплавлением.
Износ не оплавленных плазменных покрытий из порошков ПГ-СР4 и ГШ85Ю15 при ударно-абразивном воздействии на установке, изготовленной по ГОСТ 23.212-82, сопровождается хрупким разрушением частиц на фрагменты или отделением частиц целиком [57,60]. Причем изнашивание этих покрытий происходило интенсивнее, чем сталей 45 и 12Х18Н10Т. Стойкость указанных покрытий после их оплавления приближается к стойкости перечисленных сталей, несмотря на то, что они также разрушались хрупким выкрашиванием поверхности.
Технологический процесс восстановления деталей с оплавлением покрытия в печах включает в себя такие операции как [52,60]: шлифование детали для обеспечения правильной геометрической формы восстанавливаемой поверхности; дробеструйную обработку чугунной дробью ДЧК 1,5 при давлении воздуха 0,4...0,6 МПа и расстоянии от поверхности детали 20...25 мм в течение 3...5 мин; нанесение покрытия при режиме, рекомендованном для плазменного напыления; печной нагрев до температуры 800...1040С с выдержкой 10 мин; охлаждение на воздухе; шлифование поверхности детали до требуемого размера.
В работе [138] для упрочнения газотермических покрытий на деталях типа вал предложен термомеханический способ обкаткой роликом. Исследования воздушно-плазменных покрытий после их термомеханического упрочнения (ТМУ) показали, что прочность соединения с основой повышается на 5...10 %, газопроницаемость уменьшается в 5...6 раз, предел выносливости увеличивается на 14... 15 %, а износостойкость при изнашивании абразивно-маслянной прослойкой (по схеме «диск-колодка») возрастает в 1,2...1,4 раза.
Процесс ТМУ для материала покрытия ПГ-СР4 состоит из двух этапов. На первом этапе покрытие равномерно нагревается воздушно-плазменной струей до температуры оплавления ( 1400 К) и обкатывается роликовым инструментом в размер. При этом режимы обработки были следующими: скорость вращения детали 640 об/мин, скорость перемещения плазмотрона 0,46 мм/об, дистанция оплавления 93 мм, расход плазмо-образующего газа (воздуха) 66 л/мин, усилие обкатки 255 Н/мм. На втором этапе упрочняющая обработка обкатыванием роликом проводилась без нагрева при скорости вращения детали 160 об/мин и перемещении обкатывающего ролика 0,4 мм/об с усилием обкатки 780 Н/мм.
Все это говорит о целесообразности использования ТМУ для повышения прочности плазменных покрытий. Однако, оптимизация режимов процесса ТМУ и порядок его ведения для покрытий толщиной более 1 мм в работе [138] не исследованы, а также отсутствуют результаты по износостойкости таких покрытий при трении в абразивной среде.
В то же время вопросы оплавления воздушно-плазменных покрытий повышенной толщины (более 1 мм) на клиновидной основе не изучены, а результаты абразивной износостойкости таких покрытий в литературе отсутствуют.
Как уже отмечалось в п. 1.З.1., сложность получения покрытий повышенной толщины вызвана недостаточно высокой прочностью их соединения с основой из-за возрастания остаточных напряжений с ростом толщины покрытия. Анализ методов регулирования уровня остаточных напряжений в плазменных покрытиях представлен в п. 1.3.4. Оценка формирующихся напряжений в плазменных покрытиях и умение их регулировать режимами и технологией в процессе напыления гораздо важнее, чем просто знание остаточных напряжений при комнатной температуре [65]. Для регулирования остаточных напряжений в плазменных покрытиях, в зависимости от конкретных условий эксплуатации детали, заранее необходимо определить их знак и уровень. Далее, используя различные технологические приемы, постараться получить требуемое покрытие. Известны следующие технологические приемы, позволяющие регулировать остаточные напряжения в покрытиях: 1 .Близость физико-химических свойств материала покрытия и основы и, в первую очередь, их температурных коэффициентов линейного расширения. 2.Регулирование термического воздействия плазмы и частиц на основу путем изменения распределения ее тепловой мощности по пятну нагрева, а также путем регулирования дистанции напыления или изменением скорости перемещения плазмотрона. 3.Снижение модуля упругости покрытия, например, введением в него добавок пластичного материала, который способствует также релаксации напряжений в покрытии за счет пластической деформации. 4.Использование переходных подслоев между основой и покрытием, обеспечивающих плавный переход свойств от материала изделия к материалу покрытия.
Моделирование теплового режима процессов ВПН и ВПНО при зигзагообразном движении плазмотрона
Одновременно плазмотрон начинает наносить на эту поверхность износостойкое покрытие. После прохождения плазмоторном установленной длины продольного профиля напыления-наплавки под действием механизма его поперечного перемещения 4 он сдвигается и, направляясь в обратную сторону, продолжает наносить покрытие. Цикл повторяется до полного нанесения покрытия на деталь (заданной толщины покрытия), после чего происходит автоматическое отключение устройства.
Процесс ВПНО реализовывался следующим образом. Предварительно подготовленный плоский или цилиндрический образец соответственно крепился на столе-держателе или устанавливался в патрон токарного станка. Плазменной струей, генерируемой плазмотроном, образец нагревался до температуры 473 К. После чего включалась подача порошка и охлаждающей воды и производилось нанесение покрытия. Температуру нагрева основы контролировали вмонтированной в нее хромельалюмелевой термопарой. Массовый расход охлаждающей воды, поддерживающий требуемую температуру основы, обеспечивался в соответствии с физико-математической моделью и расчетной методикой, описанной в главе 3.
При выборе материалов для ВПНО учитывались следующие положения. Нанесенный слой должен иметь достаточную прочность соединения с основой, а также высокую износостойкость при трении о незакрепленный и закрепленный абразив и возможном ударно-абразивном воздействии.
Известно, что основными легирующими и раскисляющими элементами, определяющими состав и структуру наплавленных слоев являются углерод, хром, никель, вольфрам, бор, кремний, алюминий [125]. При содержании в наплавочных порошках углерода до 0,6% в сочетании с другими карбидооб-разующими элементами образуются сплавы с доэвтектоидной структурой, отличающиеся высокой ударостойкостью и сравнительно высокой износостойкостью. Хром способствует упрочнению основы сплава - аустенита и мартенсита. Введение 3...5% никеля в сплавы с содержанием до 1,5% углерода дает возможность получать 30...45% аустенита, что резко повышает вязкость сплава, не снижая его износостойкость. Кроме того, с увеличением содержания никеля в сплаве его коэффициент линейного расширения резко уменьшается, а при содержании 36% он достигает минимального значения. Вольфрам повышает износостойкость сплавов. Бор с углеродом, хромом и другими карбидообразующими элементами дает различные соединения в виде боридов и карбоборидов. Введение небольшого количества бора значительно повышает твердость и износостойкость сплава, однако резко снижает вязкость. Бор обладает флюсующими свойствами, способствует понижению температуры плавления сплава. Кремний является сильным раскислителем и при его содержании свыше 4% структура наплавленных слоев ухудшается: снижается ударная вязкость и повышается хрупкость. Алюминий является сильным раскислителем и с кислородом образует тугоплавкие оксиды. Все перечисленные легирующие элементы замедляют процесс изотермического распада аустенита и повышают его устойчивость.
Анализ литературных данных показал, что вполне удовлетворяющие условиям работы при абразивном изнашивании и обладающие при этом относительно низкой стоимостью, могут служить такие композиционные сплавы как: самофлюсующийся порошок ПГ-СР4 грануляцией 40...80 мкм (60%) + порошок металлида ПН85Ю15 (40%) и ПГ-СР4 (60%) + порошок металлида ПН85Ю15 (25%) + порошок карбида вольфрама WC (15%). Порошки ПГ-СР4 и ПН85Ю15 выпускаются Акционерным предприятием легированных порошков и сплавов (г. Тула) [145].
В качестве основного материала, из которого изготавливались образцы для лабораторных испытаний, была выбрана сталь 45 ГОСТ 1050-74, как наиболее распространенная марка стали и часто используемая в качестве основы для сравнительных исследований покрытий [146].
