CC BY
15УДК 621.791.927.5
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАПЛАВЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРОШКОВ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ СВС-КОМПОЗИТОВ*
A.А. СИТНИКОВ, доктор техн. наук, профессор,
B.И. ЯКОВЛЕВ, канд. техн. наук, доцент,
М.Н. СЕЙДУРОВ, канд. техн. наук, ст. преподаватель,
М.Е. ТАТАРКИН, аспирант,
А.В. СОБАЧКИН, аспирант,
(АлтГТУ им. И.И. Ползунова, г Барнаул)
Н.В. СТЕПАНОВА, аспирант,
И.Ю. РЕЗАНОВ, магистрант
(НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 30 августа 2011 года
Яковлев В.И. - 656038, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ленина, д. 46, ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»,
е-шаП: yak1961@yandex.ru
Настоящая работа посвящена исследованию тонкой структуры и фазового состава наплавленных покрытий, полученных из порошков механоактивированных СВС-композитов и установлению зависимости структуры и свойств покрытия с его химическим составом.
Ключевые слова: композиционный материал, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), ме-ханоактивационная обработка, дуговая наплавка.
Введение
Разработка технологии дуговой наплавки порошковыми проволоками износостойких покрытий рабочих органов почвообрабатывающих машин и других деталей, работающих в сложных условиях трения, с использованием новых сварочных материалов - одна из самых актуальных задач в современном сельскохозяйственном и машиностроительном производстве.
Одним из перспективных методов получения порошков композиционных материалов в настоящее время является проведение реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в металлических матрицах [1].
Наличие в структуре наплавленного слоя карбидов тугоплавких металлов (ТЮ, №С, УС, WC, МоС) повышает твердость и износостойкость металла, работающего в условиях абразивного изнашивания.
Легирование тугоплавкими карбидными соединениями позволяет значительно упростить регулирование структуры матрицы сплава, так как при этом
перераспределение легирующих элементов между упрочняющей фазой и матрицей замедляется.
Карбид титана обладает наиболее высокой температурой плавления, а также твердостью из всех широко применяемых для легирования карбидов тугоплавких металлов [2]. Структура наплавленного металла при комплексном способе легирования готовым соединением карбида титана обеспечивает высокую износостойкость и твердость сплава по сравнению с раздельным способом введения карбида титана [3].
Цель работы - изучение тонкой структуры, фазового состава и свойств покрытий, полученных дуговой наплавкой из порошков механоактивированных СВС-композитов состава ТЮ+Х % Ме (Р6М5, ПР-Н70Х17С4Р4-3).
Методика проведения исследований
Дуговая наплавка в три прохода осуществлялась на подложку из стали 45 трубчатым порошковым электродом, содержащим: 1) ТЮ+Р6М5 (Х % масс.) -
* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (Гос. контракт № 14.740.12.0858).
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕ,
СВС-механокомпозит; 2) ТЮ+ПР-Н70Х17С4Р4-3 (Х % масс.) - СВС-механокомпозит. Степень разбавления металлом матрицы составляла от 80 до 20 % с шагом 10 %.
Электрод для наплавки представлял собой стальную трубку наружным диаметром 7 мм с толщиной стенки 1 мм, заполненную экспериментальным порошковым составом. На наружную поверхность порошкового электрода с помощью жидкого стекла наносили покрытие рутилового типа.
При проведении исследований использованы методы металлографического (Carl Zeiss Axioübserver Alm), электронно-оптического и спектрального анализа фазового состава (Carl Zeiss EVü 50 XVP с микроанализатором EDS X-Act «OXFORD»). При исследовании общей структуры покрытий применялось химическое травление 3 %-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте, а при исследовании тонкой структуры покрытий применяли химическое травление в течение 5 мин водным раствором 20 %-й красной кровяной соли R3[Fe(CN)6] и 20 %-м КОН. Для определения общего характера внутреннего строения матрицы СВС-механокомпозитов микрошлифы подвергались электрохимическому травлению раствором 15 %-й хлорной кислоты в уксусной кислоте «ледянке» (время травления 30 с; источник постоянного тока, напряжение 3 В).
Свойства наплавленного металла оценивали по твердости и весовому износу покрытий в результате взаимодействия трущихся поверхностей по ГОСТ 17367-71. Для измерения твердости использовался микротвердомер для проведения испытаний по Виккерсу 402MVD.
Исследования по определению весового износа покрытий проводились на гладких цилиндрических образцах диаметром 10 и высотой 15 мм. Для снижения шероховатости поверхностей, полученных наплавкой, и достижения пятна контакта, равного площади образцов, выполнялась их предварительная притирка до значения Ra = 1,25 мкм. Перед каждым циклом испытаний образцы промывали и просушивали для удаления пыли и продуктов износа.
В качестве испытательного оборудования использовалась машина трения, предназначенная для испытаний различных фрикционных и смазочных материалов на трение и износ с максимальным моментом трения 40 Нм и максимальной частотой вращения шпинделя 3000 мин 1. Для определения весового износа использовались аналитические весы ВЛР-200 второго класса с точностью измерения до 0,05 мг.
При испытаниях задавались следующие параметры: 1) длина пути для каждого образца - 49 м; 2) нагрузка, создаваемая на образце, 2 кг; 3) скорость вращения диска с абразивной шкуркой - 120 об/мин; 4) время одного испытания образца - 60 с.
Диск диаметром 200 мм применялся с использованием абразивной листовой шкурки марки Л2Э620х50С115А25-ВМА ГОСТ 6456-82. В качестве абразивного материала был использован электрокорунд нормальный А15 зернистостью 25 по ГОСТ 3647-71.
Результаты исследований и их обсуждение
Распределение карбидной фазы и микроструктуру наплавленного покрытия изучали сначала на образцах, полученных из порошков СВС-механокомпозитов состава ТЮ+80 % Ме (Р6М5, ПР-Н70Х17С4Р4-3). Установлено, что химический состав металла матрицы сильно влияет на размеры, форму и количество карбидной фазы [4].
В наплавленном металле покрытий из порошков типа ТЮ+Р6М5 (80 % масс.) были обнаружены одиночные мелкие карбиды титана кубической формы и их цепочки по границам зерен (рис. 1, а). Значения микротвердости в покрытиях превышают показатели в основном металле в 1,5-2 раза, пиковые значения составляют в пределах 600 НУ.
а б
Рис. 1. Микроструктура наплавленного металла из порошков СВС-механокомпозитов состава Т1С+80 % Ме: а - Р6М5; б - ТЮ+ПР-Н70Х17С4Р4-3
Проведение металлографических исследований на образцах с матрицей типа ТЮ+ПР-Н70Х17С4Р4-3 (80 % масс.) показало, что в наплавленном металле выделяются карбидные частицы различной формы. Вместе со строчками карбидов и их единичными включениями кубической формы в структуре покрытия преимущественно присутствуют карбиды больших размеров неправильной формы, не имеющие ориентировки (рис. 1, б). Имеет место более неоднородное состояние наплавленного металла, так как крупные карбидные частицы располагаются непосредственно в теле зерна. Пиковые значения микротвердости в покрытии составляют от 500 до 800 НУ.
Установлено, что по мере уменьшения степени разбавления СВС-механокомпозита состава ТЮ+Х % Ме (Р6М5, ПР-Н70Х17С4Р4-3) металлом матрицы значительно возрастает количество крупных карбидных частиц различной формы, выделяющихся внутри зерна (рис. 2). При этом использование при
наплавке матрицы типа ТЮ+Р6М5 (Х % масс.) приводит к тому, что мелкие карбиды выпадают преимущественно по границам в виде сетки.
■Ч^' V
Д.; ■
9
Н
а б
Рис. 2. Микроструктура наплавленного металла из порошков СВС-механокомпозитов состава ТЮ+Р6М5 (Х % масс.): а - 60; б - 20
Для детального рассмотрения морфологии ти-таносодержащих включений были проведены электронно-оптический и спектральный анализы фазового состава, подтвердившие наличие нескольких видов карбида титана в наплавленном металле.
На рис. 3 отчетливо видна общая доля карбидных частиц титана. Это одиночные крупные карбиды кубической и неправильной формы, а также мелкие карбиды и их цепочки.
вавшихся в наплавленных покрытиях, были проведены дополнительные исследования тонкой структуры. Результаты растровой электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом в микроточке представлены на рис. 4 и в табл. 1.
Полученные экспериментальные данные по микроанализу (табл. 1) свидетельствуют о том, что в наплавленном металле зерно карбида титана претерпевает существенные изменения и представляет собой нестехиометрический карбид ТЮ с возможностью образования упорядоченных фаз типа: Т12С, Т13С2 и Т16С5 с кубической и ромбической симметрией.
а б
Рис. 4. Микроструктура и морфология частиц механокомпозитов в покрытиях состава ТЮ+80 % Ме: а - Р6М5; б - Т1С+ПР-Н70Х17С4Р4-3
Таблица 1
Весовое распределение химических элементов в частицах механокомпозитов покрытий Т1С+8О % Ме (Р6М5, ПР-Н70Х17С4Р4-3)
Рис. 3. Распределение карбида титана в наплавленном металле из порошков СВС-механокомпозитов состава ТЮ+80 % Ме: а - Р6М5; б - ПР-Н70Х7С4Р4-3
В процессе наплавки металлическая матрица СВС-механокомпозитов, в первую очередь, подвергается плавлению под воздействием высоких температур сварочной дуги, предохраняя тем самым карбид титана от диссоциации. Термодинамически устойчивые соединения карбида титана крупных размеров попадают в расплавленную ванну жидкого металла холодными, являясь дополнительными центрами кристаллизации, что приводит к измельчению зерен наплавленного металла.
Установлено, что в структуре наплавленных образцов, полученных из порошков СВС-механокомпозитов на основе смеси Т1С+ПР-Н70Х17С4Р4-3 (80 % масс.), преобладают именно карбидные включения титана неправильной формы по сравнению с кубической (рис. 3, б).
Для определения химического состава и размеров карбидных частиц титана различной формы, образо-
Химический элемент Весовой %
ТЮ+Р6М5 Т1С+ПР-Н70Х17С4Р4-3
спектр 1 спектр 2 спектр 3 спектр 4
С 10,16 5,89 18,17 22,06
Т1 72,75 41,98 72,17 54,34
Бе 16,36 24,62 7,83 20,12
Таким образом, использование для дуговой наплавки порошков СВС-механокомпозитов состава ТЮ+ПР-Н70Х17С4Р4-3 (Х % масс.) дает возможность получать в структуре металла покрытия, наряду с мелкими карбидами титана, преимущественно крупные кубической и неправильной формы и в больших количествах, чем при наплавке порошков типа Т1С+Р6М5 (Х % масс.). Причем наличие большого количества крупных карбидов титана, выделяющихся в теле зерен и значительно измельчающих структуру, объясняется более интенсивным переходом титана и углерода из порошкового электрода в наплавленный металл покрытия. Следовательно, полученная структура наплавленного металла должна обеспечивать высокую износостойкость и твердость покрытия.
б
а
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Исследования по определению весового износа покрытий в зависимости от степени разбавления металлом матрицы проводились на наплавленных покрытиях из порошков механоактивированных СВС-композитов состава ТЮ+ПР-Н70Х17С4Р4-3 (Х % масс.). Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Установлено, что наплавленные покрытия из порошков СВС-механокомпозитов состава ТЮ+Х % ПР-Н70Х17С4Р4-3 с 80 %-й степенью разбавления металлом матрицы имеют меньшую сопротивляемость изнашиванию, что можно объяснить более высоким содержанием металла матрицы. При снижении степени разбавления металлом матрицы композита повышается интенсивность перехода карбидообразующих элементов из порошков СВС-механокомпозитов в наплавленный металл, что обеспечивает повышение износостойкости и твердости покрытия.
Следовательно, химический состав металлической матрицы порошков механоактивированных СВС-композитов напрямую влияет на размер, форму
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
и характер распределения карбида титана в структуре наплавленного металла, что определяет износостойкость и твердость покрытия в целом.
Выводы
1. В результате механоактивационной обработки компонентов порошка ТЮ+Х % Ме, проведения реакции СВС и дуговой наплавки в структуре покрытия формируются карбидные частицы различной стехиометрии Т1С в объеме металлической матрицы (Р6М5, ПР-Н70Х17С4Р4-3), что свидетельствует о возможности управления структурой изменением вида и содержания металла матрицы.
2. Наибольшая износостойкость достигается при наплавке покрытия из порошков механоактивирован-ных СВС-композитов состава ТЮ+ПР-Н70Х17С4Р4-3 (Х % масс.) с меньшей степенью разбавления металлом матрицы.
Список литературы
1. Шлифовальный инструмент на основе сили-кокарбида титана / Г.И. Смагин, В.Н. Филимоненко, Н.Д. Яковлев, М.А. Корчагин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов. - 2011. - № 1. - С. 27-30.
2. Гольдшмидт X. Дж. Сплавы внедрения / пер. с англ. - М.: Мир, 1971. - Вып. 1. - 138 с.
3. Каковкин О.С. Особенности легирования наплавленного металла карбидом титана при дуговой износостойкой наплавке / О.С. Каковкин, Ю.Д. Дарахвелид-зе, Г.Г. Старченко // Сварочное производство. - 1989. -№ 5. - С. 41-42.
4. Исследование структуры наплавленных покрытий из механоактивированных СВС-композитов на основе смеси ТЮ+Х%Ме / А.А. Ситников, В.И. Яковлев, М.Н. Сейдуров, Ю.Н. Камышов, И.Ю. Головин // Ползу-новский альманах. - 2010. - № 1. - С. 157-160.
Весовой износ наплавленных покрытий из порошков СВС-механокомпозитов ТЮ+ПР-Н70Х17С4Р4-3 (Х % масс.)
Номер серии испытания Степень разбавления металлом матрицы, % масс.
80 70 60 50
Весовой износ, г
1 0,618 0,281 0,233 0,184
2 0,416 0,237 0,222 0,206
3 0,448 0,372 0,269 0,165
4 0,385 0,279 0,241 0,229
5 - 0,295 0,219 0,158
Structure and properties of powder coatings weld mechanical activation of shs-composites
A.A. Sitnikov, V.I. Yakovlev, M.N. Seidurov. M.E. Tatarkin, A.V. Sobachkin, N.V. Stepanova, I.U. Rezanov
This paper studies the fine structure and phase compositions of deposited coatings obtained from powders mechanically activated SHS-composites and establish the dependence of the structure and properties of the coating to its chemical composition.
Key words: composite material, self-propagating high-temperature synthesis (SHS), the mechanical activation treatment, arc welding.
