CC BY
203
Структура и свойства покрытий из стали 40X13, полученных
с использованием различных методов газотермического напыления
П.А. Витязь, М.А. Белоцерковский, В.А. Кукареко,
Д.М. Калиновский, П.Г. Сухоцкий, Ж.Г. Ковалевская1
Институт надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220072, Беларусь 1Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
В работе исследованы структурное состояние и фазовый состав высокопрочных градиентных слоев из стали 40X13, полученных с использованием различных методов газотермического напыления. Покрытия, полученные как методами газопламенного напыления, так и активированной дуговой металлизации, имеют повышенное содержание остаточного аустенита (20-30 об. %). Образование остаточного аустенита в покрытии обусловлено высокоскоростным охлаждением стали из жидкого состояния, растворением легирующих элементов в твердой фазе, а также термической стабилизацией аустенита при самоотпуске. Показано, что в результате контактного взаимодействия при трении происходит эволюция исходной структуры в поверхностном слое покрытия с осуществлением у^а-превращения. Процесс износа покрытия рассмотрен с позиций физической мезомеханики. Образование мезофрагментов разного масштаба, их ротационное движение и удаление из зоны фрикционного взаимодействия осуществляется послойно, с последовательным включением в процесс деформации и разрушения подповерхностных слоев покрытия.
1. Введение
Упрочнение и восстановление деталей машин методами газотермического напыления является одним из наиболее перспективных и интенсивно развивающихся современных технологических способов защиты изделий от износа и коррозии [1]. Сравнение технико-экономических параметров покрытий, полученных напылением порошковых, проволочных и прутковых материалов показало, что использование способа распыления проволок обеспечивает благоприятное сочетание высокого качества покрытий при наиболее низких затратах на их получение [2, 3]. Напыленное покрытие образуется путем расплавления проволоки и формирования капель-частиц с последующей укладкой их в слой при интенсивном взаимодействии расплавленных частиц с распыляющим факелом. Поскольку в слое протекают процессы быстрой кристаллизации, деформации и самоот-пуска, то структурное состояние и свойства покрытий сложным образом зависят от сочетания параметров газотермического напыления (ГТН). В частности, до настоящего времени недостаточно исследовано влияние скорости полета расплавленных частиц, а также состава газовой среды распыляющей струи на структуру и свойства проволочных ГТН-покрытий. В связи с этим данная работа посвящена структурным особенностям газотермических покрытий, сформированных при использовании различных методов распыления проволоч-
ных материалов. В качестве распыляемого материала использовалась проволока из стали 40X13, обеспечивающая формирование покрытий с высокими триботехническими характеристиками [1, 3].
2. Методика эксперимента
Газотермическое напыление осуществлялось термораспылителями «ТЕРКО» и «АДМ-10», изготовленными в Институте надежности машин НАН Беларуси [4] с использованием различных технологий высокоскоростного термоструйного напыления по следующим режимам:
- режим 1: распыление скоростной воздушной струей металла, расплавленного в факеле пропано-кисло-родного пламени;
- режим 2: распыление металла, расплавленного в электрической дуге, реактивной струей продуктов сгорания пропано-воздушной смеси при избытке пропана (восстановительная атмосфера);
- режим 3: распыление металла, расплавленного в электрической дуге, реактивной струей продуктов сгорания пропано-воздушной смеси при избытке воздуха (окислительная атмосфера);
- режим 4: распыление скоростной воздушной струей металла, расплавленного в электрической дуге.
Распыляемый материал покрытий — промышленная сталь 40X13 (проволока 0 2.0 мм). Материал под-
© Витязь П.А., Белоцерковский М.А., Кукареко В.А., Калиновский Д.М., Сухоцкий П.Г, Ковалевская Ж.Г, 2002
ложки — сталь Ст3. Промежуточный слой сформирован на основе сплава Х20Н80. Температура распыляющего факела не превышала 3 000 К. Скорость полета напыляемых частиц составляла: 100-130 м/с (режимы 1, 4) и 400-500 м/с (режимы 2, 3). Размеры частиц, из которых формировались покрытия, находились в пределах 5-40 мкм.
Твердость по Виккерсу определялась при нагрузке 300 Н. Микротвердость измерялась при нагрузке 1 Н с выдержкой в течение 10 с. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе МИМ-8. Рентгеноструктурный анализ (дифрактометр ДР0Н-3.0, монохроматизированное СоКа-излучение, У= 30 кВ, I =10 мА) использовался для исследования фазовых и структурных превращений в напыленных слоях. Для фазового анализа использовалась стандартная картотека РБК
Триботехнические испытания в условиях трения без смазки проводились на лабораторном трибометре АТВП, оснащенном специально разработанным устройством для измерения коэффициента трения [5]. Использовались образцы размерами 5x6x10 мм3. При испытаниях контртело в виде закрепленной на ползуне пластины (2x20x90 мм3) совершает относительно образца возвратно-поступательное движение амплитудой 25 мм. Средняя скорость перемещения контртела в процессе испытаний составляла ~0.1 м/с. Для изготовления контртела использовалась закаленная сталь 60. Твердость стали Н у = 8 000 МПа. Давление испытаний составляло 1.5 МПа.
3. Результаты эксперимента
Напыленные покрытия из стали 40Х13 имели толщину ~ 1 мм. Микроструктура покрытий представлена на рисунке 1. Можно видеть, что расплавленные части-
цы, транспортируемые высокоскоростной струей воздуха или продуктов горения, в процессе столкновения с поверхностью подложки расплющиваются и перемешиваются. В результате формируется специфическая волнистая микроструктура с остаточной пористостью. При этом напыление по режимам 1 и 4, для которых характерна относительно низкая скорость полета расплавленных частиц, приводит к формированию покрытия из частиц большего размера (рис. 1, а) по сравнению с напылением со сверхзвуковыми скоростями (режим 2, 3) (рис. 1, б). Фазовый состав покрытий: а-фаза (мартенсит), у-фаза (аустенит), окислы Fe3O4 и у^е203 (в следах) (рис. 2). Твердость покрытий, полученных с использованием различных схем напыления, находилась в пределах Ну = 2 800-3 500 МПа.
Газопламенное напыление (режим 1) приводит к формированию слоя с относительно низким уровнем твердости (Ну = 2 800 МПа), повышенным содержанием остаточного аустенита (Уу ~ 30 об. %) и малой концентрацией окислов (рис. 3). Пористость покрытия составляет =10 %. Электродуговое напыление в восстановительной атмосфере (режим 2) приводит к образованию более плотных покрытий (пористость =2-5 %) твердостью Ну = 3 000 МПа, отличающихся относительно низким содержанием остаточного аустенита (Уу ~ 20 об. %) и окислов. Электродуговое напыление реактивной струей с избытком воздуха (режим 3) обеспечивает формирование плотного беспористого слоя (пористость =2-5 %) с наиболее высоким уровнем твердости (Н у = 3 500 МПа) и относительно повышенным содержанием продуктов окисления (рис. 3). Содержание остаточного аустенита в модифицированном слое находится на уровне Уу ~ 20 об. %. Нанесение покрытия с помощью струи воздуха (режим 4) приводит к формированию слоя с твердостью Ну = 3 200 МПа и содержа-
Рис. 1. Микроструктура напыленных слоев из проволочной стали 40Х13: режим 4 (а); режим 2 (б). х 100
20°
Pto. 2. Фpaгмeнты peнтгeнoвcкиx дифpaктoгpaмм oт пoвepxнocтныx cлoeв нaпылeнныx пoкpытий из cтaли 40X13 (CoKa): пpoпaнo-киcлopoднoe pacплaвлeниe и pacпылeниe вoздyxoм ^єжим 1) (а); элeктpoдyгoвoe pacплaвлeниe и pacпылeниe пpoпaнo-вoздyшным фaкeлoм c избытом пpoпaнa (peжим 2) (б); элeктpoдyгoвoe pacплaвлeниe и pacпылeниe пpoпaнo-вoздyшным фaкeлoм c избыткoм вoздyxa (peжим 3) (в); элeктpoдyгoвoe pacплaвлeниe и pacпылeниe вoздyxoм (peжим 4) (г)
0.025
12 3 4
режим напыления
P^. 3. Oтнoшeниe им'є^ивш^и peфлeкca (311) o^^a Fe3O4 к peф-ле^у (110) a-Fe в напылeнныx ^^brr^x из пpoвoлoчнoй cтaли 40X13
ниєм ocтaтoчнoгo aycтeнитa VY ~ 18 o6. % (пopиcтocть пoкpытия cocтaвляeт =6-8 %). Дaнныe peнтгeнoфaзo-вoгo aнaлизa cвидeтeльcтвyют o тoм, что толе элeктpo-дyгoвoгo pacплaвлeния и pacпылeния вoздyшнoй cтpyeй в пoкpытии peгиcтpиpyeтcя нaибoлee выcoкaя шнцент-paция пpoдyктoв oкиcлeния (pиc. 2, 3).
Tpибoтexничecкиe иcпытaния пpoвoдилиcь для то-кpытий, пoлyчeнныx c иcпoльзoвaниeм peжимoв 1, 2, a тaкжe для oбpaзцoв пpoкaтaннoй cтaли 40X13, пpoшeд-шей пpeдвapитeльнyю зaкaлкy и вы^кий oтпycк пpи 970 K в течение 5 ч ( H у = 2 700 MПa). В ^o^cce тpe-ния без cмaзки пpoиcxoдит aдгeзиoннoe взaимoдeйcтвиe мaтepиaлa пoкpытия c кoнтpтeлoм, coпpoвoждaющeecя зaдиpoм и интeнcивным вecoвым изнocoм мaтepиaлoв фpикциoннoгo coпpяжeния (pиc. 4). Зaвиcимocти веш-вoгo изнoca P oт пути тpeния L для oбpaзцoв oтпyщeн-нoй cтaли 40X13 и пoкpытий из cтaли 40X13, тане^н-ныx мeтoдoм гaзoплaмeннoгo нaпылeния фежим 1) и aктивиpoвaннoгo дyгoвoгo pacпылeния (peжим 2) ^и-ведены та pиc. 4. Moжнo видеть, что гpaфики зaвиcи-мocти P oт L для литoй cтaли и гaзoплaмeнныx пoкpы-тий cyщecтвeннo paзличaютcя между coбoй. В чacтнoc-ти, кpивaя нaкoплeннoгo вecoвoгo изнoca oтпyщeннoй cтaли имеет xapaктepнyю cтaдию пpиpaбoтки и yчacтoк ycтaнoвившeгocя изнaшивaния c близшй к линeйнoй зaвиcимocтью вecoвoгo изнoca oт пути тpeния. Для та-пылeнныx пoкpытий cтaдии ycтaнoвившeгocя изнoca пepиoдичecки cмeняютcя oтнocитeльнo кpaткoвpeмeн-ными cтaдиями ycкopeннoгo изнaшивaния (p^. 4). Bo вpeмя этиx пepиoдoв вecoвoй изнoc пoкpытий peзкo вoз-pacтaeт, a зaтeм пpoцecc вдовь пepexoдит в линейную cтaдию ycтaнoвившeгocя изнoca. Taким oбpaзoм изта-шивaниe нaпылeнныx пoкpытий нocит выpaжeнный цикличе^ий xapaктep. Haибoльшaя ycpeднeннaя величин интeнcивнocти вecoвoгo изнoca (тaбл. 1) зape-гиcтpиpoвaнa для cлoя, нaпылeннoгo в ycлoвияx cвepx-
—0— литая 40X13 —режим 1 —Д— режим 2
п п
■ г 1 7 J
_ -J
là 1 1
і 1 1 Яр і і 1 1 1 1 1 1 1
0 200 400 600
путь трения, м
P^. 4. Зaвиcимocть вecoвoгo rn^ca P oт пути тpeния L ^пыленны^ пoкpытий из cтaли 40X13 ^ение без cмaзки, дaвлeниe 1.5 MHa, кoнтpтeлo — зaкaлeннaя cтaль 60)
звyкoвoй cкopocти пoлeтa чacтиц пo peжимy 2 ( IP = = 0.41 мг/м). Для пoкpытия, пoлyчeннoгo гaзoплaмeн-ным нaпылeниeм (peжим 1), и для oбpaзцa выcoкooтпy-щeннoй cтaли 40X13, xapa^ep^i бoлee низкие ypoвни зтачений интeнcивнocти вecoвoгo изнoca (IP = 0.28 и 0.11 мг/м cooтвeтcтвeннo). ^эффициент тpeния ншы-лeнныx cocтaвляeт f = 0.85-1.05 ^бл. 1). В
пoвepxнocтныx cлoяx пoкpытий из cтaли 40X13 пpи тpeнии пpoиcxoдит фaзoвoe Y^a-пpeвpaщeниe (pиc. 5), пpивoдящee к увеличению микpoтвepдocти пoвepxнocт-нoгo cлoя дo H ^ = 6 500 MПa. Kpoмe этoгo, ^и тpeнии peгиcтpиpyeтcя нeкoтopoe вoзpacтaниe физичecкoгo yшиpeния дифpaкциoнныx линий мaтpичнoй a-фaзы, чтo yкaзывaeт нa увеличение momocra дeфeктoв ^до-тaлличecкoй peшeтки в npo^cce фpикциoннoгo взaимo-дeйcтвия.
4. 06суждєииє пoлyчeииыx peзyльтaтoв
Peзyльтaты иccлeдoвaния фaзoвoгo cocтaвa и твep-дocти пoкpытий из cтaли 40X13 cвидeтeльcтвyют o cy-
Taблицa 1
Зтачения интeнcивнocти вecoвoгo изнoca Ip и кoэффициeнтa тpeния f нaпылeнныx шмыгай и oтпyщeннoй литoй cтaли 40X13
Peжим oбpaбoтки Интeнcивнocть rn^ca I p, мг/м Koэффициeнт тpeния f
Литaя cтaль
(зaкaлкa + 0.11 0.80-0.92
oray^ 970 K, 5 ч)
Haпылeннoe
пoкpытиe 0.28 0.85-0.95
(peжим 1)
Haпылeннoe
пoкpытиe 0.41 0.95-1.05
(peжим 2)
Рис. 5. Фрагмент рентгеновской дифрактограммы (СоКа) от поверхности трения напыленного по режиму 2 покрытия из стали 40Х13 (путь трения 100 м)
щественном влиянии режима напыления на структуру и свойства слоя. Отличительными особенностями напыленных слоев являются пористость, а также присутствие в них значительных количеств остаточного аустенита (до 30 об. %) и окислов. Обычное содержание остаточного аустенита в закаленной стали 40Х13 не превышает 3-5 об. %.
Однако газотермическое напыление относится к процессам получения материала в условиях сверхбыстрой закалки из жидкого состояния, которые характеризуются формированием устойчивых метастабильных фаз, расширением области растворимости в твердом состоянии и измельчением элементов структуры [6]. Именно в подобных термокинетических условиях формируются исследуемые покрытия.
При расплавлении проволоки газовым потоком происходит растворение находящихся в металле карбидов хрома. В результате происходит насыщение кристаллизующегося аустенита легирующими элементами (углеродом и хромом) и в процессе дальнейшего охлаждения со скоростями 104-106 К/с, когда фиксируется переход от сегрегационной к бездиффузионной перекристаллизации, часть напыляемого материала не претерпевает у^а-превращения [7].
Кроме того, при анализе причин стабилизации аусте-нита в напыляемом материале необходимо иметь в виду, что в процессе нанесения покрытия поверхностные слои композита разогреваются до температур 500670 К. Вследствие этого напыленное покрытие в процессе его формирования и охлаждения проходит стадию изотермической выдержки при 520-670 К, что способствует термической стабилизации аустенита [8, 9].
Таким образом, напыленное покрытие из проволочной стали 40Х13, сформированное в условиях быстрой кристаллизации капель расплава и их последующего охлаждения, характеризуется более высокой устойчивостью остаточного аустенита по сравнению с исходным материалом.
Для сравнительного анализа поведения исследуемого материала в условиях сверхскоростной закалки, проводилась опытная закалка из твердого состояния проволоки, используемой для напыления. Температура изотермической выдержки образцов проволоки стали 40Х13 при нагреве под закалку выбиралась равной 1350 К, время выдержки — 20 мин, охлаждение осуществлялось в соленой воде (15 % №С1). Результаты фазового анализа закаленной проволочной стали 40Х13 свидетельствуют об отсутствии в ней остаточного аус-
Таблица 2
Влияние состава горючей смеси, образующей распыляющий факел в установках активированной электродуговой металлизации, на содержание углерода и кислорода в покрытиях из стали 40Х13
Режим напыления Коэффициент объемного соотношения воздуха и пропана, в Количество кислорода в покрытиях, % Количество углерода в покрытиях, %
Режим 1 25 1.3 0.6
Режим 2 18 1.4 0.5
Режим 3 30 2.2 0.4
Режим 4 чистый воздух 3.3-3.5 0.4
тенита при сохранении незначительного количества карбидов хрома Сг23С6. Таким образом, скоростная закалка проволочной стали 40Х13 при нагреве ниже линии ликвидус, не приводит к стабилизации остаточного аустенита в ней.
Дополнительным фактором, увеличивающим устойчивость аустенита в напыленных слоях, выступает насыщение капель расплава углеродом в процессе расплавления и распыления проволоки с использованием пламени пропана (табл. 2). При этом относительно низкая скорость полета расплавленных частиц стали, а также высокая концентрация углеродсодержащего пропана в продуктах горения способствует более глубокому насыщению капель расплава углеродом. Очевидно, что именно с этими обстоятельствами связано наиболее высокое содержание остаточного аустенита в покрытиях, полученных по технологии газопламенного напыления (режим 1). Более низкое содержание аустенита в покрытиях, полученных активированной электродуговой металлизацией в восстановительной атмосфере распыляющего факела (режим 2), по-видимому, обусловлено существенно более высокой скоростью полета расплавленных частиц, характерной для данного способа напыления. В этом случае процессы диффузионного насыщения капель расплава углеродом из восстановительной атмосферы пропано-воздушной смеси пройти не успевают (время пролета расплавленных капель в атмосфере продуктов сгорания ^ 0.001 с) и содержание остаточного аустенита в слое снижается до = 20 об. %. Снижение концентрации углеродсодержащего пропана в смеси распыляющего факела не сопровождается изменением количества остаточного аустенита в покрытии, полученном как в условиях сверхзвуковых скоростей полета расплавленных частиц (режим 3), так и при относительно более низких скоростях полета частиц (режим 4). В обоих вариантах напыления содержание остаточного аусте-нита в слое не превышает 20 об. %. По-видимому, такое содержание остаточного аустенита в стали 40Х13 ха-
рактерно для случая полного растворения в ней карбидов хрома и реализации присущих для процесса газотермического напыления условий сверхскоростной кристаллизации и охлаждения расплавленных капель стали.
Таким образом, основными факторами сохранения в исследуемых покрытиях из высокохромистой стали высоких концентраций стабилизированного остаточного аустенита являются сверхвысокая скорость охлаждения стали из жидкого состояния, растворение легирующих элементов в аустенитной фазе, а также термическая стабилизация аустенита при самоотпуске.
С целью активирования процесса распада остаточного аустенита в напыленном покрытии проводился отпуск композита (режим 1) при температурах 520, 620, 720, 770 и 820 К. Время выдержки при отпуске составляло 90 мин. Данные рентгенофазового анализа свидетельствуют о том, что распад стабилизированного остаточного аустенита напыленного слоя происходит в результате высокого отпуска при температурах 770-820 К. Отпуск при более низких температурах не сопровождался снижением количества остаточного аустенита в слое. Высокая температура отпуска, необходимого для распада аустенита напыленного слоя, по-видимому, обусловлена температурой образования в нем частиц карбида хрома после выделения которых устойчивость остаточного аустенита резко падает. Твердость напыленного слоя после отпуска при 770 К составляет 2 800 МПа.
Пористость напыленных покрытий зависит от скорости полета расплавленных частиц. В частности, при переходе от газопламенного напыления со скоростью частиц -100 м/с (режим 1) к активированному электро-дуговому со скоростью частиц -500 м/с (режимы 2, 3) пористость снижается от 10 до 2-5 %. Увеличение скорости переноса частиц наряду с увеличением плотности слоя приводит к диспергированию частиц напыляемого слоя (см. рис. 1, б). Понижение скорости переноса частиц, расплавленных электрической дугой, до -100 м/с вновь приводит к огрублению структуры, снижению
плотности напыленного слоя и увеличению пористости до 6-8 % (рис. 1, а).
Концентрация окислов в напыленном слое определяется составом газовой смеси распыляющего факела и скоростью полета расплавленных частиц сплава. По данным фазового анализа газопламенному напылению (режим 1) присущи относительно невысокое содержание окислов в покрытии (рис. 2, 3) и повышенная концентрация в нем углерода (табл. 2). Последнее обусловлено восстановительной атмосферой продуктов сгорания в расплавляющем факеле. Содержание окислов в слое, напыленном в режиме электродугового расплавления и распыления сверхзвуковой струей продуктов сгорания пропано-воздушной смеси, зависит от соотношения кислорода и пропана в факеле (табл. 2). Увеличение относительного содержания кислорода в газовой смеси сопровождается пропорциональным увеличением концентрации окислов в покрытии (рис. 2, 3, табл. 2). Уменьшение скорости полета частиц в случае окислительной (воздушной) среды распыляющей газовой струи (режим 4) вызывает заметное возрастание количества окислов в покрытии (рис. 3). Высокая концентрация окислов в слое приводит к увеличению его микротвердости.
Уровень твердости ГТН-покрытий из стали 40Х13 составляет Н у = 2 800-3 500 МПа, что заметно ниже твердости обычной закаленной стали (Ну = 5 600 МПа). Сравнительно низкий уровень твердости напыленных покрытий обусловлен самоотпуском слоя, повышенным содержанием в нем остаточного аустенита, а также присутствием пор. Высокое содержание остаточного аустенита в напыленных покрытиях из стали 40Х13 приводит к резкому возрастанию их пластичности, а также вызывает снижение твердости и прочностных свойств покрытий по сравнению с обычной закаленной сталью. Вместе с тем триботехнические свойства покрытий сохраняются на относительно высоком уровне. В частности, интенсивность износа (на стадии установившегося изнашивания) при трении без смазки слоя, напыленного по режиму 1, мало отличается от интенсивности износа отпущенной стали 40Х13, имеющей близкий уровень твердости. Причиной указанного факта является высокая вязкость разрушения покрытия, содержащего аустенит, а также упрочнение покрытия за счет мартенситного у^а-превращения при интенсивном пластическом течении в процессе фрикционного взаимодействия. Микротвердость слоя при этом возрастает до уровня Н ^ = 6 500 МПа. Покрытие, напыленное по режиму 2 и отличающееся более дисперсной структурой, характеризуется пониженной износостойкостью (1Р = 0.41 мг/м). Обнаруженная цикличность весового износа напыленных покрытий, по нашему мнению, связана с деградацией их поверхностного слоя при трении,
описываемой в рамках представлений физической мезо-механики твердых тел [10-13]. В частности, в соответствии с результатами работ [12, 13], в процессе трения в поверхностных слоях толщиной до 100 мкм и более происходит формирование вихревых фрагментированных структур с образованием мезофрагментов разного масштаба. Трансляционное и вращательное движение мезофрагментов приводит к возникновению сжимающих и растягивающих напряжений в подповерхностных слоях, зарождению микротрещин на границах мезо-фрагментов и их отделению в виде частиц износа [13]. При этом процесс износа можно представить себе следующим образом: на начальных стадиях фрикционного взаимодействия (после стадии приработки) происходит образование мезофрагментов разного масштаба, а также разрушение и отслаивание близко расположенных к поверхности мезофрагментов малого размера. Это соответствует стадии установившегося износа. По мере увеличения пути трения идут процессы формирования и ротационного движения крупных мезофрагментов, захватывающие глубокие подповерхностные слои. После накопления в покрытии некоторой критической деформации происходит массовое отслаивание крупных мезофрагментов, сопровождающееся резкой интенсификацией износа покрытия (стадия ускоренного изнашивания). В результате удаления крупных мезофрагментов в зону фрикционного взаимодействия выходят недефор-мированные подповерхностные слои и начинается новый цикл формирования мезофрагментов разного масштаба и их последующего отслаивания. Поскольку разрушение покрытия облегчено на границе между напыленными частицами, то в слоях с дисперсной структурой, отличающихся более высокой плотностью граничных поверхностей (режим 2, 3), интенсивность отслаивания крупных мезофрагментов на стадии ускоренного износа может быть выше, чем в покрытиях с более грубой структурой (режим 1, 4). Этими соображениями, по-видимому, можно объяснить более высокую интенсивность изнашивания покрытия напыленного по режиму 2 (рис. 4, табл. 1).
Наиболее высокие триботехнические свойства напыленные покрытия демонстрируют в условиях граничного трения [3]. Присутствие небольшого количества пор в покрытиях придает им высокую маслоудерживающую способность по сравнению монолитными материалами (рис. 6). Последнее существенно увеличивает износостойкость и диапазон рабочих давлений для деталей триботехнических узлов с напыленными слоями при трении со смазкой [1-3]. В частности, по данным [3] напыленное покрытие из стали 40Х13 при трении в среде консистентной смазки ЦИАТИМ-201 имеет в 1.31.8 раз б ольшую износостойкость по сравнению с литой сталью.
5. Заключение
Газотермическое напыление проволочной стали 40Х13 по различным режимам обеспечивает формирование поверхностного слоя с твердостью Ну = 28003 500 МПа и пористостью от 2 до 10 %. С увеличением скорости полета расплавленных частиц уменьшается пористость покрытия и диспергируются его структурные составляющие. Фазовый состав слоя включает в себя основную а-фазу, аустенит в количестве до 30об. % и частицы окислов Fe3O4 и у^е203 (в следах). В процессе расплавления и распыления проволоки с использованием пламени пропана происходит насыщение капель расплава углеродом. Сочетание процесса напыления в условиях сверхбыстрой закалки из жидкого состояния с повышенной концентрацией углерода в покрытии и изотермической выдержкой при охлаждении в области температур 500-670 К приводит к стабилизации остаточного аустенита в напыленном слое. Распад остаточного аустенита происходит в результате отпуска при температурах 770-820 К. В процессе интенсивного пластического деформирования напыленного слоя при фрикционном взаимодействии реализуется фазовое у^а-превращение, сопровождающееся увеличением микротвердости покрытия до уровня Н^ = 6 500 МПа. При испытаниях в режиме трения без смазки на стадии установившегося износа наличие в слое остаточной пористости практически не снижает износостойкости покрытия по сравнению с обычной сталью. Циклическая зависимость весового износа напыленных покрытий от пути трения, обнаруживаемая при трении без смазки, связана с кинетикой образования мезофрагментов крупного масштаба и их отслаивания в процессе контактного взаимодействия. Увеличение износостойкости покрытий в режиме граничного трения связано с маслоудерживающим влиянием пор в напыленном слое.
Авторы выражают благодарность академику Пани-нуВ.Е., д.т.н. Клименову В.А., д.ф.-м.н. Колубаеву А.В. и д.ф.-м.н. Шаркееву Ю.П. за полезные дискуссии и внимание к работе.
Работа выполнена в рамках совместного научного проекта БРФФИ-РФФИ «Физическая мезомеханика деформирования и разрушения материалов, модифицированных плазменными, электронно-лучевыми, ионнолучевыми и газотермическими методами» (шифр проекта БРФФИ: Ф99Р-105; РФФИ: 00-01-81134)).
Литература
1. Ярошевич В.К., Белоцерковский М.А. Антифрикционные покрытия
из металлических порошков. - Минск: Наука и техника, 1981. -174 с.
2. Витязь П.А., Ивашко В.С., Манойло ЕД. и др. Теория и практика газопламенного напыления. - Минск: Навука i тэхнжа, 1993. -295 с.
3. Белоцерковский М.А. Триботехнические характеристики газопламенных покрытий // Трение и износ. - 2000. - Т. 21. - № 5. -
С. 534-539.
4. Белоцерковский М.А., Прядко А.С., Черепко А.Е. Методы и оборудование для формирования высокоэнергетических двухфазных потоков // Физика плазмы и плазменные технологии. - 1997. -Т. 4. - С. 670-673.
5. Караваев М.Г., Кукареко В.А. Автоматизированный трибометр с возвратно-поступательным движением // Тез. докл. межд. научно-техн. конф. «Надежность машин и технических систем». - Минск: ИНДМАШ, 2001. - Т. 1. - С. 37-39.
6. Сверхбыстрая закалка жидких сплавов / Под ред. Г. Германа. -М.: Металлургия, 1986. - 286 с.
7. Чернышева Т.А., Люлькина Т.В., Калита В.И. и др. Влияние сверхбыстрой кристаллизации на структуру и свойства мартенситно-стареющих сталей. // МиТОМ. - 1988. - № 1. - С. 32-39.
8. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 648 с.
9. Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана. Справочник. - М.: Металлургия, 1991. - 501 с.
10. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -
1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
11. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
12. Легостаева Е.В., Панин С.В., Гриценко Б.П., Шаркеев Ю.П. Исследование процессов пластической деформации на макро-, мезо-и микромасштабных уровнях при трении и износе стали 45, поверхностно упрочненной ионной имплантацией // Физ. мезомех. -
1999. - Т. 2. - № 5. - С. 79-92.
13. Панин В.Е., Колубаев А.В., Слосман А.И., Тарасов С.Ю., Панин С.В., Шаркеев Ю.П. Износ в парах трения как задача физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 1. -С. 67-74.
