CC BY
75
УДК 621.9.048
НАНЕСЕНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ И ИЗНОСОСТОЙКИХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ Корешков Андрей Викторович, аспирант (e-mail: [email protected]) Денисов Леонид Владимирович, заведующий лабораторией
(e-mail: [email protected]) Бойцов Алексей Георгиевич, д.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Московский авиационный институт (Национальный исследовательский
университет) г.Москва, Россия
Проведены исследования износостойкости и антифрикционных свойств многокомпонентных и многослойных покрытий после электроискрового легирования.
Ключевые слова: электроискровое легирование, антифрикционные покрытия, износостойкие покрытия, многослойные покрытия.
Одним из направлений повышения антифрикционных свойств а так же изностойкости являются получение и нанесение многокомпонентных и многослойных покрытий методом электроискрового легирования (ЭИЛ), содержащих частицы высокой твердости (карбиды, нитриды, бориды и др.) или частицы антифрикционного материала (графит, медь, бронзы, серебро, дисульфид молибдена, нитрид бора и т.д.).
Многокомпонентные и многослойные покрытия используют для создания комплекса свойств поверхности: например, одновременное обеспечение сопротивления изнашиванию и антифрикционных свойств. Покрытия обеспечивают повышенную адгезию к подложке. В качестве переходного связующего слоя применяют материал, который может обеспечивать хорошую адгезию как с подложкой, так и с самим покрытием. Иногда этот слой обеспечивает требуемую металлургическую совместимость слоев, для того чтобы избежать образования на границах с подложкой интерметаллидов, которые в свою очередь обладают высокой хрупкостью.
Принцип многокомпонентности и многослойности может быть применен для повышения прочностных свойств покрытий, снижения пористости, релаксации внутренних напряжений. Тонкие покрытия имеют более высокие характеристики плотности и прочности. Нанесение толстых покрытий почти всегда сопровождается формированием внутренних напряжений, увеличенной пористости и шероховатости, а также могут вызвать коробление детали. Использование многослойного нанесения позволяет получать покрытия требуемой толщины, лишенные перечисленных недостатков.
Принцип многослойности позволяет получать мелкозернистые покрытия, локализовать и залечивать микротрещины, формировать остаточные напряжения сжатия, управлять градиентами твердости и остаточных напряжений по толщине покрытия, а так же снизить тепловые деформации на границе покрытия с подложкой.
Многокомпонентное легирование поверхности может производиться:
— с использованием материалов легирующего электрода (ЛЭ), содержащих необходимые компоненты;
— ЛЭ, собранными из проволок различных материалов;
— последовательным ЭИЛ различными материалами.
Получение многослойных покрытий способами ЭИЛ возможно в том случае, если материалы ЛЭ, используемых для получения отдельных слоев, значительно отличаются по теплофизическим свойствам (сопротивлению электрической эрозии). Например, первый слой наносится ЭИЛ твердым сплавом (ВК6-М, Т15К6), а затем производится ЭИЛ легкоплавким ЛЭ (бронзы, латуни, алюминий, олово и т.д.). При такой технологии перемешивания отдельных слоев практически не происходит и можно говорить о слоистости полученного покрытия.
Введением в межэлектродный промежуток веществ содержащих щелочной металл (КаОИ, КБг, Ка2СО3 и др.) можно резко увеличить массоперенос с ЛЭ на упрочняемое изделие и обеспечить получение многослойных покрытий из материалов более тугоплавких (медь, серебро, никель, титан, хром).
При способе многокомпонентного ЭИЛ, когда упрочненная поверхность формируется в результате многократного воздействия ЛЭ из различных материалов, материал каждого последующего "разбавляет" легированный слой, образовавшийся при предшествовавших проходах. При нанесении каждого слоя происходит проплавление поверхности на одинаковую глубину и перемешивание материалов до равномерного распределения элементов по глубине слоя, не происходит выгорания легирующих элементов.
Исследования по ЭИЛ выполнялись на модернизированной установке ЕЬБЛ731 с ЧПУ. Установка предназначена для легирования рабочих поверхностей деталей и режущего инструмента методом ЭИЛ. Схема процесса легирования представлена на рисунке 1. ЛЭ 1 является анодом, а упрочняемой изделие 2, устанавливаемое на рабочем столе 3 - катодом.
5
Рисунок 1 - Схема процесса ЭИЛ: 1- ЛЭ; 2 - упрочняемое изделие;
3 - стол; 4 - наносящая головка; 5 - электродвигатель следящей системы;
6 - редуктор; 7 - ходовой винт
Требуемая величина межэлектродного зазора поддерживается электромеханической следящей системой, перемещением следящей головки 4 в вертикальном направлении посредством исполнительного электродвигателя 5, червячного редуктора 6 и ходового винта 7. Управление двигателем 5 осуществляется блоком следящей системы. С целью повышения сплошности электроискровых покрытий и равномерности эрозии ЛЭ, ему придаётся вращение от электродвигателя 6 с частотой УЭО = 400 - 4000 об/мин, регулируемой блоком управления вращением ЛЭ.
