CC BY
193
УДК 621.791
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ НАПЛАВКА ИЗНОСОСТОЙКИХ И КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА НИЗКОУГЛЕРОДИСТУЮ СТАЛЬ
И.М. Полетика, С.А. Макаров, М.В. Тетюцкая, Т.А. Крылова
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск E-mail: poletika@list.ru
Методом электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов порошковых смесей хрома с карбидом бора в соотношении 3:1 и при изменении параметров излучения получены износостойкие и коррозионно-стойкие покрытия. На основании исследования структуры и фазового состава покрытий изучена природа формирования этих свойств.
Ключевые слова:
Релятивистские электроны; наплавка; коррозионная стойкость; структура; микротвердость; износостойкость.
Key words:
Relativistic electron beam; surfacing; corrosion resistance; structure, microhardness, wear résistant.
Введение
Для защиты металлов и сплавов от различных видов внешних воздействий - износа, коррозии, высоких температур, статических и динамических нагружений используются лазерные, плазменные, электронно-лучевые, электродуговые и др. методы нанесения покрытий. Большую практическую значимость имеют покрытия, сочетающие в себе ряд свойств, например, износостойкость и коррозионную стойкость. Такое сочетание может быть достигнуто при использовании для наплавки высокохромистых сплавов со значительным содержанием углерода и связано с тем, что входящий в покрытия хром может находиться как в твердом растворе (образовывать защитные оксидные пленки на поверхности металла), так и быть связанным в карбобориды и повышать износостойкость [1].
Подобные покрытия могут быть получены методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки на ускорителе релятивистских электронов. Метод электронно-лучевой наплавки и результаты исследований подобных покрытий описаны в работах [2-6]. Целью данной работы явилось изучение структуры и свойств (твердости, износостойкости, коррозионной стойкости) покрытий, наплавленных в пучке релятивистских электронов, от характера их легирования из наплавочной порошковой смеси при использовании в качестве основных легирующих добавок хрома, углерода и бора и получение гетерогенных структур с включениями твердой фазы, обладающих одновременно высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Материалы и методики эксперимента
Наплавку осуществляли на ускорителе электронов ЭЛВ6, установленном в Институте ядерной физики СО РАН, г. Новосибирск. В качестве подложки для наплавки использовалась низкоуглеродистая листовая сталь Ст3, на которую наплавляли однослойные покрытия из предварительно нанесенных на поверхность порошковых смесей хрома с карбидом бора В4С (в соотношении 1:3). Наплавочная смесь содержала 10 % флюса М§Б2. Энергия
электронов и равнялась 1,4 МэВ, ток пучка I меняли от 18 до 35 мА. Расстояние от выпускного окна до поверхности образца составляло 90 мм, диаметр пучка - 1,2 см. Ускоритель работал в режиме сканирования с амплитудой колебания пучка 1=50 мм. Скорость поступательного перемещения образца под пучком Vсоставляла 1,6, 1,0 и 0,7 см/с. При таких параметрах облучения удельная поверхностная энергия процесса Ж, вычисленная по аналогии с электродуговой наплавкой [7] с учетом ширины сканирования пучка I, менялась в пределах 5,43...9,4 кДж/см2:
Ш = ^.
VI
Использованные режимы электроннолучевого воздействия приведены в таблице. Здесь же указаны определенные из измерений распределения микротвердости толщины наплавленных слоев і.
Таблица. Режимы электроннолучевого воздействия
Режим V, см/с I, мА W, кДж/см2 d, мм
1 1,6 31 5,43 1,70
2 1,6 33 5,78 1,65
3 1,6 35 6,13 2,05
4 1,0 22 6,16 1,75
5 1,0 24 6,72 2,18
6 1,0 26 7,28 2,62
7 1,0 28 7,84 3,13
8 0,7 18 7,52 1,63
9 0,7 19,5 8,15 2,02
10 0,7 21 8,78 2,15
11 0,7 22,5 9,40 2,75
Структуру металла наплавки исследовали на металлографическом микроскопе «№орЬо1» при увеличении 500. Образцы готовили механическим шлифованием, полированием и травлением в 4%-м растворе азотной кислоты при температуре 20 °С. Рентгеноструктурный фазовый анализ производили на дифрактометре ДРОН-2М. Измеряли распределение микротвердости на приборе ПМТ-3
в направлении от поверхности наплавленных слоев вглубь образца с переходом через границу сплавления при нагрузке 50 г, а затем определяли среднее значение микротвердости из 100-150 измерений в слое наплавки Ир. Проводили испытания на абразивный износ о нежесткозакрепленные абразивные частицы (кварцевый песок), подаваемые в зону трения и прижимаемые к образцу вращающимся резиновым роликом (ГОСТ 23.208-79). Коррозионную стойкость определяли путем измерения потери массы образца при выдержке в концентрированной азотной кислоте. Вычисляли относительное изменение массы в процентах по формуле:
АМ = М0 ~ М1100 %,
М0
где М0 - масса исходного образца, кг; И{ - масса образца после растворения в кислоте через время ^
Результаты эксперимента
Поскольку наплавку производили при трех скоростях поступательного перемещения пучка по поверхности металла, имело смысл рассмотреть три интервала изменения значений твердости и износостойкости и для каждой из скоростей проанализировать зависимости среднего значения микротвердости в слое Ир и Ки покрытия от W.
