CC BY
105
УДК 621.791.92
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ, СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ И СВОЙСТВ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ НАПЛАВЛЕННОГО ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА Stellite 190W
© 2011 Е.А. Минаков, С.С. Жаткин, А.А. Паркин, О.С. Фураев, В.Г. Климов
Самарский государственный технический университет
Поступила в редакцию 10.11.2011
Работа посвящена исследованию износостойкости плазменно-наплавленных покрытий из порошкового Stellite 190 W, сформированных при токах плазменной дуги от 70 до 115 А. Определены некоторые закономерности изменения износостойкости в зависимости от режимов наплавки, условий теплоотвода, формируемой структуры и свойств наплавленного материала. Ключевые слова: плазменная наплавка, износостойкость, микроструктура, микротвердость
Повышение износостойкости трущихся поверхностей в машиностроении - важная научная и производственная задача [1-5]. Износостойкость плазменных покрытий зависит от большого числа параметров - вида наплавляемого порошкового материала, процентного содержания компонентов, тока плазменной дуги, скоростей наплавки и теплоотво-да, микроструктуры, распределения компонентов сплава и его твердости по ширине и высоте наплавленного материала. Влияние многих параметров на получение покрытий с высокой износостойкостью для различных условий эксплуатации к настоящему времени не достаточно изучено и систематизировано.
Целью данной работы является установление влияния режимов плазменной наплавки, микроструктуры и свойств на износостойкость наплавленного порошкового материала SteШte 190W. Для установления влияния скорости охлаждения и, соответственно, микроструктуры, распределения компонентов сплава и свойств на износостойкость наплавка осуществлялась на медь и долотную сталь 19ХГНМА.
Методика плазменной наплавки описана в работе [1]. Плазменная наплавка на медь осуществлялась в режиме без сплавления с медной подложкой. Для наплавки применялись порошки с размером частиц
Минаков Евгений Александрович, апирант кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» E-mail: laser@samgtu.ru, goodspik@narod.ru. Жаткин Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» E-mail: laser@samgtu.ru, sergejat@mail.ru. Паркин Анатолий Алексеевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» E-mail: laser@samgtu.ru
Фураев Олег Сергеевич, студент кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии», E-mail: ofuraev@yandex.ru.
Климов Вадим Геннадьевич, студент кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии», E-mail: vadim3945@yandex.ru.
40 - 150 мкм. Ток плазменной дуги в эксперименте варьировался в пределах от 70.. .115А.
Состав и процентное содержание исходных компонентов наплавочного материала Stеllite 190W представлен в табл. 1.
Испытания на абразивный износ были проведены на установке Универсал -1А, обеспечивающей через систему датчиков и средств регистрации непрерывный контроль нормальной нагрузки, момента трения, температуры испытуемого образца [4,5]. Испытания проводились локально в нескольких участках зоны наплавки (рис.1), 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. При испытаниях использовалась алмазная паста марки АСМ-3/2-НОМГ, соответственно износ образца осуществлялся алмазным порошком дисперсностью 2-3 мкм. Площадь трения составляла 1,57*10-5м2. Исследование микроструктуры проводилось на аналитическом растровом электронном микроскопе JSM-6390A фирмы JEOL, измерение микротвердости осуществлялось по стандартной методике с использованием микротвердомера ПМТ-3.
Результаты исследований и испытаний. Для
определения влияния микроструктуры на износостойкость плазменно-наплавленного порошкового материала SteШte 190W проведены модельные эксперименты наплавки на медный образец без сплав-ления.Результаты исследования микроструктуры наплавленного SteШte 190W представлены на рис. 2-6.На рис. 2 и 3 показаны микроструктуры в верхней части зоны наплавки и в зоне наплавки, непосредственной контактирующей с медными образцом, при скорости наплавки уН = 1 мм/с.
В верхней части зоны наплавки с ростом тока плазменной дуги до ТД = 100А наблюдается измельчение микроструктуры. Однако при токе дуги ТД = 115А обнаруживаются участки зоны наплавки с повышенными размерами карбидов (до 40-80 мкм)
Таблица 1. Состав и процентное содержание компонентов порошка
Мат-л Со N Fe С Сг Мп Мо Si W V
Stеllite 190 W Основа 48,5 До 3 Не более 5 3 24-28 1 - 0,1-5 12-16 -
В зоне наплавки в приграничной области с медной подложкой формируется мелкозернистая структура в результате более высокой скорости охлаждения из-за отвода тепла непосредственно в медную подложку. При этом происходит растворение карбидной фазы с более равномерным распределенем в кобальтовой матрице. Размеры карбидов с 4-5 мкм уменьшаются до десятых долей микрометра. В целом тенденция изменения микроструктуры наплавленного Stellite 190W с ростом плазменной дуги сохраняется.
а б в
Рис. 2. Микроструктура наплавленного на медь Stellite 190W: а - /д = 85А; б - /д = 100А; в - /д = 115А; верх зоны наплавки; уН = 1 мм/с.
Рис. 1. Общий вид зон трения.
вытянутой формы и неоднородным их распределением по зоне наплавки.
а б в
Рис. 3. Микроструктура наплавленного на медь Stellite 190W: а - /д = 85А; б - /д = 100А; в - /д = 115А; низ зоны наплавки; уН = 1 мм/с.
На рис.4. представлена микроструктура наплавленного Stellite 190W при токах плазменной дуги /д = 85А, 100А и скорости наплавки уН = 5 мм/с.
С ростом скорости наплавки до уН = 5 мм/с микроструктура наплавленного Stellite 190W достаточно резко измельчилась, особенно это заметно при токе плазменной дуги /д = 100А. В приграничной области с медной подложкой при токе дуги /д = 100А сформировались наноструктурированные области. На рис. 5 представлена микроструктура наплавленного Stellite 190W, сформированная при токах плазменной дуги 85, 100 и скорости наплавки уН = 7 мм/с. Повышение скорости наплавки с ун = 5 мм/с до ун = 7 мм/с вызвало дальнейшее измельчение микроструктуры, наноструктурированные области при /д = 100А увеличились по ширине и высоте зоны наплавки. На рис. 6. представлены микроструктуры Stellite 190W, наплавленного на долотную
сталь 19ХГНМА при скорости наплавки уН = 10 мм/с за счет сканирования плазмотрона.
При повышении тока плазменной дуги также, как и при наплавке на медную подложку, происходит измельчение микроструктуры наплавленного сплава. В то же время структура наплавленного сплава на подложку из стали 19ХГНМА остается более крупнозернистой, несмотря на значительно более высокую скорость наплавки.
В целом на формирование микроструктуры оказывает значительное влияние величина тока плазменной дуги и величина теплоотвода в материал подложки, то есть его теплофизические свойства. Скорость наплавки на формирование микроструктуры зоны наплавки оказывает меньшее влияние.
Изменение микротвердости. При плазменно-порошковой наплавке Stellite 190W на медную под-
в г Рис. 4. Микроструктура наплавленного на медь Stellite 190W. а, б - 1Д = 85А; в, г - 1д = 100А; а, в - верх наплавки; б, г - низ наплавки; уН = 5 мм/с. в г Рис. 5. Микроструктура наплавленного на медь Stellite 190W. а, б - 1Д = 85А; в, г - 1Д = 100А; в - верх наплавки; б, г - низ наплавки; уН = 7 мм/с.
а б в
Рис. 6. Микроструктура наплавленного на сталь 19ХГНМА Stellite 190W^. а - 1д = 70А; б - 1д = 85А; в - 1д = 100А; середина наплавки; уН = 10 мм/с.
тигает: при скорости наплавки 5 мм/с: Нц =1350 кг/мм2(/Д = 80А); Нц =1290 кг/мм2 (1Д = 100А); при скорости наплавки 7 мм/с: Нц =1200 кг/мм2(1д = 80А); Нц =1370 кг/мм2 (1Д = 100А).
Для плазменно-наплавленного Stellite 190W на сталь 19ХГНМА микротвердость изменяется в пределах 500-800 кг/мм2 для токов дуги 70-115А и скорости наплавки 10мм/с. С ростом тока плазменной дуги с 70 А до 100А при наплавке на подложку из стали 19ХГНМА микротвердость повышается с 500 кг/мм2 до 800 кг/мм2, при этом происходит уменьшение величины микротвердости по высоте наплавке и разброса значения микротвердости по ширине зоны наплавки [1].
Результаты величины износа в зависимости от тока дуги, скорости наплавки и микротвердости представлены в табл. 2. Из табл.2 видно, что величина износа Stellite 190W, наплавленного на сталь 19ХГНМА, в 2-5 раза выше, чем при наплавке на медную подложку. Величина износа при наплавке на сталь 19ХГНМА практически линейно коррелирует с изменением микротвердости материала, что указывает на абразивную природу износа. Износ
Рис. 7. Зависимость микротвердости наплавленного Stellite 190W на медную подложку от тока плазменной дуги: 1-/д=80А; 2-/д=100А; 3-/д=115А.
по глубине наплавки практически не изменяется. Максимальное среднее значение микротвердости достигается при токе плазменной дуги 100А.
Величина среднего значения микротвердости наплавленного Stellite 190W на медную подложку дос-
наплавленного сплава Stellite 190W на медь зависит скорости наплавки величина износа зависит не ли-от скорости наплавки и тока плазменной дуги. От нейно.
Таблица 2. Результаты испытаний на линейный износ и микротвердость наплавленного материала
Материал Ток наплавки (А) <Дй>изн. (мкм) <НЦ>, кгс/мм2
Stellite 190W (ун =10мм/с, наплавка на 19ХГНМА) 70 88 500
85 114 700
100 91 800
Stellite 190W (ун=5мм/с, наплавка на медь) 80 20,6 1350
100 21,8 1290
Stellite 190W (ун=7мм/с, наплавка на медь) 80 24,8 1200
100 29,6 1370
Stellite 190W (ун=1мм/с, наплавка на медь) 85 49,1 600-800
100 60,6 850-1150
115 51,3 800-1000
С ростом скорости наплавки до Ун=5мм/с величина износа уменьшается, дальнейшее повышение скорости наплавки приводит к некоторому увеличению значения износа. При увеличении тока плазменной дуги с 1д=80А до 1д=100А для всего диапазона скоростей происходит некоторое повышение величины износа. Отсутствие однозначной корреляции между изменением скорости наплавки, тока плазменной дуги и износа может указывать непосредственно на влияние структурного фактора.
На рис. 8-10 представлены диаграммы износа микроструктуры плазменно-наплавленного Stellite 190W в зоне трения. В процессе испытаний на износ плазменно-наплавленного материала Stellite 190W на медную подложку реализуется автоколебательный режим трения.
Период колебаний в процессе трения увеличивается, при этом с определенной синхронностью наблюдается рост амплитуды колебаний нормальной нагрузки, температура зоны трения достигает своего максимума на участке спадания амплитуды колебаний.
В работе [2] данный режим описывается как неравномерное относительное скольжение фрикционных элементов со скоростью V заданного равномерного перемещения одного из элементов, а состоит из последовательного чередования двух различных этапов: этапа относительного покоя фрикционных элементов и этапа скачка - неравномерного относительного скольжения их. Скорость скольжения при скачке может достигать значительных величин и намного превышать величину V. В зависимости от относительной длительность этапов график колебательного процесса может быть либо близким к синусоидальному, либо пилообразным. Этот процесс износа типичен для упругодеформированных материалов, что характерный для материалов с высокой твердостью, что соответствует экспериментальным результатам. Во время этапа относительного покоя
происходит накопление потенциальной упругой энергии в системе, во время этапа скачка происходит самопроизвольная упругая разгрузка с переходом запасенной упругой энергии в работу силы трения. Для того чтобы упругая разгрузка была возможной, необходимо чтобы сила трения скольжения была меньше силы трения покоя в момент срыва.
Анализ изменения диаграмм износа и микроструктур наплавленного Stellite 190W в зоне трения показывает их однозначную связь. Изменение амплитуды колебаний, вероятно, связано с износом крупнодисперсных карбидов. В то же время возникновения относительно высокочастотных колебаний на диаграмме износа можно объяснить с износом мелкозернистой структуры, размер которой значительно меньше размера абразивного порошка алмаза с дисперсностью 2 - 3 микрометра. Из рис. 8-9 видно, что при наплавке Stellite 190W на медь с уменьшением дисперсности структурных элементов высокочастотная составляющая на диаграмме износа все менее проявляется и наоборот.
Выводы. На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. В условиях высокоскоростного теплоотвода при наплавке Stellite 190W на медную подложку формируется неоднородная микроструктура. При этом наиболее дисперсная структура с нанострукту-рированными областями образуется в зоне контакта наплавленного слоя с медной подложкой.
2. Повышенная дисперсность структуры при наплавке на медную подложку обеспечивает более высокую твердость наплавленного Stellite 190W. При этом микротвердость повышается до 1350-1400 кгс/мм2 по сравнению с наплавкой на долотную сталь.
3. Формирование высокодисперсной микроструктуры Stellite 190W при наплавке на медь снижает износ наплавленного материала в 3-4 раза по сравнению с наплавкой на стальную подложку.
Рис. 8. Диаграмма износа и микроструктура плазменно-наплавленного
на медь порошка Stellite 190W:а-Iд=80А; б-1д=100А;уН=5мм/с; 1 -нор мальная нагрузка, кгс; 2-момент трения, Н*м; 3-температура, 0С.
0:06:40 0:08:20
а
б
Рис. 9. Диаграмма износа и микроструктура плазменно-наплавленного
на медь порошка Stellite 190W:а-Iд=80А; б-1д=\00А'уН=7мм/с; 1 - нормальная нагрузка, кгс; 2-момент трения, Н*м; 3-температура, 0С.
6
Рис. 10. Диаграмма износа и микроструктура плазменно-наплавленного на сталь 19ХГНМА порошка SteШte 190W:а-Iд=85А; б-/д=ША^Н=10мм/с; 1-нормальная нагрузка, кгс; 2-момент трения, Н*м; 3-температура, 0С
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Паркин А.А., С. С. Жаткин, Минаков Е. А. Оптимизация технологии плазменной наплавки порошковых материалов. Металлургия машиностроения. - 2011. - № 1. - С.44-49.
2. Амосов А.П. Теплофизические модели трения инертных и взрывчатых материалов. - М.: Машиностоение, 2011. -363 с., ил.
3. И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Под
ред. Д.Г. Громаковского; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.
4. Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев //Монография / И.Д. Ибатуллин - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - 387 с.: ил. ISBN - 978-5-7964-1211-4.
5. Ибатуллин И.Д. Новые методы и приборы для экспрессной оценки энергетических параметров усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев. //Диссертация на соискание ученой степени д. т. н. Специальность: 01.04.01. Год: 2010.
INFLUENCE OF PLASMA CLADDING MODES, STRUCTURAL FACTORS AND PROPERTIES ON WEAR RESISTANCE OF CLAD POWDER MATERIAL Stellite 190W
E.A. Minakov, S.S. Zhathin, A.A. Parkin, O.S. Furayev, V.G. Klimov
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.
Key words: Plasma weld deposit, wear resistance, microstructure, microhardness
Sergey Zhatkin, Candidate of technological sciences, associate professor at the department offounding and high-performance processes. E-mail: laser@samgtu.ru, sergejat@mail.ru.
Anatoly Parkin, Candidate of technological sciences, professor at the department offounding and high-performance processes. E-mail: laser@samgtu.ru.
Evgeny Minakov, postgraduate at the department of founding and high-performance processes. E-mail: la-ser@samgtu.ru, goodspik@narod.ru. OlegFurayev, student. E-mail: ofuraev@yandex.ru. Vadim Klimov, student. E-mail: vadim3945@yandex.ru.
