CC BY
5
УДК 621.793.7 DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2020.88.1.102
СТРУКТУРНО-ФАЗОВИЙ СТАН I ТРИБОЛОГ1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 НАПЛАВЛЕНОГО САМОФЛЮСУВАЛЬНОГО СПЛАВУ ПГ-10Н-01, МОДИФ1КОВАНОГО МАТЕР1АЛОМ, ЩО М1СТИТЬ БОР
Лузан А. С.
Харк1вський нацюнальний техн1чний ун1верситет с1льського господарства
1мен1 Петра Василенка
Анотаця. У робот1 наведено результати досл1дження м1кроструктури, фазового складу та зносостткост1 наплавлених покритт1в на основ7 сплаву ПГ-10Н-01, модиф1кованих розробле-ним композицтним матер1алом, що м1стить диборид титану, борид ткелю, оксид титану та зал1за.
Ключов1 слова: композищйний матер1ал, СВС-процес, бориди, знососттюсть, наплавлення, структура, фазовий склад.
Вступ
Композицшш матерiали та покриття ма-ють гетерогенну структуру, яка визначае ефективнють !х використання для змщнення деталей машин, залежно вщ способу форму-вання, характеристик поверхневого шару, варiанта розташування, фiзичних, фiзико-мехашчних та трибологiчних властивостей компонентiв, мщносп зв'язку мiж ними, а також стану i властивостей робочого або те-хнологiчного середовища, в яких вони пра-цюють. Сдино! теорп пiдвищення зносостш-костi покриттiв iз композицiйних матерiалiв та узагальнених методiв трибофiзичного об-грунтування !хнього складу i структури не iснуе. Правильний вибiр структурного i фазового складу композицшних покриттiв за процесами контактно! взаемодп, що вщбу-ваються на межi подiлу компонентiв, забез-печуе 1хнш надiйний зв'язок та високу зно-состiйкiсть змiцнених деталей машин.
Анал1з публжацш
Найбiльшого поширення набуло змiцнен-ня деталей машин шляхом наплавлення на них твердих сплавiв та iнших матерiалiв рiз-ними методами [1, 2]. Здшснювалися досль дження зi створення нових композицшних матерiалiв iз високою абразивною зносостш-кiстю. На сьогоднi досить активно розвива-еться метод отримання порошкових матерiа-лiв шляхом самопоширювального високо-температурного синтезу (СВС) з попе-редньою механоактивуючим обробленням складових компонента. Розроблено багато-карбщш СВС-механокомпозiти, що е новими композицшними матерiали зi структурою типу «змщнювальна фаза-матриця», якi за-
стосовуються для модифшування та змщ-нення вщновлювальних покриттiв для деталей грунтообробних машин [3].
Вiдомо, що сполуки металiв з бором (бориди), мають високу твердiсть з пластичними властивостями i високу хiмiчну шертнють, це однi з найбiльш ефективних i економiчних мiкролегувальних елементiв стал^
У бiльшостi випадкiв мiнiмальна концен-трацiя бору в металi для отримання позитивного результату становить близько одше! тисячно! масово! частки вщсотка. Ушкаль-нiсть бору полягае в тому, що за умов такого малого вмюту в стат вiн може впливати на li властивостi, а також еквiвалентний дп значно бшьшо! кiлькостi таких легувальних елемен-тiв, як Cr, Mo, Ni тощо [3].
Характерною властивютю боридiв е 1хня значна твердють, пов'язана зi спрямованим характером i високою енергетичною мщню-тю мiжатомних зв'язкiв. Наявнiсть високо! твердостi у боридiв пов'язана переважно з мщними ковалентними зв'язками B-B, а також зi зв'язками Me-Me. Твердють боридiв зменшуеться за умов збшьшення порядкового номера металiв в групах i за дiагоналлю дшянки перюдично! системи, де розташову-ються перехiднi метали. Особливо висока твердють спостертаеться у боридiв TiB2, ZrB2, NbB2, W2B5 [4-6].
Вiдповiдно до вищевикладеного можна зробити висновок, що актуальним для напла-влення деталей, як пiддаються абразивному зношенню за експлуатацп, е отримання покриття, що мютить диборид титану та iншi елементи i мае високу абразивну стшкють.
Мета i постановка завдання
Метою 1 роботи е розроблення композицш-ного матерiалу (КМ) на основi порошкового матерiалу системи №-Сг-В^, модифшова-ного композицiйним матерiалом (МКМ), отриманим iз застосуванням СВС-процесу, що мiстить борид титану та шших елементiв, для змiцнення деталей машин, яю пщдають-ся абразивному зношенню.
Для досягнення поставлено! мети необ-хiдно розробити технологiю отримання МКМ i дослiдити структуру, фазовий склад i абразивну зносостiйкiсть наплавлених пок-риттiв КМ на основi матерiалу системи №-Cr-B-Si, модифшованого композицiйним ма-терiалом з елементами, що мютять бор.
Технологiя отримання композицшного матерiалу, результати металографiчних i трибологiчних дослiджень
Найбiльш популярними е склади компо-зицiйних матерiалiв на основi титану. Це пов'язано з високим екзотермiчним ефектом реакци утворення карбщу та дибориду титану з елеменив, що забезпечуе широкий вибiр матерiалу зв'язки [7].
Тому як вихщш матерiали для отримання композицшного матерiалу використовували порошки титану марки ВТ1-0, бору В, вугле-цю марки ПМ-15 з метою синтезування карбщу та дибориду титану. Крiм того, для збь льшення теплового ефекту в процес синтезу карбiду i дибориду титану в мехашчну сумiш додаеться термореагувальний порошок алю-мiнiд шкелю ПТ-НА-01, алюмiнiева пудра ПАП-1 ДСТУ 5494-95 i оксид залiза Fe2Oз. Фракцiйний склад всiх вихiдних порошкових компонентiв знаходився в межах (63...100) мкм. Сшввщношення компонентiв в сумiшi було еквiмолярним, щоб в результат пода-льшо! СВС-реакцп вiдбувався синтез карбщу i дибориду титану, карбщу залiза стехiомет-ричного складу.
Обранi компоненти змшували, отримана порошкова сумiш пiддавалася мехашчнш активацп, яка здiйснювалася в планетарних кульових млинах АГО-2. У проведених екс-периментах об'ем барабанiв дорiвнював 160 см3, дiаметр куль - 4-5 мм, маса куль -200 г. Час процесу механоактивацп вардава-вся в дiапазонi вщ 2 до 6 хвилин.
Отримання композицшного матерiалу здiйснювалося в два етапи: 1) змшування порошкiв Т^ В, С, Fe2O3, А1 та 1хня спiльна механоактивацiя, додавання зв'язуючого -клею марки «Метилан», формування цилшд-
ра, сушення, iнiцiювання СВС-процесу, тд час якого синтезуються частки боридiв титану, хрому тощо; 2) дроблення, спiкання i змшування отриманого порошку з промис-ловим порошком марки ПГ-10Н-01 ТУУ 32219-004-96, механоактивацiя отримано! поро-шково! сумiшi, додавання в механоактивова-ну порошкову сумiш рiдкого скла ДСТУ 13078-81 до набуття нею пастоподiбного стану.
Пасту наносили на пщготовлену для на-плавлення поверхню сталево! пластини (сталь 20) та тсля просушування здшснюва-ли наплавку графгговим електродом, дiамет-ром 10 мм, струмом наплавлення 80-120 А, прямою полярнютю. пряма.
Дугове наплавлення здшснювали з вико-ристанням iнверторного джерела живлення Патон ВД1-200Р DC TIG.
Дослщжували структури за допомогою металографiчного мiкроскопа.
Мiкротвердiсть покриттiв вимiрювалася на твердомiрi марки ПМТ-3 згiдно з ДСТУ 9450-76.
Порiвняльнi випробування на зношення наплавлених зразкiв здiйснювали на машиш тертя типу М1 за схемою «диск-колодка» в середовищi шдус^ального масла марки 1-20 за таких режимiв: середня окружна швид-юсть ковзання - 0,42 м/с, питомий тиск на колодку за умов нормального механохiмiч-ногопроцесу зношення становив 8,0 МПа, площа поверхш тертя - 1,8 см2.
Випробування на абразивне зношування дослщжуваних матерiалiв в умовах тертя о закршлеш абразивнi частинки оцiнювали вiдповiдно до ДСТУ 17367-71.
Саморозповсюджуваний високотемпера-турний синтез (СВС-процес) модифшуваль-ного композицiйного матерiалу (МКМ) проводили на цилшдричних зразках в умовах фронтального здшснення синтезу. Пщпалю-вання реагувального складу здшснювалося електричною дугою (рис. 1) [8].
Пюля отримання композицiйного матерiа-лу у виглядi спеку дробили його на кульово-му млинi, поим додавали матричний матерь ал ПГ-10Н-01 в кшькосп 80 % i здiйснювали механоактивацiйне оброблення.
Дослiдження мшроструктури наплавлено-го покриття порошком ПГ-10Н-01 продемон-стрували, що вона мае дендрщний характер (рис. 1, а). Мшроструктура наплавлених пок-риттiв КМ (10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01) е матричним матерiалом - сплавом ПГ-10Н-01, в якому рiвномiрно розподшеш твердi вклю-чення (рис. 1, б).
50 мкм s *
б
Рис. 1. Мшроструктура наплавлених покрит-
tíb: а - ПГ-10Н-01; б - КМ (20 % МКМ +
80 % ПГ-10Н-01)
Результати дослщження мшротвердосп наплавлених покриттiв з КМ складу {20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01} шдтвер-джують, що в наплавленному шарi присутнi твердi включення. Так, мiкротвердiсть наплавлених покритпв, що мiстять 20 % МКМ, перевищуе мiкротвердiсть наплавленого по-криття ПГ-10Н-01, що дорiвнюe 520 HV, i становить 978 HV, отже, твердють за Роквел-лом дорiвнюe 34, 50 HRC.
Вимiрювання коерцитивно! сили в наплавлених валиках на сталь 20, яю здшснеш з використанням структуроскопа КРМ-Ц-К2М, продемонстрували, що у випадку наплавлен-ня порошку ПГ-10Н-01 И величина становила Hc = 4,9 А/см, а у разi наплавлення компози-цiйних матерiалiв - Hc = 5,1-5,8 А/см Hc = 6,4-7,3 А/см, що мютять 10 i 20 % ком-позицiйного матерiалу, що модифiкуeться. Збiльшення коерцитивно! сили також шдтве-рджуе наявнiсть у структурi композицiйного матерiалу неметалiчних твердих складових.
Як демонструють результати рентгенофа-зового аналiзу, цими частинками е диборид титану (TiB2), бориди шкелю (Ni3B) i хрому (CrB), а також оксид титану (TiO) (рис. 2).
Визначення фазового складу наплавлених шарiв здiйснювалося iз застосуванням диф-рактометра ДРОН-3 в монохроматизованому Ка-Cu випромiнювaннi в кутовому штерват 29 = 10 - 800. Реестращю рентгенограм проводили в дискретному режима Пiдготовку зрaзкiв до aнaлiзу здiйснювaли шляхом !х шлiфувaння на абразивному пaперi та полiру-вання до досягнення необхiдно! шорсткосп поверхнi. Для розшифровування дифрактог-рам використовували дaнi картотеки ASTM. Результати iзносних випробувань покрит-тiв ПГ-10Н-01 i композицшного мaтерiaлу {20% МКМ + 80% ПГ-10Н-01} на мaшинi тертя М1
за схемою диск-колодка в середовищ1 шдус-тр1ального масла з питомим навантаженням 8 МПа. Вони демонструють бшьш високу зносостшюсть пропонованого композицшного матер1алу {20% МКМ + 80% ПГ-10Н-01}, яка в 2,35 раза перевищуе зносостшюсть са-мофлюсувального сплаву марки ПГ-10Н-01.
• Ni ÍNisB
□ Ой с. ш2 о по
° I
!
i 1
щ
% A i
Кут ^ф^аищТ 20: град.
Рис. 2. Рентгешвська дифрактограма наплавленого шару КМ (20% МКМ + 80% ПГ-10Н-01)
Зносостшюсть дослщжуваних матер1ал1в ощнювалася також за результатами випробувань на тертя об закршлеш частки за ДСТУ 17367-71. Сплав ПГ-10Н-01 приймав-ся як контрольний матер1ал, його зносостшюсть була прийнята за одиницю. Результати випробувань продемонстрували, що абразивна зносостшюсть композицшного матер1алу {20% МК + 80% ПГ-10Н-01} в 1,7 раза перевищуе показник сплаву ПГ-10Н-01.
Морфолопя поверхонь тертя також добре узгоджуеться з результатами випробувань на тертя об закршлеш частки наплавлених покритпв ПГ-10Н-01 1 КМ (20 % МКМ + 80% ПГ-10Н-01) (рис. 3).
¡S3C.Í
..■j'íí
I-1 50 МКМ
б
Рис. 3. Морфолопя поверхонь тертя за умов зношуваннч об закршлеш частинки абра-зивiв наплавленого сплаву ПГ-10Н-01 (a) i КМ (20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01) (б)
а
а
У випадку зношування в умовах впливу закршлених частинок абразивiв виявленi до-сить глибою паралельнi канавки на покриттi 3i сплаву ПГ-10Н-01 (рис. 4, а). Рельеф поверхш зношування мае нерiвномiрний характер. На поверхш наплавленого покриття з КМ (20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01) спостерь гаються неглибою дрiбнi i рiвномiрно розта-шованi подряпини вщ тертя (рис. 4, б), це пояснюеться введенням МКМ, який сприяе утворенню нових центрiв кристатзаци у разi наплавлення та призводить до подрiбнення структури.
Висновки
Розроблено композицшний матерiал на основi самофлюсувального сплаву системи Ni-Cr-B-Si (порошок марки ПГ-10Н-01), мо-дифiкований механоактивованим компози-цшним матерiалом, отриманим iз застосу-ванням СВС-процесу, для змщнення робочих оргашв грунтообробних машин.
Мiкроструктура наплавлених покритпв е матричним матерiалом - сплав ПГ-10Н-01, в якому рiвномiрно розподшеш твердi вклю-чення: диборид титану, бориди шкелю i хрому, оксид титану. Мшротвердють наплавленого покриття, що мютить 20 % МКМ, становить 978 HV i перевищуе мшротвер-дiсть наплавленого шару ПГ-10Н-01, що до-рiвнюе 520 HV.
Вимiрювання коерцитивно! сили в наплавлених валиках показали ïï збшьшення: 4,9 А/см для наплавлення порошку ПГ-10Н-01, 4,3-5,8 i 6,4-7,3 А/см для композицшного ма-терiалу, що мютить 10 i 20 % композицшного матерiалу, який модефшуеться, що шдтве-рджуе формування в СВС-процесi карбiду i дибориду титану, карбщу залiза.
Визначено, що композицшний матерiал складу 20 % МКМ + 80% ПГ-10Н-01 мае бшьш високу зносостшкють, як порiвняти зi сплавом ПГ-10Н-01, в процес нормального тертя в середовищi шдус^ального масла (в 2,35 раза), а також в умовах впливу закрь плених частинок абразивiв (в 1,7 раза).
Морфолопя поверхонь тертя у випадку зношування о закршлеш частинки абразивiв наплавленого сплаву також свщчить про бшьш високу зносостшкють покриття з композицшного матерiалу.
Лггература
1. Нефедьев С. П., Дема Р. Р., Котенко Д. А. Абразивная и ударно-абразивная износостойкость твердых наплавленных покрытий. Вес-
тник ЮУрГУ. Сер. «Металлургия». 2015. Т. 15, № 1. С. 103-106.
2. Карабарин Д. А., Тарасов Г. Ф. Повышение износостойкости рабочих органов землеройных машин. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ АВИАЦИИ И КОСМОНАВТИКИ. Технические науки. 2012. С. 19-20.
3. Собачкин А. В. Формирование износостойких покрытий для деталей сельскохозяйственного машиностроения при электродуговой наплавке многокомпонентных механоактивирован-ных СВС-материалов: автореф. дис. на здо-буття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.16.09 . Барнаул, 2013. 22 с.
4. Перспективы использования наноразмерных порошков для получения модифицирующих лтатур / Калиниченко А. С. и др. Литье и металлургия. 2015, 1(78). С. 65-73.
5. Исследование порошковых металлотермичес-ких сред для борирования / Хина Б. Б. и др. Вестник БНТУ. 2010. С. 31-34.
6. Yeremin, Ye. N., Losev A. S. Mechanical properties and thermal stability of a maraging steel with borides, deposited with a flux-cored wire. Welding International. 2014. Vol. 28. No 6. P. 465-468.
7. Лузан С. А., Сидашенко А. И., Лузан А. С. СВС-процессы в технологиях упрочнения и восстановления деталей машин наплавкой и газотермическими способами напыления покрытий (обзор). Техтчний сервк агропромисло-вого, лкового та транспортного комплексе. Харшв: 2016. № 6. С. 152-162.
8. Шихта для отримання композицшного зносо-стшкого матерiалу з використанням СВС-процесу: пат. № 133419, Украша: МПК (2019.01) C22C 14/00, B22F 1/00; опубл. 10.04.2019, Бюл. № 7.
References
1. Nefed'ev S. P., Dema R. R., Kotenko D. A. Abrazivnaya i udarno-abrazivnaya iznosostoj-kost' tverdy'x naplavlenny'x pokry'tij. Vestnik YuUrGU. Seriya «Metallurgiya». 2015. T. 15. № 1. S. 103-106.
2. Karabarin D. A., Tarasov G. F., Povyshenie iznosostojkosti rabochix organov zemle-rojny'x mashin. AKTUAL'NY'E PROBLEMY' AVIACII I KOSMONAVTIKI. Texnicheskie nauki. 2012. S. 19-20.
3. Sobachkin A. V.. Formirovanie iznosostojkix pokry'tij dlya detalej sel'skoxozyajstvennogo mashinostroeniya pri e'lektrodugovoj naplavke mnogokomponentny' x mexanoaktivirovanny' x SVS-materialov : avtoref. dis. ... kand. texn. nauk : spec. 05.16.09 . Barnaul, 2013. 22 s.
4. Perspektivy' ispol'zo-vaniya nanorazmerny'x poroshkov dlya poluche-niya modificiruyushhix ligatur. / Kalinichenko A. S. i dr. 2015, 1(78). S. 65-73.
5. Issledovanie poroshko-vy'x metallotermicheskix sred dlya borirova-niya / Xina B. B. Vestnik BNTU. 2010. №. S. 31-34.
6. Yeremin, Ye. N., Losev A. S. Mechanical properties and thermal stability of a maraging steel with borides, deposited with a flux-cored wire. Welding International. 2014. Vol. 28. No 6. P. 465-468.
7. Luzan S. A., Sidashenko A. I., Luzan A. S.. SVS-processy' v texnologiyax uprochneniya i vosstanovleniya detalej mashin naplavkoj i gazotermicheskimi sposobami napy'leniya pokry'tij (obzor). Texnichnij servis agropromislo-vogo, lisovogo ta transportnogo kompleksiv. Xarkiv, 2016. № 6. S. 152-162.
8. Shixta dlya otrimannya kompozicijnogo znosostijkogo ma-terialu z vikoristannyam SVS-procesu: pat. № 133419, Ukraina, MPK (2019.01) C22C 14/00, B22F 1/00; оpubl. 10.04.2019; Byul. № 7.
Лузан Алка Сергивна, астрантка кафедри тех-нолопчних систем ремонтного виробництва, [email protected], тел. +38 960612363, Хар-к1вський нацюнальний техшчний ушверситет сшьського господарства 1мен1 Петра Василенка, вул. Алчевських, 44, м. Харшв, 61002, Укра!на.
Структурно-фазовое состояние и трибологиче-ские свойства наплавленного самофлюсующегося сплава ПГ-10Н-01, модифицированного борсодержащим материалом Аннотация. В работе представлены результаты исследования микроструктуры, фазового состава и износостойкости наплавленных покрытий на основе сплава ПГ-10Н-01, модифицированных разработанным композиционным материалом, содержащим диборид титана, бориды никеля, оксид титана и железа. Ключевые слова: композиционный материал, СВС-процесс, бориды, износостойкость, наплавка, структура, фазовый состав.
Лузан Алиса Сергеевна, аспирантка кафедры технологических систем ремонтного производства, тел. +38 0960612363, [email protected],
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко, ул. Алчевских, 44, г. Харьков, 61002, Украина.
Structural-phase state and tribological properties of the foamed self-fluxable alloy PG-10N-01 modified by the borated material
Abstract. Problem. The paper presents the results of a study of the microstructure, phase composition and wear resistance of deposited coatings based on the PG-10N-01 alloy modified with the developed composite material containing titanium diboride, nickel boride, titanium oxide and iron. Goal. The aim of this work is to develop a composite material (CM) based on the powder material of the Ni-Cr-B-Si system, modified by a composite material (microns) obtained using a SHS process containing titanium borides and other elements for hardening machine parts subjected to abrasive wear. Methodology. To achieve this goal, it is necessary to develop a technology for obtaining microns and conduct studies of the structure, phase composition and abrasive wear resistance of deposited coatings from CM based on the Ni-Cr-B-Si system material modified by a composite material with elements containing boron. Results. The functional features of multi-functional road panels of pavement are revealed and their scheme on the roadway is presented. The principle of operation of the road as a unified system of multifunctional road surface panels has been researched. The scheme of implementation of road marking and automatic control of road traffic is presented. Originality. To increase the abrasive wear resistance of the deposited coatings based on the self-fluxing alloy PG-10N-01, it is proposed to use a modifying composite material containing titanium and chromium borides obtained using the SHS process. Practical value. To increase the abrasive resistance of machine parts, a charge composition has been developed to obtain a composite wear-resistant material using the SHS process. This composite material when modifying the surfaced coating with PG-10N-01 alloy increases its abrasive resistance by 1.7 times. Key words: composite material, SHS process, borides, wear resistance, surfacing, structure, phase composition.
Luzan Alisa, post-graduate student of the department of technological systems of repair production, tel.: +38 0960612363, [email protected], Kharkiv national technical University of agriculture named after Peter Vasilenko, st. Alchevskikh, 44, Kharkov, 61002, Ukraine.
