Газотермічне зміцнення поверхні порошковою композицією на основі білого чавуну

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Газотермічне зміцнення поверхні порошковою композицією на основі білого чавуну

О.П. Шиліна канд. тех. наук,

В.І.Савуляк д-р тех. наук,

Ж.П. Дусанюк канд. тех. наук,

В.П. Перегончук

Вінницький національний технічний унівеситет

Представлено дослідження стабільності та зносостійкості поверхневих шарів, нанесених порошковими композиціями на основі білого чавуну газотермічним напилюванням та, зокрема, стабільність цементиту в поверхневих напилених шарах.

В поверхневих шарах під час газотермічного напилювання формується особлива структура покриття з складнолегованого розчину на основі порошку білого чавуну, що має вміст вуглецю 2,4-2,8 %, створючи покриття з заданими експлуатаційними властивостями. Введення у суміш алюмінію у кількості 9,8-10,2 % сприяє протіканню екзотермічних реакцій. Алюміній відомий як елемент, що розширює область б - Fe, з одного боку, і такий, що концентрується у твердому розчині при рівновазі ферит - цементит, або аустеніт - цементит з іншого боку. Металографічний аналіз показав, що в процесі напилювання під впливом теплоти газополуменевого струменя відбулося утворення поверхневого напиленного шару з рівномірно розташованими по полю мікрошліфа надлишковими складнолегованими карбідними включенями в перлітній основі. Внаслідок екзотермічних реакцій, що протікають в процесі напилювання, досягається оптимальна об'ємна структура, у якої тверді зони, що складаються з більш крихкого матеріалу, ізольовані одна від однієї, а між ними розташована матриця з в'язкого матеріалу - виконується так званий принцип Шарпі-Бочвара.

Ключові слова: порошкові композиції; газотермічне напилювання; цементит; екзотермічні реакції; карбідні включеня; перлітна основа; принцип Шарпі-Бочвара.

Е.П. Шилина, В.И.Савуляк, Ж.П. Дусанюк, В.П. Перегончук

ГАЗОТЕРМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВОЙ КОМПОЗИЦИЕЙ НА ОСНОВЕ БЕЛОГО ЧУГУНА

Представлены исследования стабильности и износостойкости поверхностных слоев, нанесенных порошковыми композициями на основе белого чугуна газотермическим напылением и, в частности, стабильность цементита в поверхностных напылённых слоях.

В поверхностных слоях во время газотермического напыления формируется особенная структура покрытия из сложнолегированного раствора на основе порошка белого чугуна, в котором содержится 2,4-2,8 % углерода, с заданными эксплуатационными характеристиками. Введение в смесь алюминия 9,8-10,2 % способствует протеканию екзотермических реакций. Алюминий известен как элемент, который расширяет область б - Fe, с одной стороны, и такой, что концентрируется в твердом растворе при равновесии феррит - цементит, или аустенит - цементит с другой стороны. Металлографический анализ показал, что в процессе напыления под действием теплоты газопламенного потока возникает поверхностный напылённый слой с равномерно расположенными на поле микрошлифа избыточными сложнолегированными карбидными включениями в перлитной основе. В результате экзотермических реакций, которые протекают в процессе напыления, достигается оптимальная объемная структура, когда твердые зоны, созданные из более хрупкого материала, изолированы один от другого, а между ними матрица из вязкого материала - выполняется так называемый принцип Шарпи-Бочвара.

Ключевые слова: порошковые композиции; газотермическое напыление; цементит; экзотермические реакции; карбидные включения; перлитная основа; принцип Шарпи-Бочвара

E.P. Shilina, V.I. Savulyak, G.P. Dusanyuk, V.P. Peregonchuk

GAS-THERMAL STRENGTHENING OF A SURFACE BY THE POWDERED COMPOSITION ON THE BASIS OF WHITE CAST IRON.

The paper investigates stability and wear resistance of the surface layers applied by powdered composition on the basis of white cast iron using gas-thermal spraying and, particularly, stability of cementite in the sprayed surface layer.

During gas- thermal spraying, in the surface layers a special structure of the coating from a complex-alloyed solution based on the powdered white cast iron is formed with carbon content of 2,4-2,8 %, creating with pre-determined service characteristics. Introduction of aluminium into the mixture (9,8-10,2 %) facilitates exothermal reactions. Aluminium is known as the element that extends б-Fe region, on the one hand, and as the element that concentrates in a solid solution under the balance of ferrite - cementite or austenite - cementite, on the other hand. Metallographic analysis has shown that during the spraying process under the influence of heat of the gas-flame stream sprayed surface layer with excessive complex-alloyed carbide inclusions in pearlite base, spaced evenly in the microsection field, is created. As a result of exothermal reactions, occurring during the spraying process, optimal bulk structure is obtained, where solid zones, composed from a brittler material, are isolated one from another with a matrix from a viscous material located between them - the so called principle of Charpy-Bochvar holds.

Keywords: powdered compositions; gas-thermal spraying; cementite; exothermal reactions; carbide inclusions; pearlite base; principle of Charpy-Bochvar.

Вступ

Важливою народногосподарською проблемою є захист поверхонь деталей від робочого середовища і, за рахунок цього, збільшення терміну їх експлуатації. Шляхом вирішення проблеми може бути поєднання саморозповсюджувального високотемпературного синтезу (СВС) і газополуменевого поверхневого зміцнення. Використання СВС-процесів дозволяє створити умови для реалізації технологій, які важкодоступні або неможливі у інших технологіях. Це високі температури (вище 3000 єС), локалізація тепловиділення на окремих ділянках, поєднання процесів синтезу хімічних сполук заданого призначення з структуроутворенням тощо.

Метою роботи є дослідження стабільності та зносостійкості поверхневих шарів, нанесених порошковими композиціями на основі білого чавуну газотермічним напилюванням та, зокрема, стабільність цементиту в поверхневих напилених шарах.

Науково-технічною задачею, яка вирішується в даній роботі, є створення порошкової композиції для газополуменевого напилювання з метою підвищення твердості покриття та адгезійної міцності зчеплення з основою.

Основні результати досліджень

газотермічне напилення білий чавун

Основою композиції є порошок білого чавуну, при цьому вміст компонентів у відсотках за масою є таким: хрому - 1,5-1,7 %; алюмінію - 9,8-10,2 %; бору - 5,9-6,3 %; білий чавун - решта.

Компоненти порошкової суміші (хром, алюміній, бор, білий чавун) попередньо подрібнюють до стану, який забезпечує вміст пилеподібних частинок 20 % від загальної маси. Усі компоненти шихти просіюють крізь сито з розміром комірки 0,045 мм. Безпосередньо перед напилюванням готова суміш просушується при 130-170 ⁰С.

Приклад конкретного виконання: пальник для газополуменевого напилювання [4] ГН-3; середній розмір частинок порошку 45-90 мкм; витрати порошку - 3-4 кг/год.; витрати ацетилену - 0,9 кг/год.; кисню - 1,8 кг/год.; дистанція напилювання 0,06-0,08 м; підложка зі сталі Ст 3 [8]. При товщині напилюваного шару 2,0-2,5 мм досягається максимальна мікротвердість покриття.[3,6] за рахунок фізико-хімічної взаємодії всіх елементів порошку.

В результаті взаємодії формується особлива структура покриття з складнолегованого розчину на основі білого чавуну, що має вміст вуглецю 2,4-2,8 %, якій притаманні високі механічні властивості, а також здатність до ефективної взаємодії елементів матеріалу основи та покриття [5,7].

Підвищення ефективності застосування порошку на основі білого чавуну для газополуменевого напилювання досягається за рахунок оптимальної пропорції усіх складових компонентів порошку та отримання мікротвердості покриття не менше 6500-6700 МПа та міцністю зчеплення з основою 65-75 МПа.

Введення у суміш алюмінію у кількості 9,8-10,2 % сприяє протіканню екзотермічних реакцій за схемою

3 МеО + 2Al= Al₂O₃ + 3M + Q. (1)

де MeO - оксид металу, а Q - теплова енергія, яка виділяється при проходженні реакції.

Виділення тепла внаслідок протікання таких реакцій у слабоокислювальній атмосфері продуктів згоряння повітря з ацетиленом сприяє підвищенню температури напилюваних часток і, як наслідок, підвищенню міцності зчеплення напилених покриттів з основою. Крім того, оксид Al₂O₃, що є результатом таких реакцій, являє собою щільну плівку, яка, розміщуючись на поверхні напилюваних часток, перешкоджає насиченню матеріалу частки під час її польоту до основи газами з оточуючої атмосфери.

З іншого боку, алюміній відомий як елемент, що розширює область б - Fe, з одного боку і такий, що концентрується у твердому розчині при рівновазі ферит - цементит, або аустеніт - цементит з іншого боку. Однак при вмісті алюмінію >2 % починає з'являтися у структурі г?-фаза. Це можливо коли відношення кількості атомів Fe та Al в аустеніті наближається як 3:1, і г - фаза впорядковується та переходить у сполуку Fe₃AlC_x. У чавунах ця фаза являє собою у дійсності впорядкований твердий розчин заміщення Fe - Al у гранецентрованої кубічної гратки (г.ц.к.), додатково насичується за типом розчинів проникнення з великою кількістю вуглецю [2] (до 4 %, що повинно відповідати стехіометричній формулі Fe₃AlC_х.).

Зв'язки метал - вуглець у гратці г? - фази дуже міцні, тому г?-фаза має переважно карбідний характер. Фіксування вуглецю г?-фазою викликає зниження термодинамічної активності цього елементу. Тобто в цій області алюміній виступає не як б-стабілізатор, а як своєрідний г-стабілізатор, і не як графітизатор, а як елемент, що перешкоджає графітизації.

При більш високому вмісті алюмінію порушується умова для утворення г?-фази, знову розширюється область б-розчину і сплави знову стають схильними до графітизації. З подальшим підвищенням вмісту алюмінію описане явище повторюється у зв'язку з утворенням нових сполук (FeAl, Al₄C₃) [2].

Екзотермічну реакцію, яка ініціюється у суміші білого чавуну та хрому під впливом тепла від газополуменевого пальника, можна записати так:

Fe₃C > 3Fe + C (2)

та (Fe, Cr) +C >(Fe, Cr)₃C (або(Fe, Cr)₇C₃). (3)

Реакція (2) слабо екзотермічна, нелегований цементит є нестабільний карбід, схильний до розпаду (графітизації) та утворення легованого цементиту або спеціального карбіду. Реакція (3) більш екзотермічна, і має тим більше тепловиділення, чим більший вміст хрому та вуглецю у білому чавуні. Залізо, що вивільняється в процесі реакції, утворює леговану хромом металеву матрицю, в якій розташовуються міцно зчеплені з основою високотверді карбіди.

Пояснюється це тим, що швидкість хімічної реакції термореагуючої порошкової суміші, завдяки СВС - процесу, що саморозповсюджується та випереджає технологічну швидкість джерела тепла, з якою б швидкістю не переміщувався пальник відносно поверхні деталі. В результаті додаткового теплового ефекту від СВС-реакції поверхневі та внутрішні шари металу встигають розігріватися до більш високих температур. Враховуючі попередній нагрів деталей до 400-450 ⁰С, додаткове підвищення температури на 300-325 ⁰С, переводить метал у область фазових перетворень, які в цих умовах випереджають газополуменевий переплав. Це сприяє зменшенню внутрішніх напружень у порівнянні з аустенітоутворенням при технологічному нагріві без термореагуючого порошку, причому за час, на який СВС-реакція випереджає газополуменевий переплав, більш повно встигає пройти і дифузія хрому, алюмінію та бору в наплавляємій суміші, що сприяє рівномірному розподіленню елементів в металевій матриці та підвищенню зчеплення порошкової суміші з основою.

Бор введено для підвищення зносостійкості напиленого шару [6,7].

Приготування шліфів для проведення металографічних дослідів здійснювалось за стандартними методиками. Травлення шліфів проводили розчином хлористого заліза (FeCl₃ + 6H₂O).

Металографічні дослідження отриманих зразків проводились на оптичних мікроскопах. Дюрометричні випробування виконувались на приладі ПМТ-3 методом вдавлювання алмазної пірамідки під навантаженням від 0.5 до 2 Н. Як інструмент для вдавлювання використовувалась алмазна пірамідка з квадратною основою та кутом при вершині між протилежними гранями 136°.

На рисунку 1 показано мікроструктуру напиленої поверхні порошком на основі білого чавуну.

Рисунок 1- Микроструктура напиленного шару (х100)

Металографічний аналіз показав, що в процесі напилювання під впливом теплоти газополуменевого струменя відбулося утворення поверхневого напиленного шару з рівномірно розташованими по полю мікрошліфа надлишковими складнолегованими карбідними включеннями в перлітній основі. Присутність хрому, бору та алюмінію в напиленому шарі надає йому високої зносостійкості. Такий тип мікроструктури відповідає принципу Шарпі-Бочвара.

Висновки

Аналіз отриманих результатів показав:

- порошкова композиція на основі білого чавуну під час напилювання поверхневих шарів створює покриття з заданими експлуатаційними властивостями внаслідок більш рівномірного об'ємного нагрівання покриття від екзотермічних реакцій, що протікають в процесі напилювання;

- оброблена поверхня залишається гладенькою, незалежно від того, що вона тимчасово переходить у твердо-рідкий стан;

- присутність алюмінію в порошковій суміші утворює фазу, що є у дійсності впорядкованим твердим розчином заміщення Fe-Al гранецентрованої кубічної гратки, додатково насичується за типом розчинів проникнення з великою кількістю вуглецю (до 4 %, що повинно відповідати стехіометричній формулі Fe₃AlC_.х);

- досягається оптимальна об'ємна структура, у якої тверді зони, що складаються з більш крихкого матеріалу, ізольовані одна від однієї, а між ними розташована матриця з в'язкого матеріалу - виконується так званий принцип Шарпі-Бочвара;

- підвищення ефективності застосування порошку на основі білого чавуну для газополуменевого напилювання, в порівнянні з порошками на основі заліза, досягається за рахунок здешевлення порошкової суміші.

Література

1. Патент 75140, Україна, МПКВ22F 9/00. Порошок для газополуменевого напилення / В.І. Савуляк, О.П. Шиліна, В.П. Перегончук. - Заявл. 18.04.2012; Опубл. 26.11.2012. - Бюл. № 22

2. Жуков, А.А. Геометрическая термодинамика сплавов железа. - М.: Металлургия, - 1971. - 272 с.

3. Корж, В.М. Нанесення покриття. /В.М. Корж, В.Д. Кузнецов, Ю.С. Борисов, К.А. Ющенко - К.: Арістей, 2005. - 204 с.

4.Газотермическое напыление покрытий.: сборник руководящих технических материалов. - К.: ИЭС им.Е.О. Патона, 1993. - 176 с.

5. ГОСТ 28076-89. Газотермическое напыление. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 15 с.

6. Кузнецов, В.Д. Фізико-хімічні основи створення покриттів: навч. посібн. /В.Д. Кузнецов, В.М. Пащенко. - К.: НМЦ ВО, 1999. - 176 с. - ISBN 966-622-039-3.

7. Кузнецов, В.Д. Фізико-хімічні основи модіфікації структури та легування поверхні: навч. посібн. /В.Д. Кузнецов, В.М. Пащенко. - К.: НМЦ ВО, 2000. - 160 с. - ISBN 966-622-032-6.

8. Витязь, П.А. Теория и практика нанесения защитных покрытий: моногр. /П.А. Витязь, В.С. Ивашко, А.Ф. Илюшенко и др. - Минск: беларуская наука, 1998. - 383 с. - ISBN 985-08-0077-1.

References

1. Patent 75140, Ukraine, МПКВ22F 9/00. Pоrоshоk dlya gazopоlumеnеvоgо napylennya / V.I. Savulyak, E.P. Shilina, V.P. Peregonchuk. - Zаyavl. 18.04.2012; Оpubl. 26.11.2012. - Byul. № 22

2. Zhukov, A.A. Geometrichna termodinamika splaviv gelezha. - М.: Metallurgiya. - 1971. s. 272.

3. Korzh, V.M. Nanesennya pokrittya. / V.M. Korzh, V.D. Kuznetsov, YU.S. Borisov, K.A. Yuschenko. - K.: Aristey, 2005. - 204 s.

4. Gazotermicheskoe napylenie pokrytiy.: sbornik rukovodyaschih tehnicheskih маtеrialоv. - К.: IES iм. Е.О. Pаtоnа, 1993. - 176 s.

5. GОSТ 28076-89. Gazotermicheskoe napylenie. Terminy i opredeleniya. - М.: Izd-vo standartov, 1989. - 15 s.

6. Kuznetsov, V.D. Fizyko-himichni оsnovy stvorennya pokrittiv.: navch. posibnyk. / V.D. Kuznetsov, V.М. Paschenko. - К.: NMTS VO, 1999. - 176 s. - ISBN 966-622-039-3.

7. Kuznetsov, V.D. Fizyko-himichni оsnovy моdifikazii struktury tа leguvannya poverhni.: navch. posibnyk. / V.D. Kuznetsov, V.М. Paschenko. - К.: NMTS VO, 2000. - 160 s. - ISBN 966-622-032-6.

8..Vityaz, P.А. Теоriya i рrаktikа nаnеsеniya zаchitnysh pоkrytiy/: моnоgr. /P.А. Vityaz, V.S. Ivashko, А.F. Ilyushеnkо i dr. - Мinsk: Bеlаrusskаya nаukа, 1998. - 383 s. - ISBN 985-08-0077-1.

Размещено на Allbest.ru