CC BY
9
ПОВЫШЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАГРЕВЕ
ОБМАЗКИ СМЕСИ Си8п-СгхСу Балановский Андрей Евгеньевич, к.т.н., доцент (e-mail: fuco.64@mail.ru) Нгуен Ван Чьеу, аспирант (e-mail: vantrieu.xumuk@gmail.com) Иркутский национальный исследовательский технический университет,
г.Иркутск, Россия
Проведено исследование по возможности повышения твердости поверхности стали Ст3 при плазменном нагреве обмазки смеси сплавов CuSn-CrxCy. С режимом оплавлением, полученные покрытия имеют глубину около 1 мм. В результате этого, большинство значений твердости находится в диапазоне 500-700 HV. Использование фракции, содержащей более мягкие частицы CrxCy и тонкого слоя предварительно нанесенной обмазки смеси сплавов приводит к более полному насыщению и увеличению твердости покрытий. В случае увеличения содержания CrxCy (больше 20%) увеличивается вероятность возникновения дефектов в поверхностных легированных слоях.
Ключевые слова: плазменный нагрев, обмазка, микротвердость, CuSn, ОК 84.78, оплавление
Во многих недавних исследованиях улучшение качества поверхности требует рассмотрения множества различных свойств, таких как коррозионная стойкость, износо стойкость и защита от обрастания. В частности, металлические материалы часто подвергаются механическим воздействиям [1-2]. Для решения этой проблемы одним из актуальных решений является поверхностное упрочнение низкопрочных материалов, например, для низкоуглеродистой стали. Известно, покрытия на основе меди широко используются для улучшения качества поверхностей, которые подвергаются суровым трибологическим условиям эксплуатации, таким как подшипники скольжения, крыльчатка насоса, поршневые кольца, клапанная арматура и другие механические изделия [3]. Среди существующих в настоящее время технологий обработки поверхности, плазменный нагрев неплавящимся электродом в инертном газе (ТИГ - TIG) считается ключевым фактором в развитии технологии модификации поверхности благодаря: простоте, гибкости и невысокой стоимости [4-6]. Несмотря на успешном получении поверхностных слоев сплавом типа CuSn, последние имеют незначительно высокую твердость по сравнению с твердостью зоны закалки стали Ст3 [7]. Металлокерамические композиты или металлокерамика, как известно, сочетают в себе твердость керамики и вязкость металлов при разрушении, в частности, для сплава на основе меди карбиды такие, как и WC, Cr3C2, SiC, ... чаще используют [8-10]. Среди них, карбиды хрома широко использу-
ются во многих отраслях. По сравнению с другими карбидами металлов, низкая температура плавления приводит к сокращению теплового расхода в процессе оплавления, а близость температурного коэффициента линейного расширения сравнимого с коэффициентом сталей, приводит к снижению напряжений в переходном слое при нанесении покрытий на стальную основу [11].
Целью данной работы является рассмотрение возможности повышения твердости поверхностных покрытий при плазменном нагреве смесей сплава бронзы и карбида хрома. В статье представлены результаты исследований микроструктуры и микроскопического распределения твердости по поперечному сечению полученных покрытий.
Материалы и методы исследования. Для подготовки обмазки использованы смеси сплава бронзы ПРВ-БрОЮ и покрытие сварочного электрода ОК 84.78 (ЕБАВ) и канцелярского клея. Приготовленную пасту наносили на шлифованной поверхности стали Ст3 (ГОСТ 380-2005). До этого пасты смеси фиксированы толщиной 0,25 мм. Размер частиц сплав приведен в таблице 1, составы смеси в таблице 2. В качестве источника плазменного нагрева использовалась установка, подробно описанная в работах [1, 2]. Режим плазменного нагрева: ток - 140 А; скорость движения образцов -2,7 мм/с; скорость подачи газа Аргона 10л/мин, зазор между слоем обмазки и электродом 4-5 мм.
Таблица 1 - Размер частиц сплавов
Относительная вероятность [%] Средний размер частицы, [мкм]
ПРВ-БрОЮ ОК 84.78
5.00 11.94 0,98
10.00 27.79 1,74
20.00 39.52 4,62
30.00 47.74 13,31
40.00 55.16 22,93
50.00 62.53 36,42
60.00 70.45 76,26
70.00 79.46 126,79
80.00 90.48 164,17
90.00 106.79 207,44
95.00 120.65 239,95
98.00 135.91 275,74
99.00 146.64 297,83
Таблица 2 - Составы смесей сплавов и режимы охлаждения покрытий
№ Состав смеси Вид охлаждения
1 СиБи + 10% ОК 84.78 Вода
2 СиБи + 20% ОК 84.78 Вода
3 СиБи + 10% ОК 84.78 Воздух
4 СиБи + 20% ОК 84.78 Воздух
5 СиБи + 30% ОК 84.78 Воздух
Результаты и их обсуждения
Типичное полученное покрытие после обработки представлено в внешнем виде и поперечном сечении (см. рис.2). Для оценки покрытия вырезали его центральную часть (штриховая область), где режим обработки был стабильным. В поперечном сечении поверхностный слой типичного образца (см. рис.2) состоит из легированного слоя (А), оплавленного слоя (В), зоны термического влияния (ЗТВ). Коэффициент разбавления основного металла вычислен в формуле (1):
Рисунок 1 - Внешний вид и поперечное сечение типичного покрытия после плазменной обработки и вырезки
Соответственно с номером образцов в таблице 2, поперечное сечение образцов с покрытием приведено в таблице 3. Видно, покрытые образцы из составов, содержащих 10% ОК 84.78 имеют более глубину ванны наплавки (около 1300 мкм) и ширину ЗТВ (около 3000 мкм). Размер частиц сплавов, приведенный в таблице 1 показывает, что его большая разница сильно влияет на теплопередачу из потока плазмы и расплавление части подложки. Также, увеличение содержания карбида хрома приводит к предотвращению расплавления смеси сплавов с основной стали подложки из-за разницы температуры плавления. В результате этого, полученные покрытия с
меньшим содержанием ОК 84.78 (10%), имеют более высокий коэффициент разбавления подложки (К) больше, чем у покрытий с исходным составом 20% ОК 84.78. Видно, что увеличение содержания ОК 84.78 до 30%, в полученном покрытии появлялись трещины и поры. Разница теплового расширения между фазами бронзы и жесткими фазами обогащенных карбидов может вызывать причиной возникновения дефектов. Высокая неоднородность смеси также затрудняет процесс растворения друг в друге, вследствие этого происходит нестабильная конвекция потока движения жидкого раствора сплавов. В результате появляются поры.
Таблица 3. Поперечное сечение покрытий и их характеристики
Н1 - 1300 мкм Н2 - 3000 мкм К - 69%
ПИШИ
Н1 - 1060 мкм Н2 - 2050 мкм К - 55%
3
Н1 - 1360 мкм Н2 - 2900 мкм К - 74%
4
Н1 - 1090 мкм Н2 - 2300 мкм К - 51%
1
2
В рисунке 2 приведено распределение твердости поперечного сечения поверхностного слоя металла после оплавления покрытия по глубине. Видно, из смесей более высокого содержания карбида хрома (20% ОК 84.78), полученные покрытия обладают более высокой твердостью, чем у смесей низкого содержания карбида хрома (10% ОК 84.78). В режиме охлаждения водой, значения твердости покрытия №2 находятся в диапазоне
5
580-680 НУ, а в режиме охлаждения воздухом, для покрытия №4 в диапазоне 460-670 НУ. Покрытие №2 имеет трещины.
Ш
. Щ
- . , шла
. ЕЖД
(д) - №3 (е) - №4
Рисунок 2 - Распределение микротвердости покрытий по глубине
0 500 1000 1500 2000 2500 Расстояние от поверхности, мкм
(а) - 10% ОК 84.78
100
0 500 1000 1500 2000 2500 Расстояние от поверхности, мкм
(б) - 20% ОК 84.78
Рисунок 3 - Распределение микротвердости поперечного сечения плазменных покрытий по глубине
Из рисунка 3 видно, в режиме охлаждения воздухом, покрытия обладают распределением твердости с более постепенно уменьшением ее значений из легированной зоны по основные подложки. Охлаждение покрытия водой приводит к большему концентрированию значению твердости. Это можно объяснить тем, что скорость охлаждения покрытия обеспечивает более мелкозернистую микроструктуру с более высокой твердостью. Это зависит от скорости переохлаждения. При небольшой степени охлаждения
ДТ число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается, и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.
