Оцінювання мікромеханічної гетерогенності газотермічних покриттів із використанням mікроіндентування та локального спектрального аналізу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 92 Студент М.М., Винар В.А., Головчук М.Я., Закієв В.І., Гвоздецький В.М., Гущак Р.І. *Фізико- механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАНУ, м. Львів, Україна **Національний авіаційний університет, м. Львів, Україна ***Львівський національний аграрний університет, м. Львів, Україна E-mail:vynar.va@gmail.com ОЦІНЮВАННЯ МІКРОМЕХАНІЧНОЇ ГЕТЕРОГЕННОСТІ ГАЗОТЕРМІЧНИХ ПОКРИТТІВ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ MІКРОІНДЕНТУВАННЯ ТА ЛОКАЛЬНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛІЗУ УДК 620.178.153.2 Встановлено, що внаслідок електродугового напилення порошкового дроту ПД280Х21СГМФ на підкладку зі сталі 3 формується гетерогенна структура, яка містить ламелі матричної фази Feγ та складні оксиди заліза та хро- му. Показано, що розподіл мікромеханічних характеристик у покриттях залежить від природи їх структурних скла- дових, їх розмірів та розташування. Зокрема, оксиди хрому сприяють зростанню мікротвердості, модуля пружності та напружень другого роду, а оксиди заліза знижують ці характеристики. Опір зношуванню та механізм руйнування покриттів з ПД визначається структурними параметрами, їх мікрогетерогенністю та мікромеханічними характерис- тиками. Ключові слова: газотермічні покриття, мікроіндентування, локальний спектральний аналіз, мікротвердість, напру- ження, зношування. Вступ Використання порошкових дротів (ПД) для формування електродугових покриттів (ЕДП) дозво- ляє розширити сферу їх застосування завдяки підвищенню зносостійкості та корозійної тривкості [1, 2]. Для таких покриттів характерна висока структурна гетерогенність, оскільки через швидкоплинність проце- сів плавлення у дузі шихтові матеріали не встигають повністю розчинитись у розплаві оболонки ПД і не утворюють загальної ванни, а отже формується гетерогенний за хімічним складом розплав, при диспергу- ванні якого на краплини формується електродугове покриття [1-4]. Основними причинами виникнення ге- терогенності покриттів є параметри напилювання (дистанція, діаметр дроту і тиск струменя газу) та хімі- чний склад шихти ПД. Краплини, які утворюються під час диспергування розплаву ПД струменем повітря, відрізняються за хімічним складом, а відповідно відрізняються і структурні складові покриттів та їх характе- ристики (твердість, пружність, пластичність тощо), які, в свою чергу, відповідають за триботехнічні властиво- сті і функціональне призначення. Матеріали та методи досліджень Покриття отримували методом електродугового напилення на підкладку зі сталі 3 шляхом роз- пилення електродного порошкового дроту ПД280Х21СГМФ Ø2,6 мм в оболонці зі сталі 08кп наповненої шихтою (рис.1). Хімічний склад дроту наведений у таблиці 1. Таблиця 1 Хімічний склад порошкових дротів Рис. 1 – Конструктивне виконання ПД: 1 – сталева оболонка, 2 – шихта Елемент Fe C Si Mn P S Cr V W Вміст, % мас 74,4 2,8 0,3 0,4 0,02 0,03 21,1 0,6 0,42 За шихтові матеріали в роботі вибрали доступні, широковживані і недорогі матеріали для вироб- ництва ПД, а саме феросплави (ферохром, феромарганець, феромолібден). 1 2 Оцінювання мікромеханічної гетерогенності газотермічних покриттів із використанням mікроіндентування та локального спектрального аналізу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 93 Процес нанесення ЕДП на зразок передбачає такі операції: знежирення зразка, його струминне оброблення корундом, напилювання та контроль його якості і, нарешті, шліфування та полірування зразка. Параметри напилювання: сила струму 150 А, робоча напруга 32 В, віддаль від сопла до поверхні напилювання – 150 мм, тиск стисненого повітря 0,65 МПа. ЕДП властива гетерогенна структура, ступінь гетерогенності якої було запропоновано оцінювати за величиною коефіцієнта мікрогетерогенності ( МГK ), згідно формули: cep n i cepМГ cccK          / 1 i де n – кількість прямокутних ділянок площею 35·10–4 мм2, виділених на фото мікроструктури ЕДП, на яких за допомогою спектрального аналізу визначається вміст кожного елемента сі в межах окремої ламелі та середній вміст елемента cepc покриття. Коефіцієнт МГK характеризує відхилення вмісту кожного з елементів легування в межах окремої ламелі сі від його вмісту у покритті і загалом свідчить про повноту сплавлення шихти та оболонки. Для ви- значення коефіцієнта МГK порівнювали інтегральний вміст конкретного елементу легування ссер на ділянці площею 10 мм2 з його локальним вмістом ic на прямокутних ділянках площею 35·10 –4 мм2, які за величиною сумірні з середньою площею ламелей у покриттях. Визначення МГK покриття проводиться як мінімум на десяти ділянках, розташованих одна від одної на відстані 5 мм, по ширині плями пучка напилення, яка становить 25…30 мм. Значення МГK із цих ділянок усереднюються. Мікромеханічні властивості поверхневих шарів покриттів визначали методом динамічного інде- нтування [5]. Він грунтується на автоматичній реєстрації діаграми навантаження )(hfP  , де P – на- вантаження на індентор, h – глибина його впровадження у поверхню досліджуваного матеріалу (рис. 2). Основна перевага методу полягає в тому, що твердість визначається в момент максимального заглиблен- ня наконечника ( maxh ), тобто до початку пружного відновлення матеріалу. Діаграма дає інформацію про роботу, витрачену індентором на подолання опору матеріалу пластA (площа під гілкою навантаження) і роботу, витрачену матеріалом на відновлення своїх властивостей пружА (площа під гілкою розвантажен- ня) (рис. 2). a б Рис. 2 – Діаграма навантаження (а) і переріз відбитка (b) при динамічному індентуванні: hmax, hс, hf – максимальне заглиблення наконечника, пружна і пластична складові деформації, s – тангенс кута нахилу початкової ділянки гілки розвантаження. За цими даними визначають ступінь пластичності поверхні  згідно формули   пластпружпласт ААA / . Значення мікротвердості за Меєром знаходиться як відношення максима- льного навантаження maxP до площі проекції відбитка А; модуль Юнга визначається, як ASE /2/  , де S – тангенс кута нахилу початкової ділянки кривої розвантаження. Оцінювання мікромеханічної гетерогенності газотермічних покриттів із використанням mікроіндентування та локального спектрального аналізу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 94 Зносотривкість наплавлених шарів за зношування незакріпленим абразивом оцінювали згідно з ГОСТ 23.208-79. Для визначення зносу покриття закріпленим абразивом використали абразивний круг СМ-2 на керамічній зв’язці. Лінійна швидкість тертя становила 0,8 m/s за навантаження в зоні лінійного контакту 1,5 кН. Оцінювали знос після однакової довжини випробувального шляху 720 м за зміною маси зразків. Для вивчення структури та локального хімічного складу використовували електронний мікроскоп EVO-40XVP (Carl Zeiss) з системою рентгеноспектрального мікроаналізу INCA Energy). Рентгенофазо- вий аналіз проводили за масивами рентгенівських дифракційних даних, отриманих на рентгенівському дифрактометрі-дифрактографі ДРОН–2.0М. Результати досліджень та їх обговорення В результаті напилення формується покриття, структура якого є гетерофазною системою (рис. 3), що складається з матричної фази Feγ та декількох відокремлених границями розділу оксидних фаз, які відрізняються за хімічним складом і властивостями. Вміст хрому у ламелях покриття коливається в ме- жах 16,4…20,3 мас. % при середньому вмісті у покритті 20,23 мас. %. За такого легування шихти ПД кількість кисню у покритті cкладає 3,09 % і він практично весь зв’язаний у оксидах (рис.3). Розплавлені частинки транспортуються швидкісним струменем повітряного потоку і при зіткненні з поверхнею підк- ладки розплющуються і перемішуються. В результаті формується специфічна хвиляста мікроструктура із залишковою поруватістю. Таким чином в результаті напилення формується гетерогенна система з різним хімічним складом та мікромеханічними характеристиками. а б Елемент O K Si K V K Cr K Fe K W M Ваговий, % 3.09 0.68 0.85 20.23 70.34 0.80 в Рис. 3 – Структура (а), хімічний склад (б) та дифрактограма (в) покриття із ПД 280Х21СГМФ. В результаті індентування за діаграмою )(hfP  (навантаження – заглиблення) можна визна- чити ряд характеристик локальних ділянок покриття, зокрема мікротвердість HMейер, модуль пружності Е, ступінь пластичності матеріалу  та напруження ІІ-го роду. Так було проведено індентування 12 локаль- них ділянок з кроком між відбитками 50 мкм, побудовано діаграми, згідно яких визначено механічні ха- рактеристики усіх досліджуваних ділянок покриття (табл. 2) Таблиця 2 Мехінічні характерстики локальних ділянок електродугового покриття Номер відбитку 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Середнє значення Мікротвердість HMейер, ГПа 7,597 6,538 3,401 5,426 6,491 6,735 9,091 6,636 7,01 7,559 6,014 6,442 6,580 Модуль пружності Е, ГПа 132,8 129,4 83,0 117,9 124,4 132,7 120,3 105,1 123,2 131,3 119,1 136,5 121,308 Ступінь пластичності 0,641 0,648 0,65 0,67 0,663 0,633 0,571 0,61 0,633 0,649 0,601 0,65 0,635 Оцінювання мікромеханічної гетерогенності газотермічних покриттів із використанням mікроіндентування та локального спектрального аналізу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 95 напруження ІІ-го роду 1,442 1,287 0,705 1,094 1,266 1,324 1,568 1,221 1,336 1,432 1,184 1,291 1,263 Встановлено, що середнє значення мікротвердість HMейер= 6,580 ГПа, модуля пружності 121,308 ГПа, ступінь пластичності покриття 0,635 і напруження ІІ-го роду складають 1,263 ГПа, однак між різ- ними локальними ділянками індентування існує суттєва відмінність мікромеханічних характеристик. На- приклад, різниця між максимальним і мінімальним значенням мікротвердості становить 5,6 ГПа, така ж тенденція спостерігається і для інших мікромеханічних характеристик покриття. Тому для виявлення впливу структурних складових покриття на зміну мікромеханічних характеристик було зроблено елект- роннометалографічні дослідження відбитків індентора в BSD – випромінюванні та локальний хімічний аналіз окремих ділянок відбитку (рис.4) і для них побудовані графіки механічних властивостей (рис.5). Показано, що важливу роль у розподілі мікромеханічних характеристик відіграє утворена в процесі на- несення покриття оксидна фаза (рис. 4). Так для досліджуваного покриття характерне утворення склад- них оксидів з підвищеним вмістом хрому товщиною до 1 мкм (відбитки 1, 6, 7, 9, 10), які позитивно впливають на властивості покриття. Відбиток 1 Відбиток 2 Відбиток 3 Відбиток 4 Елемент 1 2 O K 1.20 16.70 V K 0.98 0.47 Cr K 16.77 17.74 Fe K 71.87 61.84 W M 1.02 0.84 Елемент 1 O K 2.83 V K 0.63 Cr K 18.94 Fe K 72.36 W M 0.97 Елемент 1 2 O K 16.57 0.37 V K 0.70 0.64 Cr K 18.82 23.03 Fe K 49.04 70.41 W M 1.23 0.97 Елемент 1 2 O K 2.30 17.97 V K 0.65 1.05 Cr K 16.32 9.31 Fe K 63.42 67.03 W M 1.30 0.67 Відбиток 5 Відбиток 6 Відбиток 7 Відбиток 8 Елемент 1 O K 1.39 V K 0.50 Cr K 16.96 Fe K 77.32 W M 0.92 Елемент 1 2 O K 2.89 32.70 V K 0.26 2.97 Cr K 13.23 38.37 Fe K 81.25 18.22 W M 0.76 1.56 Елемент 1 2 O K 1.86 7.39 V K 0.29 0.52 Cr K 24.27 16.43 Fe K 67.72 70.63 W M 0.41 0.73 Елемент 1 O K 1.04 V K 0.52 Cr K 19.86 Fe K 73.64 W M 0.83 9 10 11 12 Елемент 1 2 O K 1.54 19.06 V K 0.94 6.55 Cr K 24.18 38.30 Fe K 68.06 33.24 W M 1.81 0.71 Елемент 1 2 O K 1.89 31.06 V K 0.26 1.81 Cr K 13.23 27.23 Fe K 80.25 37.57 W M 0.76 0.67 Елемент 1 2 O K 2.33 15.33 V K 0.60 0.50 Cr K 17.44 15.55 Fe K 76.04 66.82 W M 0.31 0.47 Елемент 1 O K 1.04 V K 0.52 Cr K 19.86 Fe K 75.64 W M 0.83 Рис. 4 – Електронномікроскопічне зображення відбитків пірамідки Берковича після динамічного індентування та локаль- ний хімічний аналіз ділянок відбитку покриття ПД 280Х21СГМФ. 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 1 1 2 1 1 1 Оцінювання мікромеханічної гетерогенності газотермічних покриттів із використанням mікроіндентування та локального спектрального аналізу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 96 Рис. 5 – Розподіл мікротвердості (а)та модуля пружності (б) локальних ділянок електродугового покриття ПД 280Х21СГМФ з кроком між відбитками 50 мкм, 1-12 – номер відбитка Однак присутність оксидів заліза різної форми та розмірів (відбитки 3, 4, 11) негативно впливає на твердість, пружність та напруження у покритті. Матрична фаза Feγ без оксидів має середні значення мік- ротвердості та модуля пружності (відбитки 2, 5, 12). Виявлено, що нанорозмірні границі ламелей, які знаходяться на межі відбитків, несуттєво впливають на досліджувані характеристики, а в деяких випад- ках дещо підвищують їх. Таким чином розподіл мікромеханічних характеристик у гетерогенних електро- дугових покриттях суттєво залежить від природи структурної складової, їх розмірів та розміщень, що в свою чергу буде суттєво впливати і на триботехнічні характеристики, зокрема на опір абразивному зно- шуванню. Встановлено, що збільшення хімічної та мікромеханічної мікрогетерогенності покриттів сприяє зростанню абразивної зносостійкості за випробувань закріпленим абразивом та зменшує її за випробу- вань незакріпленим абразивом. (рис. 6.а). Це зумовлено різними механізмами зношування. Зокрема, за випробувань закріпленим абразивом останній рівномірно зношує всю поверхню покриття, а зносостійкість забезпечують тверді ламелі в його структурі. У цьому випадку зносостійкість покриття визначається кількістю і твердістю його структурних складових, які також забезпечують низький рівень напружень розтягу. а б Рис. 6 – Вплив коефіцієнта мікро- гетерогенності KМГ (а) та середньої товщини ламелей (б) на відносну абразивну зносостійкість покриттів під час тертя закріпленим і незак- ріпленим абразивом. За випробувань назакріпленим абразивом вільні частинки насамперед зношують пластичні ламелі покриття та руйнують крихкі компоненти. При цьому тверді ламелі втрачають зв'язок із матрицею пок- риття та видаляються. Тому гетерогенні покриття з високою мікромеханічною гетерогенністю та висо- ким коефіцієнтом KМГ , що мають тверді і пластичні складові (ламелі) виявляють низьку зносостійкість. Зі зменшенням мікрогетерогенності покриттів їх зносостійкість зростає. Водночас при KМГ < 0,2 зі змен- шенням різниці між мікромеханічними характеристиками ділянок у покритті зростають залишкові колові напруження розтягу. За напружень ~100 МПа у покритті виникає мережа мікротріщин і руйнування від- бувається шляхом їх росту та викришування цілих ламелей. Зносостійкість при цьому суттєво знижується. Залежно від режимів напилювання у покритті формуються ламелі різної товщини з різними міжламе- лярними границями. В міру збільшення товщини ламелей зносостійкість покриттів знижується за випробу- вань закріпленим абразивом та зростає за випробувань незакріпленим абразивом (рис. 6.б). Чим менша тов- щина ламелей, тим більше міжламелярних меж, які є слабким місцем при терті з незакріпленим абразивом. У цьому випадку зношування інтенсифікується саме вздовж меж ламелей. Оцінювання мікромеханічної гетерогенності газотермічних покриттів із використанням mікроіндентування та локального спектрального аналізу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 97 Рис. 7– Топографія поверхонь тертя покриття ПД280Х21СГМФ після ви- пробувань із закріпленим (а) та незакріпленим абразивом (б). а б На поверхні тертя, утвореної за випробувань незакріпленим абразивом (рис. 7) виявлено харак- терні однаково орієнтовані подряпини від абразиву та рівномірне зношування. Водночас у всіх покриттів (особливо, гетерогенних) виявлено виступи та заглибини на поверхні тертя та нерівномірне зношування. Отже визначальними для опору зношуванню та рельєфу зони фрикційної взаємодії покриттів з абразивом є величина ламелей, їх хімічна неоднорідність, яка спричиняє відмінності між мікромеханіч- ними характеристиками ділянок, а також кількість міжламелярних границь. Висновки 1. Встановлено, що внаслідок електродугового напилення порошкового дроту ПД280Х21СГМФ на сталі 3 формується гетерогенне покриття, що складається з ламелей матричної фази Feγ та складних оксидів заліза та хрому. Вміст хрому у ламелях покриття коливається в межах 16,4…20,3 мас. % при се- редньому вмісті у покритті 20,23 мас. %. 2. Показано, що розподіл мікромеханічних характеристик у гетерогенних електродугових пок- риттях залежить від природи, розмірів та розміщення їх структурних складових. Зокрема, оксиди хрому сприяють зростанню мікротвердості, модуля пружності та напружень другого роду, а оксиди заліза зни- жують ці характеристики. 3. Опір зношуванню та механізм руйнування покриттів з ПД визначається структурними параме- трами, їх мікрогетерогенністю та мікромеханічними характеристиками. Література 1. Електродугові відновні та захисні покриття / В.І. Похмурський, М.М. Студент, В.М. Довгуник, Г.В. Похмурська, І.Й. Сидорак. – Львів: Фіз.-мех. ін-т ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2005. – 190 с. 2. Застосування електродугової металізації порошковими дротами системи Fe-Cr-C-Al для відно- влення деталей машин / В.І. Похмурський, М.М. Студент, В.М. Довгуник, І.Й. Сидорак // Машинознавс- тво. – 1999. – № 1. – С. 13–18. 3. Похмурський В. Електрохімічні характеристики електродугових покриттів із порошкових дро- тів з підвищеним вмістом хрому / В. Похмурський, Н. Червінська, Т. Ступницький // Вісник Східноукра- їнського національного університету імені В. Даля.–2013.–№13 (202).–С. 37–44. 4. Вплив тертя на фазові перетворення у поверхневих шарах газотермічного покриття FeCrB+Al / М.М. Студент, В.М. Довгуник, І.Й. Сидорак, Г.В. Похмурська, О.І. Яськів // Фіз. - хім. механіка матеріа- лів. – 2000. – 36, № 4. – С. 109-111. 5. Винар В.А. Зміна мікромеханічних властивостей нікелю та його трибологічної поведінки в ре- зультаті електролітичного наводнювання //В.А. Винар // Проблеми трибології. – 2015. – №4. – С. 75-80 Поступила в редакцію 27.03.2018 Оцінювання мікромеханічної гетерогенності газотермічних покриттів із використанням mікроіндентування та локального спектрального аналізу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 98 Student M.M., Vуnar V.A., Golovchuk M.Ya., Zakiev V.I., Gvozdetsky V.M., Gushchak R.I. Evaluation of micromechanical heterogeneity of gas-thermal coatings by using the microindentation and local spectral analysis A heterogeneous electric arc coating consisting of matrix phase Feγ lamellas and complex oxides of iron and chromium are formed as a result of electric arc spraying of powdered wire PD280X21SCGMP. The content of chromium in the coating lamellae varies from 16.4 to 20.3 wt. % with a typical content of 20.23 wt. % It is shown that the distribution of micromechanical characteristics in heterogeneous electric arc coatings depends on the nature, size and location of their structural components. In particular, chromium oxides contribute to the growth of microhardness, the modulus of elasticity and stresses of the second kind, and iron oxides reduce these characteristics. Wear resistance and the mechanism of coatings destruction is determined by structural parameters, their microheterogeneity and micromechanical characteristics. Key words: gas-thermal coatings, microindentation, local spectral analysis, microhardness, wear. References 1. Elektrodugovi vidnovni ta zahysni pokryttja / V.I. Pohmurs'kyj, M.M. Student, V.M. Dovgunyk, G.V. Pohmurs'ka, I.J. Sydorak. – L'viv: Fiz.-meh. in-t im. G.V. Karpenka NAN Ukrai'ny, 2005. – 190 s. 2. Zastosuvannja elektrodugovoi' metalizacii' poroshkovymy drotamy systemy Fe-Cr-C-Al dlja vidnov- lennja detalej mashyn / V.I. Pohmurs'kyj, M.M. Student, V.M. Dovgunyk, I.J. Sydorak // Mashynoznavstvo. – 1999. – № 1. – S. 13–18. 3. Pohmurs'kyj V. Elektrohimichni harakterystyky elektrodugovyh pokryttiv iz poroshkovyh drotiv z pi- dvyshhenym vmistom hromu / V. Pohmurs'kyj, N. Chervins'ka, T. Stupnyc'kyj // Visnyk Shidnoukrai'ns'-kogo nacional'nogo universytetu imeni V. Dalja.–2013.–№13 (202).–S. 37–44. 4. Vplyv tertja na fazovi peretvorennja u poverhnevyh sharah gazotermichnogo pokryttja FeCrB+Al / M.M. Student, V.M. Dovgunyk, I.J. Sydorak, G.V. Pohmurs'ka, O.I. Jas'kiv // Fiz. - him. mehanika materialiv. – 2000. – 36, № 4. – S. 109-111. 5. Vynar V.A. Zmina mikromehanichnyh vlastyvostej nikelju ta jogo trybologichnoi' povedinky v rezul'tati elektrolitychnogo navodnjuvannja //V.A. Vynar // Problemy trybologii'. – 2015. – №4. – S. 75-80.