CC BY
231
УДК 621.791
ФОРМИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ВНЕВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКОЙ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
И.М. Полетика, Т.А. Крылова, М.В. Тетюцкая, С.А. Макаров
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск E-mail: [email protected]
Наплавкой на ускорителе ЭЛВ-6 порошка карбида вольфрама на низкоуглеродистую сталь получены покрытия с повышенной твердостью, но низкой износостойкостью. С целью увеличения износостойкости проведены эксперименты по влиянию термической обработки на структуру и свойства покрытий, наплавленных карбидом вольфрама.
Ключевые слова:
Пучок релятивистских электронов, наплавка, структура, термическая обработка, твердость, износостойкость.
Key words:
Relativistic electron beam, surfacing, structure, heat treatment, hardness, wear resistance.
Введение
Абразивный износ поверхностей деталей многих машин и механизмов при эксплуатации существенно снижает срок их службы. Для восстановления и упрочнения деталей широко применяется метод электродуговой наплавки. С этой же целью может быть использован метод электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов, который характеризуется высоким качеством получаемых покрытий и простотой введения легирующих элементов [1, 2]. В практике электродуговой наплавки высокая твердость и удовлетворительная стойкость против абразивного износа с умеренными ударами или без них достигается при наплавке карбидом вольфрама [3]. Вместе с тем более интенсивное нагружение приводит к снижению пластичности, появлению склонности к трещинообра-зованию, что способствует разрушению наплавленного слоя. Улучшение структуры и свойств слоев, наплавленных карбидом вольфрама, может быть достигнуто термической обработкой [4, 5]. Так, для снятия остаточных напряжений в элек-тродуговых наплавках используют отпуск. Существует также принципиальная возможность увеличения твердости наплавленных слоев закалкой от температур выше Асз за счет образования мар-тенситной структуры. Влияние термической обработки на структуру и свойства слоев электроннолучевой наплавки малоизучены, и требуется постановка специального систематического исследования в этом направлении.
Материалы и методики эксперимента
На низкоуглеродистую сталь наплавляли порошок карбида вольфрама WC. Слой порошка толщиной в 1 мм наносили на поверхность образца перед обработкой. Энергия электронов и составляла 1,4 МэВ, ток пучка I менялся в пределах от 27 до 51 мА, скорость обработки V принимала значения 2,5; 1,6; 1,0 м/с. Для защиты от влияния окружающей среды в наплавочную смесь вводили флюс MgF2. Для увеличения площади наплавляемой поверхности пучок сканировался с шириной магнит-
ной развертки 1=50 мм. Структуру покрытий исследовали на металлографическом микроскопе «Neophot» на полированных шлифах, протравленных раствором кислот: 20 мл HNO3 и 100 мл HCl при температуре 20 °С. Фазовый состав покрытий определяли методом рентгеноструктурного фазового анализа на дифрактометре ДРОН-2М. Измеряли распределение микротвердости на приборе ПМТ-3 и находили ее среднее значение в покрытии H ^ср. Проводили испытания на абразивную износостойкость Ки по ГОСТ 23.208-79.
Результаты эксперимента
После наплавки карбида вольфрама на поверхности образцов стали Ст3 образуются слои толщиной 1,5-3,0 мм. Распределение микротвердости в поперечных срезах носит характер локальных колебаний, что связано с гетерофазностью образующейся структуры. По данным рентгеноструктурного фазового анализа в структуре покрытий присутствует а-железо, незначительное количество /-железа, соединение Fe3W3C, некоторое количество карбидов WC, W2C, W23Q.
Я ср, ГПа Ки
и
кДж/см2
Рис. 1. Зависимость: 1) твердости; 2) износостойкости от энергии излучения при наплавке карбидом вольфрама
С ростом плотности энергии излучения средние значения микротвердости в слое уменьшаются (рис. 1, кривая 1). Падение микротвердости при
увеличении Е (удельная поверхностная энергия излучения) связано с изменением одновременно двух параметров - средней концентрации легирующих элементов в покрытии и скорости охлаждения расплавленного металла. С ростом Е переплавляется более глубокий слой, что приводит к уменьшению в нем среднего содержания W и С. Одновременно уменьшается скорость охлаждения и происходит переход от менее равновесной структуры к более равновесной. При этом в слое наплавки образуется целый спектр структур.
При малых значениях Е структура слоя доэв-тектическая, закаленная на мартенсит (рис. 2, а). С увеличением Е мартенситная структура сменяется сначала мартенситно- бейнитной (рис. 2, б), а затем ферритно-мартенситной (рис. 2, в).
Структура слоя определяет и его износостойкость (рис. 1, кривая 2). Появление твердых, но хрупких мартенситной и бейнитной составляющих в структуре обуславливает низкие значения износостойкости. Выделение ферритной фазы в основе слоя обеспечивает снижение как твердости, так и износостойкости.
Известно, что при абразивном изнашивании твердые частицы абразива действуют на металл как множество режущих инструментов. Поэтому хрупкие структуры мартенсита и бейнита прорезаются абразивными частицами. Возникают микротрещины, что является началом разрушения. Кроме того, в хрупких мартенситной и бейнитной матрицах создаются благоприятные условия для вы-
крашивания карбидов. Феррит же, как самая мягкая фаза в стали, хуже других сопротивляется разрушению (срезанию) частицами абразива и в силу своей низкой прочности плохо удерживает карбидные частицы. Это также приводит к потере износостойкости.
Рассмотрим влияние термической обработки на структуру, твердость и износостойкость слоя. Термические обработки проводили в лабораторной печи СШОЛ с использованием известковой обмазки. Поскольку образцы с наплавленным слоем уже претерпели самозакалку при охлаждении из расплава, необходимо было устранить эти закалочные структуры путем отпуска, а затем закалить покрытия вновь, используя стандартную термическую обработку. Отпуск проводили при температуре 650 °С в течение часа. Закаливали в воду после выдержки в печи при 850 °С в течение 0,5 часа.
В процессе отпуска слоя при 650 °С в нем протекает у-^а-превращение, и весь аустенит распадается на ферритно-карбидную смесь (рис. 3, а). На рентгенограммах полностью исчезают линии /-железа, зато интенсивности линий а-железа и фазы Fe3W3C резко возрастают.
Дополнительное выделение карбида при отпуске связано с распадом пересыщенного твердого раствора Fe-W-C, образовавшегося при самозакалке расплавленного слоя, и дополнительным выделением карбидов вольфрама из аустенита, где предельно допустимое содержание легирующих элементов существенно выше по сравнению с их содержанием в
феррите. Обнаруженные ранее неравновесные карбиды 'С, '2С и '23С6 после отпуска на рентгенограммах не выявляются, что, очевидно, свидетельствует о приближении системы к равновесию.
Ки
4500 н
я
в
§ 3000-
1500-
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5 8,0
Е, кДж/см"
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5 8,0
Е, кДж/см2
Рис. 4. Зависимость твердости и износостойкости покрытия от плотности энергии излучения E после: а) отпуска; б) закалки
Главной особенностью отпущенных слоев является то, что наблюдавшееся ранее разнообразие структур - от мартенситной до ферритной, после отпуска исчезает. Вне зависимости от параметров облучения, на микрофотографиях наблюдается однообразная структура - зерна твердого раствора в окружении карбидной эвтектики. Единственным отличием является то, что объемная доля эвтектической составляющей с увеличением Е и увеличением глубины переплавленного металла сокращается, что связано с уменьшением среднего содержания вольфрама и углерода на единицу объема слоя.
Значения твердости и износостойкости покрытий после отпуска заметно ниже, чем в исходном состоянии (рис. 4, а), и за счет выделения мягкой ферритной фазы в основе слоя и, вследствие формирования однотипной структуры, с увеличением Е меняются незначительно.
При нагреве под закалку от 850 °С происходит растворение частиц карбидов, возврат к аустенит-ной структуре, а затем закалка основы слоя на мартенсит (рис. 3, б). Значения твердости и износостойкости после обычной термической закалки возрастают по сравнению с твердостью и износостойкостью исходных наплавленных покрытий (рис. 4, б), претерпевших самозакалку на воздухе. Это связано с формированием в этом случае гораздо более однородной и дисперсной структуры мартенсита. Увеличению твердости способствует и некоторое рассасывание дендритной неоднородности в процессе выдержки в печи при высокой температуре, а также дополнительное выделение карбидов вольфрама во время предшествующего отпуска.
Значения твердости и износостойкости закаленных покрытий от режима наплавки зависят слабо (рис. 4).
Заключение
1. Электронно-лучевой вневакуумной наплавкой карбида вольфрама на низкоуглеродистую сталь получены слои наплавки, обладающие повышенной твердостью, но низкой износостойкостью, что связано с образованием в их основе хрупких мартенситной и мартенситно-бейнитной структур, а также мартенситно-фер-ритной структуры, содержащей хрупкую мар-тенситную и легко изнашиваемую ферритную фазу.
2. При отпуске покрытий значения твердости и износостойкости падают в связи с протеканием в слое ферритно-перлитного превращения, но зависят от объемной доли ферритной фазы, которая возрастает с увеличением энергии излучения. Закалка от 850 °С приводит к повторному мартенситному превращению с выделением более дисперсного, чем в исходном состоянии, мартенсита, что обеспечивает увеличение как твердости, так и износостойкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Полетика И.М., Борисов М.Д., Краев Г.В., Вайсман А.Ф., Гол-ковский М.Г. Особенности формирования структуры и свойств поверхностного слоя стали при облучении пучком релятивистских электронов // МиТОМ. - 1997. - №4. - С. 13-16.
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. Лившиц А.С., Гринберг Н.А., Куркумелли Э.Г. Основы легирования наплавленного металла. - М.: Машиностроение, 1969. - 188 с.
4. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. - М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.
5. Хасуи А., Моригаки 0. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.
Поступила 29.01.2013 г.
