Формирование покрытий двойного назначения методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Формирование покрытий двойного назначения методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки
И. М. Полетика, М.Г. Голковский1, М. В. Перовская,
Т. А. Крылова, Р.А. Салимов1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634 021, Россия 1 Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск, 630 090, Россия
Исследованы структура и свойства покрытий, полученных наплавкой смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь Ст3. Показано, что износостойкость наплавленных слоев определяется характером образующейся структуры, а коррозионная стойкость — содержанием в них хрома. Подобран режим наплавки, позволяющий получить бифункциональные покрытия, обладающие одновременно достаточно высокими значениями износостойкости и коррозионной стойкости.
Formation of dual-purpose coatings by electron-beam surfacing outside vacuum
I.M. Poletika, M.G. Golkovskii1, M.V. Perovskaya,
T.A. Krylova, and R.A. Salimov1
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634 021, Russia 1 Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS, Novosibirsk, 630 090, Russia
We study the structure and properties of coatings produced by surfacing of chromium and chromium carbide powder mixtures onto low-carbon steel. It is shown that wear resistance of the surfaced layers depends on the formed structure, while corrosion resistance on chromium content in them. We have selected a surfacing mode that allows one to obtain bifunctional coatings having both high wear and corrosion resistance.
1. Введение
Многие машины и механизмы при их эксплуатации претерпевают одновременно коррозию и абразивный износ поверхностного слоя под воздействием внешней среды. Для увеличения срока службы таких изделий в ряде случаев используют электронно-лучевую наплавку поверхностных слоев в вакууме [1, 2]. Главным недостатком вакуумных электронно-лучевых установок является необходимость проведения обработки в вакууме, что затрудняет облучение крупносерийных и крупногабаритных изделий и введение легирующих элементов. Кроме того, низкая энергия пучка ограничивает глубину проникновения электронов в металлы и не позволяет расплавлять тугоплавкие легирующие компоненты. Указанных недостатков лишен новый метод облучения изделий на ускорителе релятивистских электронов, позво-
ляющем выводить электронный пучок в атмосферный воздух [3, 4]. На таком ускорителе пучок электронов проникает в металлы на глубину 0.1.. 10 мм и может расплавлять практически любые материалы.
Известно [5, 6], что повышение абразивной износостойкости может быть достигнуто путем создания в наплавленном слое гетерогенных структур, содержащих большое количество твердых включений. Наиболее распространенной и сравнительно дешевой системой легирования наплавок, которая обеспечивает высокую стойкость против абразивного износа, является система Сг-С. Эффект достигается за счет выделения в наплавленном слое карбидов хрома. Введение хрома повышает и устойчивость наплавленных покрытий к коррозии. Скорость коррозии снижается в результате образования защитной пленки оксидов (Сг, Fe)2Oз, затрудняющей
© Полетика И. М., Голковский М. Г., Перовская М. В., Крылова Т А., Салимов Р. А., 2006
контакт с окружающей средой [7]. Таким образом, хром является высокоэффективным легирующим элементом, который может обеспечить формирование как износостойких (в сочетании с углеродом), так и коррозионностойких покрытий. Такие покрытия будут выполнять двойную функцию — одновременно защищать от износа и коррозии. При этом важную роль играет выбор составов наплавляемых материалов, нахождение оптимальных соотношений концентраций составляющих компонентов — хрома и углерода.
Основной целью работы явилось создание на низкоуглеродистой стали Ст3 бифункциональных (износостойких и коррозионно-стойких одновременно) покрытий методом наплавки в пучке релятивистских электронов с использованием для наплавки порошков хрома и карбида хрома в различных весовых соотношениях.
2. Материалы и методика
В качестве подложки для наплавки использовалась низкоуглеродистая листовая сталь Ст3 (толщина листа — 14 мм), на которую в пучке релятивистских электронов наплавляли одно- и двухслойные покрытия с использованием для наплавки порошковых смесей на основе карбида хрома Cr3C2 (остальное флюс) и карбида хрома в смеси с чистым хромом в отношениях Cr3C2/Cr = 1 и 2 (плотность насыпки — 0. 45 г/см2). Использованная энергия электронов равнялась 1.4 МэВ, ток пучка — 26.. 27 мА. Расстояние от выпускного окна до поверхности образца составляло 9 см, диаметр пучка — 1.2 см. Ускоритель работал в режиме сканирования с амплитудой колебания пучка 5 см и скоростью поступательного перемещения образца под пучком 1 см/с.
Структуру металла наплавки исследовали на металлографическом микроскопе Neophot при увеличении 500. Образцы готовили механическим шлифованием, полированием и травлением в растворе 20 мл HNO3 и 100 мл HCl. Проводили электронно-микроскопическое исследование образцов на микроскопе ЭМВ-100Б методом экстрагирующих угольных реплик, оттененных окисью вольфрама и отделенных механически с протравленных шлифов. Рентгеноструктурный фазовый анализ производили на дифрактометре ДРОН-2М. Распределение легирующих элементов в наплавленных слоях изучали на рентгеновском микроанализаторе CAMEBAX, включающем растровый микроскоп, что позволило определить концентрацию хрома в различных структурных составляющих (зерно, эвтектика).
На приборе ПМТ-3 измеряли распределение микротвердости в наплавленных слоях в направлении от поверхности вглубь образца с переходом через границу сплавления при нагрузке 50 г с шагом 40. 100 мкм. Измеряли твердость по Роквеллу. Проводили испытания на абразивный износ о нежестко закрепленные абразивные частицы, подаваемые в зону трения и прижимаемые к образцу вращающимся резиновым роликом
(ГОСТ 23. 208−79). Коррозионную стойкость определяли путем измерения относительного изменения массы образца при выдержке в азотной кислоте.
3. Результаты и обсуждение
Как показало исследование, в наплавляемом слое протекает дендритно-ячеистая кристаллизация и образуется структура, состоящая из зерен твердого раствора и эвтектики (рис. 1). Объемная доля эвтектической составляющей, определенная методом секущей по фотографиям микроструктуры, зависит от содержания карбида хрома в легирующей смеси (от количества вводимого с карбидом углерода) и от числа наплавляемых слоев.
По данным рентгеноструктурного фазового анализа зерна дендритов и основа эвтектики представляют собой чистый аустенит. Сохранение аустенитной фазы в структуре объясняется сверхвысокими скоростями охлаждения при наплавке в пучке релятивистских электронов (104… 105 К/с) и высоким содержанием легирующих элементов хрома и углерода в наплавленном слое. Известно, что в высокоуглеродистых сталях с большим содержанием легирующих элементов точка начала мар-тенситного превращения снижается в область отрицательных температур и количество остаточного аустенита повышается. По данным рентгеновского микроанализа среднее содержание хрома в слое наплавки для различных режимов облучения составляет 15. 30 вес. %.
При наплавке порошком карбида хрома Сг3С2 в эвтектике выделяются карбиды Сг7С3. Введение в легирующую смесь чистого хрома и увеличение отношения количества хрома к количеству углерода создают условия для выделения карбида Сг23С6 с большим количеством хрома, чем в карбиде Сг7С3. В структуре наблюдаются два типа карбидов — Сг7С3 и Сг23С6. Аналогичный результат получен в работе [5]. Приведенные здесь многочисленные данные по электродуговой наплавке показывают, что существует прямая связь между соотношением в наплавленном слое количества карбидообразующего элемента и углерода (в ат. %) и строением
Рис. 1. Микроструктура металла двухслойной наплавки смесью порошков карбида хрома и хрома (Сг3С2/Сг = 2). х500
Рис. 2. Распределение хрома (а) и микротвердости (б) в двухслойной наплавке при отношении 02/Сг = 2
карбидной фазы. При отношении Сг/С & lt- 2 образуются только карбиды Сг7С3. При Сг/С & gt- 2 обнаруживается тенденция к образованию и обособлению специального карбида хрома Сг23С6.
Распределение хрома в наплавленных слоях, определенное методом рентгеновского микроанализа, носит характер локальных колебаний, что связано с чередованием участков эвтектики и зерен твердого раствора в структуре (рис. 2, а). В связи с неоднородностью структуры наплавки распределение микротвердости в наплавленных слоях, как и распределение хрома, носит характер локальных колебаний (рис. 2, б). Как показывает анализ, среднее значение микротвердости в слое повышается с ростом количества эвтектической составляющей (рис. 3, а), т. е. с увеличением содержания карбида хрома в легирующей смеси (содержания углерода в наплавленном металле). Причем изменение величины коррелирует с изменением объемной доли эвтектики и содержанием хрома в эвтектике и зернах твердого раствора.
