CC BY
37
УДК 631.3.004.67:621.35.035.4
ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХПОКРЫТИЙ ОБРАБОТКОЙ ТВЧ
Г.В. ГУРЬЯНОВ, Ю.Е. КИСЕЛЬ ФГБОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»
Разработан метод совершенствования композиционных гальванических покрытий обработкой токами высокой частоты, что позволяет повысить их микротвердость, прочность на растяжение и износостойкость в условиях контакта с нежесткозакрепленным абразивом
Введение. Композиционные гальванические покрытия (КГП) наряду с другими ремонтными технологиями находят широкое применение для восстановления и повышения долговечности быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники. По своим механическим свойствам КГП превосходят «чистые» покрытия в десятки раз [1-5]. Вместе с тем, их применение ограничено в связи с недостаточной прочностью связи между дисперсной фазой (ДФ) и матрицей. Максимальная прочность и износостойкость КГП достигается, если на границе между матрицей и наполнителем происходит образование металлической связи, что можно обеспечить термическим воздействием на поверхность детали. Одним из таких способов поверхностного воздействия на материал является нагрев токами высокой частоты (ТВЧ).
Поэтому целью работы было проверить влияние обработки ТВЧ на некоторые механические свойства КГП.
Методика исследований. КГП получали из электролитов-суспензий (ЭС) на основе хлористого железа [4]. В качестве ДФ служил микропорошок карбида бора промышленного изготовления (марки М14). Прочность на растяжение КГП изучали на образцах в виде колец из материала, отделенного от подложки [5]. Исследования абразивной износостойкости проводили в соответствии с ГОСТ 23.208-79 на специально разработанной установке [4]. Прочность сцепления покрытий с основой определяли методом кольцевого сдвига на цилиндрических образцах из стали 35 [6]. Микротвердость (Нр) измеряли на ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76. Микроструктуру изучали на поперечных шлифах образцов после термообработки и механических испытаний с помощью микроскопов МИМ-8 и МБС-9. Опытную проверку результатов исследований на практике выполняли в процессе восстановления и упрочнения золотников гидрораспределителей. Нанесение покрытий на опытные детали и образцы выполняли в специальной ванне с контролируемой гидродинамикой потока [4]. Для изоляции поверхностей опытных деталей, не подлежащих нанесению покрытия, использовали цапон-лак. Об-
разцы и опытные детали после нанесения КЭГ1 стабилизировали в течение 20 суток хранения. Термообработку проводили на установке типа ИЗ-250-10. Температуру нагрева (Т, от 200°С до 1200°С) контролировали пирометрически. Повторность испытаний в опьггах составляла от 3 до 20. Опытные данные обрабатывали методами математической статистики. Для построения функциональных зависимостей использовали регрессионный анализ [7].
Результаты исследований и их обсуждение.
КГП до обработки ТВЧ получались качественными, плотными, без слоев и трещин (рис.1,а). Содержание ДФ в покрытии составляло 22...24% (об.). Особенностью микроструктуры было равномерное распределение дисперсной фазы, отсутствие частиц в начальных слоях покрытия вблизи границы раздела с подложкой.
а б
Рис. 1. Структура композита железо-карбид бора (х400): а) без обработки; б) после обработки ТВЧ
При нагреве образцов ТВЧ до 350...450 °С значительных изменений во внешнем виде поверхности и структуре КГП не наблюдалось. При нагреве более 450...550°С образцы покрывались слоем оксидов железа и других продуктов взаимодействия компонентов композиции с атмосферой и растворенными в металле газами. Температура 550...650 °С соответствует началу взаимодействия бора и углерода с железом, в результате которого образуются растворы замещения, происходит уменьшение нараметров решетки и изменение объема сплава [8]. Значительные изменения морфологии и структуры КГП железо-карбид бора при высокотемпературной обработке (более 800...900 °С) свидетельствовали о протекании диффузионных процессов и образовании новых фаз- В структуре появлялись крупные кристаллические образования различной формы, которые не гравились раствором азотной кислоты. В матрице композита происходило «залечивание» мелких пор (рис. 1,6).
Исследования показали, что износостойкость КГП (J) и предел прочности при растяжении (<тв) зависят от температуры нагрева. Причем зависимость сгв =f(T) проходила через максимум (100... 120 МПа) после обработки при температуре 500...700°С. что значительно превышает прочность обычных железных покрытий (17...22 МПа) и пирометаллургического железа (70 МПа) (рис.2). Соответственно износостойкость покрытий возрастала в 2 раза.
