CC BY
10
УДК 621.785 Б01: 10.30977/БиЬ.2219-5548.2020.90.0.43
СТРУКТУРА I ВЛАСТИВОСТ1 ГАЗОПОЛУМЕНЕВИХ БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ ПОКРИТТГВ
Глушкова Д.Б.
Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотащя. У робот/ розглянут\ питання формуеання газополуменееих покритт1в з викорис-танням порошюв на основ/ ткелю, якг самофлюсуютъся на деталях цил1ндро-поршневог групи. Структура покриття багатофазна. Результаты проеедених досл1джень та промысловых ви-пробуванъ дозволяютъ рекомендуваты покрыття для практичного выкорыстання. Ключoвi слова: покрыття, оплавления, напыления, карб!дна фаза, м1кротверд1сть.
Вступ
Висока надшшсть 1 довгов1чшсть двигуна багато в чому залежать вщ деталей цил1ндро-поршнево! групи. Це пов'язано з тим, що форсування двигуна призводить до значного збшьшення питомих навантажень 1 темпера-тури поршневих кшець, поршня, деталей цилшдра, що е причиною утворення трщин 1 руйнування деталей. Оскшьки зазначеш де-тал1 працюють в умовах штенсивного тертя 1 зношування, для них необхщно забезпечити високу зносостшюсть поверхш.
Анал1з публжацш
У сучаснш практищ замють традицшних метод1в х1мшо-терм1чно1 обробки для змщ-нення поверхш широко застосовують висо-котемпературш методи обробки, зокрема, газоплазмове напилення. Процес характери-зуеться високою продуктившстю, простотою, можливютю автоматизацп для забезпечення достатньо! якосп поверхш [1-3].
Для газоплазмового та шших вид1в напилення найефектившше використання порош-юв на основ! шкелю з додаванням хрому, кремшю, бору та ш. (ПГСР3, ПГСР4) [2, 3], яю забезпечують високу твердють 1 зносостшюсть поверхш. Зпдно з прийнятими стандартами, щ порошки мають забезпечувати твердють наплавленого шару не менше шж ИЯС 46,4 для ПГСР3 1 ИЯС 55,9 для ПГСР4.
Мета 1 постановка завдання
У робот1 дослщжеш структурш змши ма-тер1алу покритпв, нанесених на поршнев1 кшьця ¿з с1рого чавуну. Експлуатацшш влас-тивост1 таких покритпв формуються в процес! 1х отримання, який складаеться з декшь-кох стадш: напилення, оплавления, можливють подальших обробок. Тому досл1-джували вплив зазначених операцш на структуру 1 властивосп покриття.
У л1тератур1 вщсутш конкретш даш про структуру дослщжуваних сплав1в системи №-Сг-81-В у процес1 взаемодп !х з чавунною основою. Зазначаеться лише [3, 4], що !хня висока твердють 1 зносостшюсть обумовлеш наявнютю карбадв, борид1в, карбоборид1в.
Результати експерименту та обговорення
3 анал1зу подвшних взаемодш виявлено [4], що хром, шкель 1 затзо в юлькосп, вщ-повщнш дослщжуваним сплавам, повинш утворювати м1ж собою тверд! розчини. Вщо-мо, що кремнш до 5 % розчиняеться в шкел1, до 1% - у хром1, а в раз1 бшьшого вмюту утворюе силщиди хрому (Сг281) у склад1 ев-тектики, наприклад №2В, Сг2В. Вуглець ¿мо-в1рно взаемод1е з хромом 1 бором через те, що шкель 1 кремнш е не карбщоутворюваль-ними елементами. 1з хромом вуглець може утворювати низку карбадв: Сг23С6, Сг7С3, Сг3С2 у склад1 евтектики та перитектики [4-6]. Характер перетворень у багатокомпо-нентнш систем! е функщею багатьох параме-тр1в 1 не може бути конкретно передбачений за подвшними взаемод1ями, але можна очь кувати, що основною структурою розгляну-тих сплав1в мае бути багатокомпонентний твердий розчин на основ! шкелю.
Структуру сплав1в ПГСР4, ПГСР3 (табл. 1) вивчали на вихщних порошках (рис. 1) у шар1, який не оплавився, у шар1 теля оплавления та теля об'емного гарту-вання деталей з оплавлениям напиленого шару. Для цих же сташв визначали твердють 1 проводили рентгеноструктурний анатз.
Оплавления шару здшснювали в умовах прискореного газоплазмового поверхневого нагр1ву з пор1вняно повшьним охолоджен-ням. За таких умов можна очшувати деякого наближення структури до р1вноважно1. У вихщному порошку й особливо в шар1 теля напилення структури утворюються в умовах, бшьш далеких вщ р1вноваги.
а б
Рис. 1. Структура порошюв для напилювання покритпв ПГСР4, х1000
Таблиця 1 - Склад напилених порошшв
Марка порошку Х1м1чний склад, %
Сг 81 В Бе С N1
ПГСР4 тип ПН-ХН80С4Р4 16,0-18,0 3,0-4,5 2,8-3,8 до 5,0 0,6-1,0 основа
ПГСР3 тип ПН-ХН80С3Р3 13,5-16,5 2,5-3,5 2,0-2,8 до 5,0 0,4-0,7 и
Домшки в шлькосп до 0,04 % арки й фосфору
Рентгенограф1чно у вихщному порошку рееструеться багатофазна структура. Най-бшьш повно представлен! лшп твердого роз-чину на основ! шкелю та карбщно! фази типу Сг2зСб (рис. 2, а). Але багато лшш не тдда-ються однозначнш ¿дентифшацп. Можна знайти збп з основними лш1ями борид1в хрому й шкелю, силщид1в хрому. Рентгеног-рама оплавленого шару (рис. 2, б) досить повно збпаеться з рентгенограмою порошку. На рентгенограм1 порошку, який не оплавив-ся (рис. 2, в), зберпаються лшп карбадв хрому 1 найбшьш сильш лшп шших фаз. Збере-ження лшш фаз у напиленому шар1 без оплавления й шар1 теля гартування свщчить про те, що зафшсоваш фази утворюються шд час первинно! кристал1зацп. Це шдтверджуе металограф1я вихщного порошку та вихщио-го шару. У структур! порошку видно криста-ли, а також дисперсна сумш фаз м1ж ними (рис. 1 а, б). Схожа сруктура в оплавленому шар1 (рис. 3): елементи одиорщио розподше-ш в його обсязь Електроиио-мшроскошчш дослщжеиия показують, що в зош грубих сумшей спостерпаються ор1ентоваш дшян-
ки, у зош др1бних сумшей - иеор1ентоваш, менш дисперсш Можна припустити, що фаза, яка рееструеться у вигляд1 округлих частинок, е карбщом хрому. Частники збер1-гаються в процес1 нагр1вання шару шд гартування (рис. 3, г). Зам1ри м1кротвердост1 це шдтверджують.
Багатофазшсть шар1в зразюв, яю досл> джувалися, виявлена рентгешвським анат-зом, шдтверджуеться мшроскошчиими дос-лщжеииями.
Аиалопчиий фазовий 1 структурний склад мае 1 покриття з ПГСР3, вщмшиою рисою шару е менша кшьюсть грубо! сум1ш1 фаз, що пов'язано з1 змшою змюту у сплав1 вуг-лецю.
Оплавления шар1в призводить до частко-вого розплавлення металу основи й актив1за-цп процес1в дифузп в нагртй до високо! температури приграиичиш зош. Це викликае змшуваиия матер1алу основи з матер1алом шару та утворення нового сплаву, вщмшиого за структурою вщ основи й поверхневого шару.
Рис. 2. Реитгеиограми силав1в ПГСР4: а - порошок ПГСР4, АСг; б - оплавлений шар; в - неоплавлений шар
а б в г
Рис. 3. Структура оплавленого шару ПГСР4: а, б - груб1 й тоню сумшц в - структура теля травления; г - структура теля об'емного гартування; а, в - х1000; б, г - х440
У напиленш сплавами ПГСР у структур! основного металу в приграничних зонах змш не вщбуваеться, тому що незначний сумар-ний нагр1в основного металу; взаемод1я його з частниками покриття дуже слабка (рис. 4).
У раз1 оплавления отриманих покритпв спостершаються значш змши структури ча-
вуну на границ1 з шаром 1 в шар1 на границ1 з чавуном унаслщок штенсифшацп дифузш-них процес1в. На границ! шару вщбуваеться збшьшення юлькосп грубо! сум1ш1 фаз (рис. 5), що можна пояснити дифуз1ею вуг-лецю та зал1за з чавуну в шар ПГСР4 I ПГСР3.
Рис. 4. Структура границ! шдкладки (с1рий чавун) 1 шару з наплавленим ПГСР4, х 340
Рис. 5. Структура оплавленого шару ПГСР4: а - груб1 сумшц б - тоню сумМ, х1000
На гранищ з нерозплавленим металом утворюеться тонкий прошарок однофазного сплаву. У чавуш на гранищ утворюеться
прошарок збшьшеним вмютом фериту, що може бути наслщком дифузп в основу графь тизуючого компонента шкелю.
Рис. 6. Структура пригранично! зони оплавленого шару
Зазначеш структурш особливос^ покрит-Т1в сплав1в ПГСР [ змши в структур1 в про-цес1 наступних обробок тдтверджуються
змшою макро- та мжротвердост1 (рис. 7 [ табл. 1).
9000
ПГСРЗ Стан
600
500
■ 400
300
а 200
100
Рис. 7. Твердють покриття ПГСР: а - мжротвердють; б - твердють за Бринелем
Найбшьшу макро- 1 м1кротвердють мають оплавлен! шари, яю характеризуються най-бшьш повним набором змщнювальних фаз. Найменша м1кротвердють у шар1 теля об'емного гартування виаслщок розчинення в процес1 иагр1ву значно! кшькосп змщню-вальних фаз 1 пом1тно1 коагуляцп фаз, що залншились. Висока середня м1кротвердють неоплавленого шару, мабуть, пов'язана з1 специф1кою иадшвидюсио! кристал1зацп частпнок шд час напплювання, що приводить до утвореиия в них др1биих зерен. Зм1-цнювальна д1я др1биого зерна компеисуе зиижения мшротвердосп за умови змши фазового складу, виявленого рентгенограф1-чио.
Пщтвердження цьому можна знайти в процес1 зютавлення м1кротвердосп вихщио-го порошку й частииок шару. М1кротвердють вихвдиого порошку характеризуемся широким штервалом значень 5700 ... 8900 МПа, що пов'язано як з1 структуриим станом частииок, так 1 з можливим розходженням складу. Меншу твердють (5700 ... 8250 МПа) мають частки з меншою кшьюстю виявлеиих змщнювальних фаз (рис. 1, а), бшьшу (7600 ... 8600 МПа) - з бшьшою !хиьою кшьюстю (рис. 1, б).
У наплавленому шар1 частки, що не розп-лавились, практично зберпають свою твердють (5700 ... 8250 МПа) та характеризуються меншим розходженням значень м1кротвердост1 та ще бшьш високим серед-тм р1вием, приблизио 7300 ... 8500 МПа. Знижена твердють иаплавлеиого шару обу-мовлеиа його високою пористютю. Бшьш иизька твердють оплавленого покриття ПГСРЗ (НУ = 700 ... 760), пор!вняно з ПГСР 4 (НУ = 760 ... 820), пов'язана здебшьшого з1 зменшенням кшькост1 змщнювальних фаз.
Отже, анал1з змши структури та властиво-стей покритпв ¿з порошюв ПГСР теля напи-леиия й оплавления дозволяе зробити висно-вок, що иайкращ1 властивосп повиит мати оплавлеш покриття.
Подальша терм1чиа обробка, пов'язана з високотемпературним тривалим нагр1ваииям, иебажаиа, тому що попршуе структуру та властивосп покриття. Покриття доцшьно иаиосити на деталь теля И остаточио! обро-бки.
Можливють застосуваиия покриття ПГСР4 для шдвищення зиосостшкосп чаву-иу була перев1реиа в промислових умовах. Пюля шл1фуваиия глибииа шару стаиовила
1200 мкм, шорстк1сть поверхи1 Ra не бшьше н1ж 2,5 м1крона.
У дослщжуваних умовах експлуатацп по-ршнев1 к1льця виходять з ладу через один мюяць роботи виасл1док штенсивного й дуже нер1вном1рного зносу зовшшньо! поверхи1. Напилеи1 к1льця були знят1 для контролю через три мюящ експлуатацп. Поверхия втулки теля експлуатацп иабула вигляду пол1-рованого виробу (Ra не б1льше шж 0,32 м1к-рона) без будь-яких локальиих порушеиь поверхи1.
Висновки
1. Аиал1з зм1ии структури i властивостей покритт1в з порошк1в ПГ-СР показав, що иайкращ1 характеристики повиии1 мати оплавлеш покриття.
2. Для покритпв ¿з порошк1в ПГСР терм1-чна обробка иебажаиа, тому що noripmye структуру та властивост1 покриття.
3. Можливють застосуваиия покритт1в з порошюв ПГСР для п1двищеиия зносу була перев1рена в умовах експлуатацп захисних втулок водяних иасос1в. Робота впроваджена в практику ПАТ «Харк1вський машинобущв-иий завод "Свило Шахтаря"».
Л1тература
1. Navas C., Colago R., De Damborenea J., Vilar R.
Abrasive wear behaviour of laser clad and flame sprayed-melted NiCrBSi coatings. Surface & Coatings Technology. 2006, vol. 200, no. 24.
2. ГОСТ 21448-75. Порошки из сплавов для наплавки. Технические условия (с изменениями № 1, 2, 3) Постановление Госстандарта СССР от 31.12.1975 № 4113 ГОСТ от 31.12.1975 № 21448-75
3.http://www.plasmacentre.ru/produkcziya/poroshki-provoloka-elektrodyi/pgsr4/
4. Кудинов В. В., Иванов В. М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. Москва: Машиностроение, 1981. 217 с.
5. Никитин Н. Д., Кулик А. Я., Захаров Н. И. Теп-
лозащитные и износостойкие покрытия. Ленинград: Машиностроение, 1977. 198 с.
6. Эллиот Р. П. Структуры двойных сплавов. Москва: Металлургия, 1970. Т. 2. 234 с.
7. Перспективы упрочнения покрытий методом плазменного напыления с одновременной электромеханической обработкой / А. М. Кадыр-метов, В. О. Никонов, В. Н. Бухтояров и др. Станочный парк. 2012. № 8 (86). С. 23-25.
Reference
1. Navas C., Colago R., De Damborenea J., Vilar R. Abrasive wear behaviour of laser clad and flame sprayed-melted NiCrBSi coatings. Surface &
Coatings Technology. 2006, vol. 200, no. 24.
2. GOST 21448-75 Poroshki iz splavov dlya naplavki. Tehnicheskie usloviya (s Izmeneniyami no. 1, 2, 3) Postanovlenie Gosstandarta SSSR ot 31.12.1975 no. 4113GOST ot 31.12.1975 no. 21448-75
3.http://www.plasmacentre.ru/produkcziya/poroshki-provoloka-elektrodyi/pgsr4/
4. Kudinov V. V., Ivanov V. M. Nanesenie plazmoy tugoplavkih pokry'tiy. Moscow: Mashinostroenie, 1981, 217 p.
5. Nikitin N. D., Kulik A. Ya., Zaharov N. I. Teplozasch'itny'e i iznosostoykie pokry'tiya. Leningrad: Mashinostroenie, 1977, 198 p.
6. ETliot R. P. Struktury' dvoyny'h splavov. Moscow:
Metallurgiya, 1970, vol. 2, 234 p.
7. Perspektivy' uprochneniya pokry'tiy metodom plaz-mennogo napy'leniya s odnovremennoy eTektromehanicheskoy obrabotkoy / A. M. Kady'rmetov, V. O. Nikonov, V. N. Buhtoyarov et al. Stanochny'y park. 2012, no. 8 (86), pp. 23-25.
Глушкова Д1ана Борийвна, д.т.н., проф., завь дувач кафедри технологи метал1в та матер1алоз-навства, 057-707-37-29, [email protected],
Харшвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 61002, Украша, м. Харшв, вул. Ярослава Мудрого, 25
Структура и свойства газопламенных многокомпонентных покрытий Аннотация. В работе рассмотрены вопросы формирования газопламенных покрытий на деталях цилиндро-поршневой группы с использованием самофлюсующихся порошков на основе никеля. Структура покрытия многофазна. Результаты проведённых исследований и промышленных испытаний позволяют рекомендовать покрытие для практического использования. Ключевые слова: покрытия, оплавления, напыление, карбидная фаза, микротвердость.
Глушкова Диана Борисовна, д.т.н., заведующий кафедры технологии металлов и материаловедения, тел. 097-481-15-93, [email protected]
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, 61002, Украина, г. Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25.
Structure and properties of plasma-flame multi-component coatings
Abstract. The paper deals with the formation of plasma-flame coatings on the parts of the cylinder-piston group using self-fluxing powders based on nickel. The formation of the operational properties of such coatings occurs at all stages of the process of their preparation; therefore, we investigated the change in their structure and properties after the coating was sprayed, melted, and then quenched. The coating structure is multiphase. Metallographic and X-ray studies revealed the presence of a solid solution based on nickel in the sprayed layer, a carbide phase, chromium and nickel borides, and chromium silicide. Heating during spraying does not lead to a change in the base; structural changes in the base metal occur only when the coating is melted. The fused layers containing the greatest amount of strengthening phases possess the highest macro- and microhardness. The Research carried out and industrial tests allow us to recommend the coating for practical use.
Key words: coating, melting, spraying, carbide phase, microhardness.
Hlushkova Diana, Doct. Sc., Chef of Department of Technology of Metals and Materials Science, tel: 057-707-37-29, [email protected] Kharkiv National Automobile and Highway University, 25, Yaroslava Mudrogo str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
