ПОКРЫ ТИЕ-ОСНОВА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ
Таблица 1 Таблица 1 Энергия связи частиц с железной основой
Энергия связи, эВ Материал покрытия
ТІ Сг N1 Си
Еков 4,233 4,239 4,314 4,021
Еион 0,140 0,056 0,028 0,028
Е|эвЗ 4,374 4,296 4,342 4,050
Из результатов, приведенных в таблице видно, что наибольшей энергией связи с железом обладают атомы титана, поэтому они должны формировать кластер вида TiFe.
Таким образом, формирование на железной основе покрытия из титана позволяет полу
чить упрочняющие поверхности с постепенно уменьшающейся энергией связи и имею
щие максимальную адгезию к подложке. Все это создает благоприятные условия для последующего нанесения на подложку износостойкого покрытия из нитрида титана. В итоге реализуется многослойное покрытие с плавно изменяющейся энергией связи вглубь основы, что снимает эффект хрупкости и создает более эластичное покрытие.
ЛИТЕРАТУРА
I. Сивухин Д.В. Курс общей физики. Термодинамика и молекулярная физика. - М.: Наука, 1975. - 551 с. 2. Зелинская Г.М., Романов А.В., Слуховских О.И. и др. Об атомной структуре трехкомпонентных расплавов на основе металлов группы железа с крем нием и бором // М еталлоф и зи ка и новейш ие техн ологи и . - 2 0 0 0 .- Т .2 2 ,№ 7 .-С . 45-51.
165
УДК 621.81.408
С.А. Иващенко ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОРОБЛЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЕМ
Белорусская государственная политехническая академия Минск, Беларусь
Процесс получения износостойкого покрытия из самофлюсующегося сплава на поверхности детали можно разделить на четыре основных этапа:
1) обработка поверхности заготовки перед нанесением покрытия;
2) нанесение покрытия;
3) оплавление покрытия (включая операции по снижению коробления);
4) механическая обработка покрытия.
При построении технологического процесса упрочнения наибольшее внимание следует уделять этапу осаждения покрытия, поскольку на этом этапе закладывается его толщина, которая в значительной мере определяет трудоемкость последующей механической обработки и себестоимость упрочненной детали. Основными путями снижения себестоимости упрочнения являются: уменьшение массы порошка, расхо
дуемого на создание покрытия, и сокращение затрат на нанесение и последующую обработку покрытия. Получение минимального по величине припуска на механичес
кую обработку обеспечит выполнение этих требований. С другой стороны, назначая припуск на механическую обработку, необходимо учитывать усадку покрытия, воз
можное коробление детали после оплавления, температурные воздействия на основу и покрытие в процессе эксплуатации и ряд других факторов.
Построение технологического процесса механической обработки деталей с по
крытием из самофлюсующихся сплавов в значительной степени зависит от толщины снимаемого слоя покрытия. Снятие увеличенного припуска значительно усложняет и удорожает механическую обработку. Величина припуска под механическую обработ
ку определяется габаритами изделия, способом получения и обработки покрытия, усадкой покрытия, а также возможным короблением детали в процессе получения покрытия. При этом, если потерю геометрической точности цилиндрических деталей после получения покрытия можно компенсировать предварительным изменением раз
меров заготовки, то коробление плоской детали с покрытием можно устранить лишь механической обработкой слоя покрытия, равного величине деформации детали. Если величина коробления детали с покрытием превышает толщину покрытия, то деталь использоваться не может. Увеличение толщины покрытия не дает положительных ре- зультатов.С увеличением толщины покрытия деформация детали также увеличивает
ся. Кроме того, получение покрытий из самофлюсующихся сплавов толщиной более
1-2 мм, во-первых, сопряжено со значительными техническими трудностями, во-вто
рых, приводит к удорожанию детали, в-третьих, увеличивает трудоемкость последу
ющей механической обработки покрытия. Возникающие при этом в покрытии оста
точные напряжения могут привести к его отслаиванию или растрескиванию. Следова
тельно, величина припуска под механическую обработку зависит и от коробления деталей с покрытием, причем коробление может иметь решающее значение. Поэтому при назначении припуска этот фактор необходимо учитывать наряду с остальными.
Коробление детали с покрытием является следствием того, что образовавшиеся в ней напряжения превысили по величине предел упругости материала основы. Если жесткость основы больше образовавшихся в покрытии напряжений, то релаксация напряжений происходит путем отслаивания или растрескивания покрытия в зависи
мости от того, что выше - прочность самого покрытия или же его сцепление с основой.
