CC BY
5КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, НАПЛАВЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ В ВАКУУМЕ
М.В. Радченко, Ю.О. Шевцов, В.Г. Радченко
По мере возрастания требований к условиям эксплуатации современных технических устройств, в частности к износостойкости их поверхности, в создании защитных покрытий все более возрастает роль концентрированных потоков энергии. Так, например, использование электронных пучков в вакууме позволяет создавать износостойкие покрытия с уникальными свойствами в режиме энерго- и ресурсосбережения [1,2].
При этом известно, что триботехниче-ские свойства материала покрытия определяются в первую очередь его химическим составом, а также структурно-фазовым состоянием, формируемым в процессе кристаллизации расплава.
В данной работе приводятся результаты комплексного анализа защитных покрытий, наплавленных электроннолучевым методом в вакууме с использованием промышленно выпускаемых порошковых самофлюсующихся сплавов на основе N Характерная карбидо-насыщенная структура электроннолучевой наплавки таких сплавов представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Микроструктура покрытия, наплавленного самофлюсующимся порошковым сплавом ПР-Н70Х17С4Р4. Игольчатые и мелкие многогранные карбиды в пластичной никелевой матрице (600 х)
Испытаниям на износостойкость были подвергнуты образцы с покрытиями из сплавов ПР-Н70Х17С4Р4, ПГ-12Н03 и ПГ-СР4 с различным соотношением легирующих элементов, наплавленными на различной удельной мощности электронного луча д5 от 1,5105 до 4,2'105 Вт/см2 (11а = 22 кВ, 1л = 60...150 тА, ^ = 1,0 мм, Ул = 2 мм/с).
Как следует из рисунка 2, 3 лучшую износостойкость имеют слои, наплавленные
5 5
при удельной мощности от 210 до 310 Вт/см2. Полученные данные коррелируют с предыдущими исследованиями авторов, показавшими, что именно в этом диапазоне режимов наплавки самофлюсующиеся сплавы имеют наиболее измельченную структуру и более равномерно распределенные кристаллические образования карбидных и кар-боборидных фаз.
Результаты исследований по профило-графированию поверхности шлифов на сканирующем электронном микроскопе Теэ!а ББ - 300 позволяют сделать вывод о различном механизме изнашивания покрытий, наплавленных на удельных мощностях д1= 1,5'105 Вт/см2 и д3 = 2,5'105 Вт/см2 (иа = 22 кВ, 1л = 60 тА и 90 тА, ^ = 1,0 мм, Ул = 2 мм/с). Изучение поверхности шлифов слоев, наплавленных на плотности мощности - д1 показало, что очагами разрушения являются первичные кристаллы упрочняющей фазы, имеющие укрупненную направленную форму и являющиеся концентраторами напряжений матрицы твердого никелевого раствора. В покрытиях, наплавленных на плотности мощности -д3 мелкодисперсное строение упрочняющих фаз способствует образованию гладкой поверхности изнашивания, практически лишенной острых выступов.
о 10 20 30 40 50 г_
Рисунок 2 - Кинетика абразивного износа сплавов после ЭЛН (удельная нагрузка на образец Руд= 4 г/мм2): 1 - сталь 45, 2 - ПГ-12Н03, 3 - ПР-Н70Х17С4Р4, 4 - ПГ-СР4
ДМ/БЮ"1,
Рисунок 3 - Сравнительные испытания износостойкости покрытий (ПГ-СР4) на различных режимах ЭЛН: (удельная нагрузка на образец Руд= 8 г/мм2): 1...4 - , 5 - сталь 45
б)
Рисунок 4 - Профилограммы и фотографии поверхности (а) наплавленного покрытия и шлифа (б). Сплав ПГ-СР4 (600 х)
Как показали результаты анализа защитного слоя, наплавленного по первому режиму, разрушение при изнашивании происходит за счет выкрашивания отдельных круп-
ных карбидных составляющих. Повышенная дисперсность структуры покрытий, полученных на третьем режиме, снижает количество очагов разрушений, что положительно сказывается на износостойкости в целом. При повышении плотности мощности до 4105 Вт/см2 карбидные фазы растворяются в сравнительно мягкой аустенитной матрице, становятся существенно более мелкими и затрудняют процесс удаления материала наплавки при срезании его частицами абразива (рисунок 5).
Рисунок 5 - Микроструктура покрытия, наплавленного самофлюсующимся порошковым сплавом ПР-Н70Х17С4Р4. Измельченные распределенные карбиды. (600 х)
Далее были выявлены зависимости изменения износостойкости (£, г/мм2) наплавленного сплава ПГ-СР4, полученного на режиме д = 2,52105 Вт/см2 (иа = 22 кВ, 1л = 90 тА, ^ = 1,0 мм, Ул = 2 мм/с) от различных условий испытания, т.е. при различной зернистости шлифовальной шкурки (рисунок 6.а) и удельной нагрузке на образец (рисунок 6.б).
Как было показано выше, среди широкого спектра выпускаемых промышленностью порошковых сплавов, используемых для нанесения в качестве покрытий на поверхность изделий, высоколегированные порошковые сплавы аустенитного класса на основе никеля в наибольшей степени отвечают требованиям сочетания относительно низкой стоимости (в сравнении, например, со сплавами на основе кобальта), высокой твердости и износостойкости.
Однако несомненный интерес представляет возможность создания композиций на основе таких сплавов с дополнительным насыщением их различными упрочняющими фазами, в качестве которых могут служить карбиды, бориды и карбобориды тугоплавких металлов.
а )
з е р н и с т о с т ь (N3) 3 - 40...28 мкм; 4 - 50...40 мкм;
б)
5 - 63...50 мкм; 6 - 80...63 мкм;
8 - 100...80 мкм; 10 - 125...100 мкм; у д е л ь н а я н а г р у з к а
Рисунок 6 а,б - Износостойкость наплавленных покрытий в различных условиях испытаний
В данном разделе работы рассмотрен вопрос взаимосвязи сопротивления такого рода покрытий изнашиванию со структурными параметрами карбидонасыщенных композиций.
Наплавка защитных покрытий в вакууме была выполнена на лабораторной установке по режимам, которые подбирали, исходя из следующих требований:
1) общая мощность электронного пучка должна обеспечивать полное расплавление порошкового сплава и его перемешивание с защищаемой поверхностью на небольшую глубину;
2) траектория перемещения пучка по поверхности металла должна обеспечивать плотность мощности, достаточную для расплавления порошкового сплава, но не больше значения, при котором происходит его удаление реактивной струей парогазовой фазы;
3) геометрические размеры наплавленного защитного слоя (ширина, высота) должны соответствовать существующим представ-
лениям о размерах защитных и упрочняющих покрытий на деталях машиностроения и инструменте.
Высота наплавки на поверхность изношенных восстанавливаемых или вновь создаваемых деталей и инструмента находится, чаще всего в пределах 2...4 мм. Отсюда эмпирически выбраны следующие режимы наплавки:
- ускоряющее напряжение в электронной пушке иа=25 кВ,
- ток электронного пучка 1л=60...120 тА,
- скорость перемещения луча по поверхности Ул=1,0...2,6 мм/с,
- массовый расход порошка Сп=1,5...4,0
кг/ч.
С целью повышения твердости и износостойкости наплавленного металла был выполнен анализ влияния легирующих элементов на свойства указанных сплавов, и на этой основе создан ряд порошковых композиций с добавками карбидов хрома, ванадия и дибо-рида хрома.
Необходимость добавок карбида хрома определяется тем, что хрома, присутствующего в исходном сплаве (ПР-Н70Х17С4Р4), судя по результатам рентгеноструктурного анализа, недостаточно для образования необходимого количества карбидов как высокотемпературной упрочняющей фазы (HV 13000 МПа, Тпл=2170 оС). Карбид ванадия обладает еще большей твердостью - 24000 МПа, что также способствует повышению износостойкости.
Добавки в матричный состав диборида хрома благоприятно сказываются на формировании наплавляемого сплава в целом, т.к. при расплавлении порошка происходит образование легкоплавкой эвтектики и более равномерное распределение карбидных включений по всему объему наплавленного металла.
По этим соображениям для проведения исследований твердости и износостойкости было подготовлено семь порошковых композиций, которые были наплавлены на углеродистую сталь 20.
Результаты испытаний наплавок полученных композиций на твердость и износостойкость в условиях сухого трения о жестко закрепленные абразивные частицы представлены на рисунке 7, а изменение фазового состава - на рисунке 8.
Рисунок 7 - Кинетика абразивного изнашивания наплавленных сплавов: 1 - ПР-Н70Х17С4Р4 (основа); 2 - основа + 10 % СгВ2; 3 - основа + 20 % СгВ2; 4 - основа + 10 % СгВ2 + 10 % УС; 5 - основа + 20 % СгВ2 + 20 % УС; 6 - основа + 10 % СгВ2 + 10 % УС + 10 % Сг3С2; 7 - основа + 20 % СгВ2 + 20 % УС + 20 % СГ3С2; 8 - ПС-12НВК-01 Абразив - корунд (ГОСТ 21963-87). Левая шкала для стали 45
Рисунок 8 - Рентгенограммы наплавленных сплавов:
1 - ПР-Н70Х17С4Р4 (основа); 2 - основа + 10 % СгВ2; 3 - основа + 20 % СгВ2; 4 - основа + 10 % СгВ2 + 10 % УС 5 - основа + 20 % СгВ2 + 20 % УС; 6 - основа + 10 % СгВ2 + 10 % УС + 10 % Сг3С2
Сравнительный анализ фазового состава наплавки исходного матричного состава показал, что в наплавленном металле образуются бориды хрома типа СгВ2, Сг5В3, силициды никеля, являющиеся упрочняющими
фазами в пластичной Y-фазе на основе Ы!. Добавление в матричный состав 10 % СгВ2 увеличивает количество этой фазы в наплавленном металле и приводит к образованию при кристаллизации расплава сложного карбида типа Сг23С6. Это служит объяснением резкого повышения износостойкости сплава в аналогичных условиях испытаний на сухое трение о жестко закрепленные абразивные частицы.
Увеличение составляющей диборида хрома до 20 % приводит к увеличению твердости наплавленного металла, но это же способствует увеличению размеров структурных составляющих (упрочняющих фаз), и снижению износостойкости за счет скалывания и выкрашивания более крупных, чем в первом случае, твердых частиц карбидов.
С целью устранения этого недостатка и повышения износостойкости была выполнена композиция с добавками в матричный состав 10 % СгВ2 и УС. В структуре покрытия, наплавленного этим составом, наблюдается значительное (в 3... 4 раза) измельчение размеров структурных составляющих, которое объясняется присутствием в расплаве ванадия. Кроме того, в структуре появились игольчатые включения карбида ванадия, что подтверждено рентгеноструктурным анализом. Такая композиция обеспечила повышение твердости до 66 HRC и износостойкости до £ = 34,31 %.
С учетом добавок в состав наплавки карбида ванадия как элемента, измельчающего зерно металла, с целью дополнительного легирования матричного состава металлической системы М-Сг-В-Б! было увеличено количество хромборида до 20 %. Это привело к увеличению в закристаллизованном металле покрытия количества карбидов хрома и созданию легкоплавкой эвтектики, способствующей равномерному распределению в наплавке карбидной фазы. Однако в результате наплавки была сформирована менее благоприятная, чем в предыдущем случае, структура: помимо ледебуритной эвтектики в структуре образовалась сетка разобщенных карбидных включений, способствующая выкрашиванию карбидной фазы. Тем не менее, установлено, что показатели твердости и износостойкости, выявленные в процессе испытаний этого сплава имеют высокие значения: 68 ИКС, £ = 33,46 %.
Добавление в основной порошковый состав по 10 % каждой из фаз (СгВ2, УС, Сг3С2) привело к тому, что часть легирующих элементов растворилась в аустените, а часть
образовала карбидные и боридные фазы. В целом по сравнению с матричным составом это привело к значительному повышению показателей твердости (66 HRC) и износостойкости (е = 24,47 %), но эти показатели ниже, чем при более экономном легировании.
Дополнительное увеличение добавок карбидов до 20 % каждой закономерно привело к значительному увеличению твердости наплавленного металла - до 69 HRC [3]. Но при его испытаниях на изнашивание было установлено, что укрупнение карбидной фазы вызвало более интенсивное ее выкрашивание из аустенитной матрицы сплава.
Таким образом, на основе анализа и экспериментальных исследований влияния легирующих элементов на металлургические и физико-механические свойства наплавленных покрытий установлено следующее:
1. Для создания защитных износостойких покрытий методом электроннолучевой порошковой наплавки в вакууме среди легирующих элементов наиболее предпочтительными являются такие, которые способствуют образованию упрочняющих фаз типа карбидов, карбоборидов тугоплавких металлов, сохраняющих свои свойства как при высокотемпературном нагреве, так и после перекристаллизации.
2. Дополнительное легирование матричного состава износостойких порошков на основе Ы!-Сг-Б-Б! наиболее целесообразно выполнять при суммарном содержании карби-дообразующих фаз в пределах 20...30 %. При этом обеспечиваются высокие показатели твердости и износостойкости (до 69 HRC и е =34,31).
3. Для одновременного измельчения структурных составляющих и увеличения количества карбидной фазы в наплавленном металле (как по структурным, так и по экономическим соображениям) более предпочтительным является использование карбидов ванадия, чем карбидов вольфрама (как в сплаве ПС-12НВК-01), при достаточно близких показателях твердости и износостойкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Радченко М.В., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О., Жебряков О.Ю. Комбинированная технология создания защитных покрытий на панелях котлов модульного типа // Сб. научных трудов международной конференции «Сварка и родственные технологии».- Киев, Украина; Изд-во ИЭС им Е.О.Патона, 2002.- С.34.
2. Чередниченко В.С., Радченко М.В., Радченко Т.Б., Шевцов Ю.О., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О., Хомутов О.И. Комбинированн-ные электротехнологии нанесения защитных покрытий / Отв. Редакторы В.С.Чередниченко, В.Г.Радченко.- Новосибирский государственный технический университет. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.260 с.- (Серия «Современные электротехнологии», Т.6).
3. А.с. № 1812815 «Порошковый твердый сплав».
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
