Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка и внедрение высокоэффективных методов повышения долговечности и надехности различных машин и механизмов в условиях воздействия высоких напряжений, температур, агрессивных сред, интенсивного износа - важная народнохозяйственная задача, при решении которой факторы энерго- и ресурсосбережения являются определяющими.
Воздействующие на материалы разрушающие нагрузки повреждают преимущественно поверхность изделий и прилегающие к ней объемы. Это предопределяет перспективность упрочнения деталей защитными покрытиями, способными противостоять воздействия основных разрушающих факторов. Газотермическое напыление является одним из ведущих технологических процессов в современной промышленности, позволяющих обеспечить высокое качество выпускаемой продукции и требуемую производительность труда. Несмотря на успешное использование технологій газотермического напыления и порошков с заранее заданными свойствами, применение композиционных материалов в тяжелом машиностроении, оборонной промышленности, космической технике ограничено низкой эксплуатационной стойкостью узлов в условиях воздействия переменных механических и термических нагрузок, абразивном, гидро- и газоабразивном изнашивании- Обеспечить работоспособность деталей при одновременном воздействии высоких температур, ударных нагрузок и износа с помощью газотермичэского напыления пока не удалось.
Актуальной остается задача создания высокоэффективных безвольфрамовых порошковых композиций из недефицитных материалов. Практически отсутствуют сведения о механизмах модафицирования структуры композиционных порошков и покрытий в процессах плазменной металлизации тугоплавких частиц, напыления и эксплуатации покрытий.
Развитие технологии газотермического напыления для упрочнения деталей, эксплуатируемых в экстремальных условиях, должно Оазиро-ваться на применении таких композиционных материалов, фазовый состав, микро- и макроструктура которых способны формироваться в нукном направлении непосредственно в процессе получения защитных слоев. Разработка и практическая реализация этой проблемы открывает широкие перспективы выбора материала, возможности управления его составом и свойствами как на стадии каждой отдельной операции, так и всего процесса в целом. Особый интерес представляет возможность использования в этих целях порошков оксидов, карбидов, боридов (соединения Ajit-vib2 ); белых чугунов из сы рья, добываемого на Урале, а такке отходов производства СВС - покрытий.
Цель работы - разработка научной концепции технологии плазменной металлизации тугоплавких порошков и формирования газотермических покрытий с модифицирующейся структурой, создание и применение новых композиционных материалов, сочетающих комплекс изно-со-, ударо-, жаростойких свойств.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Теоретическое и экспериментальное изучение процессов плазменной сфэроидизации, металлизации, конгломерирования тугоплавких порошков на основе соединений Аттт утВ~ дисперсностью 20-100 мкм.
-
Изучение характера и особенностей протекания процесса модифицирования микро- и макроструктуры композиционных материалов (порошков и покрытий) под воздействием низкотемпературной плазмы, механических и термических нагрузок. Выявление влияния этих изменений на физико- механические и эксплуатационные свойства материалов.
-
Поиск критериев для оценки и прогнозированния состава,
структуры и свойств композиционных материалов, а также с целью их систематизации.
-
Создание композиционных порошков и газотермических покритий, с составом, микро- и макроструктурой, способными к модифицированию в процессах плазменной металлизации порошков, напыления, оплавления и эксплуатации покрытий.
-
Разработка способов и устройств для получения композиционных порошков в условиях низкотемпературной плазмы и газотермических покрытий на их основе с повышенными эксплуатационными свойствами.
-
Проведение промышленных испытаний и внедрения разработанных материалов на предприятиях Уральского региона и Западной Сибири.
Научная новизна
I. Впервые экспериментально и теоретически изучены процессы сфероидизации, металлизации и конгломерировалия яолидасперсвых порошков TIC, Сг3С2, TIN, ТІСМ, СгВ2, Т1В2, ZrB2, ТіСгВ2, А1В12 в условиях низкотемпературной плазмы; процессы миграции частиц упрочняющей добавки при оплавлении покрытий из самофлюсупцихся сплавов; процесс изнашивания композиционных покрытий при абразивном трении. На основе моделирования процессов предложены критерии для оценки и прогнозирования состава, структуры и свойств композиционных материалов.
По составу и свойствам порошков: предложены полу эмпирические уравнения взаимосвязи состава металлической оболочки, степени обезуглероживания туголавкого ядра, степени металлизации гранул с условиями плазменной обработки, составом и размером частиц исходных материалов.
По форме частиц: аналитическим путем получено уравнение для расчета универсального безразмерного критерия процесса сфероидизации.
По структуре и размеру частиц: выведены аналитические уравнения для расчета толщины плакирующей оболочки на подидисперсных гранулах, и функции распределения плакированных частиц по размерам.
