1_Dovgal.doc Структура и триботехнические свойства детонационных покрытий на основе системы SiC-Al2O3 в паре со стальным контртелом… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 6 Довгаль А.Г. Национальный авиационный университет, г. Киев, Украина E-mail: 270579@ukr.net СТРУКТУРА И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕТОНАЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ SiC-Al2O3 В ПАРЕ СО СТАЛЬНЫМ КОНТРТЕЛОМ БЕЗ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ УДК 629.045 (045) Исследована структура покрытий из композиционного материала, содержащего износостойкую состав- ляющую SiC-Al2O3 и металлическую связку на основе железа полученную в результате размола композиции в стальных барабанах, полученных детонационным методом на среднеуглеродистых сталях. Изучены триботехниче- ские характеристики полученных покрытий в условиях трения без смазочных материалов на воздухе, определены особенности и закономерности механизмов их изнашивания. Ключевые слова: покрытие, керамика, смачивание, намол, детонационное напыление, износостойкость. Введение Проблема повышения износо- и коррозионной стойкости деталей машин является актуальной в условиях эксплуатации оборудования при высоких скоростях и нагрузках. Перспективными для таких условий работы являются керамические материалы, которые обладают высокой стойкостью в условиях интенсивного изнашивания и к воздействию агрессивных сред. Этим требованиям удовлетворяют кера- мические композиты на основе карбида кремния и оксида алюминия, которые обладают высоким уров- нем физико - механических свойств, а также являются недорогими и недефицитными материалами. Анализ последних исследований и публикаций Карбидокремниевые композиционные материалы могут применяться, как в виде компактных из- делий [1], так и в качестве покрытий на поверхности деталей, работающих в узлах трибосопряжений. Преимущество применения керамических материалов в качестве покрытий заключается в локальном их использовании на трущихся поверхностях, что приводит к существенной экономии этих материалов. Для нанесения газотермическими методами керамических порошковых композиционных материалов на стальные поверхности необходимо введение в шихту металлической составляющей, которая обеспечива- ла бы адгезионное сцепление керамики со стальной подложкой и когезионное сцепление между фазами покрытия. Введение металлической связки в керамическую композицию также существенно снижает энергозатраты и упрощает поиск оптимальных режимов нанесения покрытий. Износостойкой составляющей композита для нанесения детонационных покрытий выбрана ке- рамика SiC-Al2O3, испытанная ранее в качестве компактного керамического материала и обладающая вы- соким уровнем триботехнических характеристик, как в паре со стальным [1], так и в паре с керамическим [2] контртелами. Введение металлической связки традиционным образом представляет определенные технологические трудности, которые заключаются в низкой стойкости карбида кремния в металлических расплавах и интенсивном его взаимодействии с образованием силицидов. Так, было установлено, что уп- рочняющая карбидокремниевая фаза сохраняется без химических превращений при обеспечении удовле- творительного смачивания только в интерметаллидах [3], так как присутствие других элементов в метал- лической связке пассивирует химическую активность расплава. В результате этого исследования было разработано износостойкое покрытие на основе SiC–Al2O3 со связкой на основе Ni–Al, которое было на- несено газотермическими методами и показало высокий уровень триботехнических свойств [4]. Прини- мая во внимание упомянутые выше особенности структурообразования карбидокремниевых композитов с металлической связкой был предложен новаторский подход в плане введения металлической связки в композицию SiC-Al2O3, а именно, получение металлических добавок в процессе размола и перемешива- ния этой композиции в стальных барабанах и стальными размольными телами, что позволило ввести в композит железо, которое не смачивает эту систему, но за счет масштабного фактора (размера частиц) и снижения температуры синтеза удалось получить керамику, которая показала высокий уровень трибо- технических свойств как в паре со стальным [5], так и в паре с керамическим контртелом [6]. Поэтому большой научный интерес представляет применение этой композиции в качестве износостойких покры- тий на среднеуглеродистых сталях [7 - 9]. В качестве метода нанесения покрытий был избран детонаци- онный метод напыления, который позволяет получать высокоплотные покрытия, и характеризуется низ- ким температурным воздействием на деталь и порошковую композицию. mailto:270579@ukr.net Структура и триботехнические свойства детонационных покрытий на основе системы SiC-Al2O3 в паре со стальным контртелом… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 7 Цели исследования Получение износостойких покрытий из системы (SiC-Al2O3)-Fe детонационным методом напы- ления, испытание этих покрытий на износостой- кость без смазочных материалов и определение механизмов их изнашивания. Материалы и методика проведения испытаний Предварительно порошки оксида алю- миния (ТУ 6-09-2486-77) средний размер кото- рых составлял 40-45 мкм и карбида кремния средним размером 45-50 мкм марки 64С (ГОСТ 26 327 - 84) концентрации 50 % SiC – 50 % Al2O3 перемешивали в стальных барабанах со сталь- ными размольными телами в планетарной мель- нице «Санд-1» в среде ацетона в стальных бара- банах на протяжении 32 часов. Полученную шихту сушили и просеивали через сито. Мето- дами химического анализа определяли количест- во намола железа, которое составило 19,3 % масс. Полученную шихту прессовали при темпе- ратуре 1540 оС для конгломерирования компо- нентов керамики с металлической связкой, затем шихту размалывали и просеивали до размера частиц менее 63 мкм. Покрытия наносили на детонационной установке: «Днепр-3М», на которой определяли оптимальные режимы нанесения детонационных покрытий по толщине и сплошности покрытия. Для полученной композиции были определены следующие режимы. Рабочий газ – смесь С2Н2-О2. Расход С2Н2 – 30 дел, О2 – 70 дел. По- дача порошка – 30 дел. Продувка ствола после окончания цикла – воздух. Транспортирующий газ – воздух Скорострельность – 4 выстрела в секунду. Диаметр пятна – 22 мм. Дистанция на- пыления 170 мм. Покрытие наносилось на пла- стину для анализа адгезии, остаточных напряже- ний и металлографических исследований – тол- щина 175 мкм, время нанесения 10 секунд. На- несение на пальцы для машины трения «плос- кость - плоскость» - толщина 300 мкм – время нанесения 20 секунд. Структуру детонационных покрытий из композиционного материала (SiC – Al2O3)- Fe исследовали методом электронной микроскопии на растровом электронном микроскопе РЭМ-106И и на дифракционном рентгенофазо- вом анализаторе ДРОН-3.0. Композиционное детонационное покры- тие из системы (SiC-Al2O3)-Fe, испытывали на машине трения по схеме плоскость - плоскость в паре со стальным контртелом, без смазочных материалов (по методике описанной в [2]) в диа- пазоне скоростей скольжения 2 - 7 м/с и нагру- зок 2 - 6 МПа. Поверхности трения образцов с покрытием исследованы на растровом электронном микроскопе РЭМ-106И. а б в Рис. 1 – Электронные фотографии детонационного покрытия системы (SiC-Al2O3)-Fe, ув. 300: а – в отраженных электронах; б – во вторичных электронах; в – топография поверхности Структура и триботехнические свойства детонационных покрытий на основе системы SiC-Al2O3 в паре со стальным контртелом… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 8 Результаты исследования Общая морфология покрытия представлена на рис. 1, в трех снимках: в отраженных (рис. 1, а); во вторичных (рис. 1, б) и топографическом исследовании поверхности (рис. 1, в). Из первого снимка можно сделать вывод, что покрытие представляет собой гетерофазный слой толщиной 150 мкм, состоя- щий из трех фаз и плотно прилегающий к стальной подложке. Адгезия этого покрытия составляет 7 МПа. Во вторичных электронах (рис. 1, б) на снимке белым цветом выделяются фазы, которые имеют металлическую структуру (в покрытии около 15 - 20 %), так как они обладают большей проводимостью и являются самым интенсивным источником вторичных электронов. Топографическое исследование по- верхности среза покрытия дает представление и пористости покрытия которая составляет менее 1 %. Микроструктура покрытия (рис. 2) представляет собой композиционный материал, состоящий из матри- цы на основе оксида алюминия, в которой равномерно распределены частицы SiC. Рис. 2 – Микроструктура полученных детонационных покрытий из системы (SiC–50%Al2O3) – Fe с указанием участков микрорентгеноспектрального анализа Возможные поры в керамике заполнены фазами на основе железа состав которых, соответствует силицидам и силикатам железа (табл. к рис. 2). Это подтвердил и рентгенофазовый анализ, который об- наружил в покрытии фазы SiC, Al2O3, Fe1,34Si0,66, Fe3Si, Fe2SiO4. Толщина покрытий изменяется в преде- лах 150 - 170 мкм. Размер керамических включений изменяется в пределах от 3 до 10 мкм. Так как ранее была исследована износостойкость компактной керамики этого состава [5, 6] и композиционного покрытия на основе SiC-Al2O3 c металлической связкой на основе интерметаллида Ni3Al [4], то и детонационные карбидокремниевые покрытия системы (SiC-Al2O3)-Fe были испытаны на износостойкость в условиях, которые описаны в этих работах для определения условий применимости полученных новых покрытий. Триботехнические испытания проводились по двум схемам: при постоянной нагрузке 2 МПа, изучали влияние скорости трения и при постоянной скорости 7 м/с, исследовали влияние нагрузки на ин- тенсивность изнашивания и коэффициенты трения соответственно. Результаты триботехнических испытаний композиционных детонационных покрытий при по- стоянной нагрузке показали, что с увеличением скорости интенсивность изнашивания уменьшается с 33,3 мкм/км при скорости испытаний 2 м/с до 27,3 мкм/км при 7 м/с. Эти значения более чем в два раза превосходят результаты испытания стальных образцов (рис. 3). Коэффициенты трения при испытании покрытий в зависимости от скорости трения изменяются в пределах от 0,31 до 0,28. Испытания образцов с покрытиями при постоянной скорости 7 м/с показали (рис. 3), что с увеличением нагрузки интенсив- ность изнашивания незначительно увеличивается с 14,6 мкм/км при Р = 2 МПа до 27,4 мкм/км при Р = 4 МПа. При давлении 5 МПа покрытие отслаивается полностью со стальной поверхности, по- видимому имеет место адгезионный отрыв. Интенсивность изнашивания стальных образцов с увеличе- нием нагрузки резко возрастает с 41,6 мкм/км до 61 мкм/км. Таким образом, при наиболее жестких усло- виях испытания интенсивность изнашивания образцов с покрытиями в два раза меньше, чем этот показа- тель у образцов из закаленной стали 45 (рис. 3). Интенсивность изнашивания контртела при испытаниях не превышала 10 мкм/км. Спектр C O Al Si Fe Спектр 1 47,53 - - 52,47 - Спектр 2 41,11 - - 57,89 - Спектр 3 - 54,02 45,98 - - Спектр 4 - 53,03 46,97 - - Спектр 5 - - - 33,66 76,34 Спектр 6 - - - 19,23 80,77 Спектр7 0,03 45,18 - 14,65 40,14 Спектр8 0,04 - - - 98,99 Структура и триботехнические свойства детонационных покрытий на основе системы SiC-Al2O3 в паре со стальным контртелом… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 9 Рис. 3 – Зависимость интенсивности изнашивания от скорости (а) и нагрузки (б): 1 – детонационное покрытие системы (SiC-Al2O3)-Fe; 2 – закаленная сталь 45 Для объяснения полученных результатов поверхности трения образцов с покрытием получен- ных в экстремальных условиях трения покрытия (V = 7 м/с, Р = 6 МПа) были исследованы на электрон- ном микроскопе РЭМ-106И. Структура зоны трения композиционных покрытий представляет собой двухфазную систему, состоящую из двух участков (рис. 4). Темные участки представляют собой системы оксидов кремния, алюминия и железа с включениями свободного углерода, что подтвердил дополни- тельно проведенный рентгенофазовый анализ. Светлые участки представляют собой низшие оксиды же- леза, перенесенные с поверхности контртела. Также на этой поверхности были обнаружены участки ад- гезионного отрыва покрытия от подложки (спектры 5 и 6 рис. 4). Рис. 4 – Микроструктура ×120 участка дорожки трения детонационного покрытия с указанием участков микрорентгеноспектрального анализа Таким образом, в результате анализа поверхностей трения композиционного покрытия по сталь- ному контртелу без смазочных материалов можно констатировать реализацию окислительного механиз- ма изнашивания и формировании на поверхности трении стекловидных пленок тройных оксидных сис- тем: оксидов алюминия, кремния и железа. Наличие свободного углерода, выделившегося в результате окисления карбида кремния существенно снижает коэффициен трения полученных покрытий. А пределы износостойкости покрытия определяются особенностями напряженно деформированного состояния сис- темы «покрытие-подложка», и определяются адгезионными свойствами покрытия к стальной поверхно- сти. Этот недостаток может быть устранен применением подслоя или изменением методов нанесения покрытия, что может быть предметом дальнейших исследований. Спектр C O Al Si Fe Спектр 1 16,08 33,44 12,45 12,89 25,14 Спектр 2 10,07 31,14 20,86 10,77 27,16 Спектр 3 - 52,12 - - 47,88 Спектр 4 - 54,02 - - 45,98 Спектр 5 0,03 - - - 99,99 Спектр 6 0,04 - - - 98,99 Структура и триботехнические свойства детонационных покрытий на основе системы SiC-Al2O3 в паре со стальным контртелом… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 10 Выводы 1. Получены новые композиционные металлокерамические детонационные покрытия системы (SiC – Al2O3) – Fe на среднеуглеродистой стали. Структура этих покрытий представляет собой компози- ционную керамическую матрицу Al2O3 в которой равномерно распределены зерна SiC и включения фаз на основе железа типа силицидов и силикатов Толщина покрытия варьируется в пределах 150 - 300 мкм. 2. Исследованы триботехнические характеристики детонационных покрытий в широком диапа- зоне нагрузочно-скоростных параметров, установлено, что при наиболее жестких принятых режимах ис- пытаний (Р = 4 МПа и V = 7м/с) интенсивность изнашивания покрытия составляет 27,4 мкм/км, что в 2 раза превышает износостойкость стали. Установлены механизмы изнашивания этих покрытий и пре- дельные нагрузочно-скоростные режимы износостойкости этих покрытий. Литература 1. Уманский А.П., Довгаль А.Г., Панасюк А.Д., Костенко А.Д. Влияние состава и структуры ке- рамики на основе карбида кремния на механизмы изнашивания. // Порошковая металлургия. – 2012. – № 7/8. – С. 92-102. 2. Уманский А.П., Довгаль А.Г., Костенко А.Д. Влияние состава и структуры карбидокремние- вых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении в паре с керамическим контртелом. // Проблеми трибології. – 2011. – № 3. – С. 81-88. 3. Панасюк А.Д., Уманский А.П., Довгаль А.Г. Исследование контактного взаимодействия кера- мики SiC-Al2O3 с никелем, алюминием и никель-алюминиевыми сплавами // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 2010 – № 43. – С. 55-63. 4. Уманский А.П., Довгаль А.Г., Кисель В.М., Евдокименко Ю.И. Структура и закономерности изнашивания покрытий из композиционных металлокерамических материалов системы (SiC–Al2O3)–(Ni– Al) // Сверхтвердые материалы. – 2012. – № 2. – С. 49-57. 5. Уманский А.П., Довгаль А.Г., Субботин В.И., Тимофеева И.И., Мосина Т.В., Полярус Е.Н. Влияние времени размола на структуру и износостойкость керамических материалов на основе SiC– Al2O3 // Порошковая металлургия. – 2013. – № 3/4. – С. 92-100. 6. Довгаль А.Г. Влияние времени размола на структуру и износостойкость керамических матери- алов системы SiC–Al2O3 в паре с керамическим контртелом // Проблеми трибології. – 2012. – №1. – С. 20-26. 7. Лахин А.В. Процессы получения композиционных материалов и покрытий на основе карбида кремния химическим газофазным осаждением из метилсилана при относительно низких температурах и давлениях // Дисс. на соиск. уч. степени. к.т.н., по спец. 05.16.06 Порошковая металлургия и композици- онные материалы – М.: 2006. – 140 с. 8. Филонов К.Н., Курлов В.Н., Классен Н.В., Кудренко Е.А., Штейнман Э.А. Особенности свойств наноструктурированных карбидокремниевых пленок и покрытий, полученных новым способом // Известия РАН. – Серия физическая. – 2009. – Том 73. – № 10. – С. 1457-1459. 9. Фараджаллах М.А. Износостойкость детонационных покрытий на основе карбида кремния, содержащих молебдат свинца // Проблеми техніки – № 3. – 2009. –С. 40-46. Поступила в редакцію 15.10.2013 Структура и триботехнические свойства детонационных покрытий на основе системы SiC-Al2O3 в паре со стальным контртелом… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 11 Dovgal A. G. Structure and tribotechnical properties of the detonation coatings based on the components SiC-Al2O3 together with the steel counterbody without lubricants. In a principally new way the ceramic-metal composition material based on the components SiC-Al2O3 which contains the metallic constituent of the iron, not introduced in to the initial batch mixture in form of powder, and that is acquired in re- sult of batch mixture components grinding in the steel vessels with steel milling bodies has been acquired. The acquisitions possibility of gas-flame coatings made of this ceramic-metal substance on the steel items for their superficial repair and rein- forcement has been investigated. Optimal modes of these coatings depositions of this material by detonation method have been found. Using the method of electron microscopy and focused-beam microscopy, X-ray spectrometry analysis and X-ray phase analysis the structure of the coatings made of the composition material containing the wearproof component SiC-Al2O3 and metallic bound of iron acquired in a result of batch mixture grinding in the steel vessels on the mild carbon steel has been studied. The tribotechnical properties of the coatings within the friction conditions without lubricants in air together with steel counterbody have been researched and application limits of the acquired coatings have been found. Using the methods of electron microscopy the friction surfaces of the acquired coating have been researched and features and regularities of their wear mechanism have been detected. Key words: coating, ceramics, wetting, millings, detonation deposition, wear resistance. References 1. A. P. Umanskii, A. G. Dovgal’, A. D. Panasyuk, and A. D. Kostenko Effect of the composition and structure of silicon carbide composites on wear mechanisms // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 51, Nos. 7-8, November, 2012- pp. 447-455. 2. Umanskyi A. P., Dovgal A. G., Kostenko A. D. Influence of composition and structure of silicon car- bide composites on wear resistance and their wear mechanisms during friction together with a ceramic counter- body // Problems of Tribology. – 2011. - № 3. – P.Р. 81– 88. 3. Panasyuk A. D., Umansky A. P., Dovgal A. G. Research of contact interaction of ceramic SiC-Al2O3 with nickel, aluminium and nickel-aluminium alloys. // Adhesion of melts and materials soldering. – 2010. – №43. – P.P. 55–63. 4. A. P. Umanskii, A. G. Dovgal’, V. M. Kisel’, and Yu. I. Evdokimenko Structure and Wear Regularities of Coatings from Composite Metal-Ceramic Materials of the SiC–Al2O3–Ni–Al System // Journal of Superhard Materials. – 2012. – Vol. 34. – No. 2. – pp. 110–117. 5. A. P. Umanskii, A. G. Dovgal’, V. I. Subbotin, I. I. Timofeeva, T. V. Mosina and E. N. Polyarys Effect of grinding time on the structure and wear resistance of SiC–Al2O3ceramics // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 52, Nos. 3-4, July, 2013- pp. 189-196. 6. Dovgal A. G. Influence of grinding time on a structure and wear resistance of ceramic materials on the basis of the system SiC-Al2O3 together with a ceramic counterbody // Problems of Tribology. – 2012. – №1. – P.P. 20-26. 7. Lakhin A. V. Acquisition processes of composition materials and coating based on the silicon carbide using the chemical heterophase deposition from methyl-silane having comparatively low temperatures and pres- sures // Degree thesis of candidate of engineering on specialty 05.16.06 Powder metallurgy and Composition Materials. – М.: 2006. – 140 p. 8. Fylonov K. N., Khurlov V. N., Klassen N. V., Khudrenko Ye. A., Shteynman E. A. Properties fea- tures of nano-structured silicon carbide films and coatings, acquired in the new way // Proceedings of Russian Academy of Sciences. Physical series. 2009, vol. 73, No 10, p.p. 1457–1459. 9. Farajallakh M. A. Wear resistance of the detonation coatings based on the silicon carbide alloyed by lead molybdate // Problems of Engineering, - № 3. – 2009, p.p. 40-46.