CC BY
71
60
Е. Е. Петрова, М. В Пимонов., В. Л. Князьков
УДК 621.793.7
ПОВЫШЕНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ ДЕТОНАЦИОННОГО НАПЫЛЕНИЯ СМЕСЬЮ ПОРОШКОВ БрАЖ9-4 и АЬОз
Петрова Елена Евгеньевна,
старший преподаватель кафедры технологии машиностроения, e-mail: petrova.lena-
[email protected] Пимонов Максим Владимирович, старший преподаватель кафедры технологии машиностроения, e-mail:
make [email protected] Князьков Виктор Леонидович, канд. техн. наук, доцент кафедры технологии машиностроения, e-mail: [email protected]
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Аннотация
Антифрикционные сплавы, применяемые для изготовления деталей машин горнодобывающего оборудования, имеют недостаточно высокую твердость, поэтому в процессе эксплуатации зачастую деформируются и подвергаются ускоренному износу. Целью работы является, повышение твердости, антифрикционных свойств и износостойкости поверхностей деталей машин горнодобывающего оборудования, таких как втулки гидроцилиндров, соединений стрел и ковшей, зубчатые венцы и др., изготавливаемых, как правило из сплавов на основе меди. В работе исследовано влияние модифицирования поверхности образцов выполненное в процессе детонационного напыления смеси порошков ПР-БрАЖ9-4-3 и AI2O3. Процентное содержание порошков в напыляемой смеси изменяли в соотношении 1:9+5:5. Для обеспечения требуемых значений микротвердости, процентное соотношение смеси порошков ПР-БрАЖ9-4-3 и AI2O3, должно составлять 4:6. При другом соотношении, было обнаружено значительный разброс значений микротвердости. Проведены исследования топографии напыленной смесью порошков поверхности на сканирующем туннельном микроскопе. Обнаружены частицы округлой формы, размеры которых составляют около 1,25x0,5x500 нм, данный фактор свидетельствует о присутствии нерасплавленных частиц при напылении частиц AI2O3. В процессе металлографического исследования было установлено наличие в нанесенном слое модифицированного сплава двух фаз: а-фазы и а+у. Неравномерное распределение микротвердости на напыленной поверхности свидетельствует о некоторых недостатках разработанной технологии модифицирования, таких как сложность получение смеси равномерного состава, обладающей высокими технологическими свойствами, а также необходимости корректировки режимов напыления.
Ключевые слова: Детонационное напыление, ультрамелкодисперсные частицы керамики, электронная микроскопия, спектральный анализ, микротвердость, топография поверхности, микроскопические исследования.
Поверхности втулок гидроцилиндров, опорных втулок стрел экскаваторов ЭКГ-5 и ГШ и т.д., изготавливаемых методом литья и последующей механической обработкой имеют недостаточную твердость и, зачастую, в результате воздействия высоких нагрузок деформируются.
Представленные в работе [1] способы повышения твердости и антифрикционных свойств способом плазменно-порошковой
наплавки слоя, модифицированного
ультрамелкодисперсными частицами АЬОз, наряду с высокими свойствами покрытия имеют ряд недостатков, таких как, разложение в процессе наплавки некоторой части частиц АЬОз, высокое качество покрытий достижимо в узком интервале
режимов, наличие основного металла в наплавленном, снижает антифрикционные
свойства таких покрытий [2]. Применение детонационного напыления взамен плазменного, вследствие значительного различия
технологических особенностей, а именно: отсутствие перемешивания основного и напыляемого металлов, малое, относительно плазменно-порошкового способа время контакта веществ в нагретом состоянии, значительно снижает склонность ультрамелкодисперсных частиц АЬОз к разложению. При детонационном нанесении покрытий, вследствие циклического характера процесса, температура нагрева детали, как правило, ниже уровня структурных изменений, прочность сцепления напыленного
Машиностроение и машиноведение
61
слоя может достигать 200-240 МПа [3 - 5]. Гипотеза заключается в том, что высокие антифрикционные свойства и твердость частиц АЬОз в сочетании с основой из антифрикционного сплава БрАЖ9-4 могут сформировать, в результате напыления, покрытие с новыми свойствами.
Применение ультрамелкодисперсных частиц АЬОз обусловлено двумя факторами: первый -необходимостью снижения отрицательного влияния твердых частиц АЬОз на антифрикционные свойства покрытия [6]; второй - предотвращение перегрева и, соответственно, разложения частиц АЬОз при соударении с основой. Влияние массы частиц на температуру, которая повышается в результате превращения кинетической энергии в тепловую при соударении с основой, представлено в работе [7]
^ = Р{С(Г„Л- 70) + s}
где р - масса частицы, г; v - скорость полета частицы, м\с; q - ускорение силы тяжести (980 см/с2); с - удельная теплоемкость напыляемого материала, кал/г °С; Тпл - температура плавления напыляемого материала °С; s - скрытая теплота плавления напыляемого материала, кал/г.
Детонационное напыление выполняли на автоматической установке «Обь» при следующих параметрах: давление воздуха 0,2 - 0,18 МПа, расход воздуха G<0,01 кг/с; давление кислорода 0,14 МПа, расход - <0,002 кг/с; давление
ацетилен 0,135 МПа, расход - <0,001 кг/с; давление пропан-бутана 0,135 МПа, расход -<0,001 кг/с.
Основные характеристики
ультрамелкодисперсных частиц керамики АЬОз, представлены в табл. 1. При напылении на поверхность образца из стали 20, использовали смесь порошков АЬОз и ПР-БрАЖ9-4-3 (фракция 20 - 40 мкм). Свойства порошка АЬОз
представлены в технических условиях [7].
Таблица 1. - Основные характеристики порошка АЬОз
Наименование показателя Норма для марок
Марка А
Внешний вид Высокодисперсный порошок белого цвета
Структура кристалла Бемит
Размер кристаллитов, А, не более 1 000
Удельная специфическая поверхность, м2/г, в пределах 10-400
Состояние керамического порошка АЬОз перед применением исследовалось в лаборатории физики ГОУ ВПО Томского архитектурно-строительного университета методом
просвечивающей электронной микроскопии с помощью угольных реплик. Просмотр угольных реплик, на которые осаждались исследуемые порошки, осуществлялся на электронном микроскопе ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 125 кВ и рабочих увеличениях в колонне микроскопа от 25 000 до 80 000 крат.
Характеристики керамического порошка АЬОз более подробно описаны в [8].
В табл.2 представлены результаты
Таблица 2. - Химический состав напыленного слоя АЬОз+ПР-БрАЖ9-4-3
Напыляемые материалы Доля химических элементов (%)
Fe А1 Си Примеси
1:9 3,072 6,244 88,98 1,704
2:8 3,014 7,308 88,36 1,318
3:7 3,276 8,535 86,75 1,439
4:6 3,131 7,917 87,36 1,592
5:5 3,458 8,872 86,20 1,470
Таблица 3. - Микротвердость поверхности напыленного образца, HV, МПа
Содержание Расстояние между точками, мм Среднее Среднее
компонентов 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 значение отклонени е
1:9 234 218 222 216 230 297 245 239 227 236,4 24,6
2:8 316 196 278 346 329 335 240 214 321 286,1 56,4
3:7 267 301 264 304 337 270 289 301 350 298,1 30,1
4:6 303 345 300 308 320 416 295 301 290 319,8 39,6
5:5 320 300 275 250 270 271 260 340 325 290,1 32,0
62
Е. Е. Петрова, М. В Пимонов., В. Л. Князьков
Таблица 4. - Характер структуры напыленного детонационным методом слоя
Содержание А120з и ПР-БрАЖ9-4-3
1:9
2:8
3:7
4:6
5:5
Мах
297 МПа
346 МПа
340 МПа
Min
264 МПа
290 МПа
250 МПа
спектрального анализа напыленных слоев с различным процентным соотношением АЬОз.
Показано, что в процессе напыления в атмосфере смеси ацетилена (С2Н2) и пропан СзН8 -бутана С4Н10, происходит неравномерное распределение элементов Fe, А1, Си.
Исследование микротвердости проводили в лаборатории КузГТУ на кафедре технологии машиностроения. Измерения выполняли в 9-и точках (в каждой, не менее 4-х измерений) прибором Dura Scan по ГОСТ 9450-76 вдавливанием наконечника (четырехугольной пирамидой с квадратным основанием) под нагрузкой 0,1 кг приложенной в течение 15 с при
увеличении 10 крат, результаты измерений микротвердости и характер микроструктуры представлены в таблицах 3 и 4. В процессе измерений не было выявлено значительного увеличения микротвердости [8], в связи с этим были проведены дополнительные исследования.
Результаты измерений обработаны методами математической статистики.
Видно (рис. 1), что наибольший разброс значений микротвердости соответствует отношению 2:8, более высокие и стабильные значения микротвердости с незначительным разбросом, получены при детонационном напылении порошков в соотношении 4:6.
Микротвердость, МПа
Машиностроение и машиноведение
63
400.0
350.0
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50,0
0,0
1 2 3 4 5
Содержание компонентов, %
Рис. 1. Влияние процентного содержания АЬОз на микротвердость (А120з и ПР-БрАЖ9-4-3): 1 - 1:9; 2 - 2:8; 3 - 3:7; 4 - 4:6; 5-5:5
6
Следует отметить, что полученные результаты значений микротвердости, которые представлены в табл. 3, характеризуются высоким разбросом и зависят от структуры поверхности. Однако микротвердость модифицированного слоя выше,
чем немодифицированного, что свидетельствует об эффекте упрочнения.
Топографию напыленной поверхности
исследовали в лаборатории КузГТУ на
сканирующем туннельном микроскопе. на
Рис.З. Размер осколка в сканирующем туннельном микроскопе по оси Z
(разрешение 10'8)
64
Е. Е. Петрова, М. В Пимонов., В. Л. Князьков
напыленной поверхности с содержанием 10% АЬОз. Исследование выполняли на наноуровне, необходимо отметить, что данное исследование выполняли на не шлифованном осколке напыленной поверхности.
Установлено (рис. 2), что выступы на поверхности имеют овальную форму и составляют 500 нм. Как можно предположить, что отдельные выступы, являются нерасплавленными частицами порошка или зернами. Размер которых составляет 1,25x0,5x500 нм (рис. 3).
Микроскопические исследования напыленных образцов выполняли на микроскопе МИМ-8, при увеличении хЮО, х500. Травление образцов выполняли 5% раствора FeCb в 10% растворе НС1 погружением на 5-10 секунд.
При травлении структура образца имеет цветную (медную) и черную окраску различной тональности.
В структуре образцов были обнаружены а-
фаза (светлые зерна - твердый раствор алюминия в меди) и эвтектоид (а + у) (темные вытравливающиеся зерна). Внутри зерен обнаружены мелкие включения железо-
содержащей фазы (рисунок 4) [9].
За счет теплообмена возникшего в результате детонации горючей смеси, температура
напыляемых частиц может достигать 4000 °С [10], в следствии чего фаза (3 распалась с образованием эвтектоида: [3—► а + у. Фаза у представляет собой твердый раствор на основе электронного
соединения CU32AI19 [9].
В структуре обнаружили флокуляцию частиц AI2O3, произошедшую во время напыления (рис. 4 а, б).
На всех исследованных образцах граница раздела между фазами практически отсутствует. По выявленным границам а - фазы располагается фаза а + у (рис.4, в).
а) б)
в)
Рис. 4. Микроструктура напыленного образца с содержанием 40% AI2O3 (а, б - при увеличении х500; в - при увеличении хЮО)
Машиностроение и машиноведение
65
Выводы
1. Применение детонационного напыления с содержанием 40 % АЬОз привело к повышению микротвердости напыленного слоя, что подтверждает гипотезу о возможности повышения износостойкости путем использования АЬОз.
2. При металлографическом исследовании было установлено наличие в нанесенном слое модифицированного сплава двух фаз: a-фазы и а-ну. И наличие флокуляции частиц А120з, с
образованием коагуляционных структур.
3. Для повышения твердости, износостойкости и антифрикционных свойств модифицированного слоя необходимо проведение дополнительных исследований.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ, соглашение номер 14-19-00724.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Плазменно-порошковая наплавка слоя бронзы, модифицированного наноразмерными частицами АЬОз. Сборник докладов 13-й международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня» / Князьков В.Л., Смирнов А.Н., Козлов Э.В., Радченко М.В., Князьков К.В., Мазалов Ю.А. - Санкт-Петербург, 2011.4. 1. С. 157-163.
2. Нанотехнологии в машиностроении / Смирнов А. Н., Князьков В. Л., Абабков Н. В., Князьков К. В., Пимонов М. В.. - Кемерово: ООО «Сибирская издательская группа», 2014. - 207 с.
3. Бартенев, С. С. Детонационные покрытия в машиностроении - Ленинград: Машиностроение. -1982.-215 с.
4. Папырин, А. Н. Новые материалы и технологии. Теория и практика упрочнения материалов в экстремальных процессах; Российская академия наук, Институт теплофизики; - Новосибирск: Наука. -1992. - С. 131-132.
5. Кулик, А. Я. Газотермическое напыление композиционных порошков. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение. - 1985. - 199 с.
6. Мартин, Д. В. Краткая энциклопедия по структуре материалов. - Москва: Техносфера, 2011. -С41 -54.
7. ТУ 2133-001-76634032-2006. Алюминия оксигидроокись (бемит). - М.:АЛЮМ-Э, 2006. 18 с
8. Смирнов, А. Н. Экспертиза промышленной безопасности в Сибирском регионе. - М.: Машиностроение, 2015.-С. 192-198.
9. Мальцев, М. В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. - Москва, 1970. -С.163-171, С.344.
10. Восстановление деталей машин: Справочник / Пантелеенко Ф. И., Лялякин В. П., Иванов В. П., Константинов В. М. - М.: Машиностроение, 2003. - С. 366-367.
Поступило в редакцию 13.05.2015
IMPROVEMENT OF PROPERTIES ANTIFRICTIONAL OF THE SURFACE MACHINE PARTS OF THE MINING EQUIPMENT BY DETONATION SPUTTERING A MIXTURE OF POWDERS OF ВгАЪ9-4 AND АЬОз
Petrova Elena E.,
senior lecturer, e-mail: [email protected]
Pimonov Maxim V., senior lecturer, e-mail: [email protected]
Knjazkov Viktor L.,
Candidate Sc. in Engineering, Associate Professor, e-mail: [email protected] T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28, Vesennyaya st., Kemerovo, 650000, Russia.
Abstract
Antifriction alloys used for manufacturing machine parts of mining equipment have modest hardness they are frequently so are in the frenquetly deformation and are subject to accelerated wear. The research is aimed at the increasing hardness wear resistance and properties antifriction during the operation process of the surface machine parts of mining equipment, such as hydraulic cylinder bushings, joints boom bucket joints and gearings, etc., usually produced of copper-based alloys. The research showed impact samples surface modification made
66
Е. Е. Петрова, М. В Пимонов., В. Л. Князьков
during the process of detonation sputtering this mixture of powders of РЯ-ВгАЪ9-4-3 and AI2O3. The percentage of powders in the sputtering mixture changed whose the ratio of 1: 9 + 5: 5. To ensure the required values of microhardness the percentage of mixture powders PR-BrAT9-4-3 and AI2O3, must he 4: 6. When another ratio found significant variations of microhardness were found. Studies on the topography of the surface of the powder mixture were carried out with a scanning tunneling microscope. Rounded particles are detected whose size of which is about 1,25x0, 5x500 NM, this factor indicates the presence of unfused particles in sputtering AI2O3 particle. Metallographic study found that presence of modified alloy of two phases in the sputtered layer: a-phase and a + y. The uneven distribution of microhardness on surface sputtered reveals certain drawbacks of the modification technology developed, such as difficulty of obtaining a uniform mixture composition with high technological characteristics, as well as the need to adjust the sputtering modes.
Key words: Detonation sputtering, ultrajinely divided particles of ceramics, electron microscopy, spectral analysis, microhardness, surface topography, the microscopic studies.
REFERENCES
[1] Plazmenno-poroshkovaja naplavka sloja bronzy, modificirovannogo nanorazmemymi chasticami A1203. Sbornik dokladov 13-j mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Tehnologii remonta, vosstanovleni-ja i uprochnenija detalej mashin, mehanizmov, oborudovanija, instrumenta i tehnologicheskoj osnastki ot nano do makrourovnja» / V.L. Knjaz'kov, A.N. Smirnov, JE.V. Kozlov, M.V. Radchenko, K.V. Knjaz'kov, JU.A. Mazalov - Sankt-Peterburg, 2011. CH. 1. S. 157-163.
[2] Nanotehnologii v mashinostroenii/ A. N. Smirnov, V. L. Knjaz'kov, N. V. Ababkov, К. V. Knjaz'kov, M. V. Pimonov. - Kemerovo: OOO «Sibirskaja izdatel'skaja gruppa», 2014. - 207 s.
[3] Bartenev, S. S. Detonacionnye pokrytija v mashinostroenii - Leningrad: Mashinostroenie. - 1982. -215 s.
[4] Papyrin, A. N. Novye materialy i tehnologii. Teorija i praktika uprochnenija materialov v jekstremal'nyh processah; Rossijskaja akademija nauk, Institut teplofiziki; - Novosibirsk: Nauka. - 1992. - C. 131-132.
[5] Kulik, A. JA. Gazotermicheskoe napylenie kompozicionnyh poroshkov. - L.: Mashinostroenie. Lenin-gradskoe otdelenie. - 1985. - 199 s.
[6] Martin, D. V. Kratkaja jenciklopedija po strukture materialov. - Moskva: Tehnosfera, 2011. - S41 - 54.
[7] TU 2133-001-76634032-2006. Aljuminija oksigidrookis' (bemit). - M.:ALJUM-JE, 2006. - 18 s.
[8] Smirnov, A. N. JEkspertiza promyshlennoj bezopasnosti v Sibirskom regione. - M.: Mashinostroenie, 2015.-S. 192-198.
[9] Mal'cev, M. V. Metallografija promyshlennyh cvetnyh metallov i splavov. - Moskva, 1970. - S.163-171, S.344.
[10] Vosstanovlenie detalej mashin: Spravochnik / F. I. Panteleenko, V. P. Ljaljakin, V. P. Ivanov, V. M. Konstantinov - M.: Mashinostroenie, 2003. - S. 366-367.
Received 13.05.2015
