Упрочнение деталей машин покрытиями
с аморфно-кристаллической структурой
Клименко С. А., Мельнийчук Ю. А. (ИСМ НАНУ, г. Киев, Украина)
Some industrial applications of sprayed coating with amorphous-and-crystalline structure (CACS) are presented. Peculiarities of machining CACS are described.
Условия работы деталей машин и механизмов отличаются величиной и характером нагрузки (постоянная, переменная, ударная), скоростями скольжения, наличием смазки и т.п. При этом подбор материалов для узлов трения во многом обусловливает время работы машин между ремонтами.
Увеличение срока службы быстроизнашиваемых деталей возможно, главным образом, за счет увеличения способности их рабочих поверхностей сопротивляться разрушению в конкретных условиях работы. Наиболее эффективным решением в этом направлении является упрочнение поверхностей деталей различными износостойкими покрытиями. В результате обеспечивается повышение долговечности деталей, сочетающееся с экономией легирующих элементов, удешевлением изделий, возможностью их многократного восстановления и использования.
Одним из основных способов нанесения покрытий, которые получили наиболее широкое применение, является газотермическое напыление (ГТН). В настоящее время применение таких методов ГТН как высокоскоростной газопламенный (HVOF), сверхскоростной электродуговой, плазменно-дуговой, детонационный при напылении порошков сплавов, склонных к аморфизации, позволяет получать на изделиях разнообразных форм и размеров сравнительно толстые покрытия (ПАКС) толщиной 1…3 мм, имеющие аморфно-кристаллическую структуру. Аморфные металлические материалы обладают уникальным комплексом физико-химических и механических свойств, в отличие от кристаллических материалов характеризуются сочетанием высокой твердости и сравнительно высокой пластичности.
Газотермические ПАКС представляют значительный интерес с точки зрения практического применения их в узлах трения. Испытания газотермических покрытий с квазиаморфной структурой на основе железа в условиях граничного трения с ограниченной смазкой показали, что по износостойкости и антифрикционным характеристикам эти покрытия превосходят покрытия с кристаллической структурой. Высокой износостойкостью в условиях трения скольжения характеризуются имеющие преимущественно аморфную структуру газотермические покрытия из сплава Ni – Mo – Cr – B.
Перспективным направлением является восстановление и упрочнение ПАКС деталей двигателей внутреннего сгорания, деталей транспортных машин, деталей трансмиссии автомобилей. Положительные результаты получены при использовании для этой цели аморфных покрытий из сплавов на основе железа и никеля. Такие покрытия могут быть использованы для замены покрытий из молибдена и твердых сплавов на ответственных деталях машин. В настоящее время наибольшее практическое применение получили ПАКС на основе железа, сочетающие высокие эксплуатационные свойства со сравнительно невысокой стоимостью.
Механическая обработка ПАКС имеет ряд существенных особенностей в отличие от обработки монолитных кристаллических материалов. Во-первых, в связи с высокой твердостью ПАКС (52…60 HRC) для их обработки необходимо использовать режущий инструмент, оснащенный поликристаллическими сверхтвердыми материалами, так как традиционный инструмент не позволяет качественно и производительно обрабатывать покрытия твердостью более 40 HRC. Во-вторых, в аморфных металлических материалах при определенном уровне температур (в зависимости от вида материала) или давления происходят процессы структурной релаксации и кристаллизации (частичной или полной), что приводит к потере ими своих свойств. В процессе обработки поверхностные слои ПАКС подвергаются одновременному воздействию высоких температур и высоких давлений. Это приводит к тому, что при шлифовании ПАКС из сплавов Fe – B, Fe – Si – B, Fe –Mo – Cr – B на высокопроизводительных режимах наблюдается понижение содержания аморфной фазы на 20…30 %, а на их поверхностях наблюдаются участки перегрева и микротрещины. В тоже время точение ПАКС на основе железа на сравнительно высоких скоростях резания и при незначительном износе инструмента не оказывает существенного влияния на содержание аморфной фазы в покрытиях. В третьих, при обработке некоторых видов ПАКС достаточно сложно получить поверхность высокого качества, что связано с неоднородностью структуры таких покрытий, наличием твердых включений в аморфной матрице, пор, микродефектов, характерных для порошковых покрытий. Достижение низкой шероховатости поверхности при обработке покрытий особенно важно так как согласно молекулярно-механической теории трения и усталостной теории износа наибольшая интенсивность износа характерна для случая микрорезания, когда твердая микронеровность срезает при своем движении фрагменты поверхностного слоя материала контртела. Поэтому от высоты микронеровностей поверхности из-за наличия в ПАКС большого количества твердых включений зависит интенсивность изнашивания рабочих поверхностей контактирующих деталей. Требования, предъявляемые к качеству поверхности деталей с ПАКС, могут быть обеспечены только при использовании инструмента из сверхтвердых материалов.
Расширение использования ПАКС для упрочнения деталей машин в значительной степени определяется наличием их эффективной механической обработки, что делает актуальным проведение дальнейших исследований в этой области.