Influence of the energy electron beam exposure regimes on the structure and mechanical properties of composite coatings.pdf Введение Одним из методов упрочнения, активно развивающимся в настоящее время, является получение композиционных покрытий на рабочих поверхностях деталей и конструкций. Электронно-лучевая наплавка вне вакуума [1-3] является эффективным способом получения качественных композиционных покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами. Формирование композиционного покрытия происходит через расплав, что обеспечивает хорошую адгезию покрытия с материалом упрочняемой детали или конструкции, из которого образуются новые фазы, перекристаллизация фаз, дисперсное упрочнение. Помимо быстрого нагрева поверхности материала, электронно-лучевая наплавка характеризуется высокой скоростью охлаждения с отводом тепла в глубь основного материала, что способствует его самозакалке [4]. Механическая обработка деталей с покрытием после наплавки затруднена из-за повышенной твердости в результате самозакалки. Поэтому на практике часто применяют термическую обработку. Процессы термообработки влияют на механические свойства покрытий, изменяя их микроструктуру [5]. Так, в работах [6-9] было показано влияние термической обработки на изменение стабильности микроструктуры и ослабление остаточных напряжений в композитных покрытиях в результате получения желаемых характеристик. В настоящее время, насколько известно авторам, влияние термической обработки на микроструктуру, микротвердость и износостойкость композиционных покрытий на основе карбида хрома с карбидом титана в литературе отсутствует. В связи с этим цель работы - исследование структуры и свойств композиционных покрытий на основе карбида хрома с карбидом титана после термической обработки. В качестве термической обработки проведен отпуск с последующей закалкой отпущенных образцов. Методика эксперимента Композиционные покрытия толщиной (L) 2-6 мм были получены методом электронно-лучевой наплавки вне вакуума на стальной подложке (97 % Fe, 0.03 % C, 0.28 % Si, 0.50 % Mn, 0.3 % Ni, 0.3 % Cr, 0.008 % N, 0.035 % P, 0.04 % S) размером 100×50×14 мм. В качестве наплавочного материала использовали порошковую смесь карбида хрома с карбидом титана и фтористого магния в соотношении 54, 6, 40 % соответственно. Фтористый магний выступал в роли флюса. При электронно-лучевой наплавке постоянными параметрами были энергия электронов 1.4 МэВ (U), ток пучка 25 мА (I), диаметр пучка 12 мм (d), расстояние от выпускного отверстия до поверхности 90 мм, ширина развертки сканирования пучка 50 мм (l). Скорость поступательного перемещения образцов под пучком (V) менялась в интервале 0.5-0.8 см/с. При таких параметрах тепловложение W имеет значения в интервале от 5.6 до 12.73 кДж/см2. Термическую обработку проводили в универсальной лабораторной печи СШОЛ. Были использованы следующие режимы обработки: отпуск 650 С в течение 1 ч, закалка в воду 850 С со временем выдержки 0.5 ч. Структура композиционных покрытий до и после термической обработки исследовалась методами оптической микроскопии (Neophot-32). Образцы для структурных исследований готовились по стандартной методике приготовления шлифов, используя ряд абразивных бумаг. Отполированные образцы на бархатной ткани были протравлены в 4 %-м спиртовом растворе HNO3. Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре типа ДРОН-7 («Буревестник», Россия). Микротвердость композиционных покрытий измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 0.98 Н и времени выдержки 15 с. Среднее значение микротвердости принимали как среднее арифметическое из 10 измерений на каждой глубине. Испытания на абразивную износостойкость до и после термической обработки композиционных покрытий проводили согласно ГОСТ 23.208-79. В качестве абразивных частиц использовали кварцевый песок. Результаты и их обсуждение Результаты измерения микротвердости композиционных покрытий в исходном состоянии после электронно-лучевой наплавки и термической обработки приведены на рис. 1. Анализ полученных результатов показывает, что отпуск при 650 °С и времени выдержки 1 ч приводит к снижению микротвердости (рис. 1, б) композиционных покрытий по сравнению со значениями в исходном состоянии после электронно-лучевой наплавки (рис. 1, а). Отпуск длительностью не менее 1 ч при 560-650 °С применяется для обеспечения среднего уровня механических свойств. Рис. 1. Распределение микротвердости по поперечному сечению композиционных покрытий 1, 2, 3, 4 (таблица): а - электронно-лучевой наплавки; б - отпуска, в - закалки Понижение значений микротвердости связано со структурно-фазовыми изменениями при отпуске. Все композиционные покрытия, полученные при разных режимах электронно-лучевой обработки имеют аустенитную структуру (рис. 2, а). Аустенитные дендриты окружены эвтектикой, состоящей из аустенита и карбидов хрома. В результате быстрого отвода тепла в глубь подложки при охлаждении расплава образуется область мартенсита исключительно вдоль границы покрытие - подложка шириной 100-150 мкм (рис. 2, б). На рис. 1, а образование мартенсита соответствует повышению микротвердости композиционных покрытий при всех режимах электронно-лучевой обработки. По всей толщине композиционного покрытия встречаются частички карбида титана (черные включения), что также влияет на повышение микротвердости. Здесь же наблюдается снижение микротвердости в композиционных покрытиях при переходе режимов обработки от 1 до 4, что связано с повышением величины W, приводящей к увеличению толщины L композиционного покрытия, а следовательно, к уменьшению концентрации легирующих элементов на единицу объема слоя покрытия. C ростом W уменьшается и объемная доля эвтектики в композиционных покрытиях (таблица). Рентгеноструктурный анализ идентифицирует наличие только одной фазы γ-Fe. Метод EBSD-анализа обнаруживает γ-Fe и в малых количествах Cr7C3, Cr23C6 и (Cr, Fe)C. Карбид титана располагается в виде обособленных частиц, поэтому рентгеноструктурный анализ их не обнаруживает. В работе [10] приведено подробное описание структуры. Режимы обработки и характеристики композиционных покрытий № покрытия Параметры обработки L, мм Vэв, % Среднее значение микротвёрдости H ГПа v, см/с W, кДж/см2 Наплавка Отпуск Закалка 1 0.8 8.8 2 48 6.23 4.14 5.74 2 0.7 10 1.5 17 5.52 2.46 5.05 3 0.6 11.7 3.7 3.7 5.49 2.34 4.97 4 0.55 12.7 6 9 4.80 2.28 4.26 Рис. 2. Микроструктура композиционного покрытия после: а, б - электронно-лучевой наплавки, в - отпуска, г - закалки (увеличение 500) Металлографические исследования структуры после отпуска показали, что в композиционных покрытиях наследуется морфология исходной структуры после наплавки независимо от режима электронно-лучевой обработки (рис. 2, в). Отпуск при 650 С исследуемых композиционных покрытий приводит к изменению структуры наплавленных покрытий. В структуре происходит распад аустенита на феррито-карбидную смесь. Дендриты представляют собой однородную мелкозернистую структуру перлита. Рентгеноструктурный анализ показал, что после отпуска в структуре фиксируются линии α-Fe и небольшие пики Cr7C3, Fe3C. По-видимому, находящийся в зернах твердого раствора и в основе эвтектики углерод выделяется в виде различных карбидов. Образовавшаяся после отпуска в композиционных покрытиях ферритная структура приводит к снижению микротвердости. При таких значениях твердости детали с композиционными покрытиями будут легко подвергаться механической обработке. Однако, такие низкие значения микротвердости отрицательно сказываются на износостойкости композиционных покрытий. Поэтому образцы с композиционными покрытиями после отпуска были подвергнуты закалке для повышения твердости с целью улучшения их износостойкости. Анализ микроструктуры композиционных покрытий показывает, что после быстрой закалки в воду отпущенных образцов сохраняется морфология исходной структуры наплавленных покрытий. В теле дендритов образуются иглы мартенсита (рис. 2, г). По границам дендритов наблюдаются скопления упрочняющих фаз. По всей толщине