В качестве добавки к плазмообразующему воздуху использовалась про-пан-бутановая смесь по ГОСТу 20448-75. Воздух, перед тем как попасть в плазмотрон, очищался от влаги и масла фильтром-масловлагоотделителем 5.127 8-72 ДВ 41-16 и силикагелем в ресивере.
Известно, что одним из главных критериев качества плазменных покрытий является прочность соединения напыленного слоя с основой. Поэтому другие свойства покрытия, в том числе и износостойкость, не могут быть реализованы, если эта прочность недостаточна. Вследствие этого первоочередной задачей наших исследований было определение прочности соединения покрытия с основой.
В настоящее время разработано значительное количество разрушающих и неразрушающих методов для оценки прочности соединения покрытий с основой. Наиболее распространенными являются штифтовые и их разновидности, а также клеевые методы [57].
Однако, по нашему мнению, для оценки прочности соединения покрытий, полученных напылением-наплавкой, с основным металлом использовать вышеназванные методы нецелесообразно в виду их недостатков. Во-первых, применение штифтового метода сопряжено с технологическими трудностями изготовления образцов типа «штифт-оправка». Во-вторых, при малом зазоре в конусной посадке на точность измерения могут оказывать большое влияние сила трения и силы. Ван-дер-Ваальса, а в случае большой величины зазора возможно либо проникновение в него твердых высокоскоростных частиц, заклинивающих штифт в оправке, либо затекание расплавленного напыляемого материала и, как следствие, сваривание штифта и оправки. С другой стороны, основной недостаток клеевого метода - низкая прочность клеев, испытания возможны только в том случае, если прочность клеевого соединения при отрыве выше прочности соединения покрытия с основным металлом. Вместе с тем прочность эпоксидных клеев не превышает 20, а полиамидных - 60 МПа, в то время как прочность соединения оплавленных покрытий составляет величину порядка 400...500 МПа.
Металлографическое исследование и рентгеноструктурный анализ материалов покрытия
Металлографический анализ покрытий ВПНО проводился по методике, изложенной во 2 главе в п. 2.2.3. Покрытия наносились на оптимальных режимах за один проход из порошковых материалов композиций 60%ПГ-СР4+40%ПН85Ю15 и 60%ПГ-СР4+25%ПН85Ю15+15/ МС. Толщина покрытий составляла 1,0 мм. В качестве сравнения использовались оплавленные воздушно-плазменные покрытия из таких же сплавов.
При напылении слои композиционных сплавов имеют многофазную структуру, расшифровку которой затрудняет отсутствие диаграммы состояния для подобных сплавов. Некоторое представление об ожидаемом составе фаз можно получить из анализа диаграмм состояния тройной системы Ni - Сг -Ви двойных систем Ni - Si и Сг - С. Разрез диаграммы состояния никель -хром - бор при 1000 С [164] показан на рис. 4.2.
Растворимость бора в хромоникелевых сплавах не превышает 0,004...0,008% [60]. Поэтому бор находится в сплавах в виде боридов. При низком содержании хрома образуется борид никеля Ni3B (0 фаза), в котором хром почти не растворяется. Часть хрома входит в состав твердого раствора на основе никеля (у фаза). При увеличении концентрации хрома в сплаве начинается образование борзда хрома СгВ (є фаза). При этом хром и бор вступают в реакцию в таком соотношении, что состав твердого раствора практически остается постоянным при 16...18% Сг. Примечательно, что по мере увеличения содержания хрома в сплаве (при постоянной концентрации бора) состав боридов хрома изменяется от СгВ к Сг2В, т.е. идет обогащение хромом. Сплавы на никелевой основе, содержащие 8...20% Сг и 1,5...4,5% В, имеют, в основном, трехфазную структуру у + 6 + є + (рис. 4.2). При дополнительном легировании их кремнием последний входит в состав твердого раствора и может растворяться в никеле до 5% [60]. Увеличение содержания кремния выше 5% приводит к образованию силицидов Ni2Si. Также установлено, что добавка кремния повышает твердость покрытия [72]. Это объясняется тем, что кремний увеличивает активность хрома в твердом растворе, что способствует образованию боридов и карбидов хрома. Нами в покрытиях 60%ПГ-СР4+40%ПН85Ю15 и 60%ПГ-СР4+25%ПН85Ю15+15%\С были обнаружены бориды никеля и хрома Ni3B, Ni2B, СгВ, а также силициды никеля Ni2Si и карбиды хрома Сг7Сз, Сг2зСб. Кроме того, в структуре сплава 60%ПГ-СР4+25%ПН85Ю15+15%\С присутствовали «замурованные» частицы карбидов вольфрама WC, что свидетельствует о неполном их проплавлений и сохранении первоначальных свойств.
Наряду с этим, при воздушно-плазменном нанесении покрытий 60%ПГ-СР4+40%ПН85Ю15 и 60%rTT-CP4+25%IlH85IO15+15%WC на железную основу, частицы хрома, бора, кремния и алюминия при взаимодействии с кислородом воздуха окисляются и образуют на поверхности плотные окислы Сг203, В203, Ю2, А1203, FeO в виде стекловидных боросиликатных шлаков. Наиболее вероятной формулой боросиликатного стекла является [B203]X[Si02]y[(Cr, Al, Fe)203]Z. Кремний снижает температуру плавления, вязкость и удельный вес шлаков [56], что позволяет им всплывать между твердыми частицами на поверхность покрытия. Образование на поверхности защитного слоя шлаков из боросиликатного стекла препятствует проникновению кислорода из воздуха в покрытие, вследствие чего окислительные процессы резко снижаются.
На рис. 4.3 представлены фотографии микроструктуры покрытий 60%ПГ-СР4+40%ПН85Ю15 и 60%ГТГ-СР4+25%1Ш85Ю15+15%\УС, полученных по технологии традиционного ВПН с последующим оплавлением и ВПНО. У оплавленных воздушно-плазменных покрытий (рис. 4.3 а, б) микроструктура характеризуется неравновесным состоянием. Мы считаем, что одной из причин неравновесного состояния оплавленного покрытия является высокая степень неравновесности исходных порошковых материалов, которая обусловлена технологией их изготовления. По технологии НПО «Тула-чермет» АП ЛПС, где были изготовлены исследуемые материалы, гранулированные порошки получаются путем распыления исходного сплава водяной струей [165]. Вследствие быстрого охлаждения структура сплава представляет собой перенасыщенный малорастворимыми легирующими элементами твердый раствор, в котором равномерно распределены очень мелкие выделения первичных твердых фаз. Неравновесное состояние исходных материалов отражается на процессе формирования структуры при оплавлении покрытия. Причем, процесс воздушно-плазменного напыления почти не влияет на структуру напыленных покрытий, так как нагрев частиц при напылении и охлаждение их на поверхности детали происходит настолько быстро, что сохраняется исходная неравновесность сплава [106]. В процессе последующего оплавления покрытия образуется жидкая фаза и, вследствие улучшающихся условий диффузии элементов, сплав стремится принять равновесное состояние. Это проявляется в росте зерен твердых фаз, которые являются тугоплавкими и полностью не расплавляются при оплавлении покрытия. Кроме того, процесс формирования структуры не успевает полностью закончиться, поскольку оплавление происходит в течение небольшого промежутка времени (12... 15 с), а покрытие после оплавления имеет некоторую степень неравновесности.
У покрытий ВПНО (рис. 4.3 в, г) хорошо просматривается мелкодисперсная структура с четко выраженными карбидами и боридами хрома, которые в виде черных точек и небольших скоплений распределяются равномерно по всей матрице. На это указывает достаточно равномерное распределение микротвердости (Нц) по толщине исследуемых покрытий (см. рис. 4.1 а и табл. П.4.2). Покрытия ВПНО имеют более плотную и равновесную структуру, чем покрытия ВПН с последующим оплавлением. Это подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа, проводимого с целью дальнейшего изучения покрытий из композиционных сплавов 60%ПГ-СР4+40%ПН85Ю15 и 60%1ТГ-СР4+25%ГШ85Ю15+15%\УС.
