Композиционные конгломерированные порошки и износостойкие плазменные покрытия на основе твердых растворов TiC x N z и TiZr1-n C x N z тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ХИМИИ ТВЁРДОГО ТЕЛА

¡1а правах рукописи

Толстобров Александр Клавдиевич

КОМПОЗИЦИОННЫЕ КОНГЛОМЕРИРОВАННЫЕ ПОРОШКИ И ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ТВЁРДО РАСТВОРОВ 71 с* А^ и ^п СХ

(Специальность 02.00.01. - Неорганическая химия)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканиз учёной степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1992

- г -

Работа выполнена в Институте химии твёрдого тела Уральского • отделения АН СССР. .

Научный руководитель - ка"дидат химических наук, старший .

научный сотрудник Митрофанов Б-В.

Научный консультант - академик Швейкин Г.П.

Официальные оппоненты - доктор химических наук, старший

научный сотрудник Сухиан А.Л.

- канидат технических наук, доцент Обабков Н.В. °

Ведущее предприятие - Институт металлургии УрО All СССР

Защита состоится "^if "0 с¿/¿л/-/7 1992 г. в /У ^"часов на заседании специализированного совета Д 002.04.01. в Институте химии твёрдого тела Уральского отделения Ail СССР.по адресу: 620219, Екатеринбург, ГОТ-145, ул. Первомайская, 91.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского отделения АН СССР.

Автореферат разослан 1992 г.

Учёный секретарь специализированного

. - 3 -

ощш харшеристш. ракш

Актуальность темы«. В условиях ужесточения режимов эксплуатации узлов и механизмов современных машин и промышленных агрегатов, особое значение приобретает? проблема надёжности и долговечности деталей технологического оборудования, машин и инструмента.

Одним из перспективных и эффективных методов упрочнения поверхностей конструкционных материалов является пяазмённо- порошковое нападение износостойких покрытий. Однако, покрытия из серийно выпускаешь порогов нэ удовлетворяют в полной мере возрастаюзрзм требованиям, предъявляема? к рабочим поверхностям деталей современных иашин и агрегатов. В связи с этим, актуальной является задача разработки порошковых материалов, обеспечивающих более высокие свойства плазценкнх покрытий на их основе. В этом отношении перспектиз-ннми являются композиционные материалы на основа тугопяазкзк соодинокий титана.

3 наетояярэ время ещё недостаточно проработаны вопросы получения- порошков подобных композиций, отработки их конструкций и напыления покрытий. Совершенно не изучены процессы кеяфазного взаимодействия в конгломерярованшос порошках и механизм формирования из них композиционных покрытий. Не установлено влияние этих процессов на структуру, физино-механическиз л эксплуатационные характеристики кскпоэпцяоннах слоев. Решение перечислениях шше вопросов, а такге создание изделий с износостойки!,ш композиционными покрытиями представляет большой научный и практический интерес.

Цель работа. Разработать новне композиционные порошкоЕке материала я износостойкие плазменные покрытия на основе ~П С N и Ъ2гСАу с поЕгпзшпши физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Определить области их практического применения.

Научная новизна. ИсслэдоЕана особенности взаимодействия коша-

нентов композиций при напылении конгломерировакшх порошков на оо-нове тугоплавких соединений. Определён механизм формирования из них плазменных покрытий. Установлена зависимость иелду процессами, происходящими в распыляемых конгломерированшх частицах, структурой композиционных покрытий и их свойствами. Определены параметры, позволяющие регулировать структуру и свойства покрытий из конгло-мерированных порошков.

Изучены структура, фазовый состав, физико-механические и эксплуатационные характеристики покрытий на основе карбонитридов титана с различными Ме-связками. Определены оптимальные составы композиций. Исследовано влияние Мо на структуру и свойства покрытий 1íCM-M -ño nTíZrCA/ -1/¿-Мо . Оптимизировано содержанке Мо в N¿- . Мо связке композиций. Изучено влияние основных параметров рекииа. напыления на свойства покрытий. Оптимизирован режим плазменного напыления композиционных порошков."

Практическая ценность. Разработаны ноше композиционные по-

I ' *

рошковые материалы и износостойкие плазменные покрытия на основа

A/0iS и Ti Co^M^s со связками из сплавов на основе A/i н R?, обладающие плотной структурой и высокими физико-ыеханическики свойствами. Определены области их практического применения. Разработаны опытно-промышленные технологии изготовления конглоыерирозанных порошков кг пылевых отходов производства твёрдых сплавов ЛЦК20 и KHTI6 и плазменного напыления покрытий на детали технологического оборудования, позволившие повысить их эксплуатационную стойкость в 2...б раз. Организован опытно-прощзшленный участок производства конгломерированных порошков на Нижнетагильском металлургическом комбинате. Технологии упрочнения реыонтно-эксплуатацконных изделий внедрены в соответствукцих службах ШЗ и НШК. Годовой экономический эффект составляет соответственно 20 и 125 тис. руб.

Апробация работы. Основные результата работа дологены и обсуя-денн на: региональных научно-технических конференциях "Прогрессив-ныо технологии нанесения металлопокрытий на детали машин" /Челябинск 1985/", "Защитные покрытия" /Свердловск 1989/, "Применение порошковых материалов для упрочнязщих и- восстанавливавших покрытий" ЛЛаиштогорск-ЧелябинсЕ 1991/; Всесоюзных научно-технических конференциях "Восстановление и упрочнение деталей машин и оборудования газотермическш напылением и наплавной" /Нуля. 1939/, "Интенсификация металлургических процессов и пошшзние хсачества металлов и сплавов" /Тула 1990/, "Восстановление и упрочнение деталей металлургических агрегатов наплавкой, напылением и термообработкой" /Москва 1990/; V Республиканском научно-технической семинаре "Электрофизические технологии в порошковой металлургии" /Москва. 1990/, 1У Украинской научно-технической конференции "Современные методы наплавки, упрочняющие зглрстные покрытия и используемте материалы" . /Харьков 1990/.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ в_центральных яурналах и сборниках тезисов докладов.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 147 наименований, приложения, включает 20 таблиц и 25 рисунков. Текстовая часть диссертации изложена на 112 страницах машинописного текста.

СОДЕЕШИЕ РАБОТЫ I. АНАЛИЗ ЖТЕРАГОШХ ДАНШХ й ПОСТАНОША ЗАДМ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рассмотрены основные предпосылки и дано обоснование выбора составов композиционных порошковых материалов, их конструкции, способа получения и ланесенвд на поверхности деталей машин.

В этом отнесении, перспективными являются композиции на основе карбонктродовИСЛ/ и Т&СЛ/ , сцементированных сплавами на ни-

- б -

келевой основе, особенно /V' -/¡о, а также более дешёвыми сплавами на основе , легированного М' , Сг и А)о . Наиболее эффективным методом нанесения таких кошо?тций является плазменное напыление композиционных конгдомерированных. порошков, изготавливаемых методом распылительной сушки с последующей термообработкой гранул. Оптимальное содержание материала связки в композициях составляет 55..65 мае :. 55. Проведенный анализ позволил выбрать перспективные составы композиций /табл. I./ и сформулировать следущие задачи исследования:

■Таблица I.

Составы композиций для нанесения износостойких покрытий

Р п п Условное обозначение Составы, мае

I НШ50Н50 501 С^М* - 50 М:

2 гСНТ50Н25М25 507- 50 /М - 50 л! о /

3 КНКШ50 507*1 С»* М>> - 50 Ре

4 КН235Н45Щ6 357^^ - 65 /АЛ - гЪНс /

= Жр35К49М16 55 71 - 65 /М - 25Ао/

б КН135Н52Х[3 35ЪСс,гЛ>г - 65 //Л - 20Сг/

7 ЛЦК35Е53НШЭ ЗоТ.^гг^Аг-Ц^ 6:65 /Ре - 14,2//. - 4,8Я«/

1. Изучить структуру и фазовый состав композиционных спечённых порошков и напылённых "покрытий на основа карбонитридов тктана с Ме-связками из сплавов на основе М и Ре, зависимость их от состава композиций. Определить составы порошковых композиций, обеспечиваю-пдсс получение покрытий с наиболее качественной структурой.

2. Изучить особенности межфазного взаимодействия при нагреве конгяомерировашшх порошков в струе плазмы. Выявить механизм формирования струтауры керметшх покрытий, напыляемых конгломерирован-ными порошками. Определить параметры порошковых материалов, оказы-заюгих определяющее воздействие на структуру покрытий.

3. Изучить физико-механические и технические характеристики

композиционных покрытий. Установить зависимость свойств от составов покрытий и условий их нанесения» Шязить наиболее перспективные составы покрытий, определить области.их практического применения.

4. Выявить влияние ГЛо на структуру, физшга-мэханичегкио и эксплуатационные свойства покрытий T¿ С- д/ - A/i -Ни и С-Д/ - f-Ji - На , Оптимизировать содержание Lio в /А -На связке ктс-шозиций.

5. Провести сравнительный анализ структуры и физико-мехакичес-ких свойств композиционных порошков и покрытий TiC,V - /<Л - Ми , полученных из пылевых отходов производства безвольфрамовых твёрдых сплавов, поропгков и покрытий, полученных из мелкодисперсных порошков исходных компонентов. Оценить целесообразность переработки отходов производства безЕОльфрамовых твёрдых сплавов с целью получения- композиционных конгломерировзшых порошков.

6. Разработать опшвсцпраивэленную технология производства конглсиерарозанних порошков. Изучить фгапко-кзханичесЕкз е технологические свойства порошков, полученных на оборудовашпх K31G,

7. Определить оптимальный реким плазменного напыления композиционных конгясыерированных порошков,

8. Разработать технологические процессы плазменного напыления износостойких покрытий на поверхности деталей машин и оборудования, работащих в условиях интенсивного изнашивания. Оценить работоспособность деталей с покрытиями и технико-экономическую эффективность разработанных технологических процессов.

■ 2. ошган и метода. исследования

Изготовление композиционных конгломерированных порошков проводили мэтодоы раслнлптельной сушки суспензий на основе мелкодисперсных /<10 мкы/ порошковых композиций /см. табл. I./ и последующего высокотемпературного вакуумного спекания конгломератов. -Зрак-

ционный состав порошков, насйпную плотность и текучесть определяли по стандартным методикам. Напыление образцов покрытий производили на установке УПУ-ЗД плазмотронам Ш-25.

Металлографические исследования, микрорентгеноспектральный анализ и фазовый состав порошковых частиц и покрытий проводили с помощью микроскопа МеорМ - 21, микроанализатора Сат&Вах и фракто-метра ДР0Н-С,5 соответственно. Пористость покрытий определяли методом гидростатического взвешивания, а прочность сцепления со сталью штифтовым методом. Микротвёрдость измеряли на приборе ШТ-3, твёрдость /по шкале НКА/ - на приборе 1К-2.Ч. Испытания износостойкости в условиях сухого трения- скольяекия проводили на машине трения СГ1Щ-2 по схеме диск-колодка и по разработанной ускоренной методике; в условиях абразивного и газоабразивного изнашивания по методикам Бринелля-Хаворта и Веллингера и Уэтца соответственно. Окалиностой-кость покрытий оценивали термсгравитометрическш методом.

Оптимизацию режимов напыления покрытий осуществляли с помощью метода-математического планирования эксперимента. Все математические операции и рассчёты выполняли на ЭШ ДШЗ.

3. МШАЗНОЕ ВЗАИЩЕЙСЗШЕ И МЕХАНИЗМ 6ШЛИРСШШ КОШОЗЩЙ-СШНЫХ ПСКШТИЁ ПРИ НАШЛЕНИИ КШГЛШЕРЖШШЩХ ПОНШКШ Важной особенностью напыления покрытий композиционными порсш-ками является развитие в объёмах их частиц процессов мекфазного взаимодействия, которые играют важную роль в формировании покрытий к оказывают существенное влияние на качество их структуры и свойства.

Частицы исходных кокгломерированных порошков всех-^составов представляют собой сферические пористые образования, состоящие из равномерно распределённых и спечённых между собой мелкодисперсных /размером до 10 мкм/ субчастиц карбонитридов титана и металлов сплава-связки. Пористость исходных конгломератов составляет 40..55 ?£.

Экспериментальное изучение явлений , происходящих в частицах конгломерированных порошков при нагрева их в плазменной струе, осуществляли- путём исследования структуры частиц, полученных распылением порошков в водянуп ванну. При помощи металлографического и микрорентгеноспэктралъного анализов, а также замера микротвёрдости гранул установлено, что у основной части распшхённшс частиц с А'' -Но связкой /75..90 Н от общего их числа/, не зазисмло от её со-дбрзания, в центре формируется плотное ядро светлого тона, окружённое оболочкой мелкодисперсной зернистой структуры. Ядро состоит из сплава-связки с отдельными распределёнными в ней включениями парбонитридов титана. Оболочка - состоит из плотно пртаегапщих друг к другу включений карбоштрцдов титана, пространство мзяцу которыми заполнено тонкой плёнкой сплава сеязхи. В результате морфологических преобразовала диаметр композиционных частиц уменьшается па 25. .46 Дтя композиций с А^ - Со связкой количество таких частиц составляет" 46..50 Й, а с М - связкой - 8..12 % от общего числа распылённых конгломератов. Остальные гранулы имеэт малоигмекённую по-ристув гомодисперснута структуру. Размеры таких частиц не изменяются.

Анализ полученных результатов позволил дать им следующее обьяснениз. При разогреве композиционных частиц в плазменной струе, происходит расплавление металлических субчастиц и растекание образующегося расплава по поверхности тугоплавких включений, находящихся в твёрдом состоянии на всех стадиях напыления. Капли расплава, хорошо смачивающего поверхностьТ^СА/ - включений /в случае использования ИД' -Н* сплава/, растекается по ним, образуя в объёме композиционной частицы сплошную сетку расплава. Под воздействием сворачивающих усилий, обусдстленных силами поверхностного натяжения расплава, происходит миграция последнего к центру гранулы и сворачивание в сферическую капли. В ходе миграции, расплав заполняет все пора и

нзсплсптосш внутри конгломератов, а находящиеся на периферии тугоплавкие частицы,, под действием сил адгезии их к расплаву, стягиваются к поверхности капли, образуя духфазную оболочку. В .результате, размеры композиционных частиц уменьшаются на величину, близкую величию их пористости. При использовании связок, обладающих худшей смачиваемостью по отношении к поверхности карбонитридов титана /например//¿-Сг , /Л'/, металлические расплавы композиций ке полностью смачивают и. растекаются по их поверхности. Сплршой взаимосвязанной сетки расплава не образуется,, к . сворачивания расплава в одну каплю не-происходит. В этом случае образуется множество микрокапе ль Ме-сзязки, каждая из которых смачивает и обволакивает некоторое количество тугоплавких включений. Проплавленные частицы сохраняют исходную гомодисперсную структуру, размеры и пористость.

Гетерогенная структура сформировавшихся в плазменной струе композиционных частиц с М - Но и частично с //¿-Сг связками, в значительной мере сохраняется и в напылённых покрытиях. Покрытия состоят из микрослоёв, обогащенных либо по тугоплавкой, либо по металлической составляющей. Такие микрозоны шеют вид изогнутых полос, расположенных преимущественно вдоль-поверхности подложки. Широкий интервал значений микротвёрдости композиционных слоев /табл. 2./ подтверждает наличие микрослоистости. В сформировавшихся-из гсыо-дксперсных частиц композиционных покрытиях ьшкрослоистость практически не обнаруживается. З^топяавкие включения в матрице распреде-1 лены более равномерно, что подтверждается и уменьшением интервала значений микротвёрдости покрытий с ^'связкой, по сравнению с М'-^Ь • 2,:эсте с тем, формирующиеся из таких конгломератов покрытия, имеют большее количество пор, раковин и несплокностей на границе с подложкой и по всему сечению напылённого слоя.. Такаяже структура характерна для покрытия с & связкой. Более плотные покрытия с качествен-

ной зоной сплавления с основным, металлам, формируются из частиц с гетеродисперсной структурой, что обусловливается их лучшей деформационной способностью и растекаемостьв металлического расплава вдоль поверхности подложки, отсутствием пор, а такгэ уменьшенными размерами распыляемых частиц. Тккая структура характерна для покрытий с /Л - Но связкой. Качество структуры покрытий ей- М -Мг и л£- С г связками зашагает прокетсуточное положение. Угеличекиз содержания Ме—связки ■ композиций с 50 до 65 мае 55 позволяет существенно улучшить плотность и снизить количество дефектов в напыляемых слоях, что тазже обусловливается улучшением дзформируеыости.часткц при соударении с подасаког? и растекаемости по ней расплава Мз-связнн,

Рентгенофазовый анализ порошковых смесей, спечённых порошков, распылённых порошков и напыленных покрытий показал, что процессы иегфазного взаимодействия пр1-1 распылении конглсмерироваиных порошков не ограничиваются явлениями на границе твёрдая - жидкая фаза и кзмененяя&и гюрфодсивг конгломератов. Эдё на стадии спекания порог-коз протекает процессы взаимного растворения металлических компонентов композиций с образованием гомогенных твёрдых растворов на основе /Л или Ре, а таюга частичного растворения в Ме-фазз компонентов тугоплавкой фазы. В процессе напыления и формирования покрытий эти процессы получает дальнейшее развитие, однако, фазовий состав спечзншх порсетов в значительной мере сохраняется и в покрытиях.

Выявленные особенности явлений мезйазного взаимодействия в конгдемерированннх порошках, юс влияния на механизм формирования композиционных слоев,, позволяют целенаправленно воздействовать ка характер протекания этих процессов, за счёт подбора состава Мз-спязки композиции, прогнозировать структуру, а следовательно и свойства нгпшкгккх погрштий.

- 12 -

4, ШЗЛВДШШ ШЬОТМЕХШЧШШХ II гНПГШУАТАХЩОНШХ

сзопств 1шюзищшах шйзишшх шйншй ■

Пплучзнкыэ результата /табя. 2./-показывают, что повышение в порошковых композициях содержания Ме-связки с 50 до 65 мае °Л приводит к снижению пористости в среднем от 10.1. .14,8 % до 6,9. .9,7 'А. ото хорошо согласуется с результатами исследования структуры покрытий и оо'ьясняатся лучшей деформируемостью к растезаемоотью соударяющихся с подложкой конгломератов, содеркащнх большее количество Ме-связки. Покрытия всех составов, содеркалрк 65 ¡¿ас ^ связки, имевт талшз повшенцук прочность .сцепления со сталью, существенно превосходя по этому показателю интерметаляидные покрытая, используемые на практике для нанесения подслоев с целью повышения адгезии ващиг-кых покрытий различного назначения. Средние значения юпфотвёрдсстк покрытий с 50 мае й Ме-связки екшз, чем покрытий с 65 мае что объясняется большей концентрацией тугоплавких включений. Макстг^ь-ные значения микротвёрдоети не превышают 2Н,2*103 МПа, что объясняется малыми /1..8 цкм/ разкераш: тугоплавхшх вваазчеиий и изменением их етехиометричаского состава, за счёт частичного растворения в металлических расплавах, в процессе напыления. Широкий диапазон ана-чениЗ микротвёрдоети обусловлен характерной, слоистой сгрумурой напылённых слоёв. В отличии от микротвёрдоети, более высокие значения твердости соответствуют покрытиям, содзраащям 65 мае 5» Мэ-свя-з-ки. Это объясняется тем, что твёрдость покрытий определяется не только концентрацией твёрдой тугоплавкой .составляющей, но и пористостью напылённого слоя, снижение которой приводит к повышению • твёрдости.

Однако, более существенное влияние на свойства покрытий оказывает состав Ме-связки композиций. Минимальной пористость», максимальными значениями прочности сцепления, твёрдости и микротвёрдости

Таблица 2.

йвкко-иазшничэеггв к эжилуатЕциеЕккэ свойства зомпогащкояшг:

плазменных поктлкиа

Г2 'р п п ' Условное обозначению порошка Открытая пористость, % Прочность СЦЗПЛгНЛЯ, г.'Т,^ Тз8о-доо^ь-1 УлкрсТБер'- | |

I КНТ50Н50 14,2.„15,8 28,2.-39,4 53,.65

2 КНТ50Н25М25 9,5...10,6 39,4..43.2 64.. 65 6.9...22-2 '

3 ККТ50К50 12,0...15,4 23,4..41,4 54..61 4.5___10,5 |

4 КН1г5Н4й;11б 7.5...10.7 47,4..54,1 70..72 6.4.,,14,4|

4а КШ35Н49;Яб /из о?х,/ 5,3...7.8 41,2..43,4 74. Л5 5.2...15,3;

5 ЖК23Н43Д16 7,5,..10,2 147,2..52,1 Г<"Т / а • 6,0.. .П Л 1

б ККТЗЗгШПЗ о,7...10,7 46,3..£0,2 62..64 /, о.. .9 .'".* ;

7 ЛЩ35Н53КЙ.13 46,1..49.3 62. .63

8 1 ПС-12НЕС-01 - !

