Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗНОСОСТОЙКИХ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ДОБАВКАМИ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ СО СТАЛЬНЫМ КОНТРТЕЛОМ

Лебедев Д.И. 1 Винокуров Г.Г. 1 Стручков Н.Ф. 1
1 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения РАН
В работе приведены результаты комплексного исследования поверхностей трения износостойких газотермических (газопламенное напыление) покрытий с ульрадисперсными добавками шпинеля меди и кобальта. Проведены испытания на износ, профилометрирование и микроретгеноспектральный анализ поверхностей трения покрытий и металлического контртела. Показан взаимный переход материалов покрытия к контртелу и обратно, что влияет на формирование микрогеометрии контактных поверхностей трения покрытия и металлического контртела.
газотермическое покрытие
ультрадисперсные добавки
микрорентгеноспектральный анализ
испытание на износ
поверхность трения
шероховатость
профилометрирование
1. Болотина Н.П., Ларионов В.П., Милохин С.Е., Шевченко В.Г. Влияние составов порошковых проволок на основе железа на структуру и износостойкость плазменно-напыленных покрытий // Физика и химия обработки материалов. – 1990. – № 2. – C. 65-69.
2. Борисов Ю.С., Харлампьев Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатовская Е.Н. Газотермические покрытия из порошковых материалов: Справочник. – Киев: Наукова думка, 1987. – 544 с.
3. Литовченко Н.Н., Сергеев В.В., Спиридонов Ю.Л. Восстановление коленчатых валов автотракторных двигателей электродуговой металлизацией / Труды 5-й Международной конференции «Пленки и покрытия 1998», СПб. – С. 105-108.
4. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. – М.: Машиностроение, 1985. – 240 с.

В настоящее время для упрочнения и восстановления поверхности изношенных деталей машин и механизмов широко применяются высокоэнергетические технологии нанесения порошковых покрытий. В качестве материала износостойких покрытий в основном используются самофлюсующиеся сплавы на никелевой или кобальтовой основе и их смеси с модификаторами из тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, оксидов, ультрадисперсных соединений и др., которые обеспечивают образование упрочняющих фаз и улучшают структуру покрытия. Модифицированные порошковые покрытия характеризуются высокой степенью неоднородности структуры – выделениями избыточных дисперсных и коагулированных фаз, слоистым строением и пористостью. Это обусловлено спецификой высокоэнергетических технологических процессов, заключающейся в быстропротекающем (10-3 – 10-5 с) высокотемпературном (до температуры плавления) нагреве частиц порошкового материала и их последующем высокоскоростном охлаждении и застывании. Физико-механические свойства упрочняющих фаз в структуре покрытий существенно влияют на эксплуатационные характеристики обработанной поверхности деталей при трении с металлической поверхностью контртела-детали машин и механизмов [1-4].

Материалы и методы исследования

В данной работе исследовались износостойкие газотермические покрытия, полученные напылением газовой горелкой «Mogul-9», самофлюсующегося порошка ПГСР-4 с модифицирующими добавками ультрадисперсных шпинелей CoAl2O4 (0,2 %) и CuAl2O4 (0,2 %) получаемых в процессе плазмохимического синтеза (порошки производства АО «NEOMAT» Латвии, средний размер частиц порядка ~ 100 нм).

Испытание на износ покрытий проведены на машине трения СМЦ-2 по схеме трения «диск-колодка» при условии сухого трения. Нагрузка – 4 МПа, скорость вращения вала – 300 оборотов в минуту. Были изготовлены контртела в виде колодок из стали марки Ст6.

Важнейшими количественными характеристиками микрогеометрии поверхности трения, показывающими динамику изнашивания в зависимости от параметров – нагрузки, скорости скольжения, температуры и т.д., являются шероховатость Ra, среднеквадратическое отклонение Rq и наибольшая высота профиля Rz. Поверхности трения изучались профилометром SJ-201P (Япония) и с помощью оптических микроскопов «Stemi 2000С», «Axio Observer» через каждые 4500 циклов трения. Измерялся поперечный профиль покрытий и контртел.

Для оценки перехода материала образца к контртелу и обратно при трении скольжения проведен микрорентгеноспектральный анализ поверхностей трения на установке Jeol.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 показаны результаты испытаний на износ покрытий и их контртел. Как видно, у покрытия с добавками CoAl2O4 износостойкость выше, чем у покрытия с CuAl2O4. В кривых массового износа стального контртела и покрытия практически не наблюдается существенного участка приработки, сразу начинается установившийся износ. Также наблюдается существенная разница массовых износов покрытия и контртела, обусловленная различной твердостью материалов контактных поверхностей, износ покрытий и контртел отличаются практически на порядок (рис. 1).

lebed1.wmf

Рис. 1. Массовый износ газотермических покрытий и металлических контртел из стали Ст6

Структура материала влияет на формирование микрогеометрии поверхности трения при изнашивании. В работе профилометрическими измерениями была изучена микрогеометрия поверхностей трения. Как известно, трение скольжения приводит к особенностям механизмов изнашивания контактных поверхностей трения.

На рис. 2 приведены зависимости средних шероховатостей Ra контактных поверхностей при трении покрытия с ультрадисперсными добавками CоAl2O4 в зависимости от количества циклов машины трения. В отличие от графиков массового износа на рис. 1 с монотонными зависимостями, шероховатость контактных поверхностей изменяется сложным колеблющимся образом. Примерно к ≈ 5000 циклов заканчивается участок влияния начального состояния контактных поверхностей трения из-за ее приработки.

lebed2.wmf

Рис. 2. Шероховатость контактных поверхностей покрытия с добавками CоAl2O4 и металлического контртела из стали Ст6

Далее начинается превалирование влияния механизма изнашивания материалов, что приводит к существенной разнице в поведении шероховатости поверхностей трения покрытия и контртела. Тогда как шероховатость поверхности трения покрытия имеют меньшие колебания, шероховатость контртел характеризуется большим разбросом, обусловленным периодическими колебаниями, т.к. стальной материал из-за низкой износостойкости способен к интенсивному изнашиванию. Эти процессы приводят к регулярному появлению нового рельефа контртела с последующим сглаживанием, следовательно, к большей нестабильности шероховатости поверхности. При трении модифицированного покрытия со стальным контртелом шероховатости контактных поверхностей регулярно становятся сопоставимыми, что приводит к большему взаимовлиянию структуры материалов при изнашивании.

На рис. 3 приведены изображения поверхности трения (а) модифицированного покрытия с ультрадисперсными добавками CuAl2O4 при трении с контртелом из Ст6 и элементные карты железа и никеля.

lebed3.tif

Рис. 3. Поверхность трения (а) модифицированного покрытия с CuAl2O4 и элементные карты: б – железо (Fe); в – никель (Ni).

В точках контакта покрытия и контртела (1, 2, 3, 4 рис. 3, а) по результатам микрорентгеноспектрального анализа наблюдается повышенная концентрация железа (Fe), хотя изначально в покрытии железо (Fe) практически отсутствует. Минимальное содержание никеля (Ni) в местах контакта (точки 1, 2, 3, 4) также указывает на переход материала Ст6 контртела к покрытию, в областях, которые определяются микрогеометрией контактной поверхности трения. В области, где нет контакта с контртелом (точки 5, 6, 7) железо присутствует в виде продукта износа, а минимальное содержание никеля в площади контакта объясняется наличием никеля в составе данной стали (Ст6).

Заключение

Испытаниями на износ и профилометрическими измерениями установлено, что ультрадисперсные добавки покрытия и материал контртел существенно влияют на профили контактных поверхностей трения, их изменение подробно и точно отражает этапы процесса изнашивания.

При трении модифицированного покрытия со стальным контртелом шероховатости контактных поверхностей регулярно становятся сопоставимыми, что приводит к большему взаимовлиянию структуры материалов при изнашивании.

Микрорентгеноспектральными исследованиями установлен переход материала покрытия к контртелу и обратно, что влияет на формирование микрогеометрии контактных поверхностей трения модифицированного покрытия и металлического контртела.


Библиографическая ссылка

Лебедев Д.И., Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗНОСОСТОЙКИХ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ДОБАВКАМИ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ СО СТАЛЬНЫМ КОНТРТЕЛОМ // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 1. – С. 42-45;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33627 (дата обращения: 11.12.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674