CC BY
13износостойкость и низкий коэффициент трения, что подтверждено как лабораторными в ГОСНИТИ (рис. 3), так и производственными испытаниями, проведенными НПФ «Плазмацентр» на более чем 50 предприятиях в стране и за рубежом.
Литература
1. Иванов В.И. Классификация объектов, методологические и технологические особенности электроискрового упрочнения и увеличения ресурса // Труды ГОСНИТИ. -2010. -Т. 106. С. 31-41
2. Горленко А.О., Шупиков И.Л., Тополянский П.А., Тополянский А.П. Модификация рабочих поверхностей деталей нанесением упрочняющих покрытий // Металлообработка. - 2012. -№ 2 (68). С. 31-36
УДК 621.795.4
МЕТОД ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ГАЗОПЛАМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
И. Н. КРАВЧЕНКО1, д-р техн. наук, проф., А. Ф. ПУЗРЯКОВ2, д-р техн. наук, проф., А. А. КОЛОМЕЙЧЕНКО2
1 Военно-технический университет (г. Балашиха) 2 Московский государственный технический университет им. Н.Э.
Баумана
E-mail: kravchenko-in71@vandex.ru
Аннотация. На основе проведенных исследований в статье предложен новый метод нанесения наноструктурированных покрытий, заключающийся в высокоскоростном газопламенном напылении керамических материалов на основе оксида алюминия и карбида вольфрама.
Ключевые слова: газопламенное и газотермическое напыление, износостойкость, нанокомпозитные покрытия,
наноструктурированные материалы, тонкодисперсные порошки, остаточные напряжения.
Широкое освоение в промышленности новых технологий получения конструкционных металлических и керамических композитов с нанофазной и нанокристаллической структурой дает долгосрочный энерго- и ресурсосберегающий эффект, позволяет повысить экономическую эффективность производства, ресурс работы ответственных деталей и узлов машиностроения в 1,5-2 раза по сравнению с металлическими изделиями аналогичного назначения.
Использование нанопокрытий позволяет значительно снизить коэффициент трения при сохранении износостойкости, повысить вязкость покрытий при сохранении антикоррозионных свойств и увеличения температуры эксплуатации. Все это особо актуально в области машиностроения.
Последние десятилетия бурный рост переживают технологии газотермического напыления: плазменное напыление, высокоскоростные, газопламенные методы [1, 2]. С их помощью на поверхности изделий из порошков размером 20-100 мкм промышленно создаются покрытия с необходимыми свойствами. Особенностями данных покрытий являются слоистая структура, пористость, ограниченные величины прочности сцепления и когезионной прочности.
Уменьшение размера частиц, формирующих покрытия, существенно улучшает качество покрытия. Экспериментальные образцы покрытий из тонкодисперсных порошков и наноструктурированных материалов показывают на порядок более низкую пористость, гораздо более высокую стойкость к коррозии и эрозии.
Для создания нанопокрытий используются
наноструктурированные материалы, суспензии, золь-гели и др. В покрытия внедряются специальные добавки, которые модифицируют их структуру и обеспечивают получение необходимых свойств.
В настоящее время появляется возможность получения новых наноструктурных покрытий с размерами зерен менее 100 нм. Такие покрытия обладают улучшенными механическими характеристиками.
Анализируя существующие наноструктурные покрытия, можно выделить три основные группы:
• Наноструктурные покрытия, в отличие от традиционных, совмещают в себе повышенную микротвердость и достаточную пластичность. Поведение нанокристалических материалов с размерами зерен 15 нм и менее определяется главным образом процессами в пограничных областях, поскольку количество атомов в зернах сравнимо или меньше, чем в их границах. Это обстоятельство существенно изменяет характер взаимодействия между соседними зернами, например, тормозит генерацию дислокаций, препятствует распространению трещин из-за упрочнения границ зерен. При этих условиях дислокации в нанозернах отсутствуют.
• Нанокомпозитные покрытия состоят из основной нанокристаллической твердой фазы, на границах зёрен которой располагается тонкий слой второй нанокристаллической или наноаморфной фазы. Таким образом, твёрдые зёрна упрочняющей фазы разделены между собой тонкими прослойками атомов другой фазы. Такие покрытия обладают сверхвысокой твёрдостью, большими коэффициентами упругости, высокой термостойкостью.
• Многослойные наноструктурированные покрытия, каждый слой может формироваться различными методами и материалами. Такие нанослойные покрытия обладают повышенной трещиностойкостью, различными внутренними напряжениями (модулями упругости) и близкими по величине коэффициентами термического расширения. Толщина отдельных слоёв должна быть настолько мала, чтобы внутри них не появлялся источник дислокаций, а дислокации, которые под действием напряжений двигались бы к границе раздела из более мягкого слоя, отталкивались бы силами, создающимися упругими напряжениями в более твёрдом слое. Общее количество слоев покрытия выбирается в зависимости от решаемых технологических задач.
В работе авторами предложены новые методы нанесения наноструктурированных покрытий (плазменные и
высокоскоростные), заключающиеся в напылении материала, подаваемого в камеру сгорания вместе с топливом в виде суспензии или раствора. При этом в ходе сгорания в камере горючей смеси образуются наночастицы материала, которые спекаются, образуя агломераты, которые разгоняются до высокой скорости и наносятся на материал основы.
При правильно подобранных параметрах напыления наноразмерные частицы напыляемого материала будут
образовывать слой покрытия, приближающийся по прочности и плотности к материалу покрытия в компактном состоянии.
Благодаря формированию комплекса механических и технологических характеристик ожидается принципиальное улучшение эксплуатационных свойств деталей и узлов оборудования. Одной из таких характеристик является износостойкость.
Для повышения износостойкости в композицию покрытия вводят антифрикционные добавки, приводящие к изменению фазового состава, что существенно меняет свойства покрытий.
Так, например, авторы [3] рассматривали возможность введения в состав керамического покрытия на основе оксида алюминия карбида кремния с целью применения покрытия для защиты поршневых колец от износа. В результате исследований было установлено, что износостойкость у покрытий, изготовленных с применением метода плазменного напыления, с увеличением концентрации добавки карбида падала и увеличивалась у покрытий, изготовленных с помощью метода высокоскоростного газопламенного напыления.
В результате сравнения износостойкости
наноструктурированных покрытий на основе оксида алюминия с антифрикционными добавками оксида титана с плазменным покрытием того же состава было выяснено, что скорость абразивного износа возрастает, а скорость износа в условиях трения-скольжения падает [4].
В связи с высокими требованиями машиностроения к материалам ответственных деталей создание
наноструктурированных покрытий на основе керамических материалов более стойких к износу по сравнению со стандартными керамическими покрытиями позволит заменить дорогостоящие материалы на более дешевые.
С целью изучения возможности увеличения износостойкости керамических покрытий на основе алюминия было получено несколько вариантов наноструктурированных покрытий с различным содержанием износостойкой добавки в виде наночастиц карбида вольфрама, нанесенных методом высокоскоростного газопламенного напыления.
Наноструктурированные покрытия, нанесенные на образцы из низкоуглеродистой стали, испытывали на износостойкость согласно ГОСТ 23.208-79 по методу испытания материалов на
износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы [5].
В связи с тем, что ГОСТ 23.208-79 распространяется только на материалы с микротвердостью не более 1400ИУ, была увеличена
величина нагрузки до 150 И и частота вращения колеса до 200 мин-
1
Сущность метода состоит в том, что при одинаковых условиях производят трение образцов исследуемого и эталонного материалов об абразивные частицы, подаваемые в зону трения и прижимаемые к образцу вращающимся резиновым роликом. Измеряют износ образцов испытываемого и эталонного материалов, а износостойкость испытываемого материала оценивают путем сравнения его износа с износом эталонного образца. Схема испытательной установки приведена на рисунке 1.
35*
Рисунок 1 - Схема испытательной установки: 1 - испытуемый образец; 2 - держатель (захват); 3 - резиновый ролик; 4 - рычаг;
5 - направляющий лоток; 6 - дозатор для абразива; n - скорость
вращения
Стальное колесо 3, обернутое резиной, вращается со скоростью 200 мин-1 и прижимается к испытуемому образцу 1 с усилием в 150 H, в то же время сыпучий абразив (в нашем случае применялся электрокорунд зернистостью №16-П с относительным содержанием влаги не более 15%) из дозатора 6 по направляющему лотку 5 в зону трения подается между колесом и образцом. Потери массы регистрировались после 2000 и 6000 оборотов колеса. Потери массы, полученные этим методом, обычно на порядок выше, чем таковые при испытаниях на шлифовальном круге, и пригодны для сравнения с абразивным износом сверх износостойких покрытий.
По этой же методике [5] могут быть оценены и менее износостойкие покрытия, если снизить нагрузку и число оборотов. На каждый вариант покрытия было произведено 3 повторных испытания.
Испытываемые наноструктурированные покрытия на основе окиси алюминия, армированной карбидом вольфрама, в общем случае имели характеристики, приведенные в таблице 1.
Таблица 1 - Основные характеристики испытываемых покрытий
Состав\Свойство Метод напыления Размер зерна, нм Пористость, % Микротвердость, HV Толщина покрытия
Äl2Ü3-X%WC HVÜF 5-50 от 0,26 Более 1300 150 мкм
Примечание: значения X - 20, 30, 40, 50, 60 (таблица 2).
Микроструктура напыленных покрытий представлена на рисунке 2.
I м
Рисунок 2 - Износостойкая керамика, армированная твердыми
сплавами (А120з^С). Размер зерна 5-50 нм
В результате проведенных испытаний на износостойкость были получены данные, представленные в таблице 2.
Наноструктурированные покрытия HVOF Al203-40%WC и Al203-50%WC проявили лучшую стойкость к абразивному изнашиванию.
Применение наноразмерных добавок карбида вольфрама позволяет уменьшить остаточные напряжения в керамических покрытиях, которые приводят к разрушению при применении смесей стандартных порошков.
Таблица 2 - Результаты испытаний образцов на износостойкость
Износ Износ
Материал покрытия Микротвердость (± 50 И^.э) покрытия после 2000 оборотов, х10-2 (мм3/Нм) покрытия после 6000 оборотов, х10-2 (мм3/Нм) Примечание
Низкоуглеродистая сталь
Л1203-20%ШС Покрытие
№1 1270-1310 0,05 0,16 трескалось во
№2 1290-1330 0,05 0,16 время измерения
№3 1250-1300 0,05 0,17 микротвердости. Увеличенная пористость.
Л1203-30%ШС Покрытие
№1 1290-1340 0,05 0,16 трескалось во
№2 1320-1350 0,04 0,16 время измерения
№3 1280-1350 0,04 0,16 микротвердости.
Л1203-40%ШС Покрытие плотное.
№1 1850-1910 0,03 0,12
№2 1350-1430 0,04 0,15
№3 1880-1910 0,02 0,12
Л1203-50%ШС Покрытие плотное.
№1 1950-2030 0,03 0,10
№2 1990-2020 0,03 0,10
№3 2010-2050 0,02 0,09
Л1203-60%ШС Увеличенная
пористость.
№1 1650-1720 0,02 0,14
№2 1890-1930 0,03 0,12
№3 1740-1770 0,02 0,14
Полученные результаты можно объяснить тем, что недостаточное проплавление частиц, формирующих покрытие, в газовом потоке приводит к охрупчиванию и увеличению пористости. Тем самым снижается микротвердость покрытия и износостойкость.
Напротив, увеличение массовой доли карбидной фазы в составе покрытия, привело к увеличению износостойкости. Это связано с тем, что частицы карбида вольфрама имеют высокую кинетическую энергию, которая переходит в тепловую при соударении частицы о поверхность, что обеспечивает формирование более плотного покрытия, за счет увеличения сил сцепления частиц покрытия между собой.
Необходимо отметить, что покрытия, наносимые методом HVOF, как правило, проявляют большую стойкость к абразивному износу, что наблюдалось во время предварительных экспериментальных исследований. Свойства
наноструктурированных HVOF покрытий, скорее всего, связаны с сохранением наноструктуры в покрытии во время напыления.
В результате сравнительного анализа износостойкости наноструктурованных покрытий становится очевидной важность качественных характеристик материалов, выбираемых для достижения требуемого уровня свойств покрытий.
Список литературы:
1. Газотермическое напыление: учебное пособие / кол. авторов; под общ. ред. Л.Х. Балдаева. - М.: Маркет ДС, 2007. - 344 с.
2. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 360 с.
3. P. A. Dearnley, K. Panagopoulos. Abrasion Wear Behaviour of Plasma and HVOF Sprayed Al2O3-SiC Nanocomposite Coatings. Thermal spray 2003: Advancing the Science & Applying the Technology, (Ed.) C. Moreau, & B. Marple. Published by ASM International, Materials Park, Ohio, USA (2003), pp. 311-315.
4. L. Leblanc. Abrasion and Sliding Wear of Nanostructured Ceramic Coatings. Thermal spray 2003: Advancing the Science & Applying the Technology, (Ed.) C. Moreau, & B. Marple. Published by ASM International, Materials Park, Ohio, USA (2003), pp. 291-299.
5. Оценка надежности машин и оборудования: теория и практика: учебник / И.Н. Кравченко, Е.А. Пучин, А.В. Чепурин [и др.]; под ред. проф. И.Н. Кравченко. - М.: Альфа-М: ИНФРА-М, 2012. - 336 с.
