Использование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для повышения эксплуатационных свойств деталей и инструмента

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА (СВС) ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ И ИНСТРУМЕНТА

В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, С.В. Шеставина, Л.Н. Серебровская, Ю.Г. Алехин

Аннотация. В работе представлены результаты исследования работоспособности металлической поверхности модифицированной методом СВС, а также влияния последующей термической обработки на износостойкость опытных образцов и пары трения в целом. Установлено, что метод СВС позволяет путем подбора соответствующего состава шихты и инициирования реакции горения с выделением большого количества теплоты значительно сократить время процесса при формировании поверхности достаточно высокого качества.

Ключевые слова: композиционные порошки, покрытие, добавки.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) является эффективным энерго- и ресурсосберегающим методом получения тугоплавких и композиционных материалов [1-2] и порошков для газотермического напыления [3],основанным на использовании экзотермического эффекта реакций взаимодействия большинства металлов периодической системы с бором, углеродом, азотом, кремнием и др. Сущность процесса заключается в том, что после локального инициирования, реакция протекает в узкой зоне - волне горения, перемещающейся по образцу за счет теплопередачи. В качестве реагентов используются смеси элементов:

металлов с неметаллами; металлов с металлами; неметаллов с неметаллами или их соединений, способных при взаимодействии выделять большое количество тепла.

Общую схему процесса можно представить в следующем виде:

x(i)+у(i)=z(k),

где х(1) - реагент в твердом состоянии;

у(1) - реагент в твердом, жидком или газообразном состоянии; z(k)-продукт синтеза (карбиды, бориды, силициды, нитриды, интерметаллиды и др.) в конденсированной фазе.

Благодаря особенностям процесса: высокой

температуре;

кратковременности химических и физических процессов; высокой скорости внутреннего саморазогрева; протеканию реакций в условиях резкого градиента температур и др. метод позволяет синтезировать композиции, получение которых другими известными способами требует больших затрат или сложного дорогостоящего оборудования, либо вообще невозможно [3].

При синтезировании композиционных порошков СВС в качестве связок обычно используются металлы, металлические сплавы (на основе М, Fе, Al) и интерме-таллиды (№хА1у, FexAly, Т1х№у,Т1хА1у). В качестве тугоплавких соединений, как правило, используют карбиды вольфрама, титана, хрома, кремния и их комбинации, а также оксиды алюминия, титана и хрома.

Одним из преимуществ СВС - технологии является возможность получения многокомпонентных композиций в одну стадию: формирование как простых, так и сложнолегированных соединений.

Характерными особенностями синтезируемых порошков являются: наличие металлургической связи между составляющими композиционной частицы; мелкозернистая структура с тонким объемным распределением тугоплавкой составляющей и постоянством фазового состава независимо от размеров порошковой композиционной частицы.

В институте порошковой металлургии (Минск, Беларусь) разработаны и получены СВС - порошки многопрофильного назначения для нанесения защитных износо- и коррозионно-стойких покрытий методами газотермического напыления [3].

Это: ЖТ-55 (№Сг/ 55% ТЮ); FСТ (Бе/ 50% ТЮ); АSСТ-50 (АШ/ 50% Т1С); ^А-40 (№А1/ 40% А1203); ЖС^СТ70-30[25% МСг/ 75% (70% СгзС2 - 30% Т1С) 1; БА-15 (БеА1/15% А1203); NCC-75 (NiСг/ 75% СГ3С3).

Например, порошок NСС-NСТ70-30 получен одновременным синтезом карбидов титана и хрома из элементарных порошков в присутствии порошка нихрома. При этом особенности процесса позволяют формировать легированный хромом карбид титана, обеспечивая повышенную стойкость материала к окислению и коррозии.

Технология получения СВС - порошков включает следующие основные этапы: подготовку порошковой шихты; непосредственно синтез; размол и классификацию полученного продукта по фракциям.

Самофлюсующиеся порошки на никель-хромовой основе широко используются при газотермическом напылении благодаря значительному повышению их эксплуатационных характеристик, которые частично связаны с относительно низкой температурой плавления жидкой фазы, не превышающей 1050-1080 °С. Структура порошков и наплавленных покрытий исследовались многими авторами. Установлены основные структурные факторы, определяющие их повышение.

Однако газотермическое напыление не всегда решает проблему получения «не толстых» покрытий с высокой адгезионной прочностью сцепления без потери твердости, а также получать качественные покрытия на локальных областях деталей и инструмента различного назначения.

Обеспечить комплекс защитных свойств в зависимости от условий эксплуатации покрытия позволяют порошковые электродные материалы с нанодобавками, полученные по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

В цикле работ [4-13] представлены результаты исследований по развитию технологии электроискрового легирования (ЭИЛ), связанные с применением новых составов электродных материалов и современного обо-

рудования, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств ответственных деталей машин и механизмов. Показано, что для каждой конкретной технологической задачи необходим подбор соответствующих электродных материалов. Рекомендуется для обеспечения защитных свойств в зависимости от условий эксплуатации покрытий применять синтетические твердосплавные инструментальные материалы (СТИМ), полученные по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). В качестве основы этих материалов применяется карбид титана, бора или хрома, который обеспечивает твердость и износостойкость. Связкой для них служат М; МА1; Т1А1; ХН70Ю и др., которые обеспечивают высокую когезию и пластичность формируемых покрытий.

За последние годы разработаны и изготовлены по технологии СВС-компактирования новые материалы па основе карбида титана соответствующих марок в следующих системах: СТИМ-ЗБ (ТЮ-Сг3С2-№);СТиМ-40НА (ТЮ-№А1); СТИМ-21401НЖ (Т1-ХШОЮ); СТИМ-40ТА (Т1С-Т1А1), легированные добавками на-нодиснерсных порошков Zr02, A120з,NbC, Ш,ШС,ШС-Со и Si3N4 [1, 3-8].

В процессе ЭИЛ ударно-тепловое воздействие искрового разряда приводит к формированию мелкозернистой структуры на рабочей поверхности материала электрода. Идет усталостное разрушение зерен карбида титана, взаимодействие с воздухом, в канале разряда, и уже в структуре покрытия размер зерен составляет 100500 нм. Анализ микроструктур покрытий на титановой подложке ОТ4-1, полученных с использованием электрода на основе Т1С-Т13А1С2 и из этого же сплава, но модифицированного нанодобавкой Ш, позволил [9,10] установить позитивное влияние нанодобавок. Электроискровые покрытия с нанодобавками имеют повышенные значения толщины, сплошности. микротвердости, жаростойкости, при этом снижается коэффициент трения [4, 5,10,11]. Добавки нанопорошков обеспечивают значительное модифицирование структуры электродных материалов от 2 до 7 раз и повышение их физико-химических свойств [6-13]. По данным работы [11] по технологии горячего прессования из нанодис-персного порошка 92% ШС - 8% Со получен наноструктурный электродный материал с размером зерна карбида вольфрама 100 нм. Применение такого электрода по сравнению с обычным электродом ВК8 (размер зерен ШС=1-2 мкм), способствовало повышению характеристик покрытия, а именно твердости (Нц) модуля упругости, сплошности, толщины и др.

Вышеприведенный наноструктурный электродный материал обеспечил формирование более износостойкого покрытия на титановом сплаве ВТ 14 с одновременным снижением коэффициента трения по сравнению с покрытием из традиционного электрода ВК8.

В работе [13] приводятся сведения по практическому применению наноструктурных электродных материалов. Так, обработка стальных плит материалами СТИМ-40НА (ТЮ-МА1, ТЮ-№А1+№>Снано) и ВК8 привела к 8-10-кратному росту срока их службы.

Установлено положительное влияние ЭИЛ - покрытия на режущем и штамповом инструменте. Электроискровая обработка стального корпуса алмазных отрезных сегментных сверл диаметром 102 мм электродами СТИМ-ЗБ (ТЮ-Сг2С3-№-Шнано) и СТИМ-ЗБ (ТЮ-Сг3С2-№-А1203нано) повысила его стоимость на 25%.

Также следует отметить современное электроискровое оборудование «АНегте1а1», используемое авторами работ [4-13] позволяющее осуществлять нанесение покрытий в ручном и механизированном режимах с

осевым, вибрирующим дисковым, многоэлектродным инструментом.

Таким образом, авторами этого цикла работ показано, что разработанные электродные материалы с на-нодисперсными добавками и соответствующее оборудование обеспечивают высокие физико-механические свойства наносимых покрытий, а также эксплуатационные характеристики деталей. Подтверждена эффективность ЭИЛ - метода в задачах упрочнения деталей различной конфигурации и назначения.

Ниже представлены результаты исследования работоспособности металлической поверхности модифицированной методом СВС, а также влияния последующей термической обработки (ТО) на износостойкость опытных образцов и пары трения в целом. Покрытия на основе Сг и (Сг+В) формировали на поверхности образцов и режущего инструмента (РИ) методом СВС [1,2]. Процесс СВС осуществляется в автоволно-вом режиме (типа горения шихты заданного состава) с выделением значительного количества теплоты. Как известно, метод СВС используют для различных технологических целей, в том числе для нанесения разнообразных покрытий [14].

Из всех процессов, используемых в промышленности для нанесения покрытий, СВС наиболее близок к диффузионному насыщению в «твердой упаковке», которое проводят в термических печах общего назначения. При использовании этих технологий образцы или детали размешают в шихте, из которой необходимые легирующие элементы поступают к поверхности. В зависимости от времени и температуры процесса можно получить покрытие требуемого состава с частичной диффузией легирующих элементов в подложку или полностью модифицированный поверхностный слой.

Установлено, что метод СВС позволяет путем подбора соответствующего состава шихты и инициирования реакции горения с выделением большого количества теплоты значительно сократить время процесса (как правило, не более 1 ч.) при формировании поверхности достаточно высокого качества.

Испытания образцов проводили на машине трения мод. МТ-5 по стандартной методике, при нагрузке 10 МПа в течение 7 ч; поверхность трения смазывали солидолом. Для сравнения использовали контрольные образцы из стали 45, прошедшие ТО (50-54 НЯС); контртела изготовляли из стали ШХ15 (60-62 НЯС).

Образцы из стали 45 наносили покрытия методом СВС в печи в режиме воспламенения шихты при температуре 1 1100... 1150 °С с последующей выдержкой в печи при 1 950 °С 1 час.

Затем образцы охлаждали па воздухе; часть из них после нанесения покрытия подвергали стандартной закалке. В качестве основных компонентов шихты использовали порошок алюминия, оксид хрома и бор.

Структурное состояние поверхностных слоев сталей после СВС и СВС+закалка изучали методом скользящего пучка рентгеновских лучей [17]. Рентгеносъемку проводили в Со-К излучении при угле наклона образца к направлению рентгеновского луча в камере 6° и 20°, что позволило получать сведения о структуре поверхностного слоя на разной глубине.

Рентгеноструктурный анализ показывает наличие в поверхностном слое линий Бе и карбидов хрома Сг23С6 и Сг7Сз. По размытости интерференционных линий можно судить о том, что дисперсность карбида Сг23С6 меньше, чем карбида Сг7С3. По-видимому, наличие в покрытии карбидов хрома способствует повышению износостойкости образцов из стали 45.

Последующая ТО образцов с покрытием из Сг не только еще в большей степени снижает интенсивность изнашивания по сравнению с контрольными образцами, но и повышает работоспособность пары в целом вследствие значительного уменьшения интенсивности изнашивания контртел.

Закалка стали после обработки методом СВС (Сг) не изменяет фазового состава поверхностного слоя, в котором при рентгеноструктурном анализе также регистрируются линии Бе и карбидов хрома. Однако интенсивность линий карбида Сг7Сз возрастает, а линий Сг23С6 уменьшается.

Отмеченные особенности рентгеновской картины стали 45 после обработки методом СВС (Сг) + ТО позволяют считать, что основными процессами, протекающими при такой обработке, являются диффузионное перераспределение карбидов, их измельчение и искажение кристаллической решетки самой матрицы. Полученные результаты приводят к предположению о том, что на повышение износостойкости поверхности опытных образцов с покрытием Сг и пары трения в целом влияют повышение дисперсности карбидной фазы и упрочнение подложки.

Интенсивность изнашивания образцов из стали 45 после нанесения покрытия Сг+В, так же как и контртел, находится на том же уровне, что и у образцов с покрытием Сг. В их поверхностном слое содержался мелкозернистый борид железа БеВ и крупнозернистый борид Сг2В.

При последующей закалке дифракционные линии, принадлежащие крупнозернистому бориду хрома, становятся сплошными, причем на них выделяются отдельные точечные рефлексы, что свидетельствует о частичном измельчении зерна борида хрома.

После ТО образцов с покрытием Сг+В интенсивность их изнашивания повышается, хотя и остается меньше, чем у контрольных образцов. В то же время интенсивность изнашивания контртел возрастает настолько значительно, что в целом износостойкость пары трения становится ниже, чем у контрольной.

После закалки стали с покрытием Сг+В в поверхностных слоях, кроме соединений БеВ и Сг2В, регистрируется новая структурная составляющая. Идентифи-

кация этой составляющей затруднена, но по косвенным данным ее можно отнести к оксидам различного типа и разной дисперсности. По-видимому, именно данная структурная составляющая обусловливает значительное повышение интенсивности изнашивания контртел.

Результаты исследования износостойкости пар трения демонстрируют большие возможности метода СВС в повышении долговечности стальных изделий благодаря нанесению покрытий разного типа, состава и структуры.

Если оценивать износостойкость пары трения в целом, то безусловно наилучшим вариантом для повышения работоспособности узлов трения в механизмах признать процесс СВС (Сг) + ТО. В этом случае интенсивность изнашивания упрочненной поверхности на два порядка меньше, чем у контрольных образцов, а интенсивность изнашивания контртел почти в 14 раз меньше, чем при работе в паре с контрольными образцами.

В целом благодаря нанесению покрытия из Сг методом СВС работоспособность пары трения сталь 45 -сталь ШХ15 значительно повысилась.

Результаты работы [15-16] подтверждают вышеописанные исследования.

Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Список использованных источников

1 Мержанов, А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез / А.Г. Мержанов // Под. ред. Я.М. Колот-веркина. - М.: Химия, 1983. - С. 6-45.

2 Левашов, Е.А. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося синтеза / Е.А. Левашов, А.С. Рогагев, В.И. Юхнин.- М.: Бином, 1999. - 176с.

3 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез порошков для газотермического напыления /А.Ф. Ильюшенко, А.В. Беляев, Т.Д. Талако и др. // Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 8-й межд. практич. конф.-выставки: в 2 ч. Часть 1. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. -С. 135-139.

4 Левашов, Е.А. Перспективы применения сплава СТИМ-3Б модифицированного нанокристаллическим порошком Zr02, в технологии электроискрового легирования / Е.А. Левашов, А.Е. Кудряшов, О.В. Малочкин // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. - 2000. - №5. - С. 68-72.

5 Об особенностях влияния нанокристаллических порошков на процессы горения и формирования составов / Е.А. Левашов, А.Е. Кудряшов, О.В. Малочкин и др. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. - 2001. - №1. - С.53-59.

6 Левашов, Е.А. О влиянии нанокристаллических порошков на процесс формирования, структуру и свойства электроискровых покрытий на основе титанохромового карбида / Е.А. Левашов, А.Е. Кудряшов, О.В. Малочкин // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. - 2001. - №3. - С. 44-51.

7 Кудряшов, А. Е. Разработка и промышленное применение новых композиционных материалов и технологии электроискрового легирования / А.Е. Кудряшов // Автореф. дис. к.т.н. - М., 2001.- 19с.

8 Исследование влияния добавки нанокристаллического порошка оксида циркония различной природы на состав, структуру и физико-механические свойства твердого сплава СТИМ-ЗБ / Е.А. Левашов, А.Е. Кудряшов, Ю.С. Погожев и др. // Физика металлов и металловедение. - 2003.- Т. 96.- №2.-С. 87-94.

9 Особенности влияния нанокристаллических порошков на структуру и свойства сплава Т1 - 40% ХН70Ю, полученного методом СВС / Е.А. Левашов, Е.С. Мишина, Б.Р. Сету-лин и др. // Физика металлов и металловедение. - 2003. - Т. 96.

- № 6. - С. 58-64.

10 Исследование кинетики формирования структуры, состава и свойств электроискровых покрытий на титановом сплаве ОТ4-1 из модифицированных электродных материалов на основе Т1С-ХН70Ю / Е.А. Левашов, А.Е. Кудряшов, Е.С. Мишина и др. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. - 2004. -№1. - С. 68-76.

11 Исследование влияния параметров импульсных разрядов на массоперенос, структуру, состав и свойства электроискровых покрытий на основе Т1С-№А1, модифицированных нанодисперсными компонентами / Е.А. Левашов, А.Е. Кудряшов, Ю.С. Погожев и др. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. - 2004. - №6. - С. 39-46.

12 Особенности влияния добавок нанодисперсных тугоплавких частиц на состав, структуру и физико-механические свойства твердого СВС - сплава СТИМ-40НА (система Т1С-№А1) / Ю.С. Погожев, Е.А. Левашов, А.Е. Кудряшов и др. // Цветные металлы.- 2005.- №1.- С. 59-64.

13 Упрочнение деталей и инструмента методом электроискрового легирования и применением новых электродных материалов / Е.И. Замулаева, Е.А. Левашов, А.Е. Кудряшов и др. // Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 8-й межд. практ. конф.-выставки: в 2 ч. Часть 2. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006.

- С. 200-209.

14 Евтушенко, А.Т. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез инструментальной стали / А. Т. Евту-

шенко, С. Пазаре, С.С. Горбунов // МИТОМ.- 2007. -№4.- С. 43-46.

15 Архипов, В.Н. Повышение стойкости инструмента методом СВС / В.Е. Архипов, Г.В. Москвитин, А.П. Поляков // СТИН. -2008. -№1.- С. 19-21.

16 Покрытия на основе хрома и бора, полученные методом СВС / В.Е. Архипов, Л.И. Куксенова, Г.В. Москвитин и др. // Упрочняющие технологии и покрытия. -2008.- №4.- С. 28-32.

17 Рыбакова, Л.М. Рентгенографический метод исследования структурных изменений в тонком поверхностном слое металла при трении / Л.М. Рыбакова, Л.И. Куксенова, С.В. Босов // Заводская лаборатория.- 1973. -№3.- С. 293-296.

Сведения об авторах

Гадалов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов и ремонта ма-

шин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 58-71-04, Gadalov-VN@vandex.ru

Сальников Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и сварочного производства ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», kaf.vm@mail.ru.

Шеставина Светлана Викторовна, преподаватель кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», kaf.vm@mail.ru

Алехин Юрий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии металлов и ремонта машин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Серебровская Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».