композиционных покрытий также наблюдаются частички карбида титана. Мартенсит после закалки в воду (рис. 2, г) отличается от мартенсита после электронно-лучевой наплавки при самозакалке (рис. 2, в). После наплавки при медленном остывании расплава в мартенситных иглах выделяются зерна карбидов, поэтому они имеют черный цвет. Рентгеноструктурный анализ обнаруживает после закалки α-Fe, небольшие пики γ-Fe, карбиды Cr7C3, Cr23C6, Fe3C. На рис. 1, в приведены результаты измерений микротвердости по поперечному сечению композиционных покрытий после закалки. Из рисунка видно, что закалка приводит к равномерному распределению микротвердости в композиционных покрытиях до значений, сопоставимых со значениями микротвердости в исходном наплавленном состоянии. Повышение микротвердости композиционных покрытий после закалки также связано со структурными изменениями. Образующийся после закалки мартенсит в структуре и карбиды приводят к повышению микротвердости. Изменения структуры и микротвердости после отпуска и закалки отпущенных образцов в композиционных покрытиях существенно влияют на значения износостойкости и механизм износа. На рис. 3 приведены результаты измерений износостойкости композиционных покрытий до и после термической обработки, из которых следует, что отпуск приводит к снижению износостойкости композиционных покрытий по сравнению с исходной наплавкой в результате образования мягкой ферритной структуры. В процессе износа идет как истирание основной структурной составляющей - феррита, так и выкрашивание твердых частиц карбидов из мягкой матрицы. Значения износостойкости отпущенных композиционных покрытий после закалки выше, чем после отпуска, но ниже, чем после электронно-лучевой наплавки (рис. 3). Образование высокотвердого мартенсита повышает микротвердость покрытий. Высокая твердость мартенсита приводит к его повышенной хрупкости, что отрицательно сказывается на износостойкости. Частицы карбидов легко выкрашиваются из хрупкой матрицы при износе. Рис. 3. Средние значения износостойкости (Kи) композиционных покрытий после: а - наплавки, б - отпуска, в - закалки, в зависимости от режима электронно-лучевой обработки 1-4 В данной работе термическая обработка не повлияла на состояние частиц карбида титана. На рис. 2 частицы карбида титана наблюдаются в виде черных включений, расположенных в теле дендритов и эвтектике. Это связано с высокой температурой плавления TiC (tпл = (3147±50) С) [11]. Заключение 1. Отпуск композиционных покрытий при температуре 650 С и времени выдержки 1 ч приводит к снижению микротвердости. Это объясняется распадом аустенита на феррито-карбидную смесь, что способствует увеличению пластичности, но уменьшает твердость и износостойкость. 2. Для повышения микротвердости отпущенных композиционных покрытий после механической обработки целесообразно проведение закалки в воду при температуре 850 С, времени выдержки 0.5 ч. Микротвердость таких покрытий повышается вследствие образования высокотвердого мартенсита до значений, сопоставимых со значениями после электронно-лучевой наплавки. Однако износостойкость отпущенных композиционных покрытий после закалки уступает износостойкости покрытий в исходном состоянии после наплавки. 3. Предложенные режимы термической обработки могут быть использованы в технологии производства деталей, где необходимо проведение механической обработки. 4. Таким образом, показано, что метод электронно-лучевой наплавки вне вакуума высокотехнологичен. Полученные композиционные покрытия 1 и 2 при режимах такой обработки обладают оптимальным сочетанием свойств и не требуют дополнительной термической обработки, в результате которой происходят структурные изменения, сопровождающиеся снижением механических свойств. Авторы выражают благодарность М.Г. Голковскому (ИЯФ СО РАН) за помощь в проведении электронно-лучевой наплавки. Структурные исследования методом растровой электронной микроскопии проведены в Центре коллективного пользования «Нанотех» в ИФПМ СО РАН.

Скачать электронную версию публикации