CC BY
13
ISSN 1999-4125 (Print) http://vestnik.kuzstu.ru
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ TECHNOLOGY AND EQUIPMENT FOR MECHANICAL AND PHYSICAL-TECHNICAL PROCESSING
Научная статья
УДК 621.793.09, 51-74.
DOI: 10.26730/1999-4125-2022-1-5-11
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННО-НАПЫЛЕННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
Пантелеенко Алексей Федорович
Белорусский национальный технический университет *для корреспонденции: alex_1895@mail.ru
Аннотация.
В статье изучена интенсивность изнашивания плазменно-напыленных покрытий из самофлюсующегося порошка на основе сталей аустенитного класса. Показано влияние дополнительной лазерной обработки плазменно-напыленного покрытия. Также для определения оптимальных параметров процессов плазменного напыления и лазерной обработки проведено вычисление с использованием центрального ротатабельного композиционного плана 2-го порядка. Получено уравнение, связывающее параметры плазменного напыления и лазерной обработки с интенсивностью изнашивания.
диффузионно-легированный порошок, интенсивность изнашивания, математическое планирование
Для цитирования: Пантелеенко А.Ф. Оптимизация технологических параметров получения плазменно-напыленных износостойких покрытий // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2022. № 1 (149). С. 5-11. doi: 10.26730/1999-4125-2022-1-5-11
Актуальность работы: В настоящее время весьма активно ведутся исследования в областях упрочнения и восстановления деталей машин методами газотермического напыления, в частности плазменного напыления [1-6]. Проводится глубокое изучение мировых рынков и трендов развития с учетом влияния на экономические процессы COVID-19 [7]. Номенклатура деталей, которая упрочняется и восстанавливается плазменным напылением, весьма широка, но ее большую долю занимают детали, работающие в условиях абразивного изнашивания и воздействия агрессивных сред. По этой причине многие авторы [8-12] посвящают свои работы поведению деталей с плазменным упрочнением при абразивном изнашивании.
Информация о статье
Поступила: 15 декабря 2021 г.
Одобрена после рецензирования: 30 января 2022 г.
Принята к публикации: 25 февраля 2022 г.
Ключевые слова:
плазменное напыление,
Таблица 1. Таблица ЦКРП в буквенном выражении Table 1. CCRP table in alphabetical expression_
№ Xj Время борир, час X, Скорость, мм/мин X, Диаметр луча лазера, мм X1X2 X1X3 X2X3 X,2 X22 X32 Y Средняя интенсивность изнашивания, мм3/км Примеча ние
1. + + + + + + + + + Y1 ПФЭ
2. + + - + - - + + + Y2
3. + - + - + - + + + Y3
4 - + + - - + + + + Y4
5 + - - - - + + + + Y5
6 - - + + - - + + + Y6
7 - + - - + - + + + Y7
8 - - - + + + + + + Y8
9 -1.682 0 0 0 0 0 0 0 Y9 Звездные точки
10 +1.682 0 0 0 0 0 0 0 Y10
11 0 -1.682 0 0 0 0 0 0 Y11
12 0 +1.682 0 0 0 0 0 0 Y12
13 0 0 -1.682 0 0 0 0 0 Y13
14 0 0 +1.682 0 0 0 0 0 Y14
15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y15 Опыты в нулевой точке
16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y16
17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y17
18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y18
19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y19
20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y20
Таблица 2. Таблица ЦКРП в числовом выражении Table 2. CCRP table in numerical terms
№ Xj Время борир, час X, Скорость, мм/мин X, Диаметр луча лазера, мм X1X2 X1X3 X2X3 X!2 X22 X32 Y Средняя интенсивность изнашивания, мм3/км Примеча ние
1. 5 300 2 + + + + + + 0,004102 ПФЭ
2. 5 300 1 + - - + + + 0,004745
3. 5 200 2 - + - + + + 0,004566
4 1 300 2 - - + + + + 0,004246
5 5 200 1 - - + + + + 0,00484
6 1 200 2 + - - + + + 0,004654
7 1 300 1 - + - + + + 0,004939
8 1 200 1 + + + + + + 0,005149
9 0 250 1.5 0 0 0 0 0 0,0242 Звездны е точки
10 6.37 250 1.5 0 0 0 0 0 0,006368
11 3 165.9 1.5 0 0 0 0 0 0,00242
12 3 334.1 1.5 0 0 0 0 0 0,002847
13 3 250 0.659 0 0 0 0 0 0,002469
14 3 250 2.341 0 0 0 0 0 0,002951
15 3 250 1.5 0 0 0 0 0 0 0,00263 Опыты в нулевой точке
16 3 250 1.5 0 0 0 0 0 0 0,002689
17 3 250 1.5 0 0 0 0 0 0 0,002659
18 3 250 1.5 0 0 0 0 0 0 0,002659
19 3 250 1.5 0 0 0 0 0 0 0,00263
20 3 250 1.5 0 0 0 0 0 0 0,002659
1_______________________________________________________________________________________
Цель работы: определить интенсивность изнашивания плазменно-напыленных покрытий из диффузионно-легированных порошков на основе сталей аустенитного класса, выявить зависимость между интенсивностью изнашивания и параметрами процесса плазменного напыления и лазерной обработки.
