Вісник НАН України. 2018. № 3. С.79-84
https://doi.org/10.15407/visn2018.03.079
ГВОЗДЕЦЬКИЙ Володимир Миколайович —
кандидат технічних наук, науковий співробітник відділу поверхневого зміцнення конструкційних матеріалів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України
ЕЛЕКТРОДУГОВІ ВІДНОВНІ І ЗАХИСНІ ПОКРИТТЯ З ПОРОШКОВИХ ДРОТІВ
За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 13 грудня 2017 року
Використання порошкових дротів для газотермічних методів нанесення покриттів дає змогу значно розширити сферу застосування цієї технології захисту металоконструкцій. Електродугові покриття, помірно леговані хромом, алюмінієм та кремнієм, мають високу жаростійкість. Формування оксидних плівок Cr2O3, Al2O3 і SiO2 на їх поверхні істотно зменшує швидкість окиснення. За підвищеної температури спостерігається синергічний ефект дії ерозійного зносу та окиснення поверхонь деталей, при цьому оксиди руйнуються швидкими частинками палива. Нанесені покриття забезпечують жаростійкість та жароміцність матеріалів. Виділення дисперсних фаз нанометрових розмірів зумовлює мікротвердість покриттів на рівні 450–500 HV. Електродугове покриття з порошкового дроту Х6Р3Ю14 в експлуатаційних умовах має найвищий опір до газоабразивного зносу.
Ключові слова: напилення, електродугові покриття, порошкові дроти, ламелі, окиснення, оксидні плівки.
На сьогодні в Україні працює близько 100 котлів теплових електростанцій (ТЕС). Внаслідок переведення цих станцій з природного газу і мазуту на вугілля, крім газової корозії, виникають проблеми, пов’язані з більш інтенсивним зношенням нагрівних елементів — труб економайзера — під дією твердих абразивних частинок. Процеси газоабразивного зношення призводять до істотного зменшення ресурсу роботи теплових котлів [1–3].
У світовій практиці в останні роки для подовження експлуатаційного ресурсу нагрівних елементів почали застосовувати методи газотермічного напилення покриттів [4, 5]. Як відомо, є чотири класичні методи напилення: електродугова металізація, газополуменеве, плазмове та детонаційне напилення. Серед цих методів електродугове напилення має у 2–3 рази вищу продуктивність і від 3 до 8 разів меншу вартість порівняно з іншими методами.
Для формування покриттів із порошкових дротів (ПД) використовували металізатор ЕМ-17 із закритою системою розпилення. Ця система, розроблена у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України, дозволяє збільшити довжину дуги та час перебування електродних матеріалів в умовах їх плавлення. Під час використання порошкових дротів для напилення було отримано електродугові покриття (ЕДП) (рис. 1а) різного функціонального призначення [6–9].
Порошкові дроти розробляють у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України (В.І. Похмурський, М.М. Студент) та в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України (Ю.С. Борисов, І.О. Рабцев). Порошкові дроти складаються із зовнішньої сталевої оболонки та шихти (рис. 1б). Відновні і захисні покриття для елементів котлів за температур експлуатації мають зміцнюватися, що спричинено виділенням дисперсних фаз. Ці процеси можуть відбуватися в електродугових покриттях з порошкових дротів, де шихтовими матеріалами є ферохромбор з додаванням алюмінію, нікелю чи вольфраму [10–12], що зумовлено виділенням у структурі цих покриттів дисперсних зміцнювальних фаз боридів та алюмінідів — FeCrB, Fe2B, Al3Fe.
Для досліджень було розроблено порошкові дроти з шихтою Fe-Cr-B-Al із вмістом алюмінію 2, 6 і 14 мас. % (див. табл.).
|
Марка порошкового дроту |
Вміст, % |
|||
|
В |
Cr |
Al |
Fe |
|
|
Х6Р3Ю2 |
3 |
6 |
2 |
решта |
|
Х6Р3Ю6 |
3 |
6 |
6 |
решта |
|
Х6Р3Ю14 |
3 |
6 |
14 |
решта |
Властивості нанесених покриттів порівнювали із зарубіжними аналогами, які на практиці використовують для захисту нагрівних елементів котлів ТЕС.
Визначення залишкових напружень проводили за методом Бабичева, в якому враховується модуль пружності електродугового покриття, визначений за методом Тушинського. Жаростійкість визначали за зміною маси зразків. Для досліджень було розроблено обладнання, що імітує роботу котла ТЕС, та методику для вивчення процесів газоабразивного зношування матеріалів. Швидкість абразиву становила 10–40 м/с, розмір його частинок — 200 мкм і менше, кут атаки — 30–90°. На розробленій нами установці можна одночасно в одному експерименті дослідити 50 зразків, що позитивно відрізняє нашу методику від інших, у яких в одному експерименті досліджується по одному чи максимум по 4 зразки.
Основними характеристиками, які визначають властивості матеріалів за підвищених температур, є жаростійкість та жароміцність. Під час дослідження жаростійкості встановлено, що електродугові покриття в перші години окиснюються інтенсивніше, ніж суцільний матеріал. Це пояснюється наявністю в покритті пор та міжламелярних прошарків, унаслідок чого фактична площа окиснення покриттів є у 20–25 разів більшою, ніж у сталі. У разі експозиції покриттів упродовж 50 год за температури 600°C між ламелями покриття та на його поверхні формуються продукти окиснення. Кисень не проникає всередину покриття, а інтенсивність окиснення покриттів (рис. 2) на порядок менша порівняно зі сталевою поверхнею.
Внутрішнє окиснення покриття відбувається через формування оксидних плівок завтовшки 100–150 нм, які міцно зв’язані з ламелями. На поверхні покриття за підвищеної температури утворюється оксидна плівка, яка міцно зв’язана з тілом покриття внаслідок окиснення малолегованих ламелей. На відміну від неї, оксидна плівка, що формується на сталевій поверхні, має кілька шарів і межу поділу на сталі.