CC BY
72
УДК 621.785
ВЛИЯНИЕ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И ТВЕРДОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
А.П. Любченко, профессор, д.т.н., Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Ю.В. Рыжков, ген. директор, НПО «Гидромодуль»
Аннотация. Установлено, что газотермическое напыление на чугун, проведенное с использованием стальной и молибденовой проволоки, существенно повышает твердость поверхностного слоя, что обусловлено характером формирующейся структуры.
Ключевые слова: газотермическое напыление, сталь, молибден, структура частиц.
Введение
Развитие современной техники предъявляет все более возрастающие требования к рабочим характеристикам конструкционных материалов, к снижению металлоемкости деталей, повышению их экономичности и качества. В комплексе проблем повышения надежности и долговечности машин особое место занимает вопрос износостойкости и соответственно твердости деталей. Для решения задачи повышения эксплуатационных характеристик материалов привлекают новые методы поверхностного упрочнения, например, различные способы газотермического нанесения покрытий.
Анализ публикаций
Методы газотермического напыления позволяют изготавливать детали из биметаллических материалов с целью замены дорогостоящих дефицитных материалов дешевыми.
Газотермическое напыление значительно меняет свойства напыляемых материалов. И хотя разработаны основные положения общей теории образования покрытий [1], однако эффективность каждого метода и возможность использования конкретных покрытий, наряду с другими факторами, в значительной степени обусловлены наличием информации об изменениях структуры и свойств данных материалов в условиях напыления.
Наиболее простые закономерности формирования структуры покрытий характерны для однокомпонентных покрытий. Для целей же повышения износостойкости, жаростойкости наиболее результативно использование многокомпонентных покрытий [2].
Очевидно, что для таких сплавов не всегда можно теоретически предсказать структуру и свойства покрытия. Поэтому требуется широкое экспериментальное изучение структуры и свойств после напыления.
Материалы и цель исследования
В настоящей работе объектами исследования явились газотермические покрытия, нанесенные на чугун.
Цель работы - установить влияние газотермического покрытия на структуру и свойства образованного слоя.
Покрытие на кольцо из чугуна наносили методом двухпроволочной металлизации с независимой подачей проволок молибдена и стали. Напыление из двух проволок разных материалов приводит к формированию в слое псевдосплава, созданного частицами стали 11Х18М и молибдена.
Ниже в табл. 1 приведен режим напыления.
Таблица 1 Режим напыления
Результаты эксперимента и их обсуждение
Последовательное травление слоя на одну, а затем на другую составляющую позволило четко дифференцировать в слое частицы стали и молибдена (рис. 1).
Образование покрытия последовательной упаковкой множества сильно деформирующихся частиц создает слоистую структуру покрытия. При этом выявилась своеобразная особенность сталь-молибденового покрытия, повторяющаяся во всех поршневых кольцах: частицы стали и молибдена распределены в каждом поперечном сечении слоя не равномерно, а последовательно чередующимися слоями. Такое распределение частиц, очевидно, может быть обусловлено особенностями движения в газовой струе частиц разной массы.
В целом же по окружности кольца за 20 проходов горелки формируется довольно однородное распределение частиц.
Важнейшей характеристикой напыленного слоя, определяющей успешную работу покрытия, является его связь с поверхностью подложки. Очевидно, что предварительная дробеструйная обработка канавки обеспечивает благоприятные условия для адгезии.
Выявляемая металлографически структура частиц молибдена демонстрирует их мелкозернистость. Кроме того, структура свидетельствует о том, что частицы молибдена попали на подложку в расплавленном состоянии и быстро кристаллизовались под давлением за счет теплоотвода в глубь металла подложки или слоя. Таким образом, скоростная кристаллизация под давлением способствовала созданию мелкозернистой структуры.
Известно[3], что сверхмелкое зерно, образующееся в напыленных частицах молибдена, должно заметно повысить его прочность и
твердость. Однако, наблюдаемое трех-четы-рехкратное повышение твердости частиц молибдена по сравнению с исходным состоянием молибденовой проволоки вряд ли вызвано только измельчением зерна и наклепом частиц.
Структура частиц отвечает наибольшему насыщению молибдена примесями внедрения. Основная масса частиц характеризуется структурой пересыщенного твердого раствора с начальными стадиями старения.
Рис. 1. Общий вид напыленного слоя: а -полное травление; б - травление на молибден Х115
Что касается структур частиц стали, то это в основном частицы со структурой более или менее равномерно распределенных в матрице зернистых карбидов различной зернистости.
Напря- Давление Диаметр
жение Сила сжатого воздушно-
на дуге, тока, А воздуха, го сопла,
В МПа мм
40 400 0,5 - 0,55 8
Основная масса частиц имеет структуру, подобную структуре деформированной стали. Кристаллизация под давлением приводит в каждый момент к образованию мелко-дис-персной аустенитной структуры, окруженной тонкими прослойками жидкого раствора, который должен превратиться в карбидную составляющую.
Большое содержание остаточного аустенита в стальных частицах обусловлено тем, что закалка частиц происходит от предплавиль-ных температур, что создает высокое ле-ги-рование аустенита и снижение его Мн.
Данные о твердости исследуемых мате-риа-лов после напыления и шлифования при-ве-дены в табл. 2 и на рис. 2 и 3.
Оценка толщины частиц в слое и глубин отпечатков, получаемых при измерении микротвердости нагрузкой 0, 49 Н, показала, что в большинстве случаев продавливание частиц исключается.
Таблица 2 Твёрдость исследуемых материалов
Для частиц молибена и стали обнаружены значительные различия в числах микротвёрдости для разных частиц, а также и в пределах одной частицы. Такой разбег чисел твёрдости не может быть следствием разброса значений от замера к замеру, а, очевидно, отражает различное структурное состояние частиц. Для оценки преимущественного диапа-
зона твердости частиц (т. е. их преимущественного структурного состояния) построены гистограммы распределения частиц по диапазонам твёрдости. Рис. 2 и 3 характеризуют такое распределение для молибдена и стали в слое после напыления и шлифования.
а
б
Рис. 2. Микротвёрдость молибдена: а - после напыления; б - после шлифования
Можно видеть, что наибольшее число частиц молибдена обладает микротвёрдостью в диапазоне 5000-7000, но с преобладанием 5000 - 6000. При этом существуют и более мягкие (до 4000) и более твёрдые (до 8000) частицы молибдена. Приведённые данные свидетельствуют о значительном упрочнении молибдена при напылении: твёрдость исходной проволоки молибдена составляет лишь 2000 МПа.
Частицы стали также заметно упрочняются по сравнению с исходной проволокой. Наибольшее число частиц характеризуются микротвёрдостью составляющей 4000-5000 МПа, хотя есть значительное число частиц и большей твёрдости. Нужно отметить, что повышение твёрдости многих частиц стали меньше, чем может быть достигнуто объёмной термической обработкой стали по стандартному для неё режиму (HRC - 57-58). Ха-
Материал Твердость по Микротвёр-
Виккерсу, Н дость, Но
Проволока мо- 120 1800-2000
либдена
Проволока ста- 240 2900-3200
ли
Сталь-молибде-
новое
покрытие после 230...240
напыления:
частицы молиб- 4000-8000
дена
частицы стали 3000-6000
Сталь-молибде-
новое покрытие
после 230...240
шлифования:
частицы молиб-
дена 5000-8000
частицы стали 3000-6000
Высокопроч- 220
ный чугун
рактерно также, что твёрдость частиц стали меньше, чем частиц молибдена.
Низкое значение макротвёрдости обусловлено пористостью покрытия.
Макротвёрдость покрытия сравнительно невелика и сопоставима с макротвёрдостью чугуна, из которого изготовлено кольцо.
Поршневые кольца со сталь-молибденовым покрытием по техническим условиям эксплуатируются после шлифования. На рис. 2, б и 3, б представлены гистограммы для частиц молибдена и стали на шлифованной поверхности. По прежнему наибольшее число частиц молибдена соответствует диапазону микротвёрдости 5000 - 6000 МПа, но наблюдается заметный сдвиг твёрдости в интервал 6000 - 7000 МПа по сравнению с напылённым состоянием (ср. рис. 2, а и 3, а). Для стали увеличивается число частиц с твёрдостью в интервале 4000 - 5000 МПа. Таким образом при шлифовании происходит некоторое повышение микротвердости стали.
Выводы
Результаты замеров микротвёрдости молибдена и стали в поверхностном слое согласуются с характером структурных состав-ляю-щих.
Высокая твёрдость частиц молибдена в напыленном слое обусловлена рядом факторов: сверхмелким зерном, наклепом частиц и изменением их химического состава, создающим условия для упрочнения старением.
Твердость стальных частиц определяется мелкодисперсными карбидами и наклёпом аустенита.
а
б
Рис. 3. Микротвёрдость стали: а - после напыления; б - после шлифования
Литература
1. Кудинов В.В. Теория и практика газо-
тер-мического нанесения покрытий. - М.: Металлургия, 2000.
2. Антошин Е.В. Нанесение металлических и
неметаллических покрытий посредством газотермического напыления. - М.: Машиностроение, 2002.
3. Катц Н.В. и др. Металлизация распыле-ни-
ем. - М.: Машиностроение, 2006.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 5 июня 2008 г.
