1_Akopiyn.doc Стойкость к абразивному изнашиванию детонационных покрытий из композиционных порошков системы TIB2-(Fe-Mo) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 6 Акопян В.В., Коновал В.П., Яковлева М.С., Гальцов К.Н., Бондаренко А.А. Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, г. Киев, Украина E-mail: akopian@ukr.net СТОЙКОСТЬ К АБРАЗИВНОМУ ИЗНАШИВАНИЮ ДЕТОНАЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ СИСТЕМЫ TIB2-(Fe-Mo) УДК 621.762:621.793.79 Методом детонационного напыления на стальных образцах получены покрытия из композиционных мате- риалов системы TiB2-(Fe-Mo). Исследована стойкость покрытий в условиях абразивного изнашивания. Исследовано влияние соотношения тугоплавкой составляющей (TiB2) и металлической связки (Fe-Mo) в композиционных порош- ках на стойкость покрытий в условиях абразивного изнашивания, а также определены оптимальные составы покры- тий для данных условий работы. Ключевые слова: детонационные покрытия, композиционные порошки, диборид титана, металлическая связка, абразивный износ. Вступление Свойства рабочих поверхностей деталей и конструктивных элементов машин являются опреде- ляющими факторами их эксплуатационной надежности и долговечности. Увеличение срока эксплуата- ции деталей машин можно обеспечить подбором материала детали или создания на поверхности этих де- талей покрытий, которые защищают их от изнашивания, высокотемпературного действия, агрессивных сред и т.д. Наличие защитных покрытий дает возможность реализовать функциональный подход к созда- нию конструкционных материалов. Механическая прочность детали обеспечивается за счет материала основы, а сопротивление действию внешних факторов достигается локальным формированием на по- верхности покрытий из другого материала [1]. Настоящая работа является развитием исследований, посвященных созданию новых композици- онных материалов и покрытий из них системы TiB2-(Fe-Mo). Ранее было показано, что в системе TiB2- (Fe-Mo) помимо основных упрочняющих включений TiB2 (с твердостью 31 - 33 ГПа) в металлической связке (с твердостью 3 - 4 ГПа) образуются соединения сложного борида (с твердостью 20 - 22 ГПа), а также интерметаллические фазы (7 - 10 ГПа), которые дополнительно повышают твердость композици- онного материала [2]. Целью работы является оценка относительной износостойкости детонационных покрытий из композиционных порошков системы TiB2-(Fe-Mo) с различным содержанием металлической связки 20, 40, 60, 80 масс. % (ТБФМ-20, ТБФМ-40, ТБФМ-60, ТБФМ-80 соответственно) в условиях абразивно- го износа. Среди разнообразных способов создания защитных покрытий значительный интерес вызывает метод детонационного напыления. К достоинствам этого метода следует отнести возможность формиро- вания покрытий с высокой плотностью и адгезией, что во многих случаях является необходимым усло- вием их успешной работы в абразивной среде. Процесс абразивного изнашивания материала можно рассматривать как действие твердых час- тиц на поверхность детали, с которой они контактирует (процесс трения частицы по поверхности дета- ли). В некоторых случаях частицы могут скользить по поверхности контакта, вызывая ее пластическую деформацию, или проникать в поверхность материала и перемещаться вместе с ней, срезая при этом микрообъемы материала. Интенсивность абразивного износа зависит от твердости, размеров и формы абразивных частиц. Методика и объекты эксперимента Для получения композиционного порошка исследуемого состава шихту из исходных порошков диборида титана, железа и молибдена смешивали в определённых пропорциях (табл. 1) в планетарной мельнице в течение трех часов в среде ацетона. После этого полученный порошок прессовали, а затем спекали при 1450 - 1500 ºC в вакуумной печи СВШ. Спеки дробили и просеивали через сито для получе- ния порошков с размером частиц -63 + 40 мкм. Напыление покрытий осуществляли с помощью детонационно-газовой установки «Днепр - 5 МА», которая разработана в ИПМ НАНУ. В качестве рабочих газов использовали ацетилен, кислород и воздух [3]. mailto:akopian@ukr.net Стойкость к абразивному изнашиванию детонационных покрытий из композиционных порошков системы TIB2-(Fe-Mo) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 7 Таблица 1 Соотношение компонентов в шихте для получения композиционного порошка ТБФМ Соотношение компонентов в шихте мас.% Материал Fe Mo TiВ2 80 ТБФМ-80 69,6 10,4 20 60 ТБФМ-60 52,2 7,8 40 40 ТБФМ-40 34,8 5,2 60 20 ТБФМ-20 17,4 2,6 80 Покрытия наносили на стальные (Ст. 3) пластинки, и образцы для ускоренных испытаний на стойкость к абразивному изнашиванию. Для увеличения адгезии покрытия к подложке поверхность об- разцов предварительно подвергли струйно - абразивной обработке. Микротвердость покрытия определя- ли на приборе ПМТ-3 путем вдавливания алмазной пирамиды в полированную поверхность шлифа при нагрузке 0,5 Н. Структуру порошков и покрытий исследовали на микроскопе МИМ-8, электронном микроскопе РЕМ-106. Исследование свойств поверхности методом склерометрии проводили на приборе «МИКРОН- гамма» алмазным индентором Виккерса с углом при вершине 136° при режимах: нагрузка на инденторе – 240 г; длина царапания – 1 мм; скорость царапания – 5 мм/мин. Изучая полученный трек царапины под микроскопом, определяли среднюю ширину (В, мкм.) дорожки разрушения покрытия. Для сравнения полученных результатов рационально оперировать массой удалённого материала при прохождении индентора. Массу удалённого материала находим по формуле [1]. iiiii LSVM ρ⋅⋅=ρ⋅= , (1) где V – объем удалённого материала; ρ – плотность материала; 47,22 ÷= ii BS – приведённая площадь удаленного материала для индентора с углом при вер- шине 136° (B – ширина трека); L – длина трека (L = 1 мм) (рис. 1). 136≈ В покрытие удалённый материал 136≈ В покрытие удалённый материал Рис. 1 – Схема поперечного сечения царапины: В – ширина следа Также были смоделированы натурные испытания по схеме, представленной на рис. 2. В качест- ве абразивной среды использовали порошок карбида кремния размером 0,5 - 1 мм. Механизм износа ма- териала зависит от соотношения твердостей абразива (Hab) и испытуемого материала (Hm). Средняя твердость покрытий ТБФМ 10 - 20 ГПа. В нашем случае карбид кремния имеет твердость 32,4 - 35,3 ГПа. При Hab/Hm > 1,3 - 1,4, изнашивание происходит по механизму микрорезания. Выбор данного метода изнашивания обусловлен тем, что он является наиболее характерным для деталей машин и механизмов, работающих в условиях абразивной среды. Стойкость к абразивному изнашиванию детонационных покрытий из композиционных порошков системы TIB2-(Fe-Mo) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 8 АА А-А Р Р 1 2 3 4 5 Эталон АА А-А Р Р 1 2 3 4 5 Эталон Рис. 2. Схема натурных испытаний на абразивный износ: 1 – державка в сборе; 2 – образцы; 3 – абразивная среда; 4 – корпус; 5 – контрнагрузка Установка для испытаний состоит из державки, помещеной в корпус с абразивным материалом (карбид кремния). Ось, на которую вращение передается от привода (фрезерный станок) на державку, проходит через центр корпуса и контрнагрузки. Контрнагрузка создает противодавление в абразивной среде. Одновременно на установке испытывались 4 образца с покрытием ТБФМ и эталон из стали 65Г при следующих режимах: контрнагрузка -5 кг; скорость вращения -125 об/мин; пройдённый путь -283 км; время испытания -120 часов. Результаты эксперимента и их обсуждение По режимам, приведенным в работе [3] были получены покрытия толщиной от 350 до 600 мкм с высокой плотностью. Как правило, толщины слоя композиционного покрытия более 100 мкм, уже дос- таточно, чтобы существенно замедлить процесс абразивного износа. Детонационные покрытия из порошков ТБФМ представляют собой гетерофазный материал с достаточно равномерным распределением фаз. Фазовый состав материала покрытия наследует фазовый состав компактного материала ТБФМ [2]. Граница "покрытие - основа" ровная, без видимых дефектов. Визуально количество пор незначительное. Анализ структур детонационных покрытий с различным содержанием металлической связки по- зволяет сделать вывод о том, что с уменьшением содержания металлической связки с 80 до 20 % струк- тура детонационных покрытий переходит от дисперсно-упрочненного материала до металлокерамики, характеризуется уменьшением количества ламелей. Следует отметить, что покрытие ТБФМ-20 характе- ризуется низкой адгезией (25 МПа) в сравнение с другими материалами ТБФМ (80 - 125 МПа), что, веро- ятно, обусловлено недостаточным количеством металлической связки. Для анализа стойкости к абразивному изнашиванию детонационных покрытий из разработанных материалов были проведены склерометрические исследования покрытия, так как принято считать, что про- хождения индентора по поверхности покрытия имитирует поведения абразивной частицы при работе по- крытия в абразивной среде. После испытания ширина следа от индентора на покрытии характеризуется на- личием зоны потери материала покрытия (царапина) (рис. 1). Изучая полученный трек царапины под микроскопом, определяли среднюю ширину (В, мкм.) дорожки разрушения покрытия. Результаты испытаний различных вариантов покрытий системы TiB2- (Fe-Mo) с различным содержанием металлической связки приведены в табл. 2 и на рис. 3. Для сравнения полученных результатов рационально оперировать массой удалённого материала при прохождении индентора (микрорезанье), так как именно этот механизм износа реализуются при аб- разивном изнашивании поверхности покрытия. Массу удалённого материала находим по формуле [1]. Стойкость к абразивному изнашиванию детонационных покрытий из композиционных порошков системы TIB2-(Fe-Mo) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 9 Таблица 2 Результаты склерометрических исследований покрытий ТБФМ Материал Плотность покрытия ρ, г/см3 Ширина трека В, мкм Масса удалённого материала M · 10-4, мг Mэ / Mi ТБФМ-80 7,01 27 20,7 3,08 ТБФМ-60 6,5 22,5 13,3 4,8 ТБФМ-40 5,5 17 6,4 9,9 ТБФМ-20 5,0 47 44 1,45 Эталон 7,82 45 63,8 1 а б в г Рис. 3 – Микроструктуры покрытий после склерометрических исследований: а – ТБФМ-80; б – ТБФМ-60; в – ТБФМ-40; г – ЯФМ-20 Были проведены смоделированные натурные испытания на стойкость к абразивному изнашива- нию. Испытания проводились на установке, схема которой показанная на рис. 3. В качестве абразивной среды использовали порошок карбида кремния размером 0,5 - 1 мм. Испытания с регистрацией времени и массы начинались после притирки образцов. В представ- ленном эксперименте износ происходит за счет вращения образцов в среде абразивных частиц. Износ определялся по потере массы, поскольку с помощью измерения массы можно более точно характеризовать изменения образцов после трения, чем посредством определения изменения линейных размеров. Результаты об относительном износе материала покрытия к эталону представлены табл. 3. Таблица 3 Результаты испытаний на стойкость к абразивному изнашиванию покрытий ТБФМ Материал Масса удалённого материала M, мг Mэ / Mi ТБФМ-80 13,1 2,80 ТБФМ-60 8,45 4,34 ТБФМ-40 3,85 9,53 ТБФМ-20 25,75 1,43 Эталон 36,7 1 Стойкость к абразивному изнашиванию детонационных покрытий из композиционных порошков системы TIB2-(Fe-Mo) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 10 Полученные экспериментальные данные (рис. 4) приведены в относительных единицах (износ эталона к износу покрытия). Как видно из (рис. 4), разница результатов при склерометрическом методе и испытаний в абразивной среде незначительная. Отличия результатов находятся в пределах 3 - 8 %, что указывает на возможность замены длительных испытаний в абразивной среде (близких к натурным ус- ловиям работы деталей машин и механизмов) на ускоренные склерометрические исследования. В работе исследовали влияние количества металлической связки на износостойкость получен- ных покрытий в условиях абразивного изнашивания. Анализируя результаты (рис. 4), видно, что относи- тельная износостойкость покрытий увеличивается в ряду ТБФМ-20*→ТБФМ-80→ ТБФМ-60→ТБФМ-40. Износостойкость увеличивается с уменьшением количества металлической связки, а также с увеличени- ем твердости покрытия. Исключением является покрытие из композиционного порошка ТБФМ-20, в ко- тором ожидаемое повышение относительной износостойкости для покрытия с минимальным содержание металлической связки не произошло, так как сплошность покрытия нарушилась после 90 часов испыта- ния, что указывает на низкую адгезию и когезию покрытия. Вероятно, это связано с тем, что в структуре покрытия уже недостаточно металлической связки что, в свою очередь, приводит к хрупкости покрытия и интенсивному выкрашиванию отдельных зерен боридов при соударении с абразивными частицами. Детонационное покрытие ТБФМ-40 имеет наименьшие значения износа. С одной стороны, по- крытие ТБФМ-40 содержит значительное количество твердых зерен боридов, а с другой стороны - коли- чества металлической фазы достаточно для того, чтобы удерживать зерна тугоплавкой фазы в структуре покрытия. 0 2 4 6 8 10 ТБФМ-80 ТБФМ-60 ТБФМ-40 ТБФМ- 20* ЭталонО тн о си те л ьн ая и зн о со -с то й ко ст ь M э / M i склерометрические исследования испытания в абразивной среде Рис. 4 – Относительная износостойкость покрытий ТБФМ по отношению к образцу эталона (сталь 65Г) (ТБФМ-20* – время испытания 90 часов) Выводы В результате исследований по относительной стойкости к абразивному изнашиванию покрытий из композиционных порошков системы TiB2-(Fe-Mo) установлено, что износостойкость покрытий уве- личивается в ряду ТБФМ-20*→ТБФМ-80→ТБФМ-60→ТБФМ-40. Покрытие из композиционного по- рошка ТБФМ-20 характеризуется максимальным уровнем износа, так как после 90 часов испытания на- рушилась сплошность покрытия, что может быть связано с низкой когезией и адгезией покрытия. Можно рекомендовать замену длительных с моделированных испытаний в абразивной среде на ускоренные склерометрические испытания, поскольку разница результатов находится в пределах 3-8 %. Детонационное покрытие ТБФМ-40 является перспективным для упрочнения деталей машин и механизмов, работающих в условиях абразивного изнашивания. Литература 1. Борисов Ю.С. – Газотермические покрития из порошковых материалов / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.Л. Сидоренко, Е.Н. Ардртовская. – К.: Наукова думка. – 1987. – 550 с. 2. Уманский А.П. Формирование структурно-фазового состава композиционных материалов на основе диборида титана с железо молибденовой связкой / А. П. Уманский, В. В. Акопян, М.С. Сторожен- ко, И.С. Марценюк // Труды ІІІ -й международной Самсоновской конференции «Материаловедение туго- плавких соединений». – К. – 2012. – С.25. 3. Уманский А. П. Структура и свойства детонационных покрытий из композиционных порош- ков системы TiB2-(Fe-Mo) / А. П. Уманский, В. В. Акопян, М.С. Стороженко и др. // Міжвузівський збі- рник "НАУКОВІ НОТАТКИ", Луцьк. – 2013. – № 41. – С. 247-253. Поступила в редакцію 24.02.2014 Стойкость к абразивному изнашиванию детонационных покрытий из композиционных порошков системы TIB2-(Fe-Mo) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 11 Akopian V.V., Konoval V.P., Yakovleva M.S., Gal'tsov K.N., Bondarenko A. A. Wear-resistance under abrasive conditions of detonation coatings of TIB2 –(FE-MO) composite powders. The detonation method is used to deposit TiB2–(Fe–Mo) composite coatings on steel 3 specimens. The mechanical and tribotechnical properties of these coatings are studied in comparison with steel 65G etalon. The abrasive wear of coatings is investigated. The influence of the ratio of refractory component (TiB2) and metal binder (Fe-Mo) in the composite powder on resistance to abrasive wear are studied. It is established that coatings of TiB2–40 wt.% (Fe–Mo) composite have greater wear resistance. The coatings of TiB2–40 wt.% (Fe–Mo) composite have a good adhesion and cohesion strange (up to 125 MPa). The development coatings are prospective for parts of abrasive wear. Key words: detonation coatings, composite powders, titanium diboride, metal binder, abrasive wear. References 1. Borisov Yu.S., Kharlamov Yu.A., Sydorenko S.L., Ardrtovskaya E.N. Gazotermicheskie pokrytia iz poroshkovyh meterialov, Kiev “Naukova dumka”, 1987, 550 s. 2. Umanskiy A.P., Akopian V.V., Storozhenko M.S., Martsenuk I.S. Formirovanie strukturno-fazovogo sostava kompozitsionnykh materialov na osnove diborida-titana s zhelezo-molibdenovoiy svyazkoy, Trudy ІІІ mezhdunarodnoy Samsonovskoy konferentsii “Materialovedenie tugoplavkih soedineniy”, Кiev, 2012, S.25. 3. Umanskiy A.P., Akopian V.V., Storozhenko M.S. et.al. Struktura i svoystva detonatsionnykh pokry- tiy iz kompozitsionnykh poroshkov sistemy TiB2-(Fe-Mo), Mizhvuzivskyi zbirnyk “Naukovi notatky”, Lutsk, 2013, No41, S. 247 -253.