Установлено, что применение плазменного нагрева с режимом оплавления возможно увеличивается твердости поверхности стали Ст3 из обмазки смеси бронзы ПРВ-БрО10 и покрытия сварочного электрода ОК 84.78. Увеличение содержания карбида хрома в составе покрытия приводит к увеличению твердости покрытий. В независимости от режима охлаждения, плазменные покрытия из составов, содержащих 20% карбида хрома обладают значительно высокой твердостью, находящейся в диапазоне 600-700 HV. Повышение содержания карбида хрома до 30% и дополнительное охлаждение водой являются причиной повышения вероятности появления дефектов в покрытиях (поры, трещины).
Список литературы
1. Нгуен В.Ч., Астафьева Н.А., Тихонов А.Г., Балановский А.Е. Сравнительная оценка твердости легированных покрытий из обмазки смеси CuSn-CrxCy при упрочнении плазмой и лазером // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 17. № 4 (196). С. 166-172.
2. Кушнарев А.В., Киричков А.А., Вопнерук А.А., Котельников А.Б., Коробов Ю.С., Макаров А.В., Филатов С.В., Шифрин И.Н. Физикомеханические характеристики газотермических покрытий стенок кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок // Сварка и диагностика, 2017. № 5. С. 50-53.
3. Srinath Viswanathan, Diran Apelian, Raymond J. Donahue, Babu DasGupta; Michael Gywn, John L. Jorstad, Raymond W. Monroe, Mahi Sahoo, Thomas E. Prucha, Daniel Twarog. Casting of Copper and Copper Alloys // ASM International. Vol. 15. 2008.
4. Нгуен В.Ч., Астафьева Н.А., Балановский А.Е., Баранов А.Н. Исследование коррозионной стойкости легированного поверхностного слоя составом CuSn-CrxCy после плазменного упрочнения // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 17. № 5 (197). С. 215-220.
5. Balanovskii A.E. A New Mechanism of Interaction between a Welding Arc Discharge of Reverse-Polarity Direct Current and an Aluminum Surface // High Temperature, 57:6 (2019), P. 784-797.
6. Balanovskii A.E., V.H. Vu. Plasma surface carburizing with graphite paste // Letters on materials. - 2017. - Vol. 7. - № 2. - Pp. 175-179.
7. Qing Yu Hou, Ting Ting Ding, Zhen Yi Huang, Ping Wang, Lai Ma Luo, Yu Cheng Wu. Microstructure and properties of mixed Cu-Sn and Fe-based alloys without or with molybdenum addition processed by plasma transferred arc // Surface and Coatings Technology. -2015. - Vol. 283. - Pp. 184-193.
8. Pengbo Mi, Fuxing Ye. Wear performance of the WC/Cu self-lubricating textured coating // Vacuum. - 2018. - Vol. 157. - Pp. 17-20.
9. Еремина М.А., Трифонов И.С., Ломаева С.Ф., Тарасов В.В., Паранин С.Н., Заяц С.В. Структура и износостойкость нанокомпозитов Cu-Cr3C2 // Физическая мезомеха-ника. 2016. Т. 19. № 6. С. 107-115.
10. Hossein Torabi, Reza Arghavanian. Investigations on the corrosion resistance and mi-crohardness of Cu-10Sn/SiC composite manufactured by powder metallurgy process // Journal of Alloys andCompounds. - 2019. - Vol. 806. - Pp. 99-105.
11. Zikin A., Hussainova I., Katsich C., Badisch E., Tomastik C. Advanced chromium carbide-based hardfacings // Surface and Coatings Technology. - 2012. - Vol. 206. № 19-20. -Pp. 4270-4278.
Balanovskiy Andrey Evgenievich, Cand.Tech.Sci, associate professor (E-mail: fuco.64@mail.ru) Nguyen Van Trieu, graduate student (E-mail: vantrieu.xumuk@gmail.com)
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia
INCREASING THE SURFACE HARDNESS OF LOW-CARBON STEEL AT
PLASMA HEATING OF THE PRE-COATING OF THE CuSn-CrxCy MIXTURE
Abstract. A study of the possibility of increasing the surface hardness of St3 steel by plasma
heating of the mixture of CuSn-CrxCy alloys has been carried out. With the reflow mode, the
resulting coatings have a depth of about 1 mm. As a result, most hardness values are in the
500-700 HV range. The use of a fraction containing softer particles of CrxCy and a thin layer
of the pre-coating of the alloy mixture leads to a more complete saturation and the hardness
increasing of the coatings. In the case of an increase in the CrxCy content (more than 20%),
the likelihood of defects in the surface alloyed layers increases.
Key words: plasma heating, coating, microhardness, CuSn, OK 84.78, reflow