По структуре покрытий: предложено аналитическое уравнение для расчета остаточной пористости оплавленных покрытий на основе самофлюсующихся сплавов, упрочненных тугоплавкими добавками.
По свойствам покрытий: получено полуэмпирическов уравнение для расчета относительной износостойкости композиционных покрытий в условиях абразивного трения. Построены диаграммы, показывающие взаимосвязь относительной износостойкости в условиях абразивного трения и микротвердости упрочняющей фазы.
2. Обнаружен и изучен ряд неизвестных ранее самоорганизующихся
процессов модифицирования составе и структуры газотермических
покрытий, которые обусловлены протеканием физико-химических пре
вращений в микро- и макрообъемах при формировании напыленных сло
ев и обеспечивают существенное повышение физико-механических ха
рактеристик покрытий. Самоорганизующиеся процессы проявляются, в
частности, в образовании:
на частицах нитрида титана оксинитридных слоев с повышенной микротвердосгью (2800- 3500 кг/мм2) (эффект самоплакирования);
сверхтвердых и жаростойких фаз на основе композиционно-плакированных и конгломерированных частиц;
многослойных границ раздела покрытие - основной металл, упрочняющая добавка - матричный сплав и многослойного напыленного покрытия в результате диффузионных процессов и миграции зерен упрочняющей добавки.
3. Предложено два механизма удаления шлаковых включений из по
крытий на основе самофлюсушихся сплавов, упрочненных тугоплавки
ми добавками: кинематической коагуляции и сорбции - коалесценции.
Показано, что первый из них вполне удовлетворительно описывается законом Стокса.
Установлена взаимосвязь таких свойств покрытий как пористость; износостойкость в условиях абразивного трения, при воздействии абразивосодержащих потоков газа и кидкости; жаростойкость, твердость для различных классов разработанных материалов. Проведен комплексный анализ износостойкости композиционных покрытий в условиях абразивного трения с упрочняющими добавками (карбидами, боридами, оксидами) и матричными сплавами (ПГ-ІОК-ОІ, ПГ-СРЗ, ПГ-СР4, ПГ-СР5). Установлены зависимости относительной износостойкости покрытий от содержания упрочняющей добавки, имеющие экстремальный характер для всех классов композиций, а вид экстремума определяется составом и способом синтеза композиционных тугоплавких частиц и составом матричного сплава. Предложено объяснение механизма изнашивания композиционных покрытии Практическая ценность и реализация результатов работы в
промышленности
В работе обосновано применение предложенных теоретических положений для описания процессов сфероидизации, металлизации тугоплавких порошков в плазменном потоке; формирования напыленных слоев и анализа их изнашивания, а также прогнозирования структуры и свойств порошков и покрытий, функционирующих в условиях износа, удара и повышенных температур. Установленные неизвестные ранее самоорганизующиеся процессы модифицирования состава и структуры материалов позволяют многократно улучшить их физико-механические и эксплуатационные свойства. Разработаны новые композиционные порошки с особой структурой: сфэроидизированные, плакированные, конгломерированныэ, самоплакированныэ с тугоплавкими составляющими в виде карбидов, боридов, оксидов Ті, Cr, Zr, А1; нитрида, карбонитрида титана и на их основе газотермические покрытия для
упрочнения тяжелонагрукенных деталей, работающих в условиях одновременного воздействия износа, механических нагрузок (усилие пресса при горячей штамповке до 250 т) и высоких температур О 900С). Разработана технология плазменной металлизации тугоплавких порошков дисперсностью 20-100 мкм. Новизна и оригинальность разработок подтверждены 5 авторскими свидетельствами и 9 патентами. Использование композиционных покрытий на основе белого чугуна для упрочнения втулок грунтовых насосов, пальцев БелАЗ, роликов рольгангов (Гайский горно- обогатительный комбинат. Богословский алюминиевый завод) позволило снизить стоимость материалов, используемых для напыления, на 50-70. Стойкость копиров для электроалмазного шлифования лопаток ГТД и штампов для формования абразивных кругов (ПО "Моторостроитель'', Пермь) увеличилась в 2,5-3,0 раза. На Челябинском ПО им.Орджоникидзе разработанные материалы внедрены для упрочнения деталей штамповой оснастки при изготовлении изделий из нейзильбера с повышением ресурса работы в 12 раз и производительности на 20. Использование композиционных покрытий с конгломерированнкми и плакированными упрочняющими добавками для защиты протяжных колец и вытяжных матриц для горячей штамповки деталей позволило увеличить их эксплуатационную стойкость в 3-4 раза. Получены положительные результаты при испытаниях штоков поршня бурового насоса УНБ-600 (ПО "Уралмаш", ПО "Сургутнефтегаз", Буровая J* 500 Восточно-Сургутского месторождения) с повышением срока службы более, чем в 5 раз. Автор защищает
- аналитические и полу эмпирические зависимости, позволяющие управлять составом, структурой и свойствами тугоплавких полидис-персных порошков при взаимодействии их с потоком низкотемпературной плазмы путем варьирования состава, размера частиц ядра и оболочки, режимных параметров; синтеза новых соединений в объеме
частицы (многослойное и композиционное плакирование, самоплвкиро-вание); .
- закономерности модифицирования состава и микроструктуры час
тиц и покрытий в процессах металлизации, напыления, оплавления и
эксплуатации, позволяющие существенно повысить физико- механичес
кие и эксплуатационные характеристики напыленных слоев;
- совокупность модельных представлений, описывающих процесс
удаления шлаковых включений из композиционных покрытий при их
оплавлении и процесс изнашивания покрытий в условиях абразивного
трения;
новые составы композиционных материалов, способы и устройства для их получения;
технологию плазменной металлизации тугоплавких порошков дисперсностью 20-100 мкм;
новые практические решения по применению разработанных покрытий в условиях одновременного воздействия высоких температур, ударных нагрузок и абразивного изнашивания с целью повышения долговечности и надежности деталей.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой, входящей в координационный план НИР по АН СССР (1986-1990гг) и по РАН (І99І-І995гг) по направлению 2.26 "Физико-химические основы металлургических процессов", в рамках МНТК "Порошковая металлургия" (1986-1990гг) и хоздоговорных работ с заводами и научно-исследовательскими институтами (I986-I99I г.г.), тематика которых была включена в планы Академии Наук СССР и государственную научно-техническую программу 53.03.11 Перспективные материалы (Постановление СМ СССР от 30.12.88 » 1474).
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы доложено на X Международном симпозиуме по боридам (Швейцария, 1990г.); Мевдународной конференции по термическому . напылению
(США, 1992г.); Мэадународной конференции по термическому напылению (США, 1994г.); YIII Национальной конференции по термическому напылению (США, 1995г.); Международной конференции по термическому напылению (Франция, 1998г.); Международной конференции "Пленки и покрытия" (Россия, 1998г.); Всесоюзном симпозиуме по плазмохи-мии (Днепропетровск, 1984г.); ІУ Всесоюзной школе-конференции молодых ученых "Порошковая металлургия и керамичская технология в современном материаловедении" (Киев, 1984г.); Всесоюзном совещании "Теория и практика газотермического нанесения покрытий" (Дмитров, 1985г.); ІХВсесоюзной научно-технической конференции (Устинов,. 1985г.); Всесоюзном семинаре "Использование газотермических покрытий в промышленности и строительстве" (Киев, ИЭС им.Е.О.Патока, 1986г.); Семинарах по диффузионному насыщению и защитным покрытиям ХП (Днепропетровск, 1986г.), XXII (Ворошиловград, 1988 г.); Y Всесоюзном совещании "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов (к 85-летию академика Н.Н. Рыкалина) (Москва,1988г.); Всесоюзной научно-технической конфе-ренции по порошковой металлургии (Свердловск, 1989г.); XYI Всесоюзной конференции "Порошковая металлургия" (Сверловск, 1989г.); Уральских региональных конференциях по порошковой металлургии Y (Пермь, 1983г.), YI (Пермь,1985г.), "Поверхность и новые материалы" (Свердловск, 1984г.); Отраслевых научно-технических конференциях "Применение порошковых покрытий в машиностроении" (Свердловск, 1982г.), "Новые процессы изготовления спеченных деталей машин и порошковых покрытий" (Челябинск,1982г.), "Прогрессивные технологические процессы нанесения порошковых защитных покрытий" (Челябинск,1983г.), "Применение газотермических покрытий в машиностроении" (Москва, 1985г.), "Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в пpoмышлeннocти,, (Свердловск, 1986г.), "Тех-ноген - 98" (Екатеринбург, 1998г.).
Публикации. Содержание работы отражено в более, чем 70 публикациях; новизна составов композиционных порошков и покрытий, способов их получения, а также технологических решений по нанесению газотермических покрытий подтверждена 5 авторскими свидетельствами и 5 патентами.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 482 страницах машинописного текста; содержит 71 рисунок, 62 таблицы, список литературы из 517 наименований. В приложении представлены документы и акты об испытании и внедрении газотермических покрытий из разработанных композиционных порошков.
