У результаті аналізу рентгенограм покриттів Fe-В, нанесених різними методами ГТН, встановлено факт їхньої аморфізації для складів з вмістом бору 3,3-8,8 мас.%. Найбільш оптимальним у системі Fe-B із погляду аморфізації в умовах ГТН є сплав із 22 об.% В. При вмісті бору в ГТП Fe-B в інтервалах 20-26 об.% спостерігаєтьсяся максимум об'ємного вмісту аморфної фази на кривій ZАф = f (В, об.%). Для покриттів на основі Ni-B найбільша кількість АФ досягається при 23-25 об.% В. Отже, максимальний ступінь аморфізації покриттів при ГТН сплавів (Fe, Ni, Co)-B спостерігається для заевтектичних складів.

Виявлено ефект підвищення об'ємного вмісту аморфної фази у покриттях даного типу при введенні рідкоземельних металів (РЗМ) в напилюваний матеріал. Так, легування вихідного розплаву при одержанні порошків Fe-B мішметалом, що забезпечує вміст в ньому РЗМ 0,2-0,8 об. %, сприяє збільшенню на 5-15% ZАФ у напилених покриттях. Ще в більшій мірі вплив РЗМ на аморфизацію покриттів виявляється при їхніх добавках у порошковий дріт (до 20%), що сприяє зниженню вмісту в покриттях кисню (до 2 і більш разів), зменшенню розмірів включень боридних фаз, пористості і кількості оксидних прошарків.

На основі узагальнення отриманих даних сформульовано такі принципи легування боромістких матеріалів на основі Fe, Ni, Co для ГТН аморфізованих покриттів: B + C + Si + P = 20-35 об.%; РЗМ = 0,2-0,8 об.%; В (об.%) / Ме (об.%) = 2 - 3, де Ме - Cr, Mo, V, W, Ti, Nb, Mn, Al.

Особливістю структури аморфізованих ГТП із подвійних сплавів типу Ni-Ti, Ni-Nb, Ni-Zr, що містять елементи з великою спорідненістю з киснем, є наявність в аморфній матриці кристалічних включень оксидних фаз. Наприклад, у плазмових покриттях із сплаву Ni60Nb40 такою фазою є оксид ніобію NbO2, із сплаву Ni50Nb50 - оксидна фаза типу Ti-Ni-O. Вплив методу ГТН на вміст АФ і склад кристалічних включень у покриттях із порошків даних типів сплавів у значній мірі визначається взаємодією таких елементів, як Ni, Ti, Zr із киснем атмосфери або компонентами високотемпературного струменя. Фазовий склад детонаційних покриттів (ацетилен+кисень, співвідношення C2H2/О2 = 1) із сплаву Ni60Nb40 наближається до плазмових, проте, при напиленні з надлишком ацетилену (C2H2/О2 = 0,85) у цих покриттях поряд з АФ з'являється карбід ніобію NbС.

Таблиця 1

Вплив системи легування напилюваних матеріалів на фазовий склад покриттів

Вивчено тонку структуру аморфної фази газотермічних покриттів. У результаті дослідження покриттів із ряду сплавів на основі заліза і нікелю (Ni60Nb40, Ni81Р19, Fe40Ni40B20 та ін.) встановлено, що при напиленні в процесі аморфізації сплавів відбувається перебудова енергетичного спектра електронів (ЕСЕ). Наприклад, виявлено різку відмінність контуру NbIV, V смуги Nb в кристалічному сплаві Ni60Nb40 у порівнянні з аморфізованим плазмовим покриттям, що відбиває видозміну загального сумарного ЕСЕ.

У результаті дослідження аморфізованих покриттів методом просвітлювальної електронної мікроскопії встановлено, що у випадку напилення сплавів із елементами з великою спорідненістю з киснем (типу Ni-Nb, Ni-Ti, Ni-Zr) характерною рисою АФ покриттів є наявність областей, які відрізняються типом ближнього порядку. Це виявляється на електронограмі у вигляді двох або трьох дифузійних гало, тобто крім основного розмитого кільця фіксуються і додаткові внутрішні кільця меншої інтенсивності. Отримані результати свідчать про гетерогенність (фазове розшарування) АФ, що підтверджується наявністю областей з гетерогенною аморфною структурою, які спостерігаються переважно поблизу кристалічних виділень, збагачених оксидами, а також поблизу оксидних прошарків. Даний факт пояснюється зміною хімічного складу окремих мікрооб'ємів сплава внаслідок розчинення в ньому під час напилення кисню.

При нагріванні досліджуваних аморфізованих ГТП залежно від їхнього складу в інтервалі 600-900 К відбувається кристалізація аморфної фази. Встановлено, що метод ГТН і тип матеріалу, застосованого для напилення, впливають на значення температури початку кристалізації Ткр АФ та змінюють закономірності структурних перетворень. Так, значення Ткр газополуменевих і електродугових покриттів із ПД Fe80B20 на 20-50 К вищі порівняно з Ткр для газополуменевих покриттів із П і ГШ. Для детонаційних покриттів із сплавів Fe40Ni40B20 і Ni40Nb40 також встановлено підвищення Ткр на 40-50 К порівняно із плазмовими покриттями і зміна послідовності структурних перетворень. Це пояснюється різницею в хімічному складі покриттів внаслідок інтенсивнішої взаємодії напилюваного матеріалу з киснем і азотом під час детонаційного напилення.

Встановлено, що ультразвукова обробка зразків з аморфізованими покриттями в камері, заповненій кульками зі сталі ШХ-15 діаметра 2-5 мм при амплітуді коливань 100 мкм, частоті 18 кГц спричинює підвищення ZАФ в покриттях на 10-25%. На прикладі плазмових покриттів із сплавів Ni-Fe-Cr-B-Si-C, Fe-Ni-Cr-Mo-B показано, що максимальне підвищення аморфізації покриттів досягається при тривалості ультразвукової обробки в інтервалі 50-100 с.