Методика изготовления образцов и проведения испытаний, расчетов.
Исходные материалы: 1) порошок из стали аустенитного класса ПР-Х18Н9; 2) порошок из стали аустенитного класса ПР-Х18Н9, диффузионно-легированный бором в течение 1 и 3 часов. Напыление износостойкого слоя из диффузионно-легированных порошков аустенитной стали толщиной 0,4-0,5 мм проводилось на оптимизированных режимах: сила тока I = 350 А; дистанции напыления Ь = 70.. .100 мм; напряжение V = 65-70 В на установке УПУ-3Д [13].
Дополнительная лазерная обработка напыленных покрытий проводилась на установке «Комета-2» на следующих режимах: скорость обработки V = 165,9...334.1 мм/мин; диаметр лазерного луча ё = 0,659.2.341 мм.
Исследования интенсивности изнашивания полученных образцов проводились по схеме Шкода-Савина.
Для оптимизации технологических параметров получения плазменно-напыленного износостойкого покрытия с дополнительной высокоэнергетической обработкой был использовано расчет по центральному композиционному ротатабельному плану 2-го порядка (ЦКРП). Расчеты и вычисления проводились согласно работам [14-17].
В таблицах 1 и 2 представлен ЦКРП в буквенном и числовом выражениях.
В общих случаях расчеты для определения численных значений величин проводятся по следующей методике.
В общем случае при наличии по точек в центре плана и повторении эксперимента V раз в каждой точке матрицы Х оценка дисперсии единичного эксперимента определяется по формуле:
с2 -5е =
где
Здесь
<Рг
у ф-9Л)2 + \ у (у0_у ]=! *—ч=1 ¿—4=1^-4=1
0 _ у,2п+2п+]Л)2
1 \т^п0
у0 = у у у2 +2п+],1
=
(р2 = (2п-р + 2п)(р _1) + рп0_1 Расчетные формулы для оценок коэффициентов и их дисперсий, удобные для ручного счета: (А
, - [2 А1(п + 2)(Оу) _ 2^1 у Ш), I = 0,
Й1={ Л2 ~
— (1 = 1,2-..,п
4+1 =$№[(п + 2)А1 _ п](иу) + Х\(1 _ Ь) т-=1ШУ)} _ 2ЛМ0у)} ,
/=1,2...,п,
- ;=1 2
мл
Здесь приняты обозначения:
л2
й2п+) = ТТТ" ,Л=1, 2, .. ^-2п (коэффициент при
2пЫ
X =
(2п + 2а2)2 N
*2 =
2п + 2а2 1
А =
2X^1(4 + 2)Х1 _ п] Кроме того, введены обозначения:
(Оу) = ХМ=1у1;
х{у}
]=1
(Ч У) = Т!Ц=1х1х!у1 ;
=
Соответственно для дисперсий имеем следующие выражения:
0,03
0,025
0,02
Э
™ 0,015
° 0,01
и X
OJ
£ 0,005
llllllll
I I I I I I I I I
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Рис. 1. Интенсивность изнашивания плазменно-напыленных покрытий из диффузионно-легированного порошка с дополнительной лазерной обработкой Fig. 1. Wear rate ofplasma-sprayed coatings made of diffusion-doped powder with additional
laser processing
A ~ n
2—X2(n + 2)s2, i = 0, N
*f = <
^2 2 ■ , 0 ~n
,,n,
A
— [(n + 1)Xx -(n- 1)]X22s2, i = n+ 1,... 2 n,
iL
NAt
s2,i = 2n + 1, ...R.
Где s2 - оценка дисперсии значений у (дисперсии наблюдений) с числом степеней свободы ф2=(2п+2п)(г-1^по-1, равная
2 °е Б2 = — V
Математическая модель выражается формулой следующего вида:
"У — + + ••• + + + ''' + + + ''' ^К^п_
Результаты: данные, характеризующие интенсивность изнашивания образцов при трении скольжения, представлены на рисунке 1.
Из рисунка 1 и таблицы 2 очевидно, что наименьшей интенсивностью изнашивания обладают плазменные покрытия, полученные из порошка на основе сталей аустенитного класса, диффузионно-легированного в течение 3 часов (6,03% В), при скорости напыления V= 165,9...334,1 мм/мин; диаметре лазерного луча 0,659...2,341 мм.
В результате обработки массива данных (таблица 2) по методике, приведенной в статье ранее, мы получаем формулу, описывающую зависимость интенсивности изнашивания от параметров процесса получения и обработки покрытий.
0
1
2
3
4
5
6
7
V
у = 0,002709 - 0,00225х1 - 0,000034х2 - 0,000095х3 + 0,002001x1 - 0,000269x2 - 0,000255x2 - 0,000013х1х2 - 0,000013х1х3 - 0,000013х2х3
Из зависимости ясно следует, что определяющим фактором, влияющим на интенсивность изнашивания, является содержание бора в порошке для напыления. Наименьшей интенсивностью изнашивания обладают покрытия плазменно-напыленные из диффузионно-легированного в течение 3 часов порошка (содержание В 6,03%).
Выводы:
1) Установлено снижение интенсивности изнашивания в 10,01 раз по сравнению с исходным образцом стали 12Х18Н10 при нанесении плазменно-напыленного покрытия из порошка, борированного в течение 3 часов (6,03% B), после лазерной обработки с V= 165,9 мм/мин; диаметром лазерного луча 1,5 мм.
2) Установлена зависимость интенсивности изнашивания покрытия от параметров процесса его плазменного напыления и лазерной обработки. Эта зависимость выражается формулой, которая позволила определить оптимальные с точки зрения минимальной интенсивности изнашивания режимы процесса плазменного напыления с последующей лазерной обработкой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Samukawa S. [et al.] The 2012 Plasma Roadmap // Journal of Physics D: Applied Physics. 2012. Vol. 45. 253001.
2. Vardelle A. [et al.] The 2016 Thermal Spray Roadmap // Journal of Thermal Spray Technology. 2016. Vol. 25 (8). P. 1376-1440.
3. Armada S. [et al.]. Future development of thermal spray coatings: types, designs, manufacture and applications / edited by Nuria Espallargas. 1st edition. Woodhead Publishing, 2015. 300 p.
4. Пантелеенко Ф. И., Оковитый В. А. Формирование многофункциональных плазменных покрытий на основе керамических материалов. Минск : БНТУ, 2019. 231 с.
5. Пантелеенко Ф. И. Самофлюсующиеся диффузионно-легированные порошки на железной основе и защитные покрытия из них. Минск : УП «Технопринт», 2001. 300 с.
6. Vuoristo P. Thermal spray coating processes // Comprehensive materials processing. Coatings and films; edited by D. Cameron. 1st edition. Elsevier Ltd., 2014, Vol. 4. P 229-276.
7. Thermal spray market - growth, trends, COVID-19 impact, and forecasts (2022-2027) / Mordor Intelligence [Electronic resource]. - 2021. - Mode of access: https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/thermal-spray-market. - Date of access: 07.02.2022.
8. Stewart D. A., Shipway P. H., McCartney D. G. Influence of heat treatment on the abrasive wear behaviour of HVOF sprayed WC-Co coatings // Surface and Coatings Technology. 1998. Vol. 105. P. 13-24.
9. Barik R. C. [et al.] Erosion and erosion-corrosion performance of cast and thermally sprayed nickel-aluminium bronze // Wear. 2005. Vol. 259. P. 230-242.
10. Bergmann C. P., Vicenzi J. Protection against erosive wear using thermal sprayed cermet: A review. Berlin : Springer, 2011. 82 p.
11. Huang C. B., Du L. Z., Zhang W. G. Friction and wear characteristics of plasma-sprayed self-lubrication coating with clad powder at elevated temperatures up to 8000C // Journal of Thermal Spray Technology. 2014. Vol. 23(3). P. 463-469.
12. Liu E. Y. [et al.] Effect of the synergetic action on tribological characteristics of Ni-Based composites containing multiple-lubricants // Tribology Letters. 2012. Vol. 47. P. 399-408.
13. Пантелеенко А. Ф., Девойно О. Г. Композиционные покрытия, полученные высокоэнергетическими методами. // Перспективные материалы и технологии. Коллективная монография. Под ред. В.В.Клубовича. - . Витебск : Изд-во УО «ВГТУ», 2013 г. Гл. 28. С. 587-607.
14. Голубцова Е. С., Каледин Б. А., Каледина Н. Б. Основы научных исследований в порошковой металлургии и сварке: учебное пособие. Минск : БНТУ, 2008. 240 с.
15. Берикашвили В. Ш., Оськин С. П. Статистическая обработка данных, планирование эксперимента и случайные процессы: учебное пособие для бакалавриата и магистратуры. 2-е изд., испр. и доп. Москва : Юрайт, 2019. 164 с.
16. Евдокимов А. Н., Курзин А. В. Моделирование химико-технологических процессов (экспериментально-статистические модели): учебное пособие. СПб : ВШТЭ СПбГУПТД, 2018. 106 с.
17. Барвинок В. А., Бордаков П. В. Математическое планирование эксперимента в производстве летательных аппаратов: Учеб. Пособие. Куйбышев: Авиац. ин-т Куйбышев, 1990. 64 с.
© 2022 Авторы. Эта статья доступна по лицензии CreativeCommons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (https://creativec0mm0ns.0rg/licenses/by/4.0/)
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Об авторах:
Пантелеенко Алексей Федорович, старший преподаватель кафедры «Материаловедение в машиностроении», Белорусский национальный технический университет (220013, Беларусь, г. Минск, пр. Независимости, 65), alex_1895@mail.ru
Заявленный вклад авторов:
Пантелеенко А.Ф. - постановка исследовательской задачи; научный менеджмент; обзор соответствующей литературы; концептуализация исследования; написание текста, сбор и анализ данных; обзор соответствующей литературы; выводы; написание текста.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Original article
THE OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF OBTAINING PLASMA-SPRAYED WEAR-RESISTANT COATINGS
Alexey F. Panteleenko
Belarusian National Technical University *for correspondence: alex_1895@mail.ru
Abstract.
The article studies the wear rate ofplasma-sprayed coatings from self-fluxing powder based on austenitic steels. The effect of additional laser processing of a plasma-sprayed coating is shown. Also, to determine the optimal parameters of the processes of plasma spraying and la-ser processing, a calculation was carried out using a central rotatable composition plan of the 2nd order. An equation that relates the parameters of plasma spraying and laser processing with wear rate is obtained.
diffusion-alloyed powder, wear rate, mathematical planning.
For citation Panteleenko A.F. The optimization of technological parameters of obtaining plasma-sprayed wear-resistant coatings. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta=Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2022; 1(149):5-11. (In Russ., abstract in Eng.). doi: 10.26730/1999-4125-2022-1-5-11
REFERENCES
1. Samukawa S. [et al.] The 2012 Plasma Roadmap. Journal ofPhysics D: Applied Physics. 2012; 45:253001.
2. Vardelle A. [et al.] The 2016 Thermal Spray Roadmap. Journal of Thermal Spray Technology. 2016; 25 (8):1376-
1440.
3. Armada S. [et al.] Future development of thermal spray coatings: types, designs, manufacture and applications; edited by Nuria Espallargas. - 1st edition. Woodhead Publishing, 2015. 300 p.
Article info
Submitted: 15 December 2021
Approved after reviewing: 30 January 2022
Accepted for publication: 25 February 2022
Keywords: plasma spraying,
4. Panteleenko F. I., Okovityy V. A. Formirovanie mnogofunktsional'nykh plazmennykh pokrytiy na osnove keramicheskikh materialov. Minsk: BNTU; 2019. 231 s. (rus)
5. Panteleenko F. I. Samoflyusuyushchiesya diffuzionno-legirovannye poroshki na zheleznoy osnove i zashchitnye pokrytiya iz nikh. Minsk: UP «Tekhnoprint»; 2001. 300 s. (rus)
6. Vuoristo P. Thermal spray coating processes. Comprehensive materials processing. Coatings and films; edited by D. Cameron. 2014; 4:229-276.
7. Thermal spray market - growth, trends, COVID-19 impact, and forecasts (2022-2027) / Mordor Intelligence [Electronic resource]. - 2021. - Mode of access: https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/thermal-spray-market. - Date of access: 07.02.2022.
8. Stewart D. A., Shipway P. H., McCartney D. G. Influence of heat treatment on the abrasive wear behaviour of HVOF sprayed WC-Co coatings. Surface and Coatings Technology. 1998; 105:13-24.
9. Barik R. C. [et al.] Erosion and erosion-corrosion performance of cast and thermally sprayed nickel-aluminium bronze. Wear. 2005; 259:230-242.
10. Bergmann C. P., Vicenzi J. Protection against erosive wear using thermal sprayed cermet: A review. Berlin: Springer; 2011. - 82 p.
11. Huang C. B., Du L. Z., Zhang W. G. Friction and wear characteristics of plasma-sprayed self-lubrication coating with clad powder at elevated temperatures up to 8000C. Journal of Thermal Spray Technology. 2014; 23(3):463-469.
12. Liu E. Y. [et al.] Effect of the synergetic action on tribological characteristics of Ni-Based composites containing multiple-lubricants. Tribology Letters. 2012; 47:399-408.
13. Panteleenko A. F., Devoyno O .G. Kompozitsionnye pokrytiya, poluchennye vysoko-energeticheskimi metodami [Composite coatings obtained by high-energy methods]. Perspektivnye materialy i tekhnologii [Perspective materials and technologies]. Kollektivnaya monografiya. Pod red. V.V.Klubovicha. Vitebsk: Izd-vo UO «VGTU»; 2013, g. Gl. 28. S. 587-607.
14. Golubtsova E. S., Kaledin B. A., Kaledina N. B. Osnovy nauchnykh issledovaniy v poroshkovoy metallurgii i svarke: uchebnoe posobie. Minsk: BNTU; 2008. 240 s. (rus)
15. Berikashvili V. Sh., Os'kin S. P. Statisticheskaya obrabotka dannykh, planirovanie eksperimenta i sluchaynye protsessy: uchebnoe posobie dlya bakalavriata i magistratury (2-e izd., ispr. i dop.) Moscow: Yurayt; 2019. 164 s. (rus)
16. Evdokimov A. N., Kurzin A. V. Modelirovanie khimiko-tekhnologicheskikh protsessov (ekspe-rimental'no-statisticheskie modeli): uchebnoe posobie. Saint-Petersburg: VShTE SPbGUPTD; 2018. 106 s. (rus)
17.Barvinok V. A., Bordakov P. A. Matematicheskoe planirovanie eksperimenta v proizvodstve letatel'nykh apparatov: Ucheb. Posobie. Kuybyshev, aviats. in-t Kuybyshev; 1990. 64 s. (rus)
©2022 The Authors. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/).
The authors declare no conflict of interest.
About the authors:
Alexey F. Panteleenko, Senior Lecturer of the Department "Materials Science in Mechanical Engineering", Belarusian National Technical University (65 Nezavisimosti Ave., Minsk, 220013, Belarus), alex_1895@mail.ru
Contribution of the authors:
Alexey F. Panteleenko - research problem statement; scientific management; reviewing the relevant literature; conceptualisation of research; writing the text, data collection; data analysis; reviewing the relevant literature; drawing the conclusions; writing the text.
All authors have read and approved the final manuscript.
