Ежов Ю. Е., Погодаев Л. И., Токарев Л. П.

Термомеханическое спекание как способ улучшения надежности газотермических покрытий.

В практике газотермического нанесения покрытий широкое распрост ранение получила последующая за напылением упрочняющая обработка напыленного слоя. В первую очередь, данная обработка применяется для увеличения адгезионной и когезионной прочности покрытий, снижения пористости, выравнивания микро- и макроструктуры. Одним из методов высокотемпературного упрочнения напыленных покрытий является спекание .

Спекание производится при общем нагреве напыленного изделия. Известны результаты повышения характеристик металлизационного покрытия последующим спеканием при температуре (0,65 0,75) Т_пл исходного материала. В процессе спекания металлизационного покрытия, вследствие повышенной подвижности атомов и их диффузии, происходит его рекристаллизация, релаксация внутренних напряжений, увеличение контактных участков как между основой и частицами, так и между последними. В результате такой обработки, нанесенный металл переходит из конгломерата частиц в конгломерат кристаллов, увеличивается пластичность покрытия, уменьшается пористость, возрастает адгезионная и когезионная прочность.

Кроме спекания в твердой фазе применяется спекание в присутствии жидкой фазы. В данном случае температура спекания может варьироваться в широких пределах. Твердожидкое спекание в основном применяют для упрочнения композиционных покрытий. В этом случае при нагреве расплавляется либо один из компонентов покрытия или происходит контактное плавление при взаимодействии его компонентов. Образующаяся при расплавлении жидкая фаза проникает в несплошности покрытия, способствуя его упрочнению и уплотнению. Продолжительность спекания зависит от толщины нанесенного слоя и колеблется от 2 до 5 часов .

Улучшить характеристики покрытия позволяет пластическое деформирование. Данный процесс проводят по различным схемам нагрева и деформирования. Наибольшее распространение получила схема электроконтактного нагрева при прокатке покрытий медным роликом.

При прохождении электрического тока через композит «сталь-покрытие» основное тепловыделение происходит в точках контакта напыленных частиц и на участках контакта частиц с основой. Это тепловыделение вызывает сваривание частиц друг с другом и с подложкой. Механическая активация способствует завариванию пор. Деформация покрытия связана с тем, что отдельные частицы сдвигаются и поворачиваются относительно друг друга путем скольжения по оплавленным границам. Возможна деформация и хрупкое разрушение отдельных частиц с последующим завариванием возникших трещин. При горячей деформации порошкового покрытия типа ПГ-СР его структура формируется в результате горячего наклепа, динамического возврата и динамической рекристаллизации, развивающихся в зависимости от температурно-силовых параметров. При этом максимальная износостойкость может быть достигнута при условиях, обеспечивающих наибольшие дисперсность и микроискажение кристаллической структуры.

В качестве примера рассмотрим особенности электроконтактной обработки газотермических покрытий (ГТП).

В результате выполненных исследований был разработан режим термической обработки самофлюсующегося ГТП системы Ni-Cr-B-Si-C (ПГ-ХН80СРЗ) с оптимальным воздействием на металл основы и получен композиционный материал, состоящий из износостойкого покрытия на трещиностойкой основе. Одновременно самофлюсующееся покрытие обрабатывали давлением, чтобы свести к минимуму последующую механическую обработку.

Никель-хром-бор-кремниевое самофлюсующееся покрытие (ПГ-ХН80СРЗ) напыляли на сталь газотермическим способом и повергали термомеханическому спеканию (ТМС) путем электроконтактного нагрева [1].

Этот метод достаточно технологичен, гарантирует высокую производительность, культуру производства и экологическую чистоту, а особенности микроструктуры, сохранение наследственной мелкозернистой карбоборидной фазы исходного порошка обеспечивает высокую износостойкость покрытий.

Упрочняемые образцы обжимали электродами, проводящими ток плотностью 300 А/мм² со стороны подложки и со стороны покрытия. Давление на электрод регулировали, варьируя среднее контактное давление от 20 до 80 МПа. Длительность контакта электрода с поверхностью изменяли от 2 до 8 с.

При прохождении электрического тока через биметалл основное тепловыделение происходит в точках наибольшего электросопротивления, а именно: в местах взаимного контакта напыленных частиц, на участках, где покрытие прилегает к подложке. Тепловыделение вызывает сваривание частиц друг с другом и с подложкой. Механическая активация способствует завариванию пор. Деформация покрытия связана с тем, что отдельные частицы сдвигаются и поворачиваются относительно друг друга путем скольжения по оплавленным границам. Возможна деформация и хрупкое разрушение отдельных частиц с последующим завариванием возникших трещин. При горячей деформации порошкового покрытия ПГ-СР его структура формируется в результате горячего наклепа, динамического возврата и динамической рекристаллизации, развивающихся в зависимости от температуры и давления. При этом максимальная износостойкость ГТП может быть достигнута при условиях, обеспечивающих наибольшую дисперсность и микроискажение кристаллической структуры [2].

Рис. 1. Схема структурных изменений биметалла, состоящего из малоуглеродистой стали (основа) и самофлюсующегося износостойкого покрытия, при термомеханическом спекании.

Схематично процесс формирования структуры композита, получаемого при электроконтактном нагреве самофлюсующегося ГТП представлен на рис. 1. Обработке подвергалось изделие с износостойким порошковым покрытием на малоуглеродистой стали с феррито-перлитной структурой. В процессе обработки покрытие припекалось к основе, которая вследствие термического влияния испытывала фазовые превращения. При оптимальном режиме, показанном на схеме, перлит в зоне термического влияния при температуре выше А_c1 превращается в аустенит (А), который, в свою очередь, при ускоренном в результате интенсивного теплоотвода при охлаждении в интервале температур М_н—М_к испытывает мартенситное (М) превращение.

Оптимальный режим ТМС определен на основании анализа микроструктуры ГТП. Исходное покрытие образовано отдельными частицами (рис. 2, а), которые сцепляются с основой и друг с другом механическим путем, а в местах разрушения оксидных пленок на своей поверхности - за счет сваривания. Пористость слоя составляет 12-16%. Наибольшее число дефектов в виде пор и пленок оксидов расположено на границе покрытия и основы. Отдельные частицы содержат мелкодисперсную карбоборидную фазу, другие имеют строение пересыщенного твердого раствора, твердость которого H₂₀ = 14-18 ГПа. При прогреве и частичном спекании количество тонкодисперсных карбоборидов увеличивается, а твердость твердорастворной матрицы понижается до 3,2 - 3,4 ГПа, так как уменьшаются напряжения кристаллической решетки. Пористость снижается

Рис. 2. Изменение структуры порошкового покрытия ПГ-ХН80СРЗ в ходе термомеханического спекания Х750:

а - состояние после напыления (исходное); б - частичное припекание покрытия; в - полное припекание; г - оплавление.

до 2-4% (рис. 2, б). При полном спекании покрытие имеет строение твердого раствора с однородно распределенными тонкодисперсными частицами карбидов, боридов и силицидов размером не более 0,7-1,5 мкм (рис. 2, в). При расплавлении существенно ухудшается качество покрытия. Наблюдаются локальное расплавление поверхностного слоя с сжиманием металла, прилипание к электроду и отрыв от подложки. После оплавления такое покрытие имеет дендритное строение, размер карбоборидных выделений составляет 3-4 мкм (рис. 2, г). Исходя их этого, режимы термомеханического воздействия на композит (длительность контакта с электродом и давление на него) следует регулировать так, чтобы покрытие спекалось с подложкой без расплавления. Степень деформации композита при этом определяется главным образом пористостью защитного слоя.

Интенсификация температурно-силовых параметров при ТМС ускоряет спекание и, следовательно, увеличивает производительность процесса. Изменение времени, необходимого для спекания покрытия, в зависимости от среднего контактного давления, показано на рис. 3.

Рис. 3. Влияние давления при термомеханическом спекании на длительность процесса (1) и глубину зоны термического влияния (2).

При выборе режима необходимо учитывать строение и свойства как износостойкого покрытия, так и композита в целом. Существенное влияние на свойства упрочняемых деталей оказывает зона термического влияния, ее глубина и строение. Глубина зоны в зависимости от контактного давления при спекании изменяется немонотонно (рис. 3). Малое термическое влияние при силовом воздействии 20 МПа обусловлено перераспределением тепловыделения в сторону пор, границ между порошинками и других несплошностей покрытия. Вследствие этого температура основы в течение цикла припекания (около 6-8 с) незначительно превышает температуру эвтектоидного превращения стали (А₁). При этом феррит, наклепанный при пескоструйной обработке, рекристаллизуется, перлит превращается в аустенит. В ходе последующего ускоренного охлаждения образовавшийся аустенит испытывает мартенситное превращение. При повышении давления площадь электрических контактов между частицами увеличивается, электросопротивление покрытия снижается,-тепловыделение в основе возрастает. Наиболее существенно структура основы изменяется в результате припекания покрытия при контактном давлении ~ 40 МПа. В этом случае малоуглеродистая сталь в переходной зоне имеет структуру псевдоперлита, образование которого связано с нагревом основы до аустенитного состояния и с последующим ускоренным охлаждением. Когда напряжение сжатия при ТМС превысит 40 МПа, глубина зоны термического влияния вновь уменьшается. Структурные изменения в основе ограничиваются рекристаллизацией феррита. Меньшее влияние термического цикла при увеличении силового воздействия объясняется сокращением времени, требуемого для полного спекания покрытия. Длительность цикла ТМС (около 1 с) оказывается в этом случае недостаточной для фазовых превращений в основе. Что касается качества покрытия, то увеличение силовых параметров ухудшает его: в покрытии возникают и не успевают завариваться хрупкие трещины.

Судя по данным микроструктурных исследований, тонкодисперсное износостойкое никель-хром-бор-кремниевое покрытие может быть получено в диапазоне температурно-силовых параметров ТМС. Однако изменение их в оптимальных (с точки зрения структуры покрытия) пределах существенно влияет на строение основы и, следовательно, на свойства композита в целом. Если покрытие припекается на доэвтектоидную сталь (0,15 % С), структуру основы можно изменить от исходной до трооститно-перлитной или ферритно-мартенситной. Оптимальным представляется режим, при котором покрытие формируется на стадии спекания, а подложка получает ферритно-мартенситную структуру. В этом случае нет хрупкой переходной зоны, характерной для других способов оплавления самофлюсующегося покрытия (печного, газовой горелкой, плазменной струей и другими неконцентрированными источниками тепла).

Таким образом, чтобы создать композиционные материалы с износостойкой поверхностью на трещиностойкой подложке, при осуществлении известных методов нанесения покрытий, таких как накатка — электроприпекание, термомеханическое спекание, электроконтактное оплавление, необходимо регламентировать их режимы с целью одновременного управления структурой как покрытия, так и подложки.

Обработка самофлюсующегося покрытия методом термомеханического спекания с электроконтактным нагревом увеличивает его адгезионную и когезионную прочность, снижает пористость, позволяет обеспечить более однородную микро- и макроструктуру.

Наружная поверхность покрытия формируется механическим воздействием со стороны электрода, что позволяет свести к минимуму последующую механическую обработку.

Регулирование параметров термомеханического воздействия обеспечивает получение биметалла с износостойкой поверхностью и трещиностойкой мартенсито-ферритной основой без хрупкого переходного слоя.

Литература

1. Токарев Л. П. Формирование структуры композиции «Сталь – защитное покрытие» обработкой источниками концентрированной энергии для повышения ее надежности. Автореф. докт. дисс. Новосибирск: HГАВТ, 2004. 40 с.

2. Погодаев Л. И., Кузьмин А. А. Структурно-энергетические модели износостойкости пористых покрытий (ГТП). – СПб.: СПГУВК, 2005. – 208 с.

3. Бычков Т. П. Влияние параметров оборудования на свойства ГТП при восстановлении и изготовлении деталей судовых механизмов СПб.: СПГУВК / «Судо-строение и судоремонт». 2000. – С. 148-151.