Вестник полоцкого государственного



Скачать 101,1 Kb.
Pdf просмотр
Дата01.08.2018
Размер101,1 Kb.

2013

ВЕСТНИК

ПОЛОЦКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО

УНИВЕРСИТЕТА.

Серия

В
73
УДК 621.793
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ,
ФОРМИРУЕМЫХ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ

Е.Ю. КАЛИН, канд. техн. наук, доц. И.О. СОКОРОВ
(Белорусский национальный технический университет, Минск)
Демонстрируются высокоэффективные и экономичные технологические процессы восстановления-
упрочнения деталей оборудования комбинированными методами инженерии поверхностей, обеспечи-
вающие повышение ресурса и улучшение служебных характеристик. Объектом исследования являют-
ся детали технологического оборудования, материалы для упрочнения-восстановления деталей и тех-
нологии их нанесения. Проанализированы результаты исследования микротвердости и структуры напы-
ленных покрытий после оплавления. Рассмотрены методики исследования физико-механических свойств
поверхностных слоев, формируемых методами газотермического напыления.

Введение. Одной из актуальных задач в легкой промышленности является кардинальное повышение ресурса и улучшение служебных характеристик различных технологических систем. Пути решения этой задачи могут быть весьма разнообразны и определяются в основном тем параметром или группой парамет- ров, которые требуется обеспечить. Анализ существующих на сегодняшний день направлений, связанных с повышением работоспособности различных деталей, показывает, что стремление к повышению их долго- вечности за счет дальнейшего ужесточения требований к точности геометрических параметров малоэффек- тивно, так как в большинстве случаев приводит к существенному росту технологических издержек на изго- товление. Применение новых высокопрочных материалов хотя и способствует росту статической прочно- сти, однако сопровождается существенным ростом себестоимости изделий. Поэтому наиболее эффектив- ным является повышение эксплуатационных свойств деталей технологическими методами.
Анализ различных упрочняющих технологий показывает, что для улучшения несущей способности поверхностного слоя трущихся деталей весьма перспективным может оказаться совместное использование технологий, обеспечивающих максимальную твердость поверхностного слоя и последующее формирова- ние тонкого модифицирующего покрытия из мягких металлов (меди, латуни, бронзы и др.) или полимеров.
В соответствии с современными представлениями, тонкий слой подобного покрытия в определенных интервалах нагрузок и температур участвует в создании на поверхности трения субмикроскопической пленки, изолирующей контактирующие поверхности от непосредственного соприкосновения, вследствие чего повышается износостойкость деталей и снижаются потери на трение. Кроме того, находясь на рабо- чей поверхности, мягкое покрытие облегчает приработку деталей, способствует выравниванию напряже- ний в зоне контакта и снижению трения благодаря низкому сопротивлению сдвигу и пластическому те- чению материала покрытия, а также уменьшению влияния микроадгезионных процессов [1].
Учитывая вышеизложенное, целью выполненных исследований являлось изучение условий экс- плуатации деталей технологического оборудования легкой промышленности, проведение патентных ис- следований по выбору материалов и режимов формирования покрытий при использовании комбиниро- ванных схем поверхностного упрочнения.
Основная часть
Методика исследований и использованное оборудование. Подготовка поверхности перед напы- лением производилась дробеструйной обработкой. Данный метод является наиболее эффективным и про- изводительным, обеспечивающим как очистку поверхности от адсорбированных масляных и оксидных пленок, так и активацию основы вследствие интенсивного перенаклепа [3; 5]. Применялись следующие режимы дробеструйной обработки: давление воздуха 0,6 МПа, диаметр сопла 8 мм, дистанция 40…50 мм.
Использовалась чугунная колотая дробь ДЧК-1,8 ГОСТ 11964-81 со средним размером 1,8 мм.
Для плазменного напыления порошков использовалась установка ТРУ-БПИ (рис. 1) с плазмотро- ном ПП-25. В качестве плазмообразующего и транспортирующего газа применялся МАФ. Давление газа –
0,1 МПа. Напряжение дуги – 85…90 В, сила тока изменялась в пределах 170…400 А.
Толщина напыленного слоя составляла 2,5…3,5 мм. Критерием выбора режимов напыления явля- лась прочность сцепления покрытия с основой. В качестве оптимальных были выбраны режимы, обеспе- чивающие получение наибольшей прочности сцепления покрытия с основой.
Основным компонентом установки для плазменного напыления покрытий является плазмотрон, представленный на рисунке 2. Главная часть плазмотрона – сопловой (анодный) узел, включающий сис- темы охлаждения и введения порошка в плазменную струю. Через электроизоляционный блок сопловой узел стыкуется с катодным, который представляет собой стержневой электрод, изготовленный из вольф-

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

ПРИКЛАДНЫЕ НАУКИ. Машиностроение № 3
74 рама с добавками, и систему его охлаждения. Наибольшему изнашиванию подвергается сопло плазмо- трона, поэтому его делают сменным. Срок службы сопла зависит от режима эксплуатации плазмотрона, вида рабочего газа, системы охлаждения и составляет 15…100 ч [6; 7].
Рис. 1. Схема установки для плазменного напыления:
1 – вытяжной шкаф; 2 – обрабатываемая деталь; 3 – насадка подачи сжатого воздуха для охлаждения детали;
4 – плазмотрон; 5 – порошковый питатель; 6 – пульт управления; 7 – устройство подачи охлаждающей воды;
8 – источник питания; 9 – баллоны с газами; 10 – ресивер; 11 – масловодоотделитель; 12 – компрессор
Рис. 2. Схема плазмотрона
Еще одна важная деталь использовавшейся плазменной установки – питатель. Порошковые пита- тели служат для подачи порошкообразных материалов в плазмотрон. От стабильности работы порошко- вого питателя во многом зависит качество покрытий. Схема питателя приведена на рисунке 3. Исполь- зуемый для напыления порошок 1 помещают в бачок 2 на расстоянии около 1 м от плазмотрона. Потоком транспортирующего газа, проходящего по эластичной трубке 5, порошок подается к плазмотрону. Газо- порошковая смесь поступает по трубке 7 через отверстие сопла 8 в плазменную струю.
Рис. 3. Схема порошкового питателя:
1 – порошок; 2 – бачок; 3 – трубка уравнивания давления; 4 – дозирующее устройство; 5 – трубка ввода транспортирующего газа; 6 – вибратор; 7 – трубка выхода газопорошковой смеси; 8 – сопло; 9 – катод
1 2
3 4
5 9
8 7
6
По ро ш
ок
В
од а
В
од а
1 2
Плазмообразующий газ
3 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 11 12

2013

ВЕСТНИК

ПОЛОЦКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО

УНИВЕРСИТЕТА.

Серия

В
75
Подготовка образцов. Для изучения структуры, твердости, пористости плазменных покрытий не- обходимо изготовление специальных образцов. Они изготавливались в виде поперечного среза. В нашем случае покрытия были средней толщины.
Место вырезки шлифа выбирают так, чтобы образец был достаточно типичен для композиции ос- новной металл – покрытие. При неоднородной структуре образцы вырезают из каждой характерной зоны.
Далее образцы шлифовались бумажными или тканевыми наждачными шкурками. После каждой ступени шлифования проверяли качество поверхности. Вся поверхность шлифа должна быть покрыта царапинами, равномерными по ширине и расположенными на одинаковом расстоянии. Не должно быть следов шлифования более грубой шкуркой (т.е. перпендикулярных рисок). Время шлифования одной шкуркой составляло 5 – 10 мин. На процесс подготовки образца в целом желательно использовать не менее четырех шкурок.
Риски, оставшиеся от шлифования на последней шкурке, устранялись полированием. Для полиро- вания использовали вращающийся металлический диск с натянутой или приклеенной тканью. Паста с дисперсным абразивом подается в зону контакта поверхности образца и ткани. Хорошее качество шлифа достигается при использовании мелкозернистой пасты ГОИ, в состав которой входят оксид хрома, стеа- рин, керосин, олеиновая кислота и сода.
Окончательная чистка шлифов после полирования включает операции промывки в проточной во- де, сушки, обезжиривания этиловым спиртом или эфиром и заключительной сушки в струе теплого воз- духа или с помощью фильтровальной бумаги.
Методика оплавления покрытий. Составы исследуемых композиций приведены в таблице.
Композиции для исследования
№ композиции
Состав композиции (в объемных долях)
1
ПТ-НА-01 (1/3) + ПР-Х4Г2Р4С2Ф (2/3)
2
ПТ-ЮНХ16СР3 (1/2) + ПР-Х4Г2Р4С2Ф (1/2)
3
ПТ-ЮНХ16СР3 (1/3) + ПГ-19М-01 (2/3)
4
ПТ-НА-01 (1/3) + ПГ-19М-01 (2/5) + ПР-Х4Г2Р4С2Ф (1/3)
5
ПР-НД42СР (1/3) + ПР-Х4Г2Р4С2Ф (1/3) + ПТ-НА-01 (1/3)
6
ПТ-19Н-01 (1/2) + ПР-Х4Г2Р4С2Ф (1/2)

Для оплавления покрытий был выбран способ оплавления газопламенной горелкой «Москва-6» со следующими режимами: давление пропан-бутановой смеси 0,15…0,20 МПа; давление кислорода 1,0 МПа.
Оплавление осуществлялось до «запотевания» поверхности (температура 1123…273 K) [7].
Методика сканирующей электронной микроскопии.
Растровая (сканирующая) электронная мик- роскопия в данной работе проводилась на комплексе макро- и микроанализа с цифровой передачей изо- бражения МКИ-2М с наибольшим увеличением 1000 раз и с цифровым разрешением 4,5 млн. мегапиксе- лей. Изображение формируется отраженным светом, который сканирует поверхность образца и попадает в объектив. Исследование материалов с покрытиями с помощью оптических микроскопов также включа- ет оценку структурной неоднородности в поперечных и продольных сечениях покрытий; выделение мик- роструктуры переходной зоны «покрытие – основной металл»; определение количественных характери- стик пористости покрытия; изучение структуры поверхности покрытий и основного металла после пред- варительной подготовки, анализ изменения рельефа поверхности вследствие изнашивания.
Исследование пористости. Различают три основных метода определения пористости покрытий: гидростатическое взвешивание, микроскопический (металлографический) и ртутной порометрии. Выбор метода измерения пористости зависит от необходимой точности испытаний, наличия соответствующей аппаратуры, количества образцов, особенностей строения покрытия и т.д. На основании данных, полу- ченных этими методами, можно построить геометрическую модель пористой структуры покрытия.
Метод гидростатического взвешивания состоит из следующих основных операций: взвешивание на воздухе, закрытие поверхностных пор, взвешивание в воде, пропитка рабочей жидкостью, взвешива- ние пропитанных образцов на воздухе и в рабочей жидкости. Пористость рассчитывают по формуле с учетом массы и плотности основного металла. Метод гидростатического взвешивания обеспечивает дос- таточно надежное определение лишь открытой пористости. Недостаток метода связан с необходимостью знать истинную плотность покрытия, т. е. химический и фазовый составы получаемых покрытий.
В основе микроскопического (металлографического) метода определения пористости лежит первое стереометрическое соотношение, по которому доля фазы (пор) в объеме сплава (покрытия) равна части секущей линии, проходящей через эту фазу (поры) на площади шлифа. Практически необходимо суммиро-

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

ПРИКЛАДНЫЕ НАУКИ. Машиностроение № 3
76 вать длины отрезков, попадающих на поры, а затем, например, для определения общей пористости, резуль- тат отнести к общей длине секущих линий [8]. Точность испытаний зависит от суммарной длины секущих.
Объектом исследования служат нетравленые шлифы, которые анализируют при одном и том же увеличении микроскопа. Площадь шлифа покрытия должна быть не менее 0,5 см
2
. В качестве секущей удобно использовать окулярную линейку, вставляемую в объектив, осевая линия которой разделена рис- ками на сто условных единиц. Секущие можно также наносить на микрофотографию структур или на изображения, полученные на матовом стекле микроскопа [9].
Общая пористость определяется по формуле
1 100,
l
П
L
где l – суммарная длина отрезков, попадающих на поры; L
1
– общая длина секущей линии в условных единицах измерительного прибора.
Микроскопический метод определения пористости дает информацию о пористости только в одном случайном сечении покрытия и не позволяет оценить качество покрытия в объеме. Могут занижаться значения пористости, так как большая часть пор, размер которых меньше 1 мкм, при анализе не фикси- руется. Точность оценки пористости данным методом в несколько раз ниже, а трудоемкость выше, чем у метода гидростатического взвешивания.
Взвесив все возможности и недостатки методов, пористость определяли металлографическим ме- тодом на микроскопе МКИ-2М при увеличении ×1000 с полуавтоматическим анализатором изображения
NICON на поверхности.
Исследование микротвердости. Основным физико-механическим свойством упрочненного слоя, определяющим его эксплуатационные характеристики, в первую очередь износостойкость, является микротвердость. Испытания ее производились при помощи микротвердомера ПМТ-3 по стандартной методике при значении статической нагрузки 0,981 Н.
Если при испытаниях хрупких покрытий на поверхности отпечатка или на прилегающих к нему участках обнаружены сколы и трещины, результаты не учитываются.
Значение микротвердости определяется по формуле
4 2
1854 10
, ГПа,
(
)
H

k d
где P – нагрузка, г; d – диагональ отпечатка, делений; k – индивидуальный коэффициент прибора, k = 0,3.
Методика определения прочности сцепления покрытия с основой.
Прочность сцепления на- пыленных покрытий с основой определяли штифтовым методом (рис. 4). Применявшийся метод основан на непосредственном определении силы, направленной перпендикулярно к напыленной поверхности и отрывающей покрытие от основного материала.
Рис. 4. Образец для определения прочности сцепления штифтовым методом
Детали 1 и 2 подгоняли друг к другу, притирали, поверхность А шлифовали в приспособлении.
Штифт 1 проворачивали в тонкопластинчатой головке 2 для устранения погрешностей. Поверхность А готовили к напылению по той технологии, которая предусмотрена для данного вида покрытия. Вначале обезжиривали поверхность этиловым спиртом, затем производили обдувку дробью. После дробеструй- ной обработки штифт проворачивали в приспособлении для устранения погрешности. Порошковый сплав напыляли на поверхность А образца вместе с приспособлением.
Для определения прочности сцепления использовали разрывную машину «Instron» английской фирмы «Кэмбридж инструментc». Применялась минимальная скорость нагружения, обеспечивающая статический характер нагрузки.
1
А
2
Б
3
Б
20 40
δ
α
0 1
0 1
7
°
15

2013

ВЕСТНИК

ПОЛОЦКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО

УНИВЕРСИТЕТА.

Серия

В
77
Прочность сцепления и площадь торцевой поверхности штифта определялись по формулам:
;
отр
сц
Р
А
2 1
4
D
А
Дополнительно для исследования прочности сцепления покрытия с основой были проведены ис- пытания на машине трения СМТ-2070, суть которых заключалась в том, что при действии разрушающей нагрузки происходило отслаивание покрытий от основы. Это проводилось для полного определения экс- плуатационных свойств покрытий.
Исследование структуры покрытий
Структуры покрытий, полученные методом сканирующей электронной микроскопии, представле- ны на рисунке 5.
Композиция № 1
Композиция № 2
Композиция № 3
Композиция № 4
Композиция № 5
Композиция № 6
Рис. 5. Микроструктура покрытий

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

ПРИКЛАДНЫЕ НАУКИ. Машиностроение № 3
78
Как видно из представленных снимков, у оплавленных покрытий граница покрытия и основы яв- ляется менее выраженной. Наблюдается переходная зона, состоящая из Fe и Ni. Данный факт говорит о повышенных адгезионных свойствах. Более выражена структура Шарпи, т.е. мягкая матрица с твердыми включениями, что является благоприятным фактором для износостойкости. Распределение частиц раз- личных химических элементов по покрытию – гетерогенное. Это может свидетельствовать о неоднород- ности исходных композиций, неравномерном налипании этих частиц по поверхности частиц в исходном порошке, это может быть обусловлено разными условиями застывания частиц.
Исследования также показали, что введение самофлюсующихся порошков, позволило уменьшить пористость покрытий. Частицы самофлюсующихся порошков в покрытиях выступают в роли уплотните- ля при формировании покрытия и заполняют поры, которые возникают при использовании «чистого» порошка на основе железа. Пористость оплавленных покрытий уменьшилась и составила 1…3 % по сравнению с пористостью неоплавленных покрытий, которая составила 5…8 %. В исследуемых покры- тиях поры имеют неправильную форму. Площадь пор в сечении, нормальном к границе раздела между покрытием и основой, меньше, чем в сечении, параллельном границе. Данный фактор обусловлен осо- бенностями послойного формирования покрытий.
Исследование микротвердости покрытий. Сравнение физико-механических свойств покрытий с оплавлением показало, что наиболее твердые композиции № 1, 2 и 3. Средняя микротвердость этих по- крытий составила порядка 4450 МПа, в то время как максимальная микротвердость покрытий составила порядка 7050 МПа.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 1
2 3
4 5
6 7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 1
2 3
4 5
6
Микротвердость, МПа
№ композиции
Покрытие
Основа
Рис. 6. Диаграмма микротвердости покрытий
Анализ структуры покрытий методом электронной микроскопии показывает, что у покрытий гра- ница с основой менее четкая. Распределение элементов порошка по покрытию гетерогенное, что вызвано предположительно неравномерным прилипанием частиц различных композиций. Также неоплавленные покрытия из предложенных композиций порошков имеют близкую к средней пористость.
Проведенные исследования показали, что дальнейшее оплавление покрытий может снизить по- ристость покрытия в 2…3 раза.
6 h, мкм

2013

ВЕСТНИК

ПОЛОЦКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО

УНИВЕРСИТЕТА.

Серия

В
79
Заключение. Одним из перспективных методов защиты поверхности от изнашивания и коррози- онных процессов, а также повышения долговечности деталей технологического оборудования легкой промышленности является нанесение покрытий с требуемыми физико-механическими и эксплуатаци- онными свойствами газотермическими методами – газопламенным, плазменным с применением по- следующего модифицированием напыленных покрытий.
Решение проблемы упрочнения ответственных деталей заключается в разработке технологии полу- чения покрытий с высоким уровнем физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.
Проведенные исследования подтвердили, что разработанные композиции и технология формирова- ния покрытий обеспечат высокий уровень физико-механических свойств упрочненных поверхностей за счет высокой твердости, низкой пористости, структуры типа Шарпи. Кроме того, прочность сцепления по- лученных покрытий с основой обеспечит их работоспособность в широком диапазоне удельных нагрузок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Методы исследований материалов: структура, свойства и процессы нанесения неорганических по- крытий / Л.И. Тушинский [и др.]. – М.: Мир, 2004. – 384 с.
2. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский [и др.]. – М.: Метал- лургия, 1982. – 632 с.
3. Восстановление деталей машин: справочник / Ф.И. Пантелеенко [и др.]; под ред. В.П. Иванова. – М.:
Машиностроение, 2003. – 672 с.
4. Теория и практика газопламенного напыления / П.А. Витязь [и др.]. – Минск: Навука i тэхнiка,
1993. – 295 с.
5. Кудинов, В.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование / В.В. Кудинов,
Г.В. Бобров. – М.: Металлургия, 1992. – 432 с.
6. Процессы плазменного нанесения покрытий: теория и практика / А.Ф. Ильюшенко [и др.]; под общ. ред. акад. НАН Беларуси А.П. Достанко, П.А. Витязя. – Минск: Науч. центр исследований политики и бизнеса «Армита-Маркетинг, Менеджмент», 1999. – 544 с.
7. Формирование газотермических покрытий: теория и практика / А.Ф. Ильющенко [и др.]; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. А.Ф. Ильющенко. – Минск: Бестпринт, 2002. – 480 с.
8. Основные особенности формирования многокомпонентных газотермических покрытий, обусловли- вающие физико-механические свойства композиций при напылении / В.И. Копылов [и др.] // Физико- химическая механика материалов. – 1991. – № 1. – С. 65 – 70.
9. Девойно, О.Г. Разработка многоцелевого программного обеспечения для исследований в области материаловедения / О.Г. Девойно, Г.Г. Панич, М.А. Кардаполова // Передовые технологии в произ- водстве материалов и восстановлении изношенных поверхностей: материалы 2-й междунар. науч.- техн. конф., Минск, 24 – 25 марта 1997 г. – Минск, 1997. – С. 121 – 122.
Поступила 16.07.2012
STUDY OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES
OF SURFACE LAYERS FORMED BY THERMAL SPRAYING
E. KALIN, I. SOCOROV
High-performance and economical technological processes of restoring-hardening of equipment details
by combined methods of surface engineering, providing the increase of resource and improvement of working
characteristics are demonstrated. The object of the study is parts of process equipment, materials for hardening-
restoring parts and technology for their application. The results of the study of microhardness and the structure
of deposited coatings after reflow are analyzed. Methodology of the study of physical and mechanical properties
of surface layers, formed by thermal spraying methods are considered.



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©stomatologo.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница