Газотермическое напыление покрытий на алюминиевые сплавы деталей комбайна

Введение. В промышленности все более широко применяются процессы, основанные на соединении материалов в твердом состоянии, различные виды сварки, а также новые технологии нанесения покрытий. Изучаемый авторами процесс нанесения покрытий газотермическим способом на алюминиевый материал имеет много общего с перечисленными выше.

Для выбора оптимальных технологических параметров, обеспечивающих необходимую прочность сцепления, чрезвычайно важно знать сущность механизма соединения исследуемых пар металлов и иметь четкое представление о взаимосвязи условий соединения разнородных материалов с физическими процессами, протекающими в зоне контакта поверхностей этих металлов. Алюминиевые сплавы имеют целый рад свойств, отличающих их от сталей и чугунов. Они обладают меньшей плотностью и относительно высокой прочностью (2,6–2,910³кг/м³). Наиболее прочные сплавы служат для изготовления изделий, работающих в нагруженных условиях, при изменении изгибающих и крутящих моментов. Также алюминиевые сплавы используются в конструкциях, работающих в условиях повышенной износостойкости и при температуре до 120° С [1–3].

Указанные характеристики алюминиевых сплавов способствуют их широкому применению в качестве основных конструкционных материалов, например в автомобильной, авиационной, судостроительной промышленности [4]. Известно, что при эксплуатации поверхности детали подвергаются износу и коррозионно-эрозионному воздействию, поэтому так актуальна в настоящее время проблема повышения их износостойкости. Для этой цели следует применять газотермические износостойкие покрытия. Газотермическое напыление покрытий на алюминиевые сплавы, по сравнению с нанесением покрытий на традиционные конструкционные материалы (сталь, чугун), имеет свои особенности, вызванные большим различием коэффициентов термического расширения сплавов и покрытий.

Целью работы является исследование технологических режимов газотермического напыления на шкивы ленточные комбайна TORUM 750 компании «Ростсельмаш», который предназначен для уборки всех традиционных зерновых культур: колосовых, бобовых, масличных, крупяных и пропашных. Необходимо уделить большое внимание прочности сцепления покрытий с поверхностью деталей, на которые они наносятся, так как прочность сцепления материалов с алюминиевыми сплавами в несколько раз ниже, чем с остальными.

Постановка задачи. Для создания износостойких деталей, обладающих высокими технологическими и механическими свойствами, необходимо нанести износостойкие покрытия на рабочие поверхности изделий. В этой связи цель авторов — подобрать такие технологические режимы газотермического напыления и рекомендовать такой материал для покрытия, которые бы обеспечивали лучшее сцепление с алюминиевой основой.

Теоретическая часть. Способность металлических покрытий повышать долговечность и надежность деталей машин и целых агрегатов определяется их адгезией, губчатой поверхностью, сквозной пористостью и толщиной покрытия. Получение надежного сцепления покрытия с подложкой является одним из основных требований, предъявляемых к металлическим покрытиям. В работе [5] приводится информация о том, что медные и бронзовые сплавы являются одними из тех материалов, которые могут служить надежным защитным покрытием для алюминия и его сплавов из-за близких коэффициентов линейного расширения; при этом для обеспечения прочного сцепления температура частиц при взаимодействии с подложкой должна быть порядка 1200° С. Такой температуры достигали, используя напыление с окислением до 10 % Cu₂O, который взаимодействует с алюминиевой подложкой по экзотермической реакции:

                                                                            2/3 Al_ж+Cu₂O_тв=1/3 Al₂O₃+2Cu_тв.                                                                        (1)

Предложенная реакция дает в семь раз больше тепла, чем широко распространенный при создании подслоя на Al процесс экзотермической реакции Ni–Al.

Для нанесения покрытий на ленточные шкивы, изготовленные из алюминиевого сплава АК4, были применены порошковые шихты на основе никеля и титана, обладающие при плазменном напылении высокой энтальпией вследствие экзотермических реакций, что значительно повышает адгезионную прочность (рис. 1). Напыление производили с помощью оборудования компании «Ростсельмаш» и на ее территории (рис. 2).

Рис. 1. Шкивы ленточные комбайна TORUM 750 компании «Ростсельмаш»

Для обеспечения сцепления напыленного слоя с основным металлом рекомендуется осуществлять предварительную механическую зачистку поверхностей металлическими щетками и подогрев [7]. Подогрев образцов и деталей перед напылением до 210–230° С проводили в двухкамерной электрической печи с автоматическим регулированием температуры. Нагрев выше 230° С может изменять механические свойства сплава и ведет к увеличению переходного сопротивления контакта.

Рис. 2. Установка для газотермической наплавки компании «Ростсельмаш»

Имеются рекомендации осуществлять термическую активацию подложки для достижения химического взаимодействия с ней покрытия [8]. Однако предварительный подогрев подложки, выполненной из алюминиевого сплава, связан с увеличенным окислением ее поверхности и возможностью оплавления. При этом возникают значительные сжимающие напряжения в системе покрытие — подложка, вызванные резким увеличением разницы коэффициентов линейного термического расширения алюминиевого сплава и покрытия, что приводит иногда к отрицательным результатам. Чтобы снизить остаточные напряжения, которые могут превышать прочность материала покрытия, напыление следует производить на охлаждаемую подложку.

В данной работе авторы исследовали строение и состав оксидных пленок на поверхности сплава АК4, возникающих при нагреве на воздухе в процессе плазменного напыления, а также возможность применения тлеющего разряда на стадии подготовки поверхностей деталей для финишной обработки покрытий с целью увеличения прочности сцепления последних. Установлено, что фактором, лимитирующим прочность сцепления покрытий с материалом АК4, является образование на поверхности последнего пленки оксида магния. При обработке сплава тлеющим разрядом поверхность модифицируется вследствие появления оксидов кремния, что повышает прочности сцепления покрытий в 1,3–2 раза по сравнению с традиционной струйно-абразивной обработкой. Отмечено, что «модифицированное состояние» обработанной поверхности сохраняется в течение длительного времени после извлечения деталей из вакуумной камеры, так как во всех случаях напыление покрытий производили спустя 3–4 суток после обработки поверхности шкивов тлеющим разрядом. Технологические возможности обработки тлеющим разрядом шкивов ленточных из сплава АК4 предполагают наличие сложного вакуумного оборудования, и поэтому от внедрения данной технологии в рабочий процесс компании «Ростсельмаш» пришлось отказаться.

Для подготовки поверхности ленточного шкива необходимо было провести струйно-абразивную обработку, требующую оптимального режима, который, создавая необходимую шероховатость поверхности, не вызывал бы деформации поверхности изделия [9–10]. Наличие на поверхности остатков металлической дроби отрицательно сказывается на прочности сцепления, а также на эксплуатационных свойствах шкивов, которые могут вызвать истирание клинового ремня. Экспериментальным путем был установлен следующий режим дробеструйной обработки (табл. 1).

Таблица 1

Оптимальный режим дробеструйной обработки

Шероховатость поверхности при этом составляла 15–20 мкм. Деформация образцов при данном режиме обработки минимальна и соответствует в среднем 40 мкм.

Чтобы удалить мельчайшие частички дроби и другие загрязнения, шкивы промывали в спиртоводной смеси (в пропорция 2:3). С целью снижения влияния разницы коэффициентов линейного термического расширения подложки и покрытия, а также релаксации остаточных напряжений, возникающих в них при напылении, применяли метод регулируемого охлаждения шкивов [10–11]. Для этого в процессе напыления с помощью термопары замеряли температуру разогрева детали. Напыленную деталь помещали в нагретую (в данном случае до 100–120° С) 0муфельную печь. Охлаждение печи производили в различных режимах (быстрое охлаждение с помощью вентилятора, охлаждение с отрытой дверцей), температурный режим нагрева и охлаждения поддерживали регулировочным потенциометром РУ5-01М. После каждого эксперимента по штифтовой методике определяли прочность сцепления покрытий с подложкой. Результаты замеров подвергали математической статистической обработке. Были вычислены средние величины (Х_ср), среднеквадратичные отклонения (S) и доверительные интервалы прочности сцепления. Полученные результаты приведены в табл. 2. Оптимальная скорость снижения температуры охлаждения — 5° С/мин.

Таблица 2

Математическая статистическая обработка экспериментальных данных по прочности сцепления

Данную методику применяли в ходе разработки газотермических покрытий для рассматриваемых шкивов. Покрытия формировали из порошков титана, никеля и нержавеющей стали российского производства компании «Полема» (г. Тула). Из исследованных порошков по ряду показателей наиболее технологичен ПТС2. Покрытие из этого порошка имеет коэффициент трения в паре с резиновым клиновидным ремнем 0,16–0,18 при удовлетворительной износостойкости. Покрытие из порошков нержавеющей стали ПХ18Н9Т обладают коэффициентом трения 0,12–0,137. Износостойкость у них удовлетворительная. Никелевый сплав показал повышенный коэффициент трения 0,21–0,23, но более зернистую структура покрытия (рис. 3).

Рис. 3. Шкивы ленточные после напыления никелевым сплавом

Нагрев образцов до 210° С снижает разницу температур между материалом подложки и самим покрытием, что приводит к увеличению времени кристаллизации напыляемых частиц, улучшает заполнение и повторяемость геометрии поверхности напыляемым слоем, уменьшает количество пор и дефектов на поверхностях (рис. 4).

Рис. 4. Структура титанового покрытия на алюминиевую поверхность шкива

Выводы. Проведенные авторами исследования показали, что газотермическое напыление на алюминиевые сплавы целесообразно проводить на подогретую подложку (температура предварительного нагрева от 210° С), в случае же напыления покрытий на трущиеся поверхности шкивов следует применять режим регулярного охлаждения поверхности. После проведения операций упрочнения поверхности шкивы были установлены на комбайны TORUM 750, которые в настоящее время проходят полевые испытания.

Поступила в редакцию 10.06.2022

Поступила после рецензирования 19.07.2022

Принята к публикации 19.07.2022

Об авторах:

Егоров Максим Сергеевич, заведующий кафедрой «Инженерная и компьютерная графика» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, aquavdonsk@mail.ru

Фоминов Евгений Валерьевич, доцент кафедры «Инженерная и компьютерная графика» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, f972@yandex.ru

Заявленный вклад соавторов:

М. С. Егоров — формирование основной концепции, цели и задачи исследования, проведение расчетов, подготовка текста, формирование выводов; Е. В. Фоминов — проведение расчетов, анализ результатов исследований, доработка текста, корректировка выводов.