Повышение прочностных свойств покрытий на никелевой основе введением в наплавляемую шихту наноразмерных частиц диборида титана

Повышение прочностных свойств покрытий на никелевой основе введением в наплавляемую шихту наноразмерных частиц диборида титана

В.Е. Панин, И.В. Степанова1, С.В. Панин, М.А. Корчагин2,

Ю.И. Почивалов, В.Г. Дураков, Д.В. Дудина2

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

1 Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия 2 Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск, 630128, Россия

В рамках проводимых исследований отрабатывались составы исходных порошковых смесей и режимы их мехактивации для электронно-лучевой наплавки покрытий на медную подложку. В качестве матрицы покрытий на основе диборида титана использовали порошки ПХ20Н80 и ПГ-10Н-01, а также их смеси между собой. Изучены структура и механические свойства композиции «подложка - покрытие» в условиях сжатия и трения. Показано, что наплавка механически активированной в шаровой мельнице порошковой шихты, содержащей наноразмерные частицы ТСВ2, обеспечивает существенное повышение прочности и износостойкости покрытий.

Improvement of strength properties of Ni-based coatings by introducing nanosized TiB2 particles into the surfacing mixture

V.E. Panin, I.V Stepanova1, S.V. Panin, M.A. Korchagin2, Yu.I. Pochivalov, V.G. Durakov, and D.V Dudina2

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia

2 Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS, Novosibirsk, 630128, Russia

In the framework of the performed investigation we have worked-out compositions of initial powder mixtures and their mechanical activation modes for electron-beam surfacing of coatings on a copper substrate. Powders of PCr20Ni80 and PG-10Ni-01 as well as their mixtures are used as a matrix of TiB2-based coatings. The structure and mechanical properties of the substrate - coating composition in compression and friction are studied. It is shown that surfacing of a powder mixture with nanosized TiB2 particles, which are mechanically activated in a ball mill, allows a significant increase in strength and wear resistance of coatings.

1. Введение

В работе решалась задача разработки составов и режимов нанесения защитных покрытий, предназначенных для повышения ресурса работы кристаллизаторов непрерывной разливки стали. Основной идеей предлагаемого подхода является увеличение жаростойкости и износостойкости покрытий на никелевой основе за счет введения в наплавляемую шихту наноразмерных частиц диборида титана. Было предложено в качестве материала матрицы использовать промышленно выпускаемые порошки на никелевой основе. Это должно также позволить значительно снизить стоимость производства порошковых нанокомпозитов на их основе и исключить попадание меди с поверхности кристаллизатора в процессе разливки стали (что обусловливает отсутствие

охрупчивания последней в результате выпадения меди по границам зерен).

2. Материал и методика исследований

В рамках проводимых исследований отрабатывались составы исходных порошковых смесей и режимы их мехактивации для получения порошков для наплавки. В качестве исходных порошков были использованы самофлюсующийся состав №-Сг-В^^ традиционно применяемый для газотермического напыления (ПГ-10Н-01), а также порошок нихрома, применяемый также для нанесения подслоев (ПХ20Н80). Получение на-норазмерных частиц диборида титана в никелевой матрице реализовывали в несколько этапов: 1) мехактива-ция порошков титана, бора и промышленного порошка

© Панин В.Е., Степанова И.В., Панин С.В., Корчагин М.А., Почивалов Ю.И., Дураков В.Г., Дудина. Д.В., 2005

на никелевой основе с последующей инициацией CBC-процесса, в xoде которого синтезируются частицы диборида титана; 2) дробление полученного спека и смешивание раздробленного порошка с промышленным порошком на никелевой основе и повторной меxакти-вацией [1]. Из полученной меxактивирoваннoй смеси отсеивается крупнодисперсная фракция (d > 50 мкм), которая затем используется для наплавки в «чистом» виде либо путем смешивания с крупнодисперсным порошком на никелевой основе. Процесс электронно-лучевой наплавки проводили на установке ЭЛУ-5. B качестве матрицы покрытий на основе TiB2 использовали порошки ПХ20Ш0 и ПГ -10H-01, а также иx смеси между собой. Для проведения меxаническиx испытаний из заготовок с наплавленными покрытиями были вырезаны образцы на сжатие размером 2x2x3 мм3 и на трение 7x7x10 мм3. Испытания на сжатие проводили на ме-xаническoй испытательной машине Instron-5582, на трение — на машине трения CMT-1. Для оценки прочностные свойств был проведен анализ микротвердости. Огруктура была выявлена с помощью xимическoгo травления. Исследование структуры покрытий также проводили путем анализа фрактoграфическиx картин сколов покрытий с использованием растрового электронного микроскопа TESLA BS300.

3. Результаты и их обсуждение

3.1. Наплавка покрытий на основе самофлюсующегося порошка ПГ-10Н-01

Для наплавки были использованы смеси исxoднoгo нанокомпозитного порошка, «разбавленные» порошