сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Представлены составы покрытий из композиционных материалов, армированных квазикристаллами. Определены оптимальный состав и режимы нанесения покрытия методом холодного газодинамического напыления. При оптимальном технологическом режиме изготовлены образцы, исследованы их механические и трибологические свойства.
газодинамическое напыление, квазикристаллы, покрытия из композиционных материалов, трибологические свойства
Введение
В трибологии и материаловедении антифрикционных композитов можно выделить ряд проблем, отражающих современные тенденции в этой области знаний, решение которых необходимо для обеспечения научного и технического прогресса. Наибольшие усилия разработчиков сосредоточены на создании полимерных антифрикционных материалов, предназначенных для работы в режиме гидродинамического трения. Подшипники качения и скольжения с антифрикционными покрытиями являются наиболее эффективными конструкциями, позволяющими существенно повысить мощность и надежность работы фрикционных узлов машин.
Основными техническими преимуществами при работе в среде масла антифрикционных материалов на основе металлополимеров, керамополимеров и композиционных материалов являются меньшая разность между статическим и динамическим коэффициентами трения, что существенно улучшает динамику переходных процессов в машинах, а также бесшумность работы и малый удельный вес.
Энергия торможения высоконагруженных систем выделяется в зоне трения и преобразуется в тепловую энергию и энергию разрушения поверхности. В связи с этим антифрикционные материалы должны удовлетворять следующим требованиям: иметь высокий коэффициент теплопроводности, низкий коэффициент трения, стабильный до температур 450-500 ºС, низкие параметры по износу, высокие упругие и прочностные характеристики.
Требованиям для эксплуатации узлов трения при температурах до 500 ºС в полной мере удовлетворяют керамические и композиционные материалы на основе карбида кремния и карбонитрида титана, исследования по определению физико-механических свойств которых проведены в данной работе.
Разработка состава и режимов нанесения покрытия методом холодного газодинамического напыления
Нанесение покрытия проводилось с использованием метода холодного газодинамического напыления. Отработка режимов нанесения порошковых материалов производилась на плоских образцах размерами 90х20х2 мм. Рабочая поверхность образцов подвергалась перед напылением шлифованию, затем струйно-абразивной обработке. Нанесение покрытия проводилось на установке «Димет-403», использующей в качестве рабочего тела воздух. Скорость газопорошковой смеси на срезе сопла - 650-850 м/с. Температура торможения сверхзвуковой струи варьировалась в пределах от 150 до 350 ºС.
Покрытие наносилось в защитной камере при использовании системы вентиляции с пылеочисткой. Давление воздуха в пневмосистеме устанавливалось во всех случаях равным 0,8 МПа. Благодаря невысокой температуре напыления квазикристаллическая фаза химически не взаимодействует с медью, а большая скорость потока обеспечивает наклепывание пластичных частиц меди и твёрдых частиц квазикристаллов на подложку и образование прочных связей между компонентами покрытия.
Для приготовления порошковых смесей использовались порошки квазикристаллов ВКК1Б (ТУ 1-595-31-1081) и меди ПМС-1 (ГОСТ 4960). Порошок квазикристаллов подвергался размолу в планетарной мельнице стеклянными шариками диаметром 2 мм в течение 30 мин (при соотношении мелющих тел (шариков) и порошка 10:1 по весу). Был получен порошок с дисперсностью менее 3 мкм.
Перемешивание порошков проводилось в турбулентном смесителе в течение 1 ч.
Были определены концентрации исходных элементов в зависимости от объёмной доли квазикристаллов. Концентрация исходных элементов определялась по формуле
где 
%весА - массовая доля квазикристаллов; %обА - объёмная доля квазикристаллов; ρА – плотность квазикристаллов; %обВ - объёмная доля меди; ρВ - плотность меди.
Опробовано несколько составов порошковых смесей с различным содержанием квазикристаллов, для напыления на установке «Димет‑403» определены оптимальные режимы напыления.
Полученные образцы представляли собой прямоугольные стальные пластины (90х20х2) с композиционным покрытием толщиной 0,5 мм. Поверхность после шлифовки обладает медно-розовым цветом и небольшими дефектами в виде неравномерности напыления.
Были изготовлены шлифы покрытий. Металлографические исследования на оптическом микроскопе с увеличением х950 показали, что частицы квазикристаллов равномерно распределены в медной матрице, пористость покрытия незначительная. Однако прочность сцепления частиц квазикристаллов с медной матрицей оказалась мала – вероятно, из-за низкого значения поверхностной энергии, характерного для квазикристаллов. При шлифовании квазикристаллы выкрашивались из матрицы.
Был скорректирован состав покрытий. В порошковую смесь введен порошок железа марки ПЖР2.200.22 (ГОСТ 9849). Порошок промышленного производства был рассеян на фракции на ситах с ячейкой 0,25 и 0,125 мм. Использовалась полученная средняя фракция. Крупные, сферической формы частицы железа не включаются в состав покрытия, так как не успевают приобрести в воздушной струе скорость, необходимую для пластической деформации и приваривания. В то же время они обладают существенной кинетической энергией для того, чтобы дополнительно уплотнять и деформировать покрытие.
Количество добавляемого порошка железа подбиралось экспериментально. Избыток частиц железа в смеси приводит к сильной деформации наносимого слоя, появлению трещин в покрытии и уменьшению сцепления с подложкой вплоть до отслаивания (рис. 1). Недостаточное количество – не дает эффекта увеличения прочности сцепления квазикристаллов с медной матрицей.
Было обнаружено, что при добавлении порошка железа в количестве около 10 % по массе, при одновременном снижении температуры напыления до 250 0С, покрытие получается удовлетворительного качества, но несколько снижается его адгезия к подложке (рис. 2). Для улучшения адгезии принято решение перед нанесением покрытия наносить подслой чистой меди.
Окончательно был принят следующий состав порошковой смеси: медь - 78,2 %, квазикристаллы – 12,7 %, железо – 9,1 % по массе. С учетом того, что порошок железа в состав покрытия не включается, это соответствует 14 % весового содержания квазикристаллов или 30 % объемного.
Режим нанесения покрытия на установке «Димет‑403»: температура - 250 0С, подача порошка – не более второго положения ручки регулятора питателя.
Исследование шлифов полученых покрытий (рис. 3) подтвердило отсутствие заметной пористости и улучшение сцепления частиц квазикристалла с матрицей.
Определение механических и трибологических свойств покрытия
Адгезия полученного покрытия оценивалась методом изгиба по ГОСТ 9.302-88. Стальные пластинки размером 90х20х2 с нанесенным покрытием изгибались под прямым углом. Оценивалось отслаивание покрытия, растрескивание не учитывалось (рис. 4). Образцы продемонстрировали удовлетворительную адгезию (протокол испытаний № 3615/31).
Микротвердость покрытия определялась по ГОСТ 9450-76 на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 20 г. Отдельно определена микротвердость медной матрицы и зерен квазикристаллов на двух микрошлифах покрытия. Микротвердость составила от 388 до 407 МПа для матрицы и от 1290 до 1393 МПа для зерен квазикристалла (протокол № 3612/31).
Исследованы трибологические свойства покрытия. Проведены испытания на трение и износ (протокол испытаний № 3565/05). Для этого были изготовлены образцы с покрытием из металлического композиционного материала на основе меди с содержанием квазикристаллов 14 %вес. Образцы представляли собой стальные кольца диаметром 28 мм с нанесённым на торцевую часть покрытием (рис. 5).
Испытания на износостойкость проводились в паре с контртелом из стали 30Х13 на испытательной машине И-47 согласно ММ 1.595‑5‑315 в течение одного часа при осевой нагрузке 30 МПа и скорости перемещения 0,1 м/с в среде сухого помещения. Средний коэффициент трения ‑ 0,48. Износ контртела - в среднем 408 мг/ч.
Выводы
1. Разработаны составы антифрикционных покрытий, упрочненных частицами квазикристаллов системы Al‑Cu‑Fe.
2. Определены концентрации исходных элементов в зависимости от объемной доли квазикристаллов и оптимальный состав покрытия.
3. Определены оптимальные режимы нанесения покрытия методом холодного газодинамического напыления на установке «Димет‑403».
4. Изготовлены опытные образцы покрытия.
5. Исследованы механические и трибологические свойства опытных образцов покрытия. Адгезия покрытия к подложке удовлетворительная. Пористость образцов покрытия оценивалась на изготовленных шлифах при помощи оптического микроскопа при увеличении х950, покрытие плотное. Микротвердость покрытия составляет для медной матрицы от 388 до 407 МПа, для зерен квазикристалла - от 1290 до 1393 МПа. Коэффициент трения по стали 30Х13 составил в среднем 0,48. Износ контртела при осевой нагрузке 30 МПа и относительной скорости 0,1 м/с составил в среднем 408 мг/ч.
1. Захаров, Б.М. О прочности сцепления покры-тий, наносимых методом плазменного напыления / Б.М. Захаров, М.Г. Трофимов, Л.И. Гусева [и др.] // Порошковая металлургия. - 1970. - № 11. - С. 71-76.
2. Денисов, Л.В. Обеспечение эксплуатационных свойств деталей и узлов газотурбинного двигателя локальным поверхностным легированием / Л.В. Денисов, А.Г. Бойцов, М.В. Силуянова // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2018. - № 2. - С. 19-24.
3. Boitsov, A.G. Electric-Discharge Milling of Small Airplane-Engine Components / A.G. Boitsov, M.V. Siluyanova, V.V. Kuritsyna // Russian Engineering Research. - 2018. - Т. 38. - № 7. - Р. 552-556.
4. Сильченко, О.Б. О перспективах применения наноструктурных гетерофазных полифункциональных композиционных материалов в авиадвигателестроении / О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова, В.Е. Низовцев, Д.А. Климов, А.А. Корнилов // Вопросы материаловедения. - 2018. - № 1. - С. 50-57.
5. Силуянова, М.В. Усовершенствование узлов трения силовых установок путем нанесения на-пыляемых покрытий из керамических композитов / М.В. Силуянова, А.О. Фертиков // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2018. - № 2. - С. 122-131.
6. Sil’chenko, O.B. Diagnostics of Dimensionally Controlled Microgrinding to Meet Quality Specifications / O.B. Sil’chenko, M.V. Siluyanova, V.V. Kuritsyna // Russian Engineering Research. - 2018. - Т. 38. - № 8. - Р. 604-609.
