Создание износостойких композиционных покрытий на основе порошков самофлюсующихся сплавов электроконтактным припеканием Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 92 Лопата Л.А.,* Николайчук В.Я.,** Барановский В.Н.,*** Чиграй СЛ.,**** *ИПП НАН Украины, г. Киев, Украина **Винницкий национальный аграрный университет, г. Винница, Украина ***Тернопольський национальный технический университет им. И. Пулюя, г. Тернополь, Украина ****Национальный технический университет Украины «КПИ», г. Киев, Украина E-mail: beryuza@ukr.net СОЗДАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВ САМОФЛЮСУЮЩИХСЯ СПЛАВОВ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ ПРИПЕКАНИЕМ УДК 621.793.620.172 Рассмотрены основные этапы создания покрытий электроконтактным припеканием порошков (ЭКПП) са- мофлюсующихся сплавов (СФС). Для оценки эффективности ЭКПП СФС исследовались: комплекс свойств системы «основа-покрытие» (адгезионная и когезионная прочность, упругие свойства); структурные особенности получен- ных покрытий, зоны диффузионного взаимодействия (ДЗ) и термического влияния (ЗТВ); физико-механические свойства (пористость покрытий, микротвердость, износостойкость). полученных покрытий. Показано, что процесс электроконтактного припекания позволяет получать покрытия из порошков из СФС с прочностью сцепления 180- 200 МПа, пористостью не более 5 %, износостойкостью в 2,3 - 3,18 раза выше, чем стали 45, закаленной до твер- дости 46 - 48 HRC3. Ключевые слова: покрытия, износостойкость, порошки, самофлюсующиеся сплавы, электроконтактное припекание, прочность сцепления, диффузионная зона, зона термического влияния. Актуальность исследований Актуальной задачей современного материаловедения является повышение уровня функциональ- ных свойств покрытий из востребованного промышленностью и сранительно дешевого класса порошко- вых материалов, как самофлюсующиеся сплавы на основе Fe и Ni, главной особенностью которых яв- ляется самофлюсуемость, что позволяет обходиться без специальных защитных сред и флюсов По- высить качество и свойства покрытий из порошков СФС возможно путем изменения состава порошка СФС или технологии его нанесения (рис. 1). Получить износостойкие высокопрочные композиционные покрытия на основе порошков само- флюсующихся сплавов можно путем использования низкоэнергоемкого и высокопроизводительного ме- тода нанесения покрытия - электроконтактного припекания (ЭКП) [1]. По сравнению с наплавкой в про- цессе нанесения покрытия ЭКПП сохраняются состав и свойства наносимого порошка (табл. 1). По сравнению с традиционными методами газотермического напыления этот метод обеспечива- ет низкую пористость ( 3 … 5 %) и повышенную прочность сцепления с основой (180-220 МПа) [7]. Ис- следованиям электроконтактных методов нанесения покрытий посвящены разработки ученых в области контактной сварки, наплавки, наварки и припекания: Рыкалина Н.Н., Гельмана А.С., Клименко Ю.В., Поляченко А.В., Дорожкина Н.Н, Верещагина В.А., Жорника В.И. [7]. Однако, в работах по электрокон- тактному припеканию (ЭКП) отсутствуют систематические исследования особенностей структуры, со- става и свойств получаемых покрытий во взаимосвязи с параметров процесса ЭКПП, то есть отсутствует материаловедческий аспект. Цель исследований Создание износостойких высокопрочных покрытий на основе порошков СФС электроконтакт- ным припеканием (ЭКП) за счет установления взаимосвязи технологических параметров ЭКП со струк- турой, составом и свойствами покрытий и управление ими путем моделирования процесса электрокон- тактного спекания. mailto:beryuza@ukr.net Создание износостойких композиционных покрытий на основе порошков самофлюсующихся сплавов электроконтактным припеканием Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 93 Рис. 1 – Повышение функциональных характеристик порошков из самофлюсующихся сплавов (СФС) Таблица 1 Технико - экономические показатели процессов cоздания износостойких композиционных покрытий Техпроцесс Энергоемкость, квт·ч/кг