Or, J-Ша мг
/А. о11». ГПа Ml"
40 10
20-5
80 - 20
60 - 15
6.0 - 300
4.5 - 200
7.5 400
3 - 100
20 200 400 600 800 1000 Т.'С
1 - износ; 2 - микротвердость;
3 - прочность на растяжение; 4 - прочность сцепления
Рис. 2. Зависимость механических свойств КГП от температуры
нагрева образцов
Увеличение прочности и износостойкости КГП с ростом температуры нагрева до 700 °С можно объяснить улучшением блочной структуры матрицы КГП, ростом межфазных связей в композите, что приводит к некоторю иу изменению твердости матрицы и ее прочности сцепления с основой (см. рис.2) [2, 3]. Сопоставление изменения свойс тв и структуры КГП с их абразивной износостойкостью позволяет объяснить уменьшение износа при нагреве до определенной температуры улучшением струзстуры матрицы и ростом химических связей между матрицей и ДФ. Дальнейший рост температуры нагрева интенсифицирует взаимодействие между компонентами КГП и приводит к растворению частиц ДФ в матрице с образованием новых соединений. Изменение структуры КГП и общего уровня их внутренних напряжений при-нодит к снижению про'птости и износостойкости. Не исключено также отклонение от оптимальности классического правила Шарпи для антифрикционных материалов [2].
Таким образом, следует считать, что нагрев КГП ТВЧ с целью повышения механических свойств целесообразно проводить до температуры 500...700°С, при которой формируется прочная поверхностная взаимосвязь между матрицей и ДФ, происходит улучшение структуры и повышение микротвердости матрицы (до 7.5...8,0 ГПа), сохраняется высокая прочность сцепления покрытия с основой (300...350 МПа). Износостойкость КГП после обработки ТВЧ повышается в 10... 12 раз в сравнении с «чистыми» железными покрытиями и 1.5...2 раза с КЭП без обработки (см. рис.2).
Выводы. Электромодификация КГП железо-карбид бора нагревом ТВЧ повышает их предел прочности при растяжении до 6 р,аз, микротвердость матрицы до 1,5 раз и износостойкость КГП до 2 раз по сравнению с покрытиями без обработки, что позволяет рекомендовать метод для повышения долговечности деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, при их эксплуатации и ремонте.
Процесс получения металлокерамических покрытий нанесением КГП с последующей
обработкой Т'ВЧ отличается простотой и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами. От плазменного напыления КГП отличаются высокой прочностью сцепления с основой и отсутствием пор. В сравнение с наплавкой - незначительным температурным воздействием; физико-химические процессы происходят без оплавления поверхности детали. Процесс нанесения КГП с последующей обработкой ТВЧ сохраняет все преимущества гальванического способа восстановления и повышения долговечности деталей машин (имеет высокую эффективность и быструю окупаемость), что делает его перспективным для внедрения в производство.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сайфулин, Р.С. Неорганические композиционные материалы / Р.С.Сайфулин. М.: Химия, 1983.-304 с.
2. Гурьянов, Г.В. Электроосаждение износостойких композиций / Г.В.Гурьянов. Кишинев: Штиинца, 1986. - 240 с.
3. Бородин, И.Н. Упрочнение деталей композиционными покрытиями / И.Н.Бородин. М.: Машиностроение, 1982. - 141 с.
4. Кисель, Ю.Е. Повышение износостойкости деталей машин композиционными электрохимическими покрытиями/ Ю.Е.Кисель, Г.В.Гурьянов // Тракторы и сельхозмашины. 2009. №10. - С.39-42.
5. Юдина, Е.М. Повышение ресурса восстановленных деталей сельскохозяйственной техники композиционными гальваническими покрытиями на основе железа. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Кишинев. 1993. - 21 с.
6. Шайдулин A.M. Повышение прочности сцепления электролитического железа с легированной сталью при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники. Авто-реф.дисс.канд.техн.наук. Кишинев. 1990. - 19 с.
7. Юдин, М.И. Планирование эксперимента и обработка его результатов / М.И.Юдин. Краснодар: КГАУ, 2004. - 239 с.
8. Ляхович, Л.С. Борирование стели / Л.С.Ляхович, Л.Г.Ворошнин. М.: Металлургия, 1967.- 122 с.
Its shown expediency application of composite coverings for increase durability of details of agricultural machinery. The influence of elcctrolyze modes on a wear resistance of coverings is studied. The structure of electrochemical coverings, providing the greatest abrasive firmless is optimized.
