Influence of the energy electron beam exposure regimes on the structure and mechanical properties of composite coatings.pdf Введение Одной из причин разрушения стальных деталей является абразивный износ контактирующих частей. Интенсивный износ также происходит при работе деталей в агрессивных средах. Важным способом борьбы с этим явлением является нанесение упрочняющего покрытия на поверхность стальных деталей. В настоящее время используют различные технологии поверхностного упрочнения и модификации рабочих поверхностей стальных деталей, к которым можно отнести электродуговую [1] и лазерную наплавку [2], плазменное напыление [3], борирование [4] и азотирование [5], ионную имплантацию [6]. Эффективным способом получения защитных покрытий на поверхности конструкционных материалов является метод электронно-лучевой наплавки при использовании пучка релятивистских электронов, выведенного в атмосферу [7]. Данный метод позволяет вести обработку заготовки практически любого размера. При воздействии электронного пучка происходит адиабатический разогрев порошка, а большая скорость формирования покрытия минимизирует окислительное воздействие атмосферы. Экспериментальные исследования показали, что вневакуумная электронно-лучевая наплавка порошков Ti, Mo и С на поверхность низколегированной стали [8] значительно улучшает ее механические свойства. Такие покрытия обладают высокой микротвердостью, а их износостойкость примерно в 2.4 раза выше износостойкости закаленной стали. При изучении электронно-лучевой наплавки вне вакуума самофлюсующимся сплавом NiCrSiB с добавкой порошковой смеси (Nb-B) были получены упрочняющие покрытия на поверхности низкоуглеродистой стали толщиной ~ 1.4 мм, обладающие высокой твердостью [9]. Также было показано, что износостойкость покрытия, полученного методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковой смеси NiCrSiB + 35 % (Nb-B), в 1.6 раз выше, чем износостойкость покрытий, полученных плазменным напылением порошка NiCrSiB на стальную подложку. В [10] проведено исследование износостойкости покрытий, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошка Fe62Cr10Nb12B16 на поверхность низкоуглеродистой стали (ANSI 1010). Были получены покрытия высокого качества без трещин и пор, удельная скорость износа которых была на порядок ниже, чем у стали без покрытия. Наряду с улучшением механических свойств и коррозионной стойкости сталей, метод вневакуумной электронно-лучевой наплавки используется в этих же целях для титановых сплавов. В [11] были получены интерметаллидные покрытия Ti-Al-Nb на поверхности коммерчески чистого титана. Исследования структуры и свойств покрытий показали, что самой высокой твердостью и износостойкостью обладают покрытия, в которых отсутствует -фаза (Ti-48Al-2Nb и Ti-40Al-20Nb). Высокотемпературная ползучесть и окисление снижаются с увеличением содержания Nb и уменьшением Al в покрытии. В большинстве работ, посвященных исследованию структуры и свойств покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки вне вакуума, в том числе и в работах [8-11], авторы исследовали процесс при фиксированных режимах наплавки, когда скорость, ток и энергия пучка остаются постоянными, а меняются только исходные составы наплавляемой порошковой смеси. Однако при реализации вневакуумной электронно-лучевой наплавки важным параметром является поверхностная плотность введенной энергии, которая зависит от тока и скорости поступательного перемещения образца под пучком. Настоящая работа является продолжением исследования влияния режимов электронно-лучевой наплавки карбидов хрома и титана на структуру и свойства получаемых покрытий, которое было начато в работе [12]. В отличие от [12] в представленной работе проводятся исследования расширенного диапазона режимов наплавки. Цель работы - исследование влияния тепловложения при электронно-лучевой наплавке порошковой смеси карбидов хрома и титана на формирование структуры и свойств композиционных покрытий. Методика эксперимента В качестве подложки были использованы стальные пластины малоуглеродистой низколегированной стали размером 100×50×14 мм. Химический состав стали представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав использованной стали (мас. %) Fe С Si Mn Ni S P Cr N C As 97 0.14 0.15 0.4 0.3 0.05 0.04 0.3 0.008 0.03 0.08 Для наплавки использовали смесь из порошков карбида хрома, карбида титана и фтористого магния при соотношении компонентов соответственно 54, 6 и 40 мас. %. Размер частиц наплавочного порошка составлял 2-5 мкм. Подготовленную наплавочную смесь равномерно помещали на обезжиренную поверхность подложки. Плотность насыпки составляла 0.45 г/см2. Фтористый магний в наплавочной смеси является флюсом и в само покрытие не входит, а служит защитой от окислительного воздействия атмосферы. При реализации электронно-лучевой наплавки на ускорителе ЭЛВ-6 постоянными параметрами были энергия электронов U = 1.4 МэВ, диаметр пучка d = 12 мм, расстояние от выпускного отверстия до поверхности 90 мм и ширина развертки l = 50 мм. Переменными являлись ток пучка 25 < I < 40 мА и скорость поступательного перемещения образцов под пучком 0.5 < V < 2 см/с. При этом удельная энергия W рассчитывается по формуле (1) и принимает значения, приведенные в табл. 2. Таблица 2 Режимы обработки Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I, мА 40 25 V, см/с 2.0 1.8 1.65 1.5 1.45 0.80 0.70 0.6 0.55 W, кДж/см2 5.6 6.2 6.8 7.5 7.7 8.8 10.0 11.7 12.7 Структура наплавленных покрытий изучалась методами оптической (Neophot-32) и растровой (LEO EVO 50) микроскопии. Поперечные сечения образцов для структурных исследований готовили по стандартной методике, включающей шлифование и полировку алмазной суспензией. Структура материалов выявлялась травлением 4 %-м раствором HNO3 в спирте. Микротвердость образцов измерялась с помощью твердомера Duramin 5 при нагрузке на индентор 0.98 Н и времени выдержки 15 с. Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-7. Для определения абразивной износостойкости наплавленных покрытий были проведены испытания при трении о нежесткозакрепленные абразивные частицы в соответствии с ГОСТ 23.208-79. Результаты и их обсуждение Толщина покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки вне вакуума, изменялась в диапазоне 1-7 мм в зависимости от режима обработки. На рис. 1 видно, что с увеличением поверхностной плотности введенной энергии толщина наплавленного покрытия увеличивается. Рис. 1. Толщина композитного покрытия при различных режимах обработки Рентгеноструктурный анализ наплавленных покрытий при W = 5.6-7.7 кДж/см2 и токе пучка 40 мА идентифицирует во всех покрытиях наличие пиков α-Fe, γ-Fe и Cr7C3 разной интенсивности. При W = 8.8-12.7 кДж/см2 и токе пучка 25 мА обнаруживается только γ-Fe. Отсутствие пиков TiC во всех покрытиях объясняется его малым количеством в исходной смеси. Во всех покрытиях присутствуют γ-Fe, Cr7C3, Cr23C6 и (Cr, Fe)C. Карбид титана TiC располагается в виде обособленных частиц. В полученных покрытиях при токе пучка 40 мА обнаруживается, помимо всех перечисленных фаз, также α-Fe. Энергодисперсионный анализ показывает, что зерна дендритов на рис. 2 состоят из Fe и небольшого количества Cr (4-6 мас. %). Эвтектика (рис. 2) состоит из Fe, Cr (23-30 мас. %), небольшого количества С и Ti (до 0.5 мас. %). Черные включения содержат Ti (до 90 мас. %) и С. На РЭМ-изображениях качественно видно (рис. 2), что размер дендритов и объемная доля эвтектики в зависимости от режима обработки разные. Так, при токах пучка 25 и 40 мА уменьшение скорости формирования покрытий приводит к повышению поверхностной плотности введенной энергии, размер зерен дендритов увеличивается, а объемная доля эвтектики уменьшается. Результаты структурно-фазовых исследований показали, что в эвтектике сосредоточено основное содержание хрома в виде различных карбидов. Карбид хрома Cr3C2 в исходном состоянии не обнаружен, а выделяется в результате химических реакций в виде новых карбидов Cr7C3, Cr23C6 и (Cr, Fe)C. Черные включения представляют собой частицы карбида титана. Мелкие частицы карбида титана в результате наплавки растворяются в жидкой фазе, что приводит к его перекристаллизации и образованию карбидных зерен, являющихся центрами кристаллизации расплава (рис. 2, б). Более крупные частицы растворяются неполностью. Металлографические исследования структуры покрытий (рис. 3) показали различия в структурах в зависимости от тока пучка. Так, при