CC BY
89
Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 2015, № 10 (211)
ISSN 2312-2676
НАУКОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ
УДК 621.785
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТВЕРДОСТИ СТАЛЬ-МОЛИБДЕНОВОГО ПОКРЫТИЯ
БОЛЬШАКОВ В. И1, проф., д. т. н.,
ГЛУШКОВА Д. Б. 2*, доц., к. т. н.
''Кафедра материаловедения и обработки материалов, Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, ул. Чернышевского, 24-а, 49600, Днепропетровск, Украина, тел. +38 (0562) 745-23-72, e-mail: [email protected], ORCID ID: 0000-0003-0790-6473
2 Кафедра технологии металлов и материаловедения, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, ул. Петровского, 25, 61002, Харьков, Украина, тел. +38 (057) 707-37-92, e-mail: diana.glushkova ORCID ID: 0000-0001-8612-6584
Аннотация. Цель. Все чаще для решения проблемы повышения эксплуатационных характеристик материалов привлекают новые методы поверхностного упрочнения и формирования специальных свойств материалов. Из них особое место занимает газотермическое нанесение покрытий. Их используют в различных отраслях машиностроения для защиты поверхности деталей и узлов машин от абразивного износа. Кроме того эти детали и узлы в процессе работы можно неоднократно восстанавливать путем повторного нанесения покрытий, что заметно сокращает затраты на ремонт оборудования, уменьшает расход материалов на изготовление новых деталей. Целью работы было установить влияние газотермического напыления на твердость поверхностного слоя, определить связь между микротвердостью и структурным состоянием. Результаты. Значение замеров микротвердости молибдена и стали в поверхностном слое согласуются с характером структурных составляющих. Важнейшей характеристикой напыленного слоя, определяющей успешную работу покрытия, является его связь с поверхностью подложки. Скоростная кристаллизация под давлением способствует созданию мелкозернистой структуры. Научная новизна. Объяснен механизм формирования покрытия путем последовательной упаковки сильно деформирующихся частиц и образования слоистой структуры. Высокая твердость частиц молибдена в напыленном слое обусловлена рядом факторов: сверхмелким зерном, наклепом частиц и изменением их химического состава, создающим условие для упрочнения старением. Твердость стальных частиц определяется мелкодисперсными карбидами и наклепом аустенита.
Ключевые слова: сталь-молибденовое покрытие, газотермическое напыление, структурное состояние, упрочнение
ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРИ І ТВЕРДОСТІ СТАЛЬ-МОЛІБДЕНОВОГО ПОКРИТТЯ
БОЛЬШАКОВ В. І. 1, проф., д. т. н.,
ГЛУШКОВА Д. Б. 2*, доц., к. т. н.
'Кафедра матеріалознавства та обробки матеріалів, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, вул. Чернишевського, 24-а, 49600, Дніпропетровськ, Україна, тел. +38 (0562) 745-23-72,
e-mail: [email protected], ORCID ID: 0000-0003-0790-6473
2 Кафедра технології металів та матеріалознавства, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, ул. Петровського, 25, 61002, Харьків, Україна, тел. +38 (057) 707-37-92, e-mail: diana.glushkova ORCID ID: 0000-0001-8612-6584
Анотація. Мета. Все частіше для вирішення проблеми підвищення експлуатаційних характеристик матеріалів залучають нові методи поверхневого зміцнення і формування спеціальних властивостей матеріалів. Особливе місце посідає газотермічне покриття. Його використовують в різних галузях машинобудування для захисту поверхні деталей і вузлів машин від абразивного зношування. Крім того ці деталі і вузли в процесі роботи можна неодноразово відновлювати шляхом повторного нанесення покриття, що помітно зменшує витрати на ремонт обладнання, знижує витрату матеріалів на виготовлення нових деталей. Метою роботи було
10
Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 2015, № 10 (211)
ISSN 2312-2676
встановити вплив газотермічного напилення на твердість поверхневого шару, визначити зв’язок між мікротвердістю і структурним станом. Результати. Значення замірів мікротвердості молібдена і сталі в поверхневому шарі погоджуються з характером структурних складових. Важливою характеристикою напиленого шару, що визначає успішну роботу покриття, є його з’вязок з поверхнею підложки. Швидка кристалізація під тиском сприяє утворенню дрібнозернистої структури. Наукова новизна. Обґрунтовано механізм формування покриття шляхом послідовної упаковки міцно деформованих частинок і утворення багатошарової структури. Висока твердість частинок молібдена в напиленому шарі обумовлена рядом факторів: наддрібним зерном, наклепом частинок і зміною їх хімічного складу, що утворює умови для зміцнення старінням. Твердість сталевих частинок визначається дрібнодисперсними карбідами і наклепом аустеніту.
Ключові слова: сталь-молібденове покриття, газотермічне напилення, структурний стан, зміцнення
THE STUDY OF STRUCTURE AND HARDNESS OF STEEL-MOLIBDENUMAL COVERING
BOLSHAKOV V. I.1, Dr. Sc. (Tech.), Prof.,
GLUSHKOVA D. B.2*, Associate Prof., Cand. Eng. Sc.
1 Department of Materials and Materials Processing, State Higher Educational Establishment “Prydneprovs’ka State Academy of Civil Engineering and Architecture”, 24-A, Chernyshevskogo str., Dnipropetrovsk 49600, Ukraine, Tel. +38 (0562) 745-23-72, e-mail: [email protected], ORCID ID: 0000-0003-0790-6473
2 Metal technology and material sciences, Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, 61002, Ukraine, Tel. +38 (057) 707-37-92, e-mail: diana.glushkova, ORCID ID: 0000-0001-8612-6584
Summary. Purpose. The new methods of surface hardening and creation of special materials are appealed for problem solving of the increasing of exploitation characteristic of materials. Among them a special place is gas-thermal coating. They are used in the different branches of machine-building for protection of the surface of details and machine assemblies from abrasion wearout. In addition, these parts and components during operation can be restored by repeatedly re-coating, that significantly reduces the cost of repair of equipment, reduces the consumption of materials to manufacture new details. Purpose of the work is to establish the influence of the gas-thermal spraying on the hardness of surface coating and to determine the connection between microhardness and structural state. The results. The value of measurements of the microhardness of molybdenum and steel in the surface layer are consistent with character of structural components. The major characteristic of the deposited layer, determining the success work of the coating is its relationship with the substrate surface. Rapid crystallization under the pressure help to create of fine-grained structure. Scientific novelty. The mechanism of formation of the coating by sequentially packaging of greatly deformed particles and the formation of the layered structure are shown. High hardness of the particles of molybdenum of sprayed layer is stipulated by several factors: the ultrafine grain, hardening particles and change of their chemical composition, being created the conditions for senescence hardening. The hardness of steel parts is determined by micro dispersive carbides and hardening of austenite.
Key words: steel-molibdenumat coating, gas-thermal spraying, structural state, strengthening
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.
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.
11
Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 2015, № 10 (211)
ISSN 2312-2676
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.
Цель и задачи. На основании результатов эксперимента установить влияние газотермического напыления на твердость поверхностного слоя, установить связь между значениями микротвердости и структурным состоянием материала после напыления, объяснить механизм упрочнения, имеющий место при газотермическом напылении.
Методика исследования. В настоящей работе объектами исследования явились газотермические покрытия, нанесенные на чугун.
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
Напряжение на дуге, В Сила тока, А Давление сжатого воздуха, МПа Диаметр воздушного сопла, мм
40 400 0,5 - 0,55 8
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 стале-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.
Рис. 1. Общий вид напыленного слоя: а - полное травление; б - травление на молибден
Х115
В целом же по окружности кольца за 20 проходов горелки формируется довольно однородное распределение частиц.
12
Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 2015, № 10 (211)
ISSN 2312-2676
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-
четырехкратное 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.
Что касается структур частиц стали, то это в основном частицы со структурой более или менее равномерно распределенных в матрице зернистых карбидов различной зернистости.
Основная масса частиц имеет структуру, подобную структуре деформированной стали. Кристаллизация под давлением приводит в каждый момент к образованию мелкодисперсной 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 предплавильных температур, что создает
высокое леги-рование аустенита и снижение его Мн.
Данные о твердости исследуемых материалов после напыления и шлифования приведены в таблице 2 и на рисунке 2 и 3.
Таблица 2
Твёрдость исследуемых материалов
Материал Твердость по Виккерсу, Н Микротвёрдость, Нм
Проволока молибдена 120 1800-2000
Проволока стали 240 2900-3200
Сталь-молибденовое покрытие после напыления: частицы молибдена, частицы стали 230...240 4000-8000 3000-6000
Сталь-молибденовое покрытие после шлифования: частицы молибдена, частицы стали 230...240 5000-8000 3000-6000
Высокопрочный чугун 220
Рис. 2. Микротвёрдость молибдена: а - после напыления; б - после шлифования
Оценка толщины частиц в слое и глубин отпечатков, получаемых при измерении микротвердости нагрузкой 0,49 Н, показала, что в большинстве случаев продавливание частиц исключается.
Для частиц молибена и стали обнаружены значительные различия в числах микро-
13
Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 2015, № 10 (211)
ISSN 2312-2676
твёрдости 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 диапазона твердости частиц (т. е. их преимущественного структурного состояния) построены гистограммы распределения частиц по диапазонам твёрдости.
Рис. 3. Микротвёрдость стали: а — после напыления; б — после шлифования
Рисунке 2 и 3 характеризуют такое распределение для молибдена и стали в слое после напыления и 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 40005000 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). Характерно также, что твёрдость частиц стали меньше, чем частиц молибдена.
Макротвёрдость покрытия сравнительно не-велика и сопоставима с макротвёрдостью чугуна, из которого изготовлено кольцо.
Низкое значение макротвёрдости обусловлено пористостью покрытия.
Поршневые кольца со стальмолибденовым 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.
Научная новизна и практическая значимость. Нанесение стале-
молибденового покрытия приводит к повышению микротвердости. Научная новизна работы заключается в объяснении механизма формирования покрытия путем последовательной упаковки множества сильно деформирующихся частиц и образование слоистой структуры. Частицы стали и молибдена распределены в каждом поперечном сечении слоя не равномерно, а последовательно чередующимися слоями.
14
Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 2015, № 10 (211)
ISSN 2312-2676
Высокая твердость 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 наклепом аустенита.
Практическая значимость заключается в возможности существенного упрочнения рабочих поверхностей деталей машин, подвергающихся износу.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Кудинов В. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование / Кудинов В. В., Бобров Г. В. - Москва : Металлургия, 1992. - 432 с.
2. Упрочнение изделий из высокопрочного чугуна / Ю. Н. Дзюба, А. П. Любченко, Д. Б. Глушкова, В. И. Мо-щенок, В. П. Тарабанова // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2009. - № 5. - С. 11-14.
3. Металлизация распылением / Н. В. Катц, Е. В. Антошин, Д. Г. Вадивасов, Г. Д. Вольперт, Л. М. Камион-ский. - Москва : Машиностроение, 1966. - 199 с.
REFERENCES
1. Kudinov V.V. Nanesenie pokrytiy napyleniem. Teoriya, technologiya i oborudovanie [Spray coating. The theory, technology and equipment]. Moscow: Metallurgiya, 2000, 205 p. (in Russian).
2. Dzyuba Yu.N., Lyubchenko A.P, Glushkova D.B., Moshchenok V.I. and Tarabanova V.P. Uprochnenie izdeliy iz vysokoprochnogo chuguna [Hardening of products of ductile iron]. Remont, vosstanovlenie, modernizatsiya [Repair, restoration, modernization ].2009, no.5, pp. 11-14. (in Russian).
3. Katts N.V., E. V. Antoshin E.V., Vadivasov D.G., Vol'pert G.D. and Kamionskiy L.M Metallizatsiya raspyleniem [Metallization by spraying]. Moscow: Mashinostroenie, 1966, 199 p. (in Russian).
Стаття рекомендована до друку 15.05.2015р. Рецензент: д-р т. н., проф. В. С. Вахрушева Надійшла до редколегії: 07.09.2015 р. Прийнята до друку: 11.09.2015 р.
15
