CC BY
6СМ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.793.74
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА МАРКИ ПГ-С27
Ю.С. ЧЁСОВ, канд.техн.наук, доцент, Е.А. ЗВЕРЕВ, ассистент, А.В. ПЛОХОВ, канд.техн.наук, доцент, НГТУ, г Новосибирск
Статья получена 02 апреля 2010 г.
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, E-mail: egor_z@ngs.ru
Приведены результаты исследований плазменных покрытий по критериям износостойкости и контактной выносливости для различных типов структуры слоя и выявлен ее наиболее рациональный вариант.
Ключевые слова: плазма, покрытие, структура, эксплуатационные свойства.
Results of researches of plasma coatings by criteria of wear resistance and contact endur-ance for various types of structure of a layer were resulted and its most rational variant was re-vealed.
Key words: plasma, coating, structure, strength, operational properties.
В настоящее время в технологии машиностроения с целью повышения физико-механических и эксплуатационных свойств деталей машин применяются самые различные методы упрочнения их рабочих поверхностей, к которым относятся газотермические методы нанесения покрытий, в частности и метод плазменного напыления.
При нанесении износостойких покрытий используется большое многообразие порошковых материалов, рекомендуемых ГОСТ 28844. Поэтому на начальном этапе экспериментальных исследований нами были произведены сравнительные испытания покрытий (по критериям прочности сцепления с основой и износостойкости) из четырех широко распространенных в промышленности марок порошков: ПГ-С27, ПГ-10Н-01, ПС-12НВК-01 и ПР-ШХ15Д [1].
Исследования показали, что лучший результат по износостойкости продемонстрировали образцы с покрытием из порошка марки ПС-12НВК-01, а по прочности сцепления - образцы с покрытием из порошка марки ПГ-С27. Однако стоимость первого порошка значитель-
но выше, чем второго. Исходя из наиболее оптимального соотношения «цена-качество», за объект дальнейших исследований нами был принят порошковый материал марки ПГ-С27 (высокохромистый чугун).
Для указанной марки порошка экспериментально установлен наиболее рациональный диапазон режимов напыления, обеспечивающих определенные типы структур покрытий с присущими им показателями качества. При прочих равных условиях в исследованиях варьировались сила тока дуги плазмотрона, расход плазмообра-зующего газа (воздуха) и дистанция напыления. На этой основе были построены инженерные модели процесса, связывающие прочность сцепления покрытий с основой и их пористость [2], а также уровень остаточных напряжений в слое [3] с условиями обработки.
Результаты металлографического анализа снимков, полученных на растровом (марки EVO 50 XVP Carl Zeiss) и оптическом (марки NIKON Eclipse MA100) микроскопах, показали, что в исследуемом диапазоне режимов напыления на-
блюдаются структуры покрытий [4], которые отличаются пористостью и размерами пор, несплошностью на границе «покрытие - основной металл», степенью деформации частиц (по так называемому «форм-фактору») и количеством нерасплавившихся частиц (глобулей). По этим характеристикам можно хотя и косвенно, но достаточно корректно судить о влиянии режимов напыления на структуру покрытий.
Совместный анализ перечисленных выше структурных показателей напыленных покрытий позволил выделить три варианта характерных разновидностей структур, названных нами условно структурами типа А, Б и В. Структура типа А отличается от остальных заметно лучшими характеристиками по всем позициям. Второй тип структуры имеет меньшую степень деформации частиц и повышенную пористость. Варианту структуры типа В присущ высокий уровень пористости, низкая степень деформации и большой процент нерасплавившихся частиц, а также заметная несплошность переходной границы.
Изучение структуры проводилось параллельно с определением микротвердости. Такие измерения на поперечных шлифах дают дифференцированную информацию о свойствах напыленных слоев и, кроме того, полезны в качестве дополнительной информация о толщине покрытия (резкий спад микротвердости на границе «покрытие-основа»). Микротвердость по критерию НУ измеряли на приборе ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450. Результаты измерений приведены на рис. 1.
Полученные зависимости показывают, что покрытиям присуща заметная неравномерность распределения уровня микротвердости по толщине слоя. Это обусловлено как неоднородностью покрытий по составу, так и наличием пор. Наибольший же разброс значений микротвердости наблюдается у варианта структуры типа В.
Целью настоящих исследований является испытание образцов на износостойкость и контактную выносливость с покрытиями, обладающими различными вариантами структур.
Для покрытий данного функционального назначения износостойкость является, безусловно,
10000
о
& 4000
в
0 &
1 2000 1000
100 200 300 400 500 600 Расстояние от поверхности, мкм
10000 9000
&
| 2000
100 200 300 400 500 600 Расстояние от поверхности, мкм
б
10000
200 300 400 500 600 Расстояние от поверхности, мкм
Рис. 1. Распределение микротвердости покрытий по толщине слоя:
а - структура типа А; б - структура типа Б; в - структура типа В
а
в
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
самым важным эксплуатационным свойством, уровень которого впрямую отражается как на работоспособности конструкций в целом, так и на сохранении геометрических размеров отдельных деталей. При испытании покрытий на изнашивание в условиях трения скольжения использована схема «врезающегося индентора» [5]. Она позволяет создавать довольно жесткие условия нагружения. В установке пара трения состоит из вращающегося индентора (твердый сплав марки ВК8) и неподвижно закрепленного образца с покрытием. Нагрузка на пару трения составляла 20 Н. На всех образцах выполняли 5 циклов изнашивания при различном пути трения. В качестве интегральной количественной характеристики износостойкости использовали величину объемной потери образцов, которая вычислялась по геометрическим параметрам лунки износа (рис. 2).
200 рщ ЕНТ - 20.00 Ш 31дпа1 А = ЗЕ1 ОеЛе :10 Оас 2009 I-1 \АШ= 6.5 тт Мад = 56 X РИо(о N0. = 8902
Рис. 2. Поверхность изнашивания
Результаты сравнительных испытаний покрытий на изнашивание в условиях трения скольжения показаны на рис. 3.
Отметим, что результаты испытаний хорошо коррелируют с данными по измерениям микротвердости. Как отмечалось выше, для покрытий, нанесенных по варианту В, характерны повышенные пористость и несплошность на границе «покрытие-основа». Поры уменьшают реальное сечение покрытия и одновременно являются кон -центраторами напряжений. Эти два фактора заметно снижают прочность и трещиностойкость поверхностных слоев и при наличии большого
ТЕХНОЛОГИЯ
2 4 6 8 10
Длина пути трения, 103 м
Рис. 3. Кинетика изнашивания образцов с покрытиями:
1 - структура типа А; 2 - структура типа Б;
3 - структура типа В
разброса микротвердости в условиях трения скольжения приводят к увеличению объемного износа.
Рабочие поверхности деталей машин в процессе эксплуатации, как правило, испытывают многократное воздействие циклических нагрузок, в результате чего на них образуются ямки выкрашивания (так называемые питтинги) и трещины, снижающие долговечность покрытий. Испытания на контактную выносливость проводили в соответствии с ГОСТ 25.501 по схеме нагружения «пульсирующий контакт». Контртелом (индентором) служил шарик из закаленной стали марки ШХ15 диаметром 2,5 мм.
Сравнительным испытаниям подвергались сегментные образцы с покрытиями, вырезанные из втулок, подвергнутых финишной механической обработке (шлифованию). На установке реализовано синусоидальное симметричное циклическое нагружение с частотой 24 удара в секунду и усилием, приложенным к индентору, равным 400 Н. В исследованиях измеряли пятно контакта при фиксированном количестве циклов нагружения. Площадка контакта представляла собой эллипс, размер диагоналей которого оценивался при помощи металлографического микроскопа. За критерий разрушения был принят момент интенсивного питтингобразования и появления усталостных трещин в пятне контакта. По результатам экспериментов были построены кривые зависимости среднего диаметра пятна контакта (для партии из пяти одинаковых образцов) от числа
циклов нагружения в полулогарифмических координатах.
Результаты исследования образцов с покрытиями на контактную выносливость представлены на рис. 4.
Количество циклов оагружения
Рис. 4. Зависимость среднего диаметра пятна контакта от числа циклов нагружения: 1 - структура типа А; 2 - структура типа Б;
3 - структура типа В
Эксперименты показали, что наибольшей контактной выносливостью обладают образцы со структурой типа А. Число циклов нагруже-ния, которое выдерживают такие образцы до момента усталостного разрушения, составляет величину порядка 4-105. На рис. 5 приведена фотография усталостной трещины в пятне контакта для данного вида образцов.
Рис. 5. Усталостная трещина в покрытии со структурой типа А
Образцы со структурой типа Б выдержали нагрузку в пределах 2,8-105 циклов нагружения, что заметно ниже, чем у образцов со
структурой типа А. Характер трещины для образцов со структурой типа Б показан на рис. 6.
Рис. 6. Усталостная трещина в покрытии со структурой типа Б
Наихудший результат отмечен на образцах покрытия, которые обладают структурой типа В. Их стойкость к данному виду нагружения составляет не более 2-105 циклов нагружения, что на 50 % ниже, чем у образцов со структурой типа А. Усталостная трещина на образцах данного вида показана на рис. 7.
Рис.7. Усталостная трещина в покрытии со структурой типа В
Известно, что в зоне контактирования образца и индентора возникают нормальные и касательные напряжения. В отличие от нормальных напряжений, монотонно снижающихся по мере удаления от поверхности, касательные распределены более сложно. Продольно усталостные
0М ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
трещины, возникающие при контактном нагру-жении, обычно являются результатом действия касательных напряжений [6].
Большую роль в разрушении покрытия играют концентраторы напряжений. В нашем случае к концентраторам, наличие которых способствует трещинообразованию, можно отнести поры, границы между частицами, несплошности границы между покрытием и основой. Именно эти дефекты наиболее ярко проявляются у варианта структуры типа В. Вероятно поэтому такое покрытие выдержало меньшее количество циклов нагружения до разрушения слоя при более активном образовании трещин с выкалыванием крупных фрагментов.
Таким образом, в результате проведенных испытаний на износостойкость и контактную выносливость можно констатировать, что в исследуемом диапазоне режимов плазменного напыления наиболее высоким уровнем этих эксплуатационных свойств обладают образцы со структурой покрытий типа А, поскольку она обладает минимальными пористостью и размерами пор, количеством нерасплавившихся частиц порошка, наибольшей степенью деформации частиц и практическим отсутствием участков с несплошностью границы «покрытие - основа». Именно данный вариант структуры плазменных покрытий из порошкового материала марки ПГ-С27 и может быть рекомендован для упрочнения рабочих поверхностей деталей машин самого различного технологического оборудования.
ТЕХНОЛОГИЯ
Список литературы
1. Чёсов Ю.С., Зверев Е.А. Исследование износостойкости покрытий, нанесенных методом плазменного напыления // Научный вестник НГТУ, 2008. -№ 3(32). - С. 175-181.
2. Чёсов Ю.С., Зверев Е.А. Влияние технологических факторов плазменного напыления на свойства покрытий из порошкового материала марки ПГ-С27 // Обработка металлов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. -2009. - № 3 (44). - С. 15-17.
3. Чёсов Ю. С. Исследование уровня остаточных напряжений в покрытиях при плазменном напылении / Ю.С. Чёсов, Е.А. Зверев, П.В. Трегубчак // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: материалы 8-й Всероссийской научно-практической конференции. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. - С. 24-28.
4. Чёсов Ю.С. Структура плазменных износостойких покрытий из порошкового материала марки ПГ-С27 / Ю.С. Чёсов, Е.А. Зверев, А.В. Пло-хов // Обработка металлов. - 2010. - № 1 (46). -С. 14-18.
5. Чёсов Ю.С. Исследование свойств износостойких покрытий из порошкового материала марки ПГ-С27 при плазменном напылении / Ю.С. Чёсов, Е.А. Зверев, Н.Л. Прокопьев, А.С. Ваганов, Н.В. Ан-тохина, А.В. Плохов // Ресурсосберегающие технологии ремонта, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до микроуровня: Материалы 12-й Международной научно-практической конференции. В 2 ч. - СПб.: Изд-во СПбПУ, 2010. -Ч. 1. - С. 201-207.
6. Методы исследования материалов. Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий / Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В И. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 384 с.
