Исследование структуры плазменных износостойких покрытий на основе оксидной керамики с включениями твердой смазки

МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 621.793.71

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПЛАЗМЕННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДНОЙ КЕРАМИКИ С ВКЛЮЧЕНИЯМИ ТВЕРДОЙ СМАЗКИ

Докт. техн. наук, проф., чл.-кор. НАНБеларуси ПАНТЕЛЕЕНКО Ф. И., кандидаты техн. наук ОКОВИТЫЙ В. А., ТАЛАКО Т. Л., докт. техн. наук, проф. ДЕВОЙНО О. Г., инж. ПАНТЕЛЕЕНКО А. Ф., магистрант ОКОВИТЫЙ В. В.

Белорусский национальный технический университет

Вследствие применения высокотемпературных газовых струй использование газотермического напыления наиболее эффективно для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, которые имеют высокую прочность связи в кристаллической решетке и одновременно обладают высокой когезионной прочностью, твердостью, износостойкостью. Разработка и создание композиционных керамических материалов обусловлены необходимостью улучшения свойств износостойких плазменных покрытий, так как в отличие от механических смесей порошков только в композиционных порошках могут одновременно находиться в заданном состоянии разнородные по физическому и химическому составам вещества, элементы, соединения, что дает возможность достигать новых эффектов при использовании таких материалов для нанесения покрытий. Необходимо также отметить, что применяемая технология изготовления композиционного порошка должна также обеспечивать придание частицам свойств, способствующих формированию заданной структуры покрытий. Наиболее широкое применение для нанесения керамических покрытий, в том числе из материалов на основе оксида алюминия - оксида титана, получил метод плазменного напыления [1].

Покрытия на основе оксида алюминия - оксида титана с добавками твердой смазки отличаются от покрытий из чистых оксидов лучшей пластичностью и повышенной стойкостью по отношению к ударным нагрузкам, а также об-

ладают меньшими значениями пористости, равномерностью структуры и изотропностью свойств [1-5]. Снижение пористости покрытий системы объясняется тем, что при введении в высокотемпературную газовую струю композиционного материала в первую очередь плавится твердая смазка и обволакивает зерна оксида. Так как температура плавления твердых смазок меньше температуры плавления оксидов, такое распределение компонентов в частице способствует лучшему «заплавле-нию» пор между частицами оксидов в покрытии, вследствие чего пористость покрытий уменьшается. Работоспособность нанесенных материалов определяется их структурой. Структура покрытий, их химический и фазовый составы оказывают определяющее влияние на физико-механические свойства покрытий, в частности на пористость, прочность сцепления и износостойкость. В свою очередь, формируемые на подложке в процессе напыления структура и состав покрытия зависят от энергетических характеристик процесса плазменного напыления, эффективности теплообменных процессов между дисперсной и газовой фазами высокотемпературной плазменной струи, а также от состава, структуры и свойств применяемых материалов.

Исследование структуры износостойких покрытий на основе оксидной керамики с включениями твердой смазки для плазменного напыления износостойких покрытий. Нанесение покрытия производили на следую-

Наука итехника, № 5, 2013

щих режимах работы оборудования (установка плазменного напыления на воздухе УПУ-3Д): напыление подслоя покрытия (порошок ПН85Ю15) толщиной 0,05-0,10 мм: расход азота 50 л/мин; ток электрической дуги I = 350 А; мощность электрической дуги N = 30 кВт; расход порошка Лпор = 3 кг/ч; дистанция напыления Ь = 100 мм. Напыление износостойкого слоя из порошков оксидной керамики толщиной 0,30-0,35 мм проводили на оптимизированных режимах: сила тока I = 550 А; значения расхода плазмообразующего газа азота для АЬОз-ТО - 12 % (Мо82-№) (СВС) - 55 л/мин, для А12О3-ТЮ2 + 12 % (Мо82 + N1) - 50 л/мин, дистанция напыления Ь =100 мм; мощность электрической дуги N = 45 кВт; расход порошка ^пор = 3,5 кг/ч. Фазовый состав покрытий определяли методом рентгеноструктурного анализа на рентгенографическом дифрактометре ДРОН-3. Количественное содержание фаз и равномерность их распределения определяли на сканирующем электронном микроскопе при увеличении от 1000 до 10000 раз. Количественные оценки параметров находили как усредненные по пяти измерениям. Прочность сцепления определяли на отрывной машине 1п81гоп.

На рис. 1 приведены микроструктуры плазменных покрытий из порошков А12О3-ТЮ2 -12 % (Сар2-№) и А12О3-ТЮ2 - 12 % (Мо82-№), полученных методом агломерирования мелкодисперсной шихты с последующим высокотемпературным спеканием [6]. На рис. 2 показаны микроструктуры плазменных покрытий из порошков А12О3-ТЮ2 - 12 % (СаБ2-№) и А12О3-ТЮ2 - 12 % (Мо82-№), полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [7]. В плазменных покрытиях из порошков А12О3-ТЮ2 - 12 % (СаБ2-№) и А12О3-ТЮ2 - 12 % (Мо82-№), полученных методом агломерирования мелкодисперсной шихты с последующим высокотемпературным спеканием, четко проявляются межчастичные и межслойные границы. Покрытия характеризуются наличием пористости до 10 % и неравномерным распределением фазовых составляющих. Плазменные покрытия из порошков А12О3-ТЮ2 - 12 % (СаБ2-№) и А12О3-ТЮ2 -12 % (Мо82-№), полученные методом саморас-

пространяющегося высокотемпературного синтеза, имеют плотную однородную систему, в которой слабо проявляются межслойные границы. Покрытия характеризуются наличием пористости до 5 %, равномерным распределением фазовых составляющих.

Рис. 1. Микроструктура плазменного покрытия из порошков А12О3-ТЮ2 - 12 %

Для количественной оценки равномерности распределения оксидной фазы, от которой зависит работоспособность износостойких покрытий, металлографический анализ образцов дополнен замерами микротвердости. Значения микротвердости являются интегральной характеристикой материала покрытий, поскольку измерить микротвердость отдельных структурных составляющих в ряде случаев не представляется возможным из-за их малых размеров. Измерения проводили при нагрузках на инден-тор 0,490 Н, поскольку при более высоких нагрузках появляются трещины.

Наука итехника, № 5, 2013

а

б

а

Рис. 2. Микроструктура плазменного покрытия

из порошков Al2O3-TiO2 - 12 %

Результаты замеров представлены в табл. 1. Анализируя данные табл. 1, необходимо отметить, что имеют место достаточно стабильные пределы изменения микротвердости в поясах замеров по длине поперечных сечений напыленных материалов. При этом верхним пределам соответствуют рабочие поверхностные

зоны покрытий. Таким образом, наблюдается стабильное распределение твердой оксидной фазы в объемах напыленных материалов и отсутствуют поверхностные зоны с дефицитом таких включений, что положительно влияет на работоспособность исследуемых износостойких покрытий. При плазменном напылении порошков, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, формируется покрытие с более высокой микротвердостью, по сравнению с порошками, полученными методом агломерирования мелкодисперсной шихты с последующим высокотемпературным спеканием, что обусловлено снижением пористости и повышением однородности покрытий.

На плотность покрытий, характер распределения фаз, а также на прочностные характеристики - износостойкость и прочность сцепления - большое влияние оказывает зернистость покрытий. Результаты фрактографического анализа изломов покрытий показывают, что использование для напыления порошков, полученных методом СВС (рис. 3а), состоящих из мелкодисперсных частиц, приводит к формированию более мелкозернистой структуры по сравнению со структурой покрытий из агломе-ратных порошков (рис. 3б). Из анализа результатов микрорентгеноспектрального анализа, проведенного для определения качественного распределения элементов, видно, что характер распределения элементов в покрытии (рис. 4, 5) зависит от распределения элементов в частицах порошков (рис. 6, 7).

Таблица 1

Микротвердость напыленных покрытий

Покрытие Микротвердость, МПа

Пояса замеров по длине поперечного сечения покрытия

1 2 3 4 5

Агломераты Al2O3-TiO2 - 12 % (CaF2-Ni) 5764-8182 5564-8649 5877-8805 945-8950 6027-9014

Al2O3-TiO2 - 12 % (MoS2-Ni) 5707-8644 5836-8850 5902-8944 6121-9145 6253-9247

Al2O3-TiO2 - 10 % (C-Ni) 5509-8142 5494-8376 5711-8221 5281-8537 5179-8406

CBC-порошки Al2O3-TiO2 - 12 % (CaF2-Ni) 6070-8502 976-9096 6110-9205 6924-9495 7100-9547

Al2O3-TiO2 - 12 % (MoS2-Ni) 5997-9140 6183-9300 6452-94340 6290-9405 6487-9497

Al2O3-TiO2 - 10 % (C-Ni) 5713-8854 5947-8997 5915-8961 5816-9031 5792-8869

Наука итехника, № 5, 2013

Рис. 3. Поверхность излома покрытия из порошка АЮ2-ТЮ2 - 12 % (СаР2-№): а - СВС; б - агломерат (хЮООО) а б в г

Рис. 4. Сканограмма распределения элементов в покрытии из порошка А12О3-ТЮ2 - 12 % (МоБ2-№) (агломерат): а - в поглощенных электронах; б - в характеристическом излучении алюминия; в - то же титана;

г - то же молибдена

а б в г

Рис. 5. Сканограмма распределения элементов в покрытии из порошка А12О3-ТЮ2 - 12 % (МоБ2-№) (СВС): а - в поглощенных электронах; б - в характеристическом излучении алюминия; в - то же титана;

г - то же молибдена

а б в г

*

18

Рис. 6. Сканограмма распределения элементов в частицах порошка А12О3-ТЮ2 - 12 % (МоБ2-№) (агломерат): а - в поглощенных электронах; б - в характеристическом излучении алюминия; в - то же титана;

г - то же молибдена

Наука итехника, № 5, 2013

б

а

/,>. . п';.(. - - -г-

vi  - «'-:• % у

%  >'

а б в

Рис. 7. Сканограмма распределения элементов в частицах порошка А1203-ТЮ2 - 12 % (МоБ2-№) (СВС): а - в поглощенных электронах; б - в характеристическом излучении алюминия; в - то же титана;

г - то же молибдена

При рентгеноструктурном анализе были обнаружены отличия в фазовом составе покрытий из порошков А102-ТЮ2 - 12 % (СаБ2-№) (рис. 2), полученных методом агломерирования и СВС. В покрытии из агломератов наблюдаются фазы у-А1203, ТЮ2 (рутил), СаБ2, комплексные оксиды Тл-А1-Са-0, небольшое количество а-А1203. Структура покрытия из порошков, полученных методом СВС, ламинарная, с ярко выраженной гетерогенностью, о чем свидетельствуют изменение окраски оксидных ламелей по сечению от светло- до темно-серой и увеличение микротвердости от 6070 до 11900 Н/мм2, в них находятся включения твердой смазки (черного цвета). Согласно результатам РСФА, покрытие А1203-ТЮ2 -12 % (СаБ2-№) состоит из а-АЬ0з, у-АЬ0з эвтектика А12ТЮ, ТЮ2, Т1305, комплексных оксидов Т1-А1-Са-0, СаБ2 (табл. 2). Данные исследования позволяют сделать вывод, что при напылении агломерированных порошков происходит недостаточное взаимодействие между А1203 и ТЮ2, а фаза а-А1203 трансформируется в а-А1203 в основном за счет быстрого охла-

ждения частицы на подложке. СВС-порошки, обладая равномерным распределением мелкодисперсных компонентов в объеме частицы, лучше проплавляются в плазменной струе, за счет чего происходит более интенсивное химическое взаимодействие всех составляющих компонентов в расплаве. Таким образом, при остывании расплава на подложке формируется эвтектика А12ТЮ, обладающая наименьшей межфазной энергией образования. Та часть компонентов, которая не вступает во взаимодействие между собой при расплавлении СВС-по-рошков, испытывает такие же фазовые превращения, как и при напылении агломератов. Результаты проведенных исследований структуры и фазового состава покрытий позволяют сделать вывод о том, что технология изготовления порошка оказывает превалирующее влияние на формирование структуры покрытия. Применение СВС-порошков, в отличие от агломератов, позволяет формировать высокоплотное покрытие эвтектического состава, способствующее повышению физико-механических свойств.

Таблица 2

Химический состав структурных составляющих плазменных покрытий системы 60 % А1203 - 28 % ТЮ2 - 12 % (СаЕ2-№), полученных методом самораспространяющегося

высокотемпературного синтеза

Исследуемый участок Содержание элементов, % HV, Н/мм2 Предполагаемая фаза

Ti Al Ca O Fe Ni

1 10-7 67-56 2 21-35 - - 8700 А1203, легированный титаном и кальцием

2 71-73 1-2 1 27-24 - - 9900 ТЮ2

3 32-36 46-34 - 22-30 - - 9200 А1203, ТЮ2

4 - - 41-44 - 47-50 12-6 - СаГ2-№

5 38-40 10-8 27 23-22 - 2-3 7100 Комплексный оксид Т1-А1-Са-№-0

Наука итехника, № 5, 2013

6 20-21 46-49 - 34-30 - - 5600 Эвтектика А12ТЮ5

Испытания на трение и износ проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме: колодочки с покрытием - азотированная сталь 45, образцы находились в герметичной камере с подогревом до 800 °С. Триботехнические испытания проводили в условиях трения со смазкой и в отсутствии смазочного материала при нагрузке в паре трения 5 МПа в течение 20 ч. Данные параметров трения и износа покрытий из порошков карбидной керамики и порошков оксидной керамики, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, приведены в табл. 3.

2. Наблюдается стабильное распределение твердой оксидной фазы в объемах напыленных материалов и отсутствуют поверхностные зоны с дефицитом таких включений, что положительно влияет на работоспособность исследуемых износостойких покрытий. При плазменном напылении порошков, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, формируется покрытие с более высокой микротвердостью, по сравнению с порошками, полученными методом агломерирования мелкодисперсной шихты с последующим высокотемпературным спеканием, что обуслов-

Таблица 3

Параметры трения и износа покрытий из порошков карбидной керамики и разработанных порошков

Способ получения материала Трение по Ст45 со смазкой Сухое трение

Износ покрытий, мкм Коэффициент трения Износ покрытий, мкм Нагрузка задира, кг

№80Сг20 - 12,5 %МОБ2 - 55 %Т1С 5,8 0,08 11,9 6,8

Ni80Cr20 - 12,5 %СаГ2 - 55 %Т1С 6,0 0,09 12,2 6,2

60 %А12О3 - 28 %ТЮ2 - 12 %(MoS2-Ni) 3,6 0,03 7,9 8,1

60 %А12О3 - 28 %ТЮ2 - 12 %(CaF2-Ni) 3,9 0,04 8,1 7,9

Как видно из табл. 3 покрытия, полученные из порошков А12О3-ТЮ2 - 12 % (Мо82-№) и А12О3-ТЮ2 - 12 % (СаБ2-№), разработанных авторами, имеют в 1,57 раза больше износостойкость при трении со смазкой и в 1,5 раза -при сухом трении по стали, чем покрытие, полученное из порошков М80Сг20 - 12,5 % Мо82 -55 % Т1С и №80Сг20 - 12,5 % СаБ2 - 55 % Т1С, изготовленное согласно [8]. Таким образом, предложенный способ позволяет повысить износостойкость покрытий.

В Ы В О Д Ы

1. Структура покрытий, его химический и фазовый составы оказывают определяющее влияние на физико-механические свойства покрытий, в частности на пористость, прочность сцепления и износостойкость. В свою очередь, формируемые на подложке в процессе напыления структура и состав покрытия зависят от энергетических характеристик процесса плазменного напыления, эффективности теплооб-менных процессов между дисперсной и газовой фазами высокотемпературной плазменной

струи, а также от состава, структуры и свойств применяемых материалов.

лено снижением пористости и повышением однородности покрытий.

3. При рентгеноструктурном анализе обнаружены отличия в фазовом составе покрытий из порошков А1О2-ТЮ2 - 12 % (СаБ2-№), полученных методом агломерирования и СВС. В покрытии из агломератов наблюдаются фазы у-А12О3, ТЮ2 (рутил), СаБ2, комплексные оксиды Т1-А1-Са-0, небольшое количество а-А1203. Структура покрытия из порошков, полученных методом СВС, ламинарная, с ярко выраженной гетерогенностью, о чем свидетельствуют изменение окраски оксидных ламелей по сечению от светло- до темно-серой и увеличение микротвердости от 6070 до 11900 Н/мм2, в них находятся включения твердой смазки (черного цвета). Согласно результатам РСФА, покрытие А12О3-ТЮ2 - 12 % (СаБ2-М) состоит из а-АЬО3, у-А12О3 эвтектика А12ТЮ, ТЮ2, Т13О5, комплексных оксидов Т1-А1-Са-О, СаБ2. Данные исследования позволяют сделать вывод, что при напылении агломерированных порошков про-

Наука ИТехника, № 5, 2013

исходит недостаточное взаимодействие между А12О3 и ТЮ2, а фаза а-А12О3 трансформируется в а-А12О3 в основном за счет быстрого охлаждения частицы на подложке. СВС-порошки, обладая равномерным распределением мелкодисперсных компонентов в объеме частицы, лучше проплавляются в плазменной струе, за счет чего происходит более интенсивное химическое взаимодействие всех составляющих компонентов в расплаве. Таким образом при остывании расплава на подложке формируется эвтектика А12ТЮ, обладающая наименьшей межфазной энергией образования. Та часть компонентов, которая не вступает во взаимодействие между собой при расплавлении СВС-порошков, испытывает такие же фазовые превращения, как и при напылении агломератов. Результаты проведенных исследований структуры и фазового состава покрытий позволяют сделать вывод о том, что технология изготовления порошка оказывает превалирующее влияние на формирование структуры покрытия.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Разработка композиционного материала на основе оксидной керамики с включениями твердой смазки для газотермического напыления / Ф. И. Пантелеенко [и др.] // Наука и техника. - 2012. - № 4. - С. 17-22.

2. Пантелеенко, Ф. И. Разработка технологического процесса плазменного напыления покрытий на детали коробок передач энергонасыщенных тракторов / Ф. И. Пантелеенко, В. А. Оковитый, А. Ф. Пантелеенко // Труды ГОСНИТИ. - 2012. - Т. 110, ч. 2. - С. 19-22.

3. Оковитый, В. А. Плазменные износостойкие покрытия с включением твердой смазки / В. А. Оковитый // Сварочное производство. - 2002. - № 6. - С. 41-43.

4. Триботехнические испытания образцов аморфизи-рованных плазменных композиционных покрытий с включением твердой смазки / В. А. Оковитый [и др.] // Вестник Брестского государственного технического университета. Машиностроение. - 2008. - С. 2-6.

5. Керамический материал системы оксид титана -оксид алюминия - твердая смазка / В. А. Оковитый [и др.] // Вестник БНТУ. - 2011. - № 1. - С. 16-20.

6. Способ получения композиционного керамического материала для нанесения износостойких покрытий: пат. № 12435 РБ МПК С04В 35/10 / В. А. Оковитый, А. Ф. Ильющенко, А. И. Шевцов, С. Б. Соболевский. -№ а 20070660; заявл. 31.05.2007 // Бюл. - 2008. - № 5.

7. Способ получения композиционного керамического материала: пат. № 13690 РБ МПК С04В 35/10 / В. А. Оковитый, Ф. И. Пантелеенко, О. Г. Девойно, А. Ф. Пан-телеенко, В. В. Оковитый; заявитель и патентообладатель БНТУ. - № а 20090464; заявл. 30.03.2009 // Бюл. - 2010. -№ 5.

8. Способ нанесения износостойких покрытий: пат. № 12143 РБ МПК С 23 4/18 / В. А. Оковитый, А. Ф. Ильющенко, А. И. Шевцов, В. М. Асташинский, С. Б. Соболевский; заявитель ГНУ Институт порошковой металлургии. - № а 20070598; заявл. 21.05.07; опубл. 20.04.09 // Афшыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. -2009. - № 4. - С. 120.

Поступила 21.01.2013

УДК 621.785

ДИФФУЗИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ БОРИРУЮЩИХ СРЕД

Кандидаты техн. наук КУХАРЕВА Н. Г., ГАЛЫНСКАЯН. А., инж. ПЕТРОВИЧ С. Н.

Белорусский национальный технический университет

Процесс борирования является эффективным методом повышения надежности и долговечности деталей машин, инструмента и технологической оснастки благодаря созданию на поверхности обрабатываемых деталей борид-ных слоев, обладающих уникальным комплексом физико-химических свойств. Это высокая

твердость на сталях (1300-2200 НУ 0,1), что обусловливает высокую износостойкость бо-ридных слоев в различных условиях трения и износа. Коэффициент трения боридных слоев и склонность к схватыванию (образованию металлической связи) в контакте с холодными металлами при их взаимном перемещении (хо-

Наука итехника, № 5, 2013