К вопросу плазменного напыления покрытий с последующим оплавлением

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.1

К ВОПРОСУ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С ПОСЛЕДУЮЩИМ ОПЛАВЛЕНИЕМ

Степанов Михаил Викторович, кандидат технических наук, доцент, Трушина Лидия Николаевна, доцент, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева,

Москва, РФ.

В статье рассмотрено плазменное напыление покрытий с последующим оплавлением воздушным потоком плазмы или выносной дугой, применяемое при восстановлении деталей. Результаты исследований показывают, что интенсивность изнашивания образцов, полученных с использованием воздушного потока плазмы для оплавления, в 6...9 раз выше, чем у оплавленных выносной дугой.

Ключевые слова: плазменное напыление; оплавление; остаточные напряжения; самофлюсующийся сплав; микротвердость.

TO THE PROBLEM OF PLASMA SPRAYING OF COVERS WITH FURTHER MELTING

Stepanov Mihail Viktorovich, PhD (Cand. Tech. Sci.), associate professor, Trushina Lidija Nikolaevna, associate professor, Russian Timiryazev State Agrarian University, Moscow, Russia

In this article, we look at plasma spraying of covers with subsequent reflow by an air flow ofplasma or an external arc, used in restoring parts. The results of the research show that the wear rate of samples obtained using the air flow of plasma for reflow is 6... 9 times higher than that of the melted arc. Keywords: plasma spraying; reflowing; residual stress; self-fluxing alloy; microhardness.

Для цитирования: Степанов М. В., Трушина Л. Н. К вопросу плазменного напыления покрытий с последующим оплавлением // Наука без границ. 2017. № 12 (17). С. 40-45.

Качество и эффективность восстановления в значительной степени зависит от применяемых способов устранения дефектов ремонтопригодных деталей. К основным недостаткам способа плазменной наплавки следует отнести быстрый и глубокий нагрев детали, значительное перемешивание основного и присадочного материалов, невозможность выполнения наплавки на детали диаметром менее 55 мм, необходимость удаления шлаковой корки ручным способом [1].

Поэтому при малых допусках на износ целесообразно изношенные поверхности восстанавливать или упрочнять плазменным напылением с последующим оплавлением покрытия.

Экспериментально установлено, что причиной отколов по линии сплавления при традиционных методах наплавки являются хрупкие прослойки, образующиеся при подплавлении основного металла и перемешивании его с напыляемым материалом, во многих случаях с образованием интерметалидов.

Перемешивание устраняется, а толщина переходной зоны уменьшается до минимума при ведении процесса напыления с последующим оплавлением, как бы в режиме «пайко-сварки». В этом случае основной металл остается в твердом состоянии. Соединение формируется за счет растекания жидкой присадки и смачивания ею поверхности основного металла. Следовательно, паяно-сварное соединение без подплавления подложки легче всего реализуется в том случае, если соединяемые металлы имеют большую разницу в температурах плавления. Если разница в температурах плавления мала, то получение качественного паяно-сварного соединения становится сложной задачей, требующей точной дозировки тепла, вводимого в основной металл и покрытие [2, 3].

Известно, что одним из основных факторов, определяющих смачивание и обра-

зование прочных атомных связей между жидким и твердым металлами, является температура системы. С ростом температуры подложки и присадочного металла смачиваемость, растекаемость и прочность сцепления наплавленного слоя с основным металлом повышаются. Однако одновременно увеличивается вероятность подплавления подложки. Температура присадочных сплавов на железной основе составляет 1540.. .1700 К, то есть близка к температуре плавления основного металла. Поэтому наплавка традиционными способами Сормайта-2 на сталь Гад-фильда в режиме «пайко-сварки» не дает положительных результатов [4]. Главной причиной является малая разница в температурах плавления 70...120 К. В этих условиях для соединения необходимо интенсифицировать процесс смачивания и растекания, что можно достигнуть качественной защитной средой и применением способов, уменьшающих окисляемость порошкового материала.

Разрабатывая технологию нанесения упрочняющих покрытий, необходимо решать следующие задачи:

• выбрать материал покрытия, отвечающий требованиям эксплуатации и хорошо совместимый с основой;

• разработать методы подготовки поверхности;

• выбрать режимы напыления и последующего оплавления.

В практике нанесения газотермических покрытий существует метод нанесения самофлюсующихся сплавов с последующим оплавлением. При этом процесс оплавления проводят в ацетилен-кислородном или пропан-бутан-кислородном пламени. Наиболее целесообразно наносить покрытия струей воздушной плазмы и оплавлять данные покрытия также струей воздушной плазмы.

Предварительными исследованиями процесса напыления самофлюсующихся

Таблица 1

Значения окружных остаточных напряжений по толщине покрытий

№ п/п Температура, °С Распределение окружных остаточных напряжений по толщине напыленных покрытий

1 без т/о r, мм s, МПа 22,3 21,7 20,5 20,0 152,0 116,1 40,1 7,2

2 500 °С r, мм s, МПа 22.2 21,65 20,55 20,0 12.3 12,9 17,1 16,1

3 700 °С r, мм s, МПа 22,05 21,5 20,5 20,0 -48,0 -35,4 26,2 24,7

4 800 °С r, мм s, МПа 22,13 21,5 20,5 20,0 -39,1 -33,2 -26,0 -25,8

сплавов на основе никеля и хрома установлено, что в покрытиях в зависимости от режимов напыления и температуры основы возникают значительные растягивающие остаточные напряжения, что приводит к появлению растрескивания покрытий. Этот эффект проявляется на больших площадях покрытий за счет суммирования остаточных напряжений и превышении их уровня когезионной прочности напыленного материала [5].

В покрытиях, которые подвергаются термообработке при температуре 700.. .800 °С, возникают сжимающие остаточные напряжения, переходящие в растягивающие [6]. Необходимо отметить, что повышение температуры термообработки снижает уровень растягивающих остаточных напряжений и возникают благоприятные сжимающие напряжения в поверхностных слоях покрытий на основе никеля и хрома.

При термообработке в металлах происходит релаксация остаточных напряжений. Снижение остаточных напряжений и перемена их знака в покрытиях на основе нихромов с повышением температуры термообработки связано с релаксационными процессами.

Из существующих методов уменьшения остаточных напряжений в напыленном слое наиболее рациональным является ис-

пользование предварительного подогрева

напыляемой детали или внешним источу « ТЛ

ником или плазменной струей. В результате этого существенно снижается уровень температурных напряжений, что исключает появление трещин и отслоений напыленного слоя [7].

Перед напылением покрытий поверхность детали необходимо подвергнуть дробеструйной обработке для очистки поверхности и придания ей необходимой шероховатости. Учитывая большую массу детали и большое количество тепла, необходимое для разогрева детали, рационально применять предварительный внешний, равномерный по длине подогрев детали газовой горелкой до температуры 350.400 °С.

Так как напыляемые самофлюсующиеся сплавы имеют высокий коэффициент линейного расширения (14 10-6 ... 1610-6 1/°С), после напыления может произойти такая усадка покрытия, при которой оно отслоится от основы или на границе покрытие-основа возникнут пустоты. Поэтому напыление желательно производить на предварительно подогретую поверхность до температуры выше 93 °С и поддерживать температуру при напылении 260.310 °С.

При оплавлении перегревать покрытия до полного расплавления не следует,

Таблица 2

Результаты измерения микротвердости и прочности сцепления покрытий

Вид обработки поверхности Микротвердость, кг/мм2 при нагрузке 100 г Прочность сцепления, МПа

Оплавление самофлюсующегося покрытия воздушным потоком плазмы 555.1175 100.150

Оплавление самофлюсующегося покрытия выносной дугой 680.1190 80.170

так как в этом случае первичные кристаллы карбидов и боридов хрома переходят в жидкий раствор и при последующей кристаллизации образуют более хрупкую структуру, ухудшая качество покрытия.

При плазменном напылении микроструктура отдельных частиц существенно не изменяется. Микроструктура покрытия, оплавленного воздушным потоком плазмы, становится сильно ячеистой и грубой с разноосными глобулярными зернами, уменьшается количество пор, размеры некоторых фаз увеличиваются, пропадают границы между частицами.

При напылении покрытий с выносной дугой структура оплавленного покрытия становится равномерной и мелкодисперсной, и приближается к структуре исходного порошка. Так как структура напыленного с выносной дугой покрытия является сильно дисперсной, поэтому измерение микротвердости отдельной фазы практически невозможно. Поэтому можно получить лишь диапазоны значений микротвердости.

Повышение микротвердости покры-

тий обусловлено изменениями, произошедшими в структуре под действием концентрированного источника тепла [8]. Результатом этого воздействия является повышение равномерности распределения компонентов, увеличение дисперсности упрочняющих фаз и пересыщение твердого раствора на основе никеля.

Процесс напыления с выносной дугой характеризуется большей прочностью оплавленного слоя по сравнению с классическим плазменным напылением за счет локального приваривания участков покрытия к подложке.

Результаты триботехнических испытаний показали, что интенсивность изнашивания образцов, полученных с использованием воздушного потока плазмы для оплавления, в 6...9 раз выше, чем у оплавленных выносной дугой [9, 10].

Результаты испытаний показывают, что оплавление покрытий на основе №-Сг-В-Si выносной дугой позволяет целенаправленно влиять на формирование структуры и триботехнических свойств покрытий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Плазменные методы упрочнения и восстановления рабочих органов дорожно-строительных и почвообрабатывающих машин: монография / И. Н. Кравченко, А. Ф. Пузряков, Е. М. Бобряшов, А. А. Пузряков. М. : Изд-во «Эко-Пресс», 2013. 328 с.

2. Подготовка поверхностей деталей для нанесения упрочняющих покрытий / И. Н. Кравченко, Ю. В. Катаев, В. А. Сиротов, Я. В. Тарлаков // Сельский механизатор. 2017. № 8. С. 36-38.

3. Оценка остаточных напряжений и прочности покрытий повышенной толщины при послой-

ном их формировании / И. Н. Кравченко, О. В. Закарчевский, Ю. В. Катаев, А. А. Коломей-ченко // Труды ГОСНИТИ. 2017. Том 127. С. 171-175.

4. Применение плазменно-напыленных ферроокислов для поршневых колец автотракторных двигателей / И. Н. Кравченко, А. А. Пузряков, Ю. В. Катаев, И. Е. Пупавцев, Д. Г. Гречко // Труды ГОСНИТИ. 2016. Том 122. С. 188-193.

5. Система автоматизированного контроля управлением техническим состоянием машин и оборудования / И. Н. Кравченко, В. М. Корнеев, Ю. В. Катаев, Т. А. Чеха // Сельский механизатор. 2016. № 9. С. 22-23.

6. Управление формой поршневых колец ДВС при плазменном напылении / И. Н. Кравченко, А. Ф. Пузряков, Ю. В. Катаев, Т. А. Чеха // Труды ГОСНИТИ. 2017. Том 126. С. 196-203.

7. Формирование инновационных центров промышленной утилизации технических средств / И. Н. Кравченко, Н. В. Алдошин, Ю. В. Катаев, Ю. А. Лесконог // Сельский механизатор. 2017. № 3. С. 2-6.

8. Корнеев В. М., Катаев Ю. В., Вялых Д. Г. Обеспечение работоспособности техники в гарантийный период эксплуатации // Сельский механизатор. 2017. № 4. С. 39-40.

9. Малыха Е. Ф., Катаев Ю. В. Тенденции развития инженерно-технической системы агропромышленного комплекса Российской Федерации // Наука без границ. 2017. № 7 (12). С. 21-25.

10. Технический сервис как основная составляющая инженерно-технического обеспечения агропромышленного комплекса / А. С. Дорохов, В. М. Корнеев, Ю. В. Катаев, Д. Г. Вялых и др. // Управление рисками в АПК. 2016. № 4. С. 46-57.

REFERENCES

1. Kravchenko I. N., Puzrjakov A. F., Bobrjashov E. M., Puzrjakov A. A. Plazmennye metody uprochnenija i vosstanovlenija rabochih organov dorozhno-stroitel'nyh i pochvoobrabatyvajushhih mashin [Plasma methods of hardening and restoration of the working bodies of road-building and soil-cultivating machines]. Moscow, Jeko-Press, 2013, 328 p.

2. Kravchenko I. N., Kataev Yu. V., Sirotov V. A., Tarlakov Ja. V. Podgotovka poverhnostej detalej dlja nanesenija uprochnjajushhih pokrytij [Preparation of surfaces for deposition of hardening coatings]. Sel'skij mehanizator, 2017, no. 8, pp. 36-38.

3. Kravchenko I. N., Zakarchevskij O. V., Kataev Yu. V., Kolomejchenko A. A. Ocenka ostatochnyh naprjazhenij i prochnosti pokrytij povyshennoj tolshhiny pri poslojnom ih formirovanii [Evaluation of residual stresses and strength of coatings increased in thickness during layer-by-layer shaping]. Trudy GOSNITI, 2017, vol. 127, pp. 171-175.

4. Kravchenko I. N., Puzrjakov A. A., Kataev Yu. V., Pupavcev I. E., Grechko D. G. Primenenie plazmenno-napylennyh ferrookislov dlja porshnevyh kolec avtotraktornyh dvigatelej [The use of a plasma-sprayed ferrooxide piston rings for automotive engines]. Trudy GOSNITI, 2016, vol. 122, pp. 188-193.

5. Kravchenko I. N., Korneev V. M., Kataev Yu. V., Cheha T. A. Sistema avtomatizirovannogo kontrolja upravleniem tehnicheskim sostojaniem mashin i oborudovanija [Automated management control system technical condition of vehicles and equipment]. Sel'skij mehanizator, 2016, no. 9, pp. 22-23.

6. Kravchenko I. N., Puzrjakov A. F., Kataev Yu. V., Cheha T. A. Upravlenie formoj porshnevyh kolec DVS pri plazmennom napylenii [Control of the shape of the piston rings of internal combustion engines in plasma spraying]. Trudy GOSNITI, 2017, vol. 126, pp. 196-203.

7. Kravchenko I. N., Aldoshin N. V., Kataev Yu. V., Leskonog Yu. A. Formirovanie innovacionnyh centrov promyshlennoj utilizacii tehnicheskih sredstv [The formation of innovation centers and industrial utilization of technical means]. Sel'skij mehanizator, 2017, no. 3, pp. 2-6.

8. Korneev V. M., Kataev Yu. V., Vjalyh D. G. Obespechenie rabotosposobnosti tehniki v garantijnyj period jekspluatacii [Ensuring availability of equipment in warranty period]. Sel'skij mehanizator,

2017, no. 4, pp. 39-40.

9. Malyha E. F., Kataev Yu. V. Tendencii razvitija inzhenerno-tehnicheskoj sistemy agropromyshlennogo kompleksa Rossijskoj Federacii [Development tendencies of technical system of Russian agro-industrial complex]. Nauka bez granic, 2017, no. 7 (12), pp. 21-25.

10. Dorohov A. S., Korneev V. M., Kataev Yu. V., Vjalyh D. G. et al. Tehnicheskij servis kak osnovnaja sostavljajushhaja inzhenerno-tehnicheskogo obespechenija agropromyshlennogo kompleksa [Technical service as a basic component of engineering and technical support of agroindustrial complex]. Upravlenie riskami v APK, 2016, no. 4, pp. 46-57.

Материал поступил в редакцию 16.12.2017 © Степанов М. В., Трушина Л. Н., 2017