CC BY
2УДК 536.12:621.891
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕМОНТНЫХ ПОКРЫТИЙ ВАЛОВ ПОД ПОСАДКУ ПОДШИПНИКОВ
канд. техн. наук, доц. С.В. ПИЛИПЕНКО, канд. техн. наук, доц. В А. ФРУЦКИЙ, М.В. КОНОН (Полоцкий государственный университет)
Приведены результаты экспериментального исследования тепловых процессов в ремонтных покрытиях. Установлена и объяснена взаимосвязь между тепловыделением, температуропроводностью и структурой покрытия. Показано, что покрытия с преобладанием эвтектики имеют наименьшую температуропроводность по сравнению с доэвтектическими и заэвтектическими покрытиями и соответственно высокие значения тепловыделения. Максимальная температуропроводность характерна для покрытий с доэвтектической концентрацией бора с преобладанием в покрытии бористого феррита.
Ключевые слова: боридная эвтектика, температуропроводность, тепловыделение, средняя объемная температура.
Введение. Серые чугуны обладают широким спектром функциональных возможностей [1]. Гете-рогенизация структуры, обеспечивающая высокий комплекс эксплуатационных свойств возможна не только традиционными металлургическими приемами, но и при получении ремонтных покрытий из материалов, отходов производства [2; 3].
Известно, что эвтектические структуры в системе Fe-C-X, обладая максимальной гетерогенностью, являются наиболее температуропроводными [4]. Очевидна необходимость учета теплофизических свойств эвтектических сплавов, предназначенных для работы в качестве теплопроводящих покрытий. Широкие возможности управления структурой покрытий из порошков, позволяют изучить влияние различных легирующих элементов на теплофизические свойства покрытий и «сконструировать» покрытие, обладающее высоким комплексом эксплуатационных свойств.
Цель работы - изучение взаимосвязи между структурой и температуропроводностью гетерогенных эвтектических покрытий из стружечного материала, дополнительно легированного материалами, необходимыми для данных условий эксплуатации.
Материалы и методики исследования. Сырьем для получения диффузионно легированных (ДЛ) порошков служила измельченная стружка серого чугуна. В качестве легирующих элементов были выбраны бор и медь, создающие структуры Шарпи, максимально отвечающие эксплуатационным требованиям [5].
Газотермические покрытия из ДЛ-порошков получали плазменным напылением на стальную подложку на установке УПУ-3Д в струе азотной плазмы [6]. Покрытия изучали традиционными методами: металлографическим (ГОСТ 9.302), дюрометрическим (ГОСТ 200017, ГОСТ 299999), микродюрометри-ческим (ГОСТ 9450), фазовым рентгеноструктурным полуколичественным анализом.
Измеряли также объемную температуру в зоне нагрева контактным методом [5]. Тепловые процессы, как известно, отличаются высокой степенью неравновесности. Поэтому для анализа теплового процесса целесообразно знать температуропроводность покрытия. Для этого был разработан метод определения коэффициента температуропроводности, относящийся к классу инверсных задач [7].
Результаты исследования и их обсуждение. Анализируемые газотермические покрытия имеют характерное гетерогенное строение (рисунок 1).
Структура и свойства исходного материала приводилась в работе [8]. Анализ многообразия полученных покрытий позволил сформулировать закономерности структурообразования материалов [9]. Доказано, что материал, полученный в результате проведенных технологических операций, имеет повышенные физико-механические свойства, по сравнению с известными материалами [10; 11].
Комплекс выполненных исследований позволяет сформулировать некоторые закономерности структурообразования плазменных покрытий из легированной бором и медью чугунной стружки. ДЛ-порошок из чугунной стружки представляет собой частицы, имеющие боридную и бороцементитную оболочку с локальными медными фрагментами на поверхности. В результате плазменного напыления происходят определенные изменения в фазовом составе, приводящие к некоторому повышению физико-химической равновесности материала (таблица 1).
Таблица 1. - Фазовый состав боромедненной чугунной стружки и плазменного покрытия из нее (полуколичественный фазовый рентгеноструктурный анализ)
Фаза ДЛ-порошок Плазменное покрытие
Содержание фазы % объемн. Содержание фазы, % объемн.
Реа(С) 16 8
Си 21 18
Графит 2,5 -
Ре2Б 9 13
БеБ 16 15
СиО 10 -
Бе2Оз 12 -
БезС, Без(БС) 2,5 23
1 - участки мелкодисперсной бористой эвтектики; 2 - ламели а - фазы с фрагментами перлита;
3 - медистые включения; 4 - боридные, бороцементитные включения
Рисунок 1. - Микроструктура плазменного покрытия из диффузионно-легированной бором
и медью стружки серого чугуна (х 300)
Анализ микроструктуры свидетельствует о наличии перлитной матрицы, медной фазы и бори-дов железа. В покрытии не обнаружено графитных включений. Это, скорее всего, связано, во-первых, с механическим способом приготовления шлифа, при котором возможно механическое выкрашивание мягких составляющих, и во-вторых - с растворением графита расплавленными частицами и возможным его выгоранием.
В структуре материала заметно увеличивается процентное содержание легкоплавких эвтектик: с 15 - 18% в исходном составе до 26 - 32% в составах с содержанием бора. Средняя разность между микротвердостями структурных составляющих материала составляет АНт = 500 (Н = 1300-1800). На периферии присутствуют мелкодисперсные локальные частицы меди, переходящие к центру в средние и крупные локальные группировки. Количественный процент эвтектик остался без изменения. Средняя разность между микротвердостями структурных составляющих материала составляет АНц = 300 (Н = 1500-1800).
В результате исследований выявлено увеличение легированности твердого раствора углеродом, бором и медью, уменьшение количества высокобористых фаз, образование локальных участков эвтектики Ре3(БС), Ре2Б + Реа(С, В). Следует отметить изолированное расположение медных фрагментов между ламелями покрытия, что играет важную роль в теплофизических свойствах покрытий.
Определяющим фактором структурообразования покрытия наряду с режимами напыления, является химический состав ДЛ-порошка. Пропорционально увеличению содержания меди в ДЛ-порошке происходит увеличение количества «медных» участков в покрытии. Для содержания меди менее 15% масс. характерно наличие мелкодисперсных включений по всему объему покрытия. При большем содержании меди происходит дифференциация медистой фазы по объему покрытия и формирование отдельных крупных включений (80...120 мкм). Бор, являясь химически активным элементом, оказывает более существенное влияние на структурообразование покрытий. Значительную часть объема покрытия занимает мелкодисперсная боридная эвтектика. Следует отметить, что эвтектическая концентрация смещена в сторону меньших содержаний бора, что обусловлено повышенной скоростью охлаждения расплава, неравновесной кристаллизацией и получением квазиэвтектики. Поэтому первичные высокотвердые бо-ридные и бороцементитные фазы в покрытии присутствуют уже при доэвтектической концентрации бора в покрытии.
Следующим этапом исследований стало изучение теплового режима работы разработанных покрытий. Установлено влияние структуры материала на установление теплового режима (рисунки 2, 3). При малых, доэвтектических концентрациях бора, нагрев материала невелик. Важна также тенденция к стабилизации этих параметров.
Неожиданные результаты получены при анализе эвтектических покрытий, традиционно считающихся наиболее температуропроводными. Прогрессирующий характер повышения температуры свидетельствуют о крайне нестабильных условиях теплопередачи. Наиболее ярко обнаруженные закономерности проявляются в условиях переменного нагрева, что подтверждает важность анализа теплового режима трения (рис. 3).
Содержание бора, % по массе: а) 0,5-1,5; б) 1,5-2,0; в) 2,0-4,0; г) 4,0-6,0.
Рисунок 2. - Изменение температуры и износа вкладыша с газотермическим покрытием из боромедненной чугунной стружки в процессе испытаний при постоянной нагрузке
I
г -
600 1200 1800 600 1200 1800
Путь г рения, м
Содержание бора, % по массе: а) 0,5-1,5; б) 1,5-2,0; в) 2,0-4,0; г) 4,0-6,0.
Рисунок 3. - Изменение температуры и износа вкладыша с газотермическим покрытием из боромедненной чугунной стружки в процессе испытаний при переменной нагрузке
Объяснение полученных результатов потребовало изучения температуропроводности покрытий. Как известно, в общем случае, перенос тепла в многофазном, пористом дисперсном твердом теле, каким является анализируемое покрытие, осуществляется посредством: теплопроводности самих частиц материала, теплопроводности оксидных пленок, молекулярной теплопроводности газа, заполняющего поры, контактной теплопроводности межчастичных контактов, а также конвенцией газа в порах и излучением от частицы к частице [12]. Позднее было установлено, что преобладающая часть тепла в газотермическом слоистом покрытии передается в местах контакта между ламелями [13; 14].
В анализируемом покрытии контактные области между ламелями являются преимущественно бо-ристым сплавом различной степени эвтектичности (см. Рисунок 1). Эвтектика мелкодисперсная, в ряде случаев зернистая. Именно через эти области проходит основной поток тепла. Полученные результаты определения коэффициента температуропроводности боросодержащих сплавов свидетельствуют об определяющем влиянии бора (таблица 2). Резкое снижение температуропроводности сплава при легировании бором обусловлено гетерогенизацией последнего и является известным фактом [14]. А вот обнаруженная экстремальность влияния бора на температуропроводность сплава требует объяснения. Установлено, что минимальной температуропроводностью обладают сплавы эвтектической концентрации, для которых характерна наибольшая степень гетерогенности вследствие преобладания мелкодисперсной механической смеси бористого феррита и бороцементита. Дальнейшее увеличение содержания бора формирует заэвтектическую структуру с преобладанием относительно крупных первичных боридов. Бо-риды железа Ре2Б обладают низкой теплопроводностью (I20 С = 0,3 Вт/см-К), однако количество мелкодисперсной эвтектики и, следовательно, степень гетерогенности покрытия в этом случае снижается, поэтому происходит некоторое повышение температуропроводности. Наибольшая температуропроводность в анализируемой системе характерна для доэвтектических концентраций бора. Избыточной фазой в этом случае является бористый феррит, обладающий существенно большей теплоопроводностью, а содержание эвтектики в покрытии невелико.
Таблица 2. - Влияние содержания бора на температуропроводность покрытий системы Бе - С - Б
Содержание бора, % по массе Коэффициент температуропроводности a х 10-6 м2/с для интервала температур 0С
50-100 100-150 150-200 200-250 250-300 300-350
0 22,900 22,317 21,928 21,442 19,734 18,552
2,5-3,1 8,570 8,563 8,210 7,725 7,403 6,832
3,2-4,1 3,450 3,256 3,181 3,189 3,145 2,966
4,8-5,2 7,322 6,936 6,552 6,101 5,793 5,583
Установленные факторы влияния бора на температуропроводность покрытий позволяют предложить характер взаимосвязи теплофизических свойств газотермических бористых покрытий и его структуры. Тепловой режим покрытия, как известно, обусловлен протеканием конкурирующих процессов тепловыделения и теплопередачи. При относительно постоянных показателях тепловыделения решающее значение будет иметь теплопередача.
Покрытия, имеющие заэвтектическую концентрацию бора, обладают минимальным тепловыделением вследствие наличия в их структуре первичных боридных и бороцементитных фаз. Для этих покрытий характерна линейная зависимость роста температуры [15]. Покрытия с эвтектической концентрацией бора, как было показано выше, обладают наименьшей температуропроводностью, чем обусловлен параболический рост температуры покрытия. Покрытие с доэвтектической концентрацией бора обладает максимальной температуропроводностью в анализируемой системе [16].
Заключение. На температуропроводность газотермических покрытий из боромедненной стружки серого чугуна оказывает существенное влияние их структура. Наименьшая температуропроводность и, соответственно, неудовлетворительные эксплуатационные свойства характерны для покрытий с эвтектической концентрацией бора. Это обусловлено крайне низкой температуропроводностью дисперсной эвтектической механической смеси бористого феррита и бороцементита. Поэтому количество боридной эвтектики в указанных покрытиях следует ограничивать. Увеличение температуропроводности покрытий с доэвтектической концентрацией бора, обусловленное уменьшением доли эвтектики за счет увеличения количества бористого феррита, обеспечивает повышение эксплуатационных свойств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Камынин, В.В. Разработка и использование антифрикционных чугунов для тяжелонагруженных узлов трения : автореф. дисс. ... канд. техн. наук : 05.16.01 / В.В. Камынин. - Курск, 2000. - 18 с.
2. Восстановление деталей машин : справ. / Ф.И. Пантелеенко [и др.] ; под ред. В.П. Иванова. - М. : Машиностроение, 2003 - 672 с.
3. Ragutkin, A.V. Some aspects of antifriction coatings application efficiency by means of finishing nonabra-sive antifriction treatment / A.V. Ragutkin, M.I. Sidorov, M.E. Stavrovskij // Journal of Mining Institute. -2019. - Vol. 236. - P. 239-244.
4. Исследование графитных включений в микроструктурах чугуна тормозных локомотивных колодок / А. А. Климов [и др.] // Вестник ПНИПУ. - 2017. - Т. 19(№ 3). - С. 19-32.
5. Штемпель, О.П. Интенсификация диффузионного легирования металлических порошков для защитных покрытий в подвижных порошковых смесях : автореф. дисс. ... канд. техн. наук / О.П. Штемпель ; Полоц. гос. ун-т. - Новополоцк : ПГУ, 2003. - 24 с.
6. Авсиевич, А.М. Технология формирования износостойких газотермических покрытий из диффузионно-легированных самофлюсующихся порошков на железной основе : автореф. дисс. . канд. техн. наук / А.М. Авсиевич ; Белор. нац. техн. ун-т. - Минск, 2003. - 24 с.
7. Лысенок, Ю.В. Экспериментальные исследования температуры в теплонагруженных узлах трения / Ю.В. Лысенок, В.А. Балакин // Трение и износ. - 2003. - Т. 24(№ 2). - С. 179-185.
8. Сороговец, В.И. Получение износостойких покрытий плазменной наплавкой диффузионно-легированных самофлюсующихся порошков : автореф. дисс. ... канд. техн. наук : 05.02.01 / В.И. Сороговец. - Новополоцк, 2001. - 24 с.
9. Константинов, В.М. Газотермические покрытия из диффузионно-легированной стружки как альтернатива антифрикционным бронзам / В.М. Константинов, В.А. Фруцкий // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2002. - № 6. - С. 36-39.
10. Константинов, В.М. Взаимосвязь структуры и свойств антифрикционных газотермических покрытий из боромедненной чугунной стружки / В.М. Константинов, В. А. Фруцкий // Вестник Полоцкого государственного университета. Сер. В, Промышленность. Прикладные науки. - 2003. - № 3. - С. 7-11.
11. Пилипенко, С.В. Альтернативные материалы для ремонта роторной группы насос-моторов / С.В. Пи-липенко, В.А. Фруцкий // Вестник Полоцкого государственного университета. Сер. В, Промышленность. Прикладные науки. - 2019. - № 3. - С. 102-106.
12. Ярошевич, В.К. Антифрикционные покрытия из металлических порошков / В.К. Ярошевич, М.А. Бе-лоцерковский. - Минск : Наука и техника, 1981. - 174 с.
13. Ворошнин, Л.Г. Влияние структуры защитных покрытий на их износостойкость / Л.Г. Ворошнин, Ф.И. Пантелеенко, С.Н. Любецкий // Трение и износ. - 1991. - Т. 12(№ 2). - С. 310-314.
14. Смирнов, Е.В. Виды переноса тепловой энергии в металлически плазменно-напыленных покрытиях и некоторая качественная оценка их теплопроводности / Е.В. Смирнов, В.Е. Ионин // Инженерно-физический журн. - 1970. - Т. 18(№ 4). - С. 17-20.
15. Кудинов, В.В. Нанесение покрытий напылением: Теория, технология и оборудование / В.В. Куди-нов, Г.В. Бобров. - М. : Металлургия, 1992. - 432 с.
16. Туник, А.Ю. Структурные особенности антифрикционных покрытий с добавками твердых смазок, полученных различными методами напыления / А.Ю. Туник // Вюник Приазовського державного техшчного ушверситету. Серiя: Техшчш науки. - 2012. - № 25. - С. 163-170.
Поступила 18.06.2019
THERMAL PROPERTIES OF GAS-THERMAL REPAIR COATINGS SHAFTS TO FIT BEARINGS
S. PILIPENKO, V. FRUCCI, M. KONON
The results of an experimental study of thermal processes in repair coatings are presented. The relationship between heat release, thermal diffusivity and coating structure has been established and explained. It was shown that coatings with a predominance of eutectic have the lowest thermal diffusivity compared to pre-eutectic and hypereutectic coatings and, accordingly, high heat release values. Maximum thermal diffusivity is characteristic for coatings with a hypereutectic concentration of boron with a predominance of boron ferrite in the coating.
Keywords: boride eutectic, thermal conductivity, heat generation, average volume temperature.
