CC BY
150
УДК 621.793:620.194
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗНОСА ПРИ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ, НАПЫЛЕННОГО С ОДНОВРЕМЕННЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
Ж.Г. Ковалевская
Томский политехнический университет Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск E-mail: [email protected]
Исследована структура газотермических плазменных покрытий на основе железа, нанесенных на стальную основу в обычном режиме и с одновременным ультразвуковым воздействием. Описаны элементы структуры плазменных покрытий и характер разрушения с точки зрения физической мезомеханики структурно-неоднородных сред. Показано, что покрытие, нанесенное с одновременным ультразвуковым воздействием, имеет модифицированное строение на всех масштабных уровнях структуры. Рассмотрено влияние ультразвукового модифицирования покрытия на его износостойкость при фреттинг-коррозии.
Ключевые слова:
Плазменное покрытие, ультразвуковая обработка, физическая мезомеханика, фреттинг-коррозия. Key words:
Plasma coating, ultrasonic treatment, physical mesomechanics, fretting.
Введение
Современный этап развития техники характеризуется повышенным интересом к технологиям, обеспечивающим возможность модифицирования поверхности конструкционных материалов нанесением на них покрытий с защитными и другими функциями. Одной из таких технологий является газотермическое напыление. Современным методам газотермического напыления свойственна высокая производительность и управляемость процессом, а также возможность нанесения покрытий на широкую гамму материалов. Высокие температурные и динамические параметры напыляемых струй позволяют обеспечивать в одном технологическом процессе требуемое модифицирование поверхности исходного материала и высокие адгезионные свойства покрытия [1]. Ультразвуковая обработка, осуществляемая в ходе осаждения напыляемых частиц, является одним из методов совершенствования процесса нанесения газотермического покрытия [2, 3].
Как известно, при напылении плазменного покрытия формируется гетерогенная структура, образованная осаждением друг на друга полностью расплавленных или нагретых до высоких температур частиц, образующих монослой покрытия. Последовательное наложение монослоев со сдвигом, задаваемым параметрами перемещения манипулятора, создает покрытие требуемой толщины. Столь сложное и неоднородное строение покрытия требует подробного изучения его структуры с учетом современных взглядов на конструирование материалов [4]. Для комплексного изучения строения покрытия и характера его износа при трении может быть использован метод физической мезомеханики структурно-неоднородных сред, описывающий структуру материала в виде многоуровневой системы [5].
Целью работы было исследование строения плазменного покрытия на основе железа на всех
масштабных уровнях с классификацией структурных составляющих и анализ влияния ультразвуковой обработки на формирование структуры покрытия и его триботехнические свойства, оцениваемые испытаниями на фреттинг-коррозию.
Материалы и методы исследования
В работе исследовались газотермические покрытия, полученные плазменным напылением на установке УПУ-3Д с использованием плазмотрона ПП-25 мощностью 3.104 Вт с источником питания ИПН 160/600. Плазмообразующим газом служила смесь аргона и азота. Режимы работы плазматрона: ток 400 А, напряжение 50 В, расход порошка 8 кг/ч, дистанция напыления 150 мм.
Ультразвуковую обработку покрытия проводили с помощью оригинального устройства, позволяющего осуществлять послойное ударное воздействие на покрытие в процессе его нанесения [3]. Подачу ультразвуковой энергии в зону напыления в описанном методе осуществляли с использованием конического волновода-концентратора с твердосплавным наконечником. В качестве магнитос-трикционного преобразователя использовалось устройство ПМС-15А-18. Питание преобразователя осуществлялось от серийного ультразвукового генератора УЗГ-10-22. Параметры ультразвуковой обработки: мощность ультразвукового генератора 5 кВт, резонансная частота 17...19 кГц, амплитуда колебаний 15 мкм.
Для нанесения покрытий применялся порошковый сплав на основе железа (С - 2 мас. %; Si -8 мас. %; А1 - 5 мас. %; Fe - остальное) с размером частиц 50...120 мкм [6]. Покрытие формировалось послойно толщиной 300 мкм на плоской поверхности цилиндрических образцов из стали 30ХГСА диаметром 20 и высотой 25 мм. Затем поверхность покрытия шлифовалась до Д,=0,6 мкм. Износостойкость исследуемых покрытий сравнивалась с износо-
В поперечном сечении - это чешуйки слегка искривленной формы с высотой 10...35 мкм. В продольном сечении этот тип частиц имеет форму, близкую к сферической с диаметром от 200 до 300 мкм. Данные частицы имеют либо зеренную, либо нерегулярную дендритоподобную структуру.
Около 7 % объема покрытия занимают частицы исходного порошка недостаточно нагретые и осажденные без деформации. Это частицы овальной формы с высотой 35...40 мкм. Частицы исходного порошка имеют дендритную или зеренную структуру с размером структурных элементов 1...2 мкм.
Микроструктура плазменного покрытия представлена элементами субструктуры и дефектами кристаллического строения зерен основных фаз, а также мелкодисперсными частицами вторых фаз. Описание структурных составляющих покрытия на микроуровне было проведено с помощью рентге-ноструктурного анализа и электронно-микроскопических исследований.
Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что основными фазами в покрытии являются а- и /-модификации твердого раствора на основе железа, параметр кристаллической решетки которых отличается от табличных величин за счет растворенных в них легирующих элементов. При этом объемная доля а-Fe и /-Fe практически равны.
Электронно-микроскопическим анализом установлено, что объем покрытия состоит из частиц разной морфологии и фазового состава. Большую часть объема занимают участки, состоящие из смеси субмикронных зерен a-Fe и /-Fe размером от 200...500 нм и прослойками по границам зерен интерметаллида FeAlSi (рис. 3).
Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение нано-кристаллической структуры a-Fe: а) светлопольное изображение; б) микродифракция
Основываясь на данных электронно-микроскопического анализа, можно предположить следующее соответствие микроструктуры типам частиц. Нанокристаллическая структура присутствует в ча-стицах-сплэтах с металлографически неразрешаемой мезоструктурой. Частицам-сплэтам также соответствует бездислокационная субзеренная структура a-Fe и смеси a-Fe и /-Fe. Наличие дислокационной структуры в микронных зерен a-Fe указывает на процессы пластической деформации, происшедшие в материале, а значит, данная структура может присутствовать в частицах-дисках. Более точное сопоставление микро- и мезоструктур-ного уровня вряд ли будет корректно.
Если разрушение покрытия происходит на ме-зо- или микроуровне, то оно будет осуществляться за счет накопления дефектов кристаллического строения и усталостного разрушение по границам структурных неоднородностей.
При формировании покрытия с одновременной ультразвуковой обработкой все типы частиц интенсивнее растекаются или пластически деформируются, за счет чего образуется более однородное строение на всех структурных уровнях. В макроструктуре покрытия снижается объем пор и нес-плошностей. Значение открытой пористости покрытия становится равной 4...6 об. %. Частицы всех типов имеют однородную вытянутую форму с криволинейными границами (рис. 5).
Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение смеси зерен a-Fe и /-Fe: а) светлопольное изображение; б) микродифракция
Кроме того, из a-Fe формируются отдельные участки с наноразмерным строением кристаллитов (рис. 4), участки с субмикронной и микронной зе-ренной структурой. При этом в структуре зерен a-Fe располагаются наноразмерные частицы кар-босилициды железа и алюминия.
Анализ дефектной структуры зерен a-Fe и /-Fe показывает, что дислокационная структура присутствует в зернах микронных размеров, а в субмикронных зернах ее не наблюдается.
Рис. 5. Мезоструктура поперечного сечения плазменного покрытия на основе железа с одновременной ультразвуковой обработкой
Крупные недеформированные частицы со структурой исходного порошка отсутствуют. В покрытии
наблюдаются хорошо растекшиеся при напылении частицы-сплэты. Частицы сильнее растекаются по поверхности ранее осажденных частиц с сохранением целостности объема исходной капли. Частицы-диски, наблюдаемые в поперечном сечении покрытия, обработанного ультразвуком, более деформированы, чем подобные частицы в плазменном покрытии. Их мезоструктура представлена зеренной, ячеистой и не разрешающейся в оптический микроскоп структурой. Дендритоподобных структурных составляющих во всех типах частиц не наблюдается.
Ультразвуковая обработка покрытий, как показали электронно-микроскопические исследования, приводит к заметному диспергированию микроструктуры покрытия. Основу а^е и у^е составляют зерна, размеры которых варьируются в пределах от 2,5 до 500 нм. Элементов структуры микронных размеров не наблюдается. Наряду с основными фазами имеют место включения карбо-силицидов железа и интерметаллидов. Морфологически а^е представлено нанокристаллитами и субзернами с размером от 70 до 200 нм. Зерна у^е имеют субмикронный размер и находятся в смеси с зернами а^е. Подобную микроструктуру имеют плазменные покрытия из эвтектических сплавов на основе железа, полученные дисперсионным твердением из аморфной фазы [10].
Распределение значений микротвердости плазменного покрытия, полученного обычным способом показывает, что максимальное количество отпечатков приходится на два интервала значений: 5000...6000 и 6500...7500 МПа, которые соответствуют микротвердости определенных типов частиц: первый - частиц-сплэтов, второй - частиц-дисков и непродеформированных частиц (рис. 6, а). Среднее значение микротвердости составляет 5800 МПа.
Распределение значений микротвердости покрытия с ультразвуковой обработкой имеет один максимум, и он приходится на интервал значений 6000...7500 МПа (рис. 6, б). Подобный характер распределения микротвердости объясняется следующим. Во-первых, при проведении измерений в поле одного отпечатка попадает сразу несколько частиц разных типов, что усредняет значение микротвердости. Во-вторьа, как было показано выше, кристаллизация и структурообразование частиц под действием ультразвуковых колебаний приводит к измельчению микроструктуры частиц, а значит и их упрочнению. В первую очередь, это должно коснуться частиц-сплэтов, имеющих максимально неравновесную структуру. Это подтверждается сужением интервала значений микротвердости за счет области меньших значений, характерных для ча-стиц-сплэтов. В результате среднее значение микротвердости возрастает до 6660 МПа.
На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что процесс плазменного напыления с одновременной ультразвуковой обработкой приводит к формированию плотного, более гомогенного покрытия с модифицированной микро-
структурой. Ультразвуковые колебания, воздействуя на материал покрытия в процессе осаждения, деформации и кристаллизации частиц, приводят к измельчению зеренной структуры, что дополнительно упрочняет исследуемый материал и дает основание прогнозировать повышение износостойких свойств покрытия. %
20
15 10 5
а
п.
0
3500 4500 5500 6500 7500 8500
Нуа МПа
а
%
20 -| 15 -10 -
П
0
3500 4500 5500 6500 7500 8500
Нуа МПа
Рис. 6. Гистограммы значений микротвердости покрытий: а) плазменного; б) плазменного с ультразвуковой обработкой
Развитие пластической деформации в плазменном покрытии на основе железа на мезомасштаб-ном уровне было рассмотрено на примере процесса изнашивания покрытия в условиях фреттинг-коррозии. Как известно, фреттинг-коррозия - вид коррозионно-механического изнашивания соприкасающихся тел при малых амплитудах колебательных относительных перемещений трущихся поверхностей. Амплитуда колебаний, установленная в нашем эксперименте, равняется 30 мкм, что составляет лишь малую часть продольного размера напыленных частиц. Следовательно, взаимодействие и контакт отдельных выступов микронеровности контртела происходит с элементами мезо-структуры покрытия. При увеличении амплитуды колебаний до 150 мкм и более основным источником развития разрушения служат макроструктур-ные элементы покрытия [11].
По результатам проведенного эксперимента установлено, что наименьший износ характерен для трибопары из материала основы без покрытия -сталью 30ХГСА, которая была выбрана за контрольный образец. Далее следует износ трибопары с покрытием на основе железа с ультразвуковой обработкой, покрытия на основе железа, и наибольший износ - у трибопары с покрытием ПГ-СР4. Износ
5
трибопары с покрытием на основе железа с ультразвуковой обработкой в 1,3 раза меньше, чем износ обычного покрытия на основе железа (рис. 7).
Величина износа материала покрытия имеет тот же порядок: меньше всего изнашивается материал вала, больше всего - оплавленное покрытие ПГ-СР4. Ультразвуковое модифицирование покрытия на основе железа в процессе напыления обеспечивает ему большую износостойкость (рис. 7).
И, мкм 40 т
30-
20-
10-
1
■ износ покрытия □ износ трибопары
Рис. 7. Значения линейного износа (И) трибопары и покрытия: 1) сталь 30ХГСА без покрытия; 2) покрытие на основе железа с ультразвуковой обработкой; 3) покрытие на основе железа; 4) оплавленное покрытие ПГ-СР4
С точки зрения физической мезомеханики характер изнашивания исследуемых покрытий на основе железа можно описать следующим образом. На начальном этапе развития фреттинг-процесса на границе раздела «контртело - покрытие» в местах контакта контртела и частиц поверхностного монослоя возникает пространственная осцилляция локальных
напряжений. Это обуславливает формирование на поверхности покрытия концентраторов напряжений, релаксация которых приводит к формированию вихревых фрагментированных субструктур внутри частиц [5]. Продолжение взаимодействия трущихся поверхностей приводит к «разрыхлению» поверхностного слоя покрытия, толщина которого соответствует 20... 30 мкм и соизмерима с толщиной монослоя. Субмикронный размер структурных составляющих материала покрытия определяет размер образующихся фрагментов разрушения, подвергающихся в дальнейшем окислению.
На втором этапе фреттинг-процесса скопление продуктов износа в области трибоконтакта приводит к разделению поверхностей трения, что снижает осцилляцию локальных напряжений и позволяет осуществлять деформирование поверхностных слоев по механизму взаимного поворота и проскальзывания элементов мезоструктуры под действием сдвиговых напряжений без разрушения и изнашивания последующих монослоев покрытия. На данном этапе фреттинг-процесса интенсивность износа покрытия снижаются, и процесс разрушения трибопары происходит преимущественно за счет разрушения материала контртела (рис. 8, а, б). При таком характере износа покрытие демонстрирует высокую износостойкость, соизмеримую с износостойкостью материала контртела и превышающую износостойкость покрытия ПГ-СР4.
Покрытия на основе железа с ультразвуковой обработкой имеют строение с меньшим размером ме-зо- и микроструктурных составляющих. Это приводит к тому, что на начальном этапе развития фрет-
0
тинг-процесса образуются фрагменты разрушения еще меньших размеров, что приводит к меньшему износу покрытия. На втором этапе фреттинг-про-цесса после разделения поверхностей трения мелкодисперсные продукты износа покрытия в меньшей степени изнашивают материал контртела. В результате снижается совокупный износ трибопары.
Минимальная износостойкость оплавленного покрытия ПГ-СР связана с особенностью его строения и повышенной стойкостью к окислению. Как известно, после оплавления в покрытии формируется литая структура с распределенными по всему объему мелкими округлыми порами. По-видимому, на первом этапе фреттинг-процесса образующиеся на поверхности покрытия концентраторы напряжения релаксируют с формированием вихревых структур большего размера, чем при износе покрытия на основе железа. Последующее отделение образовавшихся фрагментов приводит к тому, что на втором этапе фреттинг-процесса при разделении поверхностей трения образовавшиеся частицы износа с высокой твердостью и низкой окисляемо-стью оказывают абразивное воздействие как на контртело, так и на покрытие (рис. 8, в, г). В результате трибопара с оплавленным покрытием ПГ-СР4 имеет наибольший износ.
Выводы
1. Описана структура напыленного на стальную подложку плазменного газотермического покрытия на основе железа на всех структурных уровнях. Поровое пространство является основным макроструктурным элементом покрытия. Формирование мезо- и микроструктуры покрытия определяется условиями формообразования и охлаждения осаждаемых частиц и классифицируется по типу напыленных частиц: частицы-сплэты имеют зеренное строение с
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н. Модификация свойств материалов и осаждение покрытий с помощью плазменных струй // Успехи физических наук. - 2005. - Т. 175. - № 5. - С. 515-544.
2. Клименов В.А., Ковалевский Е.А., Иванов Ю.Ф. и др. Влияние различных высокоэнергетических обработок на структуру и свойства плазменнонапыленных покрытий на основе эвтектического железа // Перспективные материалы. - 1997. - № 2. -С. 66-74.
3. Панин В.Е., Клименов В.А., Псахье С.Г. и др. Новые материалы и технологии. Конструирование новых материалов и упрочняющих технологий. - Новосибирск: Наука, 1993. - 152 с.
4. Козлов Э.В., Конева Н.А., Смирнов А.Н. и др. Структура зерен поликристаллического агрегата мезо- и микроуровня, соотношение Холла-Петча и стадии деформационного упрочнения. -Кемерово: Изд-во Кузбасского гос. тех. ун-та, 2008. - 76 с.
5. Панин В.Е., Колубаев А.В., Слосман А.И. и др. Износ в парах трения как задача физической мезомеханики // Физическая мезомеханика - 2000. - Т. 3. - № 1. - С. 67-74.
6. Оликер В.Е. Порошки для магнитноабразивной обработки и износостойких покрытий. - М.: Металлургия, 1990. - 176 с.
размером структурных элементов от нанокри-сталлического до микронного; частицы-диски и частицы исходного порошка имеют дендритную или зеренную структуру с микронным размером структурных элементов.
2. На основе проведенных испытаний на фрет-тинг-коррозию и исследования фрагментов дорожек трения процесс изнашивания исследуемых покрытий характеризуется следующим образом: на начальном этапе в местах контакта контртела и частиц поверхностного монослоя возникает пространственная осцилляция локальных напряжений, релаксация которых приводит к формированию вихревых фрагментиро-ванных субструктур внутри частиц и определяет размер образующихся фрагментов разрушения, не превышающих толщину монослоя покрытия; скопление продуктов износа в области трибо-контакта приводит к разделению поверхностей трения, что снижает осцилляцию локальных напряжений и позволяет осуществлять деформирование поверхностных слоев по механизму взаимного поворота и проскальзывания элементов мезоструктуры под действием сдвиговых напряжений без разрушения и изнашивания последующих монослоев покрытия.
3. Показано, что напыление с одновременным ультразвуковым воздействием приводит к формированию плотного, более гомогенного покрытия с модифицированной на всех маштаб-ных уровнях структурой и высокой микротвердостью, что снижает совокупный износ трибопары при фреттинг-коррозии.
Автор благодарит главного специалиста Института физики прочности и материаловедения СО РАН А.И. Толмачева (г. Томск) за помощь при выполнении эксперимента и директора НИИ Интроскопии ТПУ В.А. Клименова за плодотворное обсуждение полученных результатов.
7. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. и др. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. - Киев: Наукова думка, 1987. - 544 с.
8. ГОСТ 23.211-80. Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии.
9. Кудинов В.В., Калита В.И., Коптева О.Г. и др. Металлографические исследования структуры пятна напыления // Физика и химия обработки материалов. - 1992. - № 4. - С. 93-96.
10. Калита В.И., Яркин В.В., Касимцев А.В. и др. Формирование наноразмерных упрочняющих фаз в плазменных покрытиях из стали, чугунов и сплавов на основе железа // Физика и химия обработки материалов. - 2006. - № 5. - С. 29-40.
11. Ковалевская Ж.Г. Структурные уровни развития разрушения газотермического покрытия при фреттинг-коррозии // Трибология и надежность: Сб. научных трудов VIII Междунар. конф., 23-25 октября 2008 г., Санкт-Петербург / Под ред. проф. К.Н. Войнова. - СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2008. - С. 187-194.
Поступила 18.06.2009 г.
