СВС композиционные порошки карбид титана связки из сплавов на основе железа для наплавки износостойких покрытий

СВС композиционные порошки карбид титана - связки из сплавов на основе железа для наплавки износостойких покрытий

Г.А. Прибытков, М.Н. Храмогин, В.В. Коржова

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

С применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) получены композиционные порошки «карбид титана - связка из высокохромистого чугуна или быстрорежущей стали Р6М5». Электронно-лучевые покрытия, наплавленные синтезированными порошками, исследованы методами металлографии и рентгеноструктурного анализа. Обсуждено влияние микроструктуры и фазового состава, а также объемного содержания и морфологии карбидной фазы в наплавленных покрытиях на их твердость и абразивную износостойкость.

SHS composite powders “TiC - Fe-based binder” for wear-resistant hardfacing

G.A. Pribytkov, M.N. Khramogin, and V.V. Korzhova

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

Composite powders “titanium carbide - cast iron or high-speed steel binder” are produced by self-propagating high-temperature synthesis (SHS). Powder coatings deposited by electron-beam surfacing on a low-carbon steel substrate are studied using metallography and X-ray diffractometry. We discuss the effects of microstructure and phase composition as well as volume content and morphology of the carbide phase in the deposited coatings on their hardness and abrasive wear resistance.

1. Введение

Металломатричные композиты «тугоплавкий карбид - металлическая связка» считаются одним из наиболее перспективных материалов, применяемых в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Твердые карбидные частицы обеспечивают повышенную твердость материала, а пластичная металлическая матрица — необходимый уровень вязкости, что позволяет использовать эти материалы при умеренных ударных нагрузках. Спеченные твердые сплавы инструментального назначения и карбидостали [1] являются типичными представителями металломатричных композитов с дисперсной упрочняющей фазой. К этому типу композиционных материалов можно также отнести высокохромистые чугуны [2], которые, однако, сильно уступают по износостойкости спеченным композитам по причине нерегулярной морфологии и грубодисперсной структуры карбидной фазы [3]. Грубодисперсная структура

литых высокохромистых чугунов является причиной их хрупкости, что затрудняет применение чугунов для отливки деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания: черпаки драг, отвалы бульдозеров, барабаны шаровых мельниц и т.д. Для подобных деталей строительно-дорожной и горнодобывающей техники часто применяют электродуговую наплавку износостойких покрытий на поверхность стальных деталей. Для наплавки обычно используют электроды, по составу относящиеся к высокохромистым чугунам. Поэтому структура и абразивная износостойкость электродуго-вых покрытий мало отличается от характеристик чугунных отливок с одинаковым элементным составом.

Существенное повышение абразивной износостойкости наплавленных покрытий достигается использованием для наплавки концентрированных источников нагрева [4]. В этом случае возможна наплавка композиционных порошков, содержащих дисперсные карбид-

© Прибытков Г.А., Храмогин М.Н., Коржова В.В., 2006

ные включения в металлической матрице. Износостойкость электронно-лучевых покрытий, наплавленных композиционными порошками «карбид титана - связка из высокохромистого чугуна», достигает рекордных значений [3], но практическое применение композиционных порошков для наплавки износостойких покрытий возможно только после разработки экономически эффективных методов их производства. В работе [5] для электронно-лучевой наплавки (ЭЛН) использованы композиционные порошки, полученные методом саморас-пространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с предварительным подогревом порошковой реакционной смеси. Было установлено, что ЭЛН-по-крытия, наплавленные СВС-порошками, заметно уступают по качеству покрытиям, наплавленным порошками, полученными малопроизводительным методом вакуумного спекания. Практической целью настоящей работы было усовершенствование технологии саморас-пространяющегося высокотемпературного синтеза композиционных порошков, чтобы добиться улучшения качества наплавленных покрытий.

2. Материалы и методики

Синтез композиционных порошков проводили в откачиваемом реакторе при вакууме 5 -10-2 мм рт. ст. (7.0 Па). Реакционные смеси получали смешиванием порошков титана, сажи и инертной в тепловом отношении металлической связки. В качестве металлической связки использовали порошок высокохромистого чугуна марки ПГ-С27 и порошок быстрорежущей стали Р6М5, полученный переработкой стружковых отходов [6]. Весовое соотношение титана и сажи в смесях составляло 4:1, что соответствует эквиатомному составу ТЮ. Содержание порошков металлической связки варьировали в интервале 20...50 масс. %. Сборку из нескольких таблеток реакционной смеси с помещенной сверху поджигающей таблеткой и вольфрамовой спиралью монтировали на столике реактора. После достижения внутри реактора указанного выше вакуума инициировали начало синтеза кратковременным нагревом вольфрамовой спирали. Откачку реактора продолжали до полного остывания продукта синтеза — пористого спека. Композиционный порошок получали дроблением и рассевом СВС-спеков с выделением фракции

50...200 мкм, которая использовалась для электроннолучевой наплавки [3]. В описанной последовательности технологически операций отсутствует стадия предварительного подогрева реакционной смеси до температуры самовоспламенения. Это уменьшает возможность взаимодействия компонентов порошковой смеси (в первую очередь титана) с остаточными газами форвакуума. Синтезированные порошки использовали для электронно-лучевой наплавки [4] на подложку из малоуглеродистой стали.

Микроструктуру наплавленных покрытий исследовали методом металлографии (МИМ-8) на нетравленых шлифах. Фазовый состав композиционных порошков и наплавленных покрытий определяли методами рентгеноструктурного анализа (ДРОН-1). Съемку проводили на фильтрованном Со-излучении со скоростью 4° в минуту. Перед съемкой наплавленные образцы были отожжены в вакууме при 800 °С в течение 1 ч. Определяли твердость по Роквеллу и абразивную износостойкость покрытий по ГОСТ 23.208-79 «Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы». В качестве абразива использовали кварцевый песок с размером частиц

200...300 мкм.

3. Результаты и их обсуждение

СВС-спеки, полученные в результате вакуумного синтеза порошковых смесей, легко дробятся вне зависимости от содержания связки в пределах 13...37 об. % для стали и 14...40 об. % для чугуна. Выход фракции

50...200 мкм, которая далее использовалась для электронно-лучевой наплавки, составлял не менее 86 вес. % (табл. 1). Наплавка порошков всех (кроме одного) составов, приведенных в табл. 1, позволила получить достаточно плотные покрытия. При наплавке порошка с минимальным (13 об. %) содержанием стальной связки сплошное покрытие удается получить только при большой мощности электронного луча. При этом происходит глубокое проплавление стальной подложки, приводящее к сильному разбавлению связки и уменьшению объемной доли карбидной фазы в наплавленном покрытии по сравнению с шихтовым составом. Поэтому покрытие с таким составом далее не исследовалось. Хорошая наплавляемость композиционного порошка с малым содержанием (14 об. %) чугунной связки объясняется меньшей температурой плавления и лучшей жид-котекучестью чугуна по сравнению со сталью. Рентгенографическое исследование показало, что вне зависи-

Таблица 1

Результаты дробления и рассева СВС-спеков «ТЮсвс + связка на железной основе»

Содержание металлической связки Выход фракций, масс. % Дробимость

<50 мкм 50...200 мкм

13 об. % Р6М5 9.2 90.8 Хорошая

20 об. % Р6М5 9.1 90.9

29 об. % Р6М5 8.8 91.2

37 об. % Р6М5 10.2 89.8

14 об. % ПГ-С27 14.3 85.7

22 об. % ПГ-С27 9.1 90.9

30 об. % ПГ-С27 9.6 90.4

40 об. % ПГ-С27 9.3 90.7

¡илчШ < * *

Рч| ' < Г.Л ’ -

у*,% >'* .4 ’ 1 /(>

у-Т ? ‘ '*

А * , - , л

^ \ й | \ . /

&а :Г #

^ ; у %

р1\

30 мкм I-----1

Рис. 1. Микроструктура электронно-лучевых покрытий «карбид титана - быстрорежущая сталь Р6М5» с объемным содержанием связки: 37

мости от элементного состава и объемного содержания связки основные фазы в синтезированных композиционных порошках и наплавленных покрытиях — это карбид титана и а-железо. При наших условиях съемки не выявлено какого-либо смещения линий на рентгенограммах при переходе от порошка к наплавке или при изменении содержания металлической связки. Это свидетельствует о примерном постоянстве элементного состава фаз в исследованных порошках и наплавленных покрытиях. При постоянстве углового положения линий на рентгенограммах их относительная интенсивность изменяется вследствие различного содержания карбида и связки в наплавляемых порошках. Кроме того, содержание карбида титана в наплавке уменьшается по сравнению с его содержанием в порошке вследствие подмешивания расплава подложки к расплавленной стальной связке в процессе наплавки.

Микроструктура наплавленных покрытий, выявленная на нетравленых шлифах, приведена на рис. 1 и 2. Изменение содержания стальной или чугунной связки влияет на средний размер частиц карбида титана и морфологию карбидной фазы. Механизм этого влияния — понижение температуры горения в присутствии инертной в тепловом отношении стальной связки в реакционной порошковой смеси [7]. Чем меньше содержание связки, тем выше температура горения и тем благоприятнее условия для огрубления структуры под действием термодинамической движущей силы, связанной с

межфазной поверхностной энергией. Размер частиц карбида титана минимален в покрытии с максимальным содержанием связки (рис. 1, а, 2, а). При относительно невысокой температуре горения в этом случае рост зародышей карбида титана, возникающих из металлического расплава, подавлен и структура карбидной фазы наиболее дисперсная по сравнению с другими составами. При минимальном содержании связки время существования металлического расплава достаточно не только для роста крупных кристаллов карбида из жидкого расплава, но и для их сращивания в случае соприкосновения смежными плоскостями (рис. 1, в, 2, г). Изменение объемного соотношения компонентов реакционной смеси влияет также на однородность распределения включений карбида титана по объему покрытия. Наиболее однородное распределение карбидной фазы в объеме связки наблюдается в покрытиях с содержанием связки 29...30 об. % (рис. 1, б, 2, б). Избыток металлической связки (рис. 1, а, 2, а) или ее недостаток (рис. 1, в, 2, г) приводит к неоднородности в структуре покрытия — появлению областей связки, почти свободных от карбидов.

Описанные выше изменения структуры при увеличении объемного содержания металлической связки влияют на твердость и абразивную износостойкость наплавленных покрытий. Зависимость износостойкости от содержания связки имеет экстремальный характер как для чугуна, так и для стали (рис. 3).

Рис. 2. Микроструктура электронно-лучевых покрытий «карбид титана - высокохромистый чугун» с объемным содержанием связки: 40

Рис. 3. Средние значения пористости п, твердости HRC и относительной износостойкости 8 электронно-лучевых покрытий «Т1Ссвс + чугун» (а) и «Т1Ссвс + быстрорежущая сталь» (б) в зависимости от содержания связки (об. %) в наплавляемом порошке

Максимальную твердость и износостойкость имеют покрытия с 29...30 об. % связки. Как отмечено выше, эти покрытия отличаются от остальных однородным по объему распределением равноосных включений карбида титана. Покрытия с максимальным содержанием стальной или чугунной связки имеют значительно меньшую твердость и износостойкость, несмотря на то, что зерна карбида титана в этом покрытии мельче, а пористость ненамного больше, чем в предыдущем. Уменьшение твердости с уменьшением содержания карбида титана, имеющего рекордную для металлических карбидов твердость (Ну = 31.0...34.8 ГПа), закономерно. На падение абразивной износостойкости дополнительно влияет неоднородность распределения включений карбида титана (рис. 1, в, 2, г), т.к. обширные области связки, свободные от карбидных включений, не могут противостоять изнашивающему действию абразива.

Покрытия с малым содержанием связки также заметно уступают по свойствам покрытиям с 29...30 об. % связки. Увеличение содержания карбида титана сопровождается уменьшением твердости и износостойкости. В этих покрытиях влияние карбида титана, вызывающее повышение твердости, с избытком компенсируется влиянием пористости, размера карбидного зерна и неод-

нородности структуры, ухудшающим твердость. Основной причиной невысокой износостойкости покрытия, по нашему мнению, является его грубодисперсная структура со свободными от карбидных включений областями связки, которые чередуются с крупными карбидными включениями и их конгломератами. В такой структуре обособленные области металлической связки легко изнашиваются абразивом. При этом площадь контакта крупных карбидных включений и их конгломератов со связкой уменьшается, и они вырываются целиком под силовым воздействием абразивных частиц.

4. Выводы

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в вакууме без предварительного подогрева реакционных смесей является эффективным методом получения композиционных порошков «карбид титана -связка из высокохромистого чугуна или быстрорежущей стали Р6М5» с объемным содержанием связки 14...40 %.

Твердость и абразивная износостойкость электронно-лучевых покрытий, наплавленных с применением СВС-композиционных порошков, определяются объемным содержанием карбидной фазы и морфологическими особенностями структуры композита.

Абразивная износостойкость покрытий максимальна при объемном содержании чугунной или стальной связки 29...30 %.

Литература

1. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., ФрагеН.В. Карбидостали. - М.: Металлургия, 1988. - 143 с.

2. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. -

М.: Машиностроение, 1983. - 176 с.

3. Прибытков Г.А., Полев И.В., Батаев В.А., Иванов М.Б. Структура и абразивная износостойкость композитов «тугоплавкий карбид -металлическая матрица» // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск. - Ч. 1. - С. 419-422.

4. Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., Ремпе Н.Г.

Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. -№ 2. - С. 34-38.

5. Прибытков Г.А., Полев И.В., Коржова В.В. Композиционные порошки для электронно-лучевой наплавки покрытий «карбид титана - высокохромистый чугун» // Сварочное производство. -2006. - № 5. - С. 38-41.

6. Прибытков Г.А., Храмогин М.Н., Коржова В.В. Переработка стружковых отходов быстрорежущей стали в порошок для электронно-лучевой наплавки покрытий // Материалы. Технологии. Инструменты. - 2004. - № 3. - С. 87-91.

7. Рогачев А.С., Шкиро В.М., Чаусская И.Д., Швецов В.М. Безгазовое

горение в системе «титан - углерод - никель» // Физика горения и взрыва. - 1988. - № 6. - С. 86-93.