Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ВАК 05.02.2007 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Предложен метод исследования износостойкости покрытий из керамополимеров и композиционных материалов. Исследованы триботехнические материалы для применения в различных условиях эксплуатации в зависимости от температуры, нагрузки и скорости скольжения.
покрытия, твердость, индентор, износостойкость, микротвердость
Введение
В современном машиностроении стоит задача получения износостойких покрытий, способных обеспечивать необходимые характеристики в тяжелонагруженных передачах. Материаловедение ставит цель – получение таких покрытий с различными характеристиками. Наиболее прогрессивными покрытиями являются карбометаллические покрытия из различных металлов. экспериментальные исследования по технологии получения данных покрытий является научной задачей современных ученых .
Цель работы – исследование износостойкости и миктротвердости карбометаллических покрытий в зависимости от химического состава их компонентов..
Объект исследования – карбидометаллические покрытия.
Испытания на твердость
Твердость - это способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела - индентора. В качестве индентора используют закаленный шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамиды. На практике применяют три вида измерения твердости (рис.1).
|
|
Рис. 1. Схема определения твердости по: а - Бринеллю; б – Роквеллу; в - Виккерсу
Микротвердость (ГОСТ 9450—76).
Микротвердость определяют вдавливанием в поверхность образца алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,05—5 Н) и измерением диагонали отпечатка. Число твердости определяют по той же формуле, что и вычисление числа твердости по Виккерсу. Определяется твердость отдельных зерен и структурных составляющих шлифа при металлографическом анализе, тонких слоев или тонких деталей.
В соответствии с DIN 50133 (Vickers) микротвердость определяют нагрузкой 0,98 Н (HV0,1); 2,94 Н (HV0,3); 4,91 Н (HV0,5). Наиболее часто применяют HV0,3.
Часто микротвердость используют для оценки качества газотермических покрытий (ГТП). По сути - это косвенная оценка плотности материала покрытия. Чем больше в слое покрытия пор, тем глубже внедряется индентор. Для оценки твердости мелкой многофазной структуры ГТП следует использовать способ Бринелля (для относительно мягких материалов, например, уплотнительных покрытий). Для твердых плотных покрытий (оплавленных самофлюсов с карбидной фазой) предпочтительнее использовать способ Виккерса (HRC). Для определения твердости керамических покрытий - способ Роквелла, так как керамика не сохраняет отпечаток индентора.
Оценка износостойкости покрытий
Наиболее широкое распространение при нанесении износостойких покрытий получили карбиды металлов с различными металлическими связками [1-8].
Область применения и возможность эксплуатации карбидометаллических покрытий, особенно при повышенных температурах в условиях сухого трения, во многом определяются свойствами карбидной составляющей жаростойкостью, твердостью и процентным содержанием карбида металла при нагреве.
Широко известны покрытия на основе карбида вольфрама. В сочетании с различными металлическими связками (чаще всего кобальтом) WC успешно применяется для нанесения износостойких покрытий, работающих при нормальных и повышенных температурах. Несмотря на высокие характеристики износостойкости, эти покрытия окисляются при температуре выше 773 К. Недостатком являются дефицитность вольфрамового сырья и его высокая плотность, что увеличивает вес всего узла.
Карбонитрид титана уступает по некоторым механическим характеристикам карбиду вольфрама, но отличается более высокой температурой плавления, микротвердостью, более высоким температурным коэффициентом расширения, большей жаростойкостью и не дефицитен как вольфрам. Покрытие состава карбонитрид титана - никель имеет удовлетворительную термостойкость до температур 900 К, при более высокой температуре в слое развиваются процессы окисления, существенно изменяющие состав напыленного покрытия, возможно образование интерметаллидов титана, отрицательно влияющих на его свойства.
Износостойкость покрытий на основе карбида хрома при нормальных температурах ниже, чем у покрытий на основе карбонитрида титана.
Исследования показали, что максимальная износостойкость карбидно-металлических покрытий реализуется в определенном интервале температур [9-11].
Анализ результатов сравнительных испытаний износостойкости свидетельствует, что с увеличением микротвердости в карбидах металлов соединений: Cr3C2, WC, TiC, TiCN, при постоянном содержании плакирующего металла (30...35 мас.%), величина износа покрытий убывает по линейному закону (рис. 2).
Рис. 2. Влияние микротвердости твердой фазы на величину
интенсивности изнашивания покрытий (порошки
плакированы никелем 30...35 мас.%)
Управление процессом нанесения покрытий и их свойствами осуществляется регулированием режима напыления, теплонапряженного состояния системы покрытие - деталь, подбором состава материала и смесей из композиционных порошков, чем обеспечивается высокий уровень служебных характеристик и надежности покрытий.
Напыление покрытий газодетонационным способом проводилось на установке АДУ «Обь». Сравнительные испытания покрытий проводились при трении без смазки на машине СМЦ-2 (рис. 3) по схеме диск - колодка при скорости вращения 300 об/мин и удельном давлении прижима 0,1 МПа.
|
31 |
Для проведения испытаний на износостойкость покрытие наносилось на диски диаметром 49,2 мм и шириной 12 мм. На отпескоструенную и обезжиренную поверхность дисков напылялся подслой ВН20 толщиной 0,15 мм и затем слой покрытия толщиной 0,7...0,9 мм на диаметр, чтобы обеспечить необходимый припуск на шлифовку образцов до окончательного размера 50-0,1 мм.
Толщина покрытия после шлифовки сооставляла 0,25...0,3 мм на сторону, шероховатость Ra=0,63 мкм.
Колодка изготавливалась из стали ШХ-15 и представляла собой сектор кольца с углом в 45о±30', наружным диаметром 68 мм, внутренним 50 мм и шириной 10 мм. После закалки до HRC 55-63 ед. колодочки шлифовались до шероховатости Ra=0,63 мкм.
При проведении испытаний фиксировалось время испытаний, приложенная нагрузка и температура образцов. Температура образцов за счет трения при испытаниях достигала 600К. Износ шайбы и колодки определялся весовым методом. Взвешивание осуществляли на весах CAUW220D с точностью измерения 0,5х10-5кг. Шайба взвешивалась через каждые два часа испытания, колодка - перед испытанием и после него. Перед каждым включением колодка и диск обезжиривались бензином Б-70. Испытания проводились в течение 8 часов, первые два часа, характеризующие стадию приработки, в расчет не принимались.
Рис. 3. Машина трения СМЦ-2 предназначена для испытаний
материалов на трение и изнашивание
при качении, качении с проскальзыванием и скольжении
Оценивалось влияние на интенсивность изнашивания вида твердой фазы, ее микротвердости и объемного содержания в слое. Как отмечалось ранее, с увеличением микротвердости карбидной фазы при постоянном содержании плакирующего металла (30...35 мас.%) интенсивность изнашивания покрытий убывает примерно по линейному закону (рис. 2).
|
32 |
Следовательно, увеличение объемного содержания матрицы в указанных пределах вызывает увеличение стойкости покрытий при сухом трении. Однако использование плакированных порошков с содержанием металла более 35...40 мас.% экономически и технологически нецелесообразно. Дальнейшее увеличение содержания матрицы целесообразно производить путем использования механических смесей плакированного порошка сложного карбида с различными содержанием и составом матричного материала. В качестве матричного материала может использоваться порошковый никель, нихром или НА67.
Исследовалась износостойкость покрытий в зависимости от состава матричного материала. Матричный материал вводился в виде примеси к плакированному порошку. Для исследования приготавливались механические смеси плакированного порошка с никелем (ПНЭ-3), хромоникелевым сплавом ПХ20Н80 и термореагирующим порошком НА67.
Так как указанные матричные материалы имеют разную плотность, состав смеси рассчитывался так, чтобы объемное содержание матричного материала в покрытии было одинаковое. Расчеты выполнялись с использованием соотношения:
(1)
где y - содержание плакированного порошка в 1 кг смеси; PNi, PM, PТ.Ф. - плотность никеля, матричного материала и твердой фазы, соответственно; n - содержание никеля в плакированной оболочке, %; z -объемное содержание матрицы, %.
В этом случае матрицей покрытий считался никель плакирующей оболочки частиц плюс добавка матричного материала до заданного объемного содержания матрицы. Исследовались покрытия с содержанием матрицы 55%, 70%, 85%. Испытания покрытий на износостойкость проводились по той же методике, что и для плакированных порошков.
Испытания показали, что увеличение объемного содержания матрицы неоднозначно влияет на износостойкость покрытий и определяется видом матричного материала.
При добавлении к порошку КНТП-35Н металлического никеля до 50 об.%, интенсивность изнашивания покрытий остается на том же уровне, при дальнейшем увеличении объемного содержания никеля она несколько увеличивается и при 85 об.% составляет
1,2х10-6 кг/ч. При дальнейшем увеличении содержания никеля она увеличивается до интенсивности изнашивания никеля, которая в условиях сухого трения превышает значения
10х10-6 кг/ч (рис. 4).
Аналогичный характер зависимости наблюдается и при испытаниях покрытий из механических смесей плакированного карбонитрида титана с никелем, однако у всех рассматриваемых композиций интенсивность изнашивания больше, чем у аналогичных композиций с КНТП-35Н.
Использование в качестве матричного материала никеля плакирующей оболочки с добавками НА67 в области объемного содержания матрицы до 85% приводит к незначительным изменениям интенсивности изнашивания покрытий. В области значения 50 об.% она достигает 1,0х10-6 кг/ч и находится на том же уровне значения до 85 об.%, а затем увеличивается до интенсивности изнашивания НА67 в данных условиях.
Значения зависимости интенсивности изнашивания от содержания никеля или НА67 в механической смеси для других карбидов (рис. 4).
Из рисунка видно, что для всех рассматриваемых композиций интенсивность изнашивания покрытий из механической смеси двух составляющих лежит в диапазоне между интенсивностью изнашивания плакированного карбида и НА67. Таким образом, интенсивность изнашивания покрытий из смеси плакированных карбидов с различными материалами в некоторой степени определяется интенсивностью изнашивания материала, добавляемого к матрице. Однако при исследовании покрытий, напыленных из смесей плакированных карбидов с порошком ПХ20Н80, с увеличением содержания матрицы Ni-ПХ20Н80 интенсивность изнашивания покрытий снижается. Для покрытий, содержащих КНТП-35Н, при объемном содержании матрицы 85% она достигает 0,65х10-6 кг/ч, а для покрытий, содержащих
КХП-30Н - 1,2х10-6 кг/ч, в то время как интенсивность изнашивания ПХ20Н80 составляет около 3,5х10-6 кг/ч (рис. 5).
|
33 |
Рис. 4. Интенсивность изнашивания покрытий из смесей плакированных карбидов
с порошковым никелем или НА67: 1 – карбид хрома, плакированный никелем;
2 – карбид вольфрама, плакированный никелем; 3 – карбид титана, плакированный
никелем; 4 – карбонитрид титана, плакированный никелем.
Рис. 5. Интенсивность изнашивания покрытий из смесей плакированных карбидов
с порошковым никелем или НА67: 1 – карбид хрома, плакированный никелем;
2 – карбид вольфрама, плакированный никелем; 3 – карбид титана,
плакированный никелем; 4 – карбонитрид титана, плакированный никелем.
Таким образом, увеличение объемного содержания матрицы до 85 об.% при добавлении к порошку КХТП-30Н НА67 и ПХ20Н80 приводит к изменению величины интенсивности изнашивания в пределах 20%. При добавлении НА67 она несколько увеличивается, а при добавлении ПХ20Н80 - снижается. Применение смесей с порошковым никелем до 70 об.% дает те же результаты, что и добавление НА67.
В то же время изменение содержания матрицы позволит осуществлять согласование интенсивностей изнашивания покрытия и контртела.
Таким образом, в результате проведенных исследований разработан класс триботехнических материалов для применения в различных условиях эксплуатации по температуре, скорости скольжения, нагрузке.
|
34 |
Выводы:
1. Анализ результатов сравнительных испытаний износостойкости свидетельствует, что с увеличением микротвердости в карбидах металлов соединений: Cr3C2, WC, TiC, TiCN при постоянном содержании плакирующего металла (30...35 мас.%), величина износа покрытий убывает по линейному закону.
2. Интенсивность изнашивания покрытий из смеси плакированных карбидов с различными материалами в некоторой степени определяется интенсивностью изнашивания материала, добавляемого к матрице.
3. В результате проведенных исследований разработан класс триботехнических материалов для применения в различных условиях эксплуатации.
1. Низовцев, В.Е. Некоторые оценки напряженно-деформированного состояния керамических композиционных материалов с учетом технологических пор / В.Е. Низовцев, О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова и др. // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2018. - № 5. - С. 52-63.
2. Сильченко, О.Б. О перспективах применения наноструктурных гетерофазных полифункциональных композиционных материалов в авиадвигателестроении / О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова, В.Е. Низовцев, Д.А. Климов, А.А. Корнилов // Вопросы материаловедения.- 2018. - №1. - С. 50-57.
3. Захаров, Б.М. О прочности сцепления покры-тий, наносимых методом плазменного напыления / Б.М. Захаров, М.Г. Трофимов, Л.И. Гусева и др.// Порошковая металлургия. - 1970. - №11. - С. 71-76.
4. Гинзбург, Е.Г. Формирование контактной зоны покрытие подложка при газотермическом напылении / Е.Г. Гинзбург, О.С. Кобяков, В.А. Розанцев // Порошковая металлургия. - 1986. - №10. - С. 47-50.
5. Морозов, В.И. Технология напыления детонационных покрытий на основе оксида циркония, их свойства и применение / В.И. Морозов, Л.Т. Гордеева и др. // Тезисы докладов 10 Всесоюзного совещания «Теория и практика газотермического нанесения покрытий. - Дмит, 1985. - С. 37-39.
6. Харламов, Ю.А. Классификация видов взаимодействия частиц порошка с подложкой при нанесении покрытий/ Ю.А. Харламов // Порошковая металлургия. - 1988. - №1. - С. 18-22.
7. Федоренк, В.К. Влияние структурного фактора порошковых материалов на прочностные и пластические свойства детонационных покрытий типа ВК/ В.К. Федоренко, Р.К. Иващенко, В.Х. Кадыров и др. // Порошковая металлургия. - 1991. - №11. - С. 24-30.
8. Балдаев, Л.Х. Технологии детонационного напыления в городском и жилищно-коммунальном хозяйстве. Инновационные процессы в регионах России/ Л.Х. Балдаев, М.Н. Буткевич, Б.Г. Хамицев : материалы Всеросс. науч.-практ. конф. - Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2005. - С. 119-129.
9. Абузин, Ю.А. Исследование особенностей квазикристаллов при создании материалов для космоса, авиации, моторостроения и других отраслей народного хозяйства/ Ю.А. Абузин, А.С. Юдин : сб. докл. 1-го Всеросс. совещания по квазикристаллам. - ФГУП «ВИАМ», 2003. - С 112-119.
10. Рыбин, А.С. Изучение возможности практического использования квазикристаллов в качестве функциональных покрыти/ А.С. Рыбин, И.В. Улин, Б.Ф. Фармаковский и др. : сб. докл. 1-го Всеросс. совещания по квазикристаллам. - ФГУП ЦНИИКМ «Прометей, 2003. - С. 98-107.
11. ОСТ 1.90371.87. Покрытия газотермические. Методы испытания физических свойств// Определение плотности и пористости. - М.: ВИАМ, 1987.
