Оноприенко В.Г., Колягин Е.Ю., Кривошея И.А.
ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
Донецкий национальный технический университет
В работе исследовали особенности разрушения при деформации сжатием покрытий разной толщины, образованных напылением стали 10Х13 с алюминиевым подслоем на подложку из стали 20 с дополнительной тепловой обработкой и без нее. Дополнительная тепловая обработка увеличивает силу сцепления покрытия с подложкой в 1,5…2 раза. Разрушение покрытия происходит по границам зерен и по новым участкам протяженных пор, образовавшихся в результате деформации на этих границах.
Ключевые слова: напыление, прочность сцепления, пористость, разрушение.
In the work investigated the special features of destruction with the compressive strain of coatings of different thickness, formed spraying they became 10Х13 with the aluminum sublayer to the base layer made of steel 20 with the additional hot working and without it. Additional hot working increases the cohesive force of coating with the base layer 1,5…2. The destruction of coating occurs through the grain boundaries and on the new sections of the extensive cavities, which were being formed as a result of deformation on these boundaries.
The keywords: spraying, adhesion strength, porosity, destruction.
Деформация изгибом в реальних условиях имеет место при изгибе или осадке напыленных изделий, например труб или трубчатых изделий.
Осадку образцов производили на прессе с максимальным усилием 250 т. Установили, что с увеличением толщины покрытия от 0,5 мм до 2,0 мм усилие до разрушения снижается от 190 кН до 90 кН. Отслаивание и разрушение напыленного покрытия происходит без повреждения основного металла.
Для толстых хрупких покрытий разрушение и отслоение наблюдается в значительно большей степени по сравнению с пластичными тонкими покрытиями. В образцах с толщиной покрытия 1,5 мм и 2,0 мм образуется большое количество продольных и поперечных трещин.
Установили, что разрушение покрытия происходит по границам зерен и по новым участкам протяженных несплошностей, образовавшихся в результате деформации на этих границах.
Плотность покрытия после деформации возрастает с увеличением его толщины. Возможной причиной этого является следующее: при пластической деформации тонких покрытий наблюдается в большей мере сдвиг частиц одна относительно другой. В результате происходит отрыв частиц с образованием несплошности. Пористость возрастает с одновременным возрастанием пластичности покрытия, т.е. его текучести. Наблюдали увеличение значений пористости на 0,6…4,3% по сравнению с пористостью центральной зоны недеформированных образцов.
В структуре деформированного покрытия максимальное количество несплошностей имеет протяжность 1,5…3. В результате слияния несплошностей во время деформации образуются в большом количестве новые поры с протяжностью 5…5,5.
Как один из возможных методов повышения прочности сцепления напыленных порошковых покрытий с основой опробовали тепловую обработку образцов при температурах, превышающих температуру плавления алюминиевого подслоя. Отжиг производили при температуре 7500С в течение 2 часов. Одновременно опробовали тепловое воздействие в науглероживающей среде (цементацию при 930…9500С в течение 6 часов. Цель – изучение возможности повышения износостойкости покрытия за счет его науглероживания.
Установили, что дополнительная обработка меняет характер поверхности контакта металла основы с алюминиевым подслоем. После двухчасового отжига граница алюминия со сталью теряет свою линейность и становится размытой с глубиной взаимного проникновения компонентов 5…10 мкм. После цементации со стороны напыленного покрытия наблюдается проникновение расплавленного алюминия между частицами покрытия. На границе между алюминиевым подслоем и напыленным покрытием происходит растворение межзеренных границ стали с образованием твердых растворов железа в алюминии или алюминия в железе. Общая глубина взаимного воздействия алюминия подслоя и стали составила 10…20 мкм.
После цементации и отжига наблюдается повышение микротвердости покрытия, достигающее 3800 Н/мм2 после цементации и 3400 Н/мм2 после отжига. Заметной диффузии углерода в покрытие после цементации не обнаружили, что видимо, связано с блокирующим влиянием окисленных границ частиц покрытия на миграцию атомов углерода. Некоторое повышение микротвердости покрытия также объясняется наличием большого числа твердых оксидных пленок.
Дополнительная тепловая обработка увеличивает силу сцепления покрытия с подложкой в 1,5…2 раза. Величина усилия, при котором произошло отслоение монотонно снижается с увеличением толщины покрытия.
Установленное повышение прочности сцепления покрытия с основой после тепловой обработки объясняется изменением морфологии границы алюминиевый подслой - основной металл.
В частности, усложнение рельефа границы увеличивает ее абсолютную протяженность, "выросты" по границе являются своеобразным "якорем", который увеличивает сцепление между компонентами. Кроме того, отмеченное выше образование твердых растворов на границе свидетельствует о взаимной диффузии алюминия и железа, которое также существенным образом повышает силы связи внутри системы.
Такое предположение подтверждается анализом микроструктуры в зоне разрушения покрытия.
Установлены также особенности разрушения напыленного покрытия без дополнительной обработки. Магистральная трещина проходит продольно по алюминиевому подслою, причем во многих местах она выходит на границу между алюминием и основным металлом, то есть отслоение покрытия происходит на границе алюминиевый подслой - основной металл. Трещины в порошковом слое проходят по границам частиц между отдельными несплошностями и во многих случаях тормозятся внутри слоя на неокисленных границах. Угол между направлением трещин и границей меняется от 0 до 450, практически не наблюдается перпендикулярных направлений. Зона разрушения характеризуется повышенной пластичностью, видны "языки", сформированные конгломератом частичек, отороченных окисленными границами и несплошностями.
Микроструктура в зоне разрушения после дополнительных обработок имеет существенные отличия от необработанных покрытий. Так, после обеих обработок продольная магистральная трещина проходит практически по центру алюминиевого подслоя. Она более разветвлена по сравнению с исходным случаем и имеет большое число разрывов. Это подтверждает повышенную прочность сцепления на границе алюминий - основной металл. Напыленное покрытие разрушается более хрупко, о чем свидетельствует высокая плотность магистральных трещин, проходящих перпендикулярно плоскости напыления. Кроме перпендикулярных есть также и продольные трещины, особенно в зоне окончательного разрушения. Характер прохождения трещин по покрытию подтверждает повышенное охрупчивание границ зерен при окислении.
Дополнительный отжиг практически не меняет износостойкость покрытий при абразивном изнашивании. После дополнительной цементации износостойкость становится намного ниже в сравнении с исходным состоянием и отжигом, что объясняется уменьшением прочности связи между частицами покрытия из-за интенсивного окисления их границ. Потеря массы, которая в исследовании являлась критерием износостойкости, резко возрастала при массовом отрыве частиц.
Таким образом, дополнительная тепловая обработка повышает силу сцепления напыленного слоя и подложки, не изменяет или даже снижает износостойкость покрытия.