Пiдвищення зносостiйкості елементів пожежної технiки нанесенням евтектичних покриттів на основі Si, Ni, Cr ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 15 Пашечко М.І.,* Бережанський Т.Г.** *Люблінський політехнічний інститут, м. Люблін, Польща, **Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, м. Львів, Україна E-mail: berezhansky90@gmail.com ПIДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТIЙКОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ ПОЖЕЖНОЇ ТЕХНIКИ НАНЕСЕННЯМ ЕВТЕКТИЧНИХ ПОКРИТТІВ НА ОСНОВІ Si, Ni, Cr – ЛЕГОВАНИХ СПЛАВIВ СИСТЕМИ Fe-Mn-C-B УДК 669.018.25 На сучасному етапі розвитку суспільства при гасінні пожеж та ліквідації наслідків надзвичайних ситуацій природного та техногенного характеру, пожежно-рятувальні підрозділи змушені працювати у складних та небезпеч- них умовах. При цьому від якості та надійності пожежної техніки і аварійно-рятувального обладнання, які викори- стовуються рятувальниками, може залежати не тільки життя потерпілих, а й їх власне. На сьогодні у аварійно- рятувальних підрозділах часто використовують техніку та обладнання, які є частково зношеними та у яких вийшов термін експлуатації або ресурс роботи. Виявлено евтектичний матеріал, який в процесі досліджень відзначався най- меншою втратою маси при великих навантаженнях, можна стверджувати, що даний матеріал може використовува- тись для нанесення на робочі елементи пожежної техніки та аварійно-рятувального обладнання, які працюють при великих навантаженнях з метою підвищення їх зносостійкості, а в результаті збільшення ресурсу їх роботи та терміну експлуатації. Ключові слова: пожежна технiка, евтектичне покриття, навантаження, тертя, зносостійкість. Постановка проблеми На сьогодні при гасінні пожеж та ліквідації надзвичайних ситуацій, пожежні підрозділи працю- ють у дуже складних та небезпечних умовах. При цьому від якості та надійності пожежної техніки і об- ладнання, які використовують пожежні, залежить життя потерпілих, та їх власне. Зараз у аварійно- рятувальних підрозділах часто використовують техніку та обладнання, які є частково зношеними та у яких вийшов термін експлуатації або ресурс роботи. За даними Національної доповіді про стан техногенної та природної безпеки в Україні за 2014 рік, понад 75 % автомобільної та пожежно- рятувальної техніки складають зразки з термінами експлуатації від 15 до 45 років та потребують капітального ремонту або списання. Придбання нової техніки та обладнання і повна заміна всіх зноше- них деталей є надзвичайно економічно затратним. Тому розробка покриттів, які дозволяли б підвищити зносостійкість робочих елементів пожежної техніки та обладнання та давали б змогу відновлювати зношені частини, є актуальним завданням. Метою роботи є підвищення зносостійкості існуючих або створення нових покриттів із наперед заданими властивостями, для нанесення на окремі робочі елементи пожежної та аварійно-рятувальної те- хніки і обладнання. Аналіз останніх досліджень Аналізуючи зносостійкі покриття та порошкові матеріали, які широко використовуються у промисловості, встановлено, що розроблені проф. М.І. Пашечком евтектичні покриття системи Fe-Mn- C-B-Si-Ni-Cr [1], можна наносити на поверхню металів методом плазмового наплавлення та іншими пер- спективними методами, порівняно із серійними покриттями, одержаними із порошкових сплавів ПГ-СР3, ПГ-10Н-01 (порошок-аналог 10009 "Боротак", фірми Кастолін, Швейцарія), та ПГ-12Н-01, характеризу- ються у 2-10 і більше разів вищою зносостійкістю [2]. Виклад основного матеріалу Одним з перспективних шляхів для підвищення зносостійкості деталей машин і механізмів є створення і нанесення захисних евтектичних покриттів (ЕП). В останні роки в роботах присвячених пи- танням контакту тертя, все частіше береться до уваги явище саморганізації [3]. Самоорганізація або са- моупорядкування (ang. self-organisation, self-assembly) це явище, в якому елементи скадної системи є спонтанно впорядкованими [4]. На перебіг процесу тертя істотно впливає поверхнева сегрегація атомів. М. Pashechko також виявив вищезгадане явище, при використанні евтектичних сплавів на основі систем Fe-Mn-Si-C-B , Fe-Mn-Si-C-B-Cr , Fe-Mn-Si-C-B-Ni-Cr. На поверхні тертя підлягають сегрегації атоми вуглецю, бору і кремнію [3]. Пiдвищення зносостiйкості елементів пожежної технiки нанесенням евтектичних покриттів на основі Si, Ni, Cr ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 16 Методи досліджень. Після опрацювання відповідної літератури, вибрано матеріали необхідні для отримання зносостійких покриттів. Об’єктом дослідження були покриття, отримані методом дугового наплавлення в газовій оболонці при використані порошкових дротів, вироблених із наплавленого евтек- тичного сплаву. Поверхні покриттів досліджувались до та після трибологічних тестів. Для дослідження фрикційного зношування евтектичних сплавів використано змодифікований триботестер Амслера [5]. Для вимірювання твердості покриттів використовували твердоміра Роквелла. Під час дослідження було використано ISO 6508-1 [6]. Вимірювання полягало у двоступеневому втисканні у по- верхню зразка алмазного конуса з кутом 120°. Випробування повторювали п'ять разів для кожного зраз- ка. Потім розраховувалось середнє значення зразків і визначалось стандартне відхилення. Для вимірювання мікротвердості використовували мікротвердоміра ZWICK 3212002/00. Мікротвердість вимірювали на поперечному перерізі на різних глибинах. Вимірювання полягало в углибленні алмазу Вікерса. Навантаження були виконані з урахуванням ISO 6507-1 [7]. Вимірювання нанотвердості, а також модуля Юнга поверхні тертя покриттів проведено за допо- могою пристрою Nano Tester фірми CSEM Instruments. Цей пристрій служить для вимірювання нанотвердості матеріалів дрібнокристалічної структури, а також тонких шарів. Для наплавлених повер- хонь, нанотвердість і модуль Юнга виміряно на поверхні зразків перед і після тертя. Вимірювання поля- гало у втисканні алмазом (втискач Берковіча) поверхні зразків з одночасним вимірюванням сили і гли- бини входження. Основні параметри дослідження нанотвердості: лінійне навантаження, максимальне на- вантаження 200 мН, швидкість навантаження 400 мН/хв, швидкість розвантаження 400 мН/хв, перерва 10 с. Результати досліджень. Склад серцевини порошкового дроту отримано із евтектичного сплаву Fe-Mn-C-B. В якості легуючих елементів використано Si, Cr, Ni. При дослідженні складу було прийнято до уваги дані, що стосуються отримання евтектичних сплавів [8, 9]. На основі цього, в Інституті Зварю- вання в Глівіцах було вироблено порошкові дроти, а також проведено різні способи наплавлення і здійснено хімічний аналіз наплавленого металу. Порошкові дроти виготовлено діаметром 2,4 мм. Хімічний аналіз наплавленого металу порошкового дроту представлений в табл. 1. Таблиця 1 Аналіз наплавленого металу порошкового дроту Умовне позначення зразка для випробувань Вміст складників, % L - l L - 2 L - 3 L - 4 L - 5 L - 6 L - 7 C 3,15 2,81 1,59 - 1,81 1,98 1,71 1,60 1,62 Si 2,16 2,29 2,67 2,70 2,32 1,92 2,47 Mn 13,94 10,76 - 13,04 0,17 5,78 3,13 5,93 7,28 Cr 10,57 10,96 16,27 13,92 15,88 15,35 16,24 Ni 12,43 8,35 8,24 11,00 10,50 10,21 17,67 B 1,89 1,97 1,95 2,12 2,18 2,25 1,79 Fe решта Не тільки складу наплавленого металу має вплив на властивості наплавлених покриттів, а також і технологія наплавлення, яка може значно змінити структуру матеріалу, що в свою чергу впливає на йо- го продуктивність. Ознайомившись з друкованими працями про отримання покриттів, ми використали метод дугового наплавлення в газовій оболонці GMA (MAG). Об’єктом дослідження були покриття евтектичних сплавів Fe-Mn-C-B легованих Si, Ni та Cr. Вони були отримані методом наплавлення GMA (MAG). Матеріали для наплавлення виготовлені у формі порошкових дротів. Склад наплавленого металу після хімічного аналізу наведені в табл. 1. Метою дослідження було визначення покриття з евтектичного сплаву, який характеризується найменшим зно- шенням при терті. Досліджені покриття з евтектичних сплавів позначено, як L - 2, L - 3, L - 4 , L - 5 , L - 6, L - 7. Перед випробуваннями було відкинуто покриття позначене як L - 1, у зв'язку з численними дефек- тами зварювання (тріщини в зварних швах). Перед трибологічними випробуваннями, було проведено ви- пробування на твердість. Твердість покриттів зі сплаву Fe-Mn-C-B легованих Si, Ni, Cr досліджена твердоміром Роквелла. Результати, представлені на рис. 1. Отримано наступні результати дослідження твердості. Зразком з найвищою твердістію було по- криття L - 2 з твердістю 60 HRC, наступним L - 3 з твердістю 56 HRC. Зразками з найменшою твердістю були L - 4 з твердістю 51 HRC, а також L - 5 і L - 6, твердість яких становила 50 HRC. Покриттям з най- меншою твердістю було L - 7 – 49 HRC. Максимальна стандартне відхилення зразків було 1,34 HRC. Зра- Пiдвищення зносостiйкості елементів пожежної технiки нанесенням евтектичних покриттів на основі Si, Ni, Cr ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 17 зок L - 2 характеризується високим вмістом вуглецю 2,81 % маси і низький вмістом нікелю 8,35 % маси в порівнянні із зразками з більш низькою твердістю. Рис. 1 – Твердість покриттів з евтектичних сплавів Fe-Mn-C-B легованих Si, Ni, Cr Дослідження проводилося на модифікованому триботестері Амслера в комбінованому терті кон- тактного щита, відповідно до методики. Метою було визначити покритя, яке в процесі тертя характеризується найменшим зношенням. Випробування проводилися при різних питомих натисках 3, 7, 10 і 15 МПа. Натомість решта параметрів прийнято постійними. Час одного трибологічного випробування становив 6 годин. Швидкість 0,4 м/с. Матеріал контрзразка - сталь 45. Зведені результати середнього масового зносу (втрати ваги в міліграмах) після трибологічних випробувань для покриттів і відповідних контрзразків (сталь 45) представлені в табл. 2. Таблиця 2 Масове зношення зразків і контрзразків Позначення зразків Питомі натиски L - 2 L - 3 L - 4 L - 5 L - 6 L - 7 MПа втрати маси [мг] 3 78 100 65 51 99 66 7 178 127 148 155 198 123 10 188 211 202 178 172 125 15 877 774 560 580 623 515 Позначення відповідних контрзразків Питомі натиски L - 2’ L - 3’ L - 4’ L - 5’ L - 6’ L - 7’ MПa втрати маси [мг] 3 98 146 127 150 65 103 7 104 228 161 140 98 127 10 198 260 234 220 188 228 15 148 166 101 113 113 141 Найменшою втратою маси при натисках 3 МПа характеризується покриття зі складом L - 5 – 51 мг. Натомість, при питомих натисках 7 МПа покриття зі складом L - 7 – 123 мг. Найменшою втратою маси при питомих натисках 10 МПа характеризується покриття зі складом L - 7 – 125 мг. Як і при пито- мих натисках 15 МПа, 515 мг. Порівняння втрати маси для покриттів з евтектичних сплавів при питомих натисках сплаву на 3, 7, 10, 15 МПа наведено на рис. 2. Для покриття зі складом покриття L - 7 втрата маси є найменшою при питомих натисках 3 МПа - 66 мг. При натисках 7 і 10 МПа значення становлять приблизно 123 і 125 мг. Проте, при питомому на- тиску 15 МПа механізм зношення сильно змінюється, що призводить до значного збільшення втрати ма- си - 515 мг. Аналогічні залежності можна спостерігати для інших покриттів, тільки з іншими значеннями втрати ваги. Втрата маси контрзразка збільшується до натисків 10 МПа, а пізніше зменшується. Пiдвищення зносостiйкості елементів пожежної технiки нанесенням евтектичних покриттів на основі Si, Ni, Cr ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 18 Рис. 2 – Відношення втрати маси зразків при питомих натисках 3, 7, 10, 15 МПа для покриттів з евтектичних сплавів Fe-Mn-C-B легованих Si, Ni, Cr Процес зміни коефіцієнта тертя тертя для покриття L - 7 при натисках 3, 7, 10 і 15 МПа, пред- ставлений на рис. 3. Середній коефіцієнт тертя цих випробувань при тиску 3 МПа був 0,39, при 7 МПа - 0,51, при 10 МПа - 0,59, в той час як при 15 МПа - 0,94. Коефіцієнт тертя зростає із збільшенням питомого тиску. Рис. 3 – Процес зміни коефіцієнта тертя для евтектичного покриття зі складом покриття L - 7 при питомих натисках 3, 7, 10, 15 МПа Як показано на рис. 3, коефіцієнт тертя при питомому натиску 15 МПа різко зростає, досягаючи максимального значення 1,1, проте середнє значення цілого випробування – 0,94. При всіх питомих на- вантаженнях у першому етапі видно скачкове зрастання коефіцієнта тертя. Далі процес більш стабільний. Тим не менше, для всіх процесів, видно скачкоподібні зміни в значеннях коефіцієнта тертя. Про це свідчить утворення вторинних структур, а надалі їх зношення. При досліджені температури поверхні тертя найвище значення спостерігалося при питомих на- тисках 15 МПа, яке становило 310 °С. При натисках 10 МПа температура становила 195 °С, а при 7 МПа (189 °C). Найменші значення температури були при натисках 3 МПа і становили 153 °С. Однак, під час тертя на окремих мікронерівностях температура могла досягти значно вищих значень, як описано в роботі Л. Богун [10]. 3 MПa 7 MПa 10 MПa 15 MПa Пiдвищення зносостiйкості елементів пожежної технiки нанесенням евтектичних покриттів на основі Si, Ni, Cr ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 19 Висновки Беручи до уваги, що матеріал зі складом L - 7 в процесі досліджень відзначався найменшою втратою маси при великих навантаженнях, можна стверджувати, що цей матеріал можна використовува- ти для нанесення на робочі елементи пожежної техніки та аварійно-рятувального обладнання, що пра- цюють при великих навантаженнях з метою підвищення їх зносостійкості, а в результаті і збільшення ре- сурсу їх роботи та терміну експлуатації. Враховуючи, що в процесі дослідженнь покриття системи Fe- Mn-C-B леговані Si, Ni, Cr наносили методом електродугового наплавлення, такий метод можа викорис- товувати для часткового або повного відновлення зношених частин пожежної техніки та аварійно- рятувального обладнання. Беручи до уваги відносно невисоку ціну евтектичних покриттів на основі залі- за, такі способи є економічно вигідними. Література 1. Pashechko M., Lenik K.: Segregation of atoms of the eutectic alloys Fe-Mn-C-B at friction wear. Journal of Achivements in Materials and Manufacturing Engineering. Volume 18, ISSUE 1–2, 2006, s. 467– 470. 2. Пашечко М.І, Чернець М.В., Опеляк М., Комста Г. Поверхневе руйнування та зміцнення ма- теріалів. – Львів: Євросвіт, 2005. – 384 с. 3. Pashechko M., Lenik K., Segregation of atoms of the eutectic alloy Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr at friction wear, Wear 267, 2009. 4. Bhushan B., Nanotribology and Nanomechanics, Wear 259, 2005, s. 1531. 5. Lenik K., Pashechko M., Dziedzic K., Barszcz M., Modernizacja węzła tarciowego maszyny Amslera z przystosowaniem do badań powłok z materiałów eutektycznych w układzie trzpień-tarcza, Tribologia, Teoria i praktyka, Nr 3/2008, Wyd. Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 2008, s 357-364. 6. PN-EN ISO 6508-1, Metale - Pomiar twardości sposobem Rockwella - Część 1: Metoda badań (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). 7. PN-EN ISO 6507-1, Metale - Pomiar twardości sposobem Vickersa - Metoda badań. 8. Pashechko M., Dziedzic K., Barszcz M., Zmiany struktury warstwy wierzchniej powłok ze stopów eutektycznych Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr po tarciu ze stalą C45, Inżynieria powierzchni, 1/2012 s. 28-32. 9. Pashechko M., Gorecki T., Konstytuowanie warstw wierzchnich odpornych na zużycie ścierne ze stopów eutektycznych na podstawie układu równowagi fazowej Fe-Mn-C-B, Technologiczne systemy informacyjne w inżynierii produkcji i kształceniu technicznym // Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Lublin 2001, s. 379-387. 10. Богун Л.І. Утворення вторинних структур в парах тертя боровмісні евтектичні покриття – сталь та їх вплив на триботехнічні характеристики: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. тех. наук: спец. 05.02.04 – ХНУ, Хмельницький 2006. – 21 с. Поступила в редакцію 30.08.2016 Пiдвищення зносостiйкості елементів пожежної технiки нанесенням евтектичних покриттів на основі Si, Ni, Cr ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 3 20 Pashechko M., Berezhanskyi T. Raising the wear resistance for working elements fire equipment by applying coatings based on eutectic Si, Ni, Cr – doped alloys of Fe-Mn-C-B. In modern society in extinguishing fires and emergencies of natural and man-made disasters, fire and rescue de- partments have to work in extremely difficult and dangerous conditions. Thus the quality and reliability of fire equipment and rescue equipment used by rescuers may depend not only the life of the victims, but also their own. Today in emergency de- partments often use techniques and equipment which are partly worn out and have lifetime or service life. Discovered eutec- tic material in the study marked the lowest mass loss at high loads, we can state that the material can be used for the applica- tion of the working elements of fire equipment and rescue equipment that operate at high loads in order to increase their du- rability, and result resource increase their performance and service life. Keywords: Fire appliances, eutectic coating, friction, burden, wear resistance. References 1. Pashechko M., Lenik K.: Segregation of atoms of the eutectic alloys Fe-Mn-C-B at friction wear. Journal of Achivements in Materials and Manufacturing Engineering. Volume 18, ISSUE 1–2, 2006, s. 467–470. 2. Pashechko M.І, Chernec' M.V., Opeljak M., Komsta G. Poverhneve rujnuvannja ta zmіcnennja ma- terіalіv. L'vіv: Єvrosvіt, 2005. 384 s. 3. Pashechko M., Lenik K., Segregation of atoms of the eutectic alloy Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr at friction wear, Wear 267, 2009. 4. Bhushan B., Nanotribology and Nanomechanics, Wear 259, 2005, s. 1531. 5. Lenik K., Pashechko M., Dziedzic K., Barszcz M., Modernizacja węzła tarciowego maszyny Amslera z przystosowaniem do badań powłok z materiałów eutektycznych w układzie trzpień-tarcza, Tribologia, Teoria i praktyka, Nr 3/2008, Wyd. Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 2008, s 357-364. 6. PN-EN ISO 6508-1, Metale - Pomiar twardości sposobem Rockwella - Część 1: Metoda badań (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). 7. PN-EN ISO 6507-1, Metale - Pomiar twardości sposobem Vickersa - Metoda badań. 8. Pashechko M., Dziedzic K., Barszcz M., Zmiany struktury warstwy wierzchniej powłok ze stopów eutektycznych Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr po tarciu ze stalą C45, Inżynieria powierzchni, 1/2012 s. 28-32. 9. Pashechko M., Gorecki T., Konstytuowanie warstw wierzchnich odpornych na zużycie ścierne ze stopów eutektycznych na podstawie układu równowagi fazowej Fe-Mn-C-B, Technologiczne systemy informacyjne w inżynierii produkcji i kształceniu technicznym. Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Lublin 2001, s. 379-387. 10. Bogun L.І. Utvorennja vtorinnih struktur v parah tertja borovmіsnі evtektichnі pokrittja – stal' ta їh vpliv na tribotehnіchnі harakteristiki: avtoref. dis. na zdobuttja nauk. stupenja kand. teh. nauk: spec. 05.02.04. HNU, Hmel'nic'kij 2006. 21 s.