CC BY
103
Особенности формирования структуры и свойства металлокерамических покрытий в системах Al2O3-Cr;cNJ, Al2O3-Mo2
Н.К. Гальченко, В.П. Самарцев, Е.Е. Кашина, С.И. Белюк, В.Е. Панин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Представлены результаты исследований структуры и свойств металлокерамических покрытий в системах А^Оз-Сг,^, А120з-Mo2, полученных методом плазменного напыления на медные подложки. Показано, что в процессе напыления формируются градиентные структуры покрытий. Определены оптимальные составы покрытий, которым соответствуют максимальные значения микротвердости и износостойкости. Установлено, что наименьшим коэффициентом трения при износе в паре трения с контртелом из ШХ15 обладает покрытие AI2O3 - 30 вес. % C^N.
Peculiarities of structure formation and properties of metal-ceramic coatings of Al2O3-CrxNJ and Al2O3-Mo2 systems
N.K. Galchenko, V.P. Samartsev, E.E. Kashina, S.I. Belyuk, and V.E. Panin
For systems А^Оз-CrN^, AI2O3-MO2 we study structure and properties of metal-ceramic coatings deposited by a method of plasma spraying on copper substrates. It is shown that the gradient coating structure is formed in spraying. The optimal coating compositions are determined providing maximum microhardness and wear resistance. It is found that the coating AI2O3 - 30 wt. % Cr^N has the minimum friction coefficient.
1. Введение
В области упрочнения и восстановления деталей актуальной задачей является создание на их поверхности фрикционных покрытий с широким диапазоном свойств, способных надежно работать при высоких скоростях трения и нагрузках, в условиях повышенных температур и агрессивных сред. Одним из наиболее перспективных методов нанесения покрытий, получивших широкое применение, является способ плазменного напыления. Существующая проблема в данной технологии — повышение прочности сцепления с основным металлом и снижение пористости покрытий — может быть решена введением дополнительного источника тепла помимо термического воздействия плазменной струи, что позволяет увеличить степень нагрева наплавленных частиц и сформировать более плотные и прочно сцепленные с основой покрытия. Особый интерес для получения защитных покрытий представляет система А1203-Ме^ (Ме-Д,, — нитриды металлов VI-VIII группы) [1]. Экспериментально установлено, что при введении нит-
ридов в плазменную струю происходит их разложение с высокой скоростью, при этом выделяется тепло рекомбинации атомов азота в молекулу и увеличивается теплосодержание двухфазного потока с учетом затрат энергии на их разложение. Таким образом, совмещение высокотемпературного процесса получения плазменных покрытий с целевыми химическими превращениями можно рассматривать как один из методов получения новых металлокерамических материалов покрытия.
2. Материалы и методика эксперимента
В настоящей работе по нитридоплазменной технологии реализована возможность напыления оксидных покрытий систем А1203-Сг2К, А1203-СгК, А1203-Мо2К.
Для нанесения покрытия использовали смесь порошков исходных компонентов дисперсностью менее 40 мкм, которую гранулировали гидростатическим прессованием с последующим дроблением и выделением фракции 65-100 мкм. Режимы напыления: и = = 40 В, I = 400 А; плазмообразующий газ—транспорта-
© Гальченко Н.К., Самарцев В.П., Кашина. Е.Е., Белюк С.И., Панин В.Е., 2004
рующий газ аргон; расход плазмообразующего газа — 2 м3/ч; расход порошка — 60 г/мин; дистанция напыления — 100-120 мм; оборудование — плазменная установка УПУ-8М и плазмотрон ПП-25. Ввод порошка осуществлялся под срез сопла плазмотрона. Покрытия наносили на подложки из меди с промежуточным подслоем из сплава Н85Ю15, плазмообразующим газом служил Аг + К2. Трибологические испытания покрытий были проведены при температуре 25 °С на машине трения по схеме «неподвижный индентор из стали ШХ15 — вращающийся диск» при скорости вращения V = 8 см/с, нагрузке Р = 600 г.
3. Результаты эксперимента и их обсуждение
Пределы содержания компонентов в покрытиях А12О3-Ме.^ определялись экспериментально исходя из их качества после напыления, достижения максимальных значений твердости и износостойкости. В работе приведены сравнительные результаты исследований структуры и триботехнических характеристик металлокерамических покрытий в системах А12О3-Сг2Кя А12О3-МоК2, которые после плазменного напыления имели толщину <700 мкм. Металлографический анализ напыленных покрытий показал, что с увеличением содержания нитридов в исходной смеси однородность структур и плотность покрытий повышаются за счет увеличения доли металлической составляющей в связи с их диссо-
циацией в плазменной струе, благодаря чему повышается теплосодержание двухфазного плазменного потока.
Эксперимент выявил общие закономерности в формировании структур исследуемых в работе систем после напыления. Так, при содержании в исходной смеси 515 вес. % нитридов (остальное А1203) формируются слоистые структуры покрытий с пониженной плотностью. Такие структуры обычно формируются из маловязких частиц А1203, имеющих достаточную для их деформации при ударе о подложку скорость, и определяются условиями теплоотвода: чем выше скорость отвода в подложку, тем более слоистую структуру имеет покрытие. С повышением содержания нитридов повышается тепловыделение химических реакций между компонентами смеси в плазменной струе, приводящее к увеличению теплосодержания плазменного потока, что приводит к снижению скорости кристаллизации покрытия на подложке. При этом меняется характер формируемых структур. Покрытия исходного состава А1203 + 30 вес. % Ме^ приобретают смешанную структуру (слоистые участки чередуются с зернистыми). У покрытия с 70 вес. % нитридов СгК, Сг2Д Мо2К структура преимущественно зернистая. В качестве примера на рис. 1 представлены микроструктуры покрытий системы А1203-Сг2К
Согласно данным рентгенофазового и микрорентге-носпектрального анализов, основными фазами в покры-
Рис. 1. Микроструктура плазменных покрытий в системе А203-&2^, X 200: А1203-0^ (5 вес. %), у = 8.52 г/см3 (а); А1203-0^ (15 вес. %), у = = 9 г/см3 (б); А!203-0^ (30 вес. %), у = 8.65 г/см3 (в); А!203-0^ (70 вес. %), у = 9.44 г/см3 (г)
Нц, МПа 30 вес. % 1 а 1 Нц, МПа 70 вес. % Гб1
< >
: .СГМ ^ 5 16000- ■ ' ' /ОМ д' ■ 5
■ 2 —12000" . К ' . ж —Л
< Л : > # . ■ : 4 £ * Л. ' /\1
£-£ Г Л ■ /д 1 ' СГоМ
И *
* ' 8000 \ / V
—10000 ■
6 р
Я-Я/-| 1 А Сг2 N 4000- —р—?— • ,* / Мо2М
1 1=в_Мо2К
-0 П( '01 2 0 эдложка 0 0 Покрыт 2 0 ие 4 0 6 /, мм -0 Пс 2 0 эдложка 0 0 Покрыт .2 0 ■ие 4 0 6 1, мм
Рис. 2. Распределение микротвердости по сечению образца: А1203-СгЫ, Сг2Ы, Мо2Ы (30 вес. %) (а); А1203-СгЫ, Сг2Ы, Мо2Ы (70 вес. %) (б)
тиях системы А1203-Сг2Ы, А1203-СгЫ являются оксид алюминия в двух модификациях (а-А1203, у-А1203), хром, шпинели и в небольших количествах фазы СгЫ, №3А1, NiAl. В покрытиях А1203-Мо2Ы дополнительно присутствуют фазы Мо, №2Мо308. Наличие в структуре алюминия, никеля и шпинелей №А1204 и №Сг204, вероятно, является результатом частичной диссоциации оксида алюминия и взаимодействия в процессе напыления элементов материала подслоя Н85Ю15 и покрытия.
Характер неоднородности структур по глубине слоя исследуемых покрытий отражают значения микротвердости, представленные на рис. 2. Из рисунка видно, что максимальные значения Н^ (35 000 МПа) в покрытиях с 30 % СгЫ приходятся на середину слоя; на поверхности покрытий твердость резко падает до значений Нц = 17 000 МПа. У покрытий А1203-Сг2Ы, А1203-Мо2Ы наблюдается равномерное повышение микротвердости от подложки к поверхности. При повышении в исходной смеси содержания нитридов хрома до 70 вес. % твер-
дость покрытий на поверхности снижается почти до 12000-14000 МПа, а у покрытий с 70 % Мо2Ы повышается до 7 000 МПа.
Сравнительные результаты трибологических испытаний показали, что наилучшим комплексом свойств обладают покрытия с нитридами хрома Сг2Ы Установлено, что при содержании 30 % Сг2Ы покрытие характеризуется меньшим участком приработки, самыми низкими из всех составов значениями интенсивности износа (7Ь = 0.4) и коэффициента трения (К = 0.4) (рис. 3, табл. 1). Повышенные триботехнические характеристики металлокерамических покрытий, содержащих Сг2Ы, обусловлены более однородной структурой, минимальной пористостью (до 7 %), наличием явно выраженной переходной зоны с плавным распределением микротвердости между подложкой и покрытием и присутствием в контактной зоне шпинелей №Сг204, №А1204, играющих роль смазки.
Эти факторы обеспечивают меньший линейный износ покрытия.
Рис. 3. Распределение коэффициента трения в покрытиях: А^03-Мо2Ы (а); А1203-Сг2Ы (б); А1203-СгЫ (в)
Таблица 1
Параметры износа в паре трения
Параметры А1203 + 30 % СгЫ А1203 + 70 % СгЫ А1203 + 30 % Сг2Ы А1203 + 70 % Сг2Ы А1203 + 30 % Мо2Ы А1203 + 70 % Мо2Ы
Удельный износ покрытия, 10-4 (мм3 ■ Н)/м 0.9607 0.9444 0.6529 1.691 9.248 2.926
Коэффициент износа мш —0.148 мах —0.548 ср. —0.500 мш —0.121 мах —0.808 ср. -0.475 мш —0.117 мах —0.774 ср. — 0.465 мш —0.109 мах —0.787 ср. — 0.691 мш — 0.117 мах — 0.794 ср. — 0.692 мш — 0.102 мах — 0 .815 ср. — 0.649
Площадь унесенного материала покрытий, мкм2 11532 11366 7 837 20300 111000 35 116
Погрешность, % 0.049 0.116 0.057 0.080 0.116 0.080
4. Заключение
Результаты исследований послужили основой для разработки износостойких металлокерамических покрытий, получаемых плазменным методом, на основе окиси алюминия с участием нитридов металлов VI группы.
Полученные в работе данные использованы при проведении натурных испытаний в условиях ОАО «Северсталь» (г. Череповец) и ОАО «ЗСМК» (г. Новокузнецк),
которые показали 7-кратное увеличение срока службы кислородной фурмы, упрочненной по нитридо-плазмен-ной технологии.
Литература
1. Пат. № 2200208 / Самарцев В.П., Белюк С.И., Панин В.Е., Забо-ровский В.М., Гальченко Н.К. Способ нанесения плазменного покрытия // по заявке №« 2001111192/02. Выдан 10 марта 2003 г.
