CC BY
11МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl
УДК 669.018
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НА СТАЛЯХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ
А.М. ТЕПЛЫХ, аспирант, (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 5 сентября 2011 года
Теплых А.М. - 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: teplych50@yahdex.ru
Исследованы особенности структуры и свойств поверхностных слоев на углеродистых сталях, модифицированных в процессе оплавления электронным лучом в присутствии порошкового аморфного бора. Вневакуумный электроннолучевой нагрев стальной поверхности с нанесенным на нее бором на режимах, приводящих к оплавлению поверхностного слоя стали, позволяет с высокой технологической скоростью формировать структуру, содержащую бориды типа FeB и Fe2B, а также эвтектику (a-Fe-Fe2B), на глубину до 900 мкм. Сформированные поверхностные слои, имеющие твердость до 16000 МПа, могут быть использованы в качестве барьерных слоев при наплавке твердосплавных покрытий, а также как самостоятельные упрочняющие покрытия.
Ключевые слова: электронно-лучевой нагрев, оплавление, углеродистая сталь, бор аморфный, структура.
Введение
Наплавка износостойких слоев применяется при необходимости повышения срока службы изделий, эксплуатируемых в экстремальных условиях. Примером таких условий является изнашивание о свободный или закрепленный абразив, когда интенсивность изнашивающих нагрузок и высокие прочностные свойства контртела приводят к износу на величину от десятков микрометров до миллиметров. Использование наплавленных слоев, имеющих высокое сопротивление износу, в сочетании с высоким уровнем трещиностойкости углеродистых сталей, на которые осуществляется наплавка, позволяет обеспечить высокие эксплуатационные свойства и долговечность службы изделий с покрытиями в условиях абразивного и даже ударно-абразивного воздействия. Такими материалами могут служить покрытия, полученные наплавкой твердосплавных вольфрамокобальтовых порошковых смесей на углеродистые стали, поверхностные слои которых насыщены бором [1, 2]. Насыщение бором поверхностного слоя стали позволяет не только сформировать покрытия, имеющие свойства металлокерамических твердых сплавов, но и обеспечить высокий уровень трещиностойкости сформированных композиций. Одной из технических проблем, ограничивающих возможность увеличивать толщину твердосплавных покрытий и управлять структурой и свойствами
сформированных композиций, является ограничение толщины слоя стали, насыщенного бором. Для сокращения длительности процесса насыщения стали бором и увеличения толщины формируемого бори-рованного слоя рационально использовать источник нагрева с высокой плотностью энергии, позволяющей оплавить поверхностный слой стали, обеспечив химико-термическое взаимодействие бора и железа с высокими технологическими скоростями, не приводящими к перегреву основного материала и к значительным изменениям его структуры [3]. Применение электронно-лучевой обработки исключает возникновение эффекта «сдувания» порошковых материалов, используемых для насыщения поверхностных слоев. Исследование структуры и свойств поверхностных слоев углеродистых сталей после их насыщения бором на большую глубину в процессе оплавления под действием вневакуумного электронно-лучевого нагрева имеет практическое значения для разработки новых технологий формирования износостойких покрытий методом наплавки.
Методика проведения исследований
Для проведения исследований использовали следующие материалы:
- основной материал - сталь 20 в отожженном состоянии содержала 0,18 % С, 0,50 Мп, 0,23 81, 0,035 % Р и 0,04 % 8;
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕ,
- порошок бора аморфного марки А (ТУ 212-00149534204-2003);
- порошок фторида магния MgF2.
Порошки фторида магния, играющего роль флюса, смешивали с порошком бора аморфного в соотношении по массе 1 : 3 и насыпали толщиной 1 мм на поверхность образцов из стали, уплотняя до обеспечения плотности 0,2 г/см . Предварительно шлифованные образцы толщиной 5 мм, шириной 50 мм и длиной 150 мм подвергались зачистке абразивной бумагой и обезжиривались перед нанесением смеси порошков бора и флюса.
Подготовленные образцы располагались на столе, дающем возможность осуществлять их перемещение со скоростью 10 мм/с под выходящим в атмосферу электронным лучом ускорителя электронов ЭЛВ -6, который обеспечивал энергию электронов 1,4 МэВ при токе пучка 4 мА. Расстояние от окна, выпускающего пучок в атмосферу, до обрабатываемой поверхности составляло 90 мм. Диаметр электронного пучка у поверхности образцов был равен 12 мм. Часть образцов после оплавления зачищалась, на них наносился новый слой порошка бора, смешанного с флюсом, и процесс наплавки повторялся. Затем подобная итерация проводилась с частью образцов, прошедших два этапа оплавления. В результате исследовалась структура и измерялась микротвердость поверхностных слоев после одно-, двух- и трехкратного оплавления.
Структурные исследования наплавленных слоев выполняли на фронтальных и поперечных шлифах,
б
Рис. 1. Микроструктуры, полученные электронно-лучевой наплавкой аморфного бора. Стрелками отмечены зоны с малым содержанием боридов:
а, б - эвтектики пластинчатого типа, содержащие бориды FeB и Fe2B; в - неравномерность содержания боридов в оплавленном поверхностном слое при одностадийном оплавлении; г - слой сплошных боридов, расположенный непосредственно у поверхности оплавленного образца после второго оплавления
приготовленных с использованием операции шлифования и механического полирования. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе AxioObserver Aim. Фазовый состав исследовался с использованием рентгеновского 0-0 дифрактометра ARL X'TRA. Сканирование осуществлялось с использованием Cu Ka излучения в пошаговом режиме со временем накопления t = 3.. .10 с на одну точку и шагом Д20 = 0,05 и 0,02°.
Микротвердость поверхностных слоев оценивали на поперечных шлифах вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 0,98 Н с использованием твердомера Wolpert Group 402 MVD. Для исследования характера разрушения сформированных электронно-лучевым оплавлением композиций образцы подвергали ударному разрушению на маятниковом копре, после чего с использованием растрового электронного микроскопа EV050XVP изучались изломы.
Результаты исследований
Металлографические исследования структуры оплавленных композиций позволили сделать заключение о проплавлении поверхностного слоя стали на глубину до 0,6 мм. При этом поверхностный слой содержит эвтектику (a-Fe - Fe2B) и бориды типа FeB и Fe2B (рис. 1). В ходе металлографических исследований выявлена структурная неоднородность поверхностного слоя после однократного оплавления. Наблюдаются зоны с повышенным содержанием бо-ридов и зоны, в которых они практически отсутствуют (рис. 1, в). Микротвердость зон с повышенным содержанием боридов составляет до 14000 МПа при максимальной глубине их залегания 0,4 мм.
Повышение структурной равномерности поверхностного слоя и распределения боридов достигается повторением процесса наплавки.
После второй и третьей наплавки неравномерность распределения боридов устраняется. В то же время наблюдается переходная зона, в которой уменьшается количество боридов и увеличивается доля эвтектики (a-Fe - Fe2B). В зоне первичной кристаллизации непосредственно около зоны основного металла избыточных крупных кристаллов боридов не зафиксировано. Зона основного
а
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 2. Дифрактограммы, снятые с поверхности стального образца после электронно-лучевой двухслойной наплавки
аморфного бора
б
а
металла, прилегающая к зоне первичной кристаллизации, имеет феррито-перлитную структуру, характерную для условий кратковременного перегрева до-эвтектоидной стали.
Результаты металлографического анализа подтверждаются данными рентгено структурных исследований, которые проводились на фронтальных шлифах, приготавливаемых послойно. На рис. 2 в качестве примера приведены рентгенограммы материала, сформированного путем наплавки двух слоев аморфного бора. В поверхностных слоях покрытий наряду с соединением Ре2Б зафиксировано присутствие борида БеБ, характеризующегося более высоким содержанием бора (рис. 2, а). С увеличением глубины содержание бора в покрытии снижается, что приводит к уменьшению доли боридов. В первую очередь исчезает фаза БеБ. На глубине 800 мкм присутствия соединений бора с железом методом рентгеноструктурного анализа не обнаружено (рис. 2, б).
Измерение микротвердости поверхностных слоев позволяет судить о глубине упрочненного слоя. После наплавки одного, двух и трех слоев аморфного бора на сталь 20 толщина покрытий составляет примерно 550, 750 и 900 мкм соответственно, при уровне микротвердости у поверхности 12000...14000 МПа и около основного металла 2000.2100 МПа.
С целью выявления особенностей разрушения борированных
слоев были проведены фрактографические исследования серии изломов, сформированных при динамическом нагружении образцов. Установлено, что насыщение стали бором путем наплавки трех слоев приводит к формированию сплошного слоя бори-дов, приводящего к резкому охрупчиванию материала. Изломы характеризуются наличием гладких поверхностей, свидетельствующих о низкой энергии разрушения материала (рис. 3, а). Внутренние напряжения, возникающие при охлаждении сплава, являются причиной образования сетки микротрещин даже в отсутствии внешней нагрузки. Анализ проведенных исследований свидетельствует о том,
<"/ 6 -Л \ 4 г 4 на
Рис. 3. Фрактограммы боридных покрытий, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой обработки
б
а
б
а
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
что оптимальной является двухслойная наплавка аморфного бора. На изломах образцов, полученных методом двухслойной наплавки аморфного бора, наблюдаются следы разрушения боридов в виде плоских столбчатых образований (рис. 3, б) и образований правильной квадратной или ромбической формы (рис. 3, в).
Вблизи поверхности покрытий встречаются участки хрупкого разрушения с равноосными фасетками. Присутствующие в поверхностном слое колонии эвтектики проявляются на изломах путем образования участков с характерным пластинчатым строением (рис. 3, г). Разрушение микрообъемов, занятых эвтектикой, сопровождается образованием изломов с более развитой по сравнению с боридами поверхностью. Это свидетельствует о повышенной энергоемкости процесса продвижения трещин.
Выводы
1. Электронно-лучевое оплавление поверхностного слоя углеродистой стали с предварительно нанесенным порошковым аморфным бором является эффективным способом модифицирования поверхностного слоя стали на глубину до 1 мм.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
2. Наличие градиентной структуры поверхностного слоя стали после оплавления обеспечивает перспективность использования электронно-лучевого нагрева для повышения износостойкости изделий из углеродистых сталей при сохранении их живучести.
3. Электронно-лучевое наплавление поверхностных слоев, насыщенных бором, обеспечивающее возможность управлять толщиной и степенью насыщением бором поверхностного слоя углеродистых сталей, позволяет расширить возможности технологии упрочнения стальных изделий путем наплавки металлокерамических вольфрамокобальтовых твердых сплавов.
Список литературы
1. Буров В.Г. Структурообразование твердосплавных покрытий на стальной поверхности / В.Г. Буров,
A.А. Батаев, А.Г. Тюрин, С.В. Буров // Обработка металлов. - 2007. - № 1 (34). - С. 32-34.
2. Буров В.Г. Влияние режимов предварительной химико-термической обработки на свойства стали, упрочненной покрытием на основе порошковой смеси WC -Со /
B.Г. Буров, И.А. Батаев, С.В. Веселов, А.А. Батаев, А.Г. Тюрин, С.В. Буров // Ползуновский вестник. -2005. - № 2. - С. 4-9.
3. Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. -384 с.
Electron-beam application for wear-resistance steel surface layers formation
A.M. Teplyikh
The features of the structure and properties of surface layers on carbon steels, modified in the process of electron beam melting in the presence of amorphous boron powder. Without vacuum electron-beam heating of steel surface coated with a boron-on modes, leading to melting of the boundary layer allows high-speed technology to form a structure containing borides FeB type and Fe2B, as well as eutectic (a-Fe - Fe2B) to a depth of up to 900 Formed surface layers with hardness up to 16,000 MPa, can be used as barrier layers when surfacing of hard coatings, as well as self-reinforcing coating.
Key words: electron-beam heating, melting, carbon steel, boron amorphous, structure.
