автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Разработка материалов на железной основе для газотермических покрытий триботехнического назначения

л

2 ^ І^фрськИи міжнародний університет цивільної авіації

ОСТРАНИЦЯ ГАННА ЄВГЕНІВНА ШК

УДК 669.15:621.891:531.44(043.3)

РОЗГОБКА МАТЕРІАЛІВ НА ЗАЛІЗНІЙ ОСНОВІ ДЛЯ ГАЗОТЕРМІЧНИХ ПОКРИТТІВ ТРИБО! ЕХНІЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Спеціальність 05.02.04 «Тертя та зношування в машинах»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському міжнародному університеті цивільної авіації Міністерства освіти України ' .

Науковий керівник: доктор технічних наук,професор Назаренко Павло Васильович, КМУЦА, ректор університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дмитриченко Микола Федорович, КМУЦА, проректор університету з міжнародних зв’язків;

кандидат технічних наук, Горбань Віктор Федорович, ЩМ НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа: авіаційний науково-технічний комплекс «АНТОНОВ», м. Київ ’•

Захист відбудеться « ЗО » квітня 1998 року о 15°° годині, на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 01.35,04 при Київському міжнародному університеті цивільної авіації за адресою:

252058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1, корп. 1, коцференцзал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КМУЦА Автореферат розісланий «25 » березня 1998 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради доктор технічних наук, професор М.С. Кулик

Загальна характеристика роботи Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів тертя і зношування в умовах граничного тертя газотермічішх покриттів систем легування Ре-Иі-Сг-АІ-Бі-С, Ре-Иі-гг-Зі-С, Ре-Сг-АІ-Бі-С з різним типом зміцнення і розробці зносостійких покриттів на основі заліза для відновлення зношених деталей машин. '

. ■ Актуальність роботи

Одним з аюуальних напрямків раціонального використання сировини, зниження матеріаломісткості і підвищення працездатності та довговічності різного класу машин та механізмів є розробка і впровадження прогресивних ресурсозберігаючих технологій для відновлення зношених деталей машин автомобільного транспорту, сільгосптехніки, авіаційної техніки та ін. Для вирішення цієї проблеми ефективним є застосування газотермічішх методів напилення, особливо в тих випадках, коли потрібно багатократне збільшення терміна служби деталей, так як традиційними методами зміцнення /наплавлення, хіміко-термічна обробка, електролітичні методи нанесення і т.д./ домогтися цього неможливо. ' і .

Для газотермічного напилення до останнього часу застосовувалися різноманітні порошкові матеріали, переважну частину яких складали нікелеві самофліосуючі сплави,, оптимальний комплекс фізнко-механічних характеристик яких досягається після оплавлення. Проте ряд досліджень показав, що нікелеві сплави не завжди досягають необхідного комплексу властивостей, в умовах граничного тертя вони практично не мають переваги перед сплавами на основі заліза, тому їхнє застосування в цих умовах недоцільне. Сплави на основі заліза практично не одержали поширення для напилення й обмежені, в основному, білими високохромістими чавунами, які застосовуються, як відомо, для наплавлення з метою підвищення зносостійкості деталей і невеликого переліку сплавів евтектичних складів, зміцнених фазами впровадження. При виборі матеріалів для нанесення покриттів практично не враховуються особливості структур, сформованих у процесі напилення, які мають істотні відмінності від структур, що отримані традиційними методами металургії. Практично не розглядається морфологія порошкових частинок через відсутність систематичних даних ,з цього питання. Проте гранулометричний склад порошку, ного технологічні властивості, морфологія частинок у значній мірі визначають властивості газотермічішх покриттів. При розробці покриттів із високими фізико-?,іехашчішми і технологічними характеристиками необхідний комплексний підхід, що включає дослідження морфології частинок, структуроутворення на стадії одержання порошку, у процесі формування покриттів, закономірностей, які спостерігаються у процесі тертя і зношування в залежності від легування, що дозволить науково-обгрунтовано підходити до вибору матеріалів покриттів, а також прогнозувати їхні властивості.

Ці дані показують виняткову актуальність робіт, спрямованих на створення матеріалів на основі заліза для газотермічного напилення. Проте подальші успіхи в створенні нових зносостійких матеріалів і забезпеченні оптимальних умов їх експлуатації залежать від достатньо глибокого розуміння механізму тертя і зношування у взаємозв'язку із структурними особливостями газотермічііих покриттів. З огляду на зростаючу потребу у використанні недорогих порошків для нанесення зносостійких покриттів слід зазначити необхідність у розробці порошкових матеріалів на основі заліза, які технологічні при одержанні, напиленні і механічнім обробці, та мають достатньо високий комплекс властивостей без оплавлення. •

Декларація особистого внеску

Вибір матеріалів для дослідження, виготовлення матеріалів на основі заліза, дослідження їх структурних перетворень, поверхневих вторинних структур, технологічних і фізико-мехапічних властивостей, побудова математичних моделей триботехнічішх характеристик, а також проведення промислових випробувань проведено безпосередньо автором дисертаційної робота. •

. Мета роботи і задачі досліджень

Мста роботи: розробка сплавів на основі заліза, призначених для нанесення зносостійких покриттів, а також відновлення зношених деталей машин.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні

задачі:

1. Визначити системи легування, методи одержання порошків і напилення покриттів.

2. Вивчити вплив легування па морфологічні і технологічні характеристики порошкових сплавів па основі заліза, дослідити структурні перетворення сплавів па стадії виготовлення і при газотсрмічному напиленні.

3. Вивчити вплив структури газотермічііих покриттів на формування

вторинних структур. '

4. Вивчити вплив легування і типу зміцнюючої фази на особливості зношування газотермічііих покриттів в умовах граничного тертя та їхні триботехнічні характеристики.

5. Розробити технологічні рекомендації, виготовити дослідно-промислові партії матеріалів, провести випробування в промислових умовах.

Наукова новизна

' 1. На підставі комплексного аналізу принципів легування зносостійких матеріалів, температурно-часових умов формування структур порошкових матеріалів і покриттів зроблено обгрунтований вибір систем легування для одержання зносостійких покриттів, що забезпечують необхідний комплекс фізико-механічних і технологічних характеристик.

2. Вивчено вплив легування на структуроутворення газотермічних покриттів. Установлена принципова різниця між структурою покриття і струюурою вихідних порошкових сплавів. Особлпвостями покриттів є формування в прошарку структур із різноманітним механізмом зміцнення (дисперсійне твердіння, утворення пересичених твердих розчинів змінної концентрації, фазова перекристалізація з величиною зміцнюючої фази меншою за величину такої ж порошкового сплаву), що визначає високу гетерогенність газотермічних покриттів.

3. Встанрглєно, що в процесі напилення взаємодія порошкового сплаву з навколишньою атмосферою і робочими газами приводить до насиченості структурних складових киснем, до спільної локалізації оксидів і пористості, що сприяє формуванню в процесі тертя вторинних структур оксидного типу.

4. Вивчено вплив легування на склад, морфологію і твердість оксидів, що дозволяє регулювати ці характеристики.

' Фази впровадження МеС, на відміну від інших фаз, у процесі напилення зберігають склад, морфологію, твердість, не розчиняються у матриці, що визначає найбільш високу гетерогенність та твердість таких покриттів.

. 5. Вивчено закономірності зношування і встановлено взаємозв'язок

структури газотермічних покриттів з їх триботехнічнимн характеристиками. Показано визначальний вплив пористості на формування вторинних структур газотермічних' покриттів. Експериментально допедено, що пористість, насиченість фаз киснем, морфологія і твердість оксидних фаз є вирішальним фактором, що обумовлює механізм тертя газотермічних покриттів на початкових його етапах, а тил зміцнюючої фази, визначає на сталій стадії тертя антифрикційні характеристики трибоппрн.

Встановлено, що особливістю механізму зношування покриттів є взаємний елементопереное, який супроводжується процесом, аналогічним процесу механічного легування, утворенням вторинних гетерогенних структур оксидного типу, що характеризує мехпно-хімічнин знос.

Практичне значення

Розроблено економно-леговані сплави на основі заліза для зміцнення і відновлення зношених деталей автомобільного транспорту, сільськогосподарської техніки, складені ТУ і ТІ, видані рекомендації по їхньому застосуванню. Виготовлено дослідні партії матеріалів, що пройшли промислові випробування для відновлення колінчатих валів різноманітних типів азтомобілей, деталей наземної авіаційної техніки, при цьому одержана позитивна оцінка у споживачів.

Впроваджений результатів роботи

Результати дисертаційної роботи використовуються для відновлення колінчатих валів автомобілем КамАЗ, дпк відновлення та зміцнення різних

З

деталей машин, що працюють в умовах тертя, зокрема, машин наземної техніки (станки, інструмент) і тролейбусів; розроблені ТУ і ТІ.

Публікації

Основний зміст роботи викладено в 12 друкованих працях, у тому числі в журналах «Проблеми трибології», «Трение и износ» і «Порошковая металлургия» '

Апробація роботи Результати роботи доповідалися і обговорювалися на: науково-технічній конференції «Зносостійкість і надійність машин» (Хмельницький, 1996); XVII звітній науково-технічній конференції КМУЦА (Київ, 1996); Міжнародній науково-технічній конференції «Забезпечення безпеки польотів у нових економічних умовах» (Київ, 1997); Міжнародній науково-технічній конференції «Нові матеріали і технології в трибології» (Гомель, 1997); Другій Міжнародній Конференції «Конструкційні та функціональні матеріали» (Львів, 1997); Міжнародній конференції «Новітні процеси і матеріали в порошковій металургії» (Київ, 1997). .

Структура та обсяг роботи .

Дисертація складається з вступу, семи розділів, закінчення, загальних висновків, списку літератури (135 найменувань), додатків. Загальний обсяг роботи складає 180 сторінок, 53 рисунки, 8 таблиць включно.

Зміст роботи ‘

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, викладені основні передумови, які визначають мета і задачі досліджень. ,

У першому розділі дисертаційної роботи дається порівняльний аналіз матеріалів і методів їх нанесення для відновлення зношених деталей машин. Розглянуто основні принципи створення зносостійких матеріалів, їх легування для формування мікрогетерогенної структури. Зокрема відзначається, що газотермічні покриття, в порівнянні з наплавлешшми, забезпечують більш високу довговічність відновлених'деталей автомобільного транспорту, що працюють в умовах граничного тертя. Приводяться дані, що показують актуальність робіт, спрямованих на створення матеріалів на основі заліза для газотермічного напилення. Відзначається, що подальші успіхи в створенні нових зносостійких матеріалів і забезпеченні оптимальних умов їх експлуатації залежать від достатньо глибокого Р9зуміння механізму тертя і зносу, вивчення умов формування вторинних структур, що роблять вирішальний вплив на зносостійкість пари тертя. При цьому відзначається, що створення матеріалів, які мають гетерогенні механічні властивості з виборчими.по інтенсивності окислення складовими структури, забезпечує оптимальні характеристики, вторинних структур і мінімальне знонгувашія елементів трибопари. На основі

проведеного аналізу сформульовані вимоги до розробки матеріалів на основі заліза, мета і задачі дослідження.

В другому розділі обгрунтовано вибір систем легування, що забезпечує різний тип матриці і зміцнюючої фази, технології отримання матеріалів, методи їх нанесення, приведені методики проведення експерименту. Базовою була вибрана система Ре-С-Бі з наступним легуванням елементами, які сприяють утворенню карбідів, а також алюмінієм, що впливає на формоутворення порошкових частинок, модифікуванням церієм, кальцієм, що забезпечують чистоту поверхні порошкових частинок (табл.1). Співвідношення основних елементів вибиралося таким чином, щоб забезпечити формування структур, що містять до 25.0 % зміцнюючої фази у виді карбідів цементитного типу, карбідів хрому різноманітного стехіометричного складу.

Для порівняння досліджували покриття з порошків на нікелевій основі з інтерметалідним зміцненням (ИІ-АІ), а також на запізо-нікелевій основі, які зміцнені карбідами МеС і Ме5зС6. •

. Газотермічні покриття наносили на установці УПУ-ЗД в аргон-азотній плазмі і детонаційним методами в пропан'-бутан-кисневій суміші по оптимальним режимам. Товщина покриттів складала 250-500 мкм на сторону.

Порошки з матеріалів на залізній і зилізо-нікелевій основах одержували методом диспергування розплавів водою високого тиску на установці «Факел» в ІПМ НАН України. Гранулометричний склад порошків оцінювали методом ситового аналізу по ГОСТ 1-8318-73. Фракційний склад визначали на приладі «Сайзер» по ГОСТ 19550-74, насипну густину - по ГОСТ 20318-75. Характер розподілу елемеїггів на Поверхні порошкових матеріалів, у мікрооб’ємі порошків і покриттів вивчали методом локальної Оже-електронної мікроскопії на приладі ЛАМР-ЮБ і мікрорентгеноспектргльному аналізаторі «Бирег-РгоЬ733>>. Фазовий склад покриттів визначали на .рентгенівській установці «Дрон-ЗМ» у мідному і кобальтовому випромінюваннях.

Триботехнічні випробування проводили в умовах граничного тертя ковзання в гідрорідині АМГ-І0 (ГОСТ 6794-75) прн навантаженнях 5,0-

20,0 МЛА, швидкостях ковзання - 0,5-1,5 м/с, з коефіцієнтом перекриття 0,5. Об’єктом дослідження були кільцеві і зразки зі сталі 30ХГСА (ГОСТ4543-71) після поліпшення, на які наносили покриття. В якості контргіл використовували зразки з бронзи БрАЖМц ІОтЗ-1,5 (ГОСТ 1628-60), а також сталі 30ХГСА після поліпшення. .

У третьому ротділі подані результати дослідження впливу легування на структуру, морфологічні і технологічні характеристики порошкових сплавів. Установлено, шо найбільший вплив на морфологічні характеристики порошку, незалежно від системи. легування, вносить алюміній, що пояснюється утворенням на поверхні частинок тугоплавких термодинамічно стійких оксидів і

• Таблиця

Хімічний склад і технологічні властивості порошкових матеріалів______________________________

№ п/п Скстгма леїуванн* . Вміст елементів, нас. % Тип зміцнюючої фази Мікро- твердість, ГПа Насипна щільність, г/см Теку- чість, с/50 Ф-

Сг А1 С Бі інші елементи

1 Рс-Сг-АІ-Бі-С 1,0 0,5 «.5 2.0 В до 0,1%, Тіло 0,3% Ре-основа Ме3С 9,8-10,9 2,98 32,6

2 Ре-Сг-АІ-Бі-С 3,0 1.5 2.0 2,0 В до 0,1% Ре-основа Ме3С 4,3-5,3 2.57 39,7

3 Ис-Сг-АІ-Бі-С де 2,0 2.5 2,0 Се до 0,05 %, В до 0,1 % Мо до 5,0 %, ре-основа Ме3С 8,7-10,3 2,41 39,8

4 Ре-Сг-АІ-Бі-С 12.0 3,0 1.5 2.0 В до 0,1%, Се до 0,02 %, Ре-основа Ме;С, МЄ7С3 5,1-5,9 2,38, 48,1

5: Ре-Сг-АІ-Бі-С 25.0 1,7 2,5 2,0 В 0,1-1,5 %, Ті до 0,1 %, Ре-основа МетСз 7,9-9,0 2,28 45,5

6 Ре-Сг-Мп-АІ-й-С 15,0 3,0 2,2 1,5 Мп до 7,0 %, Ті до 0,1 %, Ре-основа МЄ7С3, МсзС 5,5-1,0 2.51 33,1

7 Ре-Мі-Сг-М-Бі-С 17,0 10,7 С.8 1.1 Кі-20,0%, Ре-основа МЄ7С3 - . ' 5,5-7,5 2,35 40,5

8 Ре-Кі-гг-Бі-С — —. 1,2 9.5 7х 10%, N1-34,9%, Ре-основа МезС, МеС, 6,5-17,5 3,35 23,6

9 №-А1 1.0 23.0 .“■7. — Мо, Сг, АУ до 0,1 %, Ре-1,0 %, №-основа N1 КіАІ, МзАІ 6,5-7,5 2,19 ве тече

дозволяв змінювати морфологію частинок від глобулярної до коралоподібної з дуже розвинутою поверхнею. Алюміній робить суттєвий вплив на товщину окисленого прошарку, його склад. Утворення щільних і тонких плівок, що захищають об’єм частинки від окислення, відбувається при вмісті алюмінію 1,5-2,5 % і відповідає вмісту кисню в порошку не більше 0,2-0,3 %, при цьому спостерігається різке зниження сферичності частинок, утворення порізаного мікрорельєфу, що свідчить про утворення термодинамічно стійких оксидів, які захищають тіло частинок від окислення.

Дендритна структура порошків відрізняється високою дисперсністю і рівномірністю, пористістю капілярного типу, що передбачає одержання покриттів Достатньо високої якості.

У четвертому розділі подані результати дослідження структури газотермічних покриттів у залежності від легування і методу напилення.

Встаноплено, що в процесі газотермічного напилення відбуваються значні структурні зміни порошкових сплавів, що містять евтектику, які пов'язані

З одночасним протіканням процесів перегріву, перекристалізації, взаємодією з атмосферою, що сприяє формуванню структур із різноманітним механізмом зміцнення, підвищенню їхньої гетерогенності. При цьому слід зазначити Наступні структурні особливості, властиві в тій або іншій мірі плазмовому і детонаційному напиленню;

— втрата регулярної орієнтації евтектичних складових структури внаслідок нагрівання частинок і їхньої пластичної деформації;

' — часткове розчинення карбідних, інтерметалідннх, скліцндних складових, що супроводжується збільшенням мікропористості, утворенням вироджених евтектик;

— утворення пересичених твердих розчинів змінної концеїпрації;

— часткова або повна перекристалізація частинок, що формують покриття;

— дисперсійне твердіння, пов'язане з розпадом пересичених твердих розчинів і виділенням оксидів, нітридів, карбідів, що супроводжується підвищенням мікротвердості окремих зерен;

—- утворення оксидних фаз, розташованих між прошарками, частинками, усередині самих частинок, що відрізняються морфологією, складом, мікротвердістю;

— формування пористості.,

• Слід зазначити, що структури плазмових і детонаційних покриттів істотно відрізняються. У першому випадку відбувається практично повна перекристалізація основної маси частинок із суттєвим збільшенням частки пересичених твердих розчинів, переважно у-заліза змінної концентрації, що свідчить про високе нагрівання і переохолодження. Мікротвердість плазмових покриттів, як правило, менше мікротвердості порошку, при цьому спостерігається розширення діапазону її значень (рис!,а,б). Злами плазмових

покриттів, в основному, складаються з численних прошарків товщиною не більш Імкм, сформованих розплавленими і деформованими частинками.

Структура детонаційних покриттів має велику подібність із структурою порошку. При цьому відбувається переважно роздрібнення, оплавлення, пластична деформація, взаємодія його з киснем, що супроводжується утворенням оксидів менших розмірів, ніж при плазмовому напиленні. В цілому структура детонаційних покриттів більш дрібнодисперсна і щільна, переважають, в основному, твердофазні реакції, пов'язані з частковим розчиненням структурних складових, дисперсійним твердінням, що обумовлює підвищення мікротвердості, величина якої перевищує мікротвердість вихідного порошку (рис. 1). Встановлено, що фази впровадження МеС, на відміну

Рис. 1. Варіаційні криві мікротвердості сплавів системи легування . Ре-№-2г-8і-С (а) і Ре-Сг-ЛІ-БІ-С (б)

зміцнюючих фаз, у процесі гіпотермічного напилення не зазнають суттєвих змій, зберігаючи геометричну початкову огранку, практично не розчиняючись у матриці і визначають найбільш високу гетерогенність і твердість покриттів а також пористість. При цьому на варіаційних кривих мікротвердості спостерігається два максимуми, що характеризують основні структурні складові покриттів (рис. 1, а). .

Встановлено, іцо в результаті взаємодії, легуючих елементів з атмосферою вміст кисню в покриттях збільшується в 4-5 разів у порівнянні з вихідним порошком. Кисень розчиняється практично в усіх структурних складових, а також є присутнім у виді оксидів різноманітної морфології. Склад оксидів, насамперед, визначається спорідненістю легуючих елементів до кисню і в меншій мірі його кількісним вмістом ц сплаві Різно-машГш.сті. форм,

розмірів, складів оксидних фаз пояснюється- нерівноважними умовами їх формування, що сприяє утворенню голчатих, пластинчастих, пластівчастих і інших форм включень. Мікротвердість оксидів складає 3-20 ГПа, величина - від десятих долей до одиниць мікрона, кількість ^ 10,0-30,0 % в залежності від складу і методу напилення, що значно впливає на гетерогенність і фізико-механічні характеристики покриттів.

Формувати оксидів між частинками і прошарками визначається переважно складом вихідного порошку, а в ряді випадків, поверхневими оксидами вихідного порошку. Кисневі з'єднання в покриттях на залізній основі, що утворюються по межах частинок і прошарків, складаються переважно з оксидів заліза і відповідають високотемпературним модифікаціям їїе:Оз і Ре3Оц, що збереглись, напевно, за рахунок значної швидкості охолодження. Мікротвердість оксидних фаз, що утворюються в об’ємі покриття, відрізняється від значень, що відповідають оксидам стехіометричного складу й у більшості випадків менша, що пояснюється дефектністю їхньої структури, яка формується в нерішіоважннх умовах кристалізації і легування. '

Встановлено, що перераховані особливості мікроструктури визначають високу структурну і фазову неоднорідність покриттів, яку можливо регулювати не тільки легуванням, але і гранулометричним складом порошку.

У п’ятому розділі подані дослідження фізико-механічннх властивостей покриттів у залежності від легування, типу зміцнюючої фази, методу напилення, збудовані математичні моделі зносостійкості. '

Вивчено морфологічні і структурні перетворення газотермічшіх покриттів на початкових етапах тертя, обумовлені їхніми структурними особливостями, до яких варто віднести:

— вигладжування поверхні, що супроводжується руйнуванням гребенів шорсткості, переважно по краях пор;

--- заповнешія мікропор частинками зносу покриття і контртіла;

— елементоперенос в одному або двох напрямках, у залежності від типу зміцшеючої фази;

— зменшення поверхневої пористості в 1,5-2,0 рази в залежності від легування і типу зміцнюючої фази;

—- утворення нових пор у результаті викришування структурних складових, зокрема, оксидів; .

— поява слідів проорювання. .

• При терті по бронзі на початкових етапах тертя спостерігається перенос бронзи па покриття, у результаті чого відбувається зміна морфології поверхні покриття, що приводить до формування прошарку, що має склад, відмінний від складу покриття. .

Встановлено, що величина пор, їхня кількість і характер розподілу визначають у значній мірі зміну якісного складу поверхні.

Рівень триботехнічних характеристик визначається взаємним елементопереносом стичних поверхонь. У тих випадках, коли елементоперенос спостерігається в одному, напрямку (перенос бронзи на поверхню покриття), трибопара має достатньо високий рівень антифрикційних властизостей і характеризується утворенням на стичних поверхнях гетерогенних вторинних структур збагачених киснем, однорідних по товщині. До таких трибопар варто віднести покриття на нікелевій основі, які зміцнені інтерметалідами і покриття, що зміцнені фазами впровадження МеС. .

При взаємному елементопереносі покриття і бронз'! спостерігається зниження антифрикційних характеристик трибопари, до яких варто віднести покриття на залізо-нікелевій і запізній основах, зміцнених карбідами МезС, МЄ7С3, Ме23С6. . г . .

На підставі проведеного повного факторного експерименту і статистичної обробки експериментальних даних отримані рівняння регресії другого порядку, що адекватно описують процеси зношування покриттів.

Результати експерименту показали, що газотермічні покриття в усьому діапазоні швидкостей і навантажеііь зношуються набагато менше бронзи, що свідчить про їхню високу зносостійкість.

Переважним фактором, що впливає на працездатність пари, є навантаження, із підвищенням якої інтенсивність зношування більш м'якого бронзового контртіпа зростає (рис.2). . ■

Встановлено, що для газотермічних покриттів характерний механо-хімічніш знос, що супроводжується утворенням на їхніх поверхнях гетерогенних вторинних структур збагачених киснем з елементами проорювання й втомного викришування. Характер зміни коефіцієнта тертя з ростом швидкості ковзання, його стабільність свідчать про самоорганізацію вторинних структур, що забезпечує високу працездатність газотермічних покриттів (рис.3). . . .

На поверхнях покриттів незалежно від методу напилення утворюється комплекс структур у виді шпінелей на основі оксидів металів, що входять до складу покриттів і контртіла. Покриття, що містять фази впровадження МеС, відрізняючись більш високою пористістю, гетерогенністю структури, прироблюються гірше, ніж покриття іншого складу. Елементоперенос на поверхню бронзи при цьому не відбувається, тоїуіу що фази впровадження, маючи найбільш високу мікротвердість, знижують деформаційну складову сили тертя і тим самим зменшують адгезійну взаємодію трибопари, що відповідає достатньо високим триботехнічним характеристикам пари на сталій стадії тертя. Тертя покриттів по контртілу, твердість якого співставлена з твердістю покриттів (термооброблена сталь) супроводжується зношуванням контртіла на порядок менший, ніж при терті по бронзі і відповідає формуванню твердих

оксидних структур, переважно II типу на • обох стичних поверхнях. У даному випадку частинки зносу, диспергуючись до субмікронних розмірів і

Рис. 2. Інтенсивність зношування бронзи Рис. 3. Коефіцієнт тертя дстона-БрАЖМц 10-3-1,5 при терті по газотерміч- ційішх покриттів у залежності від ним покриттям в залежності від наванта- швидкості ковзання (Р=10 МПа, ження(У=1 м/с, середовище АМГ-10) середовище АМГ-10)

перемішуючись, утворюють механічно перемішаний матеріал із надзвичайно тонкою зернистістю, коли кожна частинка такого композита містить компоненти покриття і контртіла. Продукти зносу, що формуються в результаті механічного легування, можуть служити або твердим мащенням, заповнюючи пори покриття і знижуючи енлу тертя, або, набуваючи високу адгезійиу здатність у результаті диспергування, формують на одній із стичних поверхонь щільніш твердий прошарок дисипативних структур, що значно знижує силу тертя на сталій стадії. Детонаційні покриття, в порівнянні з плазмовими такого ж складу, мають більш високі антифрикційні характеристики, що визначаються, в значній мірі, утворенням вторинних структур рівномірних по товщині та складу. -

Експериментально встановлено, що зносостійкість газотермічних покриттів на основі заліза незалежно від методу нанесення вища в порівнянні із зносостійкістю покриттів на нікелевій основі, а, порівняний рівень антифрикційних характеристик знаходиться в інтервалі швидкостей 0,5-1,0 м/с і навантажень до 10,0 МПа (рнс.4). .

У шостому розділі розглядаються питання технології одержання порошкових сплавів розпиленням розплаву водою високого тиску.

Приводиться технологічна схема виробництва. Результати провєдепих досліджень дозволили створити матеріали, технологічні при виробництві, !Ї:ю"

а : б в

Рис. 4. Інтенсивність зношування. і коефіцієнт тертя трибопар після випробувань в середовищі АМГ-10 (а - Р=5 МПа, \М),5 м/с; б -Р=10 МПа, У=1,0 м/с; в - Р=20 МПа, У-1,5 м/с)

ШЕЗ - знос бронзи БрАЖМц 10-3-1,5 О . коефіцієнт тертя Г~3 - знос покриття

1-ИІ-АІ (детонація); б-Рс-Сг-АІ-Бі-С (Сг-1%, АІ-0,5%) (детонація);

2-Ре-Иі-2г-5і-С (детонація); Т-Ре-Сг-АІ-Бі-С (Сг-3%, АІ-1,5%)(детонація);

3-Ре-№-2г-8і-С (плазма); Б-Ре-Сг-АІ-Бі-С (Сг-І2%, АІ-3,0%)(детоііаиія);

4-Ре-№-Сг-А1-5і-С (детонація); 9-Ре-Сг-АІ-5і-С (Сг-25%, АІ-Ю,7%)(детонація);

5-Ре-№-Сг-АІ-5і-С (плазма); 10-сталь-45

напиленні й обробці, що забезпечують формування покриття детрнацінним методом товщиною до 0,5-1,0 мм без застосування підшару. Суттєвою перевагою таких матеріалів є регулювання їхніх складів у широких межах без зміни технології виготовлення і можливість виготовлення з вторинної сировини.

У сьомому розділі приведені результати випробування матеріалів, напилених на деталі автомобільної техніки, електротранспорту для відновлення колінчатих валів різноманітного типу, дані рекомендації по їхньому застосуванню. : ,

На підставі проведених лабораторних і промислових випробувань вибрані оптимальні склади, виготовленідрібносерійні партії матеріалів, що були використані, зокрема, для відновлення колінчатих валів автомобіля «КамАЗ» замість нікелевого сплаву ППОН-01, які показали позитивні результати, що підтверджено актами промислової перевірки.

Основні висновки

1.На підставі комплексного аналізу принципів легування зносостійких

матеріалів і температурно-часових умов структуроутворення порошків і покриттів обгрунтовано вибір складів для отримання зносостійких покриттів систем №-АЬ, Ре-Иі-Сг-АІ-Бі-С, Ре-КГі-гг-Бі-С, Ре-Мп-Сг-АІ-Бі-С, Ре-Сг-АІ-Бі-С із різноманітним типом зміцнення. .

2. Вивчено формоутворення, морфологічні і технологічні

характеристики порошків у залежності від легування. Встановлено визначальну роль алюмінію у формоутворенні порошкових частинок при розпиленні водою високого тиску, визначено вміст цього елемента, що складає 0,5-2,5 %, вибрано технологічну схему виготовлення порошку, оптимізовано параметри виготовлення. .

3. Встановлено, що при газотермічному напиленні відбувається якісна і кількісна зміна структури, що є принципово відмінною від структури порошку. Особливостями покриттів є формування структур із різноманітним механізмом зміцнення (утворення пересичених розчинів перемінної концентрації, дисперсійне твердіння, перекристалізація зі зміною величини зміцнюючої фази), утворення оксидів, пор, кількість яких визначається типом легування. Фази впровадження МеС, у процесі напилення практично не розчиняються в матриці, що визначає найбільш високу твердість і гетерогенність покриттів.

4. Оксиди, що утворюються в газотермічних покриттях, мають перемінний склад, морфологію і мікротвердість у залежності від легування. Склад оксидів переважно визначається спорідненістю елементів до кисню й у меншій мірі залежить від кількісного співвідношення елементів у сплаві.

5. Коефіцієнт гетерогенності покриттів визначається типом зміцнюючої фази і складає 0.3-2.8 в залежності від складуй Покриття на залізній і залізо-нікелевій основах, зміцнені карбідами МезС, МЄ7С3, МегзСб, мають меншу гетерогенність, ніж покриття, що містять фази впровадження МеС, що визначає велику гранично припустиму товщину покриттів при напиленні.

6. Вивчено закономірності зношування й установлено взаємозв'язок

структурних особливостей покриттів із їхніми триботехнічними характеристиками. Морфологічними особливостями покриттів на початкових етапах тертя є зменшення поверхневої пористості в 1,5-2,0 рази, зміна складу поверхні в результаті механічного легування. '

7. Встановлено, що для усіх покриттів переважним є механо-хімічний знос з елементами проорювання й втомного викришування, що супроводжується утворенням гетерогенних оксидних вторинних структур. Рівень триботехнічізіх характеристик визначається взаємним елемеїггопереносом трибопарн, типом зміццюючої фази. Сплави системи №-АІ, зміціїепі іптерметалідами і сплави системи Рз-Мі-гг-Бі-С, зміцнені фт-" -впровадження МеС, мають найбільш високі антифрикційні ’ стери

Процес тертя протікає без переносу покриття на бронзу.

8. Визначено рівняння регресії зносостійкості в залежності від навантаження і швидкості ковзання. Покриття на основі заліза, зміцнені карбідами різноманітного стехіометричного складу, мають більш високу зносостійкість у порівнянні з нікелевим сплавом з інтерметалідним зміцненням, що визначається типом і складом вторинних структур. Порівнюваний рівень антифрикційних властивостей для покриттів із різноманітним типом зміцнення знаходиться в інтервалі навантажень 5,0-10,0 МПа, швидкостей ковзання 0,5-

1,0 м/с. Визначальним фактором працездатності покриттів є навантаження. Руйнування покриттів після тривалого контакту пов'язано з викришуванням окремих структурних складових, зокрема, оксидів, що викликають елементи проорювання й втомного викришування.

9. Розроблені порошкові сплави на основі заліза, складені ТУ і ТІ, дані рекомендації по їхньому застосуванню. Проведено дослідно-промислову перевірку матеріалів, виготовлених дрібними серіями на підприємствах автомобільного транспорту, сільгосптехніки для відмовлення зношених колінчатих валів різноманітних пшів, що показала конкурентоздатність розроблених матеріалів у порівнянні з нікелевими сплавами.

За темою дисертації опубліковані такі роботи

2. Полищук И.Е., Назаренко П.В., Остраница А.Е. Износостойкие

газотермнческие покрытия на основе железа / / Проблеми трибології. - 1997. -Кз 1 - С. 28-36. ■

• 2. Назаренко П.В., Полищук И.Е., Малышенко А.А., Остраница А.Е.

Влияние легирования на морфологические и технологические характеристики порошковых эвтектических сплавов на основе железа / / Порошковая металлургия. - і 995. -№ 11/12 - С. 1-5.

3. Назаренко П.В., Полищук И.Е., Остраница А.Е. Особенности структурных изменений в газотермических покрытиях при трении //Трение и износ. - 1996. - Т. 17, №4. - С. 531-537.

. 4. Назаренко П.В., Полищук И.Е., Коваль А.Ю., Осгращща А.Е. Структурные изменения эвтектических сплавов при газотсрмичсском напылении //Порошковая металлургия. - 1996. - № 5/6 - С. 57-63.

5. Остраница А.Е., Назаренко П.В., Полищук И.Е., Ковать АЛО. Влияние легирования на структурные характеристики оксидной фазы в газотермических покрытиях / / Порошковая металлургия. - 1997. - № 9/10 - С. 38-43.

6. Назаренко П.В., Полііцук І.Є., Острапиця Г.Є. Технологічні та структурні особливості сплаів на залізній основі для газотермічних покритгів / / Металознавство та обробка металів.- 1997.-№ 1 - С. 55-60..

7; Остраница А.Е. Структурная неоднородность газотермнческих покрытий // Элекгронная микроскопия, - Киев :ИГІМ нм. И.Н. Францевича. -

1996. - С. 204-212.

8. Назаренко П.В., Полищук И.Е., Остраішца А.Е. Структура ,и

триботехнические свойства газотермнческих покрытий в зависимости от легирования / / матеріали другої міжиар. конф. «Конструкційні та функціональні матеріали». - Львів:Державпий університет «Львівська політехніка. - 1997. - С. 229-230. 11

9. Остраниця Г.Є. Триботехнічні властивості газотермічних покриттів на основі заліз? / / тези доповідей XVII звітної науково-технічної конференції університету за 1996 рік. - Київ: КМУЦА. - 1997. - С.155-156..

10. Остраница А.Е. Полищук И.Е. Работоспособность газотермических покрытий при трешш в АМГ-10 / / материалы междунар. конф. «Обеспечение безопасности полетов в новіх економических условиях». - Киев: КМУГА. -

1997. - С.295-296.

11. Назаренко П.В., Остраница А.Е. Полищук И.Е. Особенности изнашивания газотермнческих покрітий / / тезисы докладов Второй Американо-Восточно-Европейской конф. «Новые материалы и технологии в трибологии». - Гомель: ИММС НАНБ. - 1997. - С. 183-184.

12. Назаренко П.В., Полищук И.Е., Остраница А.Е. Газотермические покрытия из сплавов на основе железа для восстановления изношеных деталей машин / / тезисы докладов междунар. конф. «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии». - Киев: ИПМ им. И.Н. Францевича. -1997. - С. 215.

Анотація

Остраниця Г.Є. Розробка матеріалів на залізній основі для газотермічних покриттів триботехнічного призначення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Київський міжнародний університет цивільної авіації, Київ, 1998.

Проведена робота спрямована на створення порошкових сплавів на основі заліза для газотермічного напилення замість нікелевих сплавів, які використовуються для нанесения зносостійких покриттів. Досліджено порошкові матеріали та газотермічні покриття на основі заліза з карбідним та інтерметалідним зміцненням, вивчено вплив багатокомпонентного легування на їхню структуру, фазовий склад, технологічні, фізнко-механічні, триботехнічні властивості. Вивчено вплив легування на особливості зношування газотермічних покриттів, кінетику формування вторинних структур. Показано взаємозв’язок триботехнічних характеристик покриттів із складом та структурою. На основі проведених досліджень розроблена серія порошкових матеріалів на основі заліза, що мають широкий діапазон використання, оптимізована технологія їхнього виробництва.

Ключові слова: порошок, легування, газотермічні покриття, зміцнююча фаза, триботехнічні характеристики, вторинні структури.

О страница А.Е. Разработка материалов на железной основе для газотермических покрытий триботехнического назначения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и износ в машинах. - Киевский международный университет гражданской авивции, Киев, 1998.

Проведенная работа направлена на создание порошковых сплавов на основе железа для газотермического напыления взамен никелевых сплавов, используемых для нанесения износостойких покрытий. Исследованы порошковые материалы и газотермические покрытия на основе железа с карбидным и интерметаллидным упрочнением, изучено влияние многокомпонентного легирования на их структуру, фазовый состав, технологические, физико-механические, триботехнические свойства. Изучено влияние легирования нд особенности изнашивания газотермических покрытий, кинетику формирования вторичных структур. Показана взаимосвязь триботехнических характеристик газотермических покрытий с составом и структурой.' На основании проведенных исследований разработала серия порошковых материалов на, основе железа, имеющих широкий диапазон применения, оптимизирована технология их изготовления.

Ключевые слова: порошок, легирование, газотермическле покрытия, упрочняющая фаза, триботехьические характеристики, вторичная структура.

Ostranitsa G.E. The development of materials on the Fe-basis for gas-thermal coatings of triboengincering purpose. '

Thesis for candidate of technical sciences degree on a speciality 05.02.04 -Friction and Wear in Macliines, Kiev International University of Civil Aviation, Kiev,.

1998. .

The objective of the present thesis is the creation of powder materials based on Fe instead another one based on Ni for spraying wear-resistant coatings. The powder ' materials based on Fe after carbide and intermetallidc hardening are investigated; the influence of multicomponent alloying on their structure, phase composition, technological, physic-mechanical, triboengineering properties are studied. The influence of alloying on wear of gas-thermal coatings, kinetics of secondary structures formation are studied. The relation between triboengineering characteristics of gas-thermal coatings with their composition and structure are demonstrated. On the basis of the investigations the series of powder materials based on Fe with wide range of application is worked out. The technology of their production is optimized.'

Key words: powder, alloying, gas-thermal coating,- hardening phase, triboengineering characteristic, secondary structure.

if

Підписано до друку 11.03.98. Формат 60x84/16. Папір друкарський. Офсетний друк. Ум. Фарбовідб. 5. Ум. друк. арк. 0,93. Навч. вид. арк. 1,0. Тираж 100 прим. Замовлення № 52-1 Ціна . Вид. № 3/П.

Видавництво КМУЦА

252058. Київ - 58, проспект Космонавта Комарова, 1.