Структурно-фазовый состав и свойства электроэрозионного покрытия TiC-Ni, сформированного на низкоуглеродистой стали комбинированным методом

Гончарова Елена Николаевна; Романов Денис Анатольевич; Громов Виктор Евгеньевич; Иванов Юрий Федорович

УДК 621.7SS:669.1.O8.29

DOI: 1G.2G31G/181G-G198-2G16-21 -3-936-939

СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ Т1С-№, СФОРМИРОВАННОГО НА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ КОМБИНИРОВАННЫМ МЕТОДОМ

1) Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация,

e-mail: [email protected] 2) Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Российская Федерация,

e-mail: [email protected]

Комбинированным методом, сочетающим в себе электровзрывное напыление и последующее облучение высокоинтенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия, на поверхности образца из низкоуглеродистой стали сформировано многослойное беспористое покрытие из несмеши-вающихся компонентов на основе системы ТЮ-Мо. Выполнены исследования структуры и фазового состава нанесенного покрытия, а также его механических (твердость и модуля Юнга) и трибологических (износостойкости, коэффициента трения) свойств.

Ключевые слова: электровзрывное напыление; электронно-пучковая обработка; карбид титана; никель; карбид.

Композиционные материалы системы TiC-Ni обладают высокой износостойкостью [1]. В последние годы разрабатывается метод электровзрывного напыления (ЭВН) покрытий. Он позволяет получать высококачественные беспористые покрытия, обладающие адгезией с основой на уровне когезии и высокими функциональными свойствами [2]. Путем изменения параметров воздействия метод позволяет как наносить покрытия из продуктов взрыва проводников, так и осуществлять формирование композиционных покрытий [3-5]. Перспективным направлением развития способов ЭВН композиционных материалов является модифицирование этих покрытий высокоинтенсивными электронными пучками [6].

Цель работы - исследование структуры, фазового состава, физико-механических (твердость, модуль Юнга) и трибологических (износостойкости, коэффициента трения) свойств покрытия на основе TiC-Ni, сформированного на стальной подложке комбинированным методом.

Материалом исследования являлось покрытие на основе TiC-Ni, сформированное комбинированным методом на подложке из среднеуглеродистой стали и сочетающее (ЭВН) [7] и последующую обработку высокоинтенсивным импульсным электронным пучком на установке СОЛО (ИСЭ СО РАН) [S] при следующих параметрах пучка электронов: 18 кэВ, SS Дж/см2, 1GG мкс, O,3 с-1, 1O имп. Исследования элементного и фазового состава, дефектной субструктуры покрытия осуществляли методами сканирующей (прибор SEM S1S «Philips») и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (прибор ЭМ-^). Твердость и модуль Юнга определяли, используя нанотвердомер «Nano Hardness Tester»; испытания на износостойкость осуществляли при сухом трении по схеме диск-шарик на высокотемпературном трибометре ТНТ-S-AXOOOO,

CSEM, Швейцария. Индентором (контртелом) служил шарик диаметром 3 мм из твердого сплава ВК8. Испытания проводили при комнатной температуре и относительной влажности 50 % при следующих условиях: нормальная нагрузка на индентор 8 Н, скорость скольжения 3,5 см/с, диаметр дорожки 4 мм, число оборотов (циклов) 5000. Величину износа поверхностного слоя оценивали после проведения профилометрии образовавшегося трека с помощью лазерного оптического профилометра MicroMeasure 3D Station (Stil, Франция).

Покрытия, формируемые ЭВН токопроводящего материала, на поверхность которого помещена порошковая навеска, характеризуются высокоразвитым рельефом (наплывы, капли, микропоры, частицы не прореагировавшего порошка), что часто приводит к негативным последствиям при эксплуатации изделия [8]. Сглаживание поверхности покрытия, удаление микрократеров, формирование более однородного по элементному составу покрытия осуществляли путем облучения образцов высокоинтенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя, что привело к выглаживанию его под действием сил поверхностного натяжения. Это возможно при выборе оптимального режима облучения. Высокоскоростная термическая обработка, реализующаяся при облучении материала электронным пучком субмилли-секундной длительности воздействия, сопровождается формированием на поверхности облучения сетки микротрещин, что указывает на релаксацию растягивающих напряжений. Высокоскоростная кристаллизация расплавленного слоя приводит к формированию структуры ячеистой кристаллизации. Размер ячеек изменяется в пределах (300-500) нм. В небольшом количестве на поверхности облучения выявляются области с ост-ровковой структурой. В объеме островков выявляется

субмикрокристаллическая структура, присутствуют микропоры.

Толщина формирующегося в результате комплексной обработки покрытия изменяется в пределах (2040 мкм), микротрещины в покрытии и в переходном слое покрытие-сталь не выявляются. Покрытие является многослойным. Выявляются поверхностный слой толщиной «10 мкм и основной объем покрытия. Многослойной является и структура зоны контакта покрытия с подложкой. Можно выделить тонкий (2-5 мкм) слой, примыкающий к покрытию, содержащий большое количество включений, и следующий за ним слой с субмикрокристаллической структурой.

Выполненные исследования показывают, что выявленные слои отличаются не только микроструктурой, но и элементным составом. Об этом свидетельствуют результаты микрорентгеноспектрального анализа элементного состава покрытия, анализируя которые можно отметить, что элементы напыляемого покрытия по толщине модифицированного слоя распределены некоторым определенным образом: концентрация легирующих элементов (титан, никель, углерод) снижается по мере удаления от поверхности покрытия. Дополнительно к распыляемым элементам в покрытии выявлены атомы железа, являющиеся элементами подложки из среднеуглеродистой стали. Присутствие атомов углерода указывает на принципиальную возможность образования в покрытии карбидов титана и железа.

Фазовый состав и дефектную субструктуру покрытия анализировали методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг. Анализу подвергался слой покрытия, расположенный на глубине «15 мкм. Выполненные таким образом исследования показали, что основной фазой покрытия является твердый раствор на основе а-железа (а-фаза, ОЦК кристаллическая решетка). Дополнительными фазами покрытия, выявленными при индицировании микроэлектронограмм, являются карбиды на основе титана (ТЮ) и железа (Те3С).

Дефектная субструктура а-фазы разнообразна. Выявляются области с дислокационной сетчатой субструктурой, области с ячеистой субструктурой и области с фрагментированной субструктурой; в объеме фрагментов наблюдается структура дислокационного хаоса. Покрытие является многофазным материалом. Наряду с а-фазой, являющейся основой покрытия, по границам и в объеме зерен а-фазы обнаруживаются частицы второй фазы. Частицы имеют глобулярную, весьма редко - ограненную, форму. Размеры частиц изменяются в пределах от 10 до 100 нм.

Прочностные характеристики покрытия анализировали, определяя величину твердости методами нанот-вердометрии. Одновременно с нанотвердостью была определена величина модуля Юнга. Результаты исследований представлены. Анализируя представленные зависимости, можно отметить, что и твердость покрытия превышает твердость стали в «1,5 раза; модуль Юнга при этом практически не изменяется.

Износостойкость является одной из важных характеристик электроконтактов. Анализ результатов пока-

зывает, что износостойкость покрытия, сформированного на основе системы TiC-Ni, превышает в 2,6 раза износостойкость подложки и характеризуется более высокими значениями коэффициента трения.

Электронно-плазменным комбинированным методом, сочетающим электровзрывное напыление и последующее облучение высокоинтенсивным импульсным электронным пучком, на поверхности стали сформировано многослойное многофазное покрытие на основе системы TiC-Ni, характеризующееся высокими значениями твердости и износостойкости. Показано, что высокие прочностные характеристики покрытия обусловлены присутствием наноразмерных частиц карбидной фазы на основе титана.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Zhang J., Fu Z., Wang W., Wang H. Microstructure and mechanical Properties of TiB2/(Ni+Mo) composites fabricated by hot pressing // J. Mater. Sci. Technol. 2000. V. 16. № 6. P. 634-636.

2. Budovskikh E.A., Gromov V.E., Romanov D.A. The Formation Mechanism Providing High-Adhesion Properties of an Electric-Explosive Coating on a Metal Basis // Doklady Physics. 2013. V. 58. № 3. P. 8284.

3. Romanov D.A., Budovskikh E.A., Gromov V.E. Surface Relief and Structure of Electroexplosive Composite Surface Layers of the Molybdenum-Copper System // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2011. V. 5. № 6. P. 1112-1117.

4. Romanov D.A., Budovskikh E.A., Zhmakin Yu.D., Gromov V.E. Surface modification by the EVU 60/10 electroexplosive system // Steel in translation. 2011. V. 41. № 6. P. 464-468.

5. Vashchuk E.S., Romanov D.A., Budovskikh E.A., Ivanov Yu.F. Elec-troexplosive boron-copper plating and subsequent electron-beam treatment of steel 45 // Steel in translation. 2011. V. 41. № 6. P. 469474.

6. Ivanov Yu., Teresov A., Ivanova O. et al. Formation of Surface Layers in Cu-C System // Advanced Materials Research. 2014. V. 1013. P. 224-228.

7. Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф. Электровзрывное напыление износо- и электроэрозионностойких покрытий. Новокузнецк: Изд-во «Полиграфист», 2014. 203 с.

8. Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование поверхности металлокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке // Известия вузов. Физика. 2008. № 5. С. 60-70.

БЛАГОДАРНОСТИ:

1. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-32-60032 мол_а_дк и при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых -кандидатов наук МК-4166.2015.2., госзаданий Мин-обрнауки № 2708 и 3.1496.2014/К на выполнение научно-исследовательских работ.

2. Часть исследования выполнено в центре «Материаловедение» СибГИУ.

3. Выбор оптимальных режимов и облучения поверхности покрытий высокоинтенсивным импульсным электронным пучком на установке СОЛО выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-29-00091).

Поступила в редакцию 9 апреля 2016 г.

UDK 621.785:669.1.08.29

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-936-939

THE COATING ON BASE TiC-Ni FORMED ON LOW CARBON STEEL BY THE COMBINEDMETHOD AND STUDY ITS STRUCTURAL-PHASE COMPOSITION AND PROPERTIES

Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) Institute of High-Current Electronics SB RAS, Tomsk, Russian Federation, e-mail: [email protected]

Multilayer multiphase coating on the basis of immiscible components of the TiC-Ni system was formed on the low carbon steel by the method, combining electroexplosive deposition and subsequent irradiation of high-intensity pulsed electron beam of sub millisecond duration. Research on the structure and phase composition of the coating and its mechanical and tribological properties and structure was performed. Key words: electro explosive; electron beam processing; the titanium carbide; nickel; structure; coating.

REFERENCES

1. Zhang J., Fu Z., Wang W., Wang H. Microstructure and mechanical Properties of TiB2/(Ni+Mo) composites fabricated by hot pressing. J. Mater. Sci. Technol., 2000, vol. 16, no. 6, pp. 634-636.

2. Budovskikh E.A., Gromov V.E., Romanov D.A. The Formation Mechanism Providing High-Adhesion Properties of an Electric-Explosive Coating on a Metal Basis. Doklady Physics, 2013, vol. 58, no. 3, pp. 82-84.

3. Romanov D.A., Budovskikh E.A., Gromov V.E. Surface Relief and Structure of Electroexplosive Composite Surface Layers of the Molybdenum-Copper System. Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2011, vol. 5, no. 6, pp. 1112-1117.

4. Romanov D.A., Budovskikh E.A., Zhmakin Yu.D., Gromov V.E. Surface modification by the EVU 60/10 electroexplosive system. Steel in translation, 2011. vol. 41. no. 6, pp. 464-468.

5. Vashchuk E.S., Romanov D.A., Budovskikh E.A., Ivanov Yu.F. Electroexplosive boron-copper plating and subsequent electron-beam treatment of steel 45. Steel in translation, 2011, vol. 41, no. 6, pp. 469-474.

6. Ivanov Yu., Teresov A., Ivanova O. et al. Formation of Surface Layers in Cu-C System. Advanced Materials Research, 2014, vol. 1013, pp. 224-228.

7. Romanov D.A., Budovskih E.A., Gromov V.E., Ivanov Ju.F. Jelektrovzryvnoe napylenie iznoso- i jelektrojerozionnostojkih pokrytij. Novokuznetsk, Poligrafist Publ., 2014. 203 p.

8. Koval' N.N., Ivanov Ju.F. Nanostrukturirovanie poverhnosti metallokeramicheskih i keramicheskih materialov pri impul'snoj jelektron-no-puchkovoj obrabotke. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika — Russian Physics Journal, 2008, no. 5, pp. 60-70.

GRATITUDE:

1. The research is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research within a framework of project no. 16-32-60032 Mon_a_gK and under financial support of Russian Federation President's grant for state support of young scientists - candidates of sciences MK-4166.2015.2., state assign of Ministry of Education and Science no. 2708 and 3.1496.2014/K for fulfilling scientific-research works.

2. The part of research is fulfilled in the centre of "Material studies" Siberian State Industrial University.

3. The choice of optimal regimes and radiation of surface of cover by highly intensive impulse electronic beam at the establishment of SOLO is fulfilled for grant of Russian Scientific Fund (project no. 14-29-00091).

Received 9 April 2016

Гончарова Елена Николаевна, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация, аспирант, e-mail: [email protected]

Goncharova Elena Nikolaevna, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation, Post-graduate Student, e-mail: [email protected]

Романов Денис Анатольевич, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, e-mail: [email protected]

Romanov Denis Anatolevich, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Physics Department, e-mail: [email protected]

Громов Виктор Евгеньевич, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики, e-mail: [email protected]

Gromov Viktor Evgenevich, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation. Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of Physics Department, e-mail: [email protected]

Иванов Юрий Федорович, Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, e-mail: [email protected]

Ivanov Yuriy Fedorovich, Institute of High-Current Electronics SB of RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Main Research Worker, e-mail: [email protected]