Антифрикционное покрытие на основе порошка Al-Sn позволяет не только сформулировать профиль поршня, близкий к оптимальному овально-бочкообразному, но при минимальных зазорах снизить расход топлива и масла.
Композиционные порошки оказываются особенно эффективными при напылении теплозащитных покрытий на детали камеры сгорания дизелей: днище поршня, крышку цилиндра и клапаны. Существует несколько вариантов покрытий из композиционных порошков на деталях камеры сгорания. На алюминиевые поршни в качестве подслоя лучше напылять экзотермически реагируемые никель-алюминиевые порошки системы А1 - 80 % Ni (плакированные) или Ni - 5 % Al (конгломератные). Для чугунных деталей более эффективным является подслой из порошка нихрома, конгломерированного с алюминием, легированным редкоземельными элементами (например, Ni - Сг - Al - Y).
Благодаря низкому коэффициенту трения и отсутствию схватывания и задира с цилиндровой втулкой, на покрытии формируется твердая зона (HV 150-180 МПа) с низкой шероховатостью.
Получаемый эффект упрочнения антифрикционного покрытия в процессе приработки широко позволяет формировать боковую поверхность поршней с оптимальным профилем при минимальных зазорах.
Проведены исследования покрытия на основе сплава Al - Sn, которое напылено на боковую поверхность поршня дизеля ЧН 12/14 на толщину0,5 мм. В процессе приработки поршня диаметром119,9 мв цилиндре диаметром120 мпри полном контакте всей боковой поверхности поршня происходит интенсивная приработка его при одновременном упрочнении покрытия. При этом поршень приобретает оптимальную форму и в дальнейшем практически не изнашивается. Зазор между поршнем и гильзой в процессе приработки увеличивается незначительно и после 100 ч практически стабилизируется. Зазор приработанного поршня (0,16 мм) с покрытием на 30 % меньше, чем у серийного (0,22 мм). У головки вследствие высокой износостойкости и стойкости против прижогов и схватывания зазор уменьшается в 2,5 раза (от0,9 ммдо0,35 мм). В результате приработки боковой поверхности поршня профиль его приобретает форму, близкую к овально-бочкообразной. Несмотря на увеличение поверхности трения по сравнению с серийным поршнем и снижение зазоров в 1,7- 2 раза, высокоантифрикционные свойства покрытия обеспечили повышение механического коэффициента полезного действия дизеля.
Поршневые кольца с феррооксидным покрытием обладают минимальной потерей упругости за 2700 ч работы (2,5 %), в то время как хромированные кольца теряют упругость на 10 %.
Одной из важных особенностей работы феррооксидных покрытий является проявление эффекта ротапринтной смазки, обеспечивающего перенос мелкодисперсных феррооксидных продуктов трения на цилиндрическую втулку и за счет этого снижение износа нижерасположенных чугунных колец в 1,5-2 раза.
Испытания феррооксидных покрытий поршневых колец алюминиевых поршней установили, что, обеспечивая снижение износа по сравнению с покрытиями из гальванического хрома на 30- 80 %, снижения износа втулки цилиндра на 25 %, компрессионных чугунных вторых колец - на 55%, канавки под первое кольцо - на 26 %, под второе - в пять - восемь раз. Обладая низким коэффициентом трения, феррооксидное покрытие снижает разбивание канавок, в особенности под вторым кольцом, где находится максимальное количество продуктов износа от первого кольца. Следует также отметить, что за счет снижения размера замка и потери упругости на 25 % поршневые компрессионные кольца с феррооксидными покрытиями за счет лучшего уплотнения обеспечили снижение расхода масла на угар на 20 %. Таким образом, высокая эффективность феррооксидных покрытий обеспечивает их использование на ряде двигателей.
На двигателе, работающем в условиях абразивного трения, высоких температур и давлений, лучшим оказалось покрытие из сложного композиционного порошка (К1033А), обеспечившее минимальный износ цилиндра. В более легких условиях наиболее работоспособны покрытия на основе молибдена и карбида хрома (К1008). Анализ покрытий различных двигателей, работающих в разных условиях трения показывает, что определенные преимущества перед композиционными покрытиями и покрытием из гальванического хрома имеют железосодержащие. Покрытия из металлокарбидных композиционных порошков не обладают комплексом вышеприведенных характеристик. Особенно высока степень износа цилиндровых втулок при трении с кольцами мягких чугунов. Для повышения антифрикционных характеристик пары трения поршневое кольцо - цилиндровая втулка наиболее приемлемы оказываются феррооксидные покрытия, обладающие в различных условиях трения преимуществами перед молибден- и карбидсодержащими покрытиями. Феррооксидные покрытия оказались работоспособными в условиях трения на специальном дизеле с призматическим поршнем. Нанесенные на Г-образные уплотнительные стальные пластины покрытия работали без смазки в условиях быстрой приработки (4-5 пусков-остановок) без признаков схватывания или следов абразивного изнашивания. В аналогичных условиях покрытия из хрома или молибдена подвержены схватыванию и быстрому изнашиванию.
Для рационального выбора материалов, наносимых на поршневые кольца газотермическим напылением, сформулированы основные требования к физико-техническим особенностям поршневых колец и условиям работы покрытий. К этим требованиям, предъявляемым при выборе покрытий поршневых колец, следует отнести следующие: износостойкость покрытия и цилиндровой втулки (для обеспечения заданного ресурса двигателя); прирабатываемость узла трения (для эффективного уплотнения в цилиндре); противозадирные свойства, отсутствие схватывания, прожогов (для высоких температур - до 400 °С - абразивного и коррозионного изнашивания); мелкодисперсность продуктов трения, износа и выкрашивания покрытия (менее 1 мкм); высокие адгезия и когезия покрытий (для высокофорсированных двигателей не менее 50-70 МПа); высокая теплопроводность (сравнимая или незначительно меньшая, чем теплопроводность гальванического хрома);
благоприятное распределение остаточных напряжений при достаточной упругости кольца с покрытием; незначительное влияние покрытия на форму кольца и эпюру радиальных давлений; высокая релаксационная стойкость; отсутствие дефектов, снижающих усталостную прочность.
В последнее время конгломерированные порошки, содержащие два, три и более компонентов на различных связках, также находят применение для получения покрытий на ответственных деталях, в особенности в различных отраслях двигателестроения. Но композиционные порошки наибольшее распространение получили для напыления покрытий различных трущихся деталей, а также для их восстановления.
Поиски сложных по составу композиций проводятся для напыления износостойких покрытий деталей ДВС: поршневых колец, поршней, клапанов, шеек коленчатых валов, посадочных мест. Анализ композиционных покрытий деталей ДВС свидетельствует, что вопросами применения композиционных порошков для ответственных деталей, в первую очередь поршневых колец, занимается значительное количество зарубежных фирм, отечественных организаций и предприятий. Создано большое число (несколько десятков) различных вариантов покрытий поршневых колец, наносимых методами газотермического напыления композиционных порошков различного состава. Такое разнообразие материалов и методов их напыления обусловлено спецификой формирования покрытий на поршневых кольцах, многообразием условий эксплуатации и особенностями поведения поршневых колец как упругих элементов, одновременно подвергающихся совокупности термических, динамических и триботехнических воздействий в условиях эксплуатации.
Повышенное теплосодержание частиц композиционного порошка обеспечивает в процессе формирования покрытия более длительное время пребывания легкоплавкого никелевого сплава в расплавленном состоянии. Износостойкие покрытия, которые получаются при напылении этих композиций, обладают достаточно широкой универсальностью назначения - абразивный и эрозионный износ, износ твердыми поверхностями и др. Стойкость штоков насосов высокого давления (рабочее давление 800 МПа), напыленных таким порошком, повышается в шесть раз. Из других объектов, где достигается эффективное применение этого покрытия, можно отметить центры и задние бабки станков, балансиры, гильзы цилиндров, лопасти вытяжных вентиляторов, муфты, цапфы, тормозные барабаны, мерительный инструмент, транспортирующие шнеки и т. п. Добавка в эту смесь твердых компонентов (чаще всего карбида вольфрама или хрома) также повышает износостойкость слоя. Доказана практическая эффективность применения таких покрытий с порошком WC для упрочнения деталей насосов, перекачивающих агрессивные жидкости.
Поэтому применение такого подслоя позволяет расширить использование керамических покрытий, особенно в условиях нагрева, например на литейных формах. Напыление диоксида циркония поверх подслоя из порошка Ni - AI в три раза повышает стойкость форсунок нефтехимических реакторов.
При восстановлении шейки вала ротора турбины высокого давления из никельхроммолибденовой стали после четырехлетней эксплуатации на судне с атомным двигателем после проточки на глубину2 ммнанесли подслой из порошка А1 - 80 % Ni, а затем слой стали массовым содержанием, %: Ni 5, Сг 18, Мп 8,5 толщиной5 мм, с последующей пропиткой фенольным лаком.
Сравнение такого метода восстановления валов судовых винтов в месте посадки подшипников с наплавкой показало, что применение напыления вместо наплавки сокращает время ремонта в два раза, а затраты - в 1,5 раза. При этом устраняются явления коробления, разупрочнения основы, обеспечивается более эффективное использование упрочняющего материала.
Анализ процессов напыления, а также физико-механических и эксплуатационных характеристик покрытий дает возможность оценить в сопоставимых условиях качество композиционных покрытий из обычных и композиционных порошков. Практически во всех случаях использования композиционных порошков для напыления жаро-, износо-, коррозионно-стойких и других покрытий качественные показатели в различных условиях испытаний оказываются более высокими, чем у покрытий, наносимых из смесей, многослойных, пакетных и других композиционных покрытий. Этого можно достичь формированием более плотных, прочных структур с высокими адгезией и когезией, обеспеченными высокой равномерностью распределения компонентов, управлением их взаимодействия, в особенности экзотермического. Поэтому композиционные порошки, несмотря на более высокую их себестоимость (по сравнению с аналогичными по составу смесями), находят все более широкое применение для нанесения покрытий на ответственные детали различных узлов машин и механизмов, работающих в наиболее сложных условиях при повышенных температурах, агрессивных силах, динамических и статических давлениях, трении со смазкой или в абразивной среде.
Выбор основной конструкции частицы порошка должен учитывать следующие характеристики и особенности частиц: морфологию частицы, зависящую от формы и размера исходных компонентов, подвергаемых плакированию или конгломерированию; оптимальный размер (или гранулометрический состав) порошка, обусловленный температурой плавления внутренних и наружных компонентов, теплопроводностью, степенью экзотермичности, местом протекания основных реакций (на поверхности или внутри частицы), а также необходимостью формировать покрытия с высокой или низкой пористостью; строение частицы по сечению с учетом плотности, удельной поверхности, смачиваемости, пластичности, компонентов на различных этапах нагрева и охлаждения на подложке.
Конструкция частицы с учетом технологии изготовления определяет также удельную поверхность, текучесть, плотность, прочность порошка и другие характеристики.
Выбор основных компонентов при создании порошка должен быть основан также на информации о бинарных (или квазибинарных) диаграммах фазового состояния для двухкомпонентных частиц и тройных диаграммах - для трехкомпонентных. При их анализе выявляется возможность появления эвтектик, снижающих температуру плавления, оценки устойчивости плакирующей оболочки на ядре, необходимости ее легирования и т. д. Кроме того, для экзотермически реагируемых материалов необходим учет взаимодействия частиц с конкретным материалом деталей, для чего требуется введение в порошок специальных добавок.
Разработка морфологических таблиц должна опираться на комплекс представлений о процессе формирования покрытий и возможности получения заданных основных характеристик - прочности, плотности, теплопроводности, упруго-напряженного состояния, термо- и жаростойкости, триботехнических характеристик и др.
Существующие представления о свойствах покрытий, информация, полученная из анализа требований к покрытиям того или иного назначения, позволяют сформулировать требования к композиционному порошку, напыление которого может привести к получению покрытия с заданным комплексом свойств.
Для выбора круга композиций с определенными признаками, характеризующими порошок, составляется морфологическая матрица (ящик), которая в обобщенном варианте охватывает множество вариантов порошка с точки зрения его исходных характеристик, поведения частицы при напылении и формировании покрытия с заданной структурой.
Учет эксплуатационных характеристик покрытий и связи характеристик композиционного порошка со свойствами покрытий позволяет на основе матрицы перейти непосредственно к конструированию композиционного порошка.
Высокая плотность покрытия (пористость не выше 2-3 %) при остаточных напряжениях растяжения не более 10 МПа обеспечивает в процессе их релаксации торможение релаксационных процессов в материалах кольца и покрытия, особенно на первых стадиях, когда в гематитовом покрытии происходит резкое снятие напряжений.
Таким образом, управляя составом композиционного порошка, а, следовательно, плотностью, теплофизическими характеристиками, упругостью и напряженным состоянием в покрытиях, можно повысить эксплуатационные характеристики покрытий и деталей.
Основные направления в создании и применении композиционных порошков для напыления покрытий. Анализ особенностей процесса напыления композиционных порошков (КП), изучение структуры и свойств покрытий из композиционных порошков свидетельствуют о возможности направленного создания композиционных порошков для газотермического напыления покрытий различного практического назначения с заранее заданным комплексом характеристик.
В общем случае при копирной обточке колец в форму копира следует ввести корректировку, определяемую перемещениями по кривой 5 в соответствующих координатах. Сопоставление расчетных и экспериментальных перемещений поршневых колец дает удовлетворительное совпадение расчета с экспериментом. Расхождение максимумов перемещений в расчете и эксперименте связано с использованием колец с коррекцией давления в замке. Практическое совпадение расчета и эксперимента по влиянию напыления на изменение радиальных перемещений (кривые 5 и 
свидетельствует о возможности и необходимости введения этих поправок в копир для изготовления колец.
Сопоставление расчетного снижения замка после напыления (2,1 мм) с экспериментальным (2,3 мм) также дает удовлетворительную сходимость результатов. При размерах замка 13-16 ммвлияние феррооксидного покрытия (2-2,5 мм) невелико. Однако для практики желательно полное исключение влияния покрытия на форму поршневого кольца и размер замка. Не влияя на триботехнические характеристики феррооксидного покрытия в достаточно широком интервале температур как напыления, так и эксплуатации, управлять КТР покрытия кольца можно, незначительно изменяя состав феррооксидного композиционного порошка введением в него компонентов с высоким КТР по сравнению с КТР исходных оксидов.
Для достижения равных деформаций чугунной основы кольца и покрытия при нагреве чугуна на 100 °С необходимо молибденовое покрытие охлаждать в процессе напыления до 180 °С, покрытие из порошка Сг - Мо - Ni - до 85 °С, феррооксидное покрытие - до 135 °С. Однако соблюдение достаточно точных условий напыления, при которых качество и износостойкость покрытий удовлетворительны, а напряжения практически не влияют на форму кольца, технологически трудно. Поэтому представляет интерес аналитический и экспериментальный учет влияния остаточных напряжений на форму поршневых колец. Аналитически определить влияние термических напряжений на форму поршневого разрезанного кольца можно, рассчитав температурный аналог изгибающего момента
Таким образом, анализ распределения остаточных напряжений по сечению покрытий более информативен, чем только знак и величина напряжений, что позволяет оценить прочностные характеристики покрытий и их склонность к трещинообразованию или отслаиванию.
Напряженно-деформированное состояние деталей с покрытиями. Ряд деталей машин работают в условиях сложнонапряженного состояния, вызванного термическими или механическими нагрузками. В этих условиях становится важным управлять напряженным состоянием покрытий и, следовательно, надежностью работы деталей. Применение теплозащитных покрытий на деталях камеры сгорания ДВС является типичным примером, где неучет напряженного состояния приводит к неудовлетворительной термостойкости покрытий. При напылении на стальные клапаны покрытий на подслоях становится важным согласовать КТР стали клапана с КТР подслоя. Такое согласование лучше всего выполнить подбором состава композиционного порошка на основе нихрома. Действительно, используя композиционный порошок нихрома с алюминием на органической связке, можно, управляя массовым содержанием алюминия в небольших пределах (3-6%), получить не только высокую прочность сцепления покрытия, но и минимальные градиенты напряжений. Еще более сложное влияние остаточные напряжения оказывают на форму деталей, геометрия которых неравноосна, например поршневых колец ДВС.
Чем меньше скорость и нагрев частиц, тем при большем интервале нагрева подложки возможно получение минимальных отрывных напряжений. Действительно, чем плотнее и прочнее покрытие, напыленное перегретыми и ускоренными частицами при высокой степени их деформации, тем вероятнее появление сколов или вспучивания при неудовлетворительном соотношении температур частиц и подложки. Поэтому напылять феррооксидные покрытия на подложки с равными КТР желательно подогретыми, так как температура и скорость деформации частиц феррооксидных порошков достаточно высокие. Расчет показывает, что при деформации частиц на величину, определяемую отношением d/do = 3-5 (с = 104-М05), интервал температур подложки нужно поддерживать в пределах 150-450 °С.
Возникающие при этом напряжения, если они превышают прочность сцепления, могут оторвать край частицы. Поэтому на практике часто наблюдается форма частицы или отрыв края покрытия. Если в процессе напыления подложка была подогрета и при охлаждении деформируется, то возникает усилие, направленное в противоположную сторону. При этом возникает момент, прижимающий край частицы к подложке. Частица (или покрытие) может отслоиться в точке В, что и наблюдается на практике в виде вспучивания.
Деформации, приводящие к формированию отрывных или прижимающих напряжений в точке А, можно рассчитать из схемы, где учитывается также усадка покрытия по высоте.
Остаточные напряжения, в особенности их градиенты по сечению покрытий, а также в охлаждающихся частицах, не только приводят к повышенной хрупкости, но и, как показали расчеты и эксперименты, уменьшают адгезионную и когезионную прочность покрытий, снижают их термостойкость, усталостную прочность и т. д. Однако мало теоретического и экспериментального материала по исследованию напряженно-деформированного состояния покрытий. Кроме того, не учитывается дискретный характер формирования слоистых напыленных слоев. Для композиционных покрытий (в том числе многослойных или нанесенных из композиционных порошков) достаточно сложным является учет истинных модулей упругости и КТР компонентов покрытия и влияния на них температурных и релаксационных факторов. Тем не менее, даже не совсем строгий анализ напряжений в покрытиях и реальных деталях с покрытиями способствует совершенствованию процесса напыления и повышения качества покрытий.
На триботехнические характеристики феррооксидных покрытий оказывают существенное влияние способ введения металлических компонентов и наличие их в покрытии. Если компонент обладает низкими антифрикционными свойствами по сравнению с феррооксидами FeO и Fe804, то покрытия из композиционных порошков ухудшают свои антифрикционные свойства при увеличении содержания металла.
В качестве примера рассмотрим влияние содержания карбонильного никеля на твердость, прочность и параметры трения и износа феррооксидного покрытия. С ростом содержания никеля в покрытии увеличивается плотность, твердость (до массового содержания никеля 15 %) и прочность покрытий. Одновременно увеличиваются износ покрытия и коэффициент трения по чугуну, при этом чугун практически не изнашивается. Это свидетельствует о необходимости рационального выбора качественного состава композиционных покрытий на основе износостойких и антифрикционных материалов.
