Method and some results of application of the gas-dynamic surface modification technology for machine parts to increase their lifetime

Full Text

Ресурс многих машин и механизмов, изделий и конструкций ограничен не только экс- плуатационными нагрузками, но и воздействием внешней агрессивной среды. Для повыше- ния эксплуатационных характеристик используются разнообразные методы нанесения за- щитных, износостойких и других покрытий с использованием газотермических методов напыления, погружением изделий в расплав металлов или солей. Однако они не всегда спо- собны обеспечить получение покрытия с высокими физико-механическими характеристика- ми. Газодинамическое напыление (ГДН) может составить конкуренцию традиционным ме- тодам нанесения покрытий и расширить области применения, так как имеет ряд существен- ных технологических и экологических преимуществ. Его можно использовать в производ- ственных и полевых условиях в силу того, что качество покрытия существенно не зависит от воздействия внешней среды (температуры, влажности). Покрытие наносится на основе никеля, меди, алюминия, цинка или их сочетания шириной от 6х10 6 м и толщиной до 10 6 м и больше. Мелкодисперсные порошки металлов не нагреваются выше 50°С, и поэтому их фи- зико-механические характеристики не изменяются. В процессе напыления разогрев деталей, изделий и конструкций не превышает 120 - 140°С, благодаря чему геометрия и механиче- ские характеристики сохраняются. Данное преимущество позволяет наносить покрытия на тонкостенные изделия, изготовленные из металлов, имеющих низкую температуру плавле- ния, например алюминия и его сплавов. Этот метод на предприятиях используют для восста- новления геометрических размеров изделий, включая узлы трения скольжения, придания по- верхности защитных свойств от воздействия коррозионной и коррозионно-абразивной сре- ды, герметизации соединений, которые работают при низкой и высокой температуре и т.д. [1]. В работе представлены результаты исследования структуры и свойств покрытий, нане- сённых «холодным» газодинамическим напылением. В установках газодинамического напыления используется рабочий газ (воздух, гелий), который под давлением  6 атм и при подогреве до 600ºС направляется в аэродинамическое сопло (сопло Лаваля), где ускоряется до скорости, в несколько раз превышающей скорость звука. Мелкодисперсные частицы металла, попадая в поток воздуха, приобретают необходи- мую скорость и при соударении с поверхностью присоединяются к ней. Твёрдые частицы корунда, входящие в механическую смесь, деформируют и уплотняют нанесённый металл, повышая характеристики адгезии и когезии покрытия. Свойства покрытия зависят от величины относительного удлинения (  ) и температуры рекристаллизации используемых металлов. При  > 50% пластичные частицы металла при соударении с подложкой и твёрдыми хрупкими частицами корунда деформируются и наклё- пываются с повышением твёрдости до 1600 - 1700 МПа (медь). При повышении температу- ры напыления за счёт низкой температуры рекристаллизации (180 - 320°С) в покрытии про- ходит процесс возврата (отдыха), при котором состояние тонкой кристаллической структуры (решётки) изменяется и твёрдость падает на 300 - 400 МПа (рисунок 1). Повышение твёрдо- сти покрытия обусловлено на 80% деформацией меди и на 20% наличием структурно сво- бодного корунда, массовая доля которого составляет 1,03% [2]. Рисунок 1. Изменение твёрдости меди в зависимости от температуры и времени напыления: 1 - один цикл; 2 - 3 цикла; 3 - 5 циклов; 4 - 5 циклов с последующей термической обработкой в печи при температуре 760°С и выдержке 4 часа Аналогичное изменение твёрдости от температуры и времени напыления наблюдается при напылении алюминия (рисунок 2). Однако у алюминия низкая температура рекристалли- зации и процесс возврата (отдыха) проходит во всём диапазоне температуры напыления (180-540ºС). Рисунок 2. Зависимость твёрдости алюминия от времени напыления, нанесённого при температуре: 1 - 180ºС, 2 - 360ºС, 3 - 540ºС Твёрдость покрытия цинка может достигать  750 МПа при низкой температуре напы- ления и снижаться до 550 МПа при повышении температуры потока воздуха до 540°С. По- крытие состоит из частиц металла и включений структурно свободного корунда, массовая доля которого в покрытии цинка составляет 4-5%. Если у металла относительное удлинение (  ) менее 50% (никель), то при соударении с подложкой и корундом исходная структура (зерно) дробится на фрагменты размером  100 нм и твёрдость возрастает до уровня 2700-2800 МПа. Так как температура рекристал- лизации металла (> 540°С) выше температуры напыления, то изменение параметров процес- са не оказывает существенного влияния на твёрдость покрытия (рисунок 3). Твёрдость по- крытия имеет достаточно стабильное значение и нагрев в печи при температуре 530°С с вы- держкой 2 часа не приводит к её существенному изменению (см. 4, рисунок 3). Только нагрев до температуры 830°С (рекристаллизационный отжиг) с выдержкой 4 часа приводит к значительному снижению твёрдости (см. 5 рисунок 3). Остаточная твёрдость обусловлена наличием структурно свободного корунда, массовая доля которого при температуре напыле- ния 450°С составляет 1,08%. Рисунок 3. Изменение твёрдости никеля в зависимости от времени и температуры напыления: 1 - 180°С, 2 - 360°С; 3 - 540°С; 4 - 540°С с последующей термической обработкой в печи при температуре 530°С и выдержке 2 часа; 5 - 540°С с последующей термической обработкой в печи при температуре 830°С и выдержке 4 часа Прочность сцепления нанесённого покрытия с поверхностью образцов из стали при ис- пытании на сдвиг зависит от свойств используемых металлов (таблица 1). Результаты приве- дены для покрытий, которые нанесены на сталь твёрдостью 44 - 47 HRC. При использовании в качестве подложки более мягких металлов прочность сцепления с подложкой возрастает до 1,5 раз [3]. Таблица 1 Используемые металлы Адгезия, МПа Температура напыления, ºС 180 360 540 Медь 14,4 22,1 42,3 Алюминий 30,5 28,3 23 Цинк 34,7 33 13,7 Прочность покрытия (соединение частичек металла между собой - когезия) также находится на достаточно высоком уровне. Испытания нанесённого покрытия меди, алюми- ния и цинка на разрыв показали, что величина когезии находится в пределах 52 - 56 МПа. При этом если для покрытия меди прочность составляет порядка 25 - 30% от прочности чи- стой меди, то для алюминия и цинка эта характеристика приближается к прочности (80%) исходных металлов [4]. Покрытия меди и никеля были испытаны по схеме палец - диск в сопряжении с контр- телом в форме шарика диаметром 6 мм, изготовленного из стали ШХ15, термически обработанной на твёрдость 61 - 63 HRC (рисунок 4). Исследования пары трения при погружении в ванну с маслом в диапазоне удельных нагрузок 30-60 МПа показали, что коэффициент тре- ния находится в пределах 0,07 - 0,08 (медь) и 0,04 - 0,06 (никель). При этом на поверхности покрытия никеля и меди, нанесённого при температуре 450°С, после испытания были выяв- лены следы пластической деформации (канавки) от воздействия шарика. На покрытии меди, нанесенном при 270°С, следов деформации не обнаружилось, зато на контртеле - шарике - был выявлен износ [5]. Рисунок 4. Коэффициент трения покрытия никеля и меди в зависимости от удельной нагрузки: 1 - покрытие меди 270°C; 2 - покрытие меди 450°C; 3 - покрытие никеля 450°C Проведены сравнительные испытания покрытия меди и образцов, изготовленных из ла- туни Л68, в сопряжении с контртелом из стали ШХ 15, термически обработанной на 61 - 63 HRC при сухом трении. Скорость перемещения контртела относительно образца составила 3,32 м/сек при удельном давлении 0,02 МПа. Результаты показали, что интенсивность изна- шивания медного покрытия, напылённого при 450°С на 18,6% ниже, чем у образцов, изго- товленных из латуни при длине пути в 23700 м. Полученные результаты показали возмож- ность использования метода для нанесения покрытия при восстановлении пар трения сколь- жения. Для выявления антикоррозионных свойств покрытий никеля и цинка были проведены испытания низкоуглеродистой стали 20 в среде слабого электролита (3% раствор NaCl) в те- чение одного квартала. Образцы с нанесённым покрытием полностью погружались в непо- движный раствор на 168 часов и затем в соответствии с методикой промывались, просуши- вались и взвешивались на аналитических весах с точностью 0,001 г. По результатам взвешивания рассчитывались коррозионные потери массы и скорость коррозии [5]. Как известно из теории, сопротивление коррозии резко снижается при наличии в нанесённом покрытии напряжений и открытой пористости. Поэтому при напылении по- крытия никеля на сталь 20 были использованы следующие варианты: 1 - нанесение покры- тия никеля при температуре 450°С толщиной 0,3 мм; 2 - то же самое, только с последующей механической обработкой поверхности наждачной бумагой до 8 класса чистоты; 3 - то же, что в пункте 1, только с последующей тепловой обработкой в течение 1 часа при 300°С для снятия напряжений; 4 - в этом варианте для устранения влияния открытой пористости на со- противление коррозии на поверхность стали 20 было нанесено покрытие меди толщиной 0,3 мм газодинамическим напылением. Затем на него напылялось покрытие никеля толщиной 0,3 мм при температуре 450°С. В данном случае было нанесено композиционное покрытие без переналадки режимов и оборудования только за счёт переключения порошкового питателя на блоке управления. При необходимости композиционные покрытия с сочетаниями металлов Ni, Al, Cu, Zn и т.д. можно наносить на поверхность изделий и деталей исходя из условий эксплуатации. Рисунок 5. Коррозионные потери массы образцов при испытании на сопротивление коррозии в среде слабого электролита: 1 - сталь 20, 2 - сталь 20 с покрытием никеля и обработкой поверхности до  8, 3 - сталь 20 с покрытием никеля, 4 - сталь 20 с покрытием никеля и термической обработкой в течение 1 часа при 300°С, 5 - сталь 20 с покрытием никеля, нанесённым на подслой из меди Таблица 2 Скорость коррозии, кг/м 2 год х 10 15 №1 №2 №3 №4 №5 27,3 14,3 20,0 5,8 1,3 Повышение сопротивления коррозии, раз - 1,9 1,4 4,7 21 Примечание. №1 - сталь 20, №2 - сталь 20 с покрытием никеля; №3 - сталь 20 с покрытием нике- ля и обработкой до  8; №4 - сталь 20 с покрытием никеля и термической обработкой при темпе- ратуре 300ºС в течение 1 ч.; №5 - сталь 20 с покрытием никеля, нанесённым на подслой меди Взвешивание образцов показало, что у стали без покрытия, а также с покрытием нике- ля, нанесённым по варианту 1 и 2, коррозионные потери массы имеют практически прямую зависимость от времени испытания (см. 1, 2, 3, рисунок 5). Термическая обработка образцов значительно понижает коррозионные потери массы при нахождении в коррозионной среде в течение 1160 часов (см. 4, рисунок 5). Только более продолжительное испытание в коррози- онной среде приводит к возрастанию коррозионной потери массы. Минимальные коррози- онные потери массы отмечены у образцов из стали 20, на которые было нанесено компози- ционное покрытие (см. 5, рисунок 5). Нанесение подслоя меди под покрытие никеля позво- ляет снизить открытую пористость и повысить сопротивление коррозии. Полученная скорость коррозии образцов с покрытием показала, что нанесение покры- тия никеля увеличивает сопротивление коррозии в 1,9 раза, а после механической обработки поверхности до 8 класса чистоты только в 1,4 раза (см. № 2 и № 3, таблица 2). Последующая термическая обработка образцов с покрытием сопровождается повышением сопротивления коррозии стали 20 в 4,7 раз (см. № 4, таблица 2). Использование композиционного покрытия, где на подслой из меди наносится покрытие никеля позволяет повысить сопротивление кор- розии низкоуглеродистой стали в 21 раз (см. № 5, таблица 2). Испытание на сопротивление коррозии покрытия цинка, нанесённого на образцы, изго- товленные из стали 20 методом газодинамического напыления, проводилось по сравнению с образцами из стали 08Ю, покрытыми цинком методом горячего цинкования. Коррозионные потери массы образцов с покрытием, нанесённым газодинамическим напылением до 1500 часов испытания в растворе слабого электролита выше, чем у образцов, покрытых методом горячего цинкования (см. № 2 и № 3, рисунок 6). При продолжении испытаний они начина- ют снижаться, а у образцов из стали 08Ю с покрытием цинка методом горячего цинкования возрастают и к окончанию испытания значительно превышают аналогичные показатели для стали 20 с покрытием, нанесённым газодинамическим напылением (2016 часов). Рисунок 6. Коррозионные потери массы образцов при испытании на сопротивление коррозии в среде слабого электролита: 1 - сталь 20, 2 - сталь 20 с покрытием цинка, нанесённым методом ГДН, 3 - сталь 08Ю с покрытием, нанесённым методом горячего цинкования Покрытие цинка, нанесённое газодинамическим напылением, повышает сопротивление воздействию коррозионной среды низкоуглеродистой стали до 45 раз, что в 1,5 раза больше, чем при использовании метода горячего цинкования (таблица 3). Технология используется в машиностроении для устранения дефектов (трещин) алю- миниевого поддона автомобиля «Вольво», защиты сварных соединений (швов), восстановле- ния посадочных мест подшипника электродвигателя, устранения дефектов литья, ремонта трещин на головке блока цилиндров двигателя, восстановления посадочных мест подшипни- ков на валу (рисунок 7 а и б) и т.д. [7]. Таблица 3 Скорость коррозии металлов и сплавов, кг/м 2 год х 10 15 №1 №2 №3 27,3 0,6 1,0 Повышение сопротивления коррозии, раз - 45,5 27,3 №1 - сталь 20; №2 - сталь 20 с покрытием цинка, нанесённым газодинамическим напылением; №3- сталь 08Ю с покрытием цинка, нанесённым методом горячего цинкования Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-08-00634 А. Выводы Свойства покрытий, нанесённых газодинамическим напылением, зависят от технологиче- ских режимов напыления и физико-механических характеристик металлов, а именно температуры рекристаллизации и относительного удлинения. Газодинамическое напыление позволяет наносить многофункциональные покрытия с высокой прочностью сцепления с основой (адгезия ≥ 43 МПа) и достаточной для эксплуата- ции когезией ≈ 55 МПа. Твёрдость наносимых покрытий никеля, меди, алюминия, цинка достигает 2700 МПа, 1600 МПа, 1100 МПа и 700 МПа соответственно, что предполагает возможность их ис- пользования в условиях абразивного и коррозионно-абразивного воздействия. Коэффициент трения покрытия меди и никеля в сопряжении со сталью имеет достаточно низкое значение (0,07 - 0,08 и 0,04 - 0,06 соответственно) при условиях работы в масля- ной ванне, а в условиях сухого трения покрытие меди имеет меньший износ, чем латунь. Покрытие никеля и цинка позволяет повысить сопротивление коррозии низкоуглероди- стой стали в среде слабого электролита до 20 и 45 раз соответственно. Метод газодинамического напыления многофункциональных покрытий может найти ши- рокое применение при ремонте изделий и восстановлении деталей, работающих в усло- виях воздействия коррозионной и коррозионно-абразивной среды, включая пары трения скольжения. а) б) Рисунок 7. Ремонт блока цилиндров (а) и посадочного места на валу (б) Литература

About the authors

G. V Moskvitin

Blagonravov Institute of Machines Science of the Russian Academy of Sciences

Email: gvmoskvitin@yandex.ru
Dr.Eng., Prof.; +7(499) 135-77-90

V. E Arkhipov

Blagonravov Institute of Machines Science of the Russian Academy of Sciences

Ph.D

A. F Londarskiy

Blagonravov Institute of Machines Science of the Russian Academy of Sciences

Ph.D

A. N Polyakov

Blagonravov Institute of Machines Science of the Russian Academy of Sciences

Ph.D

M. S Pugachev

Blagonravov Institute of Machines Science of the Russian Academy of Sciences

N. V Shirokova

Blagonravov Institute of Machines Science of the Russian Academy of Sciences

N. S Falaleev

Blagonravov Institute of Machines Science of the Russian Academy of Sciences

References

Supplementary files