CC BY
39
УДК621.791.927.55 : 621.791.92 : 621.791.755
СТРУКТУРА И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ БТЕЬЫТЕ 190Ш ПРИ ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКЕ НА МЕДНУЮ ПОДЛОЖКУ
© 2018 С.С. Жаткин, А. А. Паркин
Самарский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 25.06.2018
Работа посвящена исследованию структуры и износостойкости плазменно-наплавленных покрытий из порошкового SteШte 190W на медную подложку, сформированных при токах плазменной дуги от 70 до 115 А. Определены некоторые закономерности изменения износостойкости в зависимости от режимов наплавки, условий теплоотвода и формируемой структуры. Ключевые слова: плазменная наплавка, износостойкость, микроструктура, порошковые материалы.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мире ведутся интенсивные работы по получению микрокристаллических и аморфных материалов, а также различного вида наноматериалов. Получаемые при этом материалы могут быть в виде порошков, компактных материалов, а также в виде различных покрытий. Особый интерес представляет возможность получения микро- и нанокристал-лических и аморфных структур при наплавке, обладающих важным комплексом эксплуатационных свойств, таких как высокие твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и др.
Процесс формирования микроструктуры при плазменно-порошковой наплавке определяется многими факторами - составом и дисперсностью порошка, его расходом, скоростью движения и током плазменной дуги, расстоянием от сопла до поверхности наплавки, материалом подложки [4-6]. Теплофизические свойства подложки будут определять скорость отвода тепловой энергии от наплавляемого покрытия, скорость кристаллизации расплава и, следовательно, процесс формирования микроструктуры.
По данным работы [1] для получения аморфного состояния из расплава необходима скорость охлаждения, способная подавить кристаллизацию, составляет 105 - 106 оС/с для большинства сплавов (или >104 оС/с). Микрокристаллические сплавы с типичным размером зерен или дендритных ветвей < 1-10 мкм получаются при скоростях охлаждения 102-104 оС/с, что вполне допустимо при контакте расплава с подложкой высокой теплопроводности. Многокомпонент-
Жаткин Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии»
E-mail: [email protected], [email protected] Паркин Анатолий Алексеевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии»
ность состава расплава также благоприятно сказывается при получении микрокристаллических и аморфных фаз, т. к. при этом снижаются критические скорости охлаждения [1].
В данной работе приводятся результаты исследования микроструктуры и износостойкости наплавленного покрытия SteШte 190 W при плазменно-порошковой наплавке на медную подложку.
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Плазменно-порошковая наплавка SteШte 190 W проводилась на медные образцы толщиной 15 мм и диаметром 90 мм на автоматизированной установке при токе дуги 80 и 100 А и напряжении 23 В. Расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности наплавки составляло 9 мм. Наплавка осуществлялась прямыми дорожками без сканирования плазменной дуги при скоростях движения 5 и 7 мм/с. Расход порошка SteШte 190 W составлял 16 г/мин. Дисперсность частиц порошка составляла 50-120 мкм с микротвердостью 600-800 кг/мм2. Состав и процентное содержание компонентов частиц порошка SteШte 190W представлены в таблице 1.
В процессе наплавки покрытие формировалось без сцепления с подложкой из-за отсутствия зоны сплавления. Отслоившееся покрытие удобно было использовать для дальнейших исследований и возможно практического применения.
Микроструктура поперечных микрошлифов полученного сплава после травления в растворе Мураками исследовалась на металлографическом микроскопе МИМ-8 и электронном микроскопе JSM-6390A фирмы ¡БОЬ.
Испытания на абразивный износ были проведены на установке Универсал -1А, обеспечивающей через систему датчиков и средств регистрации непрерывный контроль нормальной нагрузки, момента трения, температуры испыту-
Таблица 1. Химический состав и процентное содержание компонентов Stellite190
Состав Stellite 190 Co Ni Fe C Cr Mn Si W
Содержание, % Основа 1 2,5 3,3 26 0,5 1 14
ТПл- К 1765 1728 1811 Субл. 2150 1518 1688 3693
Ткмп« К 3230 3073 3145 4480 2946 2353 3573 5933
емого образца [8,9]. Испытания проводились локально в нескольких участках зоны наплавки, материал контртела - трубка из стали 40Х (закалка до HRC 46-48) с внешним диаметром 6 мм и толщиной стенки 1 мм. Испытания проводились при нормальной нагрузке в 40 кгс в течение 10 минут с частотой вращения шпинделя 600 об/мин.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
На рис. 1 приведена исходная микроструктура частиц наплавляемого порошка и общий вид формируемых образцов при наплавке Stellite 190 W на медную подложку. Исследования показали, что практически все частицы порошка имеют сферическую форму. В микроструктуре исходных частиц (рис.1а) проявляются границы зерен, внутри которых наблюдаются зарождающиеся в небольшом количестве карбидные частицы размером 2-4 мкм.
Из рис.1б,в видно, что из-за плохого смачивания медной подложки полное растекание расплава наблюдается не всегда и форма наплавленного валика отличается от аналогичной при наплавке на стальную подложку [4-6] Форма формируемого валика существенно повлияла на структуру сформированного покрытия по толщине наплавки (рис. 2-4)
На микроструктуру формируемого при плаз-менно-порошковой наплавке сплава влияет много факторов. Немаловажную роль при этом играет распределение температуры по толщине наплавки. Последнее будет определяться не только мощностью и скоростью движения плазменной дуги, но и скоростью теплоотвода вглубь
подложки. Скорость теплоотвода определяет скорости охлаждения наплавляемого материала.
На рис. 2 представлены микроструктуры наплавленного сплава Stellite 190 W, сформированные при разных токах и скоростях движения плазменной дуги.
Приведенный рисунок иллюстрирует различие в микроструктуре исходного порошка и наплавленного сплава, а также характерные отличия микроструктуры по толщине наплавки. Во всех случаях на поверхности (рис. 2 а, г, ж, к) формируется структура с мелкими карбидами и мелкодисперсной эвтектикой. Более детальное исследование показало, что морфология (структурное строение) эвтектики в данной области в основном «лепестковая» (рис. 3а). Карбиды в такой эвтектике, представляющие собой мелкие частицы или пластины, имеют размер 0.3-1 мкм. Размеры отдельных карбидов 5-15 мкм.
Посередине сформированного сплава (рис. 2 б, д, з, л) в основном образуются вытянутые пластинчатые карбиды длиной от 30 до 70 мкм и шириной 5-8 мкм, при этом преобладает эвтектика с «пластинчатой» морфологией. Карбиды в эвтектике имеют размеры 3-10 мкм (рис. 3б). Наряду с этим наблюдается также образование дендритов между самостоятельными карбидами.
Формирование на поверхности более дисперсной структуры, чем в середине может быть обусловлено отводом тепла за счет обдува поверхности газом из сопла плазмотрона.
Наибольшая дисперсность структурных составляющих наблюдается на границе с подложкой (рис. 2, в, е, и, м).
H -^VrlPfi А
г . Aitf * - cSv ' |- -- > Л , - s
J IV i TA 4'. л
3№V X3,eD0. • 5jim 13 70 Bg^p
a
Рис. 1. Микроструктура исходных частиц порошка 190 № (а)
и общий вид образцов полученного сплава (б, в)
■ . •• ,- 9
'ЗОку ЩШф
Л
М
Рис. 2. Микроструктура SteШte 190 Wпосле наплавки на медную подложку (х1000): а, г, ж к - вершина наплавки; б, д, з, л - середина наплавленного слоя; в, е и, м - зона контакта наплавки с подложкой; а-в - /Д=80Л, ун= 5мм/с; г-е - /Д=80Л, ун = 7мм/с; ж-и - 7Д= 100А, ун= 5мм/с; к-м - 1Д= 100А, ун= 7мм/с
Детальный анализ микроструктуры при больших увеличениях (рис. 3) показал, что на границе контакта покрытия с подложкой карбиды либо не выделяются, либо очень мелкодисперсные, размером 1-3 мкм. Причем карбиды выделяются в зоне слабого контакта с подложкой где смачивания подложки расплавом не происходило. В местах наилучшего контакта наплавки с подложкой формируется субмикро-сталлическая структура с переходом в нано-
структуру (рис. 4). При этом размеры структурных составляющих 100- 500 нм (рис. 4а) и менее 100 нм.
По данным работы [1] для получения аморфного состояния из расплава необходимая скорость охлаждения, способная подавить кристаллизацию, для большинства сплавов должна быть больше 104 оС/с. Микрокристаллические сплавы с типичным размером зерен или дендритных ветвей < 1-10 мкм получаются при скоростях
а о
Рис. 3. Микроструктура Stellite 190 W после наплавки на медную подложку (увеличение х8000):
а) I=80A, У=5мм/с; б) I=100A, У=7мм/с
охлаждения 102-104 оС/с, что вполне допустимо при контакте расплава с подложкой высокой теплопроводности [1].
В то же время при наплавке Stellite 190W на долотную сталь 19ХГНМА со скоростью ун = 10 мм/с (рис. 4) формируются более крупные структурные элементы, чем в случае наплавки на медную подложку. Как и в предыдущем случае, с ростом тока плазменной дуги размер структурных элементов уменьшается: при токе дуги 70 А размер карбидов хрома составляет 10-20 мкм (рис. 4, а), при токе 85 А - 5-10 мкм (рис. 4, б), а
при токе плазменной дуги 100 А карбиды хрома распадаются практически полностью (рис. 4, в). При этом при наплавке на низких токах наблюдается также более крупная дендритная структура и эвтектика, чем при токе 100 А.
В таблице 2 приведены данные по испытаниям на абразивный износ слоев Stellite 190W, наплавленных на долотную сталь и медь. Испытания в каждом случае проводились в течение 10 мин по методике, изложенной в работах [8,9].
Из таблицы видно, что сформированные особо мелкозернистые микроструктуры
а) б) в)
Рис. 4. Микроструктура Stellite 190W, наплавленного на сталь 19ХГНМА: а - 1Д = 70А; б - 1Д = 85А; в - 1Д = 100А; v„ = 10 мм/с
Таблица 2. Величина износа наплавленного Stellite 190 Wна сталь и медь
Ток дуги, А Скорость Материал Величина износа
движения, подложки наплавленного Stellite
мм/с 190W, мкм
70 10 19ХГНМА 65-100
85 10 19ХГНМА 100-127
100 10 19ХГНМА 70-115
80 5 медь 10-25
80 7 медь 15-30
100 5 медь 20-30
100 7 медь 20-50
SteШte 190W при наплавке на медь обеспечивают повышение его износостойкости в 2-3 раза, по сравнению с износостойкостью плазменного наплавленного SteШte 190W на до-лотную сталь.
ВЫВОДЫ
На основе проведенных исследований можно заключить:
1. В условиях высокоскоростного тепло-отвода при наплавке SteШte 190 W на медную подложку формируется наплавленный слой с многослойным строением. При этом наиболее крупнодисперсная структура образуется в середине наплавленного слоя, а наиболее мелкодисперсная - на границе с подложкой.
2. Высокие скорости теплоотвода при наплавке SteШte 190 W на медь обеспечивают многообразие формируемых карбидных и эвтектических структур. При этом на поверхности наплавленного слоя образуется мелкодисперсная эвтектика с карбидами в виде частиц и пластин размерами 0.3-1 мкм, а крупнодисперсная пластинчатая эвтектика -в середине. На границе наплавленного слоя с подложкой формирование эвтектики не происходит.
3. Расчетные данные по скоростям охлаждения и экспериментальные данные показали, что в слоях прилегающих к медной подложке может происходить формирование микрокристаллических и наноструктурированных областей.
4. Сравнение испытаний на износ SteШte 190 W, наплавленного на долотную сталь 19ХГНМА и на медь показали, что в последнем случае за счет формирования мелкодисперсной структуры износостойкость наплавленного материала возрастает в 2-3 раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ефимов Ю. В., Варлимонт Г., Мухин Г. Г. и др. Мета-стабильные и неравновесные сплавы. М.: Металлургия. 1988, 382 с.
2. Кархин В. А., Соснин Н. А., Тополянский А. П., То-полянский П. А., Ермаков С. А. Моделирование теплообмена тонкопленочного покрытия с основой при финишном плазменном упрочнении // Материалы международной научно-практической конференции «Технология ремонта, восстановления, упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». Санкт-Петербург. 11-14 апреля, 2006.
3. Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии. Санкт-Петербург. Изд-во Политехнического университета. 2008. 405 с.
4. Паркин А.А., С. С. Жаткин, Минаков Е. А. Оптимизация технологии плазменной наплавки порошковых материалов // Металлургия машиностроения. 2011. № 1. С. 44-49.
5. Структура и свойства покрытий полученных при плазменной наплавке порошков А№УАЬ и SteШte 190W / А.А. Паркин, С. С. Жаткин, А.А. Харымов, Д.А. Писарев // Материалы 9 Международной практической конференции-выставки «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов...... Санкт-Петербург.
10-13 апреля, 2007 г. С. 199-204.
6. Влияние расхода порошка и толщины подложки на процесс плазменной порошковой наплавки Stellite 190W на стали / С.С. Жаткин, А.А. Паркин, Е.А. Минаков, А.Б. Семин, А.В. Сибикин, А.А. Скворцов // Материалы 9 Международной практической конференции-выставки «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов____». Санкт-Петербург. 2010. - С.220-225.
7. Митин Б. С. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. М. Металлургия. 1987. 792 с.
8. Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев. Монография. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. 387 с.
9. Ибатуллин И.Д. Новые методы и приборы для экспрессной оценки энергетических параметров усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: дис. ... докт. техн. наук. 01.04.01. 2010.
INFLUENCE OF PLASMA CLADDING MODES, STRUCTURAL FACTORS AND PROPERTIES ON WEAR RESISTANCE OF CLAD POWDER MATERIAL STELLITE 190W
© 2018 S.S. Zhathin, A.A. Parkin
Samara State Technical University
The work deals with the research of wear resistance of plasma clad layers of the powder Stellite 190W, generated at currents of plasma arc from 70 to 115 A. Some laws of wear resistance change depending on cladding modes, heat conductivity conditions, formed structure and clad material properties, are defined. Keywords: Plasma weld deposit, wear resistance, microstructure, microhardness
Sergey Zhatkin, Candidate of Technological Sciences,
Associate Professor at the Founding and High-Performance
Processes Department.
E-mail: [email protected], [email protected]
Anatoly Parkin, Candidate of Technological Sciences,
Professor at the of Founding and High-Performance Processes
Department.
