Уменьшение абразивного износа у деталей машин с помощью плазменного напыления порошковых материалов
ART 970734
Авторы:
Г.
И. Трифонов, С.
Ю. Жачкин
Г.
И. Трифонов, С.
Ю. Жачкин Библиографическое описание статьи для цитирования:
Трифонов
Г.
И.,
Жачкин
С.
Ю. Уменьшение абразивного износа у деталей машин с помощью плазменного напыления порошковых материалов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2017. – Т. 39. – С.
2036–2040. – URL:
http://e-koncept.ru/2017/970734.htm.
Аннотация. В статье предлагается аналитический обзор проблемы изнашивания контактных поверхностей деталей машин и способ её решения с помощью технологии плазменного напыления. Разработан и предложен обобщенный технологический процесс по нанесению плазменного напыления, а также пошагово рассмотрен механизм образования плазмы. С учетом проведенного научно-аналитического обзора химических свойств порошковых материалов, используемых при плазменном напылении, сформулированы основные требования к структуре износостойкого покрытия.
Текст статьи
Трифонов Григорий Игоревич,соискатель кафедры автоматизированного оборудования машиностроительного производства, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронежgrishakip@yandex.ru
Жачкин Сергей Юрьевич,доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированного оборудования машиностроительного производства, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж
zhach@list.ru
Уменьшение абразивного износа у деталей машин с помощью плазменного напыления порошковых материалов
Аннотация.В статье предлагается аналитический обзор на проблему изнашивания контактных поверхностей деталей машин и способ её решения с помощью технологии плазменного напыления. Разработан и предложен обобщенный технологический процесс по нанесению плазменного напыления, а также пошагово рассмотрен механизм образования плазмы. С учетом проведенного научноаналитического обзора химических свойств порошковых материалов, используемых при плазменном напылении, сформулированы основные требования к структуре износостойкого покрытия.Ключевые слова: поверхность, изнашивание, плазменное напыление, плазма, порошок.
Введение.На сегодняшний день одна из актуальных и главных задач, стоящих перед машиностроением, авиастроением и всеми категориями производства, является повышение долговечности машин. Основополагающим критерием при расчете долговечности работоспособности машин является износ поверхностей трения. В результате изнашивания понижается точность перемещения деталей в механизмах, нарушается герметичность конструкции и т.п.При взаимодействии пары трения должны учитываться химические, физические, и механические явления, возникающие в зоне контакта. Поэтому износ контактных поверхностей деталей машин классифицирован по видам, которые изображены на рисунке 1.Объем износа Vв зависимости от нормальной нагрузки N, пути трения S, начальной твердости металла Ни размера абразивного зерна определяется:
(1)
где с—коэффициент, зависящий от абразивных свойств истирающей поверхности, условий взаимодействия контактирующих тел, кинематики движения и закрепления абразива, остроты ребер абразива (формула Хрущева) [1].Для многих типовых условий работы деталей машин самым распространенным видом изнашивания является абразивное. Абразивным называется изнашивание поверхности детали под воздействием твердых частиц, которые обладают различной формой, размером и твердостью [2]. Такие частицы проскальзывают между поверхностями трения и вызывают ихпластическое деформирование, а также они могут внедряться в поверхность и срезать микрообъемы материаласопряженной поверхности.Увеличение срока службы деталей машин возможно обеспечить путем нанесения на поверхность деталей покрытий,обладающих необходимым уровнем эксплуатационных свойств.
Рис. 1. Виды изнашиваний контактных поверхностей деталей
Исследования.Для уменьшения износа и устранения дефектов рабочих поверхностей деталей машин используют широкий спектр способов и методик по повышению износостойкости. Подробный анализ того или иного способа или метода в одной научной статье не возможен, поэтому было решено выбрать перспективное направление по созданию надежных, долговечных и износостойких покрытий, а именно плазменное напыление. Плазменное напыление осуществляется с помощью плазменной струи. Поток плазмы характеризуется следующими показателями: температура в ядре (20 000 –30 000 К, скорость струи –300 –2000 м/с. При плазменном напылении ограничений по габаритам при наружной наплавке деталей практически нет. При наплавке внутренних поверхностей ограничения накладывают габариты используемого плазмотрона.Технологический процесс нанесения плазменного напыления в общем виде состоит из следующих операции: предварительная подготовка поверхности изделия –очистка поверхности детали; механическая обработка напыляемой поверхности; подготовка напыляемых материалов; активация поверхностных атомов, например, с помощью пескоструйной обработки напыляемой поверхности; нанесение покрытия; механическая обработка.Наносимый материал в виде порошка или проволоки вводится в струю плазмы, нагревается и разгоняется в процессе нагрева до скоростей порядка нескольких сотен м/с. При температуре около абсолютного нуля молекулы газа, состоящие из двух атомов, совершают параллельное перемещение по осям х, уи z,и при температуре 10 К также возникают вращательные движения. При дальнейшем повышении температуры, возникают колебания атомов. Интенсивные столкновения молекул вызывают их распад на атомы. При повышении температуры протекает процесс ионизации газов, который заключается в том, что атомы теряют электроны. Газ, в котором значительная часть атомов ионизирована, а концентрация электронов и отрицательных ионов равна концентрации положительных ионов, называется плазмой [3]. Схема процесса образования плазмы показана на рисунке 2.
Рис. 2. Механизм образования плазмы: 1 –положительный ион; 2 –электрон
Результаты и обсуждения.При наличии любой проблемы, связанной с недостаточным сроком службы детали, почти всегда можно найти или создать материал, более полно отвечающий условиям работы напряженной детали, чем исходный материал и, значит, нанести его методом плазменного напыления в качестве упрочняющего покрытия.В практике напыления применяют как однородные порошки различных материалов, так и композиционные. Наиболее распространенные порошковые материалы,которые изображены на рисунке 3и отражены в таблице 1.
Таблица 1Порошковые материалы, используемые при плазменном напылении
НаименованиеПримеры составаМеталлыNi, Al, Mo, Ti, Cr, CuОксидыЛегированные стали, чугун, никелевые, медные, кобальтовые, титановые, самофлюсующиеся сплавыБескислородные тугоплавкие соединения и твердые сплавыAl, Ti, Cr, Zr ит.д.Композиционные плакированные порошкиNiграфит, NiАl и т.д.Композиционные конгломерированные порошкиNiAl, NiCrBSiAlит.д.Механические смесиCr C +NiCr, NiCrBSi+CrC ит.д.
Важным показателем качества порошков для напыления является стабильность их химического состава, а также их теплофизические свойства, которые могут быть конкретизированы исходя из процесса напыления. К таким свойствам порошковыхматериалов относятся: плотность, теплоемкость, тепловодность, их размер и форма.
Рис. 3.Промышленные порошки для плазменного напыления
Выделяют три основных показателя свойств порошкового материала, которые отвечают за качество контактных связей между частицами и подложкой: параметр трудности плавления D, коэффициент аккумуляции тепла bи максимально допустимый диаметр частиц dmax.Параметр трудности плавления Dвыражает количество теплоты, необходимой для расплавления единицы объема частицы, к времени пребывания частицы в зоне нагрева. Из сопоставления условий нагрева частиц и формирования покрытия следует, что без учета процессов изменения состава материала при напылении наибольшей склонностью к образованию газотермического покрытия должны обладать материалы, имеющие минимальное значение Dи максимальное b[4].Максимально допустимый диаметр частиц dmax. при формировании покрытия зависит от ряда факторов и изучается разработанными оценочными методиками.Также при формировании и комбинировании напыляемого материала особенно тщательно необходимо контролировать содержание углерода в карбидах и количество органической связки в композитных порошках. Из примесей большое значение имеет содержание кислорода, а также азота и водорода. Допустимое значение газовых примесей сформировано в DIN32 529 и сформировано в таблице 2.Таблица 2Допустимое содержание газовых примесей в порошках для напыления
ПорошокСодержание, %OCNHAlTiCrNiNbMoTaW0,50,30,80,50,30,30,30,3
0,30,10,10,30,150,30,15
0,30,10,10,30,10,30,1
0,1
0,1
0,1
Выводы.С учетом изложенного выше в обобщенной форме можно выделить следующие основные требования к структуре износостойкого покрытия [3]:1. Для уменьшения интенсивности изнашивания микроконтактным схватыванием предпочтительны покрытия, содержащие Ni, Сг, С, Si, которые позволяют увеличить их твердость. 2. Предпочтительны покрытияиз композиционных материалов с неоднородной структурой, создающей условия эффективного рассеяния подводимой при трении энергии во избежание концентрации напряжений на поверхности трения. 3. Для уменьшения интенсивности абразивного изнашивания предпочтительны покрытия с высокой твердостью, при этом они должны быть чувствительными к упрочнению рабочей поверхности, что реализуется при введении в состав покрытий хрома, марганца. Большему содержанию углерода должно соответствовать меньшее содержание хрома.Основываясь на выше изложенных требованиях можно сделать вывод, что материалы для износостойких покрытий должны иметь высокую твердость, большой модель упругости и малый коэффициент трения. Следовательно, основываясь на номенклатуре материалов для напыления и наплавки, возможен оптимальный подбор механической смеси для плазменного покрытия. Для повышения износостойкости в основном применяют порошки карбидов титана, вольфрама, хрома, а также титана и хрома в композиции с металлическими связками.К примеру основным материалом для напыления может служить самофлюсующийся сплав ПГСР3, так как его химический состав, приведенный в таблице 3, соответствует выше перечисленным требованиям к износостойкому покрытию [5].Таблица 3Химический состав самофлюсующегося сплава ПГСР3
Название элементаМассовая доля, %ВЕСНикельОсноваУглеродО,40,7Хром13,516,5Кремний 2,53,5Марганец2,5Вольфрам 0,20,4Молибден0,080,15Бор2,02,8Железо5,0
Поскольку ПГСР3, как и другие материалы для напыления, имеет свои особенности при эксплуатации, то имеет место быть комбинирование его химического состава с другими промышленными добавлениями в виде порошков, оксидов, карбидов и т.д. Данный подход к выбору материала напыления для плазменной обработки позволит не только восстановить изношенную деталь, но и увеличить срок службы на 3040 %. Применение комбинированных смесей порошковых материалов используют при восстановлении коленчатых валов, поршневых колец, седел клапанов, шнеков, шарниров, подшипников, вилок.С экономической стороны вопроса использование плазменного напыления в производстве даст приведет к сокращению затрат на изготовление запасных частей, а также к экономии металла, расходуемого на изготовление деталей и увеличению выпуска продукции на существующем оборудовании[6].
Ссылки на источники1.Михайлов А.В. Теория трения и изнашивания: Учебнометодический комплекс / И.А. Королев, В.А. Красный //СанктПетербургский горный университет. СПб., 2016. –166 c. 2.Жачкин С.Ю. Расчет микротвердости композитных хромовых покрытий при восстановлении деталей и узлов сельскохозяйственной техники / А.Н. Пеньков, О.А. Сидоркин, А.И. Краснов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. 2014. № 3. С. 52 –55.3.Ильющенко А.Ф. Процессы формирования газотермических покрытий и их моделирование /А.И.Шевцов,В.А.Оковитый, Г.Ф. Громыко // Национальная академия наук Беларуси. Институт порошковойметаллургии. Минск: Беларус. навука, 2011. –357 с. 4.Борисов Ю.С.Геотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник / Ю.А. Харламов,С.А.Сидоренко,Е.Н.Ардатовская // Академия наук Украинской ССР. Институт проблем материаловедения, Издательство «Наукова думка», 1987. –544 с. 5.Литвинова Т.АМеталлографические исследования структуры защитных покрытий, выполненных методом газопорошковой наплавки/ Д.В. Могилевский, Н.Н. Подрезов, С.Н. Егоров, Р.В. Пирожков // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», №3 (2014). URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2454(дата обращения 27.02.2017).6.Трифонов Г. И., Лазарев С. В. СозданиеРТК с технологией плазменного напыления для производства устройств буксировки и других машиностроительных механизмов // Научнометодический электронный журнал «Концепт». –2016. –Т. 11. –С. 1011–1015. –URL: http://ekoncept.ru/2016/86219.htm.
Жачкин Сергей Юрьевич,доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированного оборудования машиностроительного производства, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж
zhach@list.ru
Уменьшение абразивного износа у деталей машин с помощью плазменного напыления порошковых материалов
Аннотация.В статье предлагается аналитический обзор на проблему изнашивания контактных поверхностей деталей машин и способ её решения с помощью технологии плазменного напыления. Разработан и предложен обобщенный технологический процесс по нанесению плазменного напыления, а также пошагово рассмотрен механизм образования плазмы. С учетом проведенного научноаналитического обзора химических свойств порошковых материалов, используемых при плазменном напылении, сформулированы основные требования к структуре износостойкого покрытия.Ключевые слова: поверхность, изнашивание, плазменное напыление, плазма, порошок.
Введение.На сегодняшний день одна из актуальных и главных задач, стоящих перед машиностроением, авиастроением и всеми категориями производства, является повышение долговечности машин. Основополагающим критерием при расчете долговечности работоспособности машин является износ поверхностей трения. В результате изнашивания понижается точность перемещения деталей в механизмах, нарушается герметичность конструкции и т.п.При взаимодействии пары трения должны учитываться химические, физические, и механические явления, возникающие в зоне контакта. Поэтому износ контактных поверхностей деталей машин классифицирован по видам, которые изображены на рисунке 1.Объем износа Vв зависимости от нормальной нагрузки N, пути трения S, начальной твердости металла Ни размера абразивного зерна определяется:
(1)
где с—коэффициент, зависящий от абразивных свойств истирающей поверхности, условий взаимодействия контактирующих тел, кинематики движения и закрепления абразива, остроты ребер абразива (формула Хрущева) [1].Для многих типовых условий работы деталей машин самым распространенным видом изнашивания является абразивное. Абразивным называется изнашивание поверхности детали под воздействием твердых частиц, которые обладают различной формой, размером и твердостью [2]. Такие частицы проскальзывают между поверхностями трения и вызывают ихпластическое деформирование, а также они могут внедряться в поверхность и срезать микрообъемы материаласопряженной поверхности.Увеличение срока службы деталей машин возможно обеспечить путем нанесения на поверхность деталей покрытий,обладающих необходимым уровнем эксплуатационных свойств.
Рис. 1. Виды изнашиваний контактных поверхностей деталей
Исследования.Для уменьшения износа и устранения дефектов рабочих поверхностей деталей машин используют широкий спектр способов и методик по повышению износостойкости. Подробный анализ того или иного способа или метода в одной научной статье не возможен, поэтому было решено выбрать перспективное направление по созданию надежных, долговечных и износостойких покрытий, а именно плазменное напыление. Плазменное напыление осуществляется с помощью плазменной струи. Поток плазмы характеризуется следующими показателями: температура в ядре (20 000 –30 000 К, скорость струи –300 –2000 м/с. При плазменном напылении ограничений по габаритам при наружной наплавке деталей практически нет. При наплавке внутренних поверхностей ограничения накладывают габариты используемого плазмотрона.Технологический процесс нанесения плазменного напыления в общем виде состоит из следующих операции: предварительная подготовка поверхности изделия –очистка поверхности детали; механическая обработка напыляемой поверхности; подготовка напыляемых материалов; активация поверхностных атомов, например, с помощью пескоструйной обработки напыляемой поверхности; нанесение покрытия; механическая обработка.Наносимый материал в виде порошка или проволоки вводится в струю плазмы, нагревается и разгоняется в процессе нагрева до скоростей порядка нескольких сотен м/с. При температуре около абсолютного нуля молекулы газа, состоящие из двух атомов, совершают параллельное перемещение по осям х, уи z,и при температуре 10 К также возникают вращательные движения. При дальнейшем повышении температуры, возникают колебания атомов. Интенсивные столкновения молекул вызывают их распад на атомы. При повышении температуры протекает процесс ионизации газов, который заключается в том, что атомы теряют электроны. Газ, в котором значительная часть атомов ионизирована, а концентрация электронов и отрицательных ионов равна концентрации положительных ионов, называется плазмой [3]. Схема процесса образования плазмы показана на рисунке 2.
Рис. 2. Механизм образования плазмы: 1 –положительный ион; 2 –электрон
Результаты и обсуждения.При наличии любой проблемы, связанной с недостаточным сроком службы детали, почти всегда можно найти или создать материал, более полно отвечающий условиям работы напряженной детали, чем исходный материал и, значит, нанести его методом плазменного напыления в качестве упрочняющего покрытия.В практике напыления применяют как однородные порошки различных материалов, так и композиционные. Наиболее распространенные порошковые материалы,которые изображены на рисунке 3и отражены в таблице 1.
Таблица 1Порошковые материалы, используемые при плазменном напылении
НаименованиеПримеры составаМеталлыNi, Al, Mo, Ti, Cr, CuОксидыЛегированные стали, чугун, никелевые, медные, кобальтовые, титановые, самофлюсующиеся сплавыБескислородные тугоплавкие соединения и твердые сплавыAl, Ti, Cr, Zr ит.д.Композиционные плакированные порошкиNiграфит, NiАl и т.д.Композиционные конгломерированные порошкиNiAl, NiCrBSiAlит.д.Механические смесиCr C +NiCr, NiCrBSi+CrC ит.д.
Важным показателем качества порошков для напыления является стабильность их химического состава, а также их теплофизические свойства, которые могут быть конкретизированы исходя из процесса напыления. К таким свойствам порошковыхматериалов относятся: плотность, теплоемкость, тепловодность, их размер и форма.
Рис. 3.Промышленные порошки для плазменного напыления
Выделяют три основных показателя свойств порошкового материала, которые отвечают за качество контактных связей между частицами и подложкой: параметр трудности плавления D, коэффициент аккумуляции тепла bи максимально допустимый диаметр частиц dmax.Параметр трудности плавления Dвыражает количество теплоты, необходимой для расплавления единицы объема частицы, к времени пребывания частицы в зоне нагрева. Из сопоставления условий нагрева частиц и формирования покрытия следует, что без учета процессов изменения состава материала при напылении наибольшей склонностью к образованию газотермического покрытия должны обладать материалы, имеющие минимальное значение Dи максимальное b[4].Максимально допустимый диаметр частиц dmax. при формировании покрытия зависит от ряда факторов и изучается разработанными оценочными методиками.Также при формировании и комбинировании напыляемого материала особенно тщательно необходимо контролировать содержание углерода в карбидах и количество органической связки в композитных порошках. Из примесей большое значение имеет содержание кислорода, а также азота и водорода. Допустимое значение газовых примесей сформировано в DIN32 529 и сформировано в таблице 2.Таблица 2Допустимое содержание газовых примесей в порошках для напыления
ПорошокСодержание, %OCNHAlTiCrNiNbMoTaW0,50,30,80,50,30,30,30,3
0,30,10,10,30,150,30,15
0,30,10,10,30,10,30,1
0,1
0,1
0,1
Выводы.С учетом изложенного выше в обобщенной форме можно выделить следующие основные требования к структуре износостойкого покрытия [3]:1. Для уменьшения интенсивности изнашивания микроконтактным схватыванием предпочтительны покрытия, содержащие Ni, Сг, С, Si, которые позволяют увеличить их твердость. 2. Предпочтительны покрытияиз композиционных материалов с неоднородной структурой, создающей условия эффективного рассеяния подводимой при трении энергии во избежание концентрации напряжений на поверхности трения. 3. Для уменьшения интенсивности абразивного изнашивания предпочтительны покрытия с высокой твердостью, при этом они должны быть чувствительными к упрочнению рабочей поверхности, что реализуется при введении в состав покрытий хрома, марганца. Большему содержанию углерода должно соответствовать меньшее содержание хрома.Основываясь на выше изложенных требованиях можно сделать вывод, что материалы для износостойких покрытий должны иметь высокую твердость, большой модель упругости и малый коэффициент трения. Следовательно, основываясь на номенклатуре материалов для напыления и наплавки, возможен оптимальный подбор механической смеси для плазменного покрытия. Для повышения износостойкости в основном применяют порошки карбидов титана, вольфрама, хрома, а также титана и хрома в композиции с металлическими связками.К примеру основным материалом для напыления может служить самофлюсующийся сплав ПГСР3, так как его химический состав, приведенный в таблице 3, соответствует выше перечисленным требованиям к износостойкому покрытию [5].Таблица 3Химический состав самофлюсующегося сплава ПГСР3
Название элементаМассовая доля, %ВЕСНикельОсноваУглеродО,40,7Хром13,516,5Кремний 2,53,5Марганец2,5Вольфрам 0,20,4Молибден0,080,15Бор2,02,8Железо5,0
Поскольку ПГСР3, как и другие материалы для напыления, имеет свои особенности при эксплуатации, то имеет место быть комбинирование его химического состава с другими промышленными добавлениями в виде порошков, оксидов, карбидов и т.д. Данный подход к выбору материала напыления для плазменной обработки позволит не только восстановить изношенную деталь, но и увеличить срок службы на 3040 %. Применение комбинированных смесей порошковых материалов используют при восстановлении коленчатых валов, поршневых колец, седел клапанов, шнеков, шарниров, подшипников, вилок.С экономической стороны вопроса использование плазменного напыления в производстве даст приведет к сокращению затрат на изготовление запасных частей, а также к экономии металла, расходуемого на изготовление деталей и увеличению выпуска продукции на существующем оборудовании[6].
Ссылки на источники1.Михайлов А.В. Теория трения и изнашивания: Учебнометодический комплекс / И.А. Королев, В.А. Красный //СанктПетербургский горный университет. СПб., 2016. –166 c. 2.Жачкин С.Ю. Расчет микротвердости композитных хромовых покрытий при восстановлении деталей и узлов сельскохозяйственной техники / А.Н. Пеньков, О.А. Сидоркин, А.И. Краснов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. 2014. № 3. С. 52 –55.3.Ильющенко А.Ф. Процессы формирования газотермических покрытий и их моделирование /А.И.Шевцов,В.А.Оковитый, Г.Ф. Громыко // Национальная академия наук Беларуси. Институт порошковойметаллургии. Минск: Беларус. навука, 2011. –357 с. 4.Борисов Ю.С.Геотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник / Ю.А. Харламов,С.А.Сидоренко,Е.Н.Ардатовская // Академия наук Украинской ССР. Институт проблем материаловедения, Издательство «Наукова думка», 1987. –544 с. 5.Литвинова Т.АМеталлографические исследования структуры защитных покрытий, выполненных методом газопорошковой наплавки/ Д.В. Могилевский, Н.Н. Подрезов, С.Н. Егоров, Р.В. Пирожков // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», №3 (2014). URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2454(дата обращения 27.02.2017).6.Трифонов Г. И., Лазарев С. В. СозданиеРТК с технологией плазменного напыления для производства устройств буксировки и других машиностроительных механизмов // Научнометодический электронный журнал «Концепт». –2016. –Т. 11. –С. 1011–1015. –URL: http://ekoncept.ru/2016/86219.htm.