Результаты измерения коэффициента износостойкости приведены на рис. 3, б. Видно, что простой связи между твердостью и износостойкостью нет — эти величины не коррелируют друг с другом. С увеличением твердости износостойкость может как увеличиваться, так и уменьшаться. Из литературных данных известно [5, 8, 9], что помимо твердости важное значение имеет
характер образующейся структуры — количественное соотношение структурных составляющих, их расположение, форма, размеры, кристаллографическое строение выделяющихся фаз, состояние матрицы. Так, в работе [9] показано, что при абразивном изнашивании наплавочных материалов с переменным содержанием С (0. 12.1. 76 вес. %) и Мп (0. 75. 14.5 вес. %) одинаковым значениям твердости соответствуют значения износостойкости, отличающиеся более чем в 2 раза. Таким образом, твердость не является единственным критерием для создания износостойких слоев наплавленного металла.
Из рис. 3 видно, что при нанесении двухслойных покрытий несмотря на существенное повышение твердости за счет роста объемной доли эвтектики износостойкость падает. Это означает, что увеличение количества карбидов с точки зрения износостойкости материала целесообразно лишь до определенных пределов. Чрезмерное количество карбидов меняет механизм изнашивания — карбиды начинают выкрашиваться, а не истираться.
Согласно полученным данным, объемная доля эвтектики в наплавленном слое не должна превышать 40%. Это соответствует результатам исследований, приводимым в работах [5, 6], где показано, что оптимальная объемная доля карбидов в слоях наплавки для образцов, работающих в условиях износа, составляет 35. 40%. Большее количество хрупкой карбидной составляющей приводит к разрушению частиц карбидов, поскольку возникающие на них высокие концентрации напряжений уже не гасятся тонкими прослойками металлической матрицы.
Результаты измерений коррозионной стойкости образцов в концентрированной азотной кислоте представлены на рис. 4. Видно, что сталь Ст3 обладает низкой коррозионной стойкостью (кривая 1) и через сутки выдержки в азотной кислоте теряет 3% от первоначальной массы. Нержавеющая сталь растворяется медленно, через сутки ее масса уменьшается всего на 0. 05% (кривая 7). Коррозионная стойкость слоев наплавки ниже коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т (кривые 26), но существенно выше, чем стали Ст3. Коррозион-
Режимы наплавки
Режимы наплавки
Рис. 3. Зависимость средней микротвердости в слое наплавки (а) и коэффициента износостойкости (б) от режима наплавки: 1 — Сг3С2- 2 — Сг3С2/Сг = 1, 1 слой- 3 — Сг3С2/Сг = 1, 2 слоя- 4 — Сг3С2/Сг = 2, 1 слой- 5 — Сг3С2/Сг = 2, 2 слоя- 6 — сталь Ст3
Рис. 4. Зависимость относительной потери массы образцов сталей и наплавленных покрытий от времени выдержки в азотной кислоте:
1 — Ст3- 2 — наплавка С3С2- 3 — Сг3С^Сг = 2, 1 слой- 4 — С3С2 /Сг = 2, 2 слоя- 5 — С3С2 /Сг = 1, 1 слой- 6 — Сг3С^Сг = 1,
2 слоя- 7 — сталь 12 Х18Н10Т
ная стойкость возрастает при введении в легирующую смесь дополнительного количества хрома, ответственного за коррозионную стойкость, и увеличении соотношения компонентов Сг/С (ср. кривые 2−6). После выдержки в кислоте более 5 часов коррозионное разрушение приостанавливается. Приведенные на рис. 4 кривые выходят на насыщение, что связано с образованием на поверхности защитной пленки оксидов.
