CC BY
15МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl
УДК 621.793.74
ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ1
С.В. ВЕСЕЛОВ, канд. техн. наук, доцент,
Ю.С. ЧЁСОВ, канд. техн. наук, доцент,
Е.А. ЗВЕРЕВ, ассистент, П.В. ТРЕГУБЧАК, аспирант
В.В. БАЗАРКИНА, магистрант, В.С. ЛОЖКИН, магистрант
(НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 06 октября 2010 г.
Веселов С.В. - 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, E-mail: veselov_s@inbox.ru
Приведены результаты исследований химического и фазового состава, а также микроструктуры износостойкого порошкового покрытия из высокохромистого чугуна.
Ключевые слова: плазменное напыление, покрытие, микроструктура.
Results of researches of chemical composition and phase composition, and also microstructure of a wear-resistant powder coating from a high-chromium iron were received.
Key words: plasma spraying, coating, microstructure.
Ранее проведенные металлографические исследования износостойких покрытий из порошкового высокохромистого чугуна марки ПГ-С27 показали [1], что в используемом диапазоне режимов плазменного напыления образуются три характерных типа структур, которые заметно различаются по таким показателям качества, как пористость и размеры пор, несплошность границы между основным металлом и покрытием, степень деформации и количество не-расплавившихся частиц. Это позволило выявить наиболее рациональные режимы плазменного напыления, при которых формируется оптимальный вариант структуры покрытий, обладающей требуемым комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств [2]. Очевидно, что структура покрытий впрямую определяется энергетическим состоянием частиц порошка в момент соударения с поверхностью детали. В зависимости от режима напыления они обладают различными значениями температуры, скорости и длительности нахождения в полете. Поэтому характер структуры покрытия можно обосновать через такие энергетические параметры плазменной струи, как температура и скорость (с учетом дистанции напыления). Ориентировочные расчеты значений температуры струи на срезе сопла и сред-
ней скорости струи, выполненные по методикам соответственно [3 и 4], показали, что оптимальный вариант структуры покрытия формируется в диапазоне значений температур порядка 6000.. .7500 К и скорости струи - 630.750 м/с. При таком высоком уровне энергетического воздействия плазменной струи возникает потребность в более глубоком изучения структуры на микроуровне.
Целью настоящих исследований является проведение химического и рентгеноструктурного анализа как исходного порошка, так и напыленного покрытия, а также изучение особенностей микроструктуры покрытия.
При проведении экспериментов в качестве образцов с напыленным покрытием использовались пластины размером 100 х 100 мм и тонкостенные цилиндрические втулки с наружным диаметром 25 мм и длиной 12 мм, изготовленные из стали 20. Химический состав напыляемого порошка и покрытия был проанализирован с применением рентгенофлуоресцентного спектрометра ARL Optim'X и растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EVO50 XVP, оснащенного микроанализатором химических элементов EDS X-Act (Oxford Instruments). Оценка фазового состава покрытия была произведена путем расшифровки дифракционных картин, снятых с поверхности покрытия. Диф-
1 Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 -2013 годы.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Порошковый материал Химический состав, %
C Cr Ni Si Fe Mo W Mn O
По ГОСТ 21448 3,3...4,5 25.28 1,2 1.2 Основа 0,08.0,15 0,2.0,4 0,8.1,5 -
Исходный порошок 4 22 5,5 1,2 Основа 0,1 0,4 1,2 6,1
Напыленное покрытие 3,8 21,4 3,6 1,7 Основа 0,1 0,35 1,45 5,5
ракционные картины были зарегистрированы на 0-0 дифрактометре с использованием медной трубки в качестве источника рентгеновского излучения. Картины регистрировали в фиксированном интервале времени (от 5 до 10 с) с шагом съемки по углу 20, равном 0,05°. Металлографические исследования образцов с покрытиями проводили на оптическом микроскопе Carl Zeiss AxioObserver Alm в диапазоне от 100 до 1000-кратного увеличения.
Наиболее важной характеристикой влияния режима плазменного напыления, оказывающего существенное воздействие на качество сформированного покрытия, является химический состав поверхностного слоя композиции. В процессе плазменной обработки возможно проявление таких эффектов, как частичное обезуглероживание и окисление металлов, присутствующих в составе порошка, поскольку изменение химического состава приводит к снижению эксплуатационных свойств покрытий. В связи с этим при выборе наиболее рациональных режимов плазменного напыления одним из основных приоритетов является сохранение химического состава напыляемого материала.
Результаты анализа химического состава порошкового материала (по ГОСТ 21448 и исходного) и собственно покрытия приведены в таблице.
Установлено, что химический состав используемого порошка в целом соответствует стандарту. Незначительное отклонение его состава заключается в
наличии небольшого количества кислорода. Появление кислорода в напыляемом материале повышает вероятность протекания процесса окисления металлов напыляемого порошка при плазменной обработке. Поскольку при напылении поверхность образцов интенсивно окисляется, перед проведением химического анализа материала покрытия образцы подвергали шлифованию. Анализ химического состава покрытия производился локально, чем объясняется колебание содержания элементов относительно исходных значений. Согласно представленным данным после напыления покрытия существенных изменений в его химическом составе не происходит, что подтверждает правильность выбора режима обработки.
Значительные термические нагрузки могут вызвать протекание фазовых превращений в материале покрытия, и это необходимо исключить при выборе режимов напыления. Согласно данным рентгенофа-зового анализа порошкового материала и напыленного покрытия в последнем не наблюдается существенного изменения фазового состава. Дифракционные картины исходного порошка и покрытия после напыления приведены соответственно на рис. 1 и 2.
Результаты исследований показали, что основными фазами в порошковом материале до напыления (рис. 1) являются а-железо, у-железо и карбиды М7С3, где в качестве металла преимущественно выступают атомы хрома. Кроме того, установлено, что в порошке в небольшом количестве присутствуют карбиды
Рис. 1. Дифракционная картина порошкового материала Рис. 2. Дифракционная картина напыленного покрытия
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
типа М23С6 (под металлом также подразумевается хром) и фаза никеля. Данный фазовый состав соответствует требованиям для порошка марки ПГ-С27. Анализ фазового состава покрытия позволил установить сохранение присутствующих в напыляемом порошке фаз и образование в небольшом количестве оксида железа Ре304 (рис. 2). Сохранение фазового состава материала после напыления, а также практически полное отсутствие оксидов железа в покрытии свидетельствует о высокой эффективности рекомендуемых режимов плазменного напыления.
Металлографические исследования позволили установить наличие ряда структурных особенностей, характерных для данного типа покрытий. На нетравленых поперечных микрошлифах было выявлено, что частицы напыляемой порошковой смеси претерпевают существенные изменения по геометрической форме [1]. Установлено, что в процессе напыления сферические частицы, достигая поверхности основного металла, заметно деформируются. В наиболее оптимальном варианте структуры покрытия наблюдается минимальная пористость и количество нерасплавившихся частиц.
Анализ структуры покрытий после травления позволил установить наличие в структуре покрытий области различной степени травимости (рис. 3).
Рис. 3. Структура покрытия с частицами различной степени травимости
Нами предполагается, что светлые частицы содержат в качестве основной фазы у-железо, а темные вытравленные - а-железо. Кроме того, по данным рентгенофазового анализа установлено, что присутствующие в структуре частиц светлые выделения соответствуют карбиду хрома Сг7С3 (рис. 4).
В заключение отметим, что на основании проведенных структурных исследований было подтверждено, что выявленные ранее наиболее рациональные режимы плазменного напыления обеспечивают формирование композиции, обладающей высоким уровнем эксплуатационных свойств [2]. С исполь-
Рис. 4. Наличие карбидов Сг7С3 в структуре покрытия
зованием метода рентгенофазового анализа установлено сохранение карбидной фазы материала покрытия, обеспечивающей высокий комплекс механических свойств. Присутствие в структуре значительной объемной доли аустенита, обладающего достаточным запасом пластичности, позволяет существенно снизить внутренние напряжения на границе раздела «покрытие - основной металл», возникающие в процессе формирования покрытия вследствие различия температурных коэффициентов термического расширения, что, в свою очередь, приводит к повышению прочности сцепления покрытия с основным металлом. Наличие данного типа структуры, а также образование в покрытии аустенита позволяет использовать данные композиции в условиях воздействия умеренных ударных (динамических) нагрузок.
Список литературы
1. Чёсов Ю.С., Зверев Е.А., Плохов А.В. Структура плазменных износостойких покрытий из порошкового материала марки ПГ-С27 // Обработка металлов. - 2010. -№ 1(46). - С. 14-18.
2. Чёсов Ю.С., Зверев Е.А., Плохов А.В. Эксплуатационные свойства плазменных покрытий из износостойкого порошкового материала марки ПГ-С27 // Обработка металлов. - 2010. - № 2 (47). - С. 8-12.
3. Лобанов Н.Ф., Козлов А.М. Оперативная оценка основных технологических параметров процесса плазмо-дугового напыления защитных покрытий // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки. - СПБ.: Изд-во СПбГПУ, 2008. - Ч. 1. -С.205-209.
4. Пузряков А. Ф. Теоретические основы плазменного напыления. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. -360 с.
