баннер-250x250белый новый

Реновация и упрочнение деталей методом HVOF напыления порошковыми проволоками

PDF Печать E-mail

 

Реновация и упрочнение деталей методом HVOF напыления порошковыми проволоками.

Рассмотрены особенности высокоскоростного газопламенного напыления. Предложена возможность использования порошковых проволок при высокоскоростном газопламенном напылении. Приведены результаты исследований микроструктуры, твердости, фазового состава, испытаний на изнашивание в условиях воздействия абразивной среды. Представлены примеры применения износостойких покрытий.

Увеличение срока службы быстроизнашиваемых деталей возможно, как правило, за счет увеличения способности их рабочих поверхностей сопротивляться разрушению в конкретных условиях работы. Одним из эффективных решений этой задачи является упрочнение поверхности деталей износостойкими покрытиями. В результате обеспечивается повышение долговечности деталей, сочетающееся с экономией легирующих элементов, удешевлением изделий, возможность их многократного использования.

Одним из способов нанесения покрытий, получившие широкое применение, является газотермическое напыление. В настоящее время применение метода высокоскоростного газопламенного (HVOF) напыления позволяет получать на изделиях разнообразных форм и размеров сравнительно толстые покрытия с необходимыми эксплуатационными свойствами.

Малые объемы разогретых или даже расплавленных частиц (dч = 30-150 мкм); высокая степень деформации (растекания) при ударе; микронные значения толщины и исключительно высокий градиент температуры (~106 К/с) при теплообмене предопределяют глубокое переохлаждение расплавленной частицы, что, как известно, приводит к появлению огромного количества центров кристаллизации в объеме расплава и одновременному затвердеванию всей массы. Все это приводит к искажению кристаллической решетки, появлению в ней огромного количества дефектов. Наличие большого числа дефектов кристаллической решетки затрудняет движение дислокаций, закрепляет их.

Это искажение настолько значительно, что происходит квазиаморфизация кристаллического строения покрытия. В свою очередь квазиаморфные сплавы обладают рядом уникальных физико-механических свойств, характеризующихся сочетанием высокой твердости, износостойкости и условно высокой пластичности.

Покрытия, полученные сверхзвуковыми методами, отличаются от звуковых более высокой плотностью, адгезионной прочностью, хорошей когезионной прочностью, низкой пористостью (поры между собой не связаны), низким содержанием оксидов (при напылении металлических покрытий), низкими потерями легирующих элементов распыляемого материала (поэтому предсказуем химический состав покрытия), мелкодисперсной и гомогенной микроструктурой, низкими остаточными напряжениями, высокой микротвердостью, возможностью получения большой толщины, низким тепловым воздействием на изделие (температура основы менее 150—200 °С), относительно гладкой поверхностью покрытия [1].

Расширение применения износостойких покрытий, нанесенных методом сверхзвукового газопламенного напыления, позволяет решить целый ряд задач по упрочнению деталей и узлов промышленного оборудования.

В настоящее время установки высокоскоростного газопламенного напыления достаточно широко представлены на рынке, однако, большинство из них предусматривают использование в качестве материала для нанесения покрытия только порошки (большая часть всех износостойких покрытий, наносимых методом высокоскоростного напыления, приходится на твердые сплавы на основе карбида вольфрама). Применение дорогостоящих порошков значительно увеличивает и без того немалую себестоимость нанесения покрытия. В условиях финансово-экономического кризиса предприятия вынуждены снижать свои затраты, в том числе и на проведение ремонтно-восстановительных работ. Применение наплавочных порошковых проволок на основе низколегированных железных сплавов, позволяет существенно снизить себестоимость нанесения покрытия, без большой потери в износостойкости (на сегодняшний день стоимость порошковых материалов на основе карбида вольфрама на порядок превышает стоимость большинства порошковых проволок).

Так, на многофункциональной установке «ТЕХНИКОРД ТОП-ЖЕТ/2» нам удается получать износостойкие покрытия напылением порошковых проволок.

При разработке технологии нанесения покрытия были проведены комплексные исследования покрытий, полученных из низколегированной порошковой проволоки на основе железа – ПП-ПМ-6.

Микроструктура покрытия из ПП-ПМ-6 При исследовании микроструктуры покрытия, сферических частиц не обнаружено. Все частицы подверглись значительной пластической деформации, поэтому на границах между частицами практически отсутствуют поры, частицы плотно прилегают друг к другу. Это обусловливает высокую когезионную и адгезионную прочности покрытия. По структуре напыленное покрытие представляет собой микрогетерогенный композиционный материал, состоящий из металлических фрагментов частично окисленного металла и окислов средним диаметром 10-50 мкм.

Энергодисперсионный химический анализ, а также, так называемое, сканирование «по линии»

Распределение элементов в покрытии

показало, что все компоненты распределены в покрытии равномерно, степень окисленности компонентов невелика.

Исследованиями фазового состава показало, что металлическая основа покрытия системы Fe-Cr-C-Ti имеет мартенситно-аустенитную структуру с включениями карбидной фазы, также выявлено наличие в покрытии шпинелей типа FeCr2O4. Высокая скорость кристаллизации стальных частиц в процессе формирования напыленного слоя и замедленная скорость его остывания в интервале мартенситного и бейнитного превращений при охлаждении покрытия обеспечивают стабилизацию аустенита. Большая его часть переходит в мартенсит еще в процессе напыления в виду высоких степеней деформации при нанесении последующих слоев [2].

Фрагмент рентгеновских дифрактограмм от поверхностных слоев газопламенного покрытия

Фрагмент рентгеновских дифрактограмм от поверхностных слоев газопламенного покрытия из ПП-ПМ-6: фаза 1 – Fe – (Fe-Cr), фаза 2 – шпинели типа FeCr2O4, фаза 3 - карбиды типа Fe2C, Cr3C2.

Исследование износостойкости проводилось на установке для испытаний на изнашивание образцов с покрытиями при трении о не жестко закрепленные частицы абразива. Исследование показало, что покрытие из ПП-ПМ-6, полученное при оптимальных режимах напыления имеет высокую износостойкость.

Результаты испытаний на изнашивание по методу Бринелля-Хаворта

Несмотря на то, что напыление является сложным, многофакторным процессом, решить задачу оптимизации параметров напыления, можно используя современные методы компьютерного моделирования, что позволяет значительно минимизировать временные и материальные затраты. В нашем случае была создана одномерная математическая модель процесса нагрева и ускорения частиц в струе. Разработанная модель была реализована в виде расчета в математическом пакете MathCAD. Полученные результаты показали удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных данных.

Технология высокоскоростного газопламенного (HVOF) напыления отличается стабильностью процесса и обеспечивает получение покрытий с заданными характеристиками. Это позволяет эффективно применять покрытия, полученные данным методом, для реновации и упрочнения деталей машин.

Так, нам удается восстанавливать коленчатые валы автомобилей с дизельными двигателями путем нанесения покрытий из низколегированных сталей напылением порошковой проволокой. Были проведены успешные стендовые испытания на авторемонтном заводе «5ЦАРЗ» Министерства обороны РФ коленчатого вала двигателя «КАМАЗ», восстановленного нами методом высокоскоростного газопламенного напыления.

Восстановление коленчатого вала двигателя КАМАЗ

Также нами были проведены работы по упрочнению лопаток роторов нагнетателей. Испытания покрытия из порошковой проволоки на основе низколегированного железного сплава проводились на ОАО «Качканарском ГОК «ВАНАДИЙ» (г. Качканар), ОАО «ЧМК» (г. Челябинск), ОАО «ЕМЗ» (г.Енакиево), ОАО «ЗСМК» (г. Новокузнецк) и показали положительные результаты.

В настоящее время твердость стальных покрытий, напыляемых нами из порошковой проволоки ПП – ПМ – 6, находится в пределах 48 – 52 HRC. Причем измерение твердости покрытия проводится аналогично с компактным материалом, без каких-либо пересчетов и корректировок. Столь высокие значения твердости предопределяют его высокую износостойкость и объясняются крайне высокой твердостью компонентов покрытия, а так же особенностями технологии его нанесения.