W = 5.6-7.7 кДж/см2 и токе пучка 40 мА в структуре наблюдаются α-Fe (мартенсит), γ-Fe (остаточный аустенит) и частицы TiC. При W = 8.8- 12.7 кДж/см2 и токе пучка 25 мА структура представляет собой γ-Fe (аустенит) и частицы TiC, мартенсит наблюдается только вдоль границы покрытие - подложка областью шириной (150±30) мкм. На рис. 3, а светлая структура - аустенит, темные иглы - мартенсит, содержащий множество карбидов хрома. На рис. 3, б светлая структура - аустенит, вокруг зерен которого расположена эвтектика, содержащая карбиды хрома. Рис. 2. РЭМ-изображения микроструктуры композиционных покрытий при W = 5.6 (а), 7.5 (б), 8.8 (в) и 12.7 кДж/см2 (г) На образование структуры влияет скорость нагрева и охлаждения ванны расплава. При токе пучка 40 мА и W = 5.6-7.7 кДж/см2 происходит быстрый нагрев и быстрое охлаждение ванны расплава с образованием аустенитно-мартенситной структуры. При токе пучка 25 мА и повышенных значениях W = 8.8-12.7 кДж/см2 наблюдается медленный нагрев и медленное охлаждение. Во всех покрытиях образуется аустенитная структура и только вдоль границы покрытие - подложка возникает мартенсит в результате интенсивного отвода тепла в глубь подложки. Рис. 3. Металлографические изображения композиционных покрытий при W = 7.7 (а) и 10 кДж/см2 (б) Результаты измерений микротвердости приведены на рис. 4. Анализ показал, что с увеличением W микротвердость падает. Это объясняется несколькими факторами: c увеличением W толщина покрытий растет, следовательно, концентрация легирующих элементов уменьшается на единицу объема материала. Повышение микротвердости в покрытиях при W = 5.6-7.7 кДж/см2 и I = 40 мА может быть вызвано дополнительно наличием мартенсита в структуре. Микротвердость всех композиционных покрытий находится в диапазоне 4-7 ГПа, что в 2.5-4.5 раза выше, чем у материала подложки. Рис. 4. Средние значения микротвердости при разных режимах обработки На рис. 5 приведены результаты испытаний композиционных покрытий на износостойкость. Исходя из результатов, представленных на рис. 4 и 5, корреляция между микротвердостью и износостойкостью не наблюдается, поскольку в данном случае определяющим фактором является наличие карбидной фазы. При низких значениях W наблюдается повышенное содержание карбидов, что способствует их выкрашиванию, а не истиранию при износе. При высоких значениях W содержание карбидов низкое и покрытия становятся менее износостойкими. Благодаря оптимальному сочетанию количества карбидной фазы, эвтектики и размера зерен дендритов при W = 8.8- 10.0 кДж/см2 и I = 25 мА были получены покрытия, обладающие высокой микротвердостью и износостойкостью. Таким образом, регулируя силу тока и скорость перемещения образца под пучком, можно менять поверхностную плотность введенной энергии и получать покрытия разной толщины и структуры. Рис. 5. Износостойкость материалов при трении о нежесткозакрепленные абразивные частицы Заключение Установлено, что с ростом величины поверхностной плотности введенной энергии от 5.6 до 12.7 кДж/см2 увеличивается толщина композиционного покрытия от 1 до 7 мм. При увеличении тепловложения в процессе наплавки порошковой смеси (Cr3C2+TiC) при токе 40 и 25 мА происходи рост зерен дендритов и снижение доли эвтектики в объеме наплавленного металла. При малом тепловложении образуется аустенитно-мартенситная структура, карбиды наблюдаются в эвтектике и в иглах мартенсита. При большом тепловложении образуется аустенитная структура с эвтектической сеткой карбидов. Мартенситная структура возникает вдоль границы покрытие - подложка в результате интенсивного отвода тепла в глубь материала подложки. При увеличении удельной мощности энергии электронного пучка средняя величина микротвердости падает, что связано с ростом толщины покрытия и уменьшением концентрации легирующих элементов. Для рассмотренных режимов наплавки отсутствует корреляция между твердостью и износостойкостью. Авторы благодарят сотрудника Института ядерной физики СО РАН М.Г. Голковского за помощь в проведении электронно-лучевой наплавки. Структурные исследования методом растровой электронной микроскопии проведены на оборудовании Центра коллективного пользования «Нанотех» в ИФПМ СО РАН.

Скачать электронную версию публикации