Использование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для повышения эксплуатационных свойств деталей и инструмента

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА (СВС) ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ И ИНСТРУМЕНТА
В. Н. Гадалов, В. Г. Сальников, С. В. Шеставина, Л. Н. Серебровская, Ю.Г. Алехин
Аннотация. В работе представлены результаты исследования работоспособности металлической поверхности модифицированной методом СВС, а также влияния последующей термической обработки на износостойкость опытных образцов и пары трения в целом. Установлено, что метод СВС позволяет путем подбора соответствующего состава шихты и инициирования реакции горения с выделением большого количества теплоты значительно сократить время процесса при формировании поверхности достаточно высокого качества.
Ключевые слова: композиционные порошки, покрытие, добавки.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) является эффективным энерго- и ресурсосберегающим методом получения тугоплавких и композиционных материалов [1−2] и порошков для газотермического напыления [3], основанным на использовании экзотермического эффекта реакций взаимодействия большинства металлов периодической системы с бором, углеродом, азотом, кремнием и др. Сущность процесса заключается в том, что после локального инициирования, реакция протекает в узкой зоне — волне горения, перемещающейся по образцу за счет теплопередачи. В качестве реагентов используются смеси элементов:
металлов с неметаллами- металлов с металлами- неметаллов с неметаллами или их соединений, способных при взаимодействии выделять большое количество тепла.
Общую схему процесса можно представить в следующем виде:
x (i)+у (i)=z (k),
где х (1) — реагент в твердом состоянии-
у (1) — реагент в твердом, жидком или газообразном состоянии- z (k)-продукт синтеза (карбиды, бориды, силициды, нитриды, интерметаллиды и др.) в конденсированной фазе.
Благодаря особенностям процесса: высокой
температуре-
кратковременности химических и физических процессов- высокой скорости внутреннего саморазогрева- протеканию реакций в условиях резкого градиента температур и др. метод позволяет синтезировать композиции, получение которых другими известными способами требует больших затрат или сложного дорогостоящего оборудования, либо вообще невозможно [3].
При синтезировании композиционных порошков СВС в качестве связок обычно используются металлы, металлические сплавы (на основе М, Fе, Al) и интерме-таллиды (№хА1у, FexAly, Т1х№у, Т1хА1у). В качестве тугоплавких соединений, как правило, используют карбиды вольфрама, титана, хрома, кремния и их комбинации, а также оксиды алюминия, титана и хрома.
Одним из преимуществ СВС — технологии является возможность получения многокомпонентных композиций в одну стадию: формирование как простых, так и сложнолегированных соединений.
Характерными особенностями синтезируемых порошков являются: наличие металлургической связи между составляющими композиционной частицы- мелкозернистая структура с тонким объемным распределением тугоплавкой составляющей и постоянством фазового состава независимо от размеров порошковой композиционной частицы.
В институте порошковой металлургии (Минск, Беларусь) разработаны и получены СВС — порошки многопрофильного назначения для нанесения защитных износо- и коррозионно-стойких покрытий методами газотермического напыления [3].
Это: ЖТ-55 (№Сг/ 55% ТЮ) — FСТ (Бе/ 50% ТЮ) — АSСТ-50 (АШ/ 50% Т1С) —А-40 (№А1/ 40% А1203) — ЖС^СТ70−30[25% МСг/ 75% (70% СгзС2 — 30% Т1С) 1- БА-15 (БеА1/15% А1203) — NCC-75 (NiСг/ 75% СГ3С3).
Например, порошок NСС-NСТ70−30 получен одновременным синтезом карбидов титана и хрома из элементарных порошков в присутствии порошка нихрома. При этом особенности процесса позволяют формировать легированный хромом карбид титана, обеспечивая повышенную стойкость материала к окислению и коррозии.
Технология получения СВС — порошков включает следующие основные этапы: подготовку порошковой шихты- непосредственно синтез- размол и классификацию полученного продукта по фракциям.
Самофлюсующиеся порошки на никель-хромовой основе широко используются при газотермическом напылении благодаря значительному повышению их эксплуатационных характеристик, которые частично связаны с относительно низкой температурой плавления жидкой фазы, не превышающей 1050−1080 °С. Структура порошков и наплавленных покрытий исследовались многими авторами. Установлены основные структурные факторы, определяющие их повышение.
Однако газотермическое напыление не всегда решает проблему получения «не толстых» покрытий с высокой адгезионной прочностью сцепления без потери твердости, а также получать качественные покрытия на локальных областях деталей и инструмента различного назначения.
Обеспечить комплекс защитных свойств в зависимости от условий эксплуатации покрытия позволяют порошковые электродные материалы с нанодобавками, полученные по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
В цикле работ [4−13] представлены результаты исследований по развитию технологии электроискрового легирования (ЭИЛ), связанные с применением новых составов электродных материалов и современного обо-
рудования, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств ответственных деталей машин и механизмов. Показано, что для каждой конкретной технологической задачи необходим подбор соответствующих электродных материалов. Рекомендуется для обеспечения защитных свойств в зависимости от условий эксплуатации покрытий применять синтетические твердосплавные инструментальные материалы (СТИМ), полученные по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). В качестве основы этих материалов применяется карбид титана, бора или хрома, который обеспечивает твердость и износостойкость. Связкой для них служат М- МА1- Т1А1- ХН70Ю и др., которые обеспечивают высокую когезию и пластичность формируемых покрытий.
За последние годы разработаны и изготовлены по технологии СВС-компактирования новые материалы па основе карбида титана соответствующих марок в следующих системах: СТИМ-ЗБ (ТЮ-Сг3С2-№)-СТиМ-40НА (ТЮ-№А1) — СТИМ-21 401НЖ (Т1-ХШОЮ) — СТИМ-40ТА (Т1С-Т1А1), легированные добавками на-нодиснерсных порошков Zr02, A120з, NbC, Ш, ШС, ШС-Со и Si3N4 [1, 3−8].
В процессе ЭИЛ ударно-тепловое воздействие искрового разряда приводит к формированию мелкозернистой структуры на рабочей поверхности материала электрода. Идет усталостное разрушение зерен карбида титана, взаимодействие с воздухом, в канале разряда, и уже в структуре покрытия размер зерен составляет 100 500 нм. Анализ микроструктур покрытий на титановой подложке ОТ4−1, полученных с использованием электрода на основе Т1С-Т13А1С2 и из этого же сплава, но модифицированного нанодобавкой Ш, позволил [9,10] установить позитивное влияние нанодобавок. Электроискровые покрытия с нанодобавками имеют повышенные значения толщины, сплошности. микротвердости, жаростойкости, при этом снижается коэффициент трения [4, 5,10,11]. Добавки нанопорошков обеспечивают значительное модифицирование структуры электродных материалов от 2 до 7 раз и повышение их физико-химических свойств [6−13]. По данным работы [11] по технологии горячего прессования из нанодис-персного порошка 92% ШС — 8% Со получен наноструктурный электродный материал с размером зерна карбида вольфрама 100 нм. Применение такого электрода по сравнению с обычным электродом ВК8 (размер зерен ШС=1−2 мкм), способствовало повышению характеристик покрытия, а именно твердости (Нц) модуля упругости, сплошности, толщины и др.
Вышеприведенный наноструктурный электродный материал обеспечил формирование более износостойкого покрытия на титановом сплаве ВТ 14 с одновременным снижением коэффициента трения по сравнению с покрытием из традиционного электрода ВК8.
В работе [13] приводятся сведения по практическому применению наноструктурных электродных материалов. Так, обработка стальных плит материалами СТИМ-40НА (ТЮ-МА1, ТЮ-№А1+№& gt-Снано) и ВК8 привела к 8−10-кратному росту срока их службы.
Установлено положительное влияние ЭИЛ — покрытия на режущем и штамповом инструменте. Электроискровая обработка стального корпуса алмазных отрезных сегментных сверл диаметром 102 мм электродами СТИМ-ЗБ (ТЮ-Сг2С3-№-Шнано) и СТИМ-ЗБ (ТЮ-Сг3С2-№-А1203нано) повысила его стоимость на 25%.
Также следует отметить современное электроискровое оборудование «АНегте1а1», используемое авторами работ [4−13] позволяющее осуществлять нанесение покрытий в ручном и механизированном режимах с
осевым, вибрирующим дисковым, многоэлектродным инструментом.
Таким образом, авторами этого цикла работ показано, что разработанные электродные материалы с на-нодисперсными добавками и соответствующее оборудование обеспечивают высокие физико-механические свойства наносимых покрытий, а также эксплуатационные характеристики деталей. Подтверждена эффективность ЭИЛ — метода в задачах упрочнения деталей различной конфигурации и назначения.
Ниже представлены результаты исследования работоспособности металлической поверхности модифицированной методом СВС, а также влияния последующей термической обработки (ТО) на износостойкость опытных образцов и пары трения в целом. Покрытия на основе Сг и (Сг+В) формировали на поверхности образцов и режущего инструмента (РИ) методом СВС [1,2]. Процесс СВС осуществляется в автоволно-вом режиме (типа горения шихты заданного состава) с выделением значительного количества теплоты. Как известно, метод СВС используют для различных технологических целей, в том числе для нанесения разнообразных покрытий [14].
Из всех процессов, используемых в промышленности для нанесения покрытий, СВС наиболее близок к диффузионному насыщению в «твердой упаковке», которое проводят в термических печах общего назначения. При использовании этих технологий образцы или детали размешают в шихте, из которой необходимые легирующие элементы поступают к поверхности. В зависимости от времени и температуры процесса можно получить покрытие требуемого состава с частичной диффузией легирующих элементов в подложку или полностью модифицированный поверхностный слой.
Установлено, что метод СВС позволяет путем подбора соответствующего состава шихты и инициирования реакции горения с выделением большого количества теплоты значительно сократить время процесса (как правило, не более 1 ч.) при формировании поверхности достаточно высокого качества.
Испытания образцов проводили на машине трения мод. МТ-5 по стандартной методике, при нагрузке 10 МПа в течение 7 ч- поверхность трения смазывали солидолом. Для сравнения использовали контрольные образцы из стали 45, прошедшие ТО (50−54 НЯС) — контртела изготовляли из стали ШХ15 (60−62 НЯС).
Образцы из стали 45 наносили покрытия методом СВС в печи в режиме воспламенения шихты при температуре 1 1100… 1150 °C с последующей выдержкой в печи при 1 950 °С 1 час.
Затем образцы охлаждали па воздухе- часть из них после нанесения покрытия подвергали стандартной закалке. В качестве основных компонентов шихты использовали порошок алюминия, оксид хрома и бор.
Структурное состояние поверхностных слоев сталей после СВС и СВС+закалка изучали методом скользящего пучка рентгеновских лучей [17]. Рентгеносъемку проводили в Со-К излучении при угле наклона образца к направлению рентгеновского луча в камере 6° и 20°, что позволило получать сведения о структуре поверхностного слоя на разной глубине.
Рентгеноструктурный анализ показывает наличие в поверхностном слое линий Бе и карбидов хрома Сг23С6 и Сг7Сз. По размытости интерференционных линий можно судить о том, что дисперсность карбида Сг23С6 меньше, чем карбида Сг7С3. По-видимому, наличие в покрытии карбидов хрома способствует повышению износостойкости образцов из стали 45.
Последующая Т О образцов с покрытием из Сг не только еще в большей степени снижает интенсивность изнашивания по сравнению с контрольными образцами, но и повышает работоспособность пары в целом вследствие значительного уменьшения интенсивности изнашивания контртел.
Закалка стали после обработки методом СВС (Сг) не изменяет фазового состава поверхностного слоя, в котором при рентгеноструктурном анализе также регистрируются линии Бе и карбидов хрома. Однако интенсивность линий карбида Сг7Сз возрастает, а линий Сг23С6 уменьшается.
Отмеченные особенности рентгеновской картины стали 45 после обработки методом СВС (Сг) + ТО позволяют считать, что основными процессами, протекающими при такой обработке, являются диффузионное перераспределение карбидов, их измельчение и искажение кристаллической решетки самой матрицы. Полученные результаты приводят к предположению о том, что на повышение износостойкости поверхности опытных образцов с покрытием Сг и пары трения в целом влияют повышение дисперсности карбидной фазы и упрочнение подложки.
Интенсивность изнашивания образцов из стали 45 после нанесения покрытия Сг+В, так же как и контртел, находится на том же уровне, что и у образцов с покрытием Сг. В их поверхностном слое содержался мелкозернистый борид железа БеВ и крупнозернистый борид Сг2 В.
При последующей закалке дифракционные линии, принадлежащие крупнозернистому бориду хрома, становятся сплошными, причем на них выделяются отдельные точечные рефлексы, что свидетельствует о частичном измельчении зерна борида хрома.
После Т О образцов с покрытием Сг+В интенсивность их изнашивания повышается, хотя и остается меньше, чем у контрольных образцов. В то же время интенсивность изнашивания контртел возрастает настолько значительно, что в целом износостойкость пары трения становится ниже, чем у контрольной.
После закалки стали с покрытием Сг+В в поверхностных слоях, кроме соединений БеВ и Сг2 В, регистрируется новая структурная составляющая. Идентифи-
кация этой составляющей затруднена, но по косвенным данным ее можно отнести к оксидам различного типа и разной дисперсности. По-видимому, именно данная структурная составляющая обусловливает значительное повышение интенсивности изнашивания контртел.
Результаты исследования износостойкости пар трения демонстрируют большие возможности метода СВС в повышении долговечности стальных изделий благодаря нанесению покрытий разного типа, состава и структуры.
Если оценивать износостойкость пары трения в целом, то безусловно наилучшим вариантом для повышения работоспособности узлов трения в механизмах признать процесс СВС (Сг) + ТО. В этом случае интенсивность изнашивания упрочненной поверхности на два порядка меньше, чем у контрольных образцов, а интенсивность изнашивания контртел почти в 14 раз меньше, чем при работе в паре с контрольными образцами.
В целом благодаря нанесению покрытия из Сг методом СВС работоспособность пары трения сталь 45 -сталь ШХ15 значительно повысилась.
Результаты работы [15−16] подтверждают вышеописанные исследования.
Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы.
Список использованных источников
1 Мержанов, А. Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез / А. Г. Мержанов // Под. ред. Я.М. Колот-веркина. — М.: Химия, 1983. — С. 6−45.
2 Левашов, Е.А. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося синтеза / Е. А. Левашов, А. С. Рогагев, В. И. Юхнин.- М.: Бином, 1999. — 176с.
3 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез порошков для газотермического напыления /А.Ф. Ильюшенко, А. В. Беляев, Т. Д. Талако и др. // Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 8-й межд. практич. конф. -выставки: в 2 ч. Часть 1. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. -С. 135−139.
4 Левашов, Е. А. Перспективы применения сплава СТИМ-3Б модифицированного нанокристаллическим порошком Zr02, в технологии электроискрового легирования / Е. А. Левашов, А. Е. Кудряшов, О. В. Малочкин // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. — 2000. — № 5. — С. 68−72.
5 Об особенностях влияния нанокристаллических порошков на процессы горения и формирования составов / Е. А. Левашов, А. Е. Кудряшов, О. В. Малочкин и др. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. — 2001. — № 1. — С. 53−59.
6 Левашов, Е.А. О влиянии нанокристаллических порошков на процесс формирования, структуру и свойства электроискровых покрытий на основе титанохромового карбида / Е. А. Левашов, А. Е. Кудряшов, О. В. Малочкин // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. — 2001. — № 3. — С. 44−51.
7 Кудряшов, А. Е. Разработка и промышленное применение новых композиционных материалов и технологии электроискрового легирования / А. Е. Кудряшов // Автореф. дис. к.т.н. — М., 2001.- 19с.
8 Исследование влияния добавки нанокристаллического порошка оксида циркония различной природы на состав, структуру и физико-механические свойства твердого сплава СТИМ-ЗБ / Е. А. Левашов, А. Е. Кудряшов, Ю. С. Погожев и др. // Физика металлов и металловедение. — 2003.- Т. 96.- № 2. -С. 87−94.
9 Особенности влияния нанокристаллических порошков на структуру и свойства сплава Т1 — 40% ХН70Ю, полученного методом СВС / Е. А. Левашов, Е. С. Мишина, Б.Р. Сету-лин и др. // Физика металлов и металловедение. — 2003. — Т. 96.
— № 6. — С. 58−64.
10 Исследование кинетики формирования структуры, состава и свойств электроискровых покрытий на титановом сплаве ОТ4−1 из модифицированных электродных материалов на основе Т1С-ХН70Ю / Е. А. Левашов, А. Е. Кудряшов, Е. С. Мишина и др. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. — 2004. -№ 1. — С. 68−76.
11 Исследование влияния параметров импульсных разрядов на массоперенос, структуру, состав и свойства электроискровых покрытий на основе Т1С-№А1, модифицированных нанодисперсными компонентами / Е. А. Левашов, А. Е. Кудряшов, Ю. С. Погожев и др. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. — 2004. — № 6. — С. 39−46.
12 Особенности влияния добавок нанодисперсных тугоплавких частиц на состав, структуру и физико-механические свойства твердого СВС — сплава СТИМ-40НА (система Т1С-№А1) / Ю. С. Погожев, Е. А. Левашов, А. Е. Кудряшов и др. // Цветные металлы.- 2005.- № 1.- С. 59−64.
13 Упрочнение деталей и инструмента методом электроискрового легирования и применением новых электродных материалов / Е. И. Замулаева, Е. А. Левашов, А. Е. Кудряшов и др. // Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 8-й межд. практ. конф. -выставки: в 2 ч. Часть 2. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006.
— С. 200−209.
14 Евтушенко, А. Т. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез инструментальной стали / А. Т. Евту-
шенко, С. Пазаре, С. С. Горбунов // МИТОМ.- 2007. -№ 4.- С. 43−46.
15 Архипов, В. Н. Повышение стойкости инструмента методом СВС / В. Е. Архипов, Г. В. Москвитин, А. П. Поляков // СТИН. -2008. -№ 1.- С. 19−21.
16 Покрытия на основе хрома и бора, полученные методом СВС / В. Е. Архипов, Л. И. Куксенова, Г. В. Москвитин и др. // Упрочняющие технологии и покрытия. -2008.- № 4.- С. 28−32.
17 Рыбакова, Л. М. Рентгенографический метод исследования структурных изменений в тонком поверхностном слое металла при трении / Л. М. Рыбакова, Л. И. Куксенова, С. В. Босов // Заводская лаборатория.- 1973. -№ 3.- С. 293−296.
Сведения об авторах
Гадалов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов и ремонта ма-
шин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 58−71−04, Gadalov-VN@vandex. ru
Сальников Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и сварочного производства ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», kaf. vm@mail. ru.
Шеставина Светлана Викторовна, преподаватель кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», kaf. vm@mail. ru
Алехин Юрий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии металлов и ремонта машин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
Серебровская Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой