Дослідження впливу домішок нанопорошку оксиду алюмінію на зносостійкість плазмових покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 100 Фурман В.К., Чорний А.В., Смирнов І.В. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, Україна E-mail: luga-sava@mail.ru ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ДОМІШОК НАНОПОРОШКУ ОКСИДУ АЛЮМІНІЮ НА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ПЛАЗМОВИХ ПОКРИТТІВ УДК 621.793 Одним з ефективних способів керування структурою та підвищення експлуатаційних властивостей напиле- них покриттів, вважається введення в матрицю нанокомпонентів. Досліджена зносостійкість, мікротвердість та стій- кість до термоциклування плазмових покриттів на основі самофлюсівного порошку ПГ-СР2 з додавання до його складу нанодисперсного порошку оксиду алюмінію. Встановлено, що в результаті додавання нанодисперсного оксиду алюмінію до складу самофлюсівного по- рошку марки ПГ-СР2 відбувається підвищення зносостійкості та мікротвердості плазмово-напилених покриттів. Ключові слова: знос, плазмово - напилені покриття, нанодисперсні порошки, мікроструктура, термоциклування. Вступ В даний час ефективним способом підвищення надійності і довговічності деталей і вузлів сучас- ної техніки, яка працює в умовах високих навантажень, сухого і граничного тертя, газової ерозії та абра- зивного зношування є нанесення захисних плазмових покриттів. Особливе місце серед них займають по- криття, що забезпечують високий рівень зносостійкості. Внаслідок важких режимів навантаження деталі механізмів часто виходять з ладу через знос робочих поверхонь. Тому виникає нагальна потреба у під- вищенні стійкості їх поверхневих шарів. Дослідженнями багатьма вітчизняними та закордонними вченими за останні роки встановлено, що одним із основних факторів, які впливають на будову та властивості поверхневих шарів є введення до їх складу домішок у вигляді різних нанодисперсних порошків карбідів, боридів, оксидів і нітридів пере- хідних металів [1, 2, 3]. Частинки нанопорошків, як модифікатори першого роду, забезпечують приско- рене і більш рівномірне затвердіння металу в покритті, здійснюють певний вплив на розмір зерен та не- металевих включень. Так, у роботі [4] наведені результати випробувань на зношення наплавленого мета- лу типу 40Х13, 25ХГ2С, 300Х28М, модифікованого нанооксидами алюмінію, титану та кремнію через зварювальну ванну за різними схемами введення. Показано, що введення у зварювальну ванну наноокси- дів призводить до помітного підвищення зносостійкості наплавленого металу у 5 - 7 разів, тоді як при за- стосуванні традиційних підходів на базі зміни системи легування тільки у 1,5 - 3 рази. Можлівість модіфікації шару бронзи в процесі плазмово - порошкового наплавлення матеріалу ПГ-19М-01 нанорозмірними частинками Al2O3 показано в роботі [5]. Результатом введення нанорозмір- них компонентів є зміна структури бронзи і значне підвищення твердості наплавленого шару. Пошуку ефективних модифікаторів для отримання композиційних покриттів з антифрикційними властивостями присвячена робота [6], в якій після аналізу ефективності застосування ультрадисперсних оксидів зі структурою корунду та рутилу, вуглецю та нітриду бору, а також металів зі структурами типу вольфраму та магнію, робиться висновок про доцільність застосування, як модифікатора, оксиду алюмі- нію. В роботі [7] за допомогою високоенергетичного планетарного кулькового млина отримували нано- композиційний порошок Al - Al2O3 з розміром частинок оксиду алюмінію 20 - 40 нм, що забезпечувало підвищення твердості в 1,5 - 2 рази та зносостійкості напилених покриттів в середньому на 85 % - 91 %. Тому введення в матрицю нанорозмірних порошків дозволяє вирішити поставлену інженерну за- дачу шляхом створення покриттів зі спеціальними властивостями на поверхні деталі або виробу. Стає можливим виробництво деталей з більш дешевого матеріалу, або з меншою товщиною стінки, без вико- ристання дорогих і рідкісних матеріалів, при цьому навіть відносно невелике підвищення зносостійкості таких деталей дає значний економічний ефект. Постановка проблеми Мета роботи полягала в дослідженні зносостійкості плазмових покриттів на основі самофлюсів- ного порошку ПГ-СР2 з додавання до його складу нанодисперсного порошку оксиду алюмінію. Результати досліджень Для встановлення оптимальних значень вмісту нанокомпонентів у плазмових покриттях прово- дили випробування на зносостійкість та визначали їх мікротвердість. Процес зношування досліджували в mailto:luga-sava@mail.ru Дослідження впливу домішок нанопорошку оксиду алюмінію на зносостійкість плазмових покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 101 умовах сухого тертя на машині тертя СМЦ-2 за схемою ролик (контртіло - загартована сталь У8) – плас- кий зразок з покриттям, при навантаженні 3 кг. Мікротвердість отриманих покриттів визначали вдавлю- ванням алмазної піраміди Віккерса з навантаженням 0,98 Н на мікротвердомірі ПМТ-3. У якості нанокомпонентів застосовували оксид Al2O3 фракцією 50 - 60 нм, який вводився у кон- центраціях від 0,5 об.% до 5 об.%. Для приготування гомогенної порошкової суміші з мікро- та наночас- тинок застосовували механохімічну обробку в планетарному кульовому млині XQM-2, з додатковим ва- куумуванням робочих ємностей. Наночастинки оксиду алюмінію в умовах вакууму та механохімічної обробки переходять в активований стан і приєднуються до частинок інших елементів, утворюючи фізич- ні зв'язки між компонентами, що дозволяє під час подальшого плазмового напилення переносити їх в по- криття. Напилення порошків здійснювали плазмотроном з частково винесеною дугою і додатковим об- дуванням плазмового струменя концентричним потоком захисного газу. Струм дуги встановлювався в межах 80 - 90 А, напруга 35 - 50 В, продуктивність до 4 кг/год із загальною витратою плазмоутворюючо- го, транспортуючого і захисного газу (аргону) 5 л/хв. Завдяки таким конструктивним особливостям і тех- нологічним режимам, характер течії плазмового струменя був близький до ламінарного, що забезпечує сприятливі умови для збереження та перенесення в покриття наночастинок. Застосування нанодисперсного порошку оксиду алюмінію в поєднанні з частинками крупної фракції призводить до формування неоднорідної структури покриття. В частинці порошку, яка пот- рапляє на поверхню основи під час плазмового на- пилення зі швидкістю не більше 200 м/с відбува- ються звичайні фізико-хімічні процеси, проте через наявність наночастинок умови формування покрит- тів змінюються. Деформація напилюваних частинок здійснюється при зниженій в’язкості та щільності, що може призводити до зменшення площі фізичного контакту та погіршення механічних властивостей зі збільшенням кількості нанопорошку в покритті. Під час кристалізації та охолодження в покритті також можуть відбуватись хімічні реакції і поліморфні пе- ретворення під впливом наночастинок, що призво- дить до формування складної структури компози- ційного покриття, фазовий склад і властивості якого залежать від розвитку реакції, як в плазмовому по- тоці, так і на поверхні основи. Для створення однорідної структури та підвищенню адгезійної міцності зразки з напиленими покриттями піддавали оплавленню в муфельній печі при температурі (1050 ± 20) °С впродовж 5 хв. Хімічний склад плазмово-напилених покриттів в окремих ділянках, досліджений за допомогою мікроаналізатора РEM 106i, наведено в табл. 1, 2 та на рис. 1. Таблиця 1 Хімічний склад плазмового покриття на основі самофлюсівного порошку ПГ-СР2+0,2% Al2O3 Спектри Елементи,% 1 2 3 4 5 Ni 73,73 86,75 87 84,16 80,63 Fe 4,57 3,77 3,69 4,84 7,17 Cr 19,61 8,38 9,12 10,17 11,25 Si 1,16 0,98 0,15 0,79 0,76 Al 0,93 0,13 0,05 0,04 0,19 Проведений мікроструктурний аналіз покриттів (рис. 2) показав, що додаткове оплавлення приз- водить до впорядкованості структури покриття та підвищенню адгезійної міцності, характерної для утворення перехідних дифузійних зон, які найбільш наочно спостерігаються при травленні в хлористому ангідриті. Збільшення об’ємної долі наночастинок Al2O3 до 5% призводить до розтріскування покриття в результаті збільшення залишкових напружень. Результати мікроаналізу свідчать про нерівномірний розподіл елементів в структурі покриття, зокрема, алюміній, в основному зосереджений у несплавлених ділянках покриття (спектр 1 рис. 1). На основі цих даних можна побічно констатувати про наявність та розподілення в покритті нанодисперсних частинок оксиду алюмінію. Рис. 1 – Мікроструктура плазмового покриття з порошку ПГ-СР2 + 0,2% Al2O3 Дослідження впливу домішок нанопорошку оксиду алюмінію на зносостійкість плазмових покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 102 а б в Рис. 2 – Мікроструктура плазмового покриття системи ПГ-СР2 + Al2O3 після оплавлення та травлення електролітичним способом: а – ПГ-СР2; б – ПГ-СР2 + 1 % Al2O3; в – ПГ-СР2 + 5 % Al2O3 Покриття на основі порошку ПГ-СР2 піддавались випробовуванню на стійкість до термоциклу- ванню. Зразки з покриттям нагрівались в муфельній печі до температури 850±20ºС, після чого різко ожо- лоджувалися у воді. Хімічний склад поверхні покриттів після рентгенофлуорисцентного аналізу показані в табл. 2. Таблиця 2 Хімічний склад плазмових покриттів на основі самофлюсівного порошку ПГ-СР2 Елементи,% Покриття Ni Cr Si Fe Al Ca Cu P S ПГ-СР2 (50 термоциклів) 72,237 ± 0,349 12,489± 0,149 7,242± 0,355 5,954± 0,089 - 0,995± 0,173 0,608± 0,070 0,475± 0,089 - ПГ-СР2+0,5%Al2O3 (50 термоциклів) 65,621± 0,564 15,531± 0,152 7,927± 0,407 5,779± 0,065 1,819± 0,700 1,672± 0,087 0,479± 0,029 0,775± 0,076 0,398± 0,117 ПГ-СР2+1%Al2O3 (50 термоциклів) 69,888± 0,525 14,510± 0,165 6,763± 0,339 5,973± 0,087 0,381± 0,591 1,424± 0,151 0,429± 0,053 0,197± 0,094 0,435± 0,098 ПГ-СР2+1,5%Al2O3 73,240± 0,489 15,259± 0,154 2,804± 0,248 6,046± 0,082 1,110± 0,561 0,239± 0,106 0,259± 0,053 - 1,044± 0,115 В результаті проведенних випробувань можна зробити висновок, що всі покриття витримали 50 термоциклів без відшарування. При цьому, покриття без домішок нанопорошку, вже після перших 15 циклів мали потемніння, а після 50 циклів сильно окиснену і пошкоджену поверхню. Мікроаналіз по- криття показав, що нанодобавки оксиду алюмінію при напиленні переносяться в покриття та не вигора- ють під час температурних випробувань (табл. 2). Проведені випробування на зношування в умовах сухого тертя (рис. 3) показали, що діапазон оп- тимальних значень вмісту нанопорошку знаходиться в межах 0,2 - 1,0 об.% при застосуванні порошку на основі самофлюсівного сплаву системи Nі-Сr-В-Sі (ПГ-СР2). а б Рис. 4 – Кінетика зношування неоплавлених (а) та оплавлених (б) плазмових покриттів: 1 – покриття з ПГ-СР2; 2 – покриття з ПГ-СР2+0,2%Al2O3; 3 – покриття з ПГ-СР2+1%Al2O3; 4 - покриття з ПГ-СР2+5%Al2O3 Визначення мікротвердості по всій товщині напиленого покриття, у зоні сплавлення покриття з основою та основі (рис. 5) показали, що мікротвердість напиленого шару незначно зменшується ближче до основи. Дослідження впливу домішок нанопорошку оксиду алюмінію на зносостійкість плазмових покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 103 Рис. 5 – Мікротвердість плазмового покриття ПГ-СР2+1,5% Al2O3 та основи в залежності від відстані від поверхні Результати вимірювання мікротвердості та відносної зносостійкості плазмових покриттів на ос- нові порошку ПГ-СР2 з нанодобавками Al2O3 представлені в табл. 3. Таблиця 3 Мікротвердість та відносна зносостійкість покриттів Покриття Мікротвердість, ГПа Відносна зносостійкість,% ПГ-СР2 3,4 1 ПГ-СР2+0,2%Al2O3 4,8 6 ПГ-СР2+1%Al2O3 5,2 2,5 ПГ-СР2+1,5%Al2O3 4,4 - ПГ-СР2+5%Al2O3 4,8 - Залежність мікротвердості напилених шарів від збільшення концентрації нанорозмірних части- нок - не виявлено (табл. 3). Максимальне значення мікротвердості встановлено при додаванні 1 об.% на- нопорошку Al2O3, і становить 5,2 ГПа. Найкраща відносна зносостійкість 5-6% при 0,2% Al2O3 нанопо- рошку. Висновки Встановлено, що оптимальне значення введення нанодисперсного оксиду алюмінію до складу самофлюсівного порошку марки ПГ-СР2 становить 0,2 % - 1 % об’ємні долі. При цьому зростає мікротве- рдість на 25 - 40 % та відбувається підвищення зносостійкості плазмово-напилених покриттів у 2,5 - 3 рази. Література 1. Борисов Ю.С. Получение порошков для газотермических покрытий методами механического легирования и механохимического синтеза / Ю.С. Борисов, А.Л. Борисова, Л.И. Адеева и др. // Свароч- ное производство. – 2010. – № 12. – С. 18 – 22. 2. Кулик A.Я. Газотермическое напыление композиционных порошков [Текст] / A.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, A.С. Мнухин. - Л.: Машиностроение, 1985. – 197 с. 3. Смирнов І.В. Модифікування плазмово - напилених покриттів застосуванням плакованих та нанодисперсних порошків / І.В. Смирнов, М.А. Долгов, А.В. Черний, В.К. Фурман, І.А. Сєліверстов // Міжвузівський збірник «Наукові нотатки». Луцьк. – 2015. – Випуск № 51. – С. 199-204. 4. Кузнецов В.Д. Износостойкая наплавка с вводом в сварочную ванну нанопорошков / В.Д. Кузнецов, Д.В. Степанов // Автоматическая сварка. – 2015. – №5. – С.52-56. 5. Князьков К.В. Повышение свойств плазменно-порошковых покрытий модифицированием на- норазмерными частицами / К.В Князьков, М.В. Радченко, А.Н. Смирнов и др. // Ползуновский вестник. – 2012. – № 1. – С. 127 - 130. 6. Дерлугян П.Д. Поиск эффективных модификаторов для получения композиционных Ni-P пок- рытий с антифрикционными свойствами / П.Д. Дерлугян, В.В. Иванов, И.В. Иванов и др. // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – №5. – С. 21 - 24. 7. Mazaheri Y. Development of Al356–Al2O3 nanocomposite coatings by high velocity oxy-fuel technique / Y. Mazaheri, F. Karimzadeh, M.H. Enayati // J. Mater. Sci. Technol. – 2013.– V.29, No9. – Р. 813-820. Поступила в редакцію 18.03.2016 Дослідження впливу домішок нанопорошку оксиду алюмінію на зносостійкість плазмових покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 104 Furman V.K, Chornyi A.V., Smirnov І.V. Research of influence admixtures nanopowder oxide of aluminium is on wearproofness of plasma coatings. One of effective methods of management and increase of operating properties of sprayed coatings a structure, in- troduction is considered to the matrix of additions of nanocomponents. Investigational microhardness, wear and resistance to the thermocycling of plasma coatings on the basis of self-fluxing powder of ПГ-СР2 from addition to his composition of nanodispersible powder of oxide of aluminium. It was established that the addition of alumina nanodispersed of the self-fluxing powder brand ПГ-СР2 is an increase in wear resistance and microhardness plasma-sprayed coatings. Keywords: nanoparticle powders, plasma-sprayed coating, microstructure, the wear, thermal cycling. References 1. Borisov Yu.S., Borisova A.L., Adeeva L.I. Poluchenie poroshkov dlya gazotermicheskih pokritii metodami mehanicheskogo legirovaniya i mehanohi-micheskogo sinteza, Svarochnoe proizvodstvo, 2010, № 12, pp. 18 – 22. 2. Kulik A.Ya., Borisov Yu.S., Mnuhin A.S. Gazotermicheskoe napilenie kompozitsionnih poroshkov [Tekst], L.: Mashinostroenie, 1985. - 197 p. 3. Smirnov І.V., Dolgov M.A., Chernii A.V., Furman V.K., Selіverstov І.A. Modifіkuvannya plazmovo-napilenih pokrittіv zastosuvannyam plakovanih ta nanodispersnih poroshkіv, Mіzhvuzіvs'kii zbіrnik «Naukovі notatki», Luts'k, 2015, Vyp. № 51, pp. 199-204. 4. Kuznetsov V.D., Stepanov D.V. Iznosostoikaya naplavka s vvodom v svarochnuyu vannu nanoporoshkov, Avtomaticheskaya svarka, 2015, №5, pp.52-56. 5. Knyaz'kov K.V, Radchenko M.V., Smirnov A.N. Povishenie svoistv plazmenno-poroshkovih pokritii modifitsirovaniem nanorazmernimi chastitsami, Polzunovskii vestnik, 2012, № 1, pp. 127–130. 6. Derlugyan P.D., Ivanov V.V., Ivanov I.V. Poisk effektivnih modifikatorov dlya polucheniya kompozitsionnih Ni-P pokritii s antifriktsionnimi, Sovremennie naukoemkie tehnologii, 2013, №5, pp. 21 – 24. 7. Mazaheri Y., Karimzadeh F., Enayati M.H. Development of Al356–Al2O3 nanocomposite coatings by high velocity oxy-fuel technique, J. Mater. Sci. Technol, 2013, V.29, No9, pp. 813-820.