РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ, ОБОРУДОВАНИЕ, И МЕТОДИКА
ЭКСПЕРИМЕНТА.
2.1 Характеристика исходных материалов
Использование газотермического напыления позволяет управлять составом, структурой и соответственно свойствами покрытий за счет применения различных порошковых композиций с широким интервалом соотношения компонентов (в качестве которых могут выступать металлы, сплавы, оксиды, карбиды, графит, твердые смазки, и т.д.).
В качестве материалов для исследования и нанесения покрытий выбраны композиционные порошки двух типов: на основе феррохрома и карбида титана с графитом в качестве твердой смазки и на основе оксидов титана и хрома с фтористым кальцием в качестве твердой смазки, а также механические смеси чугуна с фтористым кальцием или оксидами железа.
С целью минимально снизить потери твердой смазки при напылении графит и фтористый кальций вводили в композиционный порошок.
В работе применяли КП состава 15FeCr-70TiC-3Мо-12С, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Физико-химическая сущность СВС- метода заключается в экзотермических реакциях взаимодействия порошковых компонентов шихты друг с другом и активной газовой средой.
В основе производства КП 15FeCr-70TiC-3Мо-12С лежит экзотермическая реакция, происходящая между металлическими титаном и графитом с образованием TiC. При этом графит 2) вводился в смесь с избытком (10...20 об. %) по сравнению со стехиометрией TiC. Связкой в КП являлся FeCr. Для упрочнения границ зерен карбида титана в феррохромовой матрице в реакционную смесь добавляли молибден (3%).
1) Порошки изготовлены в НИИ порошковой металлургии (г. Минск).
2) Графит ГОСТ 5279-74
Спрессованная из порошков заготовка при соприкосновении с разогретой электроспиралью воспламеняется по всему объему порошковой шихты. Температура локального нагрева до начала горения не превышает 0,4...0,6 температуры плавления образующихся СВС- продуктов.
Композиционный материал 40Сr2О3-45ТiO2-15CaF2 также получен в результате реакции СВС. Окислительная реакция происходила в интервале температур 1200...1300 °С между металлическими титаном, хромом и кислородом воздуха в присутствии CaF2. Стабилизацию оксидной структуры производили в печи на воздухе при температуре 560...600 °С в течение нескольких часов.
Образовавшиеся СВС- продукты дробили и просевали на вибромельнице. Для напыления отбирали фракцию +40 - 80 мкм.
Поскольку фтористый кальций и оксиды железа менее подвержены воздействию высокотемпературного газового потока, чем графит их вводили в состав механической на основе чугуна.
Основным компонентом механических смесей являлся порошок чугуна FeSiC. Его получали распылением сплава сжатым воздухом. Давление распыления 5 ат. В качестве исходного сырья использовали обрезь стали Ст. 3 (отходы металлорежущего производства), ферросилиций (Si-75 мас % Fe- 25мас. %), графитовую крупку. Шихту указанного состава плавили в индукционной сталеплавильной печи ИСТ- 076 с кислой огнеупорной футеровкой (SiО2). Распыление струи расплава осуществляли сжатым воздухом в экспериментальной камере ОБ-1891, разработанной и изготовленной ИЭС им. Е.О. Патона. Охлаждение капель расплава осуществлялось в воздушном потоке. После охлаждения порошок рассеивался на вибросите. Для напыления использовали фракцию +40 -63 мкм.
В качестве твердых смазок использовали фтористый кальций (ГОСТ_7167-77) и оксиды железа (ТУ 113-12-17.068-86) с размером частиц не более 63 мкм. По литературным данным [2,16, 31, 74-77] и собственным предварительным исследования было установлено, что оптимальное количество твердой смазки, в порошковой смеси составляет 10...20 объемных_%. Введение в порошковую смесь более 20 об.% существенно влияет на изменение физико- механических свойств покрытий (снижается ударная вязкость материала, прочность при сжатии и изгибе). Менее 10об.% твердой смазки не достаточно для проявления смазочных свойств при работе в условиях сухого трения. Исходя из этого, готовили следующие составы механических смесей:
FeCSi + 10 об.% CaF2; FeCSi +20 об.% CaF2;
FeCSi + 10 об.% FemOn; FeCSi+20 об.% FemOn;
Механическое смешивание проводили в смесителе шнекового типа в не менее пяти часов. Результаты исследования структуры и морфологии частиц, заключение о фазовом составе, а также технологические характеристики порошков будут приведены в главах 3 и 4.
2.2 Оборудование и методы нанесения газотермических покрытий
Покрытия наносили методами детонационного (ДН), дозвукового- и сверхзвукового воздушно-газового плазменного напыления (ВГПН, СВГПН), на образцы из углеродистой стали, подвергнутые струйно-абразивной обработке. Были также исследованы покрытия, полученные методом плазменного напыления с использованием аргоно-водородной плазменной струи (ПН-Ar+H2).
Общность методов газотермического напыления (ГТН) заключается в том, что структура покрытий независимо от конкретного метода имеет ряд общих признаков, обусловленных природой как самого процесса напыления, так и используемого материала. Имеется ввиду слоистый, дискретный, неоднородный характер структуры покрытий, наличие в них пор и оксидных включений, а также наличие в структуре различного рода границ, разделяющих частицы. Особенности структуры ГТН - покрытий определяются и спецификой процесса напыления, заключающейся в быстротекущей (1?10-3- 1?10-5 с), высокотемпературной (2250-20000 К) обработке частиц и их последующем высокоскоростном (50- 800 м/с) соударении с поверхностью основы в сочетании с высокой скоростью охлаждения (1?10 3- 1?10 6 К/с).
Структура покрытий, полученная различными методами ГТН, помимо ряда общих признаков имеет и существенные отличия, связанные с технологическими особенностями процессов. Основная причина заключается в том, что методы разнятся по абсолютным значениям и соотношению кинетической и тепловой энергии, передаваемой материалу