Триботехнические характеристики композиционных плазменных покрытий NiCrBSi - TiB2 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 36 Терентьев А.Е. Институт проблем материаловедения им. И.Н.Францевича НАН Украины, г. Киев, Украина E-mail: terentjev.alex@gmail.com ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ NiCrBSi - TiB2 УДК 620.198:533.9 (045) В работе исследованы триботехнические характеристики плазменных покрытий из композиционных по- рошковых материалов (КПМ) на основе самофлюсующегося сплава дисперсно-упрочненного добавками диборида титана в концентрационном диапазоне 10 - 40 мас.% (НХТБ 10 ÷ 40). Испытания проводились в условиях трения скольжения без смазывающего материала в паре с плазменным покрытием из электрокорунда (Al2O3) по схеме «вал – частичный вкладыш» при скорости V = 6,0 м/с и нагрузке Руд. = 1 МПа. Установлено, что гетерофазная структура покрытий из композиционных материалов за счет высокой твер- дости упрочняющих фаз (10,7 - 25,4 ГПа) способствует высокой износостойкости пар трения «плазменное покрытие из КПМ НХТБ (10 ÷ 40) – плазменное покрытие Al2O3», также как и исследованных ранее пар трения НХТБ (10 - 40) – сталь ШХ15. Пары трения НХТБ – Al2O3 имеют более высокую износостойкость, чем пары НХТБ - ШХ15. Наи- лучшие триботехнические показатели у пары трения НХТБ-20 – Al2O3 (линейный износ – 8,5 мкм/км, fтр – 0,3). В парах трения НХТБ (10 ÷ 40) – Al2O3 весовой износ контртела (покрытие из электрокорунда) преобладает над изно- сом покрытия НХТБ, в отличие от пары трения НХТБ-20 – ШХ15. Этот факт необходимо учитывать при проектиро- вании узлов трения из рассмотренных материалов. Перспективным путем повышения износостойкости пар трения НХТБ (10 ÷ 40) – Al2O3 является увеличение адгезионной связи частиц в покрытии за счет использования высоко- скоростных методов нанесения, таких как детонационное и высокоскоростное воздушно-топливное напыление. Ключевые слова: самофлюсующийся сплав, тугоплавкое соединение, композиционный порошковый материал, плазменное напыление, покрытие, трение, линейный износ, износостойкость. Введение Одним из эффективных способов повышения износостойкости узлов трения различных меха- низмов в настоящее время является нанесение защитных газотермических покрытий. Применение по- крытий позволяет существенно повысить ресурс и надежность деталей работающих в условиях высоких нагрузок и скоростей скольжения, в условиях трения с ограниченной смазкой и присутствием абразив- ных включений, при повышенной температуре и агрессивности среды. Перспективными, для подобных покрытий, являются композиционные порошковые материалы (КПМ) на основе самофлюсующихся сплавов дисперсно-упрочненные добавками из тугоплавких соединений карбидов и боридов переходных металлов IV - VI групп периодической таблицы [1, 2]. Важнейшей задачей при конструировании узлов трения является обеспечение высокой износо- стойкости не отдельной детали, а пары трения в целом. Подбор оптимальной пары довольно сложная за- дача, которую зачастую возможно решить лишь экспериментальным путем. Ускорить процесс подбора пары трения возможно проведением сравнительных испытаний на трибометрах, позволяющих опреде- лять основные характеристики испытываемых материалов – линейный и весовой износ, коэффициент трения, температуру в зоне контакта. При этом условия испытаний (схема сопряжения, величина нагруз- ки, скорости скольжения, наличие или отсутствие смазки и др.) должны быть максимально приближены к условиям эксплуатации реальной пары трения. Ранее, в работах [3, 4] исследовались структура, химический и фазовый состав, а также трибо- технические характеристики газотермических покрытий из КПМ на основе сплава ПГСР-3 упрочненного добавками диборида титана в паре со сталями 65Г и ШХ-15. Было установлено, что наилучшей износо- стойкостью в условиях трения скольжения без смазки, из числа рассмотренных, обладает покрытие ПГСР-3 + 20%TiB2 (НХТБ-20) в паре со сталью ШХ15. Цель и постановка задачи Данная работа – следующий этап исследований, направленных на определение оптимальных пар трения, работающих в условиях трения скольжения без смазки и её целью является исследование трибо- технических характеристик плазменных покрытий из КПМ системы «самофлюсующийся сплав (Ni-Cr-B-Si) – тугоплавкое соединение (ТіВ2)» в паре с керамическим покрытием на основе Al2O3. Методика и материалы Для исследуемых плазменных покрытий использовались порошки НХТБ-10, НХТБ-20 и НХТБ-40, которые представляют собой КПМ на основе самофлюсующегося эвтектического сплава мар- mailto:terentjev.alex@gmail.com Триботехнические характеристики композиционных плазменных покрытий NiCrBSi - TiB2 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 37 ки ПР-НХ16СР3 состава (Сr – 16 %, Si – 2,7 %, В – 3,2 %, Fe – до 5 %, С – 0,75 %, Ni – осн.) с добавками 10, 20 и 40 мас. % TiB2 соответственно, полученные методом жидкофазного спекания в вакууме с после- дующим измельчением и классификацией. Технология получения, структура, химический и фазовый со- став КПМ и плазменных покрытий из них описаны в [3, 5]. В качестве пары трения для исследуемых покрытий использовалось плазменное покрытие из электрокорунда нормального марки 15А (ГОСТ 28818-90) состава (Al2O3 – осн., Fe2O3 – 0,4 %, TiO2 – 1,8 %, CaO – 0,5 %). Покрытия на образцы и контртела из стали 3 наносились в открытой атмосфере плазменным способом плазмотроном F4-MB фирмы Metco. В качестве плазмообразующего газа использовалась смесь аргона с водородом. Режимы нанесения покрытий представлены в таблице 1. Таблица 1 Режимы нанесения плазменных покрытий № п/п Материал покрытия Состав, %. Напряжение, (В) Ток, (А) Расход газа, (л/мин) Дистанция, мм Толщина, мм 1 НХТВ-10 ПР-НХ16СР3 +10%TiB2 65 450 40 160 0,6 2 НХТБ-20 ПР-НХ16СР3 +20%TiB2 65 480 40 160 0,5 3 НХТВ-40 ПР-НХ16СР3 +40%TiB2 70 500 42 150 0,5 4 Электроко-рунд Al2O3 – осн., Fe2O3 – 0,4%, TiO2 – 1,8%, CaO – 0,5% 70 550 40 120 0,6 Перед нанесением покрытий поверхность подложки подвергалась струйно-абразивной обработке порошком электрокорунда нормального марки 12А (ГОСТ 28818-90) зернистостью F22 - F24 (ISO 8486- 86) с целью её очистки, активации и придания шероховатости Rz 63 - Rz 80 для увеличения адгезии. Об- работка поверхности осуществлялась с расстояния 90 - 150 мм под углом 60 º - 90 º сжатым воздухом под давлением 0,5 - 0,7 МПа. Кроме того, для увеличения адгезии покрытия на подложку наносились через промежуточный слой из термореагирующего материала ПГ-Ю5-Н (Россия) состава - 95% Ni + 5,2% Al (ISO 9001: 2008) зернистостью (- 100 + 40) мкм. Структурно-фазовый состав полученных покрытий исследовался с помощью растрового элек- тронного микроскопа РЭМ-106, а химический состав пленок на дорожках трения с помощью ОЖЭ- спектрометра JEOL JAMP 9500. Исследование процесса изнашивания газотермических покрытий из композиционных материа- лов НХТБ проводилось в условиях трения скольжения без смазки по схеме «вал - частичный вкладыш» на машине трения М-22м, разработки ИПМ им. И.М. Францевича НАН Украины, конструкция которой позволяет в процессе эксперимента измерять одновременно линейный износ пары, коэффициент трения и температуру в зоне контакта пары трения. Весовой износ образца и контртела определялся взвешива- нием через каждый километр пути трения. В качестве контртела (вал) использовался диск Ø = 40 мм с плазменным покрытием из электро- корунда. В качестве образца (вкладыш) – стержень Ø = 5 мм с покрытием из КПМ НХТБ толщиной 0,5 - 0,7 мм. Предварительная приработка покрытия проводилась на алмазном круге, который устанавли- вался вместо диска и имел аналогичные размеры. После того как образец приобретал поверхность со- пряженную с диском, устанавливалось контртело и на нем покрытие прирабатывалось окончательно. Для получения достоверных сопоставимых результатов испытания всех покрытий проводились в одинаковых условиях. Величина нагрузки составляла Руд. = 1 МПа, длина пути трения L = 5 км, скорость скольжения V = 6,0 м/с. Результаты исследований и их обсуждение Плазменные покрытия из разработанных КПМ НХТБ имеют гетерофазную структуру (рис. 1), которая представляет собой металлическую матрицу из сплава на основе Ni с равномерно распределен- ными в ней зернами упрочняющих фаз сложных боридов хрома, карбоборидов титана-хрома и карбида титана, синтезированных во время жидкофазного спекания, а также диборида титана, введенного в со- став КПМ [6]. Эти фазы имеют высокую микротвердость 10,7 - 25,4 ГПа и играют важную роль в повы- шении износостойкости покрытия, поскольку в процессе трения несут на себе основную нагрузку. Триботехнические характеристики композиционных плазменных покрытий NiCrBSi - TiB2 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 38 Рис. 1 – Структура плазменного композиционного покрытия НХТБ – 20 Проведенные в условиях трения скольжения без смазки исследования триботехнических харак- теристик плазменных композиционных покрытий НХТБ-10, 20 и 40 в паре со сталью ШХ15 показали их высокую износостойкость. Наилучшими характеристиками из них обладает покрытие НХТБ-20. Линей- ный износ пары составил 24,8 мкм/км (рис. 2), а весовой износ покрытия и контртела 2,8 мг/км и 1,5 мг/км соответственно (рис. 3). Исследования дорожек трения позволили установить, что в этой паре преобладающим является окислительный механизм изнашивания. На поверхности дорожек трения об- разца и контртела были обнаружены полиоксидные пленки сложного состава на основе оксидов NiO, B2O3, Cr2O3 и TiO2, толщиной 10 - 30 нм. В то же время, на поверхности матричного материала компози- ционных покрытий НХТБ присутствуют локальные участки с признаками адгезионного схватывания трущихся поверхностей. Следует отметить, что размеры и количество таких участков незначительны и процессы схватывания не оказывают существенного влияния на механизм изнашивания в этих парах трения. Рис. 2 – Зависимость линейного износа плазменных композиционных покрытий НХТБ 10 -40 в паре со сталью ШХ15 и покрытием из электрокорунда от пути Исследованиями триботехнических характеристик композиционных плазменных покрытий НХТБ-10, 20 и 40 в паре трения с плазменным покрытием из электрокорунда нормального (~ 97% Al2O3) установлено, что все три состава имеют высокую стойкость к изнашиванию (рис. 2). Во всех случаях ли- нейный износ пары трения не превышает 16,5 мкм/км и ниже, чем в паре трения покрытие НХТБ-20 – сталь ШХ15. Наиболее высокая износостойкость (8,5 мкм/км) у пары трения с участием покрытия НХТБ-20, как и в случае трения покрытий НХТБ-10, 20 и 40 по стали ШХ15. Этот факт может свиде- тельствовать о том, что количество упрочняющей добавки ТіВ2 порядка ~ 20 % в этой системе КПМ близко к оптимальному. В паре НХТБ-40 ̶ Al2O3 на пути трения 1 - 3 км линейный износ наименьший, но при дальнейшем увеличении пути трения износ увеличивается до 12 мкм/км, что выше, чем у пары НХТБ-20 ̶ Al2O3. Этот эффект, возможно, объясняется двумя причинами. Во-первых – выкрашиванием микрочастиц упрочняющей фазы из покрытия в процессе трения вследствие недостаточности матрично- го материала при таком соотношении компонентов в составе КПМ НХТБ-40 и является весьма нежела- тельным, поскольку приводит к преобладанию абразивного механизма изнашивания в паре трения. Во- вторых –тем, что в этой паре контртело изнашивается покрытием интенсивней, чем в других парах Триботехнические характеристики композиционных плазменных покрытий NiCrBSi - TiB2 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 39 (рис. 3). Избежать выкрашивания частиц можно путем повышения их адгезионной связи в покрытии, ис- пользуя другие газотермические способы нанесения покрытий, например высокоскоростное воздушно- топливное (ВВТН) или детонационное напыление. Возможно, покрытие НХТБ-40, нанесенное одним из этих способов, будет иметь наилучшие показатели износостойкости среди покрытий, рассматриваемых в данной работе. Поведение триботехнических испытаний покрытий НХТБ, нанесенных ВВТН и детона- ционным способами в паре с Al2O3 является предметом дальнейших исследований автора. Положительным является тот факт, что в парах трения НХТБ-10, 20 и 40 – Al2O3, в отличие от пары НХТБ-20 – ШХ15 линейный износ в конце пути трения стабилизируется и практически перестает увеличиваться. Рис. 3 – Весовой износ в парах трения – «плазменное композиционное покрытие НХТБ 10 - 40 – электрокорунд» и «плазменное композиционное покрытие НХТБ-20 – сталь ШХ15» Весовой износ в парах трения НХТБ-10, 20 и 40 – Al2O3 во всех случаях ниже, чем в паре НХТБ-20 – ШХ15. С увеличением содержания в композите упрочняющей добавки TiB2 весовой износ покрытия уменьшается, а относительный износ контртела увеличивается по сравнению с износом покры- тия. Наименьший износ у покрытия НХТБ-40 (0,84 мг/км). Контртело меньше изнашивается в паре с по- крытием НХТБ-20, при этом весовой износ покрытия и контртела имеют близкие значения (0,92 и 1,0 мг/км соответственно). Учитывая тот факт, что площадь трения образца с покрытием в несколько раз меньше площади трения контртела, можно сделать вывод, что во всех случаях контртело (покрытие из электрокорунда) изнашивается более интенсивно, чем покрытие НХТБ. В случае пары трения НХТБ-20 – ШХ15 наоборот относительный износ покрытия выше, чем износ контртела. Коэффициент трения во всех исследованных парах находится в пределах 0,3 - 0,47 (рис. 4). Та- кие значения являются характерными для подобного класса материалов и условий испытаний. Рис. 4 – Коэффициент трения и температура в зоне контакта пар трения: 1 – НХТБ10 – электрокорунд; 2 – НХТБ20 – электрокорунд; 3 – НХТБ40 – электрокорунд; 4 – НХТБ20 – ШХ15; Наибольшие коэффициент трения (0,47) и температура в зоне контакта (110 ºС) отмечаются у пары НХТБ-10 – Al2O3, а наименьшие у НХТБ-20 – Al2O3 (0,29 и 85 ºС соответственно). Триботехнические характеристики композиционных плазменных покрытий NiCrBSi - TiB2 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 40 Выводы В результате проведенных исследований установлено, что плазменные покрытия из КПМ НХТБ – 10, 20 и 40 в условиях трения скольжения без смазывающих материалов имеют более высокую износо- стойкость в паре с плазменным покрытием из электрокорунда нормального (Al2O3), чем в паре со сталью ШХ15. Наименьший линейный износ наблюдается в паре трения НХТБ-20 – Al2O3 (8,5 мкм/км). Весовой износ покрытия в парах трения НХТБ-10, 20 и 40 – Al2O3 во всех случаях имеет мень- шие значения, чем в паре НХТБ-20 – ШХ15. Наименьший весовой износ у покрытия НХТБ-40. С увели- чением содержания в КПМ упрочняющей добавки TiB2 с 10 до 40 мас.% весовой износ покрытия умень- шается. В парах трения НХТБ-10, 20 и 40 – Al2O3 износ контртела (покрытие из электрокорунда) преоб- ладает над износом покрытия НХТБ, в отличие от пары трения НХТБ-20 – ШХ15. Этот факт необходимо учитывать при проектировании узлов трения из рассмотренных материалов. Перспективным путем повышения износостойкости пар трения НХТБ (10 ÷ 40) – Al2O3 является увеличение адгезионной связи частиц в покрытии за счет использования высокоскоростных методов на- несения, таких как детонационное и высокоскоростное воздушно-топливное напыление. Литература 1. Кулик A.Я. Газотермическое напыление композиционных порошков [Текст] / A.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, A.С. Мнухин. – Л.: Машиностроение, 1985. – 197 с. 2. Pavlowski L. The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings [Text] / L. Pavlovski. – Chichester: John Willey & Sons, 2008. – 626 P. 3. Уманский А.П. Влияние добавок TiB2 на структуру и свойства плазменных покрытий на ос- нове NiCrSiB [Текст] / А.П. Уманский, А.Е. Терентьев, М.С. Стороженко, А.А. Бондаренко // Авиацион- но-космическая техника и технология. – 2012. – № 10 (97). – С. 50-54. 4. Влияние дисперсных добавок диборида титана на структуру и свойства HVAF - покрытий сис- темы (Ni-Cr-Si-B) – TiB2 [Текст] / А.П. Уманский, А.Е. Терентьев, М.С. Стороженко и др. // Авиационно- космическая техника и технология. – 2013. – № 9 (106). – С. 188-194. 5. Уманский А.П. Исследование закономерностей влияния мелкодисперсных добавок TіB2 на формирование структурно-фазового состава композиционных порошков и покрытий системы NіCrSiB - TiB2 [Текст] / А.П. Уманский, А.Е. Терентьев, М.С. Стороженко, И.С. Марценюк // Міжвузівський збір- ник "Наукові нотатки”. – Луцьк. – 2013. – Вип. № 41, ч. 2. – С. 213 – 221. 6. Терентьев А.Е. Исследование влияния состава, технологии получения и способа нанесения композиционного порошка на основе сплава системы (Ni-Cr-Si-B) на износостойкость газотермических покрытий в условиях трения без смазочного материала [Текст] / А.Е. Терентьев // Проблеми трибології. – 2014. – № 1 – С. 77 – 83. Поступила в редакцію 16.11.2015 Триботехнические характеристики композиционных плазменных покрытий NiCrBSi - TiB2 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 41 Тerеntjеv А.Е. Plasma sprayed composite material NiCrSiB-TiB2 coatings tribotechnical characteristics. The aim of the study is to investigate the tribotechnical characteristics of plasma sprayed NiCrSiB-based self- fluxing alloy with titanium diboride additives (10 wt.%, 20 wt.% and 40 wt.%) coatings. The tests were conducted under dry sliding conditions against plasma sprayed corundum (Al2O3) coating by technique “shaft – partial liner” at sliding speed of 6 m/s and constant load of 1 MPa. It has been determined that the heterogeneous structure of composite materials coatings provides the high wear re- sistance of friction couples “plasma sprayed NiCrSiB-based coating with TiB2 additives (10 wt.%, 20 wt.% and 40 wt.%) - plasma sprayed Al2O3 coating”, as the previously investigated couples “NiCrSiB-based coating with TiB2 additives (10 wt.%, 20 wt.% and 40 wt.%) – Steel 15”, because of composite material reinforcement phases hardness (10,7 - 25,4 GPa). The best tribotechnical characteristics were shown by the couple “NiCrSiB-TiB2 (20 wt.%) - Al2O3 (linear wear – 8,5µm/km, fmp – 0,3). In all investigated couples, such as “NiCrSiB-TiB2 (10 wt.%, 20 wt.% and 40 wt.%) - Al2O3” the wear rate is less than in couple “NiCrSiB-TiB2 (20 wt.%) – Steel 15”. It has been determined that the addition of titanium diboride from 10 wt.% - 40 wt.% into the NiCrSiB alloy results in increasing of coatings wear resistance. The wear of counter body of corundum coating in couple “NiCrSiB-TiB2 (10 wt.%, 20 wt.% and 40 wt.%) - Al2O3” is proved to be dominated over the composite material wear, in contrast with the couple “NiCrSiB-TiB2 (20 wt.%) – Steel 15”. This fact must be taken into account when developing the friction units of the considered materials. Increasing of adhesion bond of particles in coatings by using the high-velocity methods of spraying, such as deto- nation and HVOF methods is the promising way of increasing the wear resistance of couples “NiCrSiB-TiB2 (10 wt.%, 20 wt.% and 40 wt.%) - Al2O3”. Keywords: gas thermal coatings, plasma spraying, high velocity air fuel spraying, wear resistance, self-fluxing alloy, composite powder, colmonoy, structure, phase content. References 1. Kulik, A.Ja., Borisov Ju.S., Mnuhin A.S. Gazotermicheskoe napylenie kompozicionnyh poroshkov. L. Mashinostroenie, 1985. 197 P. 2. Pavlowski L. The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings. Chichester: John Willey & Sons, 2008. 626 P. 3. Umanskij, A.P. Тerеntjеv А.E., Storozhenko M.S., Bondarenko А.А. Vliyanie dobavok TiB2 na strukturu i svojstva plazmennyh pokrytij na osnove NiCrSiB. Aviacionno-kosmicheskaya tehnika i tehnologiya. 2012. № 10 (97). P. 50-54. 4. Vliyanie dispersnih dobavok diborida titana na strukturu i svojstva HVAF - pokrytij sistemi (Ni-Cr- Si-B) – TiB2. A.P. Umanskij, А.E. Тerеntjеv, M.S.Storozhenko i dr. Aviacionno-kosmicheskaya tehnika i tehnologiya. 2013. № 9 (106). P. 188-194. 5. Issledovanie zakonomernostej vlijanija melkodispersnyh dobavok TIB2 na formirovanie strukturno fazovogo sostava kompozicionnyh poroshkov i pokrytij sistemy (NI-CR-SI-B) - TIB2. A.P. Umanskij, A.E. Ter- entjev, M.S.Storozhenko, I.S.Marcenjuk. Mіzhvuzіvs'kij zbіrnik "NAUKOVІ NOTATKI". Luc'k. 2013. Vipusk №41. Chastina 2. P. 213-221. 6. Тerеntjеv А.Е. Issledovanie vlijanija sostava, tehnologii polucheniya i sposoba naneseniya kom- pozicionnogo poroshka na osnove splava sistemi (Ni-Cr-Si-B) na iznosostoijkost gazotermicheskih pokritij v us- loviyah treniya bez smazochnogo materiala. Problemy trybologіi. № 1.– P. 77 - 83. _GoBack