Технические науки/2. Металлургия

Аспирант Яцкевич О.К., аспирант Щербаков В.Г.

Белорусский Национальный Технический Университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ МОЛИБДЕНОМ

Керамические покрытия обладают высокой твердостью, износостойкостью, устойчивы к химически-активным средам, имеют высокую рабочую температуру, не образуют мостиков схватывания при трении. Недостатком керамических покрытий является высокая хрупкость, пористость, низкая адгезия и прочностные свойства в условиях динамических нагрузок [1]. Для расширения области применения керамических материалов необходимо постараться устранить присущие им недостатки. В качестве объекта исследования были выбраны плазменные покрытия из оксида алюминия. Большим преимуществом данного материала является его доступность и дешевизна. Однако и ему присущи недостатки, общие для всех керамических покрытий, - низкая адгезия между покрытием и основой [2, 3]. С целью устранения недостатков керамический материал на основе оксида алюминия подвергался химико-термической обработке. В качестве легирующего элемента был выбран молибден, так как он обладает хорошими фрикционными свойствами. Диффузионное легирование Al₂O₃ осуществляли на созданной аспирантом Стефановичем А. В. установке с вращающимся контейнером на основе печи СНОЛ (t=950°С, время 120 мин).

Анализ структуры покрытий, полученных методом сканирующей электронной микроскопии, установил, что у легированного покрытия граница покрытия и подложки является менее выраженной в отличие от покрытия из чистой окиси алюминия. Данный факт говорит о повышенных адгезионных свойствах. Распределение частиц молибдена по покрытию гетерогенное (Рисунок 1). Это может свидетельствовать о неоднородности исходных частиц, неравномерном налипании частиц молибдена по поверхности частиц оксида в исходном порошке. Также это может быть обусловлено разными условиями застывания частиц [3]. Электронная сканирующая микроскопия позволила определить процентное содержание элементов на отдельных участках в покрытии.

а) Молибден, Мо б) Алюминий, Al

в) Кислород, О г) Железо, Fe

Рисунок 1 - Распределение элементов в керамическом покрытии, легированном молибденом

При проведении рентгеновского фазового анализа ставилась задача проанализировать изменение количественного и качественного фазового состава покрытий после легирования оксида алюминия молибденом. Исследования позволили судить о том, в каком виде в покрытии находится молибден, легирует ли он матрицу или содержится в виде отдельных частиц, присутствует ли в образце оксид алюминия.

Было установлено, что покрытия состоят из γ – модификации Al₂О₃ (кубическая структурная модификация) с небольшим содержанием α - Al₂О₃ (гексагональная структурная модификация). При газотермическом напылении в зависимости от метода и режима процесса в покрытии формируется как γ-Al₂О₃ (низкотемпературная модификация), так и α - Al₂О₃ (высокотемпературная). При плазменном напылении независимо от исходного материала на холодной подложке формируется покрытие, состоящее в основном из γ –формы. С ростом толщины покрытия в его составе в значительных количествах может формироваться и высокотемпературная модификация α - Al₂О₃.

Установлено, что оба покрытия состоят из γ - Al₂О₃ и α -Al₂О₃ примерно в одинаковых пропорциях. Присутствие α - Al₂О₃ увеличивает износостойкость и плотность покрытия. Наличие γ-Al₂О₃ повышает вязкость нанесенного покрытия, что в данном случае является благоприятным фактором. Молибден в легированном покрытии содержится в чистом виде, в количестве 12,4%. На рентгенограмме кроме линий чистого молибдена выявлены лини оксида молибдена МоО₃. Данная фаза образуется в незначительном количестве в результате поверхностного окисления молибдена при прохождении частиц через плазменную струю.

Сравнение физико-механических свойств данного покрытия с покрытием из оксида алюминия показали, что введение молибдена значительно снизило хрупкость и повысило прочность сцепления с основой. Микротвердость покрытия снизилась и составила 3239 МПа, в то время как средняя микротвердость покрытия из чистой окиси алюминия составила 5640 МПа. Исследования показали, что введение пластичного металла, в данном случае - молибдена, позволило уменьшить пористость керамического покрытия. Частицы молибдена в покрытии из легированного оксида алюминия выполняют роль уплотнителя при формировании покрытия и заполняет поры, которые возникают при использовании «чистого» оксида алюминия.

Пористость покрытия из легированной окиси уменьшилась и составила 5-6% по сравнению с пористостью покрытия из «чистого» оксида алюминия - 10-12%. В исследуемых покрытиях поры имеют неправильную форму. Площадь пор в сечении, нормальном границе раздела между покрытием и основой, меньше, чем в сечении параллельном границе. Данный фактор обусловлен особенностями послойного формирования покрытий.

Особый случай износа твердых тел представляет собой изнашивание керамических материалов. Керамика Al₂О₃ обладает высокой твердостью, износостойкостью, устойчива к агрессивным средам, имеет высокую температуру плавления, химически инертна к основным конструкционным материалам и поэтому при введении в пару трения не образует «мостиков схватывания», являющихся одной из главных причин разрушения металлических контактирующих поверхностей.

Исследования износостойкости были проведены на машине трения МТ – 1 в условиях сухого трения [5]. Была установлено, что с увеличением нагрузки интенсивность изнашивания растет, причем в начальный момент времени интенсивность изнашивания имеет большие значения. С течением времени она уменьшается. Для двух исследуемых покрытий интенсивность изнашивания отличается незначительно как при низкой нагрузке, так и при ее увеличении. Исследования коэффициента трения покрытий были проведены на машине типа Amsler A – 135. Было установлено, что при увеличении нагрузки от 20 до 40 МПа и скорости скольжения от 6 до 10 м/мин. коэффициент трения у легированного покрытия увеличивается на 15-20% меньше, чем у оксида [5].

В случае легирования оксида алюминия молибденом установлено, что распределение молибдена по покрытию – гетерогенное (неоднородное). Это вызвано структурными особенностями исходного порошка. Предполагается, что частицы молибдена не вступают в химическую реакцию и просто прилипают к частице оксида. Плазменные покрытия, полученные из модифицированного керамического материала, имеют улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с покрытиями из чистого оксида алюминия. Введение молибдена значительно снизило хрупкость и повысило адгезию покрытия с основой в 2 – 2,5 раза (26-27 МПа). Микротвердость легированных покрытий снизилась на 30-40%. Было установлено, что интенсивность изнашивания двух покрытий отличается незначительно как при низких, так и при высоких нагрузках, хотя микротвердость легированного покрытия меньше.

Введение пластичного молибдена, позволило уменьшить пористость керамического покрытия в 2-2,4 раза. Для покрытия из оксида алюминия коэффициент трения составляет 0,24-0,26. Введение молибдена позволило снизить коэффициент трения в 2-2,2 раза. Особенно заметна разница в коэффициентах трения легированного покрытия и чистого оксида алюминия при больших давлениях в паре трения.

Представленные результаты показывают перспективность применения метода химико-термической обработки керамических порошков для получения покрытий с высокими эксплуатационными свойствами.

Литература:

1. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.А. Сидоренко, Е.Н. Ардатовская. – Киев.: Наукова думка, 1987. – 544 с.

2. Хокинг М., Васантасари В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства, применение: Пер. с англ. – М.: Мир, 2000. – 518 ил.

3. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973.-400с.

4. Кардаполова М.А., Девойно О.Г., Яцкевич О.К. Повышение комплекса физико-механических и эксплуатационных характеристик покрытий на основе оксида алюминия легированного молибденом // Машиностроение и техносфера ХХI века: Сборник трудов ХII международной научно-технической конференции в г. Севастополе 11-16 сентября 2006 г. В 5-ти томах.– Донецк: ДонНТУ, 2006. Т.2.-с.108-113.

5. Кардаполова М.А., Девойно О.Г., Константинов В.М., Яцкевич О.К. Разработка технологических процессов получения оксидных покрытий с улучшенным комплексом свойств // Вестник БГТУ. – Машиностроение. – 2006.№ 4 - С. 31-35.