CC BY
36
2017
rî гсшмашш
УДК 621.793 .71
Поступила 10.05.2017
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЗОНЫ СПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКЕ ПОКРЫТИЯ ТИПА EuTroLoy 16006.04
FORMATION OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE ZONE OF ALLOYING UNDER PLASMA-POWDER SURFACING OF COATS TYPE EuTroLoy 16006.04
Ф. И. ПАНТЕЛЕЕНКО, В. В. ЗАХАРЕНКО, М. В. СПЕЦИАН, Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Беларусь, пр. Независимости, 65. E-mail: [email protected]
F. I. PANTELEENKO, V. V. ZAKHARENKO, M. V. SPETSIAN, Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus, 65, Nezavisimosti ave. E-mail: [email protected]
В работе представлены результаты экспериментальных исследований по нанесению покрытий порошком EuTroLoy 16006.04 с помощью плазменно-порошковой наплавки. Анализ макроструктуры позволил установить частичное отсутствие пор, несплавлений и трещин между подложкой и наплавленным слоем. Установлены различия в фазовом составе и в механических свойствах покрытий. В местах нанесения плазменно-порошковой наплавки выявлено повышение твердости.
The paper presents the results of experimental studies on the surface coating ofpowder EuTroLoy 16006.04 with the help of plasma-powder overlaying. Analysis of the macro-structure made it possible to establish a partial absence ofpores, fusions and cracks between the sub-spoon and the deposited layer. Differences in the phase composition and in the mechanical properties of the coatings were established. In places of application ofplasma-powder overlaying an increase in hardness has been revealed.
Ключевые слова. Изношенная поверхность, присадочные порошки, плазменно-порошковая наплавка, микроструктура,
Keywords. Worn surface, filler powders, plasma-powder surface additing, microstructure, microhardness.
На сегодняшний день в ведущих отраслях промышленности широкое распространение получило использование процесса наплавки различных сплавов на ответственные участки деталей машин . Процесс наплавки используется для увеличения износостойкости, жаропрочности и эксплуатационной стойкости поверхностей деталей, работающих в условиях больших знакопеременных нагрузок, высоких температур и давлений, в абразивных и агрессивных средах, а также в целях замены дефицитных и дорогостоящих металлов . Возрастающие требования к эксплуатационным характеристикам наплавленного металла, а также к качеству наплавленных деталей машин и технологиям обусловили переход к новым материалам и способам наплавки, в частности, плазменно-порошковой [1-3] . Одним из малоизученных направлений в технологии наплавки является нанесение покрытий из кобальтовых сплавов и изучение их свойств . Многие свойства этих сплавов являются результатом аллотропного превращения кобальта в твердом растворе, усиливающего действие хрома и вольфрама при формировании карбидов в кобальтовой кристаллической решетке
В настоящей статье авторами исследованы особенности структурообразования и свойства износостойкого покрытия, образуемого при помощи порошка EuTroLoy 16006.04 (Stellite 6) . Сплав на основе данного порошка обладает следующими отличительными свойствами: высокой устойчивостью к абразивному воздействию под давлением и при ударных нагрузках, устойчивостью к тепловому и коррозионному воздействию, низким коэффициентом скольжения по металлу, не чувствительностью к износу, яркостью и блеском . Химический состав и процентное содержание компонентов EuTroLoy 16006.04, а также их температуры кипения и плавления приведены в таблице . Каждый из легирующих элементов,
микротвердость.
лггттг^ г г^штптг /»
-3 (88), 2017/ « и
входящих в состав данного присадочного порошка, способствует обеспечению следующих свойств получаемого сплава: Сг - стабилизация поверхности и карбидообразование, W - твердорастворное упрочнение, № - стабилизация аустенита, С - образование карбидов и т. д . [4].
Характеристики порошка ЕиТ^оу 16006.04 ^е11Не 6)
Компоненты Co Cr W Ni Mo C Si Fe
Содержание компонентов, % Основа 28,7 4,7 1,9 2,2 1,2 1,23 1,9
^ К 1765 2150 3693 1728 2623 3600 1420 1539
Т К 1 кип' 3230 2946 5933 3073 4639 4200 2600 2900
Рис . 1 . Оборудование плазменно-порошковой наплавки компании Castolin Eutectic: 1 - блок управления, источник тока EuTronic GAP 2001 DC Touch Screen; 2 - охлаждающие устройства Cooling GAP; 3 - блок управления перемещения; 4 - деталь для наплавки; 5 - плазмотрон GAP IMPA 100; 6 - горелка GAP E42; 7 - емкость для порошка; 8 - баллоны с газом
Процесс наплавки осуществляли на стальной подложке (Сталь 45) толщиной 50 мм с помощью оборудования и дополнительных аксессуаров для процесса плазменно-порошковой наплавки (рис . 1) компании Castolin ЕШесйс (Польша), которая является мировым лидером по вопросам технического обслуживания, ремонта и защиты от износа деталей машин Перед процессом наплавки порошком поверхность образцов была тщательно подготовлена с помощью шлиф-машинки. Процесс наплавки проводили при следующем режиме: ток - 120 А, скорость перемещения детали - 25 мм/с, расход порошка - 330 г/мин .
На прочность связи наплавленного порошка с подложкой влияют степень проплавления и характер диффузионных процессов, протекающих в приграничных участках наплавки, а также прочность сцепления покрытия с подложкой и отсутствие дефектов Для таких исследований на отрезном станке из наплавленных образцов путем их разрезки по поперечному сечению были изготовлены миниатюрные образцы, которые впоследствии подвергали шлифовально-полировальной операции с помощью шлиф-листов и последующему травлению (реактив Гейна) [5].
Макро- и микроструктуру шлифов наплавленного порошком EuTroLoy 16006.04 покрытия исследовали, используя современный металлографический комплекс на базе микроскопа МИ-1Т, с помощью которого можно исследовать объекты в отраженном темном и светлом полях в диапазоне увеличений 50-1500 (без иммерсионной среды) . Помимо этого, оценивали толщину покрытия, степень проникновения защитного слоя в основной металл и дефектность . В результате были получены следующие данные (рис . 2, 3): покрытие обладает высокой травимостью; его толщина составляет в среднем 800 мкм; степень проникновения защитного слоя в подложку в местах начала и окончания наплавляемой дорожки равна 747 мкм, а на центральных участках - проплавление минимальное и равно 64 мкм; дефектность образца - незначительная, в основном в виде пор и несплавлений
Микроструктура покрытия разбита на три характерные зоны (рис . 4): металл покрытия (1), переходный участок (2) и зона контакта с основным металлом (3). Начиная от зоны контакта с основным металлом, микроструктура покрытия формируется вытянутыми и столбчатыми дендритами . Затем она приоб-
Рис. 2 . Макроструктура шлифа, х100
ЕС /ЛПТГгГ= г: ГТГТГТЛ/ТТГГГГГТ
ии/ 3 (88),2017-
а б
Рис . 3 . Дефекты наплавленного покрытия порошком EuTroLoy 16006.04: а - микропора; б - микронесплавление . х200
ретает зерненое строение вплоть до наружной по-|~1~| верхностн покрытия. Данное структурное изменение
. объясняется разницей температур при затвердевании. Анализируя микроструктуру шлифа с покрытием EuTroLoy 16006.04, можно сделать вывод о его двухфазном строении, характерной особенностью которого, согласно [6, 7], является наличие светлых и темных участков . Темный участок состоит из интерден-дритов, образованных из эвтектики Со и Сг с карбидами и имеет фазу с высоким содержанием Сг. Светлый участок состоит из дендритов раствора на основе Со и является более пластичным и твердым составом Такие элементы, как Сг и W, вступая в реакцию с углеродом (отвечает за износостойкость), образуют рис ,4 . Микроструктура шшфа, х1000 необходимые карбиды, которые отвечают за твер-
дость, абразивную и коррозионную стойкость при высоких температурах
На размер и форму карбидов особое влияние оказывает скорость их затвердевания, что впоследствии сказывается на твердости покрытия . Ввиду гетерогенной (неоднородной) природы некоторых покрытий величина твердости может зависеть от того, в какой части покрытия она была измерена . С целью определения показателя твердости рассматриваемых образцов были проведены испытания на микротвердость при помощи современного автоматизированного комплекса ПМТ-3М . Нагрузка на индентор составляла 200 г, время выдержки - 5 с .
В результате математико-статистического анализа [8] полученных экспериментальных значений п = 60 было установлено следующее Структура покрытия в каждом из слоев достаточно однородна, о чем свидетельствует коэффициент вариации, равный V» 7-8 < 10% . Для определения уровня взаимосвязи между расстоянием от поверхности образца (х) и твердостью (у) был вычислен коэффициент корреляции, величина которого составила гХу = 0,9® 1,0, что говорит о высокой зависимости рассматриваемых величин Наилучшим аппроксимирующим уравнением зависимости микротвердости от расстояния непосредственно в зоне наплавки является полиноминальная линия (коэффициент достоверности аппроксимации R = 0,8993) . Таким образом, учитывая однородность рассматриваемой выборки, а также высокую корреляционную связь между рассматриваемыми величинами, при наличии установленного уравнения аппроксимации можно определить значение микротвердости в любой точке исследуемого образца [8] Полученная микротвердость по шкале Виккерса показана на рис 5
Из рисунка видно, что с увеличением расстояния от ненаплавляемой поверхности стального образца к зоне слияния с наплавляемым покрытием твердость стали повышается от 230 до 261 НУ. Достигая зоны слияния подложки с покрытием (зона термического влияния), наблюдается резкий скачок показате-
Л1тттгг= г: г/^штптг /47
-3 (88), 2017 / UI
Зона контакта с основным металлом
у = 0,0002хг - 0,53x + 849,6 R* = 0,8993
О 200 400 SOO SOO 1000 1200 1400 1600 1300 2000
Расстояние, мкм
Рис . 5 . Характеристика микротвердости образцов
ля твердости, что объясняется минимальной зоной термического влияния и отсутствием примеси компонентов Стали 45 и наплавляемого покрытия . Твердость покрытия вблизи зоны термического влияния составляет 536 HV, а максимальная твердость у его наружной поверхности стабильна и составляет 603604 HV. Таким образом, твердость исходной Стали 45 благодаря применению плазменно-порошковой наплавки возросла в 2,5 раза, в связи с чем можно предполагать, что износостойкие характеристики в целом увеличатся .
Выводы
По результатам комплексного исследования покрытия (макро- и микроструктура, твердость, величина проплавления, дефектность, толщина покрытия) на основе порошка EuTroLoy 16006.04 установлено, что плазменно-порошковая наплавка обеспечивает высокое качество и однородность наплавленного металла Применение данной наплавки имеет однородное покрытие и характеризуется неразбавленной сталью . При этом твердость наплавляемого покрытия в 2,5 раза превышает твердость основного металла .
Литература
1. Пантелеенко Ф. И. Восстановление деталей машин: Справ . / Ф . И . Пантелеенко, В . П . Лялякин, В . П . Иванов, В . М. Константинов . М. : Машиностроение, 2003 .
2 . Капралов Е. В. и др. Структура и свойства композиционных износостойких наплавок на сталь . Новокузнецк: СибГИУ, 2014 .
3 . Степанова Е. И. Износо- и коррозионностойкие сплавы для нефтегазовой промышленности / Е . И . Степанова // Армату-ростроение . 2007.№ 1. С . 40-44.
4 . Бабичев А. П. и др. Физические величины: Справ . М . : Энергоатомиздат, 1991.
5 . Худокормова Р. Н. Материаловедение / Р. Н . Худокормова, Ф . И . Пантелеенко, Д. А . Худокормов . Минск: Новое знание; М . : ИНФРА-М, 2014 .
6 . Deng H. Influence of coating thickness and temperature on mechanical properties of steel deposited with Co-based alloy hard-facing coating / H . Deng, H . Shi, S . Tsuruoka // Surface & coatings technol, 2010 . No . 325 . P. 3927-3934.
7 . Gholipour A. Microstructure and wear behavior of stellite 6 cladding on 17-4PH stainless steel / A . Gholipour, M . Shamania, F. Ashrafizadeh // J . Alloys Compd . 2011. No . 509. P. 4905-4909.
8 . Браунли К. А. Статистические исследования в производстве / Пер . с англ . В . А . Говоркова . М. : Печат. двор в Лгр . , 1949 .
References
1. Panteleenko F. I., Lyalyakin V. P., Ivanov V. P., Konstantinov V. M. Vosstanovlenie detalej mashin [Restoration of machine parts: a Handbook], Moscow, Mashinostroenie Publ. , 2003 .
2 . Kapralov E. V. et al. Struktura i svojstva kompozicionnyh iznosostojkih naplavok na stal' [Structure and properties of composite wear-resistant surfacing on steel], Novokuzneck, SibGIU Publ. , 2014 .
3 . Stepanova E. I. Iznoso- i korrozionnostojkie splavy dlya neftegazovoj promyshlennosti [Wear and corrosion resistant alloys for oil and gas industry], Armaturostroenie = The valve Industry magazine, 2007, no . 1, pp . 40-44.
4 . Babichev A. P. et al. Fizicheskie velichin [Physical magnitudes] . Moscow, Energoatomizdat Publ . , 1991.
5 . Hudokormova R. N., Panteleenko F. I., Hudokormov D. A. Materialovedenie [Materials science] . Minsk, Novoe znanie Publ . ; Moscow, INFRA-M Publ . , 2014 .
6 . Deng H., Shi H., Tsuruoka S. Influence of coating thickness and temperature on mechanical properties of steel deposited with Co-based alloy hardfacing coating . Surface & coatings technol, 2010 . No . 325, pp . 3927-3934 .
7 . Gholipour A. Microstructure and wear behavior of stellite 6 cladding on 17-4PH stainless steel /Gholipour A . , Shamania, M. , Ashrafizadeh F. J . Alloys Compd. 2011, no . 509, pp . 4905-4909 .
8 . Braunli K. A. Statisticheskie issledovaniya v proizvodstve [Statistical studies in the production], Moscow, Pechat. dvor v Lgr. Publ . , 1949.