Досліджено вплив механічної обробки (плоского шліфування кругами з карбіду кремнію зеленого SiС і синтетичних діамантів типу АС6 80/63М) на структурний стан аморфізованих покриттів. Встановлено, що в покриттях із сплавів Fe-B, Fe-Mo-Cr-B у результаті шліфування в ряді випадків спостерігається зниження ZАФ на 20-30%. При цьому на їхній поверхні спостерігаються ділянки перегріву і мікротріщини. Визначено значення припустимої продуктивності шліфування (Рш) з точки зору збереження аморфної фази в покриттях. У результаті оптимізації встановлені такі режими шліфування, що не вносять зміни у фазовий склад аморфізорованих газотермічних покриттів: для кругів із SiС - швидкість Vкр = 35 м/с, подовжня швидкість Sпр =8-5 м/хв, глибина різання hр = 0,01-0,05 мм; для діамантових кругів - Рш= 0,2-1,0 см3/хв, Sпр = 2-10 м/хв, hр = 0,01-0,05 мм.

У шостому розділі наведено результати дослідження впливу умов ГТН і структурного стану, в тому числі і об'ємного вмісту АФ, на фізико-механічні й магнітні властивості аморфізованих покриттів та їхню корозійну стійкість.

Виконано оцінку залишкових напружень І роду в системі "основа (сталь 45, Д16 ВТ1) - аморфізоване покриття". Встановлено, що в ГТП, нанесених на сталеву основу з аморфною структурою формуються залишкові напруги стиску, переважно (-25) - (-120) МПа, що зменшуються в міру росту товщини покриття. Введення до складу покриттів на основі Fe-B і Ni-B легуючих елементів, що підвищують модуль пружності (Cr, Mo, V, Ti) обумовлює зростання ост. Домішки РЗМ у дані сплави сприяють зниженню (на 10-15%) рівня залишкових напружень. Значення ост. зростають із підвищенням рівня нагріву основи в процесі нарощування покриття. Ефективним прийомом зменшення ост. є примусове охолодження основи і покриття в процесі ГТН. Так, наприклад, обдування основи і зони напилення повітряними і водоповітряними (розпилення води) струменями, що запобігає її нагріванню вище 390-400 К, спричинює зменшення залишкових напружень у плазмових покриттях із сплаву Fe83B17 товщиною 200 мкм (АФ = 75%) від (-110) до (-15) МПа.

Термічна обробка аморфізованих покриттів при температурах Т= (0,7-0,9)Ткр сприяє зменшенню ост у 2-3 рази, а їхній відпал вище температури кристалізації АФ Ткр обумовлює зміну їхнього знака і зростання абсолютних значень в 1,2-2,0 рази.

При переході від сталевої основи до алюмінієвої (Д16) в аморфізованих покриттях спостерігається тенденція до зростання залишкових напружень стиску, а до титанової (ВТ-1,0) - в деяких випадках, переходу їх до напружень розтягу.

На прикладі сплаву Ni60Nb40 показано, що рівень напружень II роду в аморфізованих плазмових покриттях нижче в середньому в 1,3-2,0 рази порівняно з аморфною стрічкою, отриманою методом "спінінгування" розплаву. Це пояснюється циклічним нагріванням напилених аморфізованих шарів у процесі нарощування покриття.

Виявлено тенденцію збільшення міцності зчеплення покриттів з основою сц по мірі зростання в них об'ємного вмісту АФ. При підвищенні АФ від 40 до 100% міцність зчеплення з основою збільшується в середньому в 2 рази (рис. 6). Застосування захисних насадок при плазмово-дуговому напиленні дозволяє збільшити АФ до 100%, а сц - до 80-90 МПа.

Застосування ГШ і ПД порівняно із порошками забезпечує вищі на 20-50% значення сц при близьких значення АФ. Це можна пояснити більш сприятливими умовами розплавлення напилюваного матеріалу у випадку використання ГШ і ПД. При близьких значеннях АФ збільшення кількості легуючих елементів у ГТП як правило не спричинює зростання сц. Так, наприклад, ця характеристика складає 45 і 35 МПа, відповідно для аморфізованих плазмових покриттів із сплавів Fe83B17 і Fe55Mo13Cr8Ni7B17. Домішка РЗМ у шихту ПД Fe-B підвищує сц в 1,2-1,3 рази. Примусове охолодження основи, що обумовлює зниження залишкових напружень, сприяє підвищенню сц. Зокрема, охолодження повітряними струменями порівняно з напиленням без даного технологічного прийому сприяє зростанню сц плазмових покриттів із сплаву Fe40Ni40B20 від 31 до 49 МПа.

Формування залишкових напружень стиску в аморфізованих ГТП сприяє збільшенню втомливої міцності -1 конструкційних матеріалів. Встановлено, що при нанесенні детонаційних, плазмових та газополуменевих покриттів із сплавів систем Fe-B, Fe-Ni-B, Fe-Cr-Mo-B, Ni-B, Ni-Cr-Mo-B, Ni-Fe-Cr-B-Si-C значення -1 основи зі сталі 45 підвищуються в середньому на 10-40%. Рівень -1 понижується із збільшенням товщини покриттів. Кристалізація АФ також приводить до зниження цієї характеристики. Так, відпал плазмових покриттів із сплаву Fe40Ni40B20 при 1170 К спричинює зниження -1 із 500 до 350 МПа.

Відмінною рисою аморфізованих газотермічних покриттів є відносно висока "гаряча" твердість, тобто зберігання рівня твердості для Т = 300 К при нагріванні практично до 1000 К. Це пояснюється ефектом їх зміцненням внаслідок утворення мікрокристалічних метастабільних фаз при кристалізації аморфної структури покриттів в інтервалі 600-900 К. У цілому за рівнем твердості в цьому інтервалі температур досліджувані покриття із залізних сплавів, що містять бор, перевершують кристалічні покриття із серійних сплавів на основі кобальта типу Стеліт 31, Т-800.

У результаті тріботехнічних досліджень при підвищених питомих навантаженнях 4-25 МПа і швидкостях до 1-2 м/с встановлено, що аморфізовані ГТП на основі Fe-B, Fe-Si-C, Ni-B по зносостійкості в 1,9-4,7 рази перевершують цементовану сталь 20Х, оплавлені кристалічні покриття із самофлюсуючого сплаву ПН73Х16С3Р3 із включеннями карбіду титану і карбіду хрому та гальванічний хром. Аморфізовані детонаційні покриття із сплавів Fe80B20, Fe50Cr10Mo15B25, Ni45Mo20Cr25B10 за рівнем зносостійкості в даних умовах наближаються до цих покриттів із твердого сплаву ВК-25. Висока зносостійкість даних покриттів у вказаних умовах пояснюється ефектом їх високої "гарячої" мікротвердості. Легування порошків і порошкових дротів на основі Fe-B, Fe-B-C-Si Fe-Mo-Ti-V-Cr-B та інших рідкоземельними металами сприяє зниженню інтенсивності зносу при терті ковзання в середньому на 10-20%.

Режими ГТН, що забезпечують максимальний об'ємний вміст АФ у ГТП обумовлюють поліпшення їхніх тріботехнічних характеристик. Показано, що з підвищенням АФ спостерігається тенденція до зменшення стрибка коефіцієнта тертя після виведення пари тертя із рівноважних умов граничного тертя.

Термічна обробка неоднозначно впливає на тріботехнічні характеристики аморфізованих ГТП. Для покриттів із сплавів Ni-B, Ni-Fe-Cr-B, Ni-Cr-Fe-В-Si, Fe-B-Si-C відпал, що обумовлює кристалізацію аморфної структури, знижує в 1,2 - 2,9 раза їхню зносостійкість. У випадку покриттів із сплавів Fe-Ni-B, Fe-Mo-Cr-B, Ni-Mo-Cr-B така обробка сприяє підвищенню їхньої зносостійкості. Дана особливість пояснюється конкуруючими процесами окрихчення покриття та підвищення його твердості при виділенні мікрокристалічних фаз з аморфної матриці. В усіх випадках тривалі (більш 3-х годин) відпали при Т 1200 - 1300 К сприяють рекристалізації покриттів та зниженню зносостійкості.

У умовах абразивного зношування найбільшою зносостійкістю відрізняються аморфізовані покриття із складнолегованих систем типу Fe-Mo-Cr-B, Ni-Mo-Cr-B, Fe-Mo-Cr-V-Cu-B, Ni-Cr-Mo-Ti-V-B. За цією характеристикою вони перевершують оплавлені покриття із нікелевих самофлюсуючих сплавів в тому числі з домішками карбідів хрому та кремнію і поступаються тільки цим покриттям із 35% масовим вмістом WC. Зі збільшенням швидкості напилюваного матеріалу спостерігається тенденція до збільшення абразивної зносостійкості аморфізованих покриттів. При газополуменевому напиленні більш високу зносостійкість забезпечують ПД та ГШ порівняно з порошками.

Встановлено залежність рівня стійкості до газо-, гідроабразивного зносу та кавітації від об'ємного змісту АФ. Оптимізація режимів ГТН за критерієм "КВМmax = Z Афmax" забезпечує найвищий рівень даних характеристик (табл. 2).

Таблиця 2. Вплив КВМ та Z Аф на зносостійкість при газоабразивному зношуванні Iг плазмових покриттів із порошку Fe83B17 ("Київ-7 ", повітря+пропан-бутан)

Характерною рисою аморфізованих покриттів на відміну від кристалічних є незначний вплив кута атаки абразиву на інтенсивність зношування (табл. 2). Описана особливість пояснюється пластичністю аморфної фази покриттів та відсутністю деформаційного наклепу, що сприяє запобіганню окрихчення поверхні при прямый динамічный дыъ абразивних часток. Легування матеріалів на основі Fe-B, Ni-B такими елементами, як Cr, Mo, V, Ti, не підвищуює стійкості аморфізованих ГТП до ерозійного зносу. Домішки РЗМ до 0,2-0,8 об. % збільшують цю характеристику на 10-25%.

За близьких значень ZАФ більш високу стійкість ГТП до газоабразивного та кавітаційного зносу забезпечує перехід від дозвукового до надзвукового режиму витіканню струменя, використання розроблених захисних насадок, застосування для напилення замість порошків порошкових дротів і гнучких шнурів. Наприклад, значення Iг при газоабразивному зносі аморфізованих плазмових покриттів із сплаву Ni49Fe5Cr18B15Si8C5, нанесених із використанням надзвукового струменя (установка "Київ-С") в інтервалі =15-90о менше в 1,2-1,4 рази порівняно з напиленням дозвуковим струменем (установка "Київ-7").

У результаті магнітних вимірів встановлено, що такі характеристики, як індукція насичення BS, магнітна проникність аморфізованих ГТП із феромагнітних сплавів на основі Fe і Coдосягають 70-95% від цих значень для аморфних стрічок. Найбільш чутливі до технологічних режимів ГТН значення коерцитивної сили покриттів, що перевищують аналогічні характеристики для стрічок в 1,5 раза і більше. Характерною особливыстю є більш високі значення точки Кюрі Тс плазмових покриттів у порівнянні з аморфними стрічками, що можна пояснити наявністю включень кристалічних фаз. Величина Тс залежить від режимів напилення і термічної обробки і може перевищувати цю характеристику для стрічок на 50-140 К. Так, значення Тс для аморфної стрічки і плазмових покриттів із сплаву Co58Fe5Ni10Si11B6 становлять відповідно 550 і 690 К.

Для аморфізованих ГТП виявлена велика стабільність магнітних властивостей у широкому температурному інтервалі. На прикладі плазмових покриттів із сплаву Co58Fe5Ni10Si11B6 показано, що досліджувані аморфізовані покриття характеризуються незначною зміною значень коерцитивної сили (Нс) при відпалах до 1000 К, у той час як при відпалах аморфних сплавів, отриманих методом "спінінгування розплаву", має місце різке (на порядки) збільшення Нс.

Розглянуто вплив типу напилюваного матеріалу та методу ГТН на магнітні властивості аморфізованих покриттів. Встановлено, що плазмові покриття з порошку Fe80B20 по магнітом'яким властивостям дещо переверщують газополуменеві покриття з ПД аналогічного складу. Так, їхні значення індукції насичення в порівнянні з покриттями з ПД вищі в 1,3 раза, коефіцієнт прямокутності петлі гістерезису і початкової магнітної проникності - в 1,2 рази. Для газополуменевих покриттів із цього порошку спостерігається різке зниження магнітних характеристик. Порівняно з газополуменевими покриттями з ПД індукція насичення для них нижча в 4,3 рази. Описані особливості пояснюються більш високим ступенем хімічної та структурної гетерогенності і нижчими значеннями ZАФ газополуменевих покриттів, що сприяє деякому закріпленню границь доменів та ускладнює процеси перемагнічування.

Встановлено високу корозійну стійкість аморфізованих ГТП. Більш низькі значення швидкості корозії у водяних розчинах кислот і солей виявлено для цих покриттів із сплавів систем типу Ni-Cr-Mo-B, Fe-Cr-Mo-B, Fe-Cr-P-C. Так, наприклад, плазмові покриття зі сплавів Ni40Mo20Cr25B15, Fe60Cr10Mo15B15, Ni33Fe20Cr20Mo7B20 у водяному розчині H2SO4 (120 г/л) відрізняються нижчою густиною струму корозії порівняно з оплавленими кристалічними покриттями із нікелевого самофлюсуючого сплаву ПГ-АН9 в 3,0-11,0 разів, із високолегованою нержавіючою сталлю 06ХН28МДТ - в 7,0-7,6 рази, а низколегованою конструкційною сталлю Ст-3 - в 140-540 разів. Аморфізовані плазмові покриття зі сплавів системи Ni-Cr-Mo-B за корозійною стійкістю не поступаються промисловому корозійностійкому нікелевому сплаву Хастелой С, а покриття із сплавів Fe-Cr-Mo-B - по цій характеристиці наближаються до титанового сплаву ВТ1-0, поступаючись йому в 1,4-1,8 рази.

Корозійна стійкість аморфізованих покриттів підвищується при збільшенні об'ємного вмісту аморфної фази ZАФ. Так, значення i плазмових покриттів із сплаву Fe55Mo15Cr8Ni5B20 при зміні в них ZАФ від 60 до 75 і 90 % становить 2,1 .10-7, 2,0 .10-7 і 10-7 відповідно.

Показано ефективність здійснення операції просочення даних покриттів анаеробним герметиком "АНАТЕРМ IV" для запобігання проникнення агресивного середовища до основи з традиційних конструкційних матеріалів (в т. ч. із низьколегованих сталей). На прикладі аморфізованих плазмових покриттів із сплавів Fe-Cr-Mo-B і Ni-Cr-Mo-B, нанесених на зразки із Ст 3 і підданих просоченню зазначеним герметиком, підтверджена стабільність їхніх електрохімічних характеристик, що не відрізняються від таких для аналогічних покриттів, відділених від основи.

У сьомому розділі наведено результати розробки і впровадження матеріалів і технологічних процесів нанесення газотермічних покриттів з аморфною структурою.

З урахуванням вивчених службових властивостей аморфізованих покриттів вибрані такі напрями їхнього застосування: захист конструкційних матеріалів від зносу і корозії; відновлення розмірів зношених деталей машин; надання виробам спеціальних електрофізичних властивостей.

Можливості й ефективність практичного використання покриттів вказаного класу зумовлені наявністю вихідних матеріалів, склад яких забезпечує формування аморфних структур при ГТН. У зв'язку з цим розроблена група порошків залізних і нікелевих сплавів по ТУ ІЕЗ 733-89 для ГТН аморфізованих покриттів: Ni-Fe-Cr-Mo-B (ПГ-Н1), Fe-Ni-B (ПГ-Н3), Ni-Fe-Cr-B (ПГ-Н5), Fe-Mo-Cr-B (ПГ-Ж1), Ni-Fe-Cr-Mo-Ti-V-B (ПГ-Н6), Ni-B (ПГ-Н7), Ni-Cr-Al-B (ПГ-Н8), Fe-Cr-Al-B (ПГ-Ж2).

На основі одержаних результатів досліджень і їх практичного застосування запропоновані матеріали серії АМОТЕК, що включають вказані порошки, нові склади, а також порошкові дроти і гнучкі шнури (табл. 3). Починаючи з 1989 р. на Торезському заводі наплавочних твердих сплавів (Донецька обл.) освоєно випуск порошків, а з 1995 р. разом із СП "ТМ ВЕЛДТЕК" на АТ "Дніпрометиз" (м. Дніпропетровськ) - порошкових дротів для ГТН аморфізованих покриттів. Загальний обсяг виготовлених матеріалів на даний момент становить біля 45 т.

Розроблено і впроваджено технологічні процеси ГТН захисних аморфізованих покриттів із порошків АМОТЕК 7, ПГ-Ж1 (Fe-Cr-Mo-B), ПГ-Ж4, ПГ-Ж5 (Fe-B), ПГ-Н3 (Fe-Ni-B), АМОТЕК 13 (Fe-Ni-Si-B), АМОТЕК 14 (Co-Fe-Ni-Si-B) та порошкових дротів АМОТЕК 102 (Fe-B-C-Si), АМОТЕК 103 (Fe-Cr-B), АМОТЕК 105 (Fe-Cr-Al-B) для цілого ряду відповідальних деталей та приладів у різних галузях народного господарства:

Таблиця 3

Характеристика спеціалізованих матеріалів "АМОТЕК" для газотермічного напилення аморфізованих покриттів

- автомобільний і залізничний транспорт, верстати і гідроапаратура - збільшення терміну служби в 1,4 - 2,5 рази ексцентрикових і колінчатих валів, клапанів подаючих цанг верстатів, гальмівних барабанів, золотників (Криворізьке відділення Придніпровської залізниці, Микулинецький спеціалізований завод, Київське верстатобудівне ВО, Київський ремонтно-монтажний комбінат);

- енергетичне устаткування - підвищення ресурсу у 1,9-3,1 рази лопаток вентиляторів, штоків, шпинделів, запірної арматури, поверхонь нагріву енергетичного устаткування, крупногабаритних деталей гідротурбін (Добротвірська ДРЕС, Бурштинська ТЕС, Черкаська ТЕЦ, НВО "Турбоатом", м. Харків) ;

- устаткування хімічної промисловості - збільшення терміну служби реакторів, шнеків, деталей бісерних млинів, насосів, супердисальверів, трубних дощок і газових холодильників у 1,9-3,4 рази (Дніпропетровський лакофарбовий завод, ВАТ "Лакокраска" (РБ), Івано-Франківське державне ВУ "Оргхім");

- електротехніка та приладобудування - підвищення в 8,5 рази ресурсу вторинних елементів лінійних електродвигунів, збільшення на 25-45% їх економічності, підвищення чутливості спецприладів (НДІ БРИЗ, м. Таганрог, РФ).

Висновки

1. Розроблено наукові основи створення аморфізованих газотермічних покриттів у вигляді: а) комплексу фізико-математичних моделей процесів теплопереносу і структуроутворення при формуванні напилених шарів для випадків твердіння одиничних напилених часток і їхньої сукупності в широких часових інтервалах; б) загальних закономірностей формування аморфної структури при ГТН; в) визначальних факторів аморфізації покриттів.

2. Сформульовано необхідну умову аморфізації металевих сплавів при газотермічному напиленні, що обмежує інтервали зміни температур напиленної частинки на стадіях нагрівання, руху і зіткнення з основою. Показано, що принцип оптимізації режимів газотермічного напилення за ознакою "КВМ=max" узгоджується з необхідною умовою аморфізації і забезпечує максимальний об'ємний вміст АФ у напиленому покритті. Визначено раціональні режими ГТН, що забезпечують значення ZАФ = 75-100% при плазмово-дуговому, газополуменевому, електродуговому, детонаційному й імпульсно-плазмовому напиленні із використанням різних типів робочих газів.

3. Вперше отримані покриття з підвищеним вмістом АФ (до 50-95%) із порошкових дротів і гнучких шнурів. Показано, що перехід від дозвукових до надзвукових режимів витікання струменя при газополуменевому, плазмово-дуговому й електродуговому напиленні забезпечує підвищення ступеня аморфізації покриттів ZАФ на 25-60 %. Розроблено нові конструкції захисних насадок, визначені умови примусового охолодження основи і покриття в процесі ГТН, що забезпечують підвищення долі АФ у покритті до 90-100%.

4. Встановлено, що максимальний вміст АФ при ГТН порошків, порошкових дротів і гнучких шнурів на основі Fe-B і Ni-B досягається у разі використання заевтектичних складів із вмістом бору 20-27 об. %. Запропоновано принципи легування боровмістких матеріалів для

ГТН аморфізованих покриттів на основі заліза, нікелю, кобальта, що регламентують сумарний вміст в них бору, кремнію, вуглецю, фосфору, рівень домішок рідкоземельних металів, співвідношення кількості бору і легуючих елементів.

5. Вивчено тонку структуру аморфної фази в газотермічних покриттях. Показано, що аморфізація сплавів у процесі ГТН зумовлює зміни як у ближньому порядку, так і в їхній електронній структурі. Виявлено ефект фазового розшарування аморфної структури в об'ємах напилених шарів у випадку використання складів схильних до інтенсивного окислення.

6. Встановлено, що в залежності від методу ГТН і типу напилюваного матеріалу значення температур кристалізації аморфної структури відносно аморфних стрічок аналогічного складу можуть зміщуватися на 20-50 К. Показано можливість підвищення вмісту АФ на 15-30% при ультразвуковій обробці напилених покриттів. Визначено режими механічної обробки (шліфування) аморфізованих покриттів, що не вносять зміни в їх структурний стан.

7. Визначено, що в аморфізованих покриттях формуються переважно залишкові напруження стиску величиною (-25)-(-120) МПа, що сприяють підвищенню на 10-30% міцності матеріалу основи.

8. Показано високу зносостійкість розроблених покриттів в умовах тертя ковзання, абразивного, газо-, гідроабразивного зношування і кавітації. Виявлено, що при збільшенні долі АФ від 40 до 100% значення міцності зчеплення покриття з основою збільшуються у 1,7-2,2 рази, зносостійкість при газоабразивному зношуванні і кавітації зростає у 1,5-3,1 рази.

9. Встановлено, що аморфізовані плазмові покриття з кобальтових і залізних сплавів характеризуються поєднанням високих значень магнітної індукції і магнітної проникності. Значення цих параметрів становлять 70-95% від їхнього рівня для аморфних стрічок ідентичного складу і підвищуються зі збільшенням ступеня аморфізації. Порівняно зі стрічками температура Кюрі для покриттів вище на 50-140 К, що є наслідком присутності в покриттях включень кристалічних фаз.

10. Показано високу корозійну стійкість ГТП з аморфною структурою, за рівнем якої низка покриттів складів Fe-Cr-P-C, Fe-Cr-Mo-B, Ni-Cr-Mo-B не поступаються, а в ряді випадків і перевершують промислові сплави типу Хастеллой С, ВТ-1, оплавлені самофлюсуючі сплави. Показано, що режими і методи ГТН, які забезпечують вищий об'ємний вміст АФ у покритті, зумовлюють їхню максимальну корозійну стійкість.

11. Розроблено спеціалізовані порошки, порошкові дроти і гнучкі шнури на основі заліза, нікелю і кобальту серії АМОТЕК для ГТН аморфізованих покриттів і організовано їхній промисловий випуск. Застосування розроблених матеріалів і технологій для зміцнення і відновлення деталей автомобільного, залізничного транспорту, гідроапаратури, бурової техніки, вузлів і конструкцій, що працюють в енергетиці і хімічній промисловості дозволило підвищити ресурс їхньої роботи, поліпшити технічні характеристики електродвигунів і приладової техніки.

Список основних праць автора за темою дисертації

Куницкий Ю.А., Коржик В.Н., Борисов Ю.С. Некристаллические металлические материалы и покрытия в технике. - К.: Техніка, 1988. - 198 с.

Астахов Е.А., Коржик В.Н., Чернышов А.В. Детонационное напыление аморфных и микрокристаллических покрытий. - Киев: О-во "Знание" УССР, 1990. - 20 с.

Коржик В.Н. Теоретический анализ условий аморфизации металлических сплавов при газотермическом напылении. I. Определение скоростей охлаждения дисперсного напыленного материала // Порошковая металлургия. - 1992, №9. - С. 56-62.

Коржик В.Н. Теоретический анализ условий аморфизации металлических сплавов при газотермическом напылении. II. Фазообразование при затвердевании напыленного материала // Порошковая металлургия. - 1992, №10. - С. 11-15.

Коржик В.Н. Теоретический анализ условий аморфизации металлических сплавов при газотермическом напылении. III. Превращения в аморфизированном слое в процессе наращивания покрытия // Порошковая металлургия. 1992. - №11. - С. 47-52.

Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Грицкив Я.П., Куницкий Ю.А. Структурные превращения в газотермических покрытиях из сплава Ni60Nb40 при нагреве в присутствии кислорода // Порошковая металлургия. 1987.- N2. - С. 21-26.

Куницкий Ю.А., Немировский А.В., Коржик В.Н. Изменение локальных магнитных характеристик в литом аморфном и напыленном сплавах Fe40Ni40B20 после механической и термической обработки // Физика металлов и металловедение. - 1988. - 65, вып.2. - С. 295-301.

Карпуша В.Д., Коржик В.Н., Куницкий Ю.А., Поперенко Л.В., Жураковский Е.А., Шайкевич И.А. Исследование электронной структуры аморфного сплава Ni60Nb40 // Изв. АН СССР. Металлы. - 1988. - №2. - С. 169-174.

Прокопов В.Г., Швец Ю.Н., Фиалко Н.М., Меранова Н.О., Коржик В.Н., Борисов Ю.С. Математическое моделирование процессов теплопереноса при формировании слоя газотермического покрытия. - Доповіді АН УРСР. Серія "Енергетика", 1989. - №6 - С. 71-76.

Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Мурашов А.П., Борисова А.Л., Кокорина Н.Н., Дорошенко О.К. Особенности покрытий, нанесенных сверхзвуковым газопламенным напылением // Труды ХІ Всесоюзн. конф. "Теория и практика газотермического нанесения покрытий" (сентябрь, 1988 г.). - Том. 2., ч.2. - Дмитров: АН УССР, 1989. - С. 142-146.

Прокопов В.Г., Швец Ю.И., Фиалко Н.М., Меранова Н.О., Коржик В.Н., Борисов Ю.С. Исследование теплового состояния системы покрытие-основа в условиях газотермического напыления // Физика и химия обраб. материалов. - 1989. - №6. - С. 42-45.

Коржик В.Н., Куницкий Ю.А., Борисов Ю.С. и др. Структурные превращения в сплаве Fe-B-C-Si, аморфизированном при газотермическом напылении // Из. АН СССР. Металлы. - 1989. - №2. - С. 166-169.

Borisov Yu.S., Korzhyk V.N. Amorphous thermal sprayed coatings: theory and experimental data // Proc. 12th International Conf. on Thermal Spraying. - London (UK), 1989. - P. 80-1 - 80-14.

Стухляк П.Д., Коржик В.Н., Шкодзинский О.К. Исследование триботехнических характеристик пары эпоксидный композит - плазменное аморфное покрытие // Трение и износ. - 1990. - т.11, №3. - С. 556-559.

Куницкий Ю.А., Коржик В.Н., Немировский А.В. Превращения в плазменно-напыленном сплаве Fe67Ti7B24C2 при нагреве. // Физико-химическая механика материалов. - 1990. - №1. - С. 95-98.

Borisov Yu., Korzhyk V., Chernyshov A., Kunitsky Yu. And Revo S. Amorphized plasma coatings with special magnetic properties. // Proc. Thermal Spraying Conference TS'93 (Aaсhen 3rd -5th March 1993). Dusseldorf. - 1993. - P.431-434.

Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Ильенко А.Г. Влияние ультразвуковой обработки на структуру и свойства аморфно-кристаллических покрытий из никелевых сплавов // Автоматическая сварка. - 1993. - №3. - С.21-24.

Фиалко Н.М., Прокопов В.Г., Меранова Н.О., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Шеренковская Г.П. Теплофизика процессов формирования газотермических покрытий. Состояние исследований. // Физика и химия обработки материалов. - 1993. - №4. - С. 83-93.

Борисов Ю.С., Астахов Е.А., Коржик В.Н., Чернышов А.В., Борисова А.Л., Губенко Б.Г. Влияние состава детонирующей среды на формирование аморфно-кристаллических покрытий // Автоматическая сварка. - 1993. - №6. - С.83-93.

Фиалко Н.М., Прокопов В.Г., Меранова Н.О., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Шеренковская Г.П. Термическое взаимодействие одиночной частицы с основой при получении газотермических покрытий. // Физика и химия обработки материалов. - 1994. - №1. - С. 70-78.

Фиалко Н.М., Прокопов В.Г., Меранова Н.О., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Шеренковская Г.П. Процессы теплопереноса в системах покрытие в целом - основа при газотермическом напылении. // Физика и химия обработки материалов. - 1994. - №2. - С. 68-75.

Борисова А.Л., Бобрик В.Г., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Гордань Г.Н., Борисов В.В., Петров С.В. Влияние условий плазменного напыления на структуру покрытий из сплава Fe-Mo-Cr-Ni-B. // Автоматическая сварка. - 1995. - №7. - С. 28-34.

Борисов Ю.С., Коржик В.Н. Аморфные газотермические покрытия: теория и практика (Обзор) // Автоматическая сварка. - 1995. - №4. - С. 3-12.

Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Козьяков И.А. Газопламенные покрытия из порошковых проволок и гибких шнуров системы Fe-B // Автоматическая сварка. - 1995. - №12. - С. 19-25.

Борисов Ю.С., Борисова А.Л., Козьяков И.А., Коржик В.Н., Бобрик В.Г. Влияние условий напыления на структуру покрытий из порошковой проволоки АМОТЕК 101. // Автоматическая сварка. - 1996. - №1. - С. 21-25, 30.

Борисов Ю.С., Козьяков И.А., Коржик В.Н., Миц И.В., Бобрик В.Г. Структура и свойства газотермических покрытий из порошковых проволок Fe-Cr-B и Fe-Cr-B-С. // Автоматическая сварка. - 1996. - №5. - С. 21-24.

Козьяков И.А., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Миц И.В. Получение покрытий с высоким содержанием аморфной фазы при газопламенном напылении порошковых проволок системы Fe-B // Автоматическая сварка. - 1996. - №7. - С. 23-26.

Козьяков И.А., Борисов Ю.С., Коржик В.Н. Стойкость аморфизированих газопламенных покрытий из порошковых проволок системы Fe-B в условиях газоабразивного изнашивания. // Автоматическая сварка. - 1996. - №9. - С. 27-29.

Козьяков И.А., Борисов Ю.С., Коржик В.Н. Стойкость аморфизированих газопламенных покрытий из порошковых проволок системы Fe-B в условиях абразивного изнашивания. // Автоматическая сварка. - 1996. - №11. - С. 21-23.

Козьяков И.А., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Куницкий Ю.А. Магнитные свойства газопламенных покрытий из порошковых проволок АМОТЕК 102. // Автоматическая сварка. - 1996. - №12. - С. 21-25.

Borisov Yu., Borisova A., Korzhyk V., Panko M. Structure and properties of thermal sprayed coatings of powders Fe-C-Si // Proc. Thermal Spraying Conference TS'96 (Essen). - 1996. - P. 106-109.

Borisov Yu., Korzhyк V. Internal stresses in plasma coatings with an amorphous structure // ITSC'98 (Nice).-1998. -P. 693-697.

Номери основних авторських свідоцтв та патентів за темою дисертації: а.с. СРСР: 1312852, 1317766, 1734296, 1570337, 1577382, 1767010, патенти України: 4541, 4542, 10595, 10596, 15670, 15671.

Анотація

Коржик В.М. Наукові та технологічні основи газотермічного напилення аморфізованих покриттів із металевих сплавів.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 "Зварювання та споріднені технології" - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 1999.

Дисертація присвячена проблемі дослідження, розробки та впровадження технології та металевих матеріалів для нанесення газотермічних покриттів з аморфною структурою із підвищеними фізико-механічними та електрофізичними властивостями.

В роботі розроблено новий напрям в технології газотермічного напилення, що грунтується на прогнозуванні процесів теплопереносу та структурного стану покриттів в залежності від основних технологічних факторів і вибору на основі цього оптимальних складів та режимів напилення, які забезпечують максимальну аморфізацію напилених шарів. Встановлені закономірності підвищення міцності зчеплення газотермічних покриттів з основою, втомливої міцності, зносо- та корозійної стійкості, покращення магнітом'ягких характеристик із зростанням в них вмісту аморфної фази. Запропоновано спеціалізовані матеріали серії "АМОТЕК" та технологічні процеси газотермічного напилення аморфізованих покриттів, висока ефективність яких обгрунтована теоретично і підтверджена практично.

Ключові слова: газотермічне напилення, покриття, аморфна структура, металеві сплави, процеси теплопереносу, властивості, структура.

Abstract

Korzhyk V.M. Scientific and technological principles of thermal spraying of amorphized coatings from metal alloys.

Thesis for a degree of Doctor of Technical Sciences in speciality 05.03.06 "Welding and Related Technologies" - E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine, 1999.

The work involved is dedicated to investigation, development and application of the technology and metal materials for thermal spraying of coatings with an amorphous structure, improved physical-mechanical and special magnetic properties.

The work relates to the development of a new area in the technology of thermal spraying, which is based on prediction of the heat transfer processes and structural state of the coatings depending upon the basic technological factors and the appropriate selection of optimal spraying compositions and process parameters to ensure maximum amorphization of the layers. Relationships of an increase in strength of adhesion of thermal spray coatings to the substrate, their fatigue strength, wear and corrosion resistance and improvement of magnetically soft characteristics with an increase in the amorphous phase content of the coatings have been established. Specialized consumables of the "AMOTEK" series and techniques are proposed for thermal spraying of the amorphized coatings, whose high efficiency has been scientifically grounded and proved in practice.

Key words: thermal spraying, coatings, amorphous structure, metal alloys, heat transfer processes, properties, structure.

Аннотация

Коржик В.Н. Научные и технологические основы газотермического напыления аморфизированых покрытий из металлических сплавов.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 "Сварка и родственные технологии" - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена вопросам исследования, разработки и внедрение технологии, а также металлических материалов для нанесения газотермических покрытий (ГТП) с аморфной структурой повышенными физико-механическими характеристиками, специальными магнитными свойствами.

В работе развивается новое направление в технологии газотермического напыления, которое основано на прогнозировании процессов теплопереноса и структурного состояния защитных покрытий в зависимости от основных условий технологии и выборе на основе этого оптимальных составов и режимов напыления, обеспечивающих максимальную аморфизацию напыленных слоев из порошков, порошковых проволок и гибких шнуров.

Разработан комплекс физико-математических моделей процессов теплопереноса и структурообразования при формировании напыленных слоев применительно к случаям затвердевания единичных напыленных частиц и их совокупности в широких временных интервалах, установлены общие закономерности формирования аморфной структуры при ГТН и определяющие факторы аморфизации покрытий. Сформулировано необходимое условие аморфизации металлических сплавов при газотермическом напылении, ограничивающее интервалы изменения температуры напыляемой частицы на стадиях нагрева, движения и соударения с основой. Показано, что принцип оптимизации режимов газотермического напыления по признаку "коэффициент использования материала (КИМ)=max" согласуется с необходимым условием аморфизации и обеспечивает максимальное объемное содержание аморфной фазы ZАФ в напыленном покрытии. Определены рациональные режимы плазменно-дугового, газопламенного, электродугового, детонационного и импульсно-плазменного напыления на примере сплавов системы Fe-B с использованием различных типов рабочих газов, которые обеспечивают значения ZАФ = 75-100%. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения содержания АФ в газотермических покрытиях за счет сверхзвуковых струй, использования различных способов регулирования температуры основы и состава среды, защитных насадок, а также в случае применения для напыления порошковых проволок и гибких шнуров.

Изучено влияние системы легирования напыляемых материалов на основе Fe, Ni, Co на объемное содержание АФ и состав кристаллических фаз в газотермических покрытиях. Показано, что максимальная аморфизация при ГТН порошков, порошковых проволок и гибких шнуров Fe-B и Ni-B достигается для заэвтектических составов с содержанием бора 20-27 об.%. Обнаружен эффект повышения содержания АФ в покрытиях на 10-20% при легировании напыляемых материалов редкоземельными металлами (РЗМ) (0,2-0,8 об.%) при одновременном снижении их окисленности и пористости в 1,3-1,9 раз. Предложены принципы легирования борсодержащих материалов для ГТН аморфизированных покрытий, регламентирующие суммарное содержание в них B, Si, P, C, уровень добавок РЗМ, соотношение количества бора и легирующих элементов. Изучена тонкая структура аморфной фазы в газотермических покрытиях. Показано, что при аморфизации сплавов в процессе ГТН происходят изменения как в ближнем порядке, так и в их электронной структуре. Обнаружен эффект фазового расслоения аморфной структуры в объемах напыленных слоев, в случае использования составов, подверженных интенсивному окислению.

Определено, что в аморфизированных покрытиях формируются преимущественно остаточные напряжения сжатия величиной (-25)-(-120) МПа, способствующие повышению на 10-30% усталостной прочности материала основы. Установлена высокая износостойкость разработанных покрытий в условиях трения скольжения, абразивного, газо-, гидроабразивного изнашивания и кавитации и их коррозионная стойкость. Показано, что аморфизированные плазменные покрытия из кобальтовых и железных сплавов характеризуются сочетанием высоких значений магнитной индукции и магнитной проницаемости. Значения этих параметров составляют 70-95% от их уровня для аморфных лент идентичного состава и повышаются с увеличением степени аморфизации. По сравнению с лентами температура Кюри для покрытий выше на 50-140 К, что является следствием присутствия в покрытиях включений кристаллических фаз.

Обнаружена тенденция увеличения прочности сцепления ГТП с основой, их усталостной прочности, износо- и коррозионной стойкости по мере повышения объемного содержания в них АФ. Установлено, что при увеличении ZАФ от 40 до 100% величина прочности сцепления покрытия с основой увеличивается в 1,7-2,2 раза, износостойкость при газоабразивном изнашивании и кавитации возрастает в 1,5-3,1 раза, коррозионная стойкость - не менее чем в 2 раза, магнитная проницаемость - в 2,1-3,5 раза.

Разработаны специализированные порошки, порошковые проволоки и гибкие шнуры на основе железа, никеля и кобальта для ГТН аморфизированных покрытий и организован их промышленный выпуск. Применение разработанных материалов и технологий для упрочнения и восстановления деталей автомобильного, железнодорожного транспорта, гидроаппаратуры, буровой техники, узлов и оборудования, эксплуатируемого в энергетике и химической промышленности, позволило повысить ресурс их работы улучшить технические характеристики электродвигателей и приборной техники.

Ключевые слова: газотермическое напыление, покрытие, аморфная структура, металлические сплавы, процессы теплопереноса, свойства, структура.

Размещено на Allbest.ru