CC BY
136
Состав, структура и свойства газотермических покрытий из порошковых проволок и их влияние на процессы изнашивания при трении скольжения
Г.Г. Винокуров, Н.Ф. Стручков, М.В. Федоров, С.П. Яковлева
Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, Якутск, 677980, Россия
Проведены сравнительные исследования химического, фазового состава и микротвердости износостойких газотермических покрытий из порошковых проволок. Изучены закономерности изнашивания покрытий из порошковых проволок при трении скольжения. Выявлено, что микрошероховатость поверхности трения покрытий из порошковых проволок отражает все этапы процесса изнашивания.
Composition, structure and properties of gas-thermal coatings made of powder wires and their effect on sliding friction wear
G.G. Vinokurov, N.F. Struchkov, M.V. Fedorov, and S.P. Yakovleva
Institute of Physical-Technical Problems of the North SB RAS, Yakutsk, 677980, Russia
The paper contains a comparative study into the chemical, phase composition and microhardness of wear-resistant gas-thermal coatings made of powder wires. The wear mechanisms of such coatings in sliding friction are investigated. The friction surface microroughness of
the coatings made of powder wires reflects all stages of the wear process.
1. Введение
В настоящее время для упрочнения поверхности деталей машин и механизмов широко применяются различные методы порошковой металлургии. Наиболее перспективными из них являются высокоэнергетические методы нанесения износостойких покрытий (плазменное и газопламенное напыление, плазменная и электродуговая наплавка, электродуговая металлизация проволок). Как показывает анализ работ, по техникоэкономическим показателям технология электродуговой металлизации с использованием порошковых проволок наиболее эффективна как способ восстановления изношенных деталей техники в ремонтном производстве [1,2].
Для высокоэнергетических технологий нанесения покрытий в основном используются самофлюсующиеся сплавы на никелевой или кобальтовой основе и их смеси с модификаторами из тугоплавких металлов, карбидов,
нитридов, которые обеспечивают образование упрочняющих фаз и улучшают структуру [3-5].
Модифицированные порошковые покрытия характеризуются высокой степенью неоднородности структуры — выделениями избыточных дисперсных и коагулированных фаз, слоистым строением и пористостью [6]. Это обусловлено спецификой высокоэнергетических технологических процессов, заключающихся в быстро-протекающем (10~3-10~5 с) высокотемпературном (до температуры плавления) нагреве частиц материала и их последующем высокоскоростном охлаждении и застывании. Формирование структуры порошковых покрытий происходит под влиянием различных факторов, присущих технологическим процессам нанесения, таких как турбулентность высокотемпературного газового потока, гранулометрический состав порошкового материала, различная степень нагрева, распределение частиц в потоке и т.д.
© Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Федоров М.В., Яковлева С.П., 2007
Как известно, физико-механические свойства и структура порошковых функциональных покрытий определяют эксплуатационные характеристики обработанной поверхности деталей машин и механизмов (износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость и т.д.). Поэтому исследование химического и фазового состава, распределения неоднородностей структуры и микротвердости порошковых покрытий позволяет оценить объем и свойства упрочняющей фазы, которыми непосредственно определяется износостойкость материала. Следует ожидать, что особенности структуры порошковых покрытий, полученных из модифицированных проволок, будут проявляться и в процессе их изнашивания.
Таким образом, исследование взаимосвязи состава, структуры и свойств износостойких модифицированных покрытий является актуальной проблемой и позволяет научно обосновать технологию получения покрытий с заданными физико-механическими свойствами, а также прогнозировать их эксплуатационные характеристики.
Целью данной работы является исследование особенностей формирования состава и структуры, микротвердости износостойких модифицированных газотермических покрытий из порошковых проволок и закономерностей их влияния на процессы изнашивания при трении скольжения.
2. Материалы и методика экспериментов
В работе проведено комплексное исследование основных факторов, определяющих износостойкость газотермических покрытий: химического и фазового состава, микротвердости и структуры покрытия; выявление закономерностей изнашивания при трении скольжения в зависимости от характеристик структуры.
В качестве объектов сравнительного исследования были выбраны электрометаллизационные покрытия из модифицированной порошковой проволоки (разработка Института физико-технических проблем Севера СО РАН) и из проволок промышленного изготовления САВ21, САВ40, САВ51 (разработка НПП «Веха-1», г. Комсомольск-на-Амуре), которые достаточно широко применяются для восстановления деталей техники и конструкций. Модифицированная проволока, содержащая тугоплавкий оксид АІ2О3, состоит из стальной оболочки и порошковой шихты следующего массового состава: углерод — 0.47- 0. 51 %, хром 2- 4%, оксид алюминия — 10 -15 %, железо — остальное [7]. Порошковые проволоки перед напылением прокаливали при температуре 200 °С в муфельной печи в течение 2 ч. В качестве подложки использовали образцы из конструкционных сталей, предварительно подвергнутые дробеструйной обработке и обезжириванию.
Покрытия были нанесены электродуговой металлизацией поверхности образцов-мишеней порошковыми
проволоками на промышленной установке ЭДУ-500С. Технологические режимы электродуговой металлизации выбраны исходя из условий устойчивости дуги и надежности работы по ресурсу установки ЭДУ-500С (табл. 1).
Для сравнительного исследования состава, структуры, свойств были изготовлены поперечные металлографические шлифы покрытий. Средние значения химического состава покрытий определены по данным спектрального анализа на установке Spectroport-F, металлографические исследования структуры проведены на микроскопе №ор^^32, микротвердость покрытий измерена на приборе ПМТ-3М.
Рентгеноструктурные исследования фаз покрытия проведены на установке ДРОН-3 с использованием монохроматического СиКа-излучения, микрорентгеноспект-ральный анализ элементов покрытия — на приборе Са-теЬах. Испытания на износ покрытий проводили на машине трения СМЦ-2, на основе анализа работ и методик испытаний на износ была выбрана схема трения «диск - колодка». Режимы испытаний: нагрузка — 38, 75, 106 кГ, частота вращения вала — 5, 8.3 об/с, трение сухое. В стадии приработки измерения проводились через 1 500 циклов машины трения, в режиме установившегося износа — через 4 500 циклов. По выбранной схеме трения один цикл соответствует пути трения, равному I = лDKBз = 1.96 • 10~2 м, т.к. в нашем случае D = 5 см, Квз = 1/8, т.е. а = 45°, где D — диаметр диска; Квз — коэффициент взаимного перекрытия; а — угол обхвата вала колодкой [8].
Важнейшей количественной характеристикой микрогеометрии поверхности трения, показывающей динамику изнашивания в зависимости от параметров (нагрузки, скорости скольжения, температуры и т.д.), является шероховатость. Существуют многочисленные классические работы, связывающие износостойкость материала с шероховатостью [9-14].
Согласно определению, шероховатость — это нерегулярные микроотклонения от геометрического профиля волнистой поверхности твердого тела, вычисляемые по формуле
1 N ^ =—£| у|,
я -=1
где у — отклонение профиля от средней линии; N — число разбиений профиля [9].
Таблица 1
Технологические режимы электродуговой металлизации
Порошковая Ток, Напряжение, Дистанция, Толщина,
проволока А В мм мм
САВ-21 220
САВ-51 200 38 130 0.5-0.7
САВ-40 180
Модифици- рованная 280 0.5-1.0
Шероховатость поверхности трения покрытий определяли на однообъективном растровом измерительном микроскопе ОРИМ-1 после 3 • 103, 6 • 103, 104, 2 • 104, 5 • 104, 105 и 2 • 105 циклов путем измерения искривления муаровых полос, вызванного микронеровностями поверхности.
Для измерения шероховатости поверхности трения на каждом образце были промаркированы четыре диаметрально противоположных участка покрытия. Измерение шероховатости проводилось на каждом из четырех участков по пяти точкам, затем данные усреднялись по всей поверхности трения.
3. Результаты исследования химического состава, структуры и микротвердости газотермических покрытий из порошковых проволок
Для формирования упрочняющих фаз определяющее значение имеет химический состав порошкового материала покрытия. В табл. 2 приведены среднее содержание химических элементов в составе покрытий из порошковых проволок (по результатам спектрального анализа двух проб, на каждой пробе проведены три замера).
Содержание углерода в покрытиях колеблется от -0.37 % (САВ40) до -0.63 % (САВ21), в покрытии из модифицированной порошковой проволоки оно составляет около 0.4 %. Как известно, в покрытиях из порошковых проволок содержание углерода определяет склонность к образованию карбидов, т.е. упрочняющих фаз с высокой твердостью. Распределение количества хрома также неравномерно: наибольшее количество хрома содержится в покрытии из модифицированной проволоки (-12.3 %). Высокое содержание хрома способствует повышению поверхностной твердости и износостойкости, что обусловлено образованием слоя карбидов СГ3С2, 02зС6. От уровня содержания кремния в покрытиях зависит склонность материала к образованию силикатов железа FeSiз, FeзSi, хрома Cr5Siз, Сг^, С^2 и др. Высокое содержание алюминия во всех покрытиях (от -5.7 % для САВ51 до -9.7 % для САВ40) обусловлено наличием тугоплавких включений оксида алюминия А12О3.
С целью выявления особенностей структуры покрытий из порошковых проволок проведен их металлографический анализ. При электродуговой металлизации формирование покрытия происходит наложением расплавленных частиц, состоящих из фаз оболочки и порошковой набивки. Тугоплавкие компоненты порошкового материала выделяются в виде отдельных нерасплавленных частиц, все покрытия из проволок характеризуются неоднородной микроструктурой (рис. 1). Установлено, что в отличие от технологий напыления порошкообразного материала, электродуговая металлизация порошковых проволок приводит к более сложным
Таблица 2
Средний химический состав газотермических покрытий из порошковых проволок, мас. %
Химические элементы САВ21 САВ40 САВ51 Модифицированная проволока
с 0.63 0.37 0.6 0.4
Si 0.7 0.26 0.02 0.05
Сг 4.4 2.14 0.045 12.3
№ 11.9 8.09 - -
А1 7.65 9.67 5.77 6.37
Си 0.05 13.3 0.008 0.007
Ті 0.3 0.012 0.54 0.61
Fe ост'. ост'. ост'. ост'.
формам частиц покрытия, отклоняющимся от сферической и эллипсоидальной: сечения частиц имеют преимущественно лентообразный изогнутый вид. На рис. 1 оксиды в покрытиях видны как темные прослойки между светлыми металлическими слоями. По данным мик-рорентгеноспектрального анализа пленки, разделяющие металлические частицы, состоят из оксидов кремния 8Ю2, алюминия А^Оз, титана ТЮ2, хрома СГ2О3 и СгОз, железа FeO и Ре2Оз. На нетравленых шлифах покрытий наблюдаются также отдельные нерасплавленные частицы порошкового материала, границы между которыми обозначаются оксидными пленками, пористость невысокая.
Следует отметить более сложную внутреннюю структуру слоев покрытий, сформированных проволокой САВ51 и модифицированной проволокой, по сравнению с покрытиями из проволок САВ21 и САВ40, содержащих протяженные относительно гладкие участки. Очевидно, это связано с различиями в развитии процессов застывания покрытий, обусловленных природой проволок и их способностью к образованию структур с мелкодисперсным внутренним строением. Травление шлифов позволяет выявить эти особенности, проявляющиеся на фотоснимках в виде характерной рябизны. Рябизна возникает и за счет присутствия мелких карбидов, других обособленных упрочняющих фаз.
Отмеченные особенности микроструктуры подтверждаются измерениями микротвердости покрытий, значения которой зависят не только от количества, состава и расположения фаз. Существенное влияние должны оказывать дисперсность и отмеченные выше особенности внутреннего микростроения слоев, образованных расплавленными и кристаллизовавшимися частицами.
Выявлено, что наибольшую среднюю микротвердость имеют покрытия с развитой субструктурой и дисперсными включениями, полученные из порошковой проволоки САВ51 и модифицированной проволоки, — -5500 и -5040 МПа соответственно. Это обусловлено
Рис. 1. Микроструктура электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок: САВ21 (а), САВ40 (б), САВ51 (в), модифицированная проволока (г). X 800
также присутствием значительного количества АІ2О3. Кроме того, в покрытии из модифицированной проволоки обнаружены карбид хрома СГ3С2 с высокой твердостью и силициды Fe5Siз, FeзSi, СгБі. Наименьшую среднюю микротвердость =3 620 МПа имеет покрытие из порошковой проволоки САВ21, покрытие из проволоки САВ40 имеет среднюю микротвердость = 4140 МПа.
В связи с тем, что металлографические исследования выявили существенную неоднородность структуры покрытий из порошковых проволок, были построены частотные графики микротвердости и рассчитаны стандартные отклонения результатов измерений. Среднеквадратичные отклонения составляют для покрытий из
проволоки из САВ51 и модифицированной проволоки соответственно 10 и 14 % от среднего значения, для покрытий из САВ21 и САВ40 — 21 и 22 %. Следовательно, первые два типа покрытий более однородны по составу и микромеханическим свойствам.
Из примеров частотных распределений микротвердости покрытий, приведенных на рис. 2, видно, что значения микротвердости покрытий из модифицированной проволоки и проволоки САВ51 имеют одномодальные распределения в интервале от =3000-3 500 МПа до =6900 МПа. Это обусловлено близким объемным количеством и составом главной упрочняющей фазы на основе АІ2О3. Гистограмма микротвердости покрытия из проволоки САВ40 имеет двухмодальную струк-
мпа
МПа
Рис. 2. Гистограммы микротвердости покрытий из порошковых проволок: САВ51 (а), модифицированная проволока (б)
Таблица 3
Фазовый состав покрытий из порошковых проволок
Состав Окислы Карбиды Силициды Интерметаллиды
САВ21 SiO2, АІ2О3, ТІО2, СГ2О3, Сг03 ТІС, А14С3, Сг3С2, Сг23С6, Со2С, VC, Мп23С6, NbC, Мо2С, W2C, Fe3W3C, Fe3C, FeSi3, Fe3Si, Cг5Si3, CrSi, WsSi3, NiSi Al4Si2Fe, VCo, VFe, У№, Co7W6, FeCr, Fe7W6, Fe2Ti, Fe7W6, СгМпз, Ті2Со, А13№
САВ 40 SiO2, аі2о3, ТІО2, СГ2О3, Сг03, Си20, СиО, ^03 ТІС, А14С3, Сг3С2, Сг7С3, Ni3C, Со2С, VC, V2C, SiC, W2C, Fe3C, Мо2С Fe5Si3, Fe3Si, Сг5$із, Сг^і, Сг$і2, WsSi3, Мі2Бі, Мі3Бі, Мо5$і3, Мо$і2, CoSi, Со$і2 Al4Si2Fe, АІМпСи, УСо, Co3W, Со2А15, СоСг, Со2Ті, FeCr, Fe3A1, FeAl, СгМп3, СиА12, №А1
Модифици- рованная проволока АІ2О3, SiO2, Сг203, Ті02, FeO, Fe2O3, V2O3 ТІС, А14С3, Сг3С2, V2C, W2C, WC FesSi3, Fe3Si, CrSi, Сг^і, Сг$і2, WsSiз, ^^8і2, Мо5$і3 А158іМп, FeCr, FeMo, FeMo6, Fe2Ti, Fe2W, Fe7W6, СгМп3, Сг5А18, ТіА13
туру, что обусловлено наличием основных фаз из Си, А1, №, Сг, значительно отличающихся по твердости.
Таким образом, распределение микротвердости покрытий из порошковых проволок существенно зависит от присутствия дисперсных структур и от фазового состава.
4. Результаты исследования фазового состава газотермических покрытий из порошковых проволок
Результаты рентгеноструктурного анализа газотермических покрытий из проволок представлены в табл. 3. Выявлено, что фазовый состав покрытий формируется из основных химических элементов, приведенных в табл. 2: во всех покрытиях содержатся окислы SiO2, Al2Oз, ТО2, С^0з, карбиды ТЮ,Al4Cз, 0^2, силициды Fe5Siз или FeSiз, FeзSi. Содержание и состав интерметаллидов зависят от легирующих элементов, присутствующих в покрытии.
В составах покрытий САВ21 и САВ40 выявлено наличие карбидов С02С, VC, М02С, W2C, FeзC (в САВ21 также обнаружен редкоземельный карбид №С), силицидов С^з, W5Siз, интерметаллидов Al4SІ2Fe, VCo, FeCr, СгМпз. Из-за высокого содержания Си в покрытиях из проволоки САВ40 выявлены окислы Си20, СиО, интерметаллиды А1МпСи, СиА12. Состав модифицированной проволоки характеризуется присутствием окислов FeO, Ре20з, ^0з, карбидов V2C, W2C, WC, силицидов WSi2, Mo5Si3, интерметаллидов Al5SiMn, FeCr, Ре7Мо6, FeMo,Fe2Ti, Fe2W, Ре-^6, СгМпз, Сг5А18, TІA13.
Таким образом, в результате электродуговой металлизации порошковых проволок формируются покрытия со сложным гетерогенным фазовым составом, включающим большое количество окислов, карбидов, силицидов и интерметаллидов. Однако существуют основные упрочняющие фазы, распределение которых влияет
на износостойкость покрытий. Поэтому для изучения распределения основных химических элементов в фазах был проведен микрорентгеноспектральный анализ на приборе СатеЬах.
На рис. 3 приведены распределения основных химических элементов в модифицированном покрытии и подложке. Координата х отсчитывается вглубь от поверхности покрытия (рис. 3, а) и от границы покрытия с подложкой (рис. 3, б). Как видно из рис. 3, а, основные легирующие элементы Сг, А1 в покрытии из модифицированной проволоки распределены неравномерно по его сечению. Это объясняется наличием неоднородности распределения фаз, приведенных в табл. 3, — А120з, Сг20з, СгзС2, С^,Сг^, С^2, А14Сз и др. Снижение среднего значения содержания Сг, А1 в покрытии обусловлено их сосредоточением в карбидных и оксидных включениях (табл. 3). Выявлено, что распределение химических элементов в подложках всех покрытий равномерное, что говорит об отсутствии взаимной диффузии элементов покрытия и основы (рис. 3, б).
Ввиду выявленных существенных различий состава и свойств компонентов газотермических покрытий из порошковых проволок была проведена классификация фаз по микротвердости1.
Например, микротвердость основных фаз покрытия из модифицированной проволоки равна: тип 1 (светлая) — = 6 470 МПа, тип 2 (серая, округлой формы) — = 6 430 МПа, тип 3 (темная, округлой формы) — = 4670 МПа, тип 4 (темно-серая) — = 6 590 МПа; микротвердости подложки и приграничной зоны равны соответственно 2 800 МПа и 4 070 МПа.
1 На шлифе выбирали области фаз с площадью, достаточной для того, чтобы диагональ отпечатка индентора не выходила за пределы данной фазы; эти значения микротвердости условно можно назвать «собственными».
1.2
0.8
0.4
'Ж
II , 1 1 | НІ
-к
—-в-Мп
—А— БІ —К— АІ —©■■■ ІЧІ
300 450
X, мкм
600
Рис. 3. Распределение химических элементов в покрытии из модифицированной проволоки (а), в подложке (б)
Таким образом, «собственная» микротвердость фазовых включений отличается от ее усредненного значения, определяющегося структурой покрытия — количеством, распределением, морфологией фаз.
5. Результаты испытаний на износ газотермических покрытий из порошковых проволок
На рис. 4 приведены кривые массового износа G газотермических покрытий из модифицированной порошковой проволоки и проволок САВ51, САВ21 в зависимости от количества циклов. Как видно из графиков, для всех покрытий наблюдаются характерные участки приработки и установившегося износа. На стадии приработки (до = 20000-25000 циклов), когда происходит приработка контактных поверхностей, интенсивность изнашивания отличается от интенсивности изнашивания при установившемся режиме. Нестабильность интенсивности изнашивания объясняется изменением фактической площади контакта, увеличение и стабилизация которой определяют наступление режима устано-
Массовый износ О, г го со
Ф ♦*
■ Модиф. ♦ САВ21 ж САВ51
♦ ♦ ♦
♦ ♦ ,♦
Установившийся износ
♦ ♦ ♦ ♦ АІ і*
Приработка
♦ ► и ,А- III А* ■ 1 АА ■ ■ И ■ 1 1 < Ш \ III АД ■ ■ ■ ■ 1 ■ ■ ■■ ■ 1 ■ ■ ■ ■ і ■ і
0 і т ■#
40
80 120 Количество циклов, 103
160
вившегося износа. С началом режима установившегося износа (=20000-30000 циклов) интенсивность изнашивания покрытий стабилизируется, наблюдается равномерное повышение массового износа вплоть до 180000 циклов.
Как видно из графиков на рис. 4, интенсивность установившегося изнашивания, о которой можно судить по тангенсу угла наклона, наиболее высока для покрытия из порошковой проволоки САВ21; интенсивности изнашивания для проволоки САВ51 и модифицированной проволоки сопоставимы. Это обусловлено невысоким значением твердости покрытия из проволоки САВ21 из-за малого количества упрочняющих фаз. Таблица 4 показывает влияние микротвердости на интенсивность изнашивания покрытий из порошковых проволок.
Несмотря на более высокое значение микротвердости покрытия из проволоки САВ51 по сравнению с микротвердостью покрытия из модифицированной проволоки интенсивность его изнашивания несколько выше. Очевидно, это связано с тем, что определяющими являются не только начальные характеристики структуры покрытий (дисперсность, объем, твердость фазовых включений, тонкое строение и т.д.), но и особенности процессов поведения металла при воздействии контактных нагрузок (структурная устойчивость в условиях нагрева, склонность к диффузии, наклепу, механизмы поверхностного разрушения).
Таблица 4
Значения микротвердости и интенсивности изнашивания электрометаллизационных покрытий
Рис. 4. Массовый износ покрытий из модифицированной порошковой проволоки и проволок САВ51, САВ21; нагрузка — 750 Н, частота вращения вала — 5 об/с
САВ 21 САВ51 Модифицированная проволока
Средняя микротвердость, МПа 3 620 5 500 5 040
Интенсивность изнашивания, 10~6 г/цикл 16.2 4.7 2.1
Как уже отмечалось, микроструктура порошковых материалов является фактором, от которого зависят их физико-механические свойства, в том числе в сложных условиях силового нагружения и температурного воздействия, свойственных трению. Трибологическая прочность [15] определяется совокупностью целого ряда недостаточно изученных процессов, в связи с чем необходимо накопление новых экспериментальных данных по механическому изнашиванию. Материаловед-ческие аспекты решения этой проблемы подразумевают выделение таких качественных и количественных параметров, которые бы отражали структурное состояние материала или покрытия с позиций сопротивления износу. Твердость (микротвердость), являющаяся одним из таких базовых параметров, обычно применяется для приблизительной оценки или сопоставления износостойкости материалов в «исходном» состоянии, до испытаний на износ. Более полное выявление сопротивления этих материалов механическому изнашиванию требует оценить их состояние с точки зрения степени развивающихся при контактном нагружении микроскопических повреждений, определяющих надежность и долговечность материала. Следует предположить, что на мезоуровне обобщенной количественной характеристикой процесса изнашивания, зависящей от структуры и позволяющей оценить сопротивление материала в том или ином структурном состоянии развитию износа, является микрошероховатость поверхности трения порошковых покрытий.
Графики изменения микрошероховатости подробно отражают кинетику процесса поверхностного изнашивания покрытий (рис. 5). Примерно до = 2 • 104 циклов наблюдается участок приработки, на котором шероховатости всех покрытий имеют близкие значения. На
-О-Модифиц. -0-САВ21 -Ь- САВ51
тт Т
О 50 100 150 200 250
Количество циклов, 103
Рис. 5. Зависимость средней микрошероховатости поверхности покрытий из порошковых проволок от количества циклов трения; нагрузка — 750 Н, частота вращения вала — 5 об/с
этапе приработки изменения шероховатости имеют осциллирующий характер. Далее, начиная с =5 • 104 циклов и наступления этапа установившегося износа, происходят существенное расхождение и стабилизация шероховатостей покрытий: шероховатости покрытий из модифицированной проволоки и САВ51 снижаются, шероховатости покрытия из проволоки САВ21 повышаются до 16-18 мкм. Далее для всех покрытий наблюдается стабилизация шероховатости вплоть до 20 • 104 циклов.
Как видно из графиков на рис. 5, средняя шероховатость поверхности износа покрытия из проволоки САВ21 (=17.5 мкм) значительно выше шероховатости покрытий из проволок САВ51 и модифицированной проволоки. Шероховатости покрытий из проволок САВ51 и модифицированной проволоки близки, а интенсивности установившегося изнашивания сопоставимы, при этом более высокой шероховатости рельефа поверхности трения покрытия из проволоки САВ51 соответствует более высокое значение интенсивности изнашивания.
Износ при трении скольжения связан с наличием тангенциальных усилий, вызывающих сдвиг и срез шероховатых поверхностных слоев, и возникает в результате развития в металле покрытий микропластических деформаций. Чем выше предел упругости (прочность, твердость), тем большее значение внешних нагрузок требуется для начала изменений, повышающих дефектность и ухудшающих свойства покрытий. Кроме средней прочности существенную роль играет однородность структуры покрытия, влияющая на шероховатость поверхности трения, так как в местах с резким градиентом свойств возникают концентрации напряжений. Другой фактор, определяющий сопротивление пластической деформации, — количество и дисперсность упрочняющих фаз, т.е. свободное расстояние между ними. Данный фактор, безусловно, также влияет на кинетику формирования шероховатости поверхности трения. В связи с этим отмеченные выше основные структурные отличия покрытий из модифицированных проволок — мелкозернистость, наличие тонкодисперсных включений, относительная однородность микромеханических свойств — существенно влияют на развитие микропроцессов изнашивания. Поскольку покрытие из модифицированной проволоки имеет лучшую износостойкость, фактор упрочнения за счет мелкозернистого состояния и наличия тонкодисперсных тугоплавких частиц, очевидно, более предпочтителен, чем упрочнение вследствие наклепа. Безусловно, металлофизические аспекты упрочнения и поверхностного разрушения при износе требуют отдельных исследований.
Положительное влияние наклепа на износостойкость трущихся поверхностей проявляется только до определенной критической степени деформации, по достижении которой в металле начинается процесс раз-
рыхления, сопровождающийся процессом упрочнения. Процесс упрочнения за счет роста плотности дислокаций наиболее интенсивно развивается на начальной стадии трения. Здесь следует также учесть тот факт, что после затвердевания напыленные слои имеют нестабильную структуру с высоким уровнем микронапряжений. Основное снижение уровня микронапряжений происходит также на начальных стадиях как результат пластического деформирования.1
Наблюдаемое в процессе приработки изменение микрогеометрии поверхности трения объясняется периодическим увеличением фактической площади контакта и шероховатости поверхности трения в результате пластических деформаций и, как следствие, интенсификацией изнашивания. Наблюдаемый процесс повторяется циклически до установления равновесной шероховатости вследствие стабилизации упрочнения.
Таким образом, параметр шероховатости характеризует развитие повреждаемости в приповерхностных слоях структуры покрытий при трении, достаточно подробно отражает этапы процесса изнашивания и, очевидно, может служить в качестве обобщающей количественной характеристики, связывающей структурное состояние покрытия с его изнашиванием.
6. Выводы
Электродуговой металлизацией получены покрытия из модифицированной порошковой проволоки, разработанной в Институте физико-технических проблем Севера СО РАН, и порошковых проволок САВ21, САВ40, САВ51 серийного производства. По результатам сравнительного химического и фазового анализа покрытий выявлено следующее:
- химический состав порошковых проволок способствует формированию многофазных покрытий, содержащих оксиды (А1203, SiO2, Сг203, ТЮ2, FeO, Fe2O3), карбиды (ТЮ, А14С3, Сг3С2, V2C, W2C, WC), силициды ^е^3, Fe3Si, С^, Сг^, С^2, W5Si3, WSi2), интерме-таллиды (А1^Мп, FeCr, Fe2Ti, Fe2W, Fe7W6, СгМп3, Сг5А18, ^А13, Mo5Si3) и др.;
- основные легирующие элементы (Сг и А1 в составе модифицированной проволоки, Т в проволоке САВ51) способствуют образованию упрочняющих фаз, неравномерно распределенных по сечению покрытия;
- покрытия из модифицированной проволоки и промышленной проволоки САВ51 имеют более сложное, многофазное внутреннее строение элементов макроструктуры (т.е. слоев, образованных отдельными падаю-
1 В работе не исследуется роль микронапряжений и фактора структур-
ной устойчивости металла к нагреву в зоне трения, который может
существенно изменить структуру, механические свойства, а следо-
вательно, и износостойкость покрытий.
щими частицами) по сравнению с покрытиями из проволок САВ21 и САВ40.
Полученные электрометаллизационные покрытия различаются видом распределения значений микротвердости. Покрытия из модифицированной проволоки и проволоки САВ51 имеют одномодальные частотные графики микротвердости (очевидно, они более однородны по составу и микромеханическим свойствам). У покрытий из проволоки САВ40 — двухмодальные гистограммы микротвердости, что соответствует их неоднородному строению, когда элементы макроструктуры со сложной структурой перемежаются с практически однофазными участками.
Испытания в условиях трения скольжения показали, что для всех покрытий наблюдаются практически одинаковые характерные участки приработки и установившегося износа. Наибольшую износостойкость имеют покрытия из модифицированной проволоки, интенсивность установившегося изнашивания которых (=2.1 • 10~6 г/цикл) ниже по сравнению с покрытиями из промышленных проволок САВ51 и САВ21 (5.45 • 10~6 и 16.2-10~6 г/цикл соответственно).
Прочность покрытий из модифицированной проволоки обеспечена формированием слоев, преимущественно состоящих из мелкозернистых фаз и мелкодисперсных включений тугоплавких частиц. Выявленные особенности химического и фазового состава, мелкозернистость внутреннего строения элементов макроструктуры, относительная однородность микромехани-ческих характеристик благоприятно влияют на сопротивление покрытия из модифицированной проволоки развитию процессов изнашивания, что отражается на строении контактной поверхности (ее шероховатости).
Исследована взаимосвязь значений износа и микрошероховатости поверхностей трения покрытий из порошковых проволок. Приблизительно до 2 • 104 циклов наблюдается участок приработки, на котором шероховатости всех покрытий имеют близкие значения. Начиная с = 5 • 104 циклов и наступления этапа установившегося износа, происходит существенное расхождение шероховатостей поверхностей трения: для покрытий из модифицированной проволоки и проволоки САВ51 шероховатость снижается до 7-8 мкм, для покрытия из проволоки САВ21 шероховатость повышается до 16-18 мкм. Далее для всех покрытий наблюдается стабилизация шероховатости вплоть до 20 -104 циклов. Очевидно, параметр микрошероховатости определяется развитием повреждаемости в приповерхностных слоях структуры покрытий при трении, отражает этапы процесса изнашивания и может служить обобщающей количественной характеристикой, связывающей структурное состояние покрытия и его изнашивание.
Работа выполнена при поддержке инновационного проекта № 6781 Фонда содействия развитию малых
форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы СТАРТ.
Литература
1. Литовченко Н.Н., СергеевВ.В., Спиридонов Ю.Л. Восстановление
коленчатых валов автотракторных двигателей электродуговой металлизацией // Труды 5-й Межд. конф. «Пленки и покрытия -1998», С.-Петербург, 23-25 сентября 1998 г. - С.-Петербург: Полиплазма, 1998. - С. 105-108.
2. Лялякин В.П. Научно обоснованные технологии восстановления коленчатых валов автотракторных двигателей // Сварочное производство. - 1994. - № 12. - С. 17-19.
3. Борисов Ю.С., Харлампьев Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатовс-кая Е.Н. Газотермические покрытия из порошковых материалов: Справочник. - Киев: Наукова думка, 1987. - 544 с.
4. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.
5. Болотина Н.П., Ларионов В.П., Милохин С.Е., Шевченко В.Г. Влияние составов порошковых проволок на основе железа на структуру и износостойкость плазменно-напыленных покрытий // Физика и химия обработки материалов. - 1990. - № 2. - С. 65-69.
6. Кудинов В.В., Калита В.И., Коптева О.Г. Исследование процесса формирования макро- и микроструктуры частиц газотермических
покрытий // Физика и химия обработки материалов. - 1992. -№ 4. - С. 88-92.
7. Пат. 2048273 РФ. С22С1/06. Порошковая проволока для получения покрытий / Н.П. Болотина, С.Е. Милохин, В.П. Ларионов, В.Г. Шевченко, А.В. Виноградов // Опубл. 20.11.1995.
8. Карасик И.И., Поляков С.А. Масштабный фактор и возможности моделирующих испытаний на существующих машинах трения // Трение и износ. - 1983. - Т. 4. - № 4. - С. 671-675.
9. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов
на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
10. Справочник по триботехнике. Т. 1. Теоретические основы / Под ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1989. -400 с.
11. Хрущов М.М. Исследование приработки подшипниковых сплавов и цапф. - М.-Л.: Издательство АН СССР, 1946. - 146 с.
12. Дьяченко П.Е. Критерии оценки микрогеометрии поверхности. -М.: Изд-во АН СССР, 1942. - 104 с.
13. Кислик В.А. Износ деталей паровозов. - М.: Трансжилдориздат, 1948. - 332 с.
14. Пузанков В.В. Исследование оптимальной чистоты поверхности трущихся пар // Качество поверхности деталей машин. Сб. № 4. -Издательство АН СССР, 1959. - С. 32-40.
15. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов. - М.: Недра, 1996. - 364 с.
Поступила в редакцию 07.12.2006 г., переработанный вариант 21.05.2007 г.