Скорость нагрева, град/с Зона термовлияния, мм Производительность, кг/час Газопламенная наплавка 12 - 25 до 10 25 - 30 0,5 - 1,0 Электродуговая наплавка под слоем флюса 1,5 - 2,0 4 - 10 до 8 Наплавка в среде СО2 1,0 - 1,5 - 2 - 8 5 - 6 Индукционная наплавка 0,6 - 0,7 до 10 2 - 7 - 8 Электроконтактное припекание порошков (ЭКПП) 0,3 - 0,4 10 3 - 10 4 0,1 - 1,0 6 - 9 Результаты исследований Научно - технологической основой выбора материала покрытия являлось: с одной стороны, ус- тановление физико-химической согласованности в системе «покрытие - основа»; с другой – установле- ние взаимосвязи в системе «технология-состав-структура-свойства». В том случае, когда состав материа- ла для покрытия задан, на первый план выходят три основных критерия: 1) энергонасыщенность и 2) формуемость порошкового материала; 3) оптимальные температурно-временные режимы процесса полу- чения покрытия, формирующие такое его структурно - фазовое состояние, которые обеспечивает задан- ные функциональные свойства изделия. Создание износостойких композиционных покрытий на основе порошков самофлюсующихся сплавов электроконтактным припеканием Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 94 Самофлюсующиеся порошки (CФП) являются важным классом материалов для получения за- щитных покрытий (ЗП) и представляют собой многокомпонентные гетерогенные системы на основе Ni, Co, Fe с твердыми дисперсными включения карбидов, боридов, силицидов. Согласно фазового рентге- новского анализа СФС порошки на основе Fe представляют собой твердый раствор на основе α - же- леза, эвтектику, содержащую Me 3 (Si, В) и избыточные фазы (карбиды Ме 3 С и бориды Ме 2 В), а по- рошки СФС на основе Ni содержат: γ-твердый никелевый раствор, карбиды хрома Cr 23 C 6 и Cr 7 C 3 , бориды хрома CrВ и никеля Ni 3 B. Главная особенность СФП — самофлюсуемость, т.е. способность раскислять оксиды, которые всплывают в виде легкоплавкого шлака на поверхность. Это позволяет обходиться без специальных защитных сред и флюсов. В исследованиях использовались наиболее распространенные самофлюсующиеся порошки (СФП) на основе железа - ПГ-С1 и на основе никеля - ПГ-СР3, в том числе с износостойкими добавками, в частности порошка ферросплава углеродистого - ФХ-800. Процесс формирования покрытий при ЭКПП включает: 1) формование (уплотнение порошкового слоя) под давлением Р ≥ 10 МПа при температурах от Тком до 0,1 - 0,2 Тпл; 2) спекание под давлением Р ≥ 20 - 40 МПа при пропускании электрического тока Т ≤ 0,6 - 0,8Тпл; 3) припекание спеченного порошкового слоя к основе при Р ≥ 40 - 100 МПа и Т ≤ 0,8 - 0,9Тпл; Для оценки эффективности ЭКП СФП исследовались: комплекс свойств системы «основа- покрытие» (адгезионная и когезионная прочность, упругие свойства); структурные особенности полу- ченных покрытий, зоны диффузионного взаимодействия и термического влияния; физико-механические свойства (пористость покрытий, микротвердость, износостойкость). Высокая прочность сцепления по- крытий σсц с основой (180 - 220 МПа) обеспечивается за счет образованием со стороны основы широкой диффузионной зоны толщиной до 0,02 мм за счет диффузии никеля Ni и хрома Cr в основу (рис. 2). Гу- бина диффузии хрома Cr в основу (15 мкм) в системе «покрытие - основа сталь 45» вдвое превышает глу- бину диффузии никеля Ni (7мкм), что связано с образованием неограниченных твердых растворов в сис- теме Fe-Cr. Добавки в порошки СФС феррохрома углеродистого не влияет на глубину диффузии хрома. На границе покрытие - деталь не имеет места наличие жидкой фазы (рис. 2). Это свидетельствует о том, что, в отличие от наплавки, при ЭКПП не имеет место перегрев и зона перемешивания материала покрытия с металлом детали. Покрытие состоит из равномерной карбидной эвтектики и твердого раствора. а б в г Рис. 2 – Микроструктура покрытий, полученных ЭКПП: а, б – ПГ - СР3; в – ПГ - С1; г – 70 % ПГ - С1 и 30 % ФХ - 800 Создание износостойких композиционных покрытий на основе порошков самофлюсующихся сплавов электроконтактным припеканием Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 95 Рентгенографическое изучение фазового состава покрытий показывает, что при оптимальных режимах ЭКПП в спеченном слое в основном сохраняются карбиды Сr7C3 и Сr23C6 присутствующие в исходном порошке, что свидетельствует о сохранении наследственных свойств материала покрытия при электроконтактном припекании. Структура частиц порошка СФС состоит из карбидов, высоколегированного раствора углерода и легирующих элементов в α - и γ - железе, и незначительно легированного мартенсита и продуктов его распада. Основой структуры покрытия из самофлюсующегося никелевого сплава является γ - твердый раствор элементов в никеле. Структурными составляющими являются эвтектики γ + Ni3B и γ + Ni3B + CrnCm и отдельные частицы карбидов и боридов хрома. Основные особенности структурообразования покрытий при ЭКПП СФС с добавками ФХ-800 заключаются в следующем. Высокая скорость нагрева и охлаждения при приложении давления к слою порошка приводит к растрескиванию карбидных частиц (рис. 3). Уже при температурах 1270 ... 1320 К отчетливо наблюдается растворение карбидных частиц, происходящее по границам зерен феррохрома. При повышении температуры до 1370 ... 1470 °К происходит увеличение диффузионных зон и уменьше- ние количества частиц феррохрома в исследуемом объеме покрытия. Наиболее интенсивно растворяются мелкие карбиды (размером менее 0,2 мм). Эффект измельчения карбидной фазы позволяет получать спе- ченные слои с равномерно распределенными карбидными включениями, что способствует увеличению износостойкости покрытий. Карбидные частицы имеют специфическую остроугольную форму (рис. 3), что свидетельствует о сохранении исходных свойств и структуры материала покрытия при электрокон- тактном припекании. х500 х500 х500 Рис. 3 – Фрактограмма покрытия, полученного ЭКПП шихты из 60 % ПГ-С1 и 40 % ФХ – 800; 1 – участок разрушения частиц ФХ - 800 Таким образом, введение в состав покрытий из гранулированных порошков СФС (ПГ-С1, ПГ-СРЗ и др.) феррохрома углеродистого ФХ-800 и импульсное температурно-силовое воздействие в процессе формирования покрытия, увеличивающее диспергирование частиц твердой фазы, способствую увеличению микротвердости, а следовательно и износостойкости покрытий, что позволяет увеличи- вать срок службы деталей с покрытиями. Наличие на межфазной границе «покрытие-основа» диффузионной зоны (ДЗ) до 0,02 мм (рис. 2) и минимальной зоны термической влияния (ЗТВ) до 1,8 мм (рис. 4, а) характеризуется изменением мик- ротвердости (рис. 4, б). Для сравнения следует отметить, что при газопламенной наплавке зона термиче- ского влияния составляет 24 ... 30 мм, при плазменной наплавке - 4...8 мм, при электродуговой наплавке – 2 ... 10 мм (табл. 1). Размеры зоны термического влияния (ЗТВ), ее структура и свойства зависят от тер- мического цикла процесса припекания (рис. 4, в). Дополнительное охлаждение приводит к уменьшению величины ЗТВ и сохранению ее высокой твердости. При максимальном токе и минимальном времени на- грева (при малых энергозатратах) размеры ЗТВ минимальны при максимальной твердости. Твердость ЗТВ также зависит от проникновения легирующих элементов покрытия (Cr, Ni и др.) в поверхность детали в результате диффузии. Структура ЗТВ меняется от мартенситной (HRC 50-52) вблизи линии соединения покрытия и детали до трооститной (HRC 43-45) на участке, предшествующем основному металлу. Пористость покрытий при ЭКПП СФС приближается к пористости компактного материала (рис. 5, а). Износостойкость полученных покрытий в 2,3-3,18 раза выше, чем стали 45, закаленной до твердости 46-48 HRC3 (рис. 5, б). Создание износостойких композиционных покрытий на основе порошков самофлюсующихся сплавов электроконтактным припеканием Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 96 о а б в Рис. 3 – Характеристика ЭКПП ПР-С1+ФХ-800: а – ЗТВ (х100); б – изменение микротвердости; в – термический цикл а б Рис. 5 – Результаты количественного стереологического анализа пористости покрытий из порощков СФС полученные ЭКПП (а) и зависимость интенсивности изнашивания покрытий из ПГ-С1 (1) и ПГ-СР3 (2) от нагрузки (б) Таблица 1 Свойства покрытий полученных ЭКПП СФС Материал покрытия Пористость, П, % Прочность сцепления сц , МПа ПГ-С1 1,5 200 ПГ-С1+ФХ800 3 180 ПГ-СР3 2 220 ПГ-СР3+ФХ - - Свойства (табл. 2) покрытий из СФС, полученных ЭКП определяются технологическими па- раметрами (ТП) процесса (табл.3). В результате исследований влияния на свойства покрытий ТП по- лучена регулировочная характеристика процесса получения покрытий из порошков СФС ЭКП (рис. 6). Создание износостойких композиционных покрытий на основе порошков самофлюсующихся сплавов электроконтактным припеканием Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 97 Таблица 2 Оптимальные параметры процесса ЭКПП СФC Параметры процесса время, с Материал покрытия Р, МПа I, кА импульса паузы ПГ - С1 40 10-12 0,02 0,02 ПГ - СР3 35 13-14 0,02 0,02 ПГ - С1 + ФХ -800 45 12-16 0,04 0,04 На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана технология созда- ния износостойких высокопрочных композиционных покрытий на основе порошков СФС с низкой пори- стсостью (1 ... 5 %) и высокой адгезионной и когезионная прочностью (180 ... 220 МПа) методом ЭКП при оптимальных ТП: токе – 8 ... 16 кА; давлении – 30 … 40 МПа, длительности импульсов тока и пауз между ними - 0,04с. Область оптимальных ТП зависит от содержания ФХ-800. Рис. 6 – Регулировочная характеристика процесса создания покрытий из порошков СФС ЭКП (σсч = 150 ... 180 МПа, HRC = 51 ... 53) Выводы Импульсное температурно-силовое воздействие в процессе формирования покрытия при ЭКПП приводит к диспергированию частиц твердой фазы, что способствует увеличению микротвердости и из- носостойкости. Износостойкость полученных покрытий в 2,3-3,18 раза выше, чем стали 45, закален- ной до твердости 46-48 HRC3. Разработанная технология получения покрытий из порошков СФС ЭКП предопределяет снижение стоимости изготовления и восстановления деталей сельскохозяйственной тех- ники за счет замены более дорогой легированной стали на сталь Ст.3 или сталь 45 с покрытиями из по- рошков СФС и повышение ресурса деталей в 3-5 раз. Литература 1. Пантелеенко Ф.И. Самофлюсующиеся диффузионно-легированные порошки на железной ос- нове и защитные покрытия из них / Ф.И. Пантелеенко – Мн.: УП «Технопринт», 2001. – 300 с. 2. Чижов В.Н. К выбору компонентов смеси для элетроконтактного нанесения износостойких покрытий / В.Н. Чижов, А.В. Бодякин – М., 1991 – С. 14-15. 3. Корж В.Н. Лопата Л.А., Николайчук В.Я., Хомяковский Ю.Л. Татаров А.В. Предпосылки управ- ления качеством формируемого покрытия и соединения его с деталью при электроконтактном припекании // Тех- ніка в сільськогосподарсь-кому виробництві, галузове машинобудування, автоматизація: Збірник науко- вих праць / Кіровоградський національний технічничний університет (КНТУ) – Кіровоград, 2010 – Вип. 23 – С. 339-344. 4. Лопата Л.А. Упрочнение никель-хромовых сплавов электроконтактным припеканием компо- зиционных порошков системы (NiCr-Cr3C2). / Л.А. Лопата, В.Н. Корж, Ю.В. Волков, В.Я. Николайчук // Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки, сборки и ре- монта в промышленности и на транспорте: международ. науч.-техн. семинар, 26-28 февраля 2014 г.: тезисы докл. - Свалява-Карпаты, АТМ Украины. – К.: 2014. – С. 139-141. 5. Николайчук В.Я. Определение оптимальных режимов процесса электроконтактного припека- ния порошковых покрытий / В.Я. Николайчук, А.В. Дудан, Е.Е. Кожевникова, Л.А. Лопата // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. Машинове- дение и машиностроение. – 2015. – № 3. – С. 39-44. Поступила в редакцію 02.12.2015 Создание износостойких композиционных покрытий на основе порошков самофлюсующихся сплавов электроконтактным припеканием Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 98 Lopata L.A., Nikolaychuk V.Ya., Baranovskiy V.N., Chigray S.L. Creating a wear-resistant composite coating powder-based self-fluxing alloys electrocontact sintering. The main directions of improving the quality and properties of the coatings from powders SPS by changing the composition of the powder or SPS technology of its application. It is proposed to obtain high-strength wear-resistant compos- ite coating powder based self-fluxing alloys and high-performance low-power electric-sintering method (EPC). The basic steps for creating coatings electrocontact sintering powders (EKPP) self-fluxing alloys (SPS). To evaluate the effectiveness of the SPS EKPP we studied: the properties of the complex system of "base-coat" (adhesive and cohesive strength, elastic properties); structural features of the resulting coatings, diffusion interaction zone (DMZ) and the heat affected zone (HAZ); physico-mechanical properties (porosity coatings, microhardness, wear resistance) the resulting coatings. It is shown that the electric contact co-firing process allows to obtain a coating of powder of SPS with the adhesive strength of 180 - 200 MPa, a porosity of not more than 5 %, durability in 2,3 - 3,18 times higher than 45 steel hardened to a hardness of 46-48 HRC3 . Introduction of the coating of the granular powders SPS carbon ferrochrome and impulse-force effect of tempera- ture during formation of the coating increases the dispersion of solid particles, increases the microhardness and hence the wear resistance of coatings, which allows to increase the lifetime of coated parts. The properties of the coatings of the SPS received EPC defined process parameters: current strength, pressure, time and the existing momentum of the current pause between pulses. As a result of studies on the effect on the properties of the coatings obtained by the TP control characteristic of the production of coatings from powders SPS EPC. On the basis of theoretical and experimental researches technology of creation of wear proof высокопрочных composition coverages is worked out on the basis of powders of СФС by the method of ЭКП. The worked out technology of receipt of coverages from powders of СФС ЭКП predetermines the decline of cost of making and renewal of details of agricultural technique due to substituting of more expensive alloy steel by steel of steel 45 with coverages from powders of СФС and increase of resource of details in 3-5 times. Keywords: coatings, wear resistance, powders, self-fluxing alloys and electriccontact sintering, adhesive strength, diffusion zone, the heat affected zone. References 1. Panteleenko F.I. Samoflyusuyuschiesya diffuzionno-legirovannye poroshki na zheleznoy osnove i zaschitnye pokrytiya iz nih. Mn.: Up “Tehnoprint”, 2001. 300 c. 2. Chizhov V.N., BodyakinA.V. K vyboru komponentov smesi dlya elektrokontaktnogo naneseniya iznosostoykih pokrytiy. M., 1991. C. 14–15. 3. Korzh V.N., Lopata L.A., Nikolaychuk V.Ya., Homyakovskiy Yu.L., Tatarov A.V. Predposylki upravleniya kachestvom formiruemogo pokrytiya i soedineniya ego s detalyu pri elektrokontaktnym pripekanii /Tehnika v silskogospodarskomu vyrobnyctvi, galuzeve machynobuduvannya, avtomatyzaciya: Zbirnyk naukovyh prac. Kirovogradsky nacionalny tehnichny universitet (KNTU). Kirovograd, 2010.V. 23. C. 339–344. 4. Lopata L.A., Korzh V.N., Volkov Yu.V., Nikolaychuk V.Ya. Uprochnenie Ni-Cr splavov elek- trokontaktnym pripekaniem kompozicionnyh poroshkov sistemy (NiCr–Cr3C2). Sovremennye problemy podgo- tovki proizvodstva, zagotovitelnogo proizvodstva, obrabotki, zborki i remonta v promychlennosti i na transporte: mezhdun. nauch. - tehn. Seminar, 26–28 fevr. 2014. Tezisy dokl.– Svalyava - Karpaty, ATM Ukrainy. Kiev, 2014. C. 139–141. 5. Nikolaychuk V.Ya., DudanE.E., Kozhevnikova L.A., Lopata L.A. Opredelenie optimalnyh rezhy- mov processa elektrokontaktnogo pripekaniya porochkovyh pokrytiy. Vestnik Polockogo gosudarstvennogo uni- versiteta. Promyshlennost. Prikladnye nauki. Mashinovedenie I mashinostroenie. 2015. N 3. C. 39–44. _GoBack