CC BY
22
УДК 621.793.18
МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ МИКРОСТРУКТУРЫ И МАКРОСВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ С ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗДЕЛИЙ
METHODICAL COMPLEX FOR INVESTIGATION DEPENDENCIES BETWEEN MICRO STRUCTURE AND MACRO PROPERTIES OF MATERIALS AND OPERATING CHARACTERISTICS OF A PRODUCTS
П. В. Орлов1, Д. Н. Коротаев1, П. Б. Гринберг2, В. В. Федосов1
'Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия 2Омский научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей, г. Омск, Россия
P. V. Orlov1, D. N. Korotaev1, P. B. Grinberg2, V. V. Fedosov1
'Siberian State Automobile and Highway University, Omsk, Russia 2Omsk Scientific Research Institute of Process and Engine Manufacture, Omsk, Russia
Аннотация. В работе представлен методический комплекс исследований композиции «покрытие -основной металл», позволяющий изучить изменение структурных характеристик материала на микро-, мезо- и макроуровнях. Установлено влияние изменений структурного состояния на свойства покрытий и основного материала при обработке рабочих поверхностей чугунных деталей воздушно-плазменным напылением. Проведена экспериментальная оценка физико-механических свойств образцов с покрытиями и изучены особенности их структурообразования. Предложен оптимальный состав порошковой композиции, содержащий самофлюсующиеся твердые сплавы и износостойкие наполнители, который обеспечивает повышенные эксплуатационные свойства в условиях гидроабразивного изнашивания. Установлено, что плазменное напыление покрытия состава 65%ПР-НХ17СР4 + 35%КХНп-30 с последующей термообработкой и оплавлением покрытия приводит к увеличению износостойкости в 1.5-2 раза.
Ключевые слова: методы исследования структуры, физико-механические свойства, износостойкие покрытия, плазменное напыление, термообработка.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-208-214
I. Введение
Одним из приоритетных направлений материаловедения и инженерии поверхностей является установление взаимосвязей и взаимозависимостей между изменением структуры поверхностных и приповерхностных слоев материала и его эксплуатационными свойствами при нанесении различных функциональных покрытий.
Эффективное развитие указанного направления возможно только с использованием комплексных методов исследований, получением синергетического эффекта и последующим применением интегральных результатов в прикладных задачах высокотехнологичных производств, например, в процессе добычи и переработки минерального сырья с использованием гидротранспорта.
Вопросам обеспечения надежности гидравлического оборудования в последнее время уделяется значительное внимание в связи с необходимостью повышения производительности и ресурса отечественных насосов, применяемых в горно-обогатительной промышленности. Основным фактором, влияющим на ресурс грунтовых насосов, является гидроабразивное изнашивание деталей, вследствие которого на горно-обогатительных комбинатах наиболее часто требуют замены рабочие колеса, бронедиски и корпуса (улиты) оборудования [1, 2].
На практике замена ответственных деталей, отработавших рекомендуемый срок службы, вследствие дефицитности запасных частей для грунтовых насосов и довольно высокой трудоемкости их замены, обычно не выполняется. В этой связи многие насосы 50% и более своего рабочего времени эксплуатируются с пониженной эффективностью, что наносит ущерб экономике предприятия.
Известны исследования авторов [3-5], которые предлагали различные варианты увеличения ресурса работы грунтовых насосов, эксплуатируемых в условиях гидроабразивного изнашивания, за счет нанесения абразивных смесей на улиту и рабочее колесо, различных видов напыления и наплавки. Однако при этом повышается шероховатость поверхностей, неравномерность последующего износа, снижается КПД и происходит дисбаланс рабочего колеса насоса. В то же время исследования формирования износостойких покрытий на основе модификации композиционными материалами с целью повышения износостойкости чугунных деталей являются малоизученными.
В связи с вышесказанным, разработка эффективных способов и средств уменьшающих величину гидроабразивного износа и максимально увеличивающих ударно- и износостойкость, является особенно важной и актуальной проблемой отрасли, т.к. они могут существенно повысить долговечность и надежность техники. Актуальность указанной проблемы обусловливает проведение комплексных исследований по материалам износостойких и ударопрочных покрытий, формируемых на быстроизнашиваемых деталях насосов.
II. Постановка задачи
Современная классификация иерархии структур материалов разделяет их на следующие группы:
- макроуровень, т.е. размеры зерен, ориентация зерен, различные крупные включения, вид излома;
- мезоуровень, включающий структуру внутри зерен, дислокации и их ансамбли, дисклинации, полигоны;
- микроуровень (иначе рентгеноструктура), т.е. точечные дефекты, тип кристаллической решетки, микроискажения и др.
В связи с этим, для всестороннего изучения влияния структурных характеристик на свойства изделий с покрытиями, необходимо применять обоснованный комплекс исследований и аппаратуры. Предлагаемые в работе методы рассмотрены применительно к деталям из хромоникелевого износостойкого чугуна марки ИЧХ28Н2, который в настоящее время используется для изготовления быстроизнашивающихся деталей насосов марки ГрАТ85/40.
В условиях гидроабразивного изнашивания износостойкость поверхностей будет тем выше, чем больше карбидов содержится в сплаве. Для повышения износостойкости белых чугунов, кроме наличия карбидов, необходимо обеспечить высокую прочность металлической основы [6, 7]. Известно, что интенсивность изнашивания поверхностей максимальная в образцах с перлитной матрицей и минимальная в образцах, которые прошли термообработку на бейнит [8, 9]. Данные результаты позволили сделать предположения о возможном улучшении характеристик чугуна ИЧХ28Н2 за счет применения технологий термообработки после воздушно -плазменного напыления.
Цель работы - представление и реализация комплекса методов исследований, включающих анализ изменений структуры и свойств на микро-, мезо- и макро- уровнях, апробированного на материалах изделий, востребованных производством. Предметом исследования являлись процессы формирования покрытий и измененного поверхностного слоя на образцах из ИЧХ28Н2, состав, структура и свойства покрытий, физико-механические свойства ИЧХ28Н2 до упрочнения и после упрочнения, а также сравнение эффективности свойств измененного поверхностного слоя после обработки чугунных образцов плазменным напылением с последующим оплавлением покрытия в процессе термообработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить комплексные исследования покрытий и приповерхностных слоев на различных иерархических структурных уровнях, сформированных плазменным напылением с последующей термообработкой;
- обосновать оптимальный состав порошковой композиции для воздушно-плазменного нанесения износостойких покрытий, которые в последующем могут быть оплавлены;
- проверить работоспособность покрытий в условиях ударного и гидроабразивного изнашивания разработанных композиционных покрытий на основе самофлюсующихся твердых сплавов.
III. Методы и материалы
Для исследований в качестве обрабатываемых материалов использованы образцы деталей, выполненные из хромоникелевого износостойкого чугуна марки ИЧХ28Н2, вырезанные из «тарелки» изношенного бронедиска насоса ГрАТ85/40. Разработка оптимального состава и процесса нанесения композиционных износостойких покрытий проводилась на следующих порошковых смесях:
- 65% ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30;
- 50% ПР-НХ7СР3+50%КХНп-30;
- 75% ПР -НХ17СР4+25 %ФБХ6 -2;
- 50% ПР-НХ7СР3+50% ФБХ6-2.
Указанные соотношения между самофлюсующимися твердыми сплавами (СТС) и износостойкими наполнителями обеспечивают качественные самофлюсующиеся свойства композиций.
Выбранные для исследований порошковые композиции напылялись на образцы основного материала, используя модернизированную установку «Киев-7» с режимами, приведенными в табл. 1.
Формирование покрытий при плазменном напылении осуществляется за счет обработки поверхности ионами в процессе конденсации, осаждения высокоэнергетических ионов, а также атомов и молекул с участием плазмохимических процессов [5, 10].
ТАБЛИЦА 1
РЕЖИМЫ НАПЫЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ НА УСТАНОВКЕ «КИЕВ-7»
№ п/п Наименование Значение
1 Ток плазменной дуги, А 200...220
2 Напряжение, В 200...210
3 Расход плазмообразующего газа, м3/час
Воздух 4.4.2
Пропан-бутан 0.2.0.3
4 Расход порошка, кг/час 3.5.4
5 Дистанция напыления, мм 180.200
В связи с принятым решением совместить процесс оплавления покрытий, получаемых путем воздушно -плазменного напыления самофлюсующихся смесей, с режимом стандартной термообработки чугуна ИЧХ28Н2 (табл. 2), в качестве износостойкого наполнителя был выбран порошок карбида хрома, плакированный никелем. Выбор обусловлен тем, что карбид вольфрама, окисляющийся на воздухе при нагреве до 5400С, выгорает при отпуске по режиму: Т = 540-5600С, t = 3 часа, тогда как карбид хрома стоек при температурах до 8700С, а плакирующая оболочка № предохраняет его от окисления и при воздушно-плазменном напылении.
ТАБЛИЦА2
РЕЖИМЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЧУГУНА ИЧХ28Н2
Вид термической обработки Температура нагрева, 0С Скорость нагрева, 0С/ч Время выдержки, ч Охлаждающая среда Твердость, HRC
Нормализация (закалка) 1060-1100 50-100 1-2 Воздух 52-54
Отпуск после нормализации 540-560 50-100 3-4 Воздух 58-60
Реализация комплекса исследований осуществлялась с помощью следующих методов и методик.
После шлифования образцов с покрытиями и изготовления поперечных микрошлифов определялись макро-и микротвердость на приборе Роквелла и микротвердомере ПМТ-1М соответственно, а также проводились металлографические исследования структуры покрытий и основного металла (ИЧХ28Н2) на оптическом микроскопе ЛабоМет-3.
Съемка дифрактограмм была выполнена на рентгеновском дифрактометре D8 Advance в Cu-ka излучении со следующими режимами: шаг сканирования - 0,050С, время накопления сигнала 2 сек/точке, напряжение и ток накала 40 kV и 40 mA, соответственно. Регистрация дифрагированного излучения осуществлялась позиционно-чувствительным детектором Lynxeye (Bruker). Расшифровка полученных дифрактограмм проводилась с использованием базы данных по порошковой дифракции ICDD PDF-2 2006 года. Уточнение параметров решетки выполнялось в программе TOPAS 3.0 (Bruker).
Метод испытаний на износостойкость при ударно абразивном изнашивании и незакрепленных абразивных частицах соответствует ГОСТ 23.207-79, который наиболее близко подходит к условиям поставленных задач. Испытания проводились в течение 21 часа (3 рабочие смены) в условиях приближенных к эксплуатационным. Абразивом служил гранитный щебень грануляцией до 10мм и твердостью 7 - 8 единиц по Моосу. Для ускоренных испытаний, концентрация его в воде составляла 40-50% (объемных). Взвешивание образцов до и после испытаний (AG) производилось на электронных весах МК-15.2-А21 с точностью до второго знака, а измерение глубины износа (Ah) - специальным микрометром.
IV. Результаты и обсуждения
Структуры поверхностей чугунных образцов после травления ниталем приведены на рис. 1-4. Установлено, что макротвердость основного материала (чугун ИЧХ28Н2) после проведения термообработки увеличивается на 5-8 HRC по сравнению с литым состоянием за счет диффузионного упрочнения остаточного аустенита металлической основы при бейнитно-трооститном превращении, которое происходит при отпуске. Это видно при сравнении микроструктур, представленных на рис. 1 и 2, а также подтверждается результатами рентгенострук-
турных исследований, выявивших заметное уменьшение процентного содержания гамма-фазы и увеличение искаженной (с увеличенными параметрами решетки) альфа-фазы железа (см. рис. 5). Кроме этого, присутствует значительное количество карбидов состава (Сг,Ре)7С3 и отдельные карбиды хрома состава Сг7С3 (см. рис. 6).
Рис. 1. Микроструктура чугуна ИЧХ28Н2 в состоянии поставки, х200
Рис. 2. Микроструктура чугуна ИЧХ28Н2 после закалки и отжига, х200
Рис. 3. Микроструктура покрытия 65% Рис. 4. Микроструктура покрытия 65%
ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30 после оплавления, х200 ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30 после оплавления
(показан участок с КХНп-30), х200
Твердость композиционных покрытий, содержащих КХНп-30, несколько меньше твердости исходных СТС, так как при печном оплавлении происходит коагуляция (укрупнение) карбоборидов за счет диффузионного выхода из матричного твердого раствора и эвтектики хрома и бора. В результате этого падает твердость металлической основы, хотя микротвердость карбоборидной фазы сохраняется на высоком уровне (HV 1300-1400), а отдельных карбидов хрома Cr2C3 достигает HV2000 (рис. 3, 4). Композиции с ФБХ6-2 не содержат столь твердых фаз, но твердость их матричного раствора, снижаясь при отпуске, остается достаточно высокой (HV 900-1000).
При структурно-фазовом анализе основного материала и покрытий на первом этапе был исследован фазовый состав исходного чугуна. Установлено, что в литом состоянии структура исследуемого чугуна преимущественно состоит из карбида примерного состава (CrFe)7C3. Кроме того, присутствует фаза феррита (a-Fe, ОЦК решетка), остаточный аустенит (y-Fe, ГЦК решетка) и фаза карбида хрома состава Cr7C3.
Далее было исследовано изменение структуры исходного чугуна после термической обработки. При детальном исследовании рентгенограмм в области пиков 111 y-Fe (аустенита) и 110 a-Fe (рис. 5) было отмечено, что происходит увеличение интегральной интенсивности пика 110 для образцов 3 и 4 по сравнению с исходным образцом 1. По всей видимости, это связано с увеличением содержания фазы феррита в образцах после термической обработки.
35
40
45
50
20,
Рис. 5. Детальное исследование рентгенограмм образцов чугуна: 1 - исходный, 2 - исходный с нанесенным с обратной стороны покрытием (состав 65%ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30); 3 - образец 2 после термообработки; 4 - исходный образец с нанесенным с обратной стороны покрытием и после термообработки (состав 50%ПР-НХ17СР4+50%КХНп-30)
По данным дифракции был определен параметр решетки феррита (табл. 3).
ТАБЛИЦА 3 ПАРАМЕТР РЕШЕТКИ A-FE (ПР.ГР. 229, IM3M)
О
№ а, Á
Лит. данные 2.867
1 2.872 ± 0.001
2 2.872 ± 0.001
3 2.874 ± 0.001
4 2.875 ± 0.001
Ni
л н о о X (Я К о X <D
К
7 3 + - C'3C,
+ * * + +J** Ni +JL Ni н - -А—2*„ Ni Ni 2
■JL. л 3
-.......V
20 30
40
50
60 70 20, О
80
90 100 110 120
Рис. 6. Детальное исследование рентгенограмм образцов чугуна с покрытием: 2 - плазменное напыление (состав 65%ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30); 3 - образец 2 после термообработки; 4 - плазменное напыление с последующей термообработкой (состав 50%ПР-НХ17СР4+50%КХНп-30)
После температурной обработки наблюдается небольшое увеличение параметра решетки феррита, что может быть связано с незначительным изменением состава за счет входа в структуру образующегося феррита атомов углерода при бейнитно-трооститном превращении остаточного аустенита (у-Ре).
При исследовании фазового состава образцов 2, 3 и 4 с покрытием (рис. 6) установлено присутствие фаз: №, Сг7С3 и Сг3С2. Для образца 4 наблюдается небольшое увеличение интенсивностей пиков карбида Сг3С2 (29:45^47°), что может быть связано с увеличением его количества в исходном нанесенном покрытии.
По данным рентгеновской дифракции был рассчитан параметр решетки основной фазы покрытия - № (табл. 4). Установлено, что происходит увеличение параметра решетки № после термообработки образца 4 с покрытием 50%ПР-НХ17СР4+50%КХНп-30. При составе покрытия 65%ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30 такого изменения не наблюдается.
ТАБЛИЦА4 ПАРАМЕТР РЕШЕТКИ N1 (ПР.ГР. 225, FM3M)
№ а, А
Лит. данные 3.535
1 -
2 3.538 ± 0.001
3 3.548 ± 0.001
4 3.538 ± 0.001
Трибологические испытания выполнены на шести видах образцов основного материала и покрытий, нумерация и состав которых приведены в табл. 5. Также в таблице представлены величины твердости, весового Дв и линейного ДИ износов образцов, коэффициентов весовой (К!) и линейной (К2) износостойкости, определявшихся как отношение величины износа эталонного образца (основной материал в состоянии поставки) к величине износа испытываемого:
К!= Двэт / Двисп ; К2= ДИэт/ ДИисп.
ТАБЛИЦА 5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ОСНОВНОГО МАТЕРИАЛА И ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ В УСЛОВИЯХ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ
№ Материал Толщина покрытия, мм АО К1 АИ К2 Твердость няс
1 ИЧХ28Н2, литье - 6.1 1.00 2.2 1.00 48 - 52
2 ИЧХ28Н2, термообработка - 4.5 1.35 1.6 1.35 56 - 60
3 65%ПР-НХ17СР4+3 5%КХНп-30 1.5 3.6 1.70 1.1 2.00 54 - 56
4 7 5 %ПР -НХ17 СР4+2 5 %ФБХ6 -2 1.5 4.3 1.40 1.3 1.70 51 - 53
5 50%ПР-НХ7СР3+50%КХНп-30 1.5 5.0 1.20 1.65 1.34 47 - 49
6 50%ПР-НХ7СР3+50%ФБХ6-2 1.5 5.7 1.08 1.7 1.30 42 - 54
Результаты испытаний показали, что наивысшей износостойкостью обладает покрытие состава 65% ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30, на втором месте покрытие состава 75% ПР-НХ17СР4+25%ФБХ6-2, а на третьем -основной материал ИЧХ28Н2 после термообработки. Покрытия образцов №№ 5, 6, имеющие в своем составе более пластичную связку из самофлюсующегося сплава ПР-НХ7СР3, показали наименьшую износостойкость.
Таким образом, покрытие состава 65%ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30 совместно с упрочненным чугуном ИЧХ28Н2 при допускаемом максимальном износе может увеличить срок службы расходных деталей в 1,5 и более раз.
V. Заключение
Полученные результаты позволяют говорить об эффективности предложенного комплекса методов исследований структуры и свойств материалов и возможности получения с его помощью не только новых знаний о строении и свойствах материала, но и новых технологических решений материаловедческих задач при производстве изделий.
Разработана технология нанесения износостойких покрытий и проведены сравнительные исследования физико-механических свойств образцов основного материала и износостойких покрытий. Внедрение разработанной технологии позволяет ориентировочно в 1.5-2 раза увеличить срок эксплуатации расходных деталей.
Обоснованы оптимальные по своим характеристикам износостойкие покрытия, которые по увеличению износостойкости располагаются в следующей последовательности: основной материал ИЧХ28Н2 после термообработки, покрытие состава 75% ПР-НХ17СР4+25%ФБХ6-2, покрытие состава 65% ПР-НХ17СР4+35%КХНп-30.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ проекта № 11.11760.2018/11.12 «Повышение эксплуатационных свойств гетерофазных материалов на основе применения наноструктурированных топокомпозитов».
Научный руководитель Коротаев Д.Н.
Список литературы
1. Пенкин Н. С., Капралов Е. П., Маляров П. В. [и др.]. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования / Под ред. Н.С. Пенкина. М.: Недра, 1992. 264 с.
2. Поветкин В. В., Татыбаев М. К., Альпеисов А. Т. [и др.]. Основные показатели работы грунтовых насосов и износ рабочих деталей насоса // Актуальные вопросы технических наук в современных условиях: сборник науч. тр. по итогам междунар. науч.-практич. конф. 2015. С. 113-119.
3. Лебедев В. А., Мозок В. М. Повышение ресурса быстроизнашиваемых деталей за счет гетерогенной наплавки (обзор разработанных и реализованных технологических решений) // Тяжелое машиностроение. 2013. № 1. С. 10-14.
4. Брусова О. М. К вопросу повышения срока службы грунтовых насосов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2014. Т. 13, № 10. С. 98-106.
5. Fauchais P., Vardell A. Innovative and emerging processes in plasma spraying: from micro-to nano-structured coatings // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. Vol. 44. Р. 194011.
6. Петроченко Е. В., Молочкова О. С., Алехина О. Н. Влияние бора на структурно -фазовое состояние сложнолегированных белых чугунов // Теория и технология металлургического производства. 2017. № 4(23). С. 37-40.
7. Kolokoltsev V. M., Petrochenko E. V., Molochkova O. S. Influence of complex V, Cu, Ti and B alloying on structural and phase state, mechanical properties and wear resistance of white cast iron // Cis iron and steel revive. 2016. Vol. 11. P. 23-29.
8. Emelyushin A. N., Petrochenko E. V., Nefed'ev S. P. Investigation of the structure and impact-abrasive wear resistance of coatings of the Fe-C-Cr-Mn-Si system, additionally alloyed with nitrogen // Welding international. 2013. Vol. 2. P. 150-153.
9. Ри Хосен, Ри Э. Х., Тейх В. А. [и др.]. Влияние легирующих элементов на кристаллизацию, структурооб-разование и физико-механические свойства белого чугуна // Литейное производство. 2000. № 10. С. 15-17.
10. Zverev E. A., Skeeba V. Yu., Skeeba P. Yu., Khlebova I. V. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2017. Vol. 87. P. 082061.
