CC BY
67
Машиностроение
УДК 621.7
П.А. Никифоров, Е.А. Гридасова, Н.С. Рындин
НИКИФОРОВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, научный сотрудник Центра изысканий МЦТОМС Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: nikiforovpa@gmail.com ГРИДАСОВА ЕКАТЕРИНА АЛЕКСАНДРОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: olvin@list.ru
РЫНДИН НИКИТА СЕРГЕЕВИЧ - инженер кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: ryndin.ns@gmail.com
Микроструктуры баббитовых покрытий, полученных методом лазерной порошковой наплавки
Статья посвящена исследованию возможностей изменения технологических параметров и получаемой структуры баббитовых покрытий в широких пределах в рамках метода восстановления лазерной наплавки для обработки изношенных деталей и упрочнения поверхности новых деталей. Работа проведена на базе Дальневосточного федерального университета и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН в рамках исследований по оптимизации технологических режимов лазерной порошковой наплавки (ЛПН) для различных применений, одно из которых -нанесение баббитовых покрытий методом ЛПН для восстановления изношенных подшипников скольжения.
Отражены результаты исследования нескольких образцов, полученных методом лазерной порошковой наплавки. Приведены основные характеристики режимов и микроструктурный анализ зон термического влияния.
Ключевые слова: лазерная наплавка, микроструктура, параметры наплавки, наплавленный слой.
В настоящее время одной из перспективных технологий является нанесение на конструкционные материалы покрытий наплавкой с помощью лазера [2, 3, 5]. Актуальность развития данного направления очевидна: это возможность, с одной стороны, восстанавливать ранее эксплуатировавшиеся детали, что существенно уменьшает расходы на приобретение запасных частей, с другой - создавать поверхностный слой с особыми свойствами для применения в тех или иных условиях. Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным, основное - мини-мализация зон термического влияния, соответственно - незначительные остаточные деформации.
В свою очередь на формирование наплавленного слоя при ЛПН оказывает влияние ряд технологических параметров: мощность лазерного излучения, скорость движения луча, давление газа
© Никифоров П.А., Гридасова Е.А., Рындин Н.С., 2015
и т.д. Каждый из них в той или иной степени влияет как на формирование самой структуры, так и на образование микродефектов внутри слоя.
Цель настоящей работы - установление влияния основных параметров лазерной порошковой наплавки баббитовых покрытий при восстановлении изношенных подшипников скольжения на формирование структуры наплавленного слоя и переходной зоны. Для сравнительного анализа полученных результатов использовался руководящий документ РД 31.28.09-93 «Подшипники скольжения судовые с антифрикционным слоем из сплавов на основе олова, свинца. Технические требования к материалам. Типовые технологические процессы».
Исходные материалы, режимы изготовления образцов и пробоподготовки
В рамках данной работы были изготовлены и представлены для металлографического исследования три образца. Образцы имеют в качестве основы полосу толщиной 5 мм из горячекатаной стали СтЗсп, на которую методом лазерной порошковой наплавки наносился баббит Б83. Стальную полосу брали в состоянии поставки, без предварительного лужения или иной обработки. Для наплавки использовался волоконный лазер с рабочей длиной волны 1064 нм. Целью данных экспериментов было установление возможности нанесения баббита на стальную основу с минимальной подготовкой, а также исследование структуры границы раздела «сталь-баббит» в полученных образцах.
В образцах № 1 и № 2 толщина наплавки составляет 1-2 мм. Образец № 3 представляет собой массив толщиной 18 мм, также наплавленный на стальную основу за 9 проходов. Режимы изготовления образцов приведены в таблице.
Образцы для металлографического исследования вырезались в направлении, перпендикулярном направлению наплавки, последовательно шлифовались на абразивной бумаге зернистостью от Р180 до Р1200, затем полировались на алмазных суспензиях с размером частиц от 9 до 1 мкм. Шлифование и полирование выполнялись на автоматическом шлифовально-полировальном станке МЕСАТЕСН 234 (РКЕ81, Франция) с использованием режимов и расходных материалов, рекомендованных производителем.
После полирования образцы промывались водой, обезжиривались 50-процентным этиловым спиртом и протравливались 2-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте, согласно [1].
Технологические параметры, использованные при получении образцов
Параметр Образец № 1 Образец № 2 Образец № 3
Мощность лазерного излучения, Вт 250 250 300 (первый слой), 200 (остальные слои)
Скорость движения луча, мм/с 10 10 15 (первый слой), 12 (остальные слои)
Подача порошка, г/мин 10-11 9-10 -
Давление газа, МПа:
- защитного 0,25 0,25 0,3
- транспортного - обжимающего - - 0,2 0,3
Расход газа для порошкового питателя, л/мин 2-3 2-3 4
Шаг между центрами наплавляемых дорожек, мм 0,9 0,9 0,7
Исследование протравленных образцов проводилось на инвертированном микроскопе Eclipse MA200 (Nikon, Япония) на увеличениях 50 —1000х.
Результаты и их обсуждение
Образец № 1. На рис. 1 приведена структура образца № 1 при увеличении 50х.
Рис. 1. Микроструктура образца № 1 при увеличении 50х
Как иллюстрирует рис. 1, наплавленный слой на образце № 1 имеет равномерную структуру и хорошую адгезию к основе. Просмотр на больших увеличениях (рис. 2) подтверждает этот вывод.
Рис. 2. Микроструктура образца № 1 при увеличении 500х
На рис. 2 видно, что наплавленный слой имеет единичные дефекты (поры) в объеме и не имеет дефектов на границе со стальной основой. Распределение кристаллов SnSb и ^^п равномерное. Характерный размер кристаллов SnSb составляет около 10 мкм, в то время как (согласно РД 31.28.09-93 [4]) хорошей считается структура с размером кристаллов менее 80 мкм. Таким образом, структура образца № 1 может быть классифицирована как хорошая, а использованный технологический режим - как оптимальный или близкий к оптимальному.
Образец № 2. На рис. 3 приведена микроструктура образца № 2 при увеличении 50х. Как свидетельствует приведенный снимок, в данном случае структура наплавки вблизи подложки резко отличается от структуры образца № 1. Интересно отметить, что столь сильное различие в структуре обусловлено изменением всего лишь одного технологического параметра - уменьшением скорости подачи порошка на 10% (см. таблицу). Структура того же фрагмента при увеличении 200х показана на рис. 4.
Наиболее вероятен следующий механизм образования подобной структуры: вследствие недостаточной подачи порошка баббита избыток лазерного излучения приводит к локальному плавлению стальной подложки, при этом получается система из двух жидкостей с близкой плотностью - расплавленного баббита и расплавленной стали (диаграмма состояния системы Бе-Бп характеризуется широкой областью несмешиваемости в жидком состоянии). Одновременное воздействие сжатого газа приводит к перемешиванию жидкостей и ускоренному их охлаждению. В результате в слое баббита оказываются выбросы стали, имеющие произвольную форму. В процессе охлаждения сталь взаимодействует с баббитом, наиболее вероятным продуктом этого взаимодействия является интерметаллид БеБп. Косвенно образование интерметаллида подтверждается тем, что выбросы травятся гораздо медленнее баббита и стальной основы. РД 31.28.09-93 [4] не допускает наличия в структуре баббита фазы БеБп, т.е. полученная на данном образце структура является неудовлетворительной.
Рис. 3. Микроструктура образца № 2 Рис. 4. Микроструктура образца № 2
при увеличении 50х при увеличении 200х
Таким образом, уменьшение скорости подачи порошка баббита относительно оптимальной приводит к проплавлению стальной основы на значительную глубину (около 0,3 мм, см. рис. 3) и получению неудовлетворительной структуры.
Образец № 3. Структура массивного образца баббита, полученного методом лазерной порошковой наплавки, может быть описана тремя фотографиями, приведенными на рисунках 5-7.
Рис. 5. Микроструктура образца № 3 на стыке баббита и стали, увеличение 50х
Как показано на рис. 5, стык баббита со сталью в массивном образце характеризуется наличием значительного числа дефектов. Прежде всего это газовые пузыри, наличие которых может быть вызвано избыточным давлением газа либо закипанием баббита из-за избыточного локального нагрева.
Кроме того, как и в образце № 2, наблюдается локальное проплавление стальной основы в местах прохождения луча. Полученные при проплавлении основы «валики» травятся значительно медленнее, чем сталь или баббит. Это говорит о присутствии в них интерметаллида FeSn и, соответственно, о вероятном охрупчивании данной зоны. Еще одним дефектом, наблюдаемым на стыке стали и баббита в данном образце, являются трещины в местах проплавления основы. Появление трещин может быть обусловлено усадкой при неравномерном затвердевании расплава. Таким образом, комплекс наблюдаемых дефектов и характер переходной зоны в целом позволяет предположить наличие следующих технологических проблем: избыточная мощность лазерного излучения (либо недостаточная подача порошка баббита), слишком резкая фокусировка луча и избыточное давление газа.
На рис. 6 показана зона между слоями баббита. Между нанесением этих слоев был сделан перерыв на ночь. Образец остыл, и часть порошка при нанесении следующего слоя не успела расплавиться. В результате данная часть образца имеет значительную пористость. Следует отметить, что подобный дефект между слоями баббита наблюдается только в данном месте, т.е. при непрерывном нанесении одного слоя на другой основа не успевает остыть, порошок расплавляется полностью, и структура получается в целом плотной и равномерной.
Рис. 6. Микроструктура образца № 3 на стыке слоев, Рис. 7. Микроструктура внешнего слоя образца № 3, нанесенных с перерывом, увеличение 200х увеличение 200х
На рис. 7 приведена структура внешнего слоя наплавки. Наблюдаются отдельные поры, вероятно, связанные с усадкой при затвердевании. Кроме того, на данной фотографии можно заметить границы между отдельными наплавленными дорожками баббита. Эти границы особенно хорошо различимы при малых увеличениях (50х, 100х) и почти незаметны при больших увеличениях. Структура границ дорожек плотная, без пор или трещин. Единственное ее отличие от структуры основной массы баббита - наличие более крупных кристаллов SnSb. Возможно, это обусловлено различными условиями охлаждения: уже наплавленный баббит остается достаточно горячим, вблизи него расплав охлаждается медленнее, и кристаллы интерметаллида получаются крупнее, в то время как наружный слой охлаждается быстрее за счет подачи газа. В целом приведенная на рис. 7 структура по размеру частиц фазы SnSb соответствует хорошей (согласно РД 31.28.09-93 [4]). В то же время распределение этих частиц по площади шлифа не вполне равномерно, поэтому практически такая структура является в лучшем случае удовлетворительной.
Заключение
На основании приведенных выше структур образцов можно сделать следующие выводы:
1. Образец № 1 демонстрирует в целом хорошую структуру как по объему баббита, так и на границе со стальной основой. Это позволяет говорить, что технологические параметры, при которых был получен данный образец, близки к оптимальным и могут служить основой при доработке технологии до промышленно пригодного состояния.
2. Дефекты, наблюдаемые в образцах № 2 и № 3, вероятнее всего, обусловлены слишком высоким отношением мощности излучения к скорости подачи порошка, слишком резкой фокусировкой луча и слишком высоким давлением газа.
3. Метод лазерной наплавки позволяет при необходимости получать многослойные покрытия большой суммарной толщины, однако наплавка при этом должна осуществляться непрерывно, во избежание остывания предыдущего слоя.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по постановлению П218, договор № 02.G25.31.0116 от 14 августа 2014 года между Открытым акционерным обществом «Центр судоремонта «Дальзавод» и Министерством образования и науки Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления. М.: Металлургия, 1988. 400 с.
2. Лебедев М.П., Ноев И.И., Петров П.П., Габышев М.Е., Степанова К.В., Борисов А.А. Лазерная обработка зоны термического влияния после электродуговой сварки конструкционных сталей // Вестник СГТУ. 2013. № 2 (71), вып. 2. С. 172-177.
3. Морозов Е.А., Долговечный А.В., Ханов А.М. Лазерная наплавка на лопатки газотурбинных двигателей // Известия Самарского науч. центра РАН. 2013. Т. 14, № 1(2). С. 665-668.
4. РД 31.28.09-93 Подшипники скольжения судовые с антифрикционным слоем из сплавов на основе олова, свинца. Технические требования к материалам. Типовые технологические процессы. СПб.: ЦНИИМФ, 1993. 85 с.
5. Смирнов Н.А., Мисюров А.И. Особенности образования структуры при лазерной обработке // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2012. С. 115-129.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Mechanical Engineering
Nikiforov P., Gridasova E., Ryndin N.
PAVEL A. NIKIFOROV, Ph.D., Research Associate, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok. 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950, e-mail: nikiforovpa@gmail.com
EKATERINA A. GRIDASOVA, PhD, Associate Professor, Department of Welding Engineering, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok. 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950, e-mail: olvin@list.ru
NIKITA S. RYNDIN, Engineer, Department of Welding Engineering, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok. 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950, e-mail: ryndin.ns@gmail.com
The microstructures of babbitt coatings produced by laser powder cladding
The paper deals with the possibilities to modify the process-dependent parameters and the structure of obtained babbitt coatings within the limits of the method of the renovation of laser surface coating to process worn-out parts and harden the surface of new ones. The work was performed by the Far Eastern State University and the Institute of Automation and Control Processes FEB RAS within the framework of researches in the optimisation of operating practices of laser powder cladding for various purposes, one of which being babbitt coating by the method of the renovation of laser surface coating to recondition worn-out plain bearings. The paper presents the results of the investigation of several samples obtained by laser powder cladding. Presented are also the principle characteristics of the regimes and the microstructural analysis of the heat-affected zones.
Key words: laser cladding, microstructure, welding parameters, laser cladding layer.
REFERENCES
1. Beckert M., Klemm H. Metallographic etching methods: M., Metallurgy, 1988, 400 p. (in Russ.). [Bekkert M., Klemm H. Sposoby metallograficheskogo travlenija: M.: Metallurgija, 1988. 400 s.].
2. Lebedev M.P., Noev I.I., Petrov P.P., Gabyshev M.E., Stepanova K.V., Borisov A.A. Laser treatment of a heat-affected zone after arc welding of nonstructural steels. Herald SGTU. 2013;2(71):172-177. (in Russ.). [Lebedev M.P., Noev I.I., Petrov P.P., Gabyshev M.E., Stepanova K.V., Borisov A.A. Lazernaja obrabotka zony termicheskogo vlijanija posle jelektrodugovoj svarki konstrukcionnyh stalej // Vestnik SGTU. 2013. № 2 (71), vyp. 2. S. 172-177].
3. Morozov E.A., Dolgovechniy A.V., Khanov A.M. Laser build-up welding on gas turbine engines blades. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2013(14);1:665-668. (in Russ.). [Morozov E.A., Dolgovechnyj A.V., Hanov A.M. Lazernaja naplavka na lopatki gazoturbinnyh dvigatelej // Izvestija Samarskogo nauch. centra RAN. 2013. T. 14, № 1(2). S. 665-668].
4. RD 31.28.09-93. Plain bearings for ships with anti-friction layer of alloys based on tin, lead. Technical requirements for materials. Typical manufacturing processes. St. Petersburg, CNIIMF, 1993, 85 p. (in Russ.). [RD 31.28.09-93 Podshipniki skol'zhenija sudovye s antifrikcionnym sloem iz splavov na osnove olova, svinca. Tehnicheskie trebovanija k materialam. Tipovye tehnologicheskie processy. SPb.: CNIIMF, 1993. 85 s.].
5. Smirnov N.A., Misyurov A.I. Features of structure formation in the laser treatment. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering. 2012:115-129. (in Russ.). [Smirnov N.A., Misjurov A.I. Osobennosti obrazovanija struktury pri lazernoj obrabotke // Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2012. S. 115-129].