Для определения антифрикционных свойств и износостойкости проводились испытания на образцах из материла ВТ23 и ВТ20.
Титановые сплавы являются сравнительно мягкими подложками, что влияет на несущую способность легированного слоя. Кроме того, они обладают низким сопротивлением электрической эрозии, поэтому формирование легированного слоя протекает в условиях значительного переноса титанового сплава на ЛЭ, что снижает эрозию последнего. Для тугоплавких легирующих электродов Та, Мо и др.) она крайне мала.
Для эффективного повышения служебных свойств поверхностей деталей эксплуатируемых в парах трения, целесообразно использование двухслойных покрытий, получаемых легированием твердыми и
износостойкими материалами (ВК6-М, Т15К6, Та, Мо, Сг и др.) с последующим нанесением антифрикционного материала (медь, серебро, бронзы, олово и т.д.). Параметры несущей способности таких покрытий для материала ВТ23 приведены в таблице 1.
Таблица 1
ЛЭ (намазываемое вещество) ИШср, МПа Кр w , мм3/Н
Бр010С10 (слюда) 3240 20650 4,0 10-10 970,3
БрАЖМц 10-31-,5 (слюда) 4297 4190 1,5 10-9 257,9
БрКМц3-1 (слюда) 5410 2360 1,6 10-9 241,9
БрБ2 (слюда) 6720 32700 2,8 10-10 1400,0
Х20Н80 4920 1480 3,1 10-9 127,7
Х20Н80(слюда), Бр010С10 3060 44100 3,2 10-10 1209,8
Сг, Си (слюда) 3210 15200 7,5 10-10 519,7
Си (слюда) 2970 15380 5,2 10-10 749,5
7г, Си (слюда) 3620 29100 4,3 10-10 909,3
ВК6-М, олово 1610 11800 7,5 10-10 523,3
Мо, А1 4980 140 5,0 10-9 78,5
Сг, А1 5690 250 9,3 10-9 42,1
МоБ12 5410 1540 1,0 10-8 37,6
Х20Н80, А1 (ВК) 5750 27350 6,2 10-10 631,2
СДП-2 6690 2710 2,4 10-9 162,6
Hm — средние значения микротвердости, определенные по
результатам десяти измерений; ^ — число циклов скольжения сферического индентора из синтетического алмаза до разрушения легированного слоя; w — удельная характеристика, служащая критерием оценки несущей способности поверхностного слоя.
W — коэффициент, показывает увеличение сопротивления изнашиванию при экспресс испытаниях по сравнению с исходной, не упрочненной поверхностью, рассчитанный по формуле:
№ = ^ИС^
^ПР
Для определения величины проводятся два последовательных испытания на разных участках поверхности с разным числом циклов скольжения алмазного индентора Кн и №с, на установке для экспресс-оценки сопротивления изнашиванию и изнашивающей способности (рис. 2). Испытываемый образец 10 устанавливается на столе 1. Величина нормальной нагрузки на сферический индентор 9 задается грузами 4. Вес нагружающего узла 6, установленного на шарнире 14, предварительно уравновешивается противовесом 5. Возвратно-поступательное движение обеспечивается электродвигателем 7 через кривошипно-шатунный
механизм 8 и штангу 3. Сферический индентор 9 движется по дуге. Число циклов изнашивания фиксируется счетчиком циклов. Узлы прибора монтируются на плите 2.
Вид А
Рисунок 2 - Схема прибора для экспресс-оценки сопротивления изнашиванию и изнашивающей способности
Экспериментально установлено, что за первые 10-50 циклов скольжения индентора происходит пластическое передеформирование с образованием канавки приработки шириной Ьн. Затем производится измерение величин Ьн и Ьк инструментальном микроскопе ММИ-2 с точностью до 0,01 мм.
w
Ь - ь2)(Ьк + Ьн )2 64 Р (Nк - Nн) Я
где Ьн и Ьк — ширина канавки после приработки и испытания соответственно (рис. 3); ^ и ^ — число циклов скольжения алмаза до условной приработки и за время испытания соответственно; Р — нормальная сила, действующая на индентор; Я — радиус алмазного индентора.
Рисунок 3 - Канавки износа на поверхности испытываемого образца Для повышения жаростойкости и термической стабильности при эксплуатации в узлах трения в условиях повышенных температур,
перспективно использование многокомпонентных покрытий содержащих алюминий, хром, никель, дисилицид молибдена.
Исследования антифрикционных свойств выполнялись на трибометре (рис. 4) на образцах из титанового сплава ВТ20 в парах с различными материалами. Прибор монтируется на плите 3 и содержит направляющие, по которым перемещается корпус. Внутри корпуса находится ось, совершающая возвратно-вращательное движение при колебаниях маятника 16. С одной стороны оси имеется муфта, обеспечивающая само установку рабочей поверхности контр образца 1 относительно образца 2, закрепляемого на столе 19. Нормальная нагрузка в испытываемом контакте создается грузами 12 через рычаг 13 и упорный подшипник 14. Для регулировки положения рычага 13 предусмотрено смещение его оси перемещением кронштейна 8, вращением ходового винта 4 посредством рукоятки 11.
Шероховатость шлифованных контр-образцов составляла Яа = 0,4-0,6 мкм. Измерения /тр проводились без смазывания (образцы протирались ацетоном). Диапазон номинальных контактных давлении составлял Ра = 1,5-6,5 МПа.
Рисунок 4 - Конструктивная схема установки для экспресс-оценки
антифрикционных свойств
Установлено, что значения £гр образцов из сплава ВТ20, легированных ЛЭ из молибдена, ВК6-М, вольфрама, тантала, хрома составляют 0,120,17 (без смазывания). Коэффициент трения, не упрочненного сплава, в этих же условиях, имеет значения 0,24-0,3, в зависимости от номинального контактного давления, т.е. электроискровое легирование снижает коэффициент трения приблизительно в два раза.
Рисунок 5 - Поверхность контакта после взаимодействия сферического алмазного индентора с материалом ВТ20. а) - граница раздела поверхности, легированной ЛЭ из А1 и участка после испытания на
износостойкость покрытия (разрыв покрытия). б) - площадки контакта индентора с поверхностью, легированной N1, после испытания на
износостойкость покрытия
Наилучшие антифрикционные свойства достигаются при нанесении ЭИЛ антифрикционных покрытий из бронз, меди, серебра, олова по описанным выше технологиям. При трении без масла для этих покрытий характерна падающая зависимость коэффициента трения от величины нормальной нагрузки, причем при малых номинальных контактных давлениях значения коэффициента трения значительно выше, чем для поверхностей, обработанных данным методом тугоплавкими ЛЭ. В условиях граничного трения значения ^ большинства перечисленных антифрикционных покрытий не превышают 0,1.
Список литературы
1. Процессы механической и физико-химической обработки в производстве авиационных двигателей: Учеб. пособие / А.Г. Бойцов, А.П. Ковалев, А.С. Новиков и др. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 584 с.: ил.
2. Грачев М.В., Денисов Л.В., Бойцов А.Г. Фазовый и элементный состав поверхностного слоя после электроискрового легирования // Труды ГОСНИТИ / Всерос. науч.-исслед. технол. ин-т ремонта и эксплуатации маш.-тракт. парка.-Москва, 2010.-Т. 106.-С. 47-49.-Рез. англ.-Библиогр.: с.49. Шифр 738165.
3. Физико-химические основы создания электродных материалов для электроискрового легирования / А. Д. Верхотуров, И. А. Подчерняева //Электронная обработка материалов. 1987. N5. С. 11-14.
4. Введение в физико-химический анализ. / Курнаков Н.С. Москва 1940г. 562с.
5. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами / А.Г. Бойцов, В.Н. Машков, В. А. Смоленцев, Л. А. Хворостухин. — М.: Машиностроение, 1991. — 144с.
Koreshkov Andrey Victorovich, postgraduate (e-mail: [email protected])
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia Denisov Leonid Vladinirovich, head of laboratory
(e-mail: [email protected])
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia Boytsov Aleksey Georgievich, Doctor of technical sciences, associate professor (e-mail: [email protected])
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia APPLICATION OF ANTIFRICTION AND WEAR RESISTANCE MULTICOMPONENT COATINGS TO TITANIUM ALLOYS BY ELECTROSPARK DEPOSITION
Abstract. A study was conducted to establish antifriction properties and wear resistance properties multicomponent layers formed by ESD
Keywords: electrospark deposition, antifriction coatings, wear resistant coatings, multilayer coatings
УДК 67.08:691.32
МОДИФИКАЦИЯ СОСТАВОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Пименов Александр Трофимович, д.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Прибылов Вячеслав Сергеевич, аспирант (e-mail: [email protected]) Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (ФГБОУ ВО НГАСУ (Сибстрин)), г.Новосибирск, Россия
На примере сталеплавильных шлаков металлургических предприятий Кемеровской области (мартеновские, конвертерные) показаны возможности повышения их гидравлической активности уже на этапе их извлечения из плавильных агрегатов путем насыщения добавками известняка (CaCO3).
Определены принципиальные направления применения
модифицированных металлургических шлаков для производства строительных материалов как: наполнитель в асфальтобетонные смеси для целей дорожного строительства; низкомарочные вяжущие, обладающие гидравлической активностью.
Ключевые слова: сталеплавильные шлаки, модификация активности, повышение степени осно'вности, дорожные асфальтобетонные смеси низкомарочные вяжущие.
Поступательное развитие и наращивание темпов металлургического производства на территории РФ сопровождается усилением антропогенной нагрузки на окружающую среду. Нерациональное обращение с отходами черной металлургии актуализирует проблему практической утилизации шлаков, включая их внедрение и повсеместное применение предприятиями дорожного хозяйства. Практика показала, что лишь около трети отходов вторично используется, преимущественно для отсыпки земляного полотна
