Твердость и износостойкость металлизированных покрытий

№82-1,

Технические науки

Значительная часть наиболее ответственных деталей машин и механизмов проходит металлизацию, за счет чего повышаются их эксплуатационные свойства. Одними из основных критериев качества наносимых покрытий являются показатели твердости и износостойкости. В данной работе идет речь об этих показателях.

Похожие материалы

По данным А. Ф. Троицкого покрытия, полученные методом распыления, всегда находятся в напряженном состоянии. Анализ факторов, участвующих в возникновении напряженного состояния покрытий, позволил объяснить возникновение повышенной твердости, износостойкости и низкой ударной вязкости. Твердость и хрупкость напыленного металла довольно резко отличаются от свойств исходного металла, что объясняется разными причинами. Существенные изменения, которые происходят в металле во время его распыления и которые заключаются в изменении его состава и строения, резко сказываются на физических, механических и химических свойствах покрытия и создают большие различия между исходным материалом и полученным из него покрытием. Безусловное влияние оказывает закалка частиц, происходящая в результате быстрого охлаждения их воздушной струей. Кроме того, имеет место явление наклепа поверхности покрытия вследствие ударов быстролетящих частиц металла. По данным ряда исследований твердость металлизированных покрытий повышается за счет включения окислов металлов. Прирост твердости при распылении малоуглеродистой стали значительно выше, чем высокоуглеродистой (примерно в 3 раза). Поэтому твердость слоя из малоуглеродистой стали мало отличается от твердости покрытия из высокоуглеродистой стали. Главной причиной повышения твердости, по-видимому, является окисление распыливаемого металла, так как окислы оказались более твердыми, чем остальные структурные составляющие покрытия.

При электрометаллизации с увеличением производительности и мощности тока, питающего дугу аппарата, происходит снижение твердости вследствие того, что частицы, находясь в момент удара при очень высокой температуре, значительно превосходящей критическую точку Ас, охлаждаются в течение большего периода времени и поэтому закаливаются менее интенсивно. Вследствие более высокой температуры частицы успевают сильнее окислиться, и при известных условиях твердость покрытия, полученного путем электрометаллизации, будет зависеть от производительности аппарата не в такой большой степени, как при газовой металлизации. Твердость зависит также от расстояния между соплом аппарата и поверхностью детали, напряжения на электродах дуги, давления сжатого воздуха и его количества. Обнаруживается также зависимость твердости от толщины слоя. Наиболее низкую твердость имеет напыленный металл, полученный при электродуговой металлизации. Это объясняется более высокой степенью выгорания углерода в электрометаллизационных покрытиях, чем в покрытиях, полученных другими методами.

Исследованиями установлено также, что:

  1. твердость покрытия зависит от режима распыления;
  2. при газовой металлизации с увеличением скорости подачи распыляемой проволоки и при прочих равных условиях твердость покрытия увеличивается. Это можно объяснить тем, что с увеличением количества распыляемой проволоки температура частиц несколько понижается, вследствие чего уменьшается время их охлаждения после закрепления на поверхности детали. При уменьшении производительности, наоборот, происходит возрастание температуры частиц.

Износостойкость покрытий из напыленного металла, как показывают данные многих экспериментаторов и опыт практической эксплуатации металлизированных деталей, достаточно высока, однако при сухом трении напыленные металлы сильно разрушаются. Так, покрытия из стали 45 изнашиваются при сухом трении примерно в 2,5 раза больше, чем обычная сталь той же марки. Разрушение поверхности металлизированной детали происходит преимущественно по границам частиц, окаймленных окислами.

Большой опыт эксплуатации изношенных деталей машин, восстановленных методом металлизации, показывает, что при наличии смазки поведение покрытий совершенно другое, чем при сухом трении. Это объясняется высокой смачиваемостью покрытий и способностью их удерживать смазку благодаря мельчайшим порам и раковинам. При обычных условиях покрытие может впитывать до 10 % масла (по объему покрытия). Создавая специальные режимы напыления, можно вводить в поры покрытия до 25 % масла.

Способность распыленных металлов впитывать масло, не свойственная обычным металлам, зависит от режима распыления, толщины слоя и последующей обработки. Метод обработки может весьма сильно изменить пористость покрытия, а следовательно, и способность впитывать смазку. По данным ряда исследований непроницаемость напыленных слоев при шлифовании покрытий из мягких металлов может изменяться в сотни раз, а из твердых металлов — до 50 раз. Весьма сильное влияние на проницаемость и масловпитываемость покрытий оказывает полирование. Как правило, полированные покрытия имеют значительно меньшую проницаемость, чем обработанные другими способами. Понижения проницаемости можно достигнуть также путем последующей пропитки покрытия различными смолами и лаками.

Известно, что значительный износ трущихся сопряжений происходит в первые моменты работы машины после пуска, когда нормальный режим смазки еще не установился. В этом отношении металлизированные покрытия имеют большое преимущество перед обычными металлами, так как их трущиеся поверхности с самого начала работают по слою смазки. Это достигается благодаря большой пористости покрытия. Смазочное масло впитывается в капилляры и поры, что способствует постоянному поддержанию целости масляной пленки.

Износостойкость напыленных покрытий из стали в большой степени зависит от содержания углерода в исходном материале. Покрытия из стали У10 (ГОСТ 1435) в 1,9 раза более износостойки, чем из стали 45 (ГОСТ 1050); сталь У10 более целесообразна как материал для восстановления изношенных деталей, также и потому, что ее применение почти полностью исключает образование трещин в покрытии. Установлена также зависимость износостойкости от метода нанесения покрытий.

Рядом исследований доказано, что высокочастотная металлизация при прочих равных условиях дает износостойкость, которая выше, чем при электродуговой металлизации. Это можно объяснить более упорядоченным движением частиц в факеле, образованном при распылении. Лучшие аэродинамические условия процесса распыления способствуют приданию частицам больших скоростей, а это сказывается на повышении износостойкости вследствие лучшей утрамбовки частиц.

В качестве наплавочного материала при нанесении металлизированного покрытия можно использовать порошковую проволоку различных марок сталей.

Так как в качестве примера для исследований на износ взяты поверхности трения узлов электронасосных агрегатов, в которых, в основном, используются хромистые коррозионностойкие стали 40Х13 и 12Х18Н10Т, то и в данной работе целесообразно в качестве наплавочного материала использовать порошковую проволоку марки 40Х13.

Металлизированные покрытия нашли широкое применение в машиностроении, но и они не лишены недостатков. Исследованиями установлено, что в металлизированном покрытии имеется большое количество пор. Поры хорошо удерживают масло при работе деталей в узлах трения с применением смазки. Однако, при работе поверхностей трения в условиях контакта с жидкой средой такие покрытия разрушаются из-за расклинивающего эффекта жидкости в порах. Поры необходимо закрыть, и это возможно только при помощи дополнительной обработки методом пластического деформирования.

Список литературы

  1. Сонин, В.И. Газотермическое напыление материалов в машиностроении / В.И. Сонин. – М.: Машиностроение, 1978. – 152 с.
  2. Полетаев В.А., Басыров И.З., Самок Г.С. Влияние импульсной магнитной обработки на физико-механические свойства углеродистой стали. /В.А. Полетаев, И.З. Басыров, Г.С. Самок // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов: материалы межд. конф. – Воронеж: ВГТУ, 2003. – с.134–136.
  3. Самок, Г.С., Полетаев В.А. Упрочнение поверхностей деталей электронасосов комбинированным способом /Г.С. Самок, В.А. Полетаев // Прогрессивные технологии в Машино– и приборостроении: сб. статей. – Нижний Новгород – Арзамас: НГТУ – АФНГТУ. – С.121–124.
  4. Насосы: Каталог–справочник 3–е изд. испр / Д.Н. Азарх, Н.В. Попова, Л.П. Монахова. – ВНИИгидромашиностроение. – Л..: – Машгиз (Ленингр. отд–ние), 1960. – 552 с.