CC BY
15
УДК 533.924; 621.793.7
Е. А. Зеленина
Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
УСЛОВИЯ СМАЧИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОКСИДОВ ЧАСТИЦАМИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ
Показано, что при нанесении плазменных покрытий значительное влияние на механизм сцепления частиц покрытия с поверхностью подложки оказывает присутствие оксидного слоя на обрабатываемой поверхности. Рассмотрена возможность сцепления частиц покрытия со слоем поверхностных оксидов при обеспечении смачивания за счет контактного нагрева слоя поверхностных оксидов до температуры плавления. Определены условия смачиваемого контакта при нестационарном теплообмене в зависимости от теплофизических свойств контактной пары, температур частиц покрытия и подложки. Выполнена оценка времени смачивания в зависимости от толщины оксидного слоя.
Ключевые слова: прочность сцепления, когезионная прочность, смачивание, химическое взаимодействие, нестационарный теплообмен.
Введение
Плазменные покрытия, обладающие высокими износостойкими и защитными свойствами широко применяются в машиностроении. Существенным недостатком этих покрытий является низкий уровень прочности сцепления и когезионной прочности, которые составляют только 10-15 % от прочности компактного материала [1, 2]. Прочность сцепления зависит от параметров в зоне контакта и состояния поверхности подложки. Значительным фактором влияния на прочность сцепления является присутствие оксидов на поверхности подложки. При этом не исследованным остается вопрос о механизме сцепления частицы с поверхностью изделия при наличии на ней поверхностных оксидов.
Металлографическое исследование микрошлифов показывает наличие темного оксидного слоя вокруг каждой частицы покрытия. Наибольшая толщина оксидного слоя наблюдается в контакте между покрытием и подложкой [1]. Отсюда следует, что когезионная прочность и прочность сцепления зависит от прочности промежуточного слоя оксидов в зонах контакта. При исследовании этой проблемы следует учитывать условия смачивания поверхности при наличии на ней оксидного слоя. Существует модель прочности сцепления плазменных покрытий, основанная на протекании процесса химического взаимодействия между поверхностями в зоне физического контакта [1, 2]. Эта модель предполагает наличие физического контакта покрытия и подложки. Однако при наличии твердых поверхностных оксидов пленка оксидов не смачивается жидким металлом ввиду отличия строений и параметров их кристаллических решеток [3] и, поэтому, физический контакт покрытия и подложки отсутствует. При отсутствии смачивания поверхностных оксидов металлом покры-
тия частицы будут отскакивать от подложки при формировании покрытия. Существующая прочность сцепления плазменных покрытий на стали составляет 30-40 МПа и близка по величине к прочности поверхностных оксидов 45-50 МПа, которые используются для защиты металла от коррозии. Поэтому в качестве рабочей гипотезы используется предположение о наличии смачивания расплавленных поверхностных оксидов жидким металлом, а задача работы заключается в определении условий смачивания.
Одним из условий смачивания является плавление поверхностных оксидов в зоне контакта с частицей покрытия [3]. Прочность сцепления в зоне оплавленного контакта обусловлена прочностью оксидной пленки. Значения температуры плавления оксидов железа приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Значения температур плавления оксидов железа
Оксиды железа Формула Тпл, К [5] t OC 1 плз ^
Вюстит FeO 1647 1374
Магнетит Fe3Ü4 1867 1594
Гематит Fe2O3 1838 1565
В составе поверхностного оксидного слоя преобладает магнетит. Однако температура его плавления достаточно высока и превосходит температуру плавления стали. При нанесении стальных покрытий на стальную подложку контактная температура, по оценкам [1], составляет 850-900 °С, что почти вдвое ниже температуры смачивания оксидов. Таким образом, актуальная проблема исследования механизма сцепления плазменных покрытий связана с уточнением уровня контактной температуры, необходимой для смачивания подложки. Поэтому целью настоящей работы является определение возможности и условий достижения
© Е. А. Зеленина, 2015
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2015
35
температуры смачивания поверхностных оксидов при нанесении плазменных покрытий.
Физическая модель нестационарного теплового контакта
Существующие методы оценки контактной температуры используют модель неподвижного контакта частиц с подложкой [1]. При этом уровень контактной температуры оказывается значительно ниже температуры плавления подложки. Указанный подход является, по-видимому, предварительной оценкой, поскольку не учитывает возможность перегрева напыляемых частиц значительно выше температуры плавления, как показано в дальнейших исследованиях. Например, в [4] показано, что при распылении проволоки - анода в плазмотроне температура частиц покрытия достигает температуры кипения, а не плавления металла, как предполагалось в [1].
Рассмотрим нагрев подложки под действием теплового потока поступающего при контакте с жидкой частицей. Для расчета температурного поля используется уравнение нестационарной теплопроводности [5]:
— - а—
дт дх2
(1)
где t - температура подложки, зависящая от времени нагрева т и координаты х, направленной вглубь подложки; а - Х / рс - коэффициент температуропроводности, определяемый величинами теплопроводности - Х, плотности - р и теплоемкости подложки - с.
Для решения уравнения (1) задаются начальное (2) и граничное (3) условия для частицы с начальной температурой t и поверхности подложки с начальной температурой t2.
Зададим начальные и граничные условия для плоской полуограниченной поверхности подложки
т - 0 : t2 = сопб1
(2)
дt
т > 0 : х = 0: t = tk; х ^ ю : — = 0 ^ t = (3)
где tk - температура в контакте микровыступа и частицы покрытия.
Решение уравнения (1) можно представить в виде
[4]:
г - Í2-е(4 -12),
(4)
где е - параметр температуры, который выражается через интеграл ошибок
1
е-1 - вф
где величина
^ - ат / х
(5)
(6)
представляет критерий Фурье, который равен квадрату отношения глубины распространения тепловой волны к координате, отсчитываемой от поверхности подложки. Плотность теплового потока на поверхности в зоне контакта согласно [5]:
0 - Х 81 - Х- ?2)
у 2 — -Х 2- —--
дх
(7)
Аналогично с формулой (7) определится плотность теплового потока в частице покрытия
01 —-Х1
дt дх
ХД - tк)
(8)
Здесь и ниже теплофизические коэффициенты подложки обозначаются индексом - «2», а коэффициенты частицы покрытия - индексом «1».
Глубина распространения температурного поля в подложке определяется формулой
§2 -Ф
(9)
и представляет собой длину тепловой волны в подложке.
На поверхности подложки, при х = 0, температура нагрева под действием теплового потока д2 будет равна контактной температуре, величина которой определится при равенстве формул (7) и (8), поскольку плотность теплового потока в зоне контакта полуограниченных тел не изменяется [5]:
*к -
- Ч + *2у1 Р2С2Х2/Р^А 1 + д/р2С2Х 2/Р1С1Х1
(10)
Как видно из формулы (10), контактная температура будет возрастать при относительном уменьшении плотности теплоемкости и теплопроводности подложки.
Результаты и их обсуждение
При расчетах контактной температуры принималось, что температура нагрева частиц покрытия достигает температуры кипения [4]. Выполнены оценки контактной температуры при нанесении на стальную подложку покрытия из стали. Значения теплофизических коэффициентов в твердом и жидком состояниях вблизи точки плавления [6] приведены в табл. 2. Согласно данным табл. 2, плотность металла при плавлении снижается примерно на 10 %, теплопроводность уменьшается примерно в 2 раза, а теплоемкость возрастает на 1020 %. Приведенные в литературе данные в разных источниках отличаются друг от друга на 15-20 %. Поэтому общая погрешность расчетов также близка к 20 %. В табл. 2 приведены и теплофизические коэффициенты оксида железа в твердом состоянии [7].
Таблица 2 - Теплофизические коэффициенты для жидких частиц стального покрытия а также для стальной подложки и оксидного слоя - в твердом состоянии вблизи точки плавления
Рт кГ/м3 Рж кГ/м3 Х-р Вт/м К Хж Вт/м К ст Дж/кГ К Дж/кГ К t °С t °С '•кит ^
Ее 7760 7000 29 17 662 710 1535 2735
Ге304 5240 5 783 1594
Существует время нагрева подложки, в течение которого контактная температура постоянна. Оно определится из уравнения (9) при задании толщины слоя с однородными теплофизическими свойствами
т - §2/па2. (11)
При расчете контактной температуры учитывалось, что в начальный момент контакта частицы с подложкой существует небольшой интервал времени, когда тепловая волна распространяется внутри оксидного слоя. При этом контактная температура, определяемая формулой (10), будет значительно выше, чем при отсутствии оксидного слоя, поскольку теплопроводность оксида в несколько раз меньше, чем у жидкой стали.
Расчетная оценка контактной температуры при нанесении покрытия из проволоки Нп65Г на подложку из стали Ст45 и на подложку со слоем оксида в зависимости от начальной температуры подложки приведены в табл. 3. Представляет интерес величина контактной температуры на слое поверхностного оксида, которая значительно превышает температуру его плавления. Полученный результат объясняет появление смачиваемости поверхностных оксидов в момент сцепления с частицей покрытия.
Таблица 3 - Значения контактной температуры для частиц покрытия, нагретых до температуры кипения
Покрытие Подложка t2, °С
0 50 100 150
и, °С Бе Бе 1230 1257 1285 1312
Бе Бе304 1840 1850 1870 1880
Важной является температура частиц покрытия, при которой возникает явление смачивания подложки. Согласно расчету по формуле (10), для смачивания подложки с начальной температурой 100 °С, при оплавлении оксидов, необходим уровень температуры частиц покрытия выше 2330 °С.
Для оценки времени существования пика контактной температуры использовалась формула (11). Определялась толщина слоя оксидов на подложке с использованием фото микрошлифа контакта, рис 1. Горизон -тальная линия является слоем оксидов на поверхности подложки. При увеличении 300 и толщине изображения оксидного слоя на фото - 2 мм, реальная толщина
оксидного слоя составит 7 мкм. При коэффициенте температуропроводности оксида а - Х/ рс = 4,6{10-6м2/с время прохождения тепловой волны через ее толщину, согласно (11), составит 3,4{10-6с. В указанном интервале времени температура слоя оксидов будет постоянна и соответствовать данным табл. 2. После этого интервала температурное поле распространится вглубь металла подложки, где теплопроводность выше. При этом контактная температура будет снижаться, асимптотически приближаясь к контактной температуры для юве-нильной металлической подложки, которая, согласно табл. 2, примерно на шестьсот градусов ниже. Таким образом, наличие оксидной пленки на поверхности подложки приводит к существенному повышению контактной температуры, плавлению и смачиванию оксидов с частицами покрытия.
Рис. 1. Микрошлиф контакта покрытие-подложка (увеличение 300), полученного при дробеструйной активации подложки. Покрытие Нп- 65Г, подложка - сталь Ст-5, [8]
Выводы
1. Обнаружено, что при наличии оксидной пленки на поверхности подложки контактная температура достигает температуры плавления и смачивания поверхностных оксидов, поскольку теплопроводность оксидов значительно меньше теплопроводности подложки и частиц покрытия. Контактная температура оказывается на шестьсот градусов выше, чем при отсутствии оксидной пленки.
2. Уровень температуры частиц покрытия, необходимый для возникновения смачивания оксидного слоя подложки с начальной температурой 100 °С, составляет 2330 °С, что значительно ниже температуры частиц, образующихся при распылении проволоки - анода.
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2015
37
Список литературы
1. Кудинов В. В., Иванов В. М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий / Кудинов В. В., Иванов В. М. - М. : Машиностроение, 1981. - 192 с.
2. Нанесення покриття / [В. М Корж, В. Д. Кузнецов, Ю. С. Борисов, К. А. Ющенко]. - К. : Аристей, 2005. -204 с.
3. Лисовский А. Ф. Миграция расплавов металлов в спеченных композиционных телах / Лисовский А. Ф. - К. : Наукова думка. - 1984. - 238 с.
4. Ершов А. В. Влияние экзотермических процессов на термодинамические харак-теристики при плазменном распылении металлических токопроводящих проволок / А. В. Ершов, О. Г. Быковский, А. Н. Лаптева // Физика и химия обработки материалов. - 2014. - № 1. - С. 21-24.
Зеленша О. А. Умови змочування поверхневих окси.ив частинками ra30TepMi4H0r0 покриття
Показано, що при нанесеннi плазмових покриттгв значний вплив на механизм зчеплення частинок покриття з поверхнею тдкладки чинить наявнiсть оксидного шару на оброблюванш поверхнi. Розглянуто можливiсть зчеплення частинок покриття з шаром поверхневих оксидiв при забезпеченнi змочування за рахунок контактного нагрiву шару поверхневих оксидiв до температури плавлення. Визначено умови змочування контакту при нестацiонарному теплообмiнi залежно вiд теплофгзичних властивостей контактного пару, температур частинок покриття i тдкладки. Виконана оцтка часу змочування залежно вiд товщини оксидного шару.
Ключовi слова: мiцнiсть зчеплення, когезiйна мiцнiсть, змочування, хiмiчна взаeмодiя, нестацiонарний теплообмiн.
Zelenina E. The mechanism of adhesion of particles of gas-thermal coating in the presence of surface oxides
It is shown that when applying plasma coatings a significant impact on the mechanism of adhesion of the coating particles with the substrate surface has an oxide layer on the treated surface. The possibility of adhesion of the coating particles with the layer of surface oxides while ensuring wetting through contact heating layer of surface oxides to the melting point is discussed. The conditions of the wet contact with non-stationary heat exchange, depending on the thermophysical properties of contact pairs, the temperature of the coating particles and the substrate. Time of wetting depending on the thickness of the oxide layer is estimated.
Key words: bond strength, cohesive strength, wetting, chemical interaction, non-stationary heat exchange.
5. Пехович А. И. Расчеты теплового режима твердых тел / А. И. Пехович, В. М. Жидких. - Л. : Энергия, 1976. -352 с.
6. Курдюмов А. В. Литейное производство цветных и редких металлов / А. В. Курдюмов, М. В. Пикунов, В. М. Чурсин // М. : Металлургия, 1982. - 352 с.
7. Зборщик А. М. Теоретические основы металлургического производства / А. М. Зборщик. - Донецк : ГВУЗ Дон НТУ. - 2008. - 189 с.
8. Ершов А. В. Влияние катодного распыления оксидов на адгезнонную прочность плазменного покрытия / А. В. Ершов, Н. Н. Сытников, О. Г. Быковский // Вестник двигателестроения. - 2004. - № 3. - С. 28-30.
Одержано 05.12.2015
