СТРУКТУРА ПЛАЗМЕННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА МАРКИ ПГ-С27 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 621.793.74

СТРУКТУРА ПЛАЗМЕННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА МАРКИ ПГ-С27

Ю.С. ЧЁСОВ, канд. техн. наук, доцент, Е.А. ЗВЕРЕВ, ассистент, А.В. ПЛОХОВ, канд. техн. наук, доцент, НГТУ, г Новосибирск

630092 Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: egor_z@ngs.ru

Приведены результаты исследований изменения характера структуры покрытий в зависимости от режимов плазменного напыления. Выявлен вариант структуры с позиции обеспечения наиболее оптимальных показателей качества.

Results of researches of structure character of coatings at plasma spraying were received. The variant of structure from a position of the optimal indicators of quality was revealed.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ПЛАЗМА, ПОКРЫТИЕ, ПОРОШОК, СТРУКТУРА.

Важное место среди распространенных в промышленности методов упрочнения занимает плазменное напыление [1]. К его достоинствам можно отнести высокую производительность, хорошую управляемость процессом, простоту реализации технологии, относительно низкую себестоимость, а также возможность обработки деталей различной конфигурации и габаритов. В зависимости от марки порошкового материала можно получать различные виды износостойких покрытий. При напылении частицы исходного порошка, попадая в плазменную струю, расплавляются и переносятся на обрабатываемую поверхность, образуя покрытие. Сформировавшаяся структура покрытий предопределяет их прочностные свойства.

Процесс плазменного напыления является многопараметрическим: существует большое число факторов, влияющих на структуру и свойства покрытий. Поэтому на практике достаточно сложной задачей является управление структурой покрытия за счет варьирования режимов плазменного напыления. Решение этой проблемы требует проведения достаточно глубоких экспериментальных исследований. Следует также иметь в виду то обстоятельство, что при напылении практически невозможно учесть одновременно большое количество факторов.

При напылении нами использовался широко распространенный порошковый материал марки ПГ-С27 (ГОСТ 21448). Порошок представляет собой высокохромистый чугун с фракционным размером частиц порядка 40... 100 мкм. Твердость напыленных покрытий из этого материала достигает HRC 59.

На снимке, полученном при помощи растрового электронного микроскопа EVO 50 XVP Carl Zeiss, видно, что частицы порошка имеют форму, близкую к сферической (рис. 1)

TuüMkin 1 Электронное изображение 1

Рис. 1. Частицы исходного порошка

ТЕХНОЛОГИЯ

При проведении исследований в качестве размера частиц использовали длину максимальной хорды. По результатам измерений была построена гистограмма распределения размеров частиц (рис. 2).

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Рис. 2. Гистограмма распределения размеров частиц

Характер гистограммы свидетельствует о том, что распределение размеров частиц очень близко к нормальному закону.

Покрытия из порошка марки ПГ-С27 предназначены для восстановления и упрочнения деталей металлургического, энергетического, сельскохозяйственного и другого оборудования, работающего в условиях абразивного изнашивания при температурах до 500 °С с умеренными ударными нагрузками.

Очевидно, что с практической точки зрения большой интерес представляет изучение специфики изменения характера структуры покрытий при различных режимах напыления. Таким образом, целью настоящих исследований является получение наиболее благоприятной с позиции конструктивной прочности структуры покрытия и определение рациональных режимов процесса.

Ранее нами [2] были проведены экспериментальные исследования, которые позволили выявить характерные типы структур и установить диапазон наиболее рациональных режимов напыления по таким показателям качества покрытий, как прочность сцепления и пористость.

Исследования проводились на базе установки «Киев-7» с плазмотроном ПУН-8 мощностью 40 кВт. В качестве образцов использовались тонкостенные втулки из стали 20. С целью активации поверхности образцы подвергались струйно-абразивной очистке острогранными

частицами электрокорунда, в результате чего была сформирована поверхность с шероховатостью Rz = 51.. .68 мкм. Толщина напыленного покрытия составляла 600.630 мкм. Покрытия по внешнему виду соответствовали требованиям ГОСТ 28844: равномерны по толщине, без трещин, отслоений и сколов. В экспериментах варьировались сила тока дуги плазмотрона I, расход плазмообразующего газа G (воздуха) и дистанция напыления L. За основу исследований приняты три режима напыления: первый -I = 155 A, G = 20 л/мин, L = 120 м, второй - I = = 140 A, G = 15 л/мин, L = 90 мм и третий - I = = 120 A, G = 25 л/мин, L = 150 мм.

Металлографические исследования проводились на растровом и оптическом (марки NIKON Eclipse MA100) микроскопах. Анализ результатов позволил выявить особенности структуры покрытия: пористость, величину среднего диаметра пор, несплошность на границе «основной металл - покрытие» и количество нерасплавившихся частиц (глобулей). Кроме того, по этим структурным характеристикам можно косвенно, но достаточно корректно судить о влиянии режимов напыления покрытий.

Наряду с температурой кинетическая энергия частиц (их скорость) определяет механизм формирования структуры и пористости [3]. Косвенно кинетическую энергию частицы можно оценить по структурной характеристике, так называемому «форм-фактору». Его значение вычисляли через отношение ширины к длине отдельных частиц (производилось не менее ста измерений различных частиц для одного варианта режима обработки). На рис. 3 приведены металлографические снимки типовых вариантов структуры покрытий [4].

На всех образцах наблюдаются границы трех типов: между отдельными частицами, слоями и между покрытием и основой. При формировании слоя глобулярная форма частиц из-за пластической деформации заменяется на неравноосную, часто завихренную. Имеет место пространственная плоскостно-ориентированная система: на продольных шлифах и изображении поверхности покрытия (рис. 4) равноосные частицы, на поперечных -

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ÏT'® А - • *

N-" ' ''

■ ts '. йкЧ^ "v if'

: • г* V-' -.3 ■■■

Рис. 3. Структура напыленных покрытий (х100) (1- основа; 2 - переходная граница; 3 - нерасплавленная порошковая частица (глобуль); 4 - пора):

а - режим 1 - I = 155 A, G = 20 л/мин, Z = 120 мм; б - режим 2 - I = 140 A, G = 15 л/мин, Z = 90 мм); е - режим 3 - I = 120 A, G = 25 л/мин, Z = 150 мм

вытянутые пространственно-ориентированные (см. рис. 3).

Металлографические исследования также показали, что во всех случаях формируется качественно подобная структура, но морфология и размеры зависят от режимов напыления.

Пористость является одной из важнейших характеристик покрытий, определяющих кон -структивную прочность композиции «основ-

ТЕХНОЛОГИЯ

ной металл - покрытие», а также таких важных эксплуатационных свойств, как износо- и коррозионная стойкость, контактная выносливость.

Плазменное покрытие можно отнести к нерегулярным пористым материалам, причем размеры пор и их ансамбли, а также взаимное расположение пор и их связь случайны. Рассматриваемые покрытия характеризуются формированием разветвленных пористых структур, содержащих несплошности разнообразной конфигурации и размеров. Пористость (площадь пор) на продольном шлифе больше, чем на поперечном, что обусловлено особенностью послойного формирования покрытия. Пористость зависит от многих температурно-временно-деформационных факторов напыления, а также от химического и зернового состава порошков. Одним из основных факторов уменьшения пористости является рационализация выборов режимов напыления.

В работе [5] по результатам оптических и электронно-микроскопических исследований для плазменных покрытий было выделено семь типов элементов пористой структуры на макро- мезо- и наноуровнях. Вероятно, в рассматриваемых нами покрытиях имеются все эти типы. Кроме того, пористость и неоднородность покрытий связаны с различным размером частиц (см. рис. 1 и 2). По данным работы [6], частицы большего размера при нахождении в плазменной струе не расплавляются полностью и сохраняют твердый керн с дендритным строением первичных карбидов.

Рис. 4. Поверхность напыленного покрытия

а

б

е

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Показатели качества покрытий

Номер варианта Режим обработки Несплошность границы, % Пористость средняя, % Средний диметр пор, мкм Доля нерасплавив- шихся частиц, % Форм-фактор

Ток I, А Расход газа G, л/мин Дистанция Ь, мм

1 155 20 120 12 9 7 2 0,22

2 140 15 90 19 13,7 10 17 0,31

3 120 25 150 47 26 16 21 0,47

Частицы же меньшего размера расплавляются полностью и кристаллизуются при растекании по поверхности основы с образованием структуры твёрдого раствора.

На основе металлографических исследований шлифов, характерных для всех трех вариантов условий напыления, можно составить обобщенные схемы основных типов структур (рис. 5).

Совместный анализ вариантов структур с привязкой к конкретным режимным условиям плазменного напыления позволил нам произвести обобщенную оценку показателей качества покрытий (см. таблицу).

Результаты исследований подтверждают, что характер структуры предопределяется температурой и кинетической энергией напыляемых частиц, зависящих, в свою очередь, от элементов режима напыления. В частности, при увеличении тока растут температура и степень расплав-ленности частиц, что положительно влияет на качество структуры покрытия. Изменение расхода плазмообразующего газа имеет более сложную зависимость. При его увеличении, с одной стороны, растет кинетическая энергия частиц, но в то же время происходит снижение теплосодержания плазменной струи, что приводит к падению температуры частиц. Дистанция напыления также является очень важным фактором: от ее величины зависит состояние частиц в момент соударения с поверхностью основы.

Таким образом, в результате совместного анализа выявленных типов структур покрытий с присущими им показателями качества позволило установить, что наиболее благоприятным типом структуры является вариант, полученный при первом режиме напыления. Второй тип структуры (рис. 5, б) имеет менее деформированные

Рис. 5. Схемы структур напыленных покрытий (х100)

(1- основа; 2 - переходная граница; 3 - нерасплавленная порошковая частица; 4 - пора): а - режим 1; б - режим 2; в - режим 3

а

б

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

частицы и повышенную пористость. Самым негативным является третий вариант режима напыления (рис. 5, в): в покрытии присутствует высокий уровень пористости, большой процент нерасплавившихся частиц и несплошность переходной границы, что, несомненно, отрицательно сказывается на ресурсе работы деталей машин в эксплуатации.

Список литературы

1. Чёсов Ю.С., Зверев Е.А. Исследование износостойкости покрытий, нанесенных методом плазменного напыления // Научный вестник НГТУ, 2008. -№ 3(32). - С. 175 - 181.

2. Чёсов Ю.С., Зверев Е.А. Влияние технологических факторов плазменного напыления на свойства покрытий из порошкового материала марки ПГ-С27 // Обработка металлов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. - 2009. - № 3 (44). - С. 15-17.

ТЕХНОЛОГИЯ

3. Методы исследования материалов. Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий / Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О.Токарев, В.И. Синдеев - М.: Мир, 2004. - 384 с.

4. Чёсов Ю.С. Исследование свойств структуры покрытий, нанесенных методом плазменного напыления / Ю.С. Чёсов, Е.А. Зверев, П.В. Трегубчак, Н.Л. Прокопьев // Современная металлургия начала нового тысячелетия: В 2 ч.: сб. науч. трудов VI Международной научно-технической конференции, 2009. -Липецк: Изд-во ЛГТУ. - Часть 1. - С. 104-110.

5. Нанесение покрытий плазмой / В.В. Кудинов, П.Ю. Пекшев, В.Е. Белащенко и др. - М.: Наука, 1990. - 408 с.

6. Кузьмин В.И., Зоткевич А.В., Токарев А.О. Структура износостойкого порошкового покрытия из высокоуглеродистого легированного сплава ПГ-С27, полученного плазменным напылением // Энциклопедия технологий ремонта, восстановления и упрочнения 2001 - 2008 гг. - СПб.: Изд-во НПФ Плазмацентр [Электронный ресурс] - www.plasmacentre.ru.

Вниманию подписчиков журнала «Обработка металлов»!

Подписка на журнал принимается по каталогу «Роспечать» - индекс 70590