CC BY
10ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.793.79
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
СВОЙСТВА ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ХРОМОВАНАДИЕВОГО ЧУГУНА, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКОЙ В ВАКУУМЕ*
Б.В. ДАМПИЛОН, канд. техн. наук, н.с. (ИФПМ, г. Томск) В.Г. ДУРАКОВ, канд. техн. наук, с.н.с. (ИФПМ, г. Томск) Л.В. ЕРЕМИНА, магистрант (ТПУ, г. Томск) А.А. ЛОСИНСКАЯ, аспирант (НГТУ, г. Новосибирск) Н.С. МОЧАЛИНА, канд. техн. наук (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 30 августа 2011 года
Дампилон Б.В. - 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, e-mail: dampilon@ispms.tsc.ru
В работе приведены результаты исследований покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна. Покрытия получены электронно-лучевой наплавкой порошковой смеси хромистого чугуна с железом и ванадием на подложках из малоуглеродистой стали. Основной объем полученных покрытий имеет квазиэвтектическую структуру с аустенитной матрицей и карбидами (Cr,Fe,V)7C3 и V2C. Последующий высокотемпературный отжиг в диапазоне температур 1000... 1100 °С приводит к интенсивному выделению вторичных ультрадисперсных карбидов М7С3 из метастабильной аустенитной матрицы покрытий. Матрица покрытий после отжига представлена а-фазой (90 %) и у-фазой (10 %). В результате отжига образцов с покрытиями при 1000 и 1100 °С двукратно увеличивается абразивная износостойкость и повышается твердость покрытий.
Ключевые слова: электронно-лучевая наплавка, эвтектический хромованадиевый чугун, абразивная износостойкость, вторичные ультрадисперсные карбиды, высокотемпературный отжиг.
Разработка защитных покрытий, обеспечивающих значительное увеличение срока службы быстро изнашиваемых деталей машин и механизмов, является актуальным направлением в современном машиностроении.
Одним из прогрессивных методов нанесения защитных покрытий является электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) порошковых материалов в вакууме [1]. Метод ЭЛН обладает рядом особенностей, которые выгодно отличают ее от других методов нанесения покрытий: рафинирование наплавляемого металла благодаря вакуумной среде; возможность плавной и точной регулировки мощности электронного луча, что способствует минимальному проплавлению основы и, следовательно, сохранению шихтового химического состава в покрытии. Всё это делает метод ЭЛН перспективным, позволяющим получать порошковые покрытия с различными функциональными характеристиками и значительной толщины до 5 мм. Использование метода ЭЛН позволяет упрочнять рабочую поверхность новых деталей и восстанавливать изношенные детали.
Выбор состава наплавочного порошкового материала для электронно-лучевой наплавки был обусловлен необходимостью создания безникелевых (из-за его дороговизны) износостойких покрытий на железной основе. В качестве такого материала был выбран белый хромистый чугун, легированный ванадием и разбавленный железом для формирования покрытия, соответствующего по составу эвтектическому хромованадиевому чугуну. Зачастую лишь белые износостойкие чугуны в состоянии обеспечить надежную эксплуатацию самой разнообразной техники, работающей в жестких условиях интенсивного абразивного износа. Успех в применении защитных покрытий из таких чугунов определяется обоснованностью выбора состава (заэвтектический, эвтектический и доэвтектический), варианта последующей термической обработки и условий эксплуатации.
Особенностями процесса электронно-лучевой наплавки являются значительный перегрев ванны расплава в зоне действия электронного луча, способствующий повышению однородности расплава, и высокая скорость охлаждения, способствующая
* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг. (Гос. контракт № 14.740.12.0858).
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Чм
образованию структурно неустойчивого состояния матрицы при использовании высокоуглеродистых наплавочных материалов. Следует ожидать, что дальнейшей термообработкой наплавленных покрытий можно управлять как структурой матрицы, так и карбидной подсистемой за счет выделения вторичных карбидов.
Целью настоящей работы является исследование структуры и свойств электронно-лучевых покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна и влияния последующей термической обработки на свойства полученных покрытий.
Термическую обработку образцов с покрытиями проводили в вакуумной печи при различных температурах 800, 900, 1000, 1100 °С с выдержкой один час.
Микроструктуру покрытий исследовали с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss Axioübserver Alm. Структурно-фазовое состояние покрытий определяли с использованием микрорентгеноспектраль-ного анализа на приборе Evo 50 и рентгенофазового анализа на установке ARL X'TRA. Микротвердость покрытий определяли на приборе 402MVD. Испытания покрытий на ударную вязкость проводили на установке Metrocom.
Материалы и методики исследований
Для нанесения покрытий использовали специально разработанную установку электронно-лучевой наплавки созданную на базе электронно-лучевой сварочной установки ЭЛУ-5, дополнительно оборудованную системой подачи порошкового наплавочного материала и блоком сканирования луча, обеспечивающего развертку в одну или две линии. В качестве источника электронов была применена электронная пушка с плазменным эмиттером на основе отражательного разряда с полым катодом [2]. Применение данного источника электронов обусловлено его высоким ресурсом работы в условиях технического вакуума, запыления катода парами наплавляемых металлов и частых разгерметизаций камеры.
Процесс наплавки происходит путём подачи наплавочного материала в зону действия электронного луча, развернутого в линию поперек движения наплавляемой детали. За один проход обычно наплавляется покрытие толщиной от 0,5 до 1 мм. Покрытия толщиной 2-3 мм были наплавлены за несколько проходов на подложках из малоуглеродистой стали размером 250^25x15. Для предотвращения поводок и коробления подложки закреплялись на массивной стальной основе.
В качестве наплавочного материала была использована механическая смесь (табл.1), состоящая из промышленных порошков хромистого чугуна марки ПГС-27, ванадия и железа с расчетом получения покрытия из хромованадиевого чугуна эвтектического состава. Расчет эвтектического состава выполнен на основании диаграммы состояния многокомпонентных систем на основе железа [3] и данных работы [4].
Таблица 1 Химический состав наплавочного материала
Состав Cr V C Si Ni Mn Fe
Эвтектиче ский 16 5 2,5 0,6 1 0,7 Основа
Заэвтектический 25 5 4 1 1,5 1 Основа
Результаты и обсуждение
Согласно данным рентгеноструктурного анализа матрица полученных покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна имеет аустенитную структуру (у-фаза). Карбидная подсистема представлена двумя карбидами: карбид типа М7С3 и карбид ванадия У2С (рис. 1, а). Образование карбида У2С в процессе кристаллизации покрытия термодинамически более выгодно, чем УС [5, 6].
i
3000-
2500 -
a-Fe(110)
IM,С,(421)
* Для сравнения [7].
45 5 0 55 60 2@
б
Рис. 1. Фрагменты рентгенограмм покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна:
а - после наплавки; б - после наплавки и последующей термической обработки при Т = 1100 °С
Сравнительный анализ микроструктуры покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна (рис. 2, а) и заэвтектического (рис. 2, б), исследованного в работе [7], показал, что в эвтектическом чугуне карбидная фаза имеет более мелкодисперсное строение, чем в
а
МАТЕРИАЛОВЕ,
Рис. 2. Микроструктура покрытия из хромованадиевого
чугуна:
а - эвтектический; б - заэвтектический
заэвтектическом. Основной объем покрытий из эвтектического чугуна характеризуется наличием пространственно разветвленного каркаса эвтектических карбидов и отсутствием грубых первичных карбидов, имеющих форму протяженных шестигранников.
Содержание элементов в карбидной фазе и в матрице по данным микрорентгеноспектрального анализа в точках (рис. 2, а) представлено в табл. 2. Ванадий находится в покрытиях как в составе карбидов, так и в составе матрицы. Содержание ванадия в матрице в среднем составляет около 1 % мас., а хрома - 11,8 % мас. Доля ванадия в карбидах в среднем составляет 8,6% мас., а хрома - 43,8 % мас.
Процесс нанесения покрытий методом электронно-лучевой наплавки характеризуется малым временем существования ванны расплава и высокой скоростью охлаждения зоны формирования покрытий. Эти факторы приводят к образованию структурно неустойчивого состояния матрицы покрытий при использовании высокоуглеродистых наплавочных материалов. В связи с этим была проведена последующая термическая обработка (высокотемпературный отжиг) образцов с покрытиями.
Анализ металлографических исследований покрытий после термической обработки показал, что в покрытиях, отожженных при температурах 800 и 900 °С, видимых изменений в структуре не наблюдается. В отожженных при температурах 1000 и 1100 °С
Таблица 2
покрытиях наблюдается наличие значительного ко -личества ультра- и нанодисперсных вторичных карбидов, выделившихся из матрицы в пространстве между эвтектическими карбидами (рис. 3).
Эвтектические карбиды при такой термической обработке не претерпели изменений, общее количество карбидов после отжига при 1000... 1100 °С несколько выше, чем после наплавки вследствие выделения вторичных карбидов из пересыщенной аустенитной матрицы. Результаты стереометрического микроанализа покрытий показали, что объемная доля в покрытии вторичных карбидов составляет 10.12 %. Размеры карбидов варьируются в широких пределах от 80 нм до 3 мкм, причем основной объем вторичных карбидов (70.72 %) имеет размер до 400 нм (рис. 4). Объемная доля наноразмерных карбидов (до 100 нм) среди вторичных карбидов составляет порядка 9.10 %.
Рис. 3. Область между эвтектическими карбидами хромованадиевого чугуна (РЭМ, х20000):
а - микроструктура после наплавки; б - после наплавки и последующего отжига при 1100 °С
Данные микрорентгеноспектрального анализа покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна (к рис. 1, а)
Содержание элементов Содержание элементов
Элементы в различных точках матрицы, % мас. в различных точках карбидов, % мас.
1 3 5 2 4 6
V 1,212 0,943 1,1 9,037 8,714 8,172
Cr 12,637 12,011 10,658 45,895 44,134 41,336
Fe 82,533 84,170 84,639 35,340 37,344 40,151
Общее 96,386 97,124 96,397 90,272 90,192 89,659
содержание*
* Без учета элементов (С, Si, Mn, Ni), входящих в состав покрытия. 82 № 3 (52) 2011
Согласно данным рентгеноструктурного анализа, вторичные карбиды представлены соединением М7С3. Матрица покрытий представлена мартенситом (90 %) и остаточным аустенитом (10 %) (см. рис. 1, б). Выявленные в наплавленных покрытиях рентгеноструктур-ным анализом карбиды ванадия У2С, образовавшиеся при кристаллизации расплава, не идентифицируются в покрытиях после высокотемпературного отжига. Это обстоятельство, видимо, обусловлено растворением карбида ванадия в матрице покрытий при высоких температурах в процессе отжига. Как известно [8], наличие хрома повышает растворимость карбида ванадия в аустените при температуре 1000.1150 °С. Некоторое количество хрома, растворяясь в карбидах типа МС, ослабляет межатомные связи в кристаллической решетке карбида-растворителя и облегчает диссоциацию карбидов в у - твердом растворе.
Положительная роль ванадия заключается в том, что он, частично растворяясь в карбиде хрома, сообщает ему повышенную стойкость против коагуляции и усиливает эффект дисперсионного твердения [9]. Поэтому повышение твердости после отжига
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 4. Распределение вторичных карбидов по размерам в покрытиях после отжига при 1100 °С с выдержкой один час
Рис.5. Зависимость коэффициента относительной абразивной износостойкости покрытий (а) и твердости (б) покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна от температуры отжига
обусловлено не только превращением аустенита в мартенсит при соответствующей скорости охлаждения, но и эффектом вторичного твердения, где немаловажную роль играет ванадий, препятствующий коагуляции карбидов хрома в процессе отжига.
Динамику выделения вторичных карбидов в отливках из износостойких сложнолегированных хромистых чугунов изучал Маратрей [10]. Он показал, что с наибольшей скоростью пересыщенный литой аустенит хромомолибденовых чугунов выделяет карбиды при 950... 1000 °С, и этот процесс занимает около четырех часов. В наплавленных электронным лучом покрытиях из хромованадиевого чугуна для интенсивного выделения вторичных карбидов достаточно одного часа при температуре 1000 °С. Температура в 1100 °С уже не даёт существенного прироста твердости и износостойкости. Этот факт свидетельствует о значительной степени пересыщения у- твердого раствора матрицы покрытий из хромованадиевого чугуна в результате электроннолучевой наплавки в вакууме.
наплавки
¿¿эвтектический
Рис. 6. Ударная вязкость (а) и коэффициент относительной абразивной износостойкости (б) покрытий из заэвтектического и эвтектического хромованадиевого чугуна после наплавки и последующей термической
обработки (Т = 1100 °С)
Проведенные испытания покрытий на абразивную износостойкость показали, что отжиг при 800 и 900 °С несущественно сказывается на уровне износостойкости по сравнению с покрытием, не подвергавшимся термической обработке. Видимо, эта температура оказалась недостаточной для растворения в матрице У2С. В то же время отжиг при температурах 1000 и 1100 °С приводит к значительному повышению износостойкости покрытий (рис. 5, а) и твердости (рис. 5, б). Повышение твердости и износостойкости покрытий вызвано как упрочняющим действием выделившихся ультрадисперсных и на-норазмерных карбидов, так и у^а- превращением. Поэтому диспергирование включений всегда обусловливает более однородное распределение напряжений в нагруженном материале и повышение его прочностных характеристик. Ультрадисперсные и наноразмерные карбиды в таких покрытиях в состоянии перераспределять напряжения, возникающие при воздействии абразивных частиц, передавая часть нагрузки в окружающую матрицу.
Результаты сравнительных испытаний покрытий из заэвтектического и эвтектического хромованадие-вого чугуна на ударную вязкость и абразивную износостойкость показали, что ударная вязкость покрытий из эвтектического чугуна значительно превосходит ударную вязкость покрытий из заэвтек-тического чугуна (рис. 6, а), но имеет более низкие значения абразивной износостойкости (рис. 6, б). Относительно высокая ударная вязкость у покрытий из эвтектического чугуна по сравнению с заэвтектическим чугуном является следствием более низкого содержания карбидной фазы, большего количества аустенитной матрицы и
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
относительно высокой дисперсности карбидов. Последующая термическая обработка покрытий несколько снижает ударную вязкость у обоих составов покрытий, но приводит к резкому повышению абразивной износостойкости. Снижение этого параметра в результате последующей термической обработки вызвано у^а- превращением в матрице. Материал покрытий в результате дисперсионного твердения и у^а- превращения в матрице становится более стойким к абразивному истиранию, но при этом более хрупким.
Выводы
1. Высокая скорость охлаждения при вакуумной электронно-лучевой наплавке эвтектического хромо-ванадиевого чугуна приводит к образованию мета-стабильной аустенитной структуры матрицы.
2. Ванадий в покрытиях входит как в состав комплексных карбидов (Сг,Бе,У)7С3, так и в состав аустенитной матрицы. Содержание ванадия в матрице в среднем составляет около 1 % мас., а хрома -11,8 % мас. Доля ванадия в карбидах в среднем составляет 8,6 % мас., а хрома- 43,8 % мас.
3. Высокотемпературный отжиг образцов с покрытиями из эвтектического хромованадиевого чугуна в диапазоне температур 1000...1100 °С в течение одного часа приводит к интенсивному выделению вторичных ультрадисперсных карбидов М7С3 из ме-тастабильной аустенитной матрицы покрытий. Матрица покрытий в результате отжига представлена мартенситом (90 %) и аустенитом (10 %).
4. Объемная доля в покрытии вторичных карбидов составляет 10.12 %. Основной объем вторичных карбидов (70.72 %) имеет размер до 400 нм. Объемная доля наноразмерных карбидов (до 100 нм) составляет порядка 9.10 % среди вторичных карбидов.
5. В результате выделения ультрадисперсных карбидов и у^а- превращения в матрице значительно увеличивается абразивная износостойкость и повышается твердость покрытий. Покрытия из эвтектиче-
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ского хромованадиевого чугуна в 10 раз превосходят по абразивной износостойкости сталь 45 (эталон), но уступают в два раза покрытиям из заэвтектиче-ского хромованадиевого чугуна. Ударная вязкость у покрытий из эвтектического значительно выше, чем у покрытий из заэвтектического хромованадиевого чугуна (51 и 29 кДж/м2 соответственно). Высокотемпературный отжиг покрытий приводит к снижению ударной вязкости покрытий как эвтектического, так и заэвтектического хромованадиевого чугуна (41 и 27 кДж/м2 соответственно).
Список литературы
1. Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г. и др. Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. - № 2. - С. 34-38.
2. Дураков В.Г., Дампилон Б.В. Патент РФ №2378732 «Электронно-ионный источник» // Опубликовано 10.01.2010. Бюл. №1.
3. Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. и др. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Справ. изд. - М.: Металлургия, 1986. - С. 440.
4. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. - М.: Металлургия, 1983. - С. 110.
5. Куликов И. С. Термодинамика карбидов и нитридов. -Челябинск: Металлургия. Челябинское отд-е, 1988. - 320 с.
6. Елагина О.Ю. Особенности формирования карбидных фаз с позиции термодинамического подхода // Перспективные материалы. - 2006. - № 4. - С. 17-22.
7. Дураков В.Г., Дампилон Б.В., Гнюсов С.Ф. Роль мелкодисперсных выделений карбида ванадия в повышении износостойкости покрытий из хромистого чугуна // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. - № 5. - С. 10-14.
8. Банных О.А., Блинов В.М. Дисперсионно-твердею-щие немагнитные ванадийсодержащие стали. - М.: Наука, - 1980. - С. 192.
9. Меськин В. С. Основы легирования стали. - М.: Металлургия, 1964. - С. 684.
10. Maratray F. AFS Transactions. - 1971. - V. 79. -P. 121-124.
Properties of protective coatings on the base of eutectic chrome-vanadium iron obtained by electron-beam hardfacing in vacuum
B.V. Dampilon, V.G. Durakov, L.V. Eremina A.A. Losinskaya, N.S. Mochalina
The investigation results of eutectic chrome-vanadium iron coatings are presented in the given paper. The coatings were obtained on the low-carbon steel substrates by electron-beam hardfacing of powder composite. Powder composite consisted of chromium iron, vanadium and iron. The major volume of hardfaced coatings has quasieutectic structure. The coatings consist of austenitic matrix and (Cr,Fe,V)7C3, V2C carbides. Following high temperature annealing in the range 1000-11000C leads to intensive precipitation of secondary ultrafine carbides M7C3 from metastable austenitic matrix of coatings. The matrix after annealing consists of a -phase (90%) and y -phase (10%). Wear resistance and hardness of the investigated coatings significantly increased due to precipitation hardening and austenite-to-martensite transformation.
Key words: electron-beam hardfacing, eutectic chrome-vanadium iron, wear resistance, secondary ultrafine carbides, high temperature annealing.
