Исследование триботехнических свойств стальных покрытий, полученных методом гиперзвуковой металлизации

Процесс гиперзвуковой металлизации (ГМ) для восстановления деталей объединяет преимущества методов традиционной электродуговой металлизации и высокоскоростного напыления благодаря наличию высокоэффективной камеры сгорания пропано-воздушной смеси. Формируемая газовая сверхзвуковая струя имеет скорость 1500 м/с и температуру 2200 К. Это обеспечивает скорость частиц до 500 м/с. В результате прочность сцепления наносимых покрытий вдвое превышает прочность сцепления слоев, полученных традиционной электродуговой металлизацией.

Стальные покрытия, полученные методом ГМ, имеют небольшую пористость. Этот показатель особенно важен при нанесении антикоррозионных покрытий на детали транспорта так как при этом достигается значительная экономия наносимого материала за счет снижения толщины покрытия и увеличивается срок службы покрытий.

Технологии применения ГМ-покрытий для ремонта изношенных деталей отличаются высокой производительностью, низкими затратами. Вследствие особенностей процесса ГМ-покрытия устойчивее против трещинообразования при увеличенной толщине в сравнении с газопламенными и плазменными. Для плазменных покрытий резко возрастает вероятность растрескивания при толщине свыше 0.7 мм за счет дополнительного нагрева плазменной струей. ГМ-покрытия гораздо устойчивее к этому дефекту. Возможно нанесение покрытия толщиной 0.5 – 7.0 мм.

Процесс напыления покрытий из проволочных материалов является результатом физико-химических взаимодействий в многофазной системе. На поверхности детали образуется необходимый слой защитного покрытия, свойства которого зависят от количественных и качественных характеристик процессов взаимодействия. Основное влияние на плотность покрытий и прочность сцепления с основой оказывает степень динамической активации частиц распыленной проволоки, их температура и размер (дисперсность распыления).

Одним из основных требований, которому должны удовлетворять поверхностные слои деталей является пластичность в начальный период трения для ускорения процесса приработки, а также высокая износостойкость, твердость, адгезия к жидким смазкам в ходе дальнейшей работы узла. Эффективность метода гиперзвуковой металлизации обуславливается большей экологичностью, а также пониженным коэффициентом трения легированных сталей при увеличении удельной нагрузки.

Процесс напыления покрытий из проволочных материалов является результатом следующих физико-химических взаимодействий в многофазной системе:

а) образование электрической дуги между проволоками, приводящее к появлению жидкой металлической фазы;

б) взаимодействие высокоскоростного потока продуктов сгорания пропано-воздушной смеси с расплавом проволоки, образование струи распыленных частиц;

в) превращение кинетической энергии движения распыленных частиц в работу деформации при их механическом контакте с напыляемой поверхностью, передача внутренней (тепловой) энергии от частиц детали.

На поверхности детали образуется необходимый слой защитного покрытия, свойства которого зависят от количественных и качественных характеристик процессов взаимодействия. Основное влияние на плотность покрытий и прочность сцепления с основой оказывает степень динамической активации частиц распыленной проволоки, их температура и размер (дисперсность распыления).

Увеличение скорости частиц наряду с увеличением плотности слоя приводит к диспергированию микроструктуры напыленных слоев. Понижение скорости переноса частиц, расплавленных электрической дугой, до ~100 м/сек вновь приводит к огрублению структуры, снижению плотности напыленного слоя и увеличению пористости до 6…8%. В результате проведённых исследований сделаны соответствующие выводы:

1. Установлено, что в ГМ-покрытиях из стали 40Х13 содержатся: a-фаза (мартенсит), g-фаза (аустенит), окислы Fe₃O₄, FeO и Fe₂O₃, причем концентрация окислов определяется составом газовой смеси распыляющего факела. В ГМ-покрытиях количество кислорода менее 2,2%, в покрытиях, полученных традиционной электродуговой металлизацией – от 2,6 до 3,6%.

2. Показано, что процесс ГМ с восстановительным распыляющим факелом обеспечивает плотность покрытий 95 – 98% и твердость HV=3000 МПа; процесс ГМ в окислительном факеле обеспечивает ту же плотность, но твердость HV=3500 МПа; при распылении воздухом плотность покрытий составляет 92 – 94% и твердость 3200 МПа.

3. Установлено, что в ГМ-покрытиях из стали 40Х13 содержится аномально большое количество остаточного аустенита: V_g » 18 – 22 об.%. Обычное содержание остаточного аустенита в закаленной стали 40Х13 не превышает 3…5 об.%. Этим можно объяснить пониженный уровень твердости покрытий по сравнению с литой закаленной сталью 40Х13 (HV=5600 МПа).

4. Триботехнические испытания в режиме сухого трения показали, что изнашивание напыленных покрытий носит циклический характер. Интенсивность изнашивания при этом у ГМ-покрытий ниже, чем у ЭДМ, но выше, чем у литой стали.

5. Испытаниями в режиме граничного трения установлено, что износостойкость напыленных покрытий выше, чем литой стали 40Х13 в 1,3…1,8 раза. Использование консистентных смазок вместо жидких снижает интенсивность изнашивания ГМ-покрытий в 1,5 раза.