ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПСЕВДОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.793

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПСЕВДОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

канд. техн. наук А.Н. ГРИГОРЧИК, Е.В. АСТРАШАБ, д-р техн. наук, доц. МА. БЕЛОЦЕРКОВСКИЙ, д-р физ.-мат. наук, проф. ВА. КУКАРЕКО,

канд. техн. наук А.В. СОСНОВСКИЙ (Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси, Минск) канд. техн. наук, доц. А.В. ДУДАН (Полоцкий государственный университет)

Исследовано структурно-фазовое состояние и триботехнические свойства газотермических покрытий из сталей 08Г2С, 40Х13, 95Х18, а также покрытий из псевдосплавов «08Г2С +БрКМц3-1», «40Х13+БрКМц3-1», «95Х18+Л63». Показано, что напыленные псевдосплавы содержат пониженное количество оксидов железа FeO и Fe3O4, что связано с обволакиванием стальных частиц более легкоплавкими частицами медных сплавов в процессе газотермического напыления. Установлено, что покрытия из псевдосплавов «08Г2С +БрКМц3-1» и «40Х13+БрКМц3-1» обладают более высокой износостойкостью при трении в паре со стальным контртелом по сравнению со стальными покрытиями из сталей 08Г2С и 40Х13. В свою очередь, газотермические покрытия из сталей 08Г2С, 40Х13 и 95Х18 характеризуются более высокой износостойкостью при трении по контртелу из латуни Л63 по сравнению с покрытиями из псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1», «40Х13+БрКМц3-1», «95Х18+Л63».

Ключевые слова: высокоскоростная металлизация, псевдосплавы, бронза, структура, фазовый состав, износостойкость.

Введение. Метод газотермического напыления является производительным и экономичным способом получения псевдосплавов из различных токопроводящих материалов [1]. К отличительным особенностям высокоскоростного напыления можно отнести: высокую скорость распыляемых частиц (свыше 400 м/с), низкую пористость получаемых покрытий (~ 2% - 5%), а также высокий коэффициент использования напыляемого материала (0,85) [2]. Вместе с тем, структурно-фазовое состояние и физико-механические свойства газотермических покрытий из псевдосплавов изучены недостаточно, что существенным образом ограничивает область их применения.

Целью данной работы является исследование структурно-фазового состояния и триботехнических свойств газотермических покрытий, полученных методом высокоскоростной металлизации путем совместного распыления стальной проволоки и проволоки из медного сплава.

Подготовка образцов и методики исследований. В качестве объектов исследований были выбраны газотермические покрытия из сталей 08Г2С, 40Х13, 95Х18 и покрытия из псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1», «40Х13+БрКМц3-1», «95Х18+Л63», напыленные методом высокоскоростной металлизации с использованием установки АДМ-10 [2]. Комбинированные покрытия из стали и бронзы, напылялись на пластины из стали 45 с размерами 100 х 50 х 6 мм. Химический состав напыленных псевдосплавов представлен в таблице 1.

Таблица 1. - Химический состав псевдосплавов, полученных методом высокоскоростного напыления

Напыляемые материалы Содержание элемента, масс. %

Al Si P S Cr Mn Fe Ni Cu Zn Mo Sn

08Г2С+БрКМц3-1 0,180 1,662 0,038 0,015 0,016 1,187 45,214 0,084 51,543 0,033 - -

40Х13+БрКМц3-1 0,371 1,176 0,042 0,027 7,823 0,717 47,987 0,210 41,506 - 0,043 0,036

95Х18+Л63 - 0,049 0,052 0,012 6,489 0,089 25,801 0,219 43,830 23,459 - -

Для исследований структуры, фазового состава и трибомеханических свойств из предварительно отшлифованных пластин с напыленными покрытиями вырезались образцы с размерами 8 х 6 х 5 мм.

Металлографические исследования газотермических покрытий проводились на оптическом микроскопе АЛЬТАМИ МЕТ 1МТ. Исследование фазового состояния газотермических покрытий, проводилось на дифрактометре ДРОН-3.0 в монохроматизированном кобальтовом (CoKa) излучении при напряжении 28 кВ и анодном токе 14 мА. Расшифровка рентгенограмм осуществлялось при помощи программного обеспечения Crystallographica Search-Match с картотекой PDF-2.

Триботехнические испытания образцов напыленного сплава проводились на трибометре АТВП. Испытания осуществлялись по схеме возвратно-поступательного движения контактирующих тел при

средней скорости взаимного перемещения — 0,1 м/с в режиме трения без смазочного материала. Удельная нагрузка испытаний составляла р = 1,5 МПа. При испытаниях использовалось контртело, изготовленное из закаленной стали У10 (800 HV10) и из латуни Л63 (100 HV 10.). Путь трения составлял — 1200 м.

Измерения твердости по Виккерсу проводились на твердомере DuraScan 20 при нагрузке на ин-дентор Р = 10 кг.

Результаты исследований и их анализ. В результате совместного напыления проволоки из стали и цветного металла, формируются покрытия, состоящие из стальных прослоек, прослоек цветного металла, а также оксидов. Характерные микроструктуры псевдосплавов, полученных методом высокоскоростной металлизации, представлены на рисунке 1.

Пористость напыленных покрытий не превышала 5 об. %.

а) - «08Г2С+БрКМцЗ-1»; б) - «40Х13+ БрКМцЗ-1».

Рисунок 1. - Характерные микроструктуры газотермических покрытий из псевдосплавов

Фазовый состав покрытий из псевдосплавов представлен в таблице 2 и на рисунке 2.

Можно видеть, что газотермические покрытия из высокохромистых сталей 95Х18 и 40Х13 в фазовом составе содержат a-Fe, y-Fe и оксиды железа FeO, Fe3O4, а покрытие из низколегированной стали 08Г2С включает в себя a-Fe, FeO, Fe3O4 (см. Таблица 2, рисунок 2). В покрытиях из псевдосплавов, сформированных с использованием проволок из медных сплавов и сталей, помимо вышеуказанных фаз, регистрируются медь (псевдосплавы «08Г2С+БрКМц3-1» и «40Х13+БрКМц3-1») и интерметаллидные фазы CuZn, Cu0.64Zn0.36 в пседосплаве «95Х18+Л63» (см. Таблица 2, рисунок 2). Также необходимо отметить, что во всех псевдосплавах регистрируется пониженное количество оксидов железа FeO, Fe3O4 (см. Рисунок 2). Это связано с тем, что в процессе газотермического напыления более легкоплавкие частицы медных сплавов обволакивают частицы железа и, тем самым, препятствуют их интенсивному окислению. Кроме этого, в фазовом составе напыленных псевдосплавов не регистрируются оксиды меди (см. Таблица 2, рисунок 2). По нашему мнению, отсутствие оксидов меди связано с их восстановлением в процессе газотермического напыления железом [3].

Таблица 2. - Фазовый состав газотермических покрытий

Материал псевдосплава Фазовый состав Твердость, HV 30

08Г2С a-Fe, FeO, Fe3Ü4 280

08Г2С+БрКМц3-1 Cu, a-Fe, FeO, Fe3O4 145

40Х13 a-Fe, y-Fe, Fe3O4, FeO 400

40Х13+БрКМц3 -1 Cu, a-Fe, y-Fe, Fe3O4, FeO 180

95Х18 y-Fe, a-Fe, Fe3O4, FeO 360

95X18+ Л63 a-Fe, y-Fe, Cu, CuZn, Cu0.64Zn0.36, Fe3O4 155

Твердость напыленных покрытий из псевдосплавов значительно ниже твердости покрытий, напыленных стальных покрытий (см. Таблица 2). В частности, твердость покрытий из монолитных сталей 08Г2С, 40Х13 и 95Х18 составляет 280, 400 и 360 НУ 10, соответственно (см. Таблица 2). Твердость псевдосплавов «08Г2С+ +БрКМц3-1», «40Х13+БрКМц3-1» и «95Х18+Л63» составляет 145, 180 и 155 НУ 10, соответственно (см. Таблица 2). Пониженная твердость псевдосплавов обусловлена присутствием в них мягких прослоек из бронзы.

Триботехнические испытания образцов газотермических покрытий из сталей и псевдосплавов проводились на контртелах из стали У10 и латуни Л63. Результаты триботехнических испытаний газотермических покрытий из псевдосплавов представлены в таблице 3 и на рисунке 3.

20 30 40 50 60 70

90 100 110 120 20, град.

сч ~ о

"Ч -н

Ни о'Ч, О Ич

л

20 30 40 50 60 70

90 100 110 120 20, град.

я ш я

о И

£ и 8

5000-,

5 4000-

1000-

[^8Г2С+БрКМц3-^

100 110 120 20, град.

40Х13 + БрКМц3-1 |

20 30 40 50 60 70

90 100 110 120 20, град.

20

30 40 50 60 70 80 90

100 110 120 20, град.

5000-,

л 3000-

§ 2000-

£ и 8

95Х18 + Л63|

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

20, град.

0

0

0

Рисунок 2. - Фрагменты рентгеновских дифрактограмм (СоКа) от поверхностных слоев газотермических покрытий из сталей и псевдосплавов, напыленных методом высокоскоростной металлизации

Таблица 3. - Результаты триботехнических испытаний газотермических покрытий

Покрытие Интенсивность массового изнашивания в условиях сухого трения, х10-3 мг/м Интенсивность линейного изнашивания контртела из латуни Л63, х10-7

Материал контртела

Сталь У10 Латунь Л63

08Г2С 1450,0 33,2 2,3

08Г2С+КМц3-1 185,0 348,4 2,2

40Х13 8,6 3,3 2,7

40Х13+КМц3-1 4,7 29,7 2,6

95Х18 1,5 2,0 2,1

95Х18+Л63 13,5 392,3 2,0

400-

350-

Ь 300-

§

2003 и

о 150-

о й

^ 100-

50

[^ТП08Г2сиТтП^08Г2С+БрКМЦ3-1]^

|^ТП08Г2СпоУ10|

[гТП"08Г2С+ВрКМц311"поУ10|

Г

ГТП 08Г2С по Л631

0 200 400 600 800 1000

1200

Путь трения, м

40 п

35 ■

Ь 30

о

2 25 ■

Ж §

« 20. «

о о о й

15-

% 10-

|^^ТП40Х13+БрКМц3-1поЛ6^

|_^^ТП40Х13+БрКМц3-1поУ10|

-1-1-1-1-1-1-1-1-Г

200 400 600 800 1000 1200

Путь трения, м

[^ТП95Х18иДП^95Х18+Л63^

200 400 600 800 1000 1200 Путь трения, м

1400

Рисунок 3. - Зависимости массового износа газотермических покрытий из различных материалов, полученных методом гиперзвуковой металлизации, от пути трения

0

5

0

0

0

Можно видеть, что износостойкость монопокрытий из сталей 08Г2С, 40Х13 и 95Х18 при трении в паре с контртеломи из стали У10 и латуни Л63 возрастает с увеличением содержания в покрытиях углерода и хрома (см. Таблица 3). В свою очередь покрытия из псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1» и «40Х13+БрКМц3-1» характеризуются более высокой износостойкостью при их триботехнических испытаниях в паре со стальным контртелом по сравнению с покрытиями из сталей 08Г2С и 40Х13 (см. Таблица 3, рисунок 3). В частности, интенсивности их массового изнашивания составляют 185,0х10-3 и 4,7х10-3, соответственно (см. Таблица 3). Более высокая износостойкость покрытий из псевдосплавов обусловлена низким содержанием в них оксидов железа (см. Рисунок 2), являющихся местами зарождения микротрещин и их распространения при трении. Однако покрытия из псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1» и «40Х13+БрКМц3-1» при трении в паре с контретела из латуни Л63 характеризуются пониженной износостойкостью, по сравнению с трением по контртелу из стали У10 (см. Таблица 3). При этом интенсивности их массового изнашивания составляют 348,4х10-3 и 29,7х10-3, соответственно (см. Таблица 3). Невысокая износостойкость покрытий из псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1» и «40Х13+БрКМц3-1» при сухом трении по контртелу из латуни Л63 (см. Таблица 3) связана с интенсивным протеканием процессов адгезионного схватывания между материалами пары трения, содержащими медь.

Также необходимо отметить, что покрытие из стали 95Х18 имеет более высокую износостойкость в случае его триботехнических испытаний в паре со стальным контртелом из закаленной стали У10, по сравнению со случаем испытания с контртелом из латуни Л63 (см. Таблица 3, рисунок 3). Высокая износостойкость покрытия из стали 95Х18 в паре с закаленным контртелом из стали У10 связана с более интенсивным протеканием в его поверхностных слоях деформационно-активированного у^-а превращения [4; 5], по сравнению с покрытием, испытываемом в паре с контртелом из латуни Л63. Покрытия из псевдосплава «95Х18+Л63» характеризуются пониженной износостойкостью в паре с контртелами из стали У10 и латуни Л63, по сравнению с покрытием из стали 95Х18 (см. Таблица 3). Интенсивное изнашивание покрытий из псевдосплавов «95Х18+Л63» связано с наличием в их фазовом составе хрупких интерметаллидных фаз CuZn, Cu0.64Zn0.36 (см. Таблица 2).

В результате проведенных исследований было выявлено, что при испытаниях псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1», «40Х13+БрКМц3-1» и «95Х18+Л63» регистрируется несколько пониженный износ контртел из латуни Л63, по сравнению с износом контртел при испытаниях покрытий из сталей 08Г2С, 40Х13 и 95Х18 (см. Таблица 3).

Таким образом, использование газотермических покрытий из псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1» и «40Х13+БрКМц3-1» целесообразно в узлах трения в паре с закаленными высокоуглеродистыми сталями. В свою очередь, использование покрытий из сталей 08Г2С, 40Х13 и 95Х18 перспективно в трибо-технических узлах в паре с изделиями из медных сплавов. Покрытия на основе сталь-латунь не обеспечивают высоких триботехнических свойств в условиях сухого трения.

Заключение. Исследовано структурно-фазовое состояние и триботехнические свойства газотермических покрытий из сталей 08Г2С, 40Х13, 95Х18, а также из псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1», «40Х13+БрКМц3-1», «95Х18+Л63». Показано, что покрытия из псевдосплавов содержат пониженное количество оксидов по сравнению с покрытиями из сталей, что связано с уменьшением интенсивности окисления стальных частиц в процессе металлизации за счет их обволакивания более легкоплавкими частицами медных сплавов.

Установлено, что газотермические покрытия из псевдосплавов «08Г2С+БрКМц3-1», «40Х13+БрКМц3-1» и «95Х18+Л63» обладают повышенной износостойкостью в паре с закаленными стальными контртелами из стали У10 по сравнению с их износостойкостью в паре с контртелами из латуни Л63. В свою очередь, покрытия из сталей 08Г2С и 40Х13 характеризуются более высокой износостойкостью при их испытаниях по латуни Л63, по сравнению с износостойкостью в паре с закаленной сталью У10. Покрытия на основе сталь-латунь не обеспечивают высоких триботехнических свойств в условиях сухого трения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белоцерковский, М.А. Технологии активированного газопламенного напыления антифрикционных покрытий / М. А. Белоцерковский. - Минск : УП «Технопринт», 2004. - 200 с.

2. Замена гальванического хромирования на технологию гиперзвуковой металлизации при ремонте деталей узлов трения скольжения / П. А. Витязь [и др.] // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2010. -№ 10. - С. 2-5.

3. Калюкова, Е.Н. Свойства металлов и их соединений : учеб. пособие / Е.Н. Калюкова. - Ульяновск : УлГТУ, 2009. - 156 с.

4. О природе формирования метастабильной аустенитной структуры при газотермическом напылении высокохромистой стали мартенситного класса 95Х18 / В.А. Кукареко [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. - М., 2017. - Т.13. - №7(151). - С. 318-322.

5. Кукареко, В.А. Деформационно-активированное мартенситное превращение в газотермических покрытиях из высокохромистых сталей при сухом трении / В.А. Кукареко, М.А. Белоцерковский,

A.Н. Григорчик // П0ЛИК0МТРИБ-2015 : междунар. науч.-техн. конф. : тез. докл. ; редкол.:

B.Н. Адериха [и др.]. - Гомель, 2015. - С. 75.

Поступила 10.08.2019

WEAR RESISTANCE OF GAS-THERMAL COATINGS FROM COPPER-ALLOYS ON THE BASIS OF COPPER OBTAINED BY HIGH-SPEED METALLIZATION METHOD

A. GRIGORCHIK, E. ASTRASHAB, M. BELOTSERKOVSKIY, A.V. SOSNOVSKIY, A. DUDAN

The structural phase state and tribotechnical properties of gas-thermal coatings from 08G2S, 40Cr13, 95Cr18 steels, as well as coatings from pseudo-alloys 08G2S + BrKMC3-1, 40Cr13 + BrKMC3-1, 95Cr18 + L63, were investigated. It is shown that sprayed pseudo-alloys contain a reduced amount of iron oxides FeO and Fe3O4, which is associated with the enveloping of steel particles by more easily fusible particles of copper alloys during gas thermal spraying. It has been established that coatings from pseudo-alloys 08G2S + BrKMC3-1 and 40Cr13 + BrKMC3-1 have higher wear resistance during friction paired with steel counterbody compared to steel coatings from 08G2S and 40Cr13 steels. In turn, gas-thermal coatings from 08G2S, 40Cr13 and 95Cr18 steels are characterized by higher wear resistance during friction on the counterbody made of brass L63 compared to coatings from pseudo-alloys 08G2S + BrKMC3-1, 40Cr13 + BrKMC3-1, 95Cr18 + L63.

Keywords: high-speed metallization, pseudo-alloys, bronze, structure, phase composition, wear resistance.