УДК 621.793.74
СТРУКТУРА ИЗНОСОСТОЙКИХ ПЛАЗМЕННЫХ
ПОКРЫТИЙ ИЗ НИКЕЛЬ-КЕРАМИЧЕСКОЙ СМЕСИ1
Ю. С. ЧЁСОВ, канд. техн. наук, доцент,
Е. А. ЗВЕРЕВ, канд. техн. наук, доцент,
Н. В. ПЛОТНИКОВА, канд. техн. наук, доцент,
Н. В. ВАХРУШЕВ, аспирант,
А. С. ВАГАНОВ, инженер,
И. В. БАНДЮРОВ, магистрант,
(НГТУ, г. Новосибирск)
– 630073, г. Новосибирск, ,
Новосибирский государственный технический университет,
e-mail: *****@***ru
Рассмотрено одно из наиболее перспективных направлений повышения качества износостойких плазменных покрытий за счет применения многокомпонентных механических смесей из различных порошковых материалов. Показана типовая структура плазменных покрытий из механической никель-керамической смеси. Результаты исследования показали, что в покрытии наблюдаются взаимное обволакивание частиц порошковой смеси и их равномерное распределение, а также низкая пористость. Однако в покрытии процентное содержание керамики заметно меньше, чем в исходной смеси, что объясняется эффектом сегрегации компонентов при плазменном напылении покрытия.
Ключевые слова: структура, износостойкость, плазменные покрытия, оксидная керамика, никелевый порошок, механические смеси.
Введение
В настоящее время в технологии машиностроения для обеспечения требуемого уровня износостойкости деталей машин широко используются плазменные покрытия, нанесенные из стандартных порошковых материалов. Несмотря на ряд достоинств данной технологии, ей присущи и недостатки, обусловленных нестабильностью показателей качества напыленного слоя: степень расплавленности порошкового материала, количество и размер пор, а также характер границы между покрытием и основой [1]. Поэтому с целью повышения качества плазменных покрытий весьма перспективными направлениями являются применение так называемых комбинированных технологий (суть которых заключается в повторном высокоэнергетическом воздействии на структуру плазменных покрытий) и формирование покрытий из многокомпонентных порошковых материалов.
Проведенные нами исследования с воздействием на плазменные покрытия высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты показали [2, 3], что по существу происходит процесс спекания покрытия с основой с формированием в слое дендритных структур. Такие покрытия обладают хорошей износостойкостью и сравнительно невысокой контактной выносливостью.
Одним из существенных достоинств использования механических смесей (смеси порошков с различным химическим составом) является возможность управления структурой, а, следовательно, и уровнем физико-механических свойств.
Среди многообразия композиционных материалов: механические смеси различных металлов, плакированные, конгломерированные и другие порошковые материалы следует отдать предпочтение порошкам первой группы. Это объясняется тем, что применение порошков в виде механических смесей является процессом технологически гораздо менее трудоемким, более дешевым и производительным. На данный момент в технической литературе приведены лишь общие рекомендуемые варианты возможных комбинаций исходных марок порошков, из которых образуются многокомпонентные механические смеси [4, 5]. Однако какие-либо практические сведения о методике нанесения покрытий и полученных результатах отсутствуют.
Нами были проведены предварительные исследования по формированию подобных композиций. Основным компонентом служила оксидная керамика марки М28. В качестве связующих компонентов были использованы порошковые материалы на основе никеля марки ПГ-12Н-01 и кобальтовый порошок марки ПГН-В3К с различным процентным содержанием.
Сравнительные испытания на износостойкость показали, что их можно использовать в качестве упрочняющих покрытий, которые могут воспринимать значительные нагрузки [6].
Целью настоящих исследований является изучение структуры износостойких плазменных покрытий, сформированных на базе никель-керамической порошковой смеси.
Методика проведения экспериментов
Нанесение плазменных покрытий на образцы производили на установке "Киев-7" плазмотроном ПУН-8 мощностью 40 кВт.
В качестве образцов применялись втулки, изготовленные из стали 20 с наружным и внутренним диаметрами соответственно 25 мм и 15 мм, длиной 12 мм. Процесс напыления осуществляли за счет поступательного перемещения плазмотрона и вращения оправки с образцами. Заготовки предварительно подвергались процессу струйно-абразивной очистки частицами из электрокорунда. Образцы обрабатывались при одинаковых условиях, что позволило получить поверхности заготовок с шероховатостью в пределах Rz = 60…80 мкм. Режим напыления был принят следующим: величина тока дуги плазмотрона – 180 А; напряжение – 160 В; расход плазмообразующего газа (воздуха) – 0,9 л/мин; дистанция напыления – 110 мм; скорость перемещения плазмотрона – 250 мм/мин; частота вращения оправки – 150 мин-1. Толщина слоя покрытия выдерживалась в пределах 450…500 мкм.
Механическая смесь представляла собой композицию из порошков марок ПГ-12Н-01 (20 %) и М28 (80 %). Приготовление механических смесей из порошков разных металлов является одной из важнейших операций технологического процесса нанесения плазменных износостойких покрытий. Ее назначение – обеспечение однородности смеси. На практике данная операция реализуется путем механического перемешивания в специальных мельницах.
Металлографические исследования структуры выполняли на оптическом микроскопе модели NIKON Eclipse MA100. Шлифы готовили по стандартной технологии, основанной на механическом шлифовании и полировании анализируемого материала.
Результаты исследований
Структура покрытия из никель-керамической смеси при разной степени увеличения изображена на рис. 1.
Анализируя полученные изображения структуры многокомпонентного покрытия, следует отметить, что закономерности формирования покрытий из механических смесей по своей природе подобно механизму формирования однокомпонентных плазменных покрытий. Покрытие образуется путем наслоения расплавленных частиц порошков, деформирующихся при соударении с основой или деформированными ранее частицами. На фотографии отчетливо просматривается переходная граница между покрытием и основой.
Кроме того, на снимке ярко выражены границы между отдельными компонентами смеси. Светлые частицы (участки 1) являются компонентами никелевого порошка, серые частицы (участки 2) – это керамика. В целом наблюдаются взаимное обволакивание частиц порошков и их равномерное распределение, низкая пористость. Однако в покрытии процентное содержание керамики заметно меньше, чем в исходной смеси, что объясняется эффектом сегрегации компонентов при плазменном напылении покрытия.
Выводы
Использование многокомпонентных порошковых материалов является весьма перспективным направлением с целью получения покрытий с более высоким уровнем качества слоя, поскольку они наследуют достоинства каждого из исходных порошков. Однако их промышленное использование потребует проведения целого комплекса технологических, металлографических и иных исследований, в том числе с поиском наиболее рационального состава механической смеси.
Список литературы
1. , Методика нанесения плазменных износостойких покрытий / Научный вестник НГТУ. – 2014. - № 2(55). – С. 156-165.
2. Структура износостойких плазменных покрытий после высокоэнергетического воздействия ТВЧ / Ю. С. Чёсов, , // Обработка металлов. – 2014. - № 4(65). – С. 11-18.
3. Структура износостойких плазменных покрытий после высокоэнергетического воздействия ТВЧ / Ю. С. Чёсов, , // Обработка металлов. – 2014. - № 4(65). – С. 11-18.
4. Теоретические основы технологии плазменного напыления – М.: Изд-во МГТУ им. , 2008. – 357 с.
5. Газотермические покрытия из порошковых материалов : справочник / , , . – Киев : Наукова думка, 1987. – 544 с.
6. Сравнительные испытания износостойких плазменных покрытий, сформированных на базе механических смесей из различных порошковых материалов / , , // Инновации в машиностроении – основа технического развития России : материалы VI международной научно-технической конференции (23-26 сентября 2014 года). – Барнаул, 2014. – С. 211-215.
Structure of wear-resistant plasma coatings that were created on the basis of nickel-ceramic mixture
Chesov Yu. S. 1, Ph. D. (Engineering), Associate Professor, e-mail: *****@***ru
Zverev E. A. 1, Ph. D. (Engineering), Associate Professor, e-mail: *****@***ru
Plotnikova N. V.1, Ph. D. (Engineering), Associate Professor, e-mail: *****@***ru
Vakhrushev N. V. 1, Ph. D. student, e-mail: *****@***ru
Vaganov A. S. 1, engineer, e-mail: *****@***ru
Bandyurov I. V. 1, student, e-mail: *****@***ru
1 Novosibirsk State Technical University, 20 Prospect K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation
Abstract
One of the most promising ways for improving the quality of wear-resistant plasma coatings through the application of multi-component mechanical mixtures of different powder materials has been considered. The typical plasma coating structure of mechanical nickel-ceramic mixture is shown. Research results have shown that the mutual enveloping of the powder mixture particles, their uniform distribution and low porosity are observed in the coating. However, the percentage content of the ceramic in the coating noticeably less than in the initial mixture due to the effect of component segregation during plasma spraying of coating.
Keywords: structure; wear-resistance; plasma coating; oxide ceramic; nickel powder; mechanical mixtures
1 Работа выполнена при финансовой поддержке проекта, выполняемого в рамках гранта РФФИ в 2013 г. и в плановом периоде в 2013-2015 гг. (Номер проекта 13-08-01102 А "Проектно-исследовательская разработка технологической установки для плазменно-механической обработки деталей машин").
