автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование состава, структуры и свойств покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками для повышения их износостойкости

На правах рукописи

/Г

СТРУЧКОВ НИКОЛАЙ ФЕДОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ ПРОВОЛОК С ТУГОПЛАВКИМИ ДОБАВКАМИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

Специальность: 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре - 2009

003472913

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера Сибирского отделения Российской академии наук (ИФТПС СО РАН)

Научный руководитель: кандидат технических наук

Винокуров Геннадий Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ким Владимир Алексеевич

кандидат технических наук, доцент Бахматов Павел Вячеславович

Ведущая организация: Якутский государственный университет

им. М.К. Аммосова

Защита состоится "25" июня 2009 г. в /л-йО часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. Тел./факс: (4217) 53-61-50. E-mail: office@knasttt.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан "Л Ъ с№1-С 200,9г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.092.01, кандидат технических наук чуу'^р*? А.И.Пронин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время для упрочнения поверхности деталей машин и механизмов широко применяются различные технологии порошковой металлургии. Наиболее перспективны из них высокоэнергетические способы нанесения износостойких покрытий (плазменное и газопламенное напыление, электродуговая металлизация проволоками и др.). Как показывает анализ работ, для восстановления изношенных деталей техники в промышленных масштабах ремонтного производства по технико-экономическим показателям наиболее эффективна технология электродуговой металлизации порошковыми проволоками.

Для высокоэнергетических технологий нанесения износостойких покрытий в основном используются самофлюсующиеся сплавы на никелевой или кобальтовой основе и их смеси с модификаторами из тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, оксидов и др., которые обеспечивают образование упрочняющих фаз и улучшают структуру покрытия. Покрытия из порошковых проволок характеризуются высокой степенью неоднородности структуры - выделениями избыточных дисперсных и коагулированных фаз, слоистым строением и пористостью. Это обусловлено спецификой высокоэнергетических технологических процессов, заключающейся в быстропротекающем (103 - 10"5с) высокотемпературном (до температуры плавления) нагреве частиц порошкового материала и их последующем высокоскоростном охлаждении и застывании.

Физико-механические свойства упрочняющих фаз в структуре покрытий из порошковых проволок существенно влияют на эксплуатационные характеристики обработанной поверхности деталей машин и механизмов. Поэтому необходимо исследовать структуру порошковых покрытий, распределение состава и свойств фаз, чтобы оценить износостойкость упрочненной поверхности. При этом следует выявить, как особенности структуры покрытия из порошковой проволоки будут проявляться в процессе изнашивания его поверхности трения.

Таким образом, исследование взаимосвязи состава, структуры и свойств износостойких покрытий из порошковых проволок с характеристиками износа поверхности трения является актуальной проблемой, позволяет научно обосновать технологию получения покрытий с заданными физико-механическими свойствами, обеспечивает возможность разработать пути повышения их эксплуатационных характеристик. Анализ исследований показывает, что для разработки способов повышения износостойкости порошковых покрытий остаются также актуальными работы по использованию методов последующей термической обработки с целью улучшения их структуры.

Связь работы с крупными научными программами. В основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно-исследовательским работам: Программа фундаментальных исследований СО РАН 2.3.3. «Механика деформируемых тел, перспективных материалов, конструкций и сооружений, трибология» и 2.3.6. «Наукоемкие технологии, конструкционное материаловедение и проблемы безопасности в машинострое-

нии», проект «Исследование структурно-деградационных процессов деформирования и разрушения материалов в экстремальных условиях эксплуатации и разработка технологических основ повышения надежности, безопасности и ресурса машин и конструкций» (№ гос. per. 0120.0 407844), блок 2, раздел 2.1. «Исследование процессов формирования и разрушения структуры функциональных покрытий и материалов с модифицирующими добавками, полученных высокоэнергетическими методами (плазменное напыление, взрывное прессование), и разработка технологических режимов их изготовления» (2004-2006); Программа фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН 14-ОЭ «Накопление поврежденности, разрушение, изнашивание и структурные изменения материалов при интенсивных механических, температурных и радиационных воздействиях», проект 3.12.2 «Повышение износостойкости газотермических покрытий с модифицирующими добавками» (2003-2005); проект № 6781 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка и применение технологий наплавки и напыления порошковых материалов из местного минерального сырья для восстановления и упрочнения деталей техники, работающей в условиях Севера» (2006-2008); проект Президиума РАН 8.5. «Влияние структурно-фазового состояния на процессы разрушения и свойства субмикро-, нанокристаллических материалов при воздействии однократных нагрузок и трении» (2006-2008).

Цель работы - выявление закономерностей изнашивания структуры электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками для повышения их износостойкости при трении скольжения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обзор и анализ порошковых материалов, используемых для получения износостойких покрытий высокоэнергетическими методами; выбор порошковых проволок для исследования роли тугоплавких добавок в обеспечении износостойкости электрометаллизационных покрытий.

2. Исследование химического состава, структуры и распределения микротвердости электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками, изучение и идентификация основного упрочняющего состава.

3. Выявление уровня износостойкости и закономерностей формирования профиля фрикционных поверхностей электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками при изнашивании в условиях трения скольжения.

4. Проведение термической обработки электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками для повышения их износостойкости и профилометрические исследования поверхности трения термообработанных покрытий при изнашивании.

Научная новизна работы.

]. Упрочняющий фазовый состав АЬ03 износостойкого электрометалли-зационные покрытия из порошковой проволоки разработки ИФТПС практиче-

ски сохраняется в технологических процессах нанесения покрытия, последующей их термообработки и при трении скольжения.

2. Сравнительными испытаниями на износ установлено, что интенсивность изнашивания электрометаллизационного покрытия из проволоки с тугоплавкими добавками А^Оз разработки ИФТПС ниже, чем у износостойких покрытий из промышленных проволок. Сравнительная износостойкость газотермических покрытий из порошковой проволоки определяется значениями средней микротвердости фазовых составляющих только при условии их существенной разницы, обусловленной химическим составом.

3. Использование тугоплавких добавок в электрометаллизационных покрытиях дает новые возможности управления структурой поверхности трения покрытия. Тугоплавкие добавки покрытия из порошковых проволок существенно влияют на профиль поверхности трения, при этом его изменение подробно и точно отражает этапы процесса изнашивания. Поэтому предложено, что за характеристики износостойкости поверхности трения, зависящие от структуры покрытия из порошковых проволок с тугоплавкими добавками, следует рассматривать количественные параметры профиля поверхности трения.

Выявлено, что термообработка электрометаллизационных покрытий с тугоплавкими добавками приводит к снижению и стабилизации средней шероховатости Яа поверхности трения на участке приработки. За счет термообработки упрочняется матрица покрытия, что повышает удержание тугоплавких добавок, снижается его общий массовый износ.

Практическая значимость работы.

В диссертации с целью повышения износостойкости проведена дополнительная термообработка электрометаллизационного покрытия из порошковой проволоки ИФТПС, снижающей массовый износ в стадии приработки на =40-50%, в стадии установившегося износа на =20-25%. Предложенный способ может быть использован для обеспечения высокой износостойкости деталей техники, восстановленных методом электродуговой металлизации порошковыми проволоками. Снижение и стабилизация шероховатости поверхности трения на участке приработки имеет положительное значение для работы термообработанных деталей техники в период пускового режима.

Полученные практические результаты используются при выполнении проекта № 6781 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Методология исследования.

Методологическая суть работы заключается в применении подхода комплексного сравнительного исследования основных факторов, определяющих износостойкость газотермических покрытий: химического, фазового состава и распределения микротвердости структуры покрытия; в выявлении закономерностей изнашивания структуры покрытия при трении скольжения, установлении влияния упрочнения структуры методом дополнительной термообработки на износостойкость газотермических покрытий.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Обоснование перспективности применения порошковой проволоки с тугоплавкими добавками АЬОз разработки ИФТПС для получения износостойких газотермических покрытий методом электродуговой металлизации.

2. Выявление основных факторов структуры поверхности трения покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками, характеризующих их износостойкость.

3. Рекомендации по режимам дополнительной термообработки структуры для повышения износостойкости газотермического покрытия из порошковой проволоки с тугоплавкими добавками разработки ИФТПС.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования, применением стандартных методик испытаний на износ и исследования профиля поверхности трения, апробированных и взаимно дополняющих друг друга современных аналитических методов исследования.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на II, III и IV Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2004, 2006, 2008 г.); на международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов «MESOMECH'2006» (Томск); XVI, XVII Международных интернет-конференциях молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС», (Москва, 2004, 2005 г.); на международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов (III Самсоновские чтения)» (Хабаровск, 2006 г.); X и XI Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-10», «ВНКСФ-11» (Москва, 2004 г., Екатеринбург, 2005 г.); научных конференциях студентов и молодых ученых IX и X «Лаврентьевских чтений» (г. Якутск, 2005, 2006 г.); научно-практической конференции, посвященной Международному году физики и 5-летнему юбилею ФТИ ЯГУ (г. Якутск, 2005 г.); на IX-X Международных практических конференциях «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (г. Санкт-Петербург, 2007, 2008 г.); VII Международном Российско-китайском симпозиуме "Modern materials and technologies 2007" (Хабаровск, 2007 г.); XIII Международной научно-технической конференции «Проблема ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (Санкт-Петербург, 2007 г.), на семинарах отдела материаловедения ИФТПС.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 36 научных работах: в 22 статьях в научных журналах и сборниках трудов конференций, в том числе 5 рецензируемых журналах ВАК, 14 тезисах докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников из 101 наименований. Полный объем диссертации составляет 121 страниц, включая 34 рисунков, 7 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена обзору и анализу литературных данных по высокоэнергетическим технологиям с применением порошковых материалов, в т. ч. порошковых проволок для получения износостойких покрытий; проанализированы методы исследования состава, структуры и свойств износостойких газотермических покрытий.

