Металлографические исследования структуры защитных покрытий, выполненных методом газопорошковой наплавки

Металлографические исследования структуры защитных покрытий, выполненных методом газопорошковой наплавки

1 112 Т.А. Литвинова , Д.В. Могилевский , Н.Н. Подрезов , С.Н. Егоров , Р.В.

Пирожков1

1 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Волгодонский инженерно-технический институт-филиал 2Донской государственный технический университет, Волгодонский филиал

Аннотация: Проведено комплексное металлографическое исследование структуры и свойств защитных покрытий, выполненных методом газопорошковой наплавки. Выполнен фазовый рентгеноструктурный анализ структурных составляющих для определения внутреннего состояния покрытия. Был проведен анализ представленных дифрактограмм и микроструктур.

Ключевые слова: газопорошковая наплавка, порошковая сталь, микроструктура, защитные покрытия.

Изнашивания рабочих поверхностей обуславливают необходимость развития новых способов поверхностного упрочнения и их практического использования, как при изготовлении, так и при ремонте и реконструкции узлов и деталей установок. Основная проблема поверхностного износа проявляется в теплоэнергетике, где интенсивному высокотемпературному газоабразивному износу подвергаются рабочие поверхности таких деталей, как котлы с «кипящим слоем», трубы пароперегревателей, колпачки трубных досок, элементы запорной арматуры и др.

При этом разработка и реализация новых технологических методов упрочнения представляет собой довольно сложную проблему, так как в каждом конкретном случае упрочнение поверхности детали требует индивидуальный подход при выборе того или иного способа наплавки и его технологических параметров.

Комплексные исследования позволят дать наиболее полное представление о свойствах защитного покрытия [1], поэтому целью настоящей работы является проведение комплексного металлографического

исследования структуры и свойств защитных покрытий, выполненных методом газопорошковой наплавки.

Для исследований была подготовлена серия образцов (рис.1), состоящих из основного материала и покрытий с различной толщиной (И= 1,0-1,2 мм; И= 1,5-1,7 мм), выполненных методом газопорошковой наплавки [2].

Рис.1 - Образцы для исследования (высота защитного покрытия образцов: а - И = 1,0-1,2мм, б - И = 1,5-1,7мм) В качестве основного материала использовали порошковую сталь, полученную методом электроконтактного уплотнения. Методика проведения ЭКУ и лабораторная установка описаны в [3-5].

В качестве исходных материалов для получения порошковой стали использовали порошки железа марки ПЖР 3.200.28 ГОСТ 9849-86 и графита карандашного марки ГК-1 ГОСТ 4404-78 [6].Состав шихты выбирался с таким расчетом, чтобы в результате ЭКУ была получена сталь с содержанием углерода 0,45%, которая широко применяется в машиностроении [7]. В качестве наплавочного материала использовался самофлюсующийся сплав ПГ-СР3, химический состав которого приведен в таблице 1.

Таблица № 1

Химический состав самофлюсующегося сплава ПГ-СР3

МАССОВАЯ ДОЛЯ ЭЛЕМЕНТА, %ВЕС

1 2

Никель основа

Углерод 0,4-0,7

Хром 13,5-16,5

Кремний 2,5-3,5

Марганец 2,5

1 2

Вольфрам 0,2-0,4

Молибден 0,08-0,15

Бор 2,0-2,8

Железо 5,0

Для проведения микроструктурного анализа наплавленного покрытия из самофлюсующегося порошка ПГ-СР3, процесс изготовления образца включал в себя:

- Вырезку образца с покрытием. При вырезке образцов режущий инструмент двигался от покрытия к основному металлу, в противном случае увеличивалась вероятность отслоения покрытия из-за возникновения растягивающих напряжений. При этом образцы не нагревались до высоких температур, так как возникновение дополнительных напряжений, обусловленных градиентом температур, приводит к растеканию покрытия [8] .

- Шлифование на абразивной шкурке с последующим травлением 30% раствором серной кислоты для удаления рисок, полирование и травление 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте.

Результаты исследования, полученные с использованием микроскопа МИМ-8 [9], показывают, что структура основного металла соответствует феррито-перлитной структуре (рис.2).

Рис. 2- Феррито-перлитная структура основного металла х500

Рис.3 - Распределение карбидных составляющих и граница сплавления защитного покрытия и основного металла

Из рисунка 3 видно, что в покрытиях наблюдаются карбиды малых размеров неправильной геометрической формы. Они сосредоточены в основном в верхних слоях покрытия и располагаются равномерно по всему объему наплавки. Также металлографическим анализом установлено, что основа и защитное покрытие имеют узкую переходную зону. Образцы имеют достаточно ровные границы сплавления, что положительно сказывается на прочности соединения покрытия с основным материалом. Поэтому прочность сцепления наплавленных защитных покрытий с основным материалом сопоставима с уровнем металлической связи самого конструкционного материала.

Полного представления о свойствах защитного покрытия по данным микроскопии получить не представляется возможным, так как о покрытии можно судить лишь по внешнему виду. Поэтому как логическое продолжение исследований был выполнен фазовый рентгеноструктурный анализ структурных составляющих для определения внутреннего состояния покрытия.

Съемка рентгенограмм выполнялась с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН - 7 [10], с использованием монохроматического излучения изотопов кобальта и железа, что обеспечивало получение четких, неразмытых дифракционных пиков. Для идентификации фазовых составляющих использовалась трубка с кобальтовым анодом. Для поглощения в-излучения использовался в-фильтр. Поверхность наплавленного слоя подготовлена с помощью полирования. После подготовки образец закреплялся в специальную кювету. Далее кювета с образцом устанавливалась в дифрактометр, где наплавленный слой сканировался рентгеновским лучом (глубина сканирования - 0,1-0,3 мм). С помощью фазового рентгеноструктурного анализа предполагалось установить наличие у - фазы на основе N1; наличие карбидов Сг3С2; Сг7С3; Fe3C и боридов.

Режим съемки: ток трубки 1тр=6 мА, напряжение трубки Ц^ 26 кВ; предел измерения - 20; постоянная времени - 5; длина волны ^=1, 78892 А°; скорость диаграммной ленты - 60 мм/ч (1 см/мин); скорость движения счетчика 1°/мин. Съемка проводилась в пределах угла 20=45°-65°.

У/

н /

I

20* в

Ш

55 а)

56

15

1

т ^ет

26° 65

66

55

58

Ь5

Рис. 4 - Фазовый состав защитных покрытий образцов

Анализ представленных дифрактограмм позволяет говорить о том, что в защитном покрытии, выполненном газопорошковой наплавкой, основным материалом является твердый раствор легирующих элементов в у-№, также присутствуют карбиды типа Ре3С, Сг3С2, Сг7С3.

По обобщенным результатам ренгеноструктурного анализа защитных покрытий можно сделать следующий вывод: на рентгенограммах образцов присутствует N1 - основы сплава (два характерных пика, на 52° и 60,8°). Так же в обоих образцах имеются следующие карбидные фазы - Бе3С, Сг3С2,

Cr7C3, обеспечивающие заданные эксплуатационно-механические свойства наплавляемым покрытиям.

Литература

1.Балдаев Л. Х. Реновация и упрочнение деталей машин методами газотермического напыления. М.: Изд-во КХТ, 2004. 134 с.

2. Хромов В.Н. От дозвукового к сверхзвуковому газопламенному напылению покрытий при восстановлении и упрочнении деталей машин (обзор) // Сварочное производство, 2001. №2. С.39-48.

3. Литвинова Т. А., Егоров С.Н. Механические свойства порошковой стали, полученной методом электроконтакного уплотнения// Металлург, 2010. № 1. С. 65-67.

4. Литвинова Т.А., Егоров С.Н. Закономерности формирования порошковой стали при электроконтактном уплотнении // Металлург, 2013. № 4. С. 94-97.

5. Литвинова Т.А., Егоров С.Н., Медведев Ю.Ю. Кристаллографические аспекты гомогенизации железографитовой композиции// Металлург, 2010. №

6. С. 40-42.

6. Litvinova, T.A., 2009. Production of nigh - density powder by electro contact compaction. Metallurgist, V.53, 7-8.

7. Litvinova, T.A. and S.N. Egorov, 2009. Powder steel formation under conditions of electric contact compaction. Russian Journal of Non - Ferrous Metals, 5: 522-524.

8. Фрумин И.И. Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавленный металл // Наукова думка, 1977. №1. С. 13—17.

9. Панич А.Е., Свечкарев В.П., Олишевский Д.П. Центр коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии» // Инженерный вестник Дона, 2007, №1. URL: www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2007

10. Бойко Н.И., Фисенко К.С. Исследование качества поверхности наплавленного металла цилиндрической детали обработанной в горячем

состоянии// Инженерный вестник Дона, 2012, №2. URL:www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/746

References

1. Baldaev L. Kh. Renovatsiya i uprochnenie detaley mashin metodami gazotermicheskogo napyleniya [Renovation and hardening of machine parts methods of thermal spraying]. M.: Izd-vo KKhT, 2004. 134 p.

2. Khromov V.N. Svarochnoe proizvodstvo, 2001. №2. pp.39-48.

3. Litvinova T.A., Egorov S.N. Metallurg, 2010. № 1. pp. 65-67.

4. Litvinova T.A., Egorov S.N. Metallurg, 2013. № 4. pp. 94-97.

5. Litvinova T.A., Egorov S.N., Medvedev Yu.Yu. Metallurg, 2010. № 6. pp. 4042.

6. Litvinova T.A. Production of nigh - density powder by electrocontact compaction // Metallurgist, 2009. T.53, № 7-8.

7. Litvinova T.A., Egorov S.N. Powder steel formation under conditions of electric contact compaction // Russian Journal of Non - Ferrous Metals, 2009. T.50, № 5. C. 522-524.

8. Frumin I.I. Naukova dumka, 1977. №1. pp. 13—17.

9. Panich A.E., Svechkarev V.P., Olishevskiy D.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2007, №1. URL:www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2007

10. Boyko N.I., Fisenko K.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №2. URL:www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/746