Структура и свойства покрытий, полученных способом газотермического напыления

Введение

Традиционным материалом для изготовления деталей механизмов и аппаратов являются конструкционные стали различного химического состава. В процессе эксплуатации таких деталей в условиях трения рабочих поверхностей изменяются их геометрические размеры и, как следствие, наблюдаются нарушения режимов работы механизмов и возникают опасные ситуации. Интенсивность процесса изнашивания зависит от ряда факторов: химического состава стали, ее эксплуатационных характеристик, нагрузки и скорости скольжения рабочей поверхности по контртелу. Важной задачей современного машиностроительного производства является создание научно обоснованного комплекса мероприятий по разработке технологий восстановления рабочих поверхностей работающих деталей машин и инструментальной оснастки. Одним из наиболее перспективных является способ газотермического восстановления изношенной поверхности путем нанесения металлических, неметаллических и комбинированных покрытий при нагреве исходного материала до жидкого или пластического состояния и его распыления газовой струей. К этому способу относятся ранее известный процесс металлизации распылением и аналогичные ему процессы напыления различных материалов. Процесс напыления состоит из нескольких стадий. Первые стадии обеспечивают распыление исходных материалов, а на последней стадии происходит их осаждение на мишень.

Процессы, протекающие при газотермическом напылении материалов, характеризуются определенными термодинамическими и аэродинамическими особенностями [1]. Эти особенности имеют практическое значение, так как именно они определяют качество слоя напыленного материала, его эксплуатационные возможности [2 – 9].

Процесс газотермического напыления (ГНТ) состоит из четырех стадий, непрерывно следующих одна за другой: расплавление исходного материала в количестве, необходимом для его непрерывного и бесперебойного распыления; распыление расплава на мелкие частицы струями сжатого воздуха или других газов; образование направленного потока (факела) частиц расплавленных и распыленных материалов, которые под действием струи сжатого воздуха или других газов образуют слой напыленного материала в результате осаждения распыляемых частиц. Эти частицы под действием приобретенной ими кинетической энергии бомбардируют напыляемую поверхность и закрепляются на ее неровностях, а также на осажденных ранее частицах. Газотермическое напыление в настоящее время все чаще выступает альтернативой различным методам наплавки, которые требуют высоких затрат на расходуемые материалы, сложности обслуживания и обеспечения высокой степени безопасности при выполнении ремонтов [10 – 16].

В настоящей работе представлены результаты сравнительного исследования структуры и свойств газотермических покрытий из высокохромистой стали, нанесенных на рабочую поверхность штока виброгасителя пассажирского вагона способом газотермического напыления с нагревом металла до жидкого состояния и последующим его распылением газовой струей, и гальванического хромового покрытия.

Материал и методы исследования

Исследовали триботехнические свойства штока виброгасителя железнодорожного вагона с нанесенными на рабочую поверхность упрочняющими поверхностными слоями способами газотермического напыления стали 40Х13 и гальванического хромирования. Химический состав покрытий определяли методом рентгенофлюоресцентного анализа, результаты которого сравнивали с химическим составом стали 40Х13 согласно ГОСТ 5632 – 72. Изучали строение и толщину покрытий, распределение микротвердости в зоне покрытие – подложка, а также особенности разрушения покрытий при одинаковых условиях испытаний. Металлографические исследования поверхностей трения проводили на оптическом микроскопе NEOPHOT-21. Для измерения микротвердости использовался микротвердомер ПМТ-3.

Содержание элементов в покрытии, полученном газотермическим напылением проволоки из стали 40Х13, следующее, мас. %: С 0,38; Si 0,21; Mn 0,64; Cr 0,87. Результаты сравнения содержания основных элементов (главным образом, хрома) показали, что после наплавки материал покрытия соответствует стандартному составу стали марки 40Х13 по ГОСТ 4543 – 71.

Износ роликов определяли по изменению диаметра, а колодок – по глубине и ширине канавок, образовавшихся на их поверхности за время проведения эксперимента. Сравнение триботехнических свойств гальванических и газотермических покрытий проводили на машине трения СМТ-1 по схеме ролик – колодка. В качестве ролика служили испытуемые образцы, а колодки изготавливались из чугуна марки СЧ 32-52. Условия испытаний были максимально приближены к реальным условиям эксплуатации виброгасителей вплоть до смазки, используемой в этой конструкции (масло марки ВМГЗ). Испытания проводили до начала разрушения покрытия методом контролирования изменения рельефа поверхности и появления признаков разрушения покрытия. После каждых трех часов эксперимента проводилось исследование структуры покрытия и подложки, измерялась микротвердость и фиксировалось изменение размеров роликов и колодок.

Применение новых конструктивных систем оборудования для высокоскоростного газопламенного напыления открывает новые возможности для дальнейшего развития метода, особенно в области защиты ответственных деталей машин и механизмов от абразивного изнашивания, коррозии и др. [6 – 12]. К числу таких деталей относится виброгаситель железнодорожного вагона (рис. 1), который представляет собой большой масляный амортизатор, предназначенный для гашения колебаний вагона при его движении. На одном пассажирском вагоне имеется четыре виброгасителя. Как правило, через полгода эксплуатации виброгасители начинают выходить из строя вследствие разрушения хромового покрытия и потери масла, находящегося в виброгасителе. Затраты на суммарные потери масла, смену штоков и простой вагонов очень существенны. Следует отметить, что изношенные штоки, как правило, восстановлению не подлежат, а утилизируются. Повышение износостойкости этих ответственных деталей позволит значительно снизить затраты на техническое обслуживание железнодорожного транспорта и повысить безопасность железнодорожного движения [13 – 16].

Образцы для исследований структуры и триботехнических свойств были изготовлены из разных штоков виброгасителей: первый – из изношенного и восстановленного способом газотермического напыления проволокой из стали марки 40Х13; второй – из штока с нанесенным по стандартной технологии защитным покрытием методом хромирования в жидком электролите.

Скорость истирания гальванических и газотермических покрытий на опытных образцах определяли по результатам проведения сравнительных испытаний на износ на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме, описанной выше. Схема проведения эксперимента представлена на рис. 2.

Критерием для сравнения является время работы образцов до начала разрушения покрытия при нагрузке Р = 400 Н и частоте вращения вала машины трения ω = 350 об/мин. Степень истирания определяли по следующим параметрам: роликов – по изменению диаметра, колодок – по глубине и ширине канавок, образовавшихся на их поверхности за время проведения эксперимента.

Результаты

Изучение структуры полученных покрытий выявило следующие различия: толщина плотного хромового покрытия не превышала 0,1 мм с резкой границей раздела между покрытием и подложкой (рис. 3, а). Толщина покрытия, нанесенного способом газотермического напыления, достигала примерно 2 мм, граница раздела также хорошо выявлялась, как и в предыдущем случае. Структура металла в зоне данного покрытия состояла из смешанных слоев напыляемого металла различной толщины (рис. 3, б). На границах раздела слоев наблюдались несплошности в виде трещин и пор. Рассчитанная пористость материала составила 5 – 6 %. Измерение микротвердости исследуемых образцов показало, что хромовое покрытие имело твердость порядка 700 HV, твердость газотермического покрытия не превышала 340 – 400 HV. Твердость материала подложки (сталь 45) соответствовала значениям 150 – 180 НV.

В течение трех часов испытаний существенных изменений в обоих образцах не произошло, но после шести часов испытаний на образце с хромовым покрытием появились первые признаки деформации материала основы и очагового выкрашивания покрытия. Они заключались в появлении деформированного слоя под покрытием глубиной 0,8 – 0,9 мм и отделении фрагментов покрытия по границе раздела (рис. 3, в). На снимке отчетливо видно, что разрушение хромового покрытия происходило путем отделения мелких частиц в местах, под которыми произошла деформация материала основы (штока).

Покрытие, полученное газотермическим напылением, сохранило свою исходную структуру до конца испытаний (9 ч) без видимых следов разрушений. Изнашивание данного покрытия происходило последовательным снятием тонкого поверхностного слоя без образования локальных участков с большой глубиной разрушения слоя напыленного материала.

Анализ и обсуждение результатов

Анализ полученных результатов показал, что покрытие, нанесенное на шток виброгасителя распылением проволоки из стали 40Х13, обладает высокой износостойкостью в условиях граничного трения со смазкой и способно быть альтернативой гальваническому хромовому покрытию. Высокая износостойкость газотермического покрытия позволяет рекомендовать его не только для восстановления размеров изношенных деталей и повышения долговечности новых, но также для замены специальных антифрикционных подшипниковых сплавов. Полученные результаты исследований позволяют полагать, что в большинстве случаев экономически нецелесообразно использовать какие-либо другие методы, кроме газотермического напыления для нанесения антифрикционных покрытий на поверхности деталей, работающих в условиях трения скольжения с ограниченной или обильной подачей жидкого смазочного материала [17 – 20].

Выводы

Установлено, что метод газотермического нанесения износостойких покрытий с нагревом металла до жидкого состояния с последующим его распылением газовой струей может успешно применяться при восстановлении изношенной поверхности стальных изделий.

Сравнительные исследования триботехнических свойств покрытий, нанесенных газотермическим напылением и гальваническим осаждением, показали, что с помощью газотермического способа можно надежно решать разнообразные технологические задачи, к которым относятся: напыление износостойких, антифрикционных и коррозионностойких покрытий; алитирование напылением (повышение жаростойкости); наращивание размеров изделий; наплавка и пайка напылением; устранение литейных дефектов.