CC BY
53
УДК 629.4.027
В. В. АРТЕМЧУК (ДПТ)
СТРУКТУРА ТА ВЛАСТИВОСТ1 АМОРФНИХ ДЕТОНАЦ1ЙНИХ ПОКРИТТ1В НА ОСНОВ1 ЗАЛ1ЗА
У статт розглянут структура та властивосп шаруватих аморф1зованих покритпв, отриманих в умовах газо-термчного напилення. Наведено поршняльний анал1з покритпв 3i сплаыв на основ1 зал1за. Показано фактори, що впливають на утворення аморфно1 структури в детонацiйних покриттях з металевих cплавiв. Експериментально показано вплив структури покриттiв на зноcоcтiйкicть та витривалсть вiдновлених деталей.
Ключовi слова: шарувап аморфiзованi покриття, аморфна структура, детонацшш покриття
В статье рассмотрены структура и свойства слоистых аморфизированных покрытий, полученных в условиях газотермического напыления. Приведен сравнительный анализ покрытий из сплавов на основе железа. Показаны факторы, которые влияют на образование аморфной структуры в детонационных покрытиях из металлических сплавов. Экспериментально показано влияние структуры покрытий на износостойкость и выносливость восстановленных деталей.
Ключевые слова: слоистые аморфизированные покрытия, аморфная структура, детонационные покрытия
The structure and properties of the stratified amorphous coatings obtained in the conditions of thermal spraying are considered in the article. The comparative analysis of coatings from iron-based alloys is presented. The factors influencing the formation of amorphous structure in detonation coatings from metallic alloys are shown. The influence of structure of coatings upon the wear resistance and endurance of the recovered details is experimentally shown.
Keywords: stratified amorphous coatings, amorphous structure, detonation coatings
Вщновлення деталей рухомого складу е не-обхщною складовою ремонтного виробництва залiзницi. У той же час е необхщним не тшьки вщновлювати зношеш детат, а добиватися зб> льшення 1х ресурсу по вщношенню до нових. Одним iз таких шляхiв е вщновлення деталей газотермiчним напиленням, а саме детонацш-ним, шаруватих, аморфних покритпв.
Аморфний стан газотермiчних покритпв iз сплавiв, що мютять бор на основi затза приве-ртае до себе увагу завдяки високому рiвню екс-плуатацшних характеристик. Висока мщнють зчеплення, твердють, зносостшюсть при низь-кш вартостi дозволяють розглядати 1х як перспективы матерiали для отримання зносостiйких покриттiв на зношених деталях рухомого складу [1' 2].
У данiй роботi представленi результати до-слiдження структури та деяких властивостей детонацiйних покриттiв з Ре61Б27С2 i сплаву
аналогiчного складу з добавкою титану. Даш сплави схилi до аморфiзащI при надшвидкому охолоджуванш з розплавленого стану [1].
Для напилення застосовували порошок роз-мiром 5...40, 50...63, 63...100 и 100...160 мкм. Покриття наносили на зразки iз сталi 45 на автоматичному детонацшному комплексi «ПЕРУН-С» [3] iз застосуванням ацетшен-киснево1 i пропан-бутан-киснево1 сумiшей. Ви-трату напилюваного матерiалу на кожен пост-
рш пiдтримували у Bcix дослiдах постшним (товщина за пострiл складала 8... 10 мкм). Напилення та дослщження покритпв проводили в iнститутi електрозварювання iM. G. О. Патона НАН Украши.
Фазовий склад покриттiв визначали рентгено-графiчним методом на установщ ДРОН-1.5 у ви-промiнюваннi FeKa р без фiльтру. Аналiз метало-
графii шлiфiв проводили на м^оскош «Нео-фот-32» та «М1М-8», м^отвердють вимiрювали на приладi ПМТ-3 при навантаженш 0,49 Н. Мщ-тсть зчеплення покриттiв (товщиною 400... 5 00 мкм) з основою визначали за методикою конусного штифта.
Триботехшчне випробування покритпв проводили в умовах граничного тертя з обме-женим мастилом [4] при швидкосп ковзання 1 м/с i питомих навантаженнях 5,1 та 10,2 МПа. Матерiалом контртша служила сталь 40Х.
Наведенi в табл. 1 даш вiдбивають змшу характеристик покриттiв залежно вщ складу де-тонацiйноi сумiшi.
З таблиц видно, що використання ацетилен-кисневоi сумiшi, що мае вищi енергетичнi характеристики (температуру на^ву та швид-кiсть ix руху [4]) забезпечують пiдвищення ступеня деформаци напилюваного матерiалу, i вiдповiдно, приводить до збшьшення аморфноi фази.
© Артемчук В. В., 2011
39
На рис. 1 для випадку напилення при стехю- цшно! сумш1 показано вплив розм1ру часток на метричних сшввщношеннях двох титв детона- кшьюсть аморфно! фази, що утворилася.
Таблиця 1
Вплив складу детонацшноТ сумiшi на характеристики детонацiйних покриттiв iз сплаву
Характеристика Склад покриття детонацiйно! сумiШП^^-— Змгст аморфноi фази, % Мщтсть зчеплен-ня, МПа Пориспсть, % Мжротвердгсть, МПа
СэН8 + 3,502 60 65 1,5 7500
С2Н2 + 02 + N 80 70 1,0 8200
5-40 /¿км 40-63 /¿км 63-100 //км 100-160 /(км Рис. 1. Вплив роз]шру частинок порошку iз сплаву БеВС на об'емний змiст аморфно! фази
пiд час детонацшного напилення сумiшами: □ - ацетилен-кисень; ® - пропан-бутан-кисень
Наведет на рис. 1 дат вказують, що з погля-ду аморфiзащi покритпв застосування пропан-бутан-киснево! детонацiйноi сумiшi ефективне для порошив з розмiром частинок до 40 мкм.
Разом з тим деяю з цих вщдзеркалень ствпа-дають з найбшьш сильними лiнiями бороцемен-тата Fe(B,C), що дозволяе припустити його при-сутнiсть у порошку в дуже малих кшькостях.
Напиленi покриття з порошкiв сплаву Fe61B37C2 мають аморфно-кристалiчну структуру: на рентгенограмi (рис. 2, б) видно два розмит максимуми характерних для розплавiв i аморфних сплавiв [2], на фош яких спостерша-ються штенсивш лiнii кристалiчних фаз, прису-тшх в початкових порошках.
Введення в сплав Fe61B37C2 титану пере-шкоджае утворенню бориду залiза. На рент-генограмах порошку (рис. 3, а) сплаву Fe67Ti7B24C2 iдентифiкацiя FeB, Fe2B, Fe3B
ускладнена, при цьому найбшьшу штенсив-нiсть мають лiнii a-Fe.
На рентгенограмах напиленого сплаву Fe67Ti7B24C2 (рис. 3, б) також присутш розмитi дифракцiйнi максимуми, на фош яких розмще-нi пiки кристатчних фаз. На вiдмiну вiд порошку щентифшащя фаз TiC, B4C, Ti2B5 та гра-фiту ускладнена. В порiвняннi з покриттями iз сплаву Fe61B37C2 дифузнi максимуми вщ аморфно! фази в даному випадку мають велику ш-тенсившсть. Це свiдчить про збiльшення об'ем-ного змiсту аморфно! фази у разi покриття iз сплаву, що мютить титан.
Аналiз мiкроструктур початкових порошюв та порiвняння !х рентгенограм з рентгеногра-мами напилених покритпв показують, що в результат напилення в обох сплавах виявляються iстотнi структурнi змiни. На рентгенограмах порошюв сплаву Fe61B37C2 (рис. 2, а) найбшьшу штенсившсть мають лши монобориду залiза FеВ. Рентгенографiчнi також рееструються лiнii a-Fe . Дифракцшш вiддзеркалення, вiдповiднi
нашвбориду затза Fe2B, мають слабюшу ште-нсивнiсть, на рентгенограмах noMÍTHÍ тiльки нaйбiльш сильнi його лши. Слiд зазначити, що ряд дифракцшних вiддзеркaлень щентифшува-ти складно з-за !х дуже слабко! iнтенсивностi.
На рис. 4 представлено структуру покриття iз сплаву Fe61B37C2. Ч^ко виявляеться монобо-рид зaлiзa FeB у виглядi сiрих включень округ-
ло! форми в матриц a-Fe . Мшротвердють FеB досягае 1650... 1700 МПа. Мiж моноборидом залiза розмщеш облaстi фази Fe2B i мшкодис-перснi включення, якими, можливо, е Fe3B та Fe3 (B,C). Покриття мають шарувату будову, характерну для напилених структур.
Рис. 2. Рентгенограми порошку (а) i покриття (б) iз сплаву Fe61B37C2
Шaрувaтiсть структури напиленого покриття iз сплаву Fe67Ti7B24C2 (рис. 4, г) у порiвнян-m iз структурою покриття iз сплаву Fe61B37C2 виражена чiткiше. При цьому вона вiдрiзняеть-ся меншою пористютю. В межах шaрiв можна вiдрiзнити двi склaдовi: свiтлa непротравлена матриця (аморфна фаза з включеннями a-Fe) мае мшротвердють 11 000. 14 000 МПа та ви-дшення, що вiдносяться в основному до TiB2.
На пiдставi результaтiв триботехнiчних ви-пробувань встановлено, що аморфш детона-цiйнi покриття з евтектичних сплaвiв на основi зaлiзa нiкелю за зносостiйкiстю в умовах граничного тертя i тертя без мастила ютотно пере-вершують конструкцiйнi та iнструментaльнi
стал пiсля термiчноl та хiмiко-термiчноl обро-бки, а не рiдко не поступаються детонацiйним покриттям з твердих сплавiв типу ВК (WС-Сo). Так, наприклад, при терт без мастила i з мас-тилом при поворотно-поступальному ходi на машинi торцевого тертя детонацшш покриття iз сплавiв системи Бе-В-С з переважно аморфною структурою мають в 1,7.2,8 разiв меншi значення лiнiйного зносу в порiвняннi з цемен-тованою сталлю 20Х (рис. 5).
Щд час дослiдження детонацiйних покрит-т1в iз евтектичного сплаву системи Бе-В-С, що мiстять близько 70 % аморфскладаючо!, також встановлено [4], що !х зносостiйкiсть близька до тако! для сплаву ВК-15.
Рис. 3. Рентгенограми порошку (а) та покриття (б) iз сплаву Ре67Т17Б24С2
а)
, г
^ V -х*. *
4
" *
• о > •
>
Ч '
б)
.зс # " •*'
■ г
тв
А
*
Рис. 4. Мiкроструктура покриття iз сплаву Бе61Б37С2 (а, в) та сплаву Бе67Т17Б24С2 (б, г)
Характерною особливютю аморфних дето-нацiйних покритпв е той факт, що вони сприя-ють пiдвищенню меж витривалосп основи в обмеженому та необмеженому дiапазонах. Цей факт представляе штерес у зв'язку з тим, що в бшьшосп випадкiв газотермiчнi покриття при-зводять до зниження ще! характеристики. Ви-пробування зразкiв конструкцшних сталей з аморфними детонацшними покриттями п спла-
вiв Бе-В-С та Бе-Т^Б-С , в умовах скручування на вигин, показали пiдвищення меж витрива-лостi в порiвняннi iз сталлю без покриття в се-редньому на 25... 45 % залежно вiд складу покриття та його товщини. Детонацiйний метод порiвняно з iншими методами газотермiчного напилення забезпечуе найбшьш високий рiвень меж витривалостi (рис. 6) [2].
0,6 0.5 0,4 0,3 0.2 0.1 0
0,56
0.2
-о^з-
Рис. 5. 1нтенсившсть зношування аморфних покритпв 1з сплав1в системи БЕ-Б-С (1-2) 1 цементовано! стал 20Х (3) при терп з обмеженим мастилом (поворотно-поступальний хвд, амплггуда 61 мм, швидшсть ковзання - 0,023 м/с, питоме навантаження - 110 МПа, контртшо - цементована сталь 20Х):
1 - Бе-В-С; 2 - Бе-Т^Б-С , 3 - сталь 20Х
Рис. 6. Граф1ки Велера для стал 45 (1) з аморфними детонацшними (2) та плазмовими (3) покриттями 1з сплаву Бе-В-С
Таким чином, в результатi дослщження зно-состiйкостi аморфiзованих покриттiв встанов-лено, що найбiльш переважним варiантом покриття з погляду забезпечення максимально!
зносостшкосп можуть бути щшьш однорiднi покриття, структура яких представлена аморфною матрицею з незначними мiкрокристалiч-ними включеннями твердих фаз.
Що стосусться досягнення максимально! мiцностi зчеплення при детонацшному напи-леннi, то очевидно, вона вщповщае режиму, що забезпечуе максимальний змiст аморфно! фази i мiнiмальному змiсту розчинених газiв.
Висновки:
1. Данi приведенi на рис. 1 указують, що з погляду аморфiзацi! покриттiв застосування пропан-бутан-киснево! детонацiйно! сумiшi ефективне для порошюв з розмiром частинок до 40 мкм.
2. На пiдставi результат триботехнiчних випробувань в умовах поворотно-поступаль-ного ходу встановлено, що аморфiзованi по-криття iз сплавiв на основi залiза та шкелю за зносостiйкiстю при граничному терт та тертi без мастила ютотно перевершують конструк-цiйнi й шструментальш сталi пiсля термiчно! та хiмiко-термiчно! обробки, а у багатьох випадюв також не поступаються детонацiйним покрит-тям з твердих сплавiв типа ВК WС-Со. Так, на-приклад, при тертi без мастила та з мастилом на машиш торцевого тертя детонацшне покриття iз сплавiв системи Бе-Т^Б-С переважно з аморфною структурою мають у 1,7...2,8 рази мен-ше значення лшшного зносу в порiвняннi з це-ментованою сталлю 20Х.
3. Встановлено, що аморфш детонацiйнi покриття сприяють пiдвищенню межi витрива-лостi основи. Випробування зразкiв конструк-
цiйних сталей з аморфними детонацшними по-криттями iз сплавiв Ре-Сг-Б-№-С, Бе-М-Б, Ре-№-Сг-Мо-Б, Бе-Сг-Мо-Б, проведет на втомнш машинi 8еЬепек типу Рипп в умовах скручування на вигин, показали пiдвищення меж витривалостi порiвняно зi сталлю без покриття на 20.25 % залежно вщ складу покрит-тя та його товщини.
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Куницкий, Ю. А. Некристаллические металлические материалы и покрытия в технике [Текст] / Ю. А. Куницкий, В. И. Коржик, Ю. С. Борисов. - К., Техника, 1988, - 198 с.
2. Егоров, М. Д. Исследование структуры и свойств борсодержащих сплавов [Текст] / М. Д. Егоров, Ю. Л. Сапожников, Р. М. Кацель, Ю. В. Шахиазаров // Композиционные покрытия: Тезисы 3й науч.-техн. конф. - Житомир: Житомирский фил. КПИ, 1985. - С. 36-37.
3. Астахов Е. А. Детонационный комплекс «Пе-рун-С» для нанесения защитных покрытий [Текст] / Е. А. Астахов // Автоматическая сварка. - 2003. - С. 38-43.
4. Астахов, Е. А. Детонационное напыление аморфных и микрокристаллических покрытий [Текст] / Е. А. Астахов, В. И. Коржик, А. В. Чернышев. - К. Брошюра общества «Знание», УССР, 1990. - 20 с.
Надшшла до редколегп 11.10.2010.
Прийнята до друку 14.10.2010.
