Full Text

Для повышения ресурса узлов оборудования, работающих в условиях абразивного изнашивания, эффективно применяются напыленные покрытия из порошковых проволок системы легирования Fe-C-Cr-Ti-Al [1, 2]. Однако наличие пор и слоистой структуры металлизационных покрытий приводит к снижению их износостойкости [3, 4], а достаточно низкая адгезия покрытия (20-35 МПа) в условиях эксплуатации может привести к отслоению. С целью улучшения характеристик напыленных покрытий их подвергают последующему оплавлению концентрированными источниками нагрева [5-9]. По параметрам стоимости, мобильности и универсальности оборудования наиболее перспективным источником является сжатая (плазменная) дуга [10]. Целью исследования было определение влияния плазменного оплавления на абразивную износостойкость покрытий, полученных методом активированной дуговой металлизации из порошковых проволок системы легирования Fe-C-Cr-Ti-Al. В качестве основы для нанесения покрытий были использованы пластины из качественной стали 40 размерами 240×70×10. Напыляемый материал - порошковая проволока марки ППМ-8 (80Х22Т2Ю2) диаметром 2 мм. Перед нанесением покрытия производили дробеструйную обработку поверхности подложки. Для нанесения покрытий толщиной 1,7-2 мм использовали аппарат активированной дуговой металлизации АДМ-10 [11, 12]. Напыление производили под прямым углом к поверхности изделия, на параметрах, представленных ниже. Параметры режима активированной дуговой металлизации: Ток, А Напряжение, В Скорость напыления, м/мин Дистанция напыления, мм Давление воздуха, МПа Давление пропана, МПа 200 28 6 100 0,30 0,32 Плазменное оплавление металлизационного покрытия осуществляли на оборудовании, разработанном на кафедре «Сварочное производство и технология конструкционных материалов» Пермского национального исследовательского политехнического университета [13]. В качестве защитного и плазмообразующего газа использовали аргон. Параметры режима плазменной обработки приведены ниже. Параметры режима плазменного оплавления: Ток, А Диаметр сопла, мм Скорость обработки, м/ч Дистанция обработки, мм Расход плазмообразующего газа, л/мин Расход защитного газа, л/мин 160 4 6 5 2,5 4,5 Наплавку используемой порошковой проволоки выполняли неплавящимся электродом в среде аргона. Режимы наплавки - ток 170 А, напряжение 34 В. Наплавку слоев выполняли непрерывно, в один слой. Из пластины с нанесенным металлизационным покрытием, до и после плазменного оплавления, с помощью электроэрозионного проволочно-вырезного станка AGIE CHARMILLES CUT 20 были вырезаны образцы размерами 10×10×10 мм. Микроструктурные исследования выполнены на металлографическом микроскопе «ЛабоМет-3» и сканирующем электронном микроскопе VEGA II XMU, химический состав с поверхности покрытий определяли фотоэлектрическим спектральным методом по ГОСТ 18895-97, микротвердость по сечению покрытий измеряли на микротвердомере Shimadzu HMV-G21DT под нагрузкой 0,5 Н (50 гс) и 3 Н (300 гс), фазовый состав покрытий определяли на рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Advance в Cr-kα-излучении. Износостойкость определяли путем совершения возвратно-поступательных движений поверхности образцов по шлифовальной шкурке по ГОСТ 6456-82. Путь трения образца за одно испытание при скорости движения 0,158 м/с устанавливали равным 60 м. Нормальная удельная нагрузка на образец 1 МПа. Длина одного рабочего хода образцов 0,125 м, шаг образца за один рабочий ход 0,0012 м. Металлизационное покрытие имеет слоистую структуру (рис. 1, а), характерную для напыленных покрытий. Толщина покрытия составляет 1840 мкм. Видно, что покрытие характеризуется значительной неоднородностью структуры, наличием пор и несплошностей. а б в Рис. 1. Макроструктура образцов: а - напыленное покрытие; б - покрытие после плазменного оплавления; в - наплавленного слоя Плазменная поверхностная обработка напыленного покрытия привела к его полному переплаву и устранению структурных неоднородностей (рис. 1, б). Толщина переплавленного покрытия составляет 2380 мкм. Следовательно, по изменении толщины покрытия смешение с основой после плазменного оплавления составляет примерно 30 %. Оплавленное покрытие имеет однородную структуру, в которой отсутствуют оксидные фазы, в большом количестве имевшиеся в исходном напыленном покрытии. Наплавленный металл имеет структуру без видимых границ между слоями (рис. 1, в). Толщина слоя составляет 1,75 мм. Наплавка характеризуется отсутствием крупных пор и несплошностей. Покрытие представляет собой тонкие чередующиеся волнообразные прослойки белого, серого и черного цветов, различной величины и конфигурации (рис. 2, а). Очевидно, что участки темно-серого и черного цветов являются оксидными прослойками. Металлические фрагменты белого цвета представляют собой твердый раствор хрома в аустените и мартенсите с большим содержанием легирующих элементов. В наиболее крупных частицах покрытия наблюдается структура точечного характера, похожая на отпущенный мартенсит с включениями дисперсных карбидов. а б в Рис. 2. Микроструктура образцов: а - напыленное покрытие; б - покрытие после плазменного оплавления; в - наплавленного слоя Переплавленное покрытие имеет дендритное строение и состоит из мартенсита с выделением дисперсных карбидов (рис. 2, б). Форма и размеры зерна по толщине оплавленного слоя сильно меняются, что объясняется особенностями теплоотвода от расплавленного покрытия в основу с большим коэффициентом теплопроводности [14, 15]. Наплавленный металл имеет характерную ячеистую феррито-мартенситную структуру с выделившимися по границам зерен крупными частицами упрочняющих фаз (рис. 2, в). Рентгеноструктурный анализ полученных покрытий показал, что единственной надежно регистрируемой фазой всех покрытий является твердый раствор на основе a-железа. Других фаз на дифрактограммах не выявлено, вероятно, вследствие их малого количества в покрытиях. Результаты спектрального анализа с поверхности образцов (табл. 1) показали, что в процессе напыления практически не происходит выгорания легирующих элементов. Самое высокое содержание легирующих элементов наблюдается в напыленном покрытии. Содержание легирующих элементов в наплавленном слое в среднем в два раза меньше, чем в напыленном, что объясняется частичным выгоранием элементов, а также интенсивным смешением с основным металлом в процессе наплавки. Наименьшее содержание легирующих элементов наблюдается в напыленном покрытии после плазменного оплавления. Плазменное оплавление привело к полному исчезновению алюминия и титана, а также к сокращению содержания хрома и углерода в два раза. Такое резкое снижение концентрации легирующих элементов после плазменного оплавления объясняется несколькими процессами. Присутствующие в напыленном покрытии оксиды Ti и Al, вследствие их нерастворимости в расплавленном металле, в процессе плазменного оплавления всплывают в шлак. Карбиды Ti, а также Ti и Al, растворенные в металлической матрице покрытия, также окисляются при взаимодействии с кислородом из пор и оксидов и уходят в шлак. Основными причинами снижения концентрации C и Cr, вероятно, являются смешение с основным металлом и выгорание, что подтверждается химическим анализом однослойной наплавки (см. табл. 1). Таблица 1 Химический состав покрытий Тип покрытия Содержание элемента, мас. % C Cr Al Ti АДМ-покрытие 0,77 20,04 2,18 1,56 Оплавленное покрытие 0,37 8,91 0,01 0,01 Наплавка в 1 слой 0,50 10,69 0,75 0,99 Наиболее высоким уровнем микротвердости, несмотря на низкое содержание легирующих элементов, характеризуется напыленное АДМ-покрытие после плазменной обработки, а наименьшим - исходное покрытие (табл. 2). Плазменная обработка привела к переплавлению данного покрытия, способствовала устранению пористости и оксидных фаз, что обеспечило более равномерное распределение химических элементов и структурных составляющих в покрытии. Присутствующие в напыленном покрытии Ti и Al при плазменном оплавлении выступили в роли раскислителя и вышли в шлак. Высокие скорости охлаждения при плазменной обработке обусловливают образование структуры среднеуглеродистого мартенсита с включениями дисперсных карбидов хрома, что привело к значительному повышению микротвердости напыленного покрытия. Пониженная твердость наплавки объясняется образованием феррито-мартенситной структуры за счет наличия в ней сильных ферритизаторов - Cr и Al, а также высокого содержании Ti, обусловливающего обеднение металлической матрицы углеродом при образовании карбидов. Таблица 2 Средняя микротвердость покрытий по сечению Тип покрытия Микротвердость HV0,05 HV0,3 АДМ-покрытие 460 ± 64 487 ± 50 АДМ-покрытие после плазменного оплавления 831 ± 18 753 ± 14 Наплавка 576 ± 18 571 ± 11 По результатам определения потерь массы образцов после испытаний износостойкости по закрепленному абразиву наибольшую износостойкость имеет покрытие после плазменного оплавления (0,1444 г), а наименьшую - исходное металлизационное покрытие (0,3738 г), при этом износостойкость оплавленного покрытия на 85 % выше износостойкости наплавки (0,2660 г) (рис. 3). Рис. 3. Относительная износостойкость различных видов покрытий В условиях абразивного износа высокая износостойкость более однородных оплавленных покрытий с равномерным распределением дисперсных упрочняющих фаз в сравнении с металлизационными покрытиями до оплавления может быть связана с ускоренным микрорезанием последних при попадании абразивных частиц в относительно мягкие пограничные слои и поры. В то же время при однослойной наплавке образуется феррито-мартенситная структура с выделением карбидов хрома и титана по границам зерен, обусловливающая снижение твердости и износостойкости покрытия. Рис. 4, а показывает, что изнашивание напыленного покрытия происходит преимущественно по механизму царапания (пластического оттеснения). Об этом свидетельствует присутствие на поверхностях рассматриваемых покрытий наряду с отдельными однонаправленными впадинами и выступами, связанными с отделением микростружки, выглаженных участков, следов передеформирования металла и большого количества усталостных микротрещин, вызванных развитием малоцикловой фрикционной усталости. Помимо глубоких царапин наблюдается также отслоение фрагментов покрытия, что говорит о их низкой когезионной прочности, связанной с образованием оксидных прослоек на межламелярных границах. Таким образом, абразивное изнашивание покрытия, полученного методом АДМ, происходит по смешанному механизму царапания и отслоения. а б в Рис. 4. Поверхности износа: а - напыленное АДМ-покрытие; б - покрытие после плазменного оплавления; в - наплавленный металл Изнашивание напыленного покрытия с последующим плазменным оплавлением и наплавленного металла происходит по механизму микрорезания, реализующегося в процессе одноактного отделения микрообъема металла от поверхности покрытия под воздействием абразивного зерна. На это указывает наличие на поверхностях изнашивания обоих покрытий характерных следов микрорезания в виде борозд и отвалов с острыми краями, ориентированных в направлении движения абразивных зерен (рис. 4, б, в). Развитие механизма микрорезания свидетельствует о том, что твердость использованного абразива более чем в 1,3 раза превышает твердость структурных составляющих оплавленного покрытия и наплавленного слоя. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Плазменная обработка металлизационного покрытия системы Fe-Cr-C-Ti-Al приводит к его полному переплавлению и изменению структуры от ламеллярно-пористой до монолитной. В результате быстрой кристаллизации оплавленного покрытия и изменения его химического состава образуется структура среднеуглеродистого мартенсита с включениями дисперсных карбидов хрома. 2. Установлено, что плазменное оплавление металлизационного покрытия привело к повышению его твердости в 1,5 раза, а износостойкости в 2,5 раза. Вероятно, это связано с ламеллярно-пористой структурой напыленного покрытия, обусловливающей смешанный механизм износа, характеризующийся процессами царапания и отслоения участков покрытия с низкой когезионной прочностью, при попадании абразивных частиц в пограничные слои и поры покрытия. 3. Пониженная твердость и износостойкость наплавленных слоев обусловливается формированием феррито-мартенситной структуры, обладающей меньшей твердостью, чем мартенситная структура оплавленных покрытий.

About the authors

V. S Verkhorubov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: v.verkhorubov@mail.ru

S. V Nevezhin

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: snevezhin@gmail.com

Iu. S Korobov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: yukorobov@gmail.com

S. D Neulybin

Perm National Research Polytechnic University

Email: sn-1991@mail.ru

S. A Terent’ev

Perm National Research Polytechnic University

Email: svarka@pstu.ru

Iu. D Shchitsyn

Perm National Research Polytechnic University

Email: svarka@pstu.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 20

PDF (Russian) - 9

Refbacks

• There are currently no refbacks.