Ж, кДж/см
а
Н , ГПа
Ки
Ж, кДж/см б
Рис. 1. Зависимость средней микротвердости (1) и износостойкости (2) покрытия от плотности энергии излучения W для скорости перемещения образца У=1,0 см/с (а) и 0,7см/с (б)
При К=1,6 см/с с увеличением плотности энергии излучения Wот 5,43 до 6,13 кДж/см2 (таблица) значения И и Ки возрастают. При У=1 см/с в интервале значений W=6,16...7,84 кДж/см2микро-твердость И проходит через максимум, а износостойкость К[ монотонно убывает (рис. 1, а). При К=0,7 см/с и изменении W от 7,52 до 9,4 кДж/см2 величины Ир и Ки меняются незначительно (рис. 1, б).
Во всех трех случаях наблюдается рост толщины наплавленного слоя в одних и тех же пределах (таблица), так как при уменьшении скорости обработки (увеличении времени пребывания пучка в отдельной точке поверхности 10=1/Уй (й - диаметр пучка) приходится также уменьшать ток пучка, чтобы обеспечить монотонное увеличение плотности энергии W (формула (1). Глубина переплавленного слоя определяется как током пучка, так и временем его пребывания в точке При неизменном ?0 увеличение I приводит к росту W (таблица).
Ход кривых на графиках рис. 1 определяется структурой наплавленного слоя. Смесь легирующих порошков и флюса, нанесенных на поверхность металла, при прохождении под электронным пучком прогревается одновременно по всей толщине слоя с захватом некоторого слоя основы. В связи с разностью температур плавления, сначала плавится флюс, который смачивает и очищает порошки и поверхность основы. На поверхности покрытия образуется легко удаляемая шлаковая корка. Затем плавится поверхностный слой стальной основы. Частицы порошка погружаются в расплав и быстро растворяются. Когда прогрев пучком заканчивается, образование фаз идет кристаллизацией из расплава. При этом важную роль играет скорость охлаждения из расплава о, от которой зависит объемная доля вторых фаз и распределение легирующих элементов между фазами и твердым раствором. По аналогии с электродуговой наплавкой скорость охлаждения о можно определить по формуле [7]:
о =
2 пЯ(Т - Т0)2 Ж
где Т - температура в зоне действия источника; Т0 - начальная температура подложки; Я - коэффициент теплопроводности; W - удельная поверхностная энергия излучения.
По данным рентгеноструктурного анализа в наплавленном слое выделяются следующие фазы: а-Бе, СГ23С6, СГ7С3, Ре3С, Бе2В, Сги(С,В)6, Сг^В^, Бе3(С,В). Особую роль играют соединения, Сг23(С,В)6, Сг7(С,В)3 и Бе3(С,В), являющиеся кар-боборидами хрома. Так, соединение Сг23(С,В)6 по своим параметрам близко к карбиду хрома Сг23С6 со сложной кубической решеткой, в которой часть атомов углерода замещена атомами бора. Карбобориды, благодаря наличию в них бора, обладают гораздо большей по сравнению с карбидами твердостью и хрупкостью [1]. Таким образом, упрочняющей составляющей покрытия, отвечаю-
щей за износостойкость, является смесь карбидов с карбоборидами, из которых карбобориды играют определяющую роль.
При малых значениях плотности излучения энергии Wв интервале энергий, соответствующих, а структура является доэвтектической, т. е. состоит из зерен твердого раствора и ледебуритной эвтектики (рис. 2, а).
С увеличением энергии в указанном интервале W происходит переход от доэвтектической структуры к заэвтектической, состоящей из первичных выделений карбидов и карбоборидов хрома и железа в ледебуритной матрице (рис. 2, б). Соответственно, твердость и износостойкость возрастают.
В интервале энергий, соответствующих рис. 1, б, структура слоя наплавки с самого начала заэв-тектическая (рис. 2, в, г). Причем, в начальной части графика изменения твердости и износостойкости не коррелируют друг с другом. При низкой твердости износостойкость достигает максимальных значений, а затем постепенно уменьшается. Зависимость твердости от плотности энергии излучения проходит через максимум. Наблюдаемое несоответствие связано с тем, что при малых для этого интервала значениях W образуется структура с достаточно дисперсными выделениями фаз (рис. 2, в), обеспечивающая высокую износостойкость. С огрублением включений фаз при увеличении плотности энергии W (рис. 2, г) твердость растет, а износостойкость падает из-за того, что крупные и хрупкие частицы включений не истираются, а выкрашиваются. Дальнейшее падение твердости и износостойкости на рис. 1, б и более низкие их значения на рис. 1, в связаны с обратным переходом к доэвтектической структуре (рис. 2, д, е).
Очевидно, важную роль начинают играть процессы испарения легирующих элементов при длительном нахождении слоя в расплавленном состоянии (при больших значениях Щ.
Коррозионная стойкость наплавленных слоев может быть высокой из-за наличия в них хрома, который образует защитные оксидные пленки на поверхности металла [8]. Результаты измерения коррозионной стойкости приведены на рис. 3 (цифры на рис. 3 соответствуют режимам в таблице).
т, ч
Рис. 3. Зависимость относительной потери массыы образцов стали Ст3, стали 12Х18Н10Т и образцов наплавки от времени выдержки в азотной кислоте в режимах 1-10 (указаныы в таблице)
Видно, что коррозионная стойкость наплавленных слоев заметно выше коррозионной стойкости стали Ст3 и при малых временах выдержки в азотной кислоте приближается к коррозионной стойкости нержавеющей стали. Но кривые потери массы наплавленных слоев АМ/М(т) и аналогичная кривая для нержавеющей стали имеют тенденцию к
сближению при увеличении количества хрома в твердом растворе (уменьшении объемной доли фаз). Однозначной связи здесь нет, тем более, что происходит процесс перераспределения карбидных и карбоборидных включений между первичными выделениями и эвтектикой, испарение легирующих элементов (в том числе хрома) при больших плотностях энергии W, соответствующих разным скоростям поступательного перемещения образца.
Характерно, что зависимости относительной потери массы образцов (рис. 3) для наплавленных слоев не выходят на насыщение, как это происходит для сталей Ст3 и 12Х18Н10Т и соответствуют образованию сплошной оксидной пленки, защищающей металл от коррозии. Очевидно, решающую роль при больших временах выдержки начинает играть коррозия по границам раздела карбидных и карбоборидных фаз, которая развивается на межфазной поверхности и уходит вглубь образца, что препятствует образованию сплошной оксидной пленки на поверхности [8].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лившиц А.С., Гринберг Н.А., Куркумелли Э.Г. Основы легирования наплавленного металла. - М.: Машиностроение, 1969. -188 с.
2. Полетика И.М., Голковский М.Г, Борисов М.Д., Салимов Р.А., Перовская М.В. Формирование упрочняющих покрытий методом наплавки в пучке релятивистских электронов // Физика и химия обработки материалов. - 2005. - № 5. - С. 29-41.
3. Полетика И.М., Голковский М.Г., Беляков Е.Н., Перовская М.В., Салимов Р.А., Батаев В.А., Сазанов Ю.А. Формирование коррозионно-стойких покрытий методом наплавки в пучке релятивистских электронов // Перспективные материалы. - 2006. - № 2. - C. 80-86.
4. Полетика И.М., Голковский М.Г, Перовская М.В., Крылова Т.А., Салимов Р.А., Гнюсов С.Ф., Гальченко Н.К. Создание бифункциональных покрытий методом электронно-лучевой наплавки // Перспективные материалы. - 2007. - № 1. -С. 78-85.
Заключение
1. Впервые на ускорителе электронов методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки смесей хрома с карбидом бора получены износостойкие и коррозионностойкие покрытия. Изучена природа формирования свойств этих покрытий.
2. Показано, что наивысшая износостойкость наплавленных покрытий достигается при образовании в них заэвтектической структуры с высокотвердыми первичными выделениями карбидных и карбоборидных фаз.
3. Износостойкие покрытия обладают и повышенной коррозионной стойкостью. Дополнительный рост коррозионной стойкости возможен за счет снижения износостойкости -за счет увеличения количества хрома в твердом растворе (доэвтектическая структура).
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 11-03-00148-а).
5. Полетика И.М., Иванов Ю.Ф., Голковский М.Г., Перовская М.В. Структура и свойства покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой вне вакуума // Физика химия обработки материалов. - 2007. - № 6. - С. 48-56.
6. Полетика И.М., Крылова Т.А., Перовская М.В., Иванов Ю.Ф., Гнюсов С.Ф., Голковский М.Г. Структура и механические свойства металла вневакуумной электронно-лучевой наплавки до и после термической обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. - № 4. - С. 44-53.
7. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. - М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.
8. Скорчеллети В.В. Теоретические основы коррозии металлов. -Л.: Химия, 1973. - 264 с.
Поступила 05.03.2012 г.