В настоящее время существуют многочисленные работы, посвященные научным основам использования порошковых материалов в высокоэнергетических технологиях (Борисов Ю.С., Костиков В.И., Харлампьев Ю.А., Жуков М.Ф., Кудинов В.В., Солоненко О.П., Шмаков A.M., Алымов М.И., Хасуи А., Fauchais Р. и др.), исследованию химического и фазового состава газотермических покрытий из порошковых проволок (Жудра А.П., Кривчиков С.Ю., Роянов В.А., Болотина Н.П. и др.), изучению структуры газотермического покрытия (Калита В.И., Комлев Д.И., Пекшев П.Ю., Сафиуллин В.А., Мо-staghimi J., Chandra S. и др.), исследованию трибологических свойств покрытий из порошковых материалов (Тушинский Л.И., Ильюшенко А.Ф., Шевцов А.И., Буйкус К.В., Похмурский В.И. и др.). В них исследована зависимость состава, структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств формируемых газотермических покрытий от технологических параметров нанесения (ток дуги, дистанция напыления, гранулометрический и химический состав порошкового материала, расходы плазмообразующего и транспортирующего газов и т.д.).

Анализ существующих работ показал, что с точки зрения разработки новых порошковых материалов остаются актуальными работы по созданию и применению новых составов механических порошковых смесей и порошковых проволок на основе самофлюсующихся сплавов с добавками тугоплавких металлов, оксидов, боридов, нитридов, шпинелей. Также актуальны работы по разработке и применению методов последующей обработки покрытий, обеспечивающих повышение износостойкости, что позволяет упрочненным поверхностям работать в условиях высоких контактных и ударных нагрузок.

Как показывает анализ исследований, в результате влияния многочисленных факторов, присущих процессу газотермического напыления, покрытие приобретает крайне сложную и неоднородную структуру с дисперсными и коагулированными включениями фаз, отличающихся по объему, химическому составу, твердости. В некоторых исследованиях приведена классификация различных элементов структуры по размерам и форме. Исследование химического и фазового состава, неоднородностей структуры и распределения микротвердости газотермических покрытий позволяет оценить состав и объем упрочняющих фаз, влияющих на износостойкость обработанной поверхности. Особенно актуальны подобные исследования для электрометалли-зационных покрытий из порошковых проволок, которые широко и эффективно применяются для восстановления изношенных деталей техники в ремонтном производстве.

Важным аспектом для решения проблемы обеспечения надежности и работоспособности упрочненной поверхности деталей машин и механизмов

является установление влияния особенностей структуры покрытий из порошковых проволок на процессы их изнашивания. Анализ исследований показал, что в данном направлении отсутствует единый подход, заключающийся в выработке критериев, которые отражают структуру покрытия из порошковой проволоки с одной стороны, и с другой стороны однозначно связаны с закономерностями изнашивания поверхности трения.

Вышеприведенный анализ современного состояния проблемы явился обоснованием для постановки цели и задач диссертационной работы.

Во второй главе приведены описания исследуемых материалов, технологических операций их подготовки, режимов нанесения газотермических покрытий, представлены использованные аналитические методы и результаты исследования химического состава, структуры и распределения микротвердости покрытий из порошковых проволок.

В качестве объектов сравнительного исследования были выбраны элек-трометаллизационные покрытия из порошковой проволоки с тугоплавкими добавками А1203 разработки ИФТПС и из проволок промышленного изготовления САВ21, САВ40, САВ51 (разработка НПП «Веха-1», г. Комсомольск-на-Амуре), которые широко применяются для восстановления деталей техники и конструкций. Исследование поведения твердых тугоплавких добавок на поверхности трения позволяет выявить основные механизмы изнашивания газотермических покрытий с упрочняющим фазовым составом.

Покрытия были нанесены электродуговой металлизацией порошковыми проволоками на промышленной установке ЭДУ-500С. Технологические режимы электродуговой металлизации были выбраны исходя из условий устойчивости дуги и надежности работы по ресурсу установки ЭДУ-500С.

Для сравнительного исследования состава, структуры, свойств были изготовлены поперечные металлографические шлифы покрытий. Средние значения химического состава покрытий определены по данным спектрального анализа на установке «БресиороП-Р»; металлографические исследования структуры проведены на микроскопе «№ор!ю1-32»; микротвердость покрытий измерена на приборе «ПМТ-ЗМ»; фазовый состав определен с помощью установки ДРОН-3 с использованием монохроматического Ре 1С, - излучения; микрорентгеноспектральный анализ сделан на установке «СатеЬах».

Для формирования упрочняющих фаз определяющее значение имеет химический состав материала покрытия, зависящий от режимов изготовления проволок и их электродуговой металлизации; средние значения химического состава приведены в табл.1. Как видно из табл.1, уровень содержания углерода в покрытиях из порошковых проволок способствует образованию карбидов - упрочняющих фаз с высокой твердостью. Анализ химического и фазового состава покрытий показывает, что высокое содержание хрома также приводит к увеличению поверхностной твердости и износостойкости, что обусловлено образованием слоя карбидов Сг3С2, Сг:зС6. Уровень содержания кремния в покрытиях (табл.1) показывает склонность материала к образованию силикатов железа РеБЬ, Ре^ь хрома С^з, С^, С^г и др. Высокие содержания

алюминия во всех покрытиях свидетельствуют о наличии в покрытиях тугоплавких включений оксида алюминия АЬОз.

Таблица 1

Средний химический состав газотермических покрытий из порошковых проволок, в масс. %

Химические САВ21 САВ40 САВ51 ИФТПС

элементы

С 0.63 0.37 0,60 0,40

Si 0,7 0,3 0.02 0.05

Сг 4,4 2.1 0.05 12.3

Ni 11,9 8.1 — —

А1 7,7 9.7 5,8 6,4

Си - 13,3 — —

Ti 0,3 — 0,5 0,6

Fe Ост. Ост. Ост. Ост.

С целью выявления фазовых составляющих покрытия из порошковых проволок проведен металлографический анализ. Как показали исследования, при электродуговой металлизации порошковыми проволоками формирование покрытия происходит наложением расплавленных частиц, состоящих из фаз оболочки и порошковой набивки. Выявлено, что при этом тугоплавкие компоненты порошкового материала выделяются в виде отдельных нерасплав' ленных частиц; все покрытия из проволок характеризуются неоднородной структурой. Установлено, что в отличие от напыления дисперсных порошковых материалов, электродуговая металлизация порошковыми проволоками приводит к более сложным формам частиц покрытия, которые сильно отклоняются от сферической и эллипсоидальной (рис.!).

Рис.1. Микроструктура электрометаллизацион-ных покрытий из порошковых проволок

|(увеличение, х 1000):

а) САВ21:

1б) САВ40:

в) САВ51;

г) разработки ИФТГТС

На рис.1 оксиды в покрытиях видны как темные прослойки между светлыми металлическими слоями в сечении. По данным микрорентгеноспек-трального анализа, пленки, разделяющие металлические частицы, состоят из оксидов кремния 8Ю2, алюминия АЬОз, титана ТЮ2, хрома Сг2Оз и Сг03, железа РеО и Ре20з. На нетравленых шлифах покрытий наблюдаются отдельные нерасплавленные частицы порошкового материала, границы между которыми обозначаются оксидными пленками, пористость невысокая.

Известно, что износостойкость материала существенно зависит от его твердости, поэтому, учитывая результаты металлографического анализа, были проведены измерения микротвердости фаз газотермических покрытий из порошковых проволок. Как показали металлографические исследования, структура покрытий из порошковых проволок является существенно неоднородной, поэтому целесообразна статистическая обработка результатов измерений микротвердости покрытия.

В САВ51 ■ ИФТПС

Рис.2. Гистограммы микротвердости

Выявлено, что наибольшую среднюю микротвердость имеют образцы покрытий из порошковых проволок САВ51 и разработки ИФТПС (рис.2). Это обусловлено фазовым составом, включающим значительное количество тугоплавких твердых включений. Как известно, распределение микротвердости покрытия зависит от количества и состава фазовых включений. Микротвердость покрытия из порошковой проволоки разработки ИФТПС имеет одно-модальное распределение (рис.2); это обусловлено тем, что основным упрочняющим фазовом составом являются тугоплавкие добавки. Гистограмма микротвердости покрытия из проволоки САВ40 имеет ярко выраженную двухмо-дальную структуру, что обусловлено наличием основных фаз из Ре. Сг и Си. существенно отличающихся по твердости; наличие в составе мягкой фазы из меди приводит к низкому значению средней микротвердости покрытия.

1 САВ40 1 САВ21

покрытий из порошковых проволок

МПа

В третьей главе приведены результаты рентгеноструктурного и микро-рентгеноспектрального анализа газотермических покрытий из порошковых проволок.

Результаты рентгеноструктурного анализа покрытия из проволоки с тугоплавкими добавками разработки ИФТПС и проволоки САВ21 представлены в табл.2.

Таблица 2

Фазовый состав покрытия из проволоки разработки ИФТПС и САВ21

Окислы Карбиды Силициды Интерметаплиды

ИФТПС А1203, 5Ю2, Сг203, ТЮ2, РеО, Ре203 ПС, А14С3, Сг3С>, У2С, \УС Ре581з, Ре^!, СгБ!, СгБь ^¡Мп, РеСг, РеМо6, РеМо, Ре2Т1, Рс2\У, Сг5А18, Т1А13

САВ21 А1203,8Ю2, Сг203, ТЮ2, СгОз Т1С, А14С3, Сг3С2, Сг23С6, Со2С, М)С, Рс;,С Ре5513, Рс331, Сг^з, СгБь \VjSi3, N¡51 АЦЗЬРе, УСо, УРе, Ре№, Со7Ш6, РеСг, Ре2Ти Рс7\У6, ТьСо, СгМпз

Выявлено, что фазовый состав всех покрытий содержит окислы, карбиды и силициды, содержание и состав интерметаллидов во всех покрытиях зависит от соответствующих легирующих элементов. Покрытие из проволоки разработки ИФТПС с основным упрочняющим фазовым составом из тугоплавких добавок АЬ03 характеризуется содержанием многочисленных других фаз (табл.2). Основной упрочняющий фазовый состав тугоплавких добавок АЬ03 практически сохраняется в технологических процессах нанесения покрытия, при последующей термообработке для упрочнения структуры и трении скольжения.

Как установлено, основные легирующие элементы покрытий распределены неравномерно по сечению покрытия (рис.3), что также подтверждается данными фазового анализа включений: для всех покрытии проведена идентификация и классификация включений по химическому составу и микротвердости. Выявлено, что распределение элементов в подложке покрытий равномерное, существенные взаимные диффузии химических элементов покрытия и основы отсутствуют.

Таким образом, исследования структуры показали, что фазовые включения покрытий существенно отличаются по количеству, химическому составу и микротвердости. Физико-механические и эксплуатационные свойства износостойких газотермических покрытий из порошковых проволок определяются не только объемным содержанием упрочняющих фаз, но и их распределением по контактной поверхности трения.

и

Подложка Покрытие

Рис.3. Распределение химических элементов в подложке и в покрытии (проволока разработки ИФТПС)

В четвертой главе представлены результаты сравнительных испытаний на износ газотермических покрытий из порошковых проволок. Испытания на износ покрытий, полученных электродуговой металлизацией из порошковых проволок, разработанной в ИФТПС, и промышленного изготовления, были проведены на машине трения СМЦ-2 методом взвешивания образца. На основе анализа работ и методик испытаний на износ была выбрана схема трения «диск-колодка», режимы испытаний: нагрузка 3 МПа; частота вращения вала 5 об/сек, трение сухое. В стадии приработки измерения проводились через 1500 циклов машины трения, в режиме установившегося износа - через 4500 циклов машины трения.

На рис.4 приведены кривые массового износа в покрытий из порошковых проволок в зависимости от количества циклов. Как видно из графиков, для всех покрытий наблюдаются характерные участки приработки и установившегося износа. В стадии приработки интенсивность износа отличается нестабильностью, имеет различные значения в зависимости от материала покрытия, существенно отличается от установившейся интенсивности износа (рис.4). Поведение интенсивности изнашивания в стадии приработки объясняется изменением фактической площади контакта, которая к началу режима установившегося износа увеличивается и стабилизируется. Далее начинается режим установившегося износа покрытия, интенсивность изнашивания стабилизируется, наблюдается более равномерное повышение массового износа.

-3- г— * > ♦

! 1 , « и" ♦ ♦

♦ * ♦ ♦ 1 Я№ ♦ CA тпс В21

1 1 Д САВ51

ф •

♦ « t ♦ ♦ ♦ ♦ ■ъ-ь-ш ш i .* А А Л А А А %. А л

1 ■ ■ А А * А Ж А f А £ —1 1 ]— "Н" ■ ■ ■ ■ ■ ■ II

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180

103, цикл

Рис.4. Данные массового износа газотермических покрытий из порошковых проволок CAB2J, САВ51 и разработки ИФТПС

Как видно из графика (рис.4), интенсивность установившегося изнашивания наиболее высока для покрытия из порошковой проволоки САВ2]; интенсивности изнашивания для проволок САВ51 и разработки ИФТПС сопоставимы. Это обусловлено невысоким значением средней микротвердости поверхности трения покрытия из проволоки САВ21 из-за малого количества твердых фаз; выявлено, что средняя микротвердость покрытия из проволоки САВ21 значительно (практически в полтора раза) ниже микротвердости покрытий из проволоки САВ51 и проволоки разработки ИФТПС с тугоплавкими добавками. Таким образом, при условии существенной разницы среднего значения микротвердости, несомненно, твердость порошковых покрытий определяет сравнительную износостойкость обработанной поверхности. Однако при близких значениях средней твердости порошковых покрытий, необходимо учитывать влияние их структуры на поверхности трения.

Поверхность трения покрытий исследовалась на однообъективном растровом измерительном микроскопе ОРИМ-1 и с помощью профилометра Surftest SJ-201P фирмы «Mitutoyo» (Япония) после ЗхЮ3, 6х103, 9х103, 18х103, 48х103, 108х103 и 180х103 циклов трения. Для измерения профиля поверхности трения на каждом образце были промаркированы четыре диаметрально противоположные участка покрытия. Измерялся профиль на каждом из четырех участков, далее данные усреднялись по поверхности трения. Установлено, что изменение отклонений профиля поверхности трения подробно отражает кинетику процесса изнашивания покрытий (рис.5). На участке приработки при одинаковых условиях трения профили всех покрытий имеют нестабильный формирующийся характер. Далее с наступлением этапа установившегося износа происходит существенное расхождение и стабилизация отклонений поверхности трения покрытий.

О 50 100 150 200 250

103, и^кп

—•—ИФТПС —«—САВ21 -А-САВ51

Рис.5. Зависимость средней шероховатости поверхности покрытий из порошковых проволок от количества циклов трения

В пятой главе с целью установления влияния дополнительной термообработки на износостойкость были проведены сравнительные исследования структуры, микротвердости и износостойкости исходных и термообработан-ных покрытий из проволоки с тугоплавкими добавками АЬ03 разработки ИФТПС; представлены результаты профилометрических и аналитических исследований влияния термообработки на поверхность трения покрытий с тугоплавкими добавками.

На основе анализа данных по дополнительной термической обработке газотермических покрытий были выбраны режимы термообработки для повышения износостойкости: температура нагрева 840°С, закалка в масле и низкий отпуск при температуре 250 °С в течение 1 часа.

На рис.6 показаны структуры исходного и термообработанного покрытий из проволоки разработки ИФТПС. Металлографическими исследованиями установлено, что дополнительная термическая обработка приводит к более однородной структуре, частицы покрытия коагулируют друг с другом, снижая пористость и сокращая количество пустот и дефектов. Тугоплавкие компоненты порошковой набивки проволоки остаются неизменными, т.к. I

температура обычной термообработки для них является недостаточной для фазового превращения.

Рис.6. Структура электрометаллизационных покрытий из проволоки с тугоплавкими добавками: а) исходного; б) термообработанного

Установлено, что средняя микротвердость термообработанного покрытия относительно исходной понижается, но при этом включения твердого оксида алюминия прочнее удерживаются матрицей из-за увеличения когезии, и вследствие этого повышается износостойкость у покрытия с дополнительной термообработкой.

Для выявления изменения характеристик изнашивания после термообработки покрытия были испытаны на износ при аналогичных режимах (глава 3); на рис.7 приведены данные массового износа. Как видно из графиков влияние термообработки наблюдается на обеих стадиях - приработки и установившегося износа. Установлено, что термическая обработка снижает массовый износ в стадии приработки до =40-50% (рис.7,а). Далее изнашивание из стадии приработки плавно, без существенного изменения интенсивности износа, переходит в установившийся режим. На этом участке, как установлено испытаниями, термообработка снижает массовый износ по сравнению с таковым исходных покрытий на-15-20% (рис.7,б).

О 5 10 15 20 25 30 40 50 60

103, цикл 103, цикл

Рис.7. Влияние термообработки на массовый износ покрытий из порошковой проволоки разработки ИФТПС: а) участок приработки; б) установившийся износ

Таким образом, испытаниями на износ показано, что термообработка покрытий из порошковых проволок оказывает влияние на их износостойкость. На рис.8 приведены интенсивности установившегося изнашивания покрытий из различных порошковых проволок. Как видно из рис.8, термическая обработка покрытий из порошковой проволоки разработки ИФТПС доводит интенсивность изнашивания до уровня, который ниже чем для покрытий из промышленных порошковых проволок без дополнительной термической обработки.

Для выявления механизмов изнашивания покрытия с тугоплавкими добавками при трении скольжения необходимо исследовать контактную поверхность трения.

На рис.9 приведены профилограммы поверхности трения исходного и термообработанного покрытий. Как установлено профилометрическими исследованиями, термообработкой обеспечивается более прочная структура, сохраняющая профиль поверхности трения в процессе изнашивания, этим

обусловлено и снижение интенсивности износа. Выявлено, что термообра-боткка покрытия из порошковой проволоки приводит к снижению и стабилизации средней шероховатости поверхности трения на участке приработки. Это способствует снижению массового износа (рис.7,а) и имеет положительное значение для пускового режима работы деталей техники, восстановленных электродуговой металлизацией порошковыми проволоками.

Интенсивность изнашивания, х10"6 г/цикл

12-ю

I

2,5

САВ21 САВ51 ИФТПС ИФТЛС

после ТО

Рис.8. Интенсивности установившегося изнашивания покрытий из порошковых проволок

На рис.10 приведены экспериментальные зависимости наибольших отклонений профиля поверхности трения от количества циклов. Как видно из графиков, интервал отклонений равновесного профиля с увеличением пути трения незначительно изменяется, прослеживается его симметричность относительно средней линии профиля.

При изнашивании исходного покрытия интервал отклонений профиля постепенно сужается и стабилизируется (рис.Ю.а) без существенных колебаний. Поверхность трения термообработанного покрытия характеризуется большими колебаниями интервала отклонений.

Рис.9. Профили поверхности трения покрытия с тугоплавкими добавками: а) исходное покрытие: б) термообработанное покрытие

Как показывают экспериментальные исследования (анализ поверхности трения и профилометрирование), основное сопротивление изнашиванию при трении скольжения оказывают твердые включения, внедренные в мягкую матрицу. В процессе трения в основном происходит постепенный износ мягкой матрицы. С износом матрицы до значения, при котором теряется ее способность удерживать твердые тугоплавкие частицы, происходит их удаление и разрушение - поверхность трения сглаживается, интервал отклонений профиля сужается.

тах тп

Рис.10. Симметрия интервала отклонений профиля: а) исходное покрытие; б) термообработанное покрытие

С дальнейшим изнашиванием происходит увеличение интервала отклонений профиля. Механизм истирания данных покрытий состоит в чередовании этих процессов, что видно из регулярных колебаний интервала отклонений профиля (рис. 10,6). Анализ механизма изнашивания показал, что колебание (разброс) интервала отклонений профиля по пути трения может служить оценочной характеристикой уровня сопротивления структуры покрытия изнашиванию, ее работоспособности.

Таким образом, параметры отклонений профиля поверхности трения, характеризующие влияние структуры покрытий, достаточно подробно отражают этапы процесса изнашивания и могут служить в качестве обобщающих количественных характеристик, связывающих структурное состояние покрытия, содержащего тугоплавкие добавки, с его изнашиванием.

выводы

1. Выявлено, что средний химический состав покрытия из порошковой проволоки ИФТПС, сформированный на основе Ре, с содержанием - С =0,40%; 81 =0,05%; Сг =12,3%; А1 =6,37% и Т1 =0,61% способствует образованию многочисленных фаз: оксидов - АЬОз, Сг203, ТЮч, Ре О, Ре20з; карбидов - НС, АЦСз, Сг3С2, У2С, \УС; силицидов - Ре^з, Ре,^, СгБь Сг312; ин-терметаллидов - А1551Мп, РеСг, РеМо6, Ре2\У, Т1А13 и др.

2. Показано, что микротвердость покрытия из порошковой проволоки разработки ИФТПС имеет одномодальное распределение в интервале от =3500 МПа до =6900 МПа, что свидетельствует о возможности получения однородной структуры износостойкого покрытия с тугоплавкими добавками АЬОз.

Обнаружено, что сравнительная износостойкость газотермических покрытий из порошковой проволоки определяется значениями средней микротвердости фазовых составляющих поверхности трения при условии их существенной разницы, обусловленной основным химическим составом.

3. Испытаниями на износ установлено, что при одинаковых условиях трения интенсивность установившегося изнашивания электрометаллизацион-ного покрытия с тугоплавкими добавками АЬОз из порошковой проволоки разработки ИФТПС ниже по сравнению с износостойкими покрытиями из промышленных проволок САВ51 и САВ21. Таким образом, обоснована перспективность применения порошковой проволоки с тугоплавкими добавками АЬ03 разработки ИФТПС для получения износостойких покрытий методом электродуговой металлизации.

4. Установлено, что изменение профиля поверхности трения покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками подробно и точно отражает этапы процесса изнашивания (приработка, начало установившегося износа), то есть параметры равновесного профиля поверхности трения характеризуют влияние структуры покрытия с тугоплавкими добавками на износостойкость поверхности трения.

Колебание (разброс) интервала отклонений профиля по пути трения может служить характеристикой уровня сопротивления структуры покрытия с тугоплавкими добавками изнашиванию при трении скольжения и их работоспособности.

5. Выявлено, что упрочнение структуры газотермических покрытий из порошковой проволоки с тугоплавкими добавками АЬ03 термической обработкой приводит к снижению и стабилизации средней шероховатости поверхности трения на участке приработки. Это способствует снижению массового износа термообработанного покрытия из порошковой проволоки по сравнению с исходными покрытиями на стадии приработки до =40-50%, что будет иметь положительное значение для пускового режима работы деталей техники, восстановленных электродуговой металлизацией порошковой проволоки разработки ИФТПС. Изнашивание упрочненных покрытий из стадии приработки плавно, без существенного изменения интенсивности износа, пе-

реходит в установившийся режим со снижением массового износа по сравнению с исходными покрытиями на =20-25%.

Полученные практические результаты используются при выполнении проекта № 6781 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Основные публикации по теме диссертации

1. Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф. Износостойкость шлифовальных кругов из алмазосодержащих материалов инструментального назначения // Физическая мезомеханика. - 2004. - №7. - 4.1. - С. 430-432.

2. Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Герасимов А.И. Исследование свойств шлифовальных кругов из алмазометаллических материалов // Тр. II Евразийского симп. по проблемам прочности материалов машин для регионов холодного климата. - Якутск, 2004 - Ч.З. - С. 269-274.

3. Винокуров Г.Г., Суздалов И.И., Васильева М.И., Стручков Н.Ф. Исследование структуры и свойств газотермических покрытий из порошковых проволок // Вестник ЯГУ. - 2005. - Т.2, №3. - С. 57-61.

4. Стручков Н.Ф., Винокуров Г.Г. Сравнительные металлографические исследования структуры и свойств газотермических покрытий из порошковых проволок // Сб. статей конф. «IX - Лаврентьевские чтения». - -Якутск, 2005. - Т. 1. - С. 223-228.

5. Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Попов О.Н. Разработка статистического подхода для описания изнашивания газотермических покрытий при трении скольжения // Физическая мезомеханика. - 2006. - №2. - С. 73-77.

6. Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Васильева М.И., Лебедев Д.И., Федоров MB. Исследование газотермических покрытий из порошковых проволок II Тр. III Евразийского симп. по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Якутск, 2006. -4.2.-С. 65.

7. Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Васильева М.И. Исследование влияния химического и фазового состава на микротвердость газотермических покрытий из порошковых проволок // Тр. междн. конф. по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов «MESOMECH'2006». - Томск: ИФПМ СО РАН, 2006. - С. 216-218.

8. Стручков Н.Ф., Винокуров Г.Г., Васильева М.И. Исследование влияния химического состава на микротвердость газотермических покрытий из порошковых проволок // Материалы междн. симп. «Принципы и процессы создания неорганических материалов (III Самсоновские чтения)». - Хабаровск, 2006. - С. 225.

9. Стручков Н.Ф.. Винокуров Г.Г., Федоров М.В., Лебедев Д.И. Исследования износостойкости газотермических покрытий из порошковых

проволок // Сб. статей конф. «X Лаврентьевские чтения». - Якутск,

2006.-Т.1.-С. 180-185.

Ю.Кычкин А.К., Винокуров Г.Г., Яковлева С.П., Махарова С.Н., Стручков Н.Ф. Перспективы применения порошковых материалов с минеральными модифицирующими добавками для восстановления и упрочнения деталей техники Севера // Сб. научных тр. форума «Научно-инновационный потенциал Республики Саха (Якутия)». - Якутск, 2006. -С. 181-184.

И.Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Федоров М.В., Лебедев Д.И., Кычкин А.К. Исследования процессов изнашивания газотермических покрытий из порошковых проволок при трении скольжения // Наука и образование.-2007.-№1.-С. 33-37.

12.Кычкин А.К., Винокуров Г.Г., Яковлева С.П., Махарова С.Н., Стручков Н.Ф. Исследование износостойкости покрытий // Материалы 9-й Междн. практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та,

2007,-4.1.-С. 158- 164.

13.Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Федоров М.В., Яковлева С.П. Состав, структура и свойства газотермических покрытий из порошковых проволок и их влияние на процессы изнашивания при трении скольжения // Физическая мезомеханика. - 2007. - №4. - С. 97-105.

l4.Struchkov N.F., Kychkin А.К., Vinokurov G.G., Yakovleva S.P., Mak-harova S.N. Structure and properties of wear-resistant coatings obtained by arc spraying // Materials of international VIII Russia-China Symposium "Modern materials and technologies 2007". - Khabarovsk: Pacific national university, 2007. - Vol.2. - P. 185-188.

15.Стручков Н.Ф., Винокуров Г.Г. Исследование состава, структуры и свойств газотермических покрытий из порошковых проволок // Сб. тр. XIII Междн. научно-технической конф. «Проблема ресурса и безопасной эксплуатации материалов». - СПб.: СПбГУНиПТ, 2007. - С. 336342.

16.Кычкин А.К., Винокуров Г.Г., Яковлева С.П., Махарова С.Н., Стручков Н.Ф., Федоров М.В. Применение порошковых проволок с минеральными модифицирующими добавками для получения износостойких покрытий // Материалы 10-й Междн. практической конф. «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. - 4.1. - С. 74-82.

П.Федоров М.В., Винокуров Г.Г., Кычкин А.К., Васильева М.И., Стручков Н.Ф., Лебедев Д.И. Анализ состава, микроструктуры и свойств рабочего элемента землеройной техники севера для выбора способов повышения его износостойкости // Сб. тр. XIV междн. научно-технической конф. «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций». - СПб.: СПбГУНиПТ, 2008. - С. 214-219.

18.Стручков Н.Ф., Винокуров Г.Г. Исследование влияния дополнительной термической обработки на износостойкость газотермических покрытий // Сб. тр. XIV междн. научно-технической конф. «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций». - СПб.: СПбГУ-НиПТ, 2008. - С. 225-230.

19.Винокуров Г. Г., Кычкин А. К., Яковлева С. П., Махарова С. Н., Стручков Н. Ф. Использование минеральных модифицирующих добавок в износостойких электрометаплизационных покрытиях из порошковых проволок // Технология металлов. - 2007. - №10. - С.28-32.

20.Винокуров Г.Г., Попов О.Н., Стручков Н.Ф. Статистическое описание микрогеометрии поверхности износа порошковых покрытий и материалов при трении скольжения // Физическая мезомеханика. - 2009. -№2. - С. 59-65.

21.Винокуров Г.Г., Васильева М.И., Кычкин А.К., Стручков Н.Ф., Федоров М.В., Лебедев Д.И. Исследование триботехнических характеристик газотермических покрытий с ультрадисперсными модифицирующими добавками // Материалы 11-й междн. практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - Ч. 1. - С. 44-49.

22.Винокуров Г.Г., Кычкин А.К., Стручков Н.Ф. Исследование влияния термообработки на износостойкость покрытий из порошковых проволок с тугоплавкими добавками // Материалы 11-й междн. практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня». - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - 4.1. - С. 50-55.

Формат 60x84 Бумага офсетная. Печать офсетная. Гариитура «Тайме». Усл.п.л. 1,8. Тираж 100 экз. Заказ № 34.

Издательство ЯИЦ СО РАН

677980, г. Якутск, ул. Петровского, 2, тел./факс: (411-2)36-24-96 Е-таП: fcdorov@psb.ysh.ni