Следовательно, технологическое обеспечение пол)шения качественного покрытия, обладающего комплексом требуемых свойств при минимальных затратах на его меха
ническую обработку, должно идти по двум направлениям: во-первых, снижение на
пряжений в покрытии для того, чтобы предотвратить повреждение покрытия и де
формацию детали; во-вторых, регулирование в каждом конкретном случае величины и знака остаточных напряжений исходя из условий эксплуатации детали. Снизить оста
точные напряжения в покрытии можно либо уменьшением влияния или устранением отдельных факторов, приводящих к образованию остаточных напряжений; либо - использованием эффекта компенсации напряжений, либо - проведением мероприятий, приводящих к релаксации возникших напряжений.
Рассмотрим основные методы получения покрытий из самофлюсующихся сплавов на плоских деталях, позволяющие уменьшить коробление путем разделения темпера
турных потоков. На рис. 1 показана последовательность получения полосчатого покры
тия из самофлюсующихся сплавов на плоских деталях.[ I ] На предварительно подготов
ленную поверхность основы 1 (обычно после дробеструйной обработки) сначала нано
сят через экран с прорезями или механически закрепляют полосы пластичного матери
ала (бронзы, титана и др.), затем на всю поверхность наносят слой покрытия из само- флюсующегося сплава, превышающий по толщине высоту ранее полученньк плакиру
ющих полосок на величину припуска под предварительную механическую обработку.
Напыленное покрытие подвергают предварительной механической обработке до появ
ления чистой поверхности плакирующих полосок и производят оплавление. Если темпе
ратура плавления плакирующего материала меньше 1100° С, то на полосы дополни
тельно наносят термостойкое покрытие, препятствующее растеканию плакирующего материала при оплавлении покрытия из самофлюсующегося сплава. После оплавления покрытия производят его окончательную механическую обработку. Плакирующие по
лосы могут располагаться или параллельно друг другу, или в шахматном порядке в зависимости от соотношения длины и ширины основы.
167
Рис. /. Схема последовательного получения полосчатого покрытия из самофлюсующихся сплавов на плоских деталях: а - напыление на основу I через экран-
маску 3 полос пластичного материала 2; б - напыление покрытия из самофлюсующегося сплава 4; в - полосчатое покрытие после механической обработки
Если упрочнению подвергается деталь, длина L которой значительно превышает ширину H(L>10 Н), то плакирующие полосы целесообразно располагать поперек упрочняемой поверхности; если же длина и ширина детали соизмеримы, плакирую
щие полосы располагают в шахматном порядке (рис. 2.)
• 1 «
Рис. 2 Схемы расположения полос из антифрикционного материала в полосчатом покрытии: I - антифрикционный материал; 2 - износостойкий .материал
Уменьшение коробления детали происходит потому, что плакирующие полосы делят оплавляемую поверхность на ряд не связанных друг с другом небольших уча
стков. В результате при остывании отдельных участков образуются значительно мень
шие по величине напряжения, кроме того, происходит их релаксация. Относительно пластичные плакирующие полосы, выполняя роль деформационных барьеров, одно
временно являются демпферами, компенсирующими изменения линейных размеров покрытия при его остывании под влиянием разных КТР покрытия и основы и усадки покрытия. Применив метод плакирования покрытия из самофлюсующегося сплава на образцах из аустенитной стали (их длина, ширина и толщина 100; 10 и 3 мм соответ
ственно) с плакирующими полосами шириной 5 мм через каждые 20 мм, удалось уменьшить коробление образцов в 3 -4 раза .
Уменьшить коробление плоских деталей можно также полосчатым оплавлением по
крытия, при котором сначала производят оплавление наружного контура покрытия, а затем - оплавление полосами, параллельными друг другу или расположенными в шахмат
ном порядке. Роль температурных швов выполняют неоплавленные участки покрытия.
Иногда по условиям эксплуатации детали необходимо иметь монолитное покры
тие, для чего требуется производить оплавление всего покрытия. Как известно [2], основной прирост деформации детали приходится на этапе остывания оплавленного покрытия. Для уменьшения деформации детали с монолитным, полностью оплавлен
ным покрытием необходимо применять полосчатое охлаждение покрытия. На рис.З приведена схема, показывающая реализацию способа полосчатого принудительного охлаждения плоской детали 1 с покрытием 2 из самофлюсующегося сплава. Здесь релаксация возникающих термических напряжений происходит потому, что в покры
тии имеются более мягкие (неохлажденные) участки, которые, в свою очередь, делят поверхность детали на ряд отдельно охлаждающихся участіюв. В результате деформа
ция детали после получения покрытия уменьшается.
ОХЛАЖДЕНИЕ
Рис.З. Схема полосчатого принудительного охлаждения покрытия из самофлюсующегося сплава на плоской детали после оплавления
1 6 9
Определенный интерес представляют комбинированные методы, заключающие
ся в совместном воздействии различных факторов, уменьшающих напряжения. На
пример, резкое охлаждение покрытия до температуры 700° С с последующим подсту- живанием покрытия или основы для выравнивания скорости уменьшения размеров покрытия и основы или постепенное сглаживание температур основы и покрытия.
Резкое охлаждение покрытия приводит к фиксированию мелкозернистой структуры металла. Термические напряжения, возникающие при отвердевании тугоплавких со
единений, релаксируются в самом покрытии, так как оно содержит легкоплавкие со
единения никеля и кремния [3]. Последующее подстуживание покрытия осуществля
ется тогда, когда КТР покрытия меньше КТР основы (например, для биметалла само- флюсующийся сплав - аустенитная сталь). Если КТР покрытия больше КТР основы (например, у пары самофлюсующийся сплав - углеродистая сталь), то подстуживание следует производить со стороны, противоположной покрытию.
В каждом конкретном случае при выборе методов обработки детали с покрытием необходимо учитывать следующие факторы;
- вид материала покрытия и основы;
- габариты упрочняемой детали;
- характер эксплуатации упрочняющего покрытия;
- величину партии упрочняемых деталей;
-техн и ч ески е возможности участка упрочняющей обработки;
- квалификацию обслуживающего персонала и др.
При составлении технологического процесса механической обработки деталей с покрытиями необходимо учитывать возможное коробление детали при получении покрытия и вводить в технологический процесс получения покрытия и механической обработки операции, обеспечивающие уменьшение коробления.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.с. 1147535 СССР, МКРР В23К 20/00. Способ получения многослойных мате
риалов с полосчаггым покрытием/ Бабук В.В., Иващенко С.А., Ппахогнюк В.И. (СССР) 3456915/25-27; Заявлено23.06.82; Опубл. 30.03.85;Бюл.№ 12//О ткры тия и изобрете
ния. — 1985,-№ 12. - С.56. 2. Иващенко С. А. Деформация плоских деталей при нане
сении покрытий из самофлюсующихся сплавов // Машиностроение. - М н .:- 1984, Вып. 9. - С. 42—44. 3. Антонова Е.А., Синай Л.М. Взаимодействие элементов в смеси порошков Ni-Cr-Si-B при нагревании//Высокотемпературная защита металлов: Труды 9-го Всесоюзного совещания по жаростойким покрытиям, Запорожье, 1979. - Л., 1981 .- С. 196-201.
УДК 621.923.7
Л.М. КОЖУРО, Ж Л . МРОЧЕК, М.Ф. ПАШКЕВИЧ, С.С. МАКАРЕВИЧ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКРОНАПРЯЖЕНИЙ В ПОКРЫТИИ, СФОРМИРОВАННОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ НАПЛАВКОЙ
Белорусской государственный аграрный технический университет Минск, Беларусь
Белорусская государственная политехническая академия Минск, Беларусь
Могилевский магииностроительный университет Могилев, Беларусь
Белорусский государственный технологический университет Минск, Беларусь
Остаточные напряжения 1-го рода (макронапряжения) в покрытиях существенно влияют на эксплуатационные свойства восстановленных и (или) упрочненных деталей и, прежде всего, на их динамическую прочность при циклических нагрузках [ 1 ]. Так, остаточные напряжения сжатия являются резервом повышения прючности деталей, а напряжения растяжения ослабляют их прочность, вызывают возникновение трещин, приводят к разрушениям [2].
Механизм формирования внутренних остаточных напряжений сложен и зависит от соотнощения и взаимодействия в покрытии силовых и температурных факторюв.
При восстановлении или упрочнении деталей электромагнитной наплавкой различны
ми порошками в силу локальных тепловых воздействий на основной металл и быстро
го неравномерного охлаждения наплавленного покрытия, в последнем формируются остаточные напряжения растяжения [3]. Поэтому представляет практический интерес определение макронапряжений в покрытиях, полученных ЭМН с поверхностным пла
стическим деформированием (ППД), а также после их механической обработки. Оста
точные макронапряжения в покрытиях определяли рентгеноструктурным анализом, используя метод определения параметров линейно-напряженного состояния металла по смещению линий рентгенограммы.
Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-3 в кобальто
вом немонохроматизированном излучении. Съемка профиля рентгеновской линии выполнялась в автоматическом режиме.
Известно, что по закону Гука относительное изменение длины цилиндра при растяжении составляет
А/ _ ст Т ~ £■’
171
где ст-напряжение; Е -м о д у ль Юнга.
При этом относительное изменение диаметра цилиндра по заюну Пуассона равно Д С _ _ 0
D ~ ^ Е ' где р. - іюэффнцйент Пуассона; D - диаметр цилиндра.
С другой стороны, дифференцирование уравнения Вульфа-Брегтов (при моно
хроматическом излучении 1 = const) дает
d ~ Q ’
где d - расстояние между кристаллографическими плосыхггями; 0 -угол Вульфа-Брег- гов; А, - длина волны рентгеновсіюго луча.
Считая кристаллографические плоскости, участщчощие в отражении, параллель
ными оси цилиндра, можно приравнять Ы
d ~ D ' Тогда
Е М ^
0 = ----•— = --- A0c(g0,
V- d
р
где Д0 - смещение максимума рентгеновской линии, вызванное макронапряжениями, Д0 = 0 'Л'алона - 0 ^ образца.
Разделение К^-дублета и определение точного положения интерференционной линии проводили по методике, в соответствии с которой
201 = 2 0 , „ - 0,333-25,
где 0| - положение линии К 0_^ ^ - положение центра тяжести профиля; 5 - межд)^лет- иое расстояние, определяемое из соотношения
где ДА = - А - разность длин волн и рентгеновских излучений.
Результаты определения остаточных макронапряжений представлены на рис. 1.
Анализ эпюр распределения остаточных напряжений в покрытиях показывает, что в результате ППД покрытий, изменения удельных объемов при фазовых превращениях, различия коэффициентов линейного расширения материалов порошков и основы, в системе покрытие-основа возникают остаточные напряжения сжатия с большим гра-
диентом по глубине деформационного слоя покрытий. Данные рис. 1 позволяют сопо
ставить значения остаточных напряжений в покрытиях в зависимости от химического состава порошков и методов механической обработки. Из рис. 1, а следует, что наи
большие остаточные напряжения сжатия имеют покрытия из порошка F e-10 %V, наи
меньшие - из порошка С-300. Шлифование покрытий приводит, главным образом, к изменению градиента напряжений (рис. I, б). Благоприятное воздействие на остаточ
ные напряжения сжатия оказывает магнитно-абразивная обработка, после которой они увеличиваются на поверхности покрытий из порошков Fe - 10 %V, Р6М5ФЗ и С- 300 и соответственно составляют: -730, - 640 и - 580 МПа (рис. 1, в).
&
о
б'.ШЬ
2 3
/ к
Основа Поіфіггжв
Рис. 1 . Распределение остаточных макронапряжений в основе и покрытии, полученно.м ЭМИ с ППД (а): ЭМИ с ППД и шлифование.» (б); ЭМИ с ППЛ, шлифованием
и .\шнитно-абрал4вной обработкой (в): I - Fe - I0%V; 2 - Р6М5ФЗ: 3 - СЗОО По мерс механической обработки покрытия происходит рост остаточных напря
жений в покрытии и сдвиг максимума напряжений в глубину. Сравнение эпюр распре
деления остаточных напряжений показывает, что, начиная с переходной зоны покры
тия. они идентичны.
173
Таким образом, ППД покрытий формирует в системе покрытие-основа напря
жения сжатия. Величина остаточных напряжений сжатия зависит от химического соста
ва порошка. Шлифование и магнитно-абразивная обработка покрытий увеличивают градиент напряжений. Верхние слои покрытий толщиной до 50-100 мкм представля
ют собой зону с большими градиентами напряжений, средние - толщиной 100-200 мкм - зону с малыми градиентами напряжений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Витязь П.А., Иващко В.С., Ильющени» А.Ф. и др. Теория и практика нанесе
ния защитных покрытий. - Мн.: Беларуская навука, 1998. - 583 с. 2. Барвинок В.А.
Управление напряженным состоянием и свойствами плазменных покрытий. - М.: Ма
шиностроение, 1990. - 384 с. 3. Мрочек Ж.А., Кожуро Л.М., Филонов И.П. Прогрес
сивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин. - Мн.: УП “Техноп
ринт”, 2000. - 268 с.
УДК 621.923.7
С.Л. КОЖУРО, В.Л. ШАДУЯ