кз пп Износостойкость э условиях |

■сухйб ррения скольяения абразивного изнашивания гаооаЛтжзкЕКЗга ]

уменьшение диаметра образца при испытаниях по схеме "диск-колодца", км. Время исп. 33 ч длина лунки износа при испытаниях" по ускоренной методике, ш. Воемя ксп. 100" с

вэсоеой износ, г. Время ксп» 42 мин. Зэсоеой мг/см-, абразива 5>гсл износ, расход лО кг.

15° 60°

i 0,13 3,5 0,735 77,6 206,7

2 0,05 2,0 0,620 190.8 406,3

3 - 2,625 0,490 -

4 0,08 2,0 0,46 86,2 194,3

4а 0,10 2,25 0,520 84,0 239,8

5 0,07 2,0 0,460 87,1 193,4

5 0,11 2,25 0,625 72,0 173,6

7 0,СЗ - 0,46 91,2 183,1

8 0,19 4,375 0,410 93,2 175,3

о&идазг покрытия из комлознцкЗ с Л*-Л« связкой. Обуслоздагае-гся .")тэ5т.орол:е:'1 о'глчигзэасотьэ «арбоничр^дсз тзггатэ /Л -/<» расплаг"^-!,

особенностями межфазного взаимодействия и морфологии соударяюцигся с подложкой порошковых частиц и другими свойствами материала связки. Покрытия из композиций с Те- Л/£-М> и связками по уровна своих свойств незначительно уступают покрытиям с Лк-Мо связкой. Гудшие показатели получены для покрытий с № и йг связками.

Испытания образцов покрытий в различных условиях изнашивания показали, что в условиях сухого трения скольжения разработанные покрытия всех составов в 2..4 раза превосходят оплавленное сокрытие УС - М:, С г ,в ,Л сплав /Ш-12НЕК-01/ и закаленную сталь 40Х. Повышенная износостойкость покрытий обусловливается высоким уровнем свойств тугоплавкой фазы композиций, особенностями структур! напылённых слоев и достаточной для этих условий трения когезконной прочностью составляющих- их частиц. Снижение износостойкости композиционных покрытий в условиях абразивного и. газоабразивного изнашивания объясняется их пористой структурой и пониженной по сравнению с оплавленным покрытием когезконной прочностью составляющих их частиц. Тем не менее, ряд покрытий и в этих условиях не уступает износостойкости покрытия из ПС-12НШ-01. Повышение физико-иаха-кических характеристик .покрытий за счёт увеличения до 65.мае % содержания Ме-связки и изменения её состава, привадит к увеличению их износостойкости. Максимальной сопротивляемостью изнашиванию обладают покрытия, содержащие 65 мае ЯМ -Но К &-Но связки. В условиях газоабразивного изнашивания наиболее предпочтительны ■композиции с более пластичпттМ-Сп и Ге-М' -Мо связками.

Уровень свойств -напылённых покрытий при замене в композициях тугоплавкой фазы!2СУ наТ¡ЯМ ке изменяется, а использование в качестве исходных компонентов композиций пылевых отходов производ- ' ства безвольфрамовых твёццых сплавов приводит лишь к незначительному снижению износостойкости покрытий.

Рис. I. Елияние содержания Мо на пористость /I/, прочность сцепления /2/, 1зёрдость /3/, микротвёрдость /4/,' износостойкость в условиях сухого трения скольжения /5/, абразивного /б/ н га-зоабразивкого /7/ изнашивания покрытия 35ЧСМ- 65 -Но/,

Испытания окалнностойкссти показали, что покрытия из композиций с fe- //¿-fio п /Л-Ма связками практически из окисляется при температурах до 400 и 600°С соответственно. При более высоких температурах - до 800°С не обходило использовать композиции с Ni -Сг связкой, катертл которых надежно зазнавается от окисления обрацушейсз плотной плёнкой оккси храма'."

Для выявления оптимального содержания Но в Ni-Но сеязкз, являющейся- наиболее перспективной для композиционных покрытий, било исследовано влияние Но на свойства кашлённых слоев на примере композиции 35 мае ЯША/- 65 мае % ///, -Mol. С введением небольшого количества Мо /10 мае %f a Ni связку, происходит существенное улучпэ-ние scex свойств композиционного покрытия /Рис. I./. Это обусловливается изменением характера процессов ыекфазного взаимодействия в гранулах, механизма формирования покрытий н улучшением гачзетва кх структуры. Дальнейшее увеличение содержания Ь!о з связке.пргшодет, э основном, к ухудшении эксплуатационных свойств покрытий. Па основа-

нии комплексного анализа свойств, выявлено оптимальное содерганке Мо - 10 мае % в /Д' -Но связке композшршнных покрытий.

Анализ полученных результатов позволил выделить, как наиболее перспективные, ко;,¡позиции: 35 мае Т^С//С/// - 65 мае 55 //Л -10 мае % Мо/ и 35 мае ^ША'/иллТ^СЛ// - 65 мае % /Ре - 14,2 мае % /Л ~ 4,8 мае % Мо/ и предложить их к промышленному производству« 5, 1РЛ1ЖЖСК0Е ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КШШЗЩИОНШХ ГОКШТйЙ

С целью организации серийного производства композиционных порожков, разработана технология их получения на промышленном оборудовании. Операцию конгиомерирования порошков проводили по ранее разработанной тежслогик сулки суспензий распылением. Регзвщ взису-умного спекания разрабатывали для каждой композиции отдельно, а технологию спекания в различных условиях на примере композиции КНТ35-Н49Я6.

Спекание проводили в две стадии. На первой стадии путём нагрева и вздержки при температуре 600°С удаляли из конгломератов органическую связку. Вторую стадию - высокотемпературное спекание проводили с целью упрочнения гранул. В результате, были установлены рациональные режимы спекания конгломератов в вакууме 10~^мм рт ст,. Температура спекания колеблется от 1200 до 1250°С в зависимости от состава композиций, Скорость нагрева, вследствии интенсивного газо-вццеденнн, ограничивается 16..17 град/мин, а время выдержки при температуре спекания - 20..30 мин, поскольку его увеличение ухудшат условия для развития при напылении процессов межфазного взаимодействия, Напылённые из таких порошков покрытия обладают высокий

' о

уровне« свойств /табл. 2./. Увеличение глубина вакуума до 10 ;;

рт ст и времени вццержки гранул при температуре спекания дэ 20. АО як, 'позволяет ¿лучпитъ свойства напыляемых кия покрытий. /Длк ктыпозпцзи НН735Н4ЭЯ6: микротвёрдость 6,6. Л о, 2* 10":'Па, проч-

нссть сцепления 48,2..56,1 МПа, длина лунки износа 1,875 мм/. Объясняется это созданием в процессе спекания более благоприятных условий для развития при напылении процессов мекфазного взаимодействия в гранулах. Спекание в среде водорода позволяет увеличить скорость нагрева лорошксз до 30 град/мин и получить покрытия по свойствам не отличающимся от напылённых порошками спечёнными в вакууме 10_2мм рт ст. Яри спекании в среде азота, получить качественные порошки не удалось.

Полученные в промышленных условиях композиционные порошки обладают требуемым для напыления гранулометрическим составом и удовлетворительной текучестью /69..88 с/ при невысокой насыпной плотности '/1,22. Л,56х104 НАГ3/.

Разработанная технология'изготовления конгломерированнкх порошков внедрена на Нижнетагильском металлургическом комбинате.

При разработке технологии нанесения покрытий конгломврирован-нкыи порошками, проводами оптимизацию режимов их напыления на примерз композиции КНТ35К5Ш7. В качестве изменяемых были выбраны факторы /табл. 5./, определявшие условия разогрева порошков в струе шгаеш. Интервалы варьирования подобраны исходя из г-ггмокносгей

*&бляца. 3,

Перечень факторов и интервалы варьирования

©ак- Наименований Обозначение Уровкл ! .й'гтервая

тор -I 0 Л В2ККЯ

•V лт Ток дуги, А , I 300 350 400 Ш

Лг) Расход пяагмеобразукце-го газа, А. »ЛЬ , л/мин йгаз. '50 65 ео 16

% Отношение содержания М к Ас в плазмосбразу-лцеи газе, раз ¡■¡г/кг 0,3 0,-4 0,5 : ОД

-4 Расход порошка, кг/час йпор- 0,57 1,03 1,59 0,51

-16 - -

установки УПУ-ЗД. Поскольку, основное назначение разработанных покрытий - защита поверхностей деталей от интенсивного изнашивания трением, в качестве параметров оптимизации были выбрана: износостойкость в условиях сухого трения скольжения /У§/ и твёрдость покрытий /У$/. Полученные в результате обработки данных, эмпирические уравнен"? регрессий имеют вид:

У5 = 2,04 - 0,32 Xj + 0,76 Х2 - 0,31 Xg - 0,03 Х4 - 0,13 XjXg + + 0,13 XjX3 - 0,02 ХХХ4 - 0,23 Х2% - 0,02 3%Х4 + 0,03 Х^Х4 + + 0,05 X? + 0,02 х| - 0,12 + 0,19 х|. У6.= 65,71 + 0,49 Xj - 6,00 Х2 + 0,50 Xg + 0,04 Х4 - 0,55 XjXg -

- 1,51 XjXg + 0,06 ХХХ4 + 0,18 XgXg + 0,26 XgX4 - 0,19 XgX4 -

- 1,16 xf - 0,68 + 1,83 X§ + 0,33 зф

Согласно статистической оценке, на пятипроцентном уровне значимости модель адекватна и все коэффициенты значимы. Наиболее ваг-ным фактором при напылении конгломерированных порошков является расход плазмообразузощего газа, причём его влияние противоположно существующим в практике напыления, представлениям, в том числе и при напылении лакированных порошков на основе Ti С . Снижение расхода пяапмообразущего газа приводит к повышению,износостойкости и по-вшеншо твёрдости покрытий. Увеличение 1д, f^jAri/i до определённых пределов Q пор, приводит к улучшению параметров оптимизации. Это объясняется и подтверждает полученные в главе 3 результаты влияния характера менфазного.взаимодействия в конгломерированных частицах на структуру н свойства покрытий.

G помощью симплекс метода по программе SI MA был рассчитан оптимальней резин напыления покрытия КПЭ5Н58М7 плазмотроном ПП-25 : I - 393,7 к; G газ = 50,06 л/wm; ty/An = 0,495; Q пор - 1,067 кг/час. При атом, достигасгся максимальная твёрдость покрытия -

- 19 -

72 НЕЙ. и минимальная длина лунки износа - 1,060 мм.

Разработанные технологии напыления покрытий на детали машин и механизмов, работавших в различных условиях изнашивания, Енедрены на Нишетагильском металлургическом комбинате и Высокогорском ые- . ханическом заводе. Срок эксплуатации упрочнённых деталей повысился в 2...6 раз. Годовой экономический эффект' составил 125 и 20 тыс. руб. соответственно.

ВЫВОДЫ

1. Изучены структура к фазовый состав конгломерированных порошков и напылённых из них покрытий. Установлено, что при спекании конгломератов протекают процессы взаимного растворения металлических компонентов композиций с образованием гомогенных твёрдых растворов, а также частичное растворение тугоплавко^ фазы в Ме-составляю-щей. Покрытия из конглсмерированных порошков по своей структуре а фазовому составу выгодно отлпавтся от покрытий, напыляемых плакированными порошками ка основе тугоплавких соединений. Выявлено, что качество структуры композиционных покрытий и характер распределения з матрице тугоплавкой фазы существенно зависят от сослана Ке-связкз и её содержания в надаляеннх композициях. Наиболее плотной структурой, с минимальным количеством дефектов» обладай*? покрытия из композиций с 65 мае % Mi-He и в меньшей степени Тс - tA-Hni М-Ср связками.

2. Изучены особенности мегфазного взаимодействия а конглемзрн-рованных порошках при' натрэвз их з струе плазмы. Установлено, что

в объёмах конгломерированных частиц, одновременно с взаимным растворением компонентов, их химическим взаимодействием с газшги, присутствующими в плазменной струе, развкваятся процессы взапмодей-стеия расплавленной Ые-фазы с находящимися в творцом состоянии мелкодисперсными включениями тугоплавкой составляищей порошковых

композиций. Результатани такого взаимодействия в зависимости от состава Ые-составкяицей и условий смачиваемости поверхности тугоплавких включений металлическими расплавами, могут Зыть различной степени изменения морфологии частиц напыляемых пороиков и перераспределение Ме- и тугоплавкой фаз по объёму конгломератов.

3. Определён механизм форшрования структуры покрытий, нашля-' емых композиционными порошками. Установлено, что качество границы сплавления с подложкой, пористость напылённых слоёв и характер распределения тугоплавкой фазы в матрице покрытий определяются особенностями процессов мезкфазного взаимодействия в напыляемых порошках

и характером структуры частиц, участвующих в формировании покрытий. Наиболее качественной структурой обладают покрытия, формирующиеся из конгломератов с изменённой плотной гетеродисперсной структурой /композиции с/Л -Но и в меньшей степени с Ре -М' -Мо и М -Сг связками.

4. Выполнено комплексное, исследование физико-механических к эксплуатационных характеристик покрытий. Определена зависимость их от состава напыляемых композиций. Установлено, что покрытия обладают удовлетворительной для газотериических покрытий пористостью /5.. 15 £/, высокой /28..56 Ш1а/ прочностью сцепления со сталью, микро-твардсстьв /4,б..22,2хЮ3 МПа/ и твёрдостью /54..79 Н2А/. Износостойкость покрытий в условиях сухого трения скольжения существенно превосходит, а в условиях абразивного и газоабразивного изнашивания находится на уровне износостойкости покрытия на основе \*/С , сцементированного АЛ-Сг -В сплавом. Уровень приведённых характеристик определяется качеством структуры напылённых слоёв и свойствами составляющих композиций. Заметного, различия в свойствах покрытий на основе "П С^А^ с одинаковыми Не-связками нэ обнаружено.

5. Определены наиболее перспективные составы .композиций и рациональные области их практического применения. Для защиты повер- • хности конструкционных материалов от интенсивного изнашивания в условиях жидкостного и сухого трения, а также абразивного и газоабразивного изнашивания в случаях, когда упрочняемые поверхности не могут быть подвергнуты высокотемпературной обработке, в рабочем ин- . тервале температур до 400°С рекомендуются композиции /Г1и/цтГ&>М/ - 65 мае X / Ре. -М -АЬ или ЛА -Ас/, при температурах до 600°С композиция /ПСд/ клк"П 2е СлУ - 65 мае 74 /М -Но/, а в интервале температур 600..800°С композиция /ТАМ утЪТрШ/. - 65 мае % /АЛ'-Сь /.

■ 6. Определено влияние Мо на структуру и свойства покрытий Т<СЫ ПИгСМ/ -АА -Мо .".Установлено, что оптимальное содержание Мо в связке составляет величину в пределах 10 мае

7. Установлено, что свойства порошков и покрытийТсСМ-/Л - Мо, полученных из пылевых отходов чронзводства твёрдого сплава. КНП6, незначительно отличаются от порошков я покрытий, полученных ка мелкодисперсных порожков исходных компонентов. Определена целесообразность использования в качество исходных составляющих конгломерированных порошков пылевых отходов производства безвольфраыовых $вер-дых сплавов КНТГ6 и ЯЕК20.

8. Разработана опитяо-прошзшенная технология производства конгломерированных порошков на основа'ПСА' цТ^с//, обладавших необходимыми для плазменного напыления фазовым составов, структурой п технологическими свойствами. Установлено, что наиболее офрективккы является сленаниэ в вакуума Ю"2..10~^гм рт ст. При втсы форитрувт-ся прочше конгломераты и обеспечиваются максимально благоприятные условия для развития положительных эффектов мегфазного взапмодзй-ствия в процессе их напыления. Влзсте с тс и, спекание в прогыгяен-ных печах в атмосфере водорода и в вакуума 10"^ ш с7 позволяе'

получать порошки удовлетворительного качества. Разработан опытный ,участок производства порошков. Технология внедрена на НЗШ им.

B.И.Ленина.

9.' 0птимиз5фованы основные параметры режима плазменного напыления на серийном оборудовании покрытий из разработанных материалов. Определена зависимость свойств покрытий от режимов их напыления. Оптималькнми являются режимы, обеспечивающие лучшие условия.разогрева и проплавления Конгломерированных частиц в струе плазш.

10. Разработаны технологические процессы плазменного напыления композиционных покрытий на поверхности деталей нашщртиэга-киз;.:ов. Эксплуатационная стойкость деталей с покрытиями возрастает в 2..4 раза по сравнению с изделиями, упрочнёнными методами термической и химико-теркической обработки и в 6 раз по сравнению с! неупрочненными деталями. Технология внедрена в ремонтном производстве ЕЙ и НИК им.- В.И.Ленина. Годовой экономический эффект составляет соответственно 20 и 125 тыс. руб.

По теме диссертации оцубликозаны следуйте работы: I.' Применение плазменных процессов на Нижнетагильском металлургическом комбинате им. В.И.Лекина / М.И.Аршанский, ГЛ.Беличен-ко, А.К.Толстобров и др. // Сварочное производство. 1585. Р 6.

C. 25-26.

Толстобров А .К., Задшяшн Н.Ю. Использование износостойких плазменных покрытий для упрочнения деталей металлургического оборудований / Прогрессивные технологии нанесения металлопокрытий на детали машин: тез. докл. научн.-техн. конф. - Челябинск, 1985. С. 5-6.

3. 1Ьлстобров А.К., Зашлядин Ы.Ю., Митрооаков В.В. Напылённые п наплавленные слои на основ© карбонитрида титана / Запретные покрытия: тоз. докл. школы-семинара - Свердловск, 198Э. С. 18-22.

. - 23 -

4. Толстобров А.К., Зашхятт М.Ю., Митрофанов Б.В. Исследование некоторых свойств упрочняющих плазменных покрытий да кошози-ционкых порошков / Восстановление и упрощение деталей машин н оборудования газотермическим напылением и наплавкой: тез. докл. Всес. научн.-техн.конф. - Тула, 1989. С. 14-1&.

5. Зашляпин 1.1.Ю., Толстобров А.К., Митрофанов Б.В. Плазменная наплавка износостойких композиционных слоёз / там. де С. 57-58.

6. Толстобров А.К., Зашляпин Ы.В., Митрофанов Б.В. Перспективы применения композиционных конгломерированкшс порошков для упрочнения деталей металлургических агрегатов / Восстановление и упрочнение деталей металлургических агрегатов наплавкой, напылением н термообработкой: тез. докл. Всес. научн.-техн. семинар - Москва, 1990, С. 32.

7. Толстобров А.К., Зашяяпин МЛ)., Митрофанов Б.В. Абразивная стойкость композиционных покргтий на основе карбонитридов титана / Интенсификация мет. процессов к повышение качества металлов а сплавов | тез. докл. Всес. научн.-техн. кокф. молодых учёных - З^ла, 1990. С. 83-84.

8. Толстобров Л.К., Зашляпин М.Ю., Митрофанов В.З.,Особенности формирования структуры плазменных покрыла из ксигломерированных порошков на основе "арбснитридов титана / Электрофизические техзгологин в порошковой металлургии: тез. докл. У Респ. научн.-техн. семинара - Москва, 1990. С. 96.

9. Зашшпин М.Ю., Толстобров А.К., Митрофанов Б.В. Мегфазвое взаимодействие в композиционных конгломерированных порошках / Современные метод* наплавки, упрочнявщие защитные покрытия и используэ-мыэ материалы: тез. докл. 1У Украинской Респ. научн.-техн. кокф,-Харьков, 1990. С. 34-35.

10. Толстобров А.К., Заклятая Н.Ю., Митрофанов Б.З. Износ кем-

позиционных покрытий из конгломерированных порошков / тан ке С. 103-104.

Iii Толстобров А.К., Зашляпиц М.Ю., Митрой^чов Б.В. Плазмен-но-порошковая наплавка композиций на основе карбонитрвда титана /

Г' / .

таи se С. 35-3?.

12. Ускоренная методика оценки противоизносных свойств напылённых покрытий / Л.К.Толстобров, Н.Ю.Зашляпин, Б.В.Митрофанов, С.Р.Ыурзин // Заводская лаборатория. 1990. Е- II. С. 105.

13. Толстобров А.К., Зашяяпин М.Ю., Митрофанов Б.В. Влияние содержания молибдена в никель-молибденоьой связке на свойства композиционного покрытия на основе карбонитрида титана / Применение пороиковых материалов для упрочняющих и БОсстанавлизаЕцих покрытий: тез. докл. регионального научн.-те^н. семинара - Магнитогорск-Челябинск,- 1991. С. 15-17.

14. Толстобров А.К., Зааляпкн M.D., Митрофанов Б.В. Морфологические изменения строения композиционных конгломерированных порошков при плазменном напылении и их влияние на структуру покрытий / Физика-и химия обработки материалов. T99I. К? 6. С. 84-89.

Кэдоссно к печати 06.12.91 НТ№ Т.12С з.Хввг