CC BY
24УДК 669.018.25:621.793
ФОРМИРОВАНИЕ WC/Ni ТВЕРДОСПЛАВНОГО ПОКРЫТИЯ С ЧАСТИЦАМИ ТВЕРДОЙ СМАЗКИ MoS2 МЕТОДОМ ДЕТОНАЦИОННОГО НАПЫЛЕНИЯ
C.Е. ВЕСЕЛОВ1, канд. техн. наук, доцент,
С. MUDERS2, reader,
X. JIANG2, Prof. Dr. rer. nat. habil.,
В.Г. БУРОВ1, канд. техн. наук, профессор,
А.А. БАТАЕВ1, доктор техн. наук, профессор,
(1НГТУ, г. Новосибирск, University of Siegen, Germany)
Статья поступила 7 мая 2011 г.
Веселов С.В. - 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 Новосибирский государственный технический университет, e-mail: [email protected]
Установлена принципиальная возможность создания WC/Ni детонационных покрытий, содержащих частицы твердой смазки MoS2. На основании экспериментальных данных показано, что снижение интенсивности процесса напыления позволяет частично сохранить твердый смазочный компонент в составе напыляемого слоя. В то же время низкая адгезионная прочность составляющих формируемого покрытия является причиной заниженных по сравнению с твердыми сплавами показателей микротвердости композиции.
Ключевые слова: детонационное напыление, твердосплавное покрытие, твердая смазка, дисульфид молибдена, износо стойко сть.
ВВЕДЕНИЕ
Применение смазочных материалов в различных типах пар трения является общепринятой практикой. Основной задачей смазывающего компонента является снижение коэффициента трения в зоне контакта трущихся поверхностей. В ряде случаев использование жидкого смазочного компонента в парах трения невозможно из-за развития высоких температур на границе раздела элементов системы в процессе ее эксплуатации. В подобных ситуациях эффективным методом повышения эксплуатационной стойкости деталей является применение твердых смазочных материалов.
Среди твердых смазочных материалов наибольшее распространение получил дисульфид молибдена (Мо82). Введение дисульфида молибдена в зону двух трущихся поверхностей позволяет эффективно снизить коэффициент трения системы, рабочая температура компонентов которой может составлять несколько сотен градусов.
Одним из наиболее эффективных методов доставки частиц твердой смазки в зону трения является введение его в качестве одного из компонентов износостойкого покрытия на этапе формирования поверхностного слоя. Создание подобных композиций позволит, с одной стороны, обеспечить повышенную износостойкость элементов пары трения за счет на-
личия износостойкого покрытия, а с другой - снизить интенсивность истирающих нагрузок ввиду постоянного присутствия смазывающего компонента покрытия в зоне контакта.
Согласно литературным данным [1, 2], в процессе газотермического напыления частицы порошковой смеси в ряде случаев нагреваются до жидкого или полужидкого состояния, а температура пламени достигает ~ 3000 °С. В данных условиях ввиду низкой температурной стабильности фазы мо82 добавки порошка дисульфида молибдена в напыляемую смесь не обеспечат формирования покрытия с частицами данной фазы. В связи с этим в работе рассматривается принципиальная возможность формирования твердого износостойкого покрытия с частицами мо82 путем оптимизации режимов детонационно-газового напыления.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
При проведении экспериментов в качестве основного материала покрытия была выбрана смесь марки Бигша1 103.012 состава WC - 12 вес.% N1. Частицы данного порошка обладают сферической формой со средним размером 55 ± 22 мкм.
В качестве твердого смазочного компонента в экспериментах был использован порошок дисульфида
молибдена, средний размер частиц которого составлял 1...10 мкм. Подготовка порошковой смеси перед напылением заключалась в механическом перемешивании анализируемой марки порошка с частицами дисульфида молибдена в количестве 5 и 10 вес. % MoS2 от общего объема.
Напыление покрытий производили на пластины из стали марки Ст 3 толщиной 3 мм, подвергнутые предварительной пескоструйной обработке. Формирование покрытий осуществляли на установке детонационно-газового напыления, разработанной в Институте гидродинамики СО РАН. В качестве детонирующего газа применяли смесь ацетилена с кислородом. Основным параметром, изменяемым при создании покрытий, являлся объем детонирующего газа, который, в свою очередь, определял скорость и температуру напыляемых частиц [3, 4].
Выбор режимов напыления подготовленных порошковых смесей был произведен на основании данных предварительных экспериментов по измерению массы покрытия, сформированного после 50 выстрелов, произведенных в одну точку мишени при использовании различного объема детонирующего газа. Проведенные эксперименты показали, что для исследуемой порошковой смеси оптимальный объем детонирующего газа составляет 28 % от объема ствола пушки. Увеличение объема газа свыше 28 % не приводило к существенному повышению массы напыляемого слоя. Помимо «нормального» режима в работе были также исследованы образцы с покрытиями, сформированными на «холодном» и «сверххолодном» режимах, характеризующихся уменьшением массы покрытия на 30 % (18 % заполнения объема детонирующим газом) и на 60 % (13 % заполнения объема детонирующим газом) от веса покрытия, сформированного на «нормальном» режиме.
В работе было проведено исследование морфологии, химического и фазового состава как исходных порошковых материалов, так и сформированных покрытий. Анализ химического состава и морфологических особенностей строения частиц порошковых материалов, а также поверхностного слоя покрытий проводили на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss ULTRA 55, оснащенном приставкой для проведения микрорентгеноспектрального анализа. Фазовый состав порошков в состоянии поставки, а также исследование особенностей фазового состава покрытий анализировали с использованием рентгеновского 0 - 0 дифрактометра PhilipsX'Pert. Съемку дифракционных картин осуществляли с использованием в качестве источника полихроматичного излучения рентгеновской трубки с медным анодом и полупроводникового Si(Li) детектора для регистрации дифрагированного пучка.
Анализ поперечных микрошлифов производили с использованием растрового электронного микроско-
па, оснащенного микроанализатором химического состава, и на оптическом микроскопе Olympus BX51M.
Качественную оценку механических свойств покрытий проводили на основании данных по измерению микротвердости покрытий на микротвердомере Shimadzu HMV-2000 при нагрузке 200 грамм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На первом этапе экспериментальных исследований образцов после напыления была проведена оценка влияния режима детонационной обработки и концентрации MoS2 в напыляемой порошковой смеси на морфологию, химический и фазовый состав поверхности покрытий. На представленных снимках (рис. 1) наглядно продемонстрировано, что увеличение объема детонирующего газа при напылении приводит к повышению объемной доли расплавленных частиц на поверхности покрытия. Данное явление объясняется повышением температуры газового потока частиц при увеличении объема детонирующего газа. В то же время влияния концентрации MoS2 напыляемой смеси на морфологические особенности строения поверхности покрытия зафиксировано не было.
б
Рис. 1. Изменение морфологии поверхности WC/Ni покрытия с добавкой 5 вес.% Мо82 при увеличении объема детонирующего газа:
а - «сверххолодный» режим; б- «нормальный» режим
Для того чтобы установить, сохранились ли исходные частицы дисульфида молибдена в составе напыленного покрытия, в работе был произведен химический и фазовый анализ поверхностей всех сформированных покрытий. Локальный химический анализ поверхностного слоя каждого образца проводили по пяти областям площадью ~ 1 мм2. Согласно полученным результатам на всех образцах, содержащих дисульфид молибдена в напыляемой смеси, установлено присутствие частиц, содержащих Мо или 8. Детальное исследование химического состава отдельных составляющих на поверхностях образцов позволило обнаружить частицы, морфологически схожие с элементами порошка дисульфида молибдена (рис. 2, а). Локальный анализ химического состава данных частиц показал значительное количество серы либо молибдена (рис. 2, б). Нами предполагается, что данные частицы представляют собой сохранившиеся при напылении компоненты исходного порошка мо82. Отклонения в химическом составе данных частиц связаны, прежде всего, с размером анализируемой области при проведении локального химического анализа, которая существенно превосходит размеры исследуемых составляющих покрытий.
спечивают доставку частиц, содержащих в своем химическом составе элементы твердой смазки мо82. В то же время остается невыясненным вопрос о сохранении фазового состояния напыленного порошка дисульфида молибдена и, как следствие, его свойств в качестве твердой смазки.
Для того чтобы установить, соответствуют ли обнаруженные частицы фазе мо82 или в процессе напыления происходит разложение данной фазы с образованием новых химических соединений, с поверхностей покрытий всех образцов была произведена съемка дифракционных картин. Полученные данные позволили выявить ряд особенностей процесса формирования покрытий.
Согласно данным фазового анализа исходного порошка марки БигтМ 103.012 в смеси присутствуют преимущественно фазы WC и N1 (рис. 3). В то же время на дифракционных картинах покрытий, полученных с использованием данной смеси на всех режимах, было установлено образование карбида W2C (рис. 4, а). Таким образом, можно сделать предположение, что в процессе напыления независимо от интенсивности процесса протекает разложение упрочняющего компонента покрытия с образованием хрупкой фазы W2C, что отрицательно сказывается на прочностных свойствах формируемой композиции.
+
ю
4 6 8
Епег|*у, кеУ
б
Рис. 2. Фото (а) и химический анализ (б) отдельных частиц на поверхности WC/Ni покрытия, сформированного на «сверххолодном» режиме с добавкой 5 вес. % мо82 в напыляемую смесь
Таким образом, наличие атомов молибдена или серы на поверхности покрытия позволяет утверждать, что все предложенные режимы напыления обе-
Рис. 3. Фазовый состав твердосплавной порошковой смеси марки БиЯМАТ 103.012
При анализе рентгенограмм образцов, получение которых связано с использованием порошка мо82, было установлено, что из всех режимов детонационного напыления покрытий, содержащих в исходных порошковых смесях 5 и 10 вес. % мо82, установить присутствие частиц твердой смазки в образцах удалось только при «сверххолодном» режиме с добавлением 5 вес. % мо82 и «сверххолодном» и «холодном» режимах при добавлении 10 вес. % мо82. Полученные данные подтверждают теоретические предпосылки о разложении указанной фазы при «нормальном» режиме, сопровождающемся температурой ~ 3000 °С газовой струи. Кроме того, установить при-
а
сутствие данной фазы удалось только по наиболее сильному дифракционному пику фазы Мо82 и только при детализированной съемке участков общей дифракционной картины (рис. 4, б), что свидетельствует о незначительной объемной доле твердого смазочного компонента в покрытии.
2е, degree а
MoS„
2е, degree б
Рис. 4. Фазовый состав поверхностного слоя покрытия, напыленного на «сверххолодном» режиме с добавкой 5 вес. % MoS2 в порошковую смесь Durmat 103.012
Полученные данные подтверждают предположение о возможности сохранения частиц дисульфида молибдена в процессе напыления твердосплавного порошка путем снижения интенсивности процесса. В то же время можно утверждать, что при любом режиме формирования покрытия большая часть частиц твердого смазочного материала разлагается.
Для того чтобы оценить качество формируемых образцов при использовании различных режимов напыления, в работе проведен детальный анализ структуры покрытий на поперечных микрошлифах, подвергнутых химическому травлению (рис. 5). Было сделано предположение, что частицы фазы Мо82 могут сохраняться на границах более крупных частиц исходных порошковых смесей. Анализ границ напыленного порошка
позволил подтвердить указанное предположение. В процессе исследования границ частиц напыляемой порошковой смеси, содержащей 10 вес. % Мо82, в покрытии, сформированном на «сверххолодном» режиме, были обнаружены включения, морфологическое строение которых схоже с частицами дисульфида молибдена, а химический анализ локальных областей, захватывающих данные включения, содержал повышенную концентрацию серы либо молибдена.
Рис. 5. Структура WC/Ni покрытия с добавкой 10 вес. % Мо82, сформированного при «нормальном» режиме напыления
Для качественной оценки влияния режима напыления и концентрации твердой смазки исходной порошковой смеси на механические свойства покрытий в работе было проведено измерение микротвердости сформированных композиций. Результаты данных измерений представлены в таблице.
Анализируя данные по изменению микротвердости покрытий можно сделать вывод о том, что ни один из указанных режимов не позволяет сформировать поверхностный слой, механические свойства которого соответствуют твердым сплавам. Согласно представленным данным ни изменение концентрации Мо82 в напыляемой смеси, ни режим нанесения покрытия не оказывают существенного влияния на механические свойства формируемого слоя. Нами предполагается, что низкий уровень свойств покрытий связан с недостаточной адгезионной прочностью частиц в напыленном слое. Указанное предположе-
Влияние режима напыления и концентрации Мо82 в напыляемой смеси Вигта( 103.012 (^С/№) на микротвердость покрытия
Режим напыления Концентрация MoS2
без MoS2 с добавкой 5 вес. % MoS2 с добавкой 10 вес. % MoS2
«Сверххолодый» - - 500 ± 300 HV02
«Холодный» - - 500 ± 300 HV02
«Нормальный» 600 ± 350 HV02 800 ± 300 HV02 1150 ± 500 HV02
ние было подтверждено данными металлографического анализа. Установлено, что в процессе внедрения индентора происходит трещинообразование по границам частиц порошка (рис. 6).
Рис. 6. Образование трещин в процессе измерения микротвердости WC/Ni покрытия, сформированного при «холодном» режиме напыления с добавкой 10 вес. % мо82 в порошковую смесь
ВЫВОДЫ
Таким образом, методами оптической и электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рентгеновской дифрактометрии была установлена принципиальная возможность сохранения в детонационных покрытиях частиц мо82 исходного напыляемого порошка. В то же время малая объемная доля твердой смазки в покрытии, а также низкие механические свойства формируемых композиций свидетельствуют о необходимости проведения дальнейших исследований по оптимизации процессов формирования твердых износостойких покрытий с частицами смазочного компонента.
По полученным данным были сформулированы следующие выводы.
1. Режимы детонационного напыления оказывают существенное влияние на морфологию поверхностей формируемых покрытий. В то же время присутствие
частиц дисульфида молибдена в напыляемой смеси не оказывает какого-либо влияния на шероховатость поверхностного слоя.
2. Согласно данным химического и фазового анализа покрытий сохранить частицы твердой смазки представляется возможным только на «сверххолодном» режиме при добавлении 5 вес.% MoS2 в напыляемый порошок и «сверххолодном» и «холодном» режимах при концентрации 10 вес. % MoS2.
3. Частицы дисульфида молибдена сохраняются в материале покрытия в незначительной объемной доле и располагаются преимущественно по границам частиц основного напыляемого порошка.
4. Согласно данным склерометрического анализа значения микротвердости всех детонационных покрытий, полученных при различных интенсивностях процесса напыления и концентрации MoS2 в напыляемой смеси, существенно ниже величин, характерных для твердых сплавов. Данное явление объясняется снижением прочности сцепления частиц покрытия между собой и с основным металлом.
Список литературы
1. Sobolev V.V. High velocity oxy-fuel spraying : theory, structure-property relationships and applications high velocity oxy-fuel spraying / V. V. Sobolev, J. M. Guilemany, J. Nutting. - LEEDS : Maney Publishing, 2004. - 397 p.
2. Thermal stress analysis of HVOF sprayed WC-Co/NiAl multilayer coatings on stainless steel substrate using finite element methods / M. Toparli, F. Sen, O. Culha, E. Celik // J. of Materials Processing Technology. - 2007. - Vol. 190, iss. 1-3. - P. 26-32.
3. I. Smurov, D. Pervushin, Yu. Chivel, B. Laget, V. Uli-anitsky, S. Zlobin. Measurements of Particles Parameters at Detonation Spraying // CD (available in the Internet at http:// dnb.ddb.de.) (ISBN 978-3-87155-590-9). ITSC-2010 Proceedings. Singapore. - May 3-5. - 2009. - Р. 481-495.
4. Smurov I., Ulianitsky V, Shtertser А., Zlobin S. High-velocity Collision of Hot Particles with a Solid Substrate under a Detonation Spraying - Detonation Splats // CD(available in the Internet at http://dnb.ddb.de. ISBN 978-3-87155-979-2): ITSC-2009 Proceedings. - USA, Las Vegas. - May 2-4. -2009. - Р. 728-734.
Formation of WC/Ni hardmetal coating with MoS2 particles by D-gun spraying
S.V. Veselov, Muders Carsten, Jiang Xin, V.G. Burov, A.A. Bataev
In the paper the possibility of creating of D-gun WC/Ni coatings with MoS2 solid lubricant particles was stated. On the experimental data bases it was shown that the decreasing of spraying process intensity allows partially saving solid lubricant component in the deposited layer composition. At the same time low adhesion strength of coating particles is the reason of understated values of composition microhardness in comparison with hardmetal.
Key words: D-gun spraying, hardmetal coating, solid lubricant, molybdenum disulfide, wear resistance.
