CC BY
13
Металлургия и материаловедение
УДК 621.89
ПРОФИЛОГРАММЫ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТОНАЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ТИТАНА И ЖЕЛЕЗА Агарков Андрей Алексеевич, студент Самборук Анатолий Романович, профессор Ибатуллин Ильдар Дугласович, профессор Самарский государственный технический университет, Россия
В данной статье приводятся результаты исследований триботехниче-ских свойств детонационных покрытий, полученных энергосберегающим способом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при взаимодействия титана, углерода и оксида железа. Рассмотрены профилограммы покрытий ТЮ-Рв, Т1С-¥г- Л12Оз, в том числе с добавкой на поверхность графита, по сравнению с покрытием из твердого сплава ВК-12.
Ключевые слова: детонационное покрытие, композит,
самораспространяющийся высокотемпературный синтез, твердый сплав, триботехнические свойства , профилограмма
Композиционные порошки на основе тугоплавих материалов с металлическим связующим широко используются во многих отраслях промышленности: в качестве износостойких покрытий, абразивов для абразивной и магнитно-абразивной обработки изделий, сплавов, твердых сплавов и других материалов на основе металлокерамики [1].
Для нанесения покрытий наиболее распространены газотермические способы, из которых можно выделить детонационное напыление [2-5].
В зависимости от предполагаемого использования порошков, состав и свойства композита варьируются. Использование карбида титана в качестве основного элемента выглядит многообещающим, так как он имеет высокую твердость и низкий удельный вес. Использование карбида титана на фоне ограниченных ресурсов и высоких стоимости карбидо-вольфрамо-вого сырья для производства твердых сплавов и порошков дл износостойких покрытий приобретает все больше значения[6]. Цена на вольфрам растет, это увеличение может достигать до 50% в год. Необходимость экономии вольфрама приводит к появлению альтернативных порошков и твердых сплавов [7].
Для этих материалов перспективно использовать связующие на основе железа, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с используемым кобальтом и никелем: легкая доступность и низкая стоимость сырья, близкие к коэффициентам теплового расширения покрытия на основе стали и железа. Обладание магнитными свойствами, обуславливает использование порошка для магнитного шлифования, возможности получения карбидных
сталей с известным диапозоном полезных свойств в процессах порошковой металлургии.
Промышленные способ изготовления металлокерамических композитов и порошков являются утомительными и энергоемкими и включают стадии прессования, спекания, измельчения спеченных брикетов.
Другим преимуществом порошковых композитов на основе карбида титана является возможность их получения энергосберегающим способом -самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) за счет высоко экзотермического процесса взаимодействия титана и углерода [8,9].
Основная способность немедленного получения композита состава Fe-Al2O3-TiC в форме гранул определенного размера для облегчения измельчения продукта была исследована в исследованиях специалистов СамГТУ путем совместного сжигания композиций гранул (Fe2O3+Al)+(Ti+C) [1011]. Однако законмерности сжигания подобной системы в широких диапазонах, исследования продуктов синтеза,методов измельчения и использования композитного порошка подлежат дальнейшим исследованиям.
Цель работы: Исследовать триботехнические свойства детонационных покрытий на основе карбида титана и железа, в том числе с добавлением на поверхность коллоидного графита. Установить взаимосвязи между составом покрытия и характеристиками профилей контактных поверхностей. Материалы и методика экспериментальных исследований.
Обьектом исследования являются износостойкие порошковые покрытия: 1 - из твердого сплава ВК-12 (стандарт); 2 - TiC-Fe-AL2O3 , 3 - TiC-Fe .
Для исследования изнашивания модифицированных покрытий проведены испытания на износ на универсальном триботехническом комплексе «Универсал 1Б» при режимах: нагрузка 10 кгс, время испытаний 6 минут, условие - абразивное изнашивание при трении с алмазной пастой [12-13].
Результаты испытаний и их обсуждение.
Исследованию подвергались 5 различных образцов по 3 параллельных опыта каждый. Ниже представлены профилограммы средних значений:
1) покрытие из твердого сплава ВК-12 (стандарт)
2) порошковое покрытие TiC-Fe
3) порошковое покрытие TiC-Fe- Al2O3
4) порошковое покрытие TiC-Fe + добавка графита на поверхности
5) порошковое покрытие TiC-Fe- Al2O3 + добавка графита на поверхности
На рисунке 1 представлена профилограмма покрытия ВК12
Мимаи I I |.«п<м
"Нил Н*м
I ► Иокгс 0-
Тем= _3_Ш™П1Д
411 жЛщшщШт »кадямипмпияамнмн (чмиииштш щ имм я л т
Рис.1. Профилограмма покрытия ВК12. 1-Температура поверхности; 2- Нормальная нагрузка; 3- Момент трения
ВК12 показывает хорошую работу на протяжении всего времени проведения испытания.
На рисунках 2 и 3 представлены профилограммы покрытий TiC-Fe-Al2O3 и Ж^.
Момент трения
ЦИП.1 Н-м
НирМЙЛЬЬЫС нагрцзкы
И±|ЮКГС 0-
Темперуггуги
3 И Юга С
+
4-
+
4-
Рис.2. Профилограмма покрытия ТлС-Бе- А120з. 1- Температура 2 — Нормальная нагрузка 3- Момент трения
Первые 2 минуты покрытие показывало себя хорошо, однако, на 3 минуте произошла припайка, в дальнейшем работа поверхности не смогла нормализоваться.
70-
6£-
50-1С- зс- 1
Момек! ' IV 1 1 >| Ч ■ ______-—
1 ___ — -^
2С -
10-
Носме/ыые
п:». - 3 .
-2С - зс-
3 ■м - -1-1- : : : : - - ТгМИН ->
Рис. 3. Профилограмма поверхности с покрытием TiC-Fe 1- Температура 2- Нормальная нагрузка 3- Момент трения
На протяжении всех испытаний этот образец показал наилучшие характеристики и по показаниям близок к образцу ВК12.
Из профилограмм видно, что момент трения порошкового покрытия TiC-Fe выше, чем у покрытия с TiC-Fe- Al2Oз и приближен к стандартному образцу ВК12.
При нанесении на поверхность трения слоя коллоидного графита на лидирующую позицию выходит поверхность с покрытием TiC-Fe- Al2O3 .
На рисунках 4 и 5 представлены профилограммы покрытий TiC-Fe-Al2O3 и TiC-Fe со слоем графита.
70-
-
Момнггтраия ^ 1
- _ .. . .. __-— —— ~ ""
20 -.-г ~ 2
1ГО— Нормальные Ьэ"-!?™ П | 1(1 „„ п _ МЖЩиМР
г4 г 1 и КТО и
-
-
Темпера! у 1*3 ^ » |1 Ц -р.. _
I г -1- 3 - Л 4 -1-1-»
Рис.4. Профилограмма поверхности с покрытием TiC-Fe со слоем графита
Первые 3 минуты работаем приближенно как образец ВК12 и образец с порошковым покрытием TiC-Fe, но далее начинается ухудшение характи-ристик.
кп-
Мома п" Tpci 1ня
ГПН-
üif, /члшчл iTfcYUi т jft* w.1 h t^ II Ним * vmwmwwwm 1
Im ' «w^^i
+
+
Рис.5. Профилограмма поверхности с покрытием TiC-Fe-Al2O3 со слоем
графита
Это покрытие TiC-Fe- AI2O3 с добавлением графита показывает себя наилучшим образом. Оно лучше, чем покрытие TiC-Fe с дополнительным нанесением графита, лучше покрытия TiC-Fe- Al2O3 без добавок и по своим свойствам приближенно к стандарту ВК12.
Выводы:
1) Покрытие TiC-Fe имеет износостойкость соизмеримую с стандартом ВК12.
2) Покрытие TiC-Fe- Al2O3 показывает худшую износостойкость чем ВК12 , появляется приварка с последующим срывом.
3) Введение на поверхность покрытия слоя коллоидного графита улучшило характеристики покрытия с порошковым напылением TiC-Fe-Al2O3 . Благодаря слою графита, поверхность оказалось лучше показаний покрытия TiC-Fe, а так же TiC-Fe с добавлением на поверхность графита и оказалось близким по характеристикам к ВК12.
Список литературы
1. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы. Под ред. В. Шатта. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1983. - 520 с.
2. Хасуи А. Наплавка и напыление [Текст] / А. Хасуи, О. Моригаки. - М. - М., Машиностроение, 1985. - 240 с.
3. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. М., Металлургия, 1992. - 432 с.
4. Шоршоров М. X., Харламов Ю. А. Физико-химические основы детонационного газового напыления покрытий. М.: Наука, 1978. 224 с.
5. Бартенев С. С, Федько Ю. П., Григорьев А. И. Детонационные покрытия в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1982. 215 с.
6. Панов, В. С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них: учеб. пособие [Текст] / В.С. Панов, А.М. Чувилин, В.А. Фальковский. - 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: МИСИС, 2004. - 462 с.
7. Твердые сплавы: учебник/ В.С. Панов [и др.] - 3-е изд., доп..и перераб. - М.: Изд. Дом НИТУ «МИСИС», 2019. - 398 с. ISBN 978-5-907226-25-8.
8. Мержанов, А.Г. Процессы горения и синтез материалов [Текст] / А.Г. Мержанов. -Черноголовка: ИСМАН, 1998. - 512 с.
9. Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособ. [Текст] / А.П. Амосов, И.П. Бо-ровинская, А.Г. Мержанов; Под научной редакцией В.Н. Анциферова. - М.: Машиностроение. - 1, 2007. - 567 с.
10.СВС порошка композита TiC-Fe в режиме сопряжения эндотермической реакции Fe2O3+C с экзотермической реакцией Ti + С/ А. Р. Самборук, А. П. Амосов и И. В. Яценко/ Синтез и консолидация порошковых материалов: Сборник тезисов Международной конференции (23-26 октября 2018 г., Черноголовка). С.582 - 587— М.: ТОРУС ПРЕСС, 2018. 784 с.
11. Применение процесса самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза для получения композиционных керамико-металлических порошков на основе карбида титана и железа/ А.П.Амосов, И.В.Яценко, В.В.Яценко,/ АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ: Материалы международной нацчно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.Н.Анциферова (Пермь, 26-28 ноября 2018г.).-С.6-10.
12. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов/ А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, и.а. Буше и др.-М.: Центр «Наука и техника», 1995.-778 с.
13.Триботехнические испытания на фрикционную совместимость: Монография/ И.Д. Ибатуллин. - Самара: СНЦ РАН, 2014 - 217 с. ISBN 978-5-906605-13-9.
Agarkov Andrey Alekseevich, student
(e-mail: [email protected])
Samboruk Anatoliy Romanovich, Ph.D., professor
(e-mail: [email protected])
Ibatullin Ildar Duglasovich Ph.D., professor
Samara State Technical University, Samara, Russia
SURFACE PROGRAMS OF DETONATION COATINGS BASED ON TITANIUM AND IRON CARBIDE
Abstract. This article presents the results of studies of the tribotechnical properties of detonation coatings obtained by the energy-saving method of self-propagating high-temperature synthesis in the interaction of titanium, carbon and iron oxide. Profilograms of TiC-Fe, TiC-Fe-Al2O3 coatings, including those with the addition of graphite to the surface, are considered in comparison with the coating of VK-12 hard alloy.
Keywords: detonation coating, composite, self-propagating high-temperature synthesis, hard alloy, tribotechnical properties, profilogram.