Из сопоставления полученных результатов испытаний на износостойкость и коррозионную стойкость (рис. 3, 4) следует, что наиболее эффективные бифункциональные (износостойкие и коррозионностойкие) покрытия на стали Ст3 могут быть получены однослойной наплавкой порошковых смесей на основе Сг3С2 и Сг в весовом соотношении 2:1. При меньшем соотноше-ни и Сг3С2/Сг = 1 износостойкость уменьшается в связи с уменьшением количества твердой карбидной составляющей в структуре.
При использовании двухслойной наплавки вместо однослойной выделение слишком большого количества карбидов способствует их выкрашиванию — тонкие прослойки аустенитной фазы не удерживают частицы включений в структуре эвтектики. Износостойкость падает. Наплавка одним карбидом Сг3С2, хотя и способствует существенному увеличению износостойкости, характеризуется пониженной коррозионной стойкостью из-за недостаточного содержания хрома в твердом растворе.
4. Заключение
При электронно-лучевой наплавке порошковыми смесями на основе карбида хрома и хрома в поверхностных слоях протекает дендритно-ячеистая кристаллизация и образуется структура, состоящая из зерен аустени-
та и эвтектики, включающей карбиды Сг7С3 и Сг23С6. Значения твердости возрастают с увеличением объемной доли эвтектики — содержания порошка карбида хрома в исходной наплавляемой смеси. Корреляции между значениями твердости и износостойкости нет. С увеличением твердости износостойкость может как увеличиваться, так и уменьшаться. Это связано с тем, что увеличение объемной доли эвтектики целесообразно лишь до определенных пределов — 40%. Чрезмерное количество карбидов (двухслойные покрытия) приводит к их выкрашиванию и падению износостойкости, несмотря на увеличение твердости. Коррозионная стойкость слоев наплавки существенно выше, чем используемой в качестве подложки стали Ст3, и возрастает при дополнительном введении в наплавляемую смесь порошка чистого хрома, ответственного за коррозионную стойкость, и увеличении соотношения компонентов Сг/С. После выдержки более 5 часов в концентрированной азотной кислоте кривые потери массы выходят на насыщение. Оптимальное сочетание износостойкости и коррозионной стойкости в бифункциональных покрытиях на стали Ст3 может быть получено однослойной наплавкой порошковых смесей на основе Сг3С2 и Сгв весовом соотношении 2:1. Износостойкость понижается при отношении Сг3С2/Сг = 1 или при нанесении двухслойных покрытий, что связано с недостаточным или избыточным количеством карбидов в структуре слоя.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 05−03−32 402-а).
Литература
1. Поболь И. Л. Модифицирование металлов и сплавов электроннолучевой обработкой // МиТОМ. — 1990. — № 7. — С. 42−47.
2. Панин В. Е., Дураков В. Г., Прибытков Г. А., Полев И. В., Белюк С. И.
Электронно-лучевая наплавка порошковых карбидосталей // ФиХОМ. — 1998. — № 6. — С. 53−59.
3. Ауслендер В. Л., Салимов Р. А. Ускоритель электронов Института ядерной физики СО АН СССР для народного хозяйства // Атомная энергия. — 1978. — Т. 44. — Вып. 5. — С. 403−405.
4. Скринский А. Н., Мизин В. Г., Фоминский Л. П. и др. Высокопроизводительная наплавка и оплавление порошковых покрытий пучком релятивистских электронов // ДАН СССР. — 1985. — Т. 283. -№ 4. — С. 865−869.
5. Лившиц А. С., ГринбергН.А., Куркумелли Э. Г. Основы легирования
наплавленного металла. — М.: Машиностроение, 1969. — 188 с.
6. Полетика И. М., Борисов М. Д., Краев Г. В., Вайсман А. Ф., Голковский М. Г. Особенности формирования структуры и свойств поверхностного слоя стали при облучении пучком релятивистских электронов // МиТОМ. — 1997. — № 4. — С. 13−16.
7. Скорчеллети В. В. Теоретические основы коррозии металлов. -Л.: Химия, 1973. — 264 с.
8. Виноградов В. Н., Колокольников М. Г. Абразивное изнашивание. -М.: Машиностроение, 1990. — 224 с.
9. Сорокин Г. М., Чечин Ю. А., Солдатов Г. М. Способ оценки стойкости наплавочных материалов по их электросопротивлению // Вестник машиностроения. — 1978. — № 8. — С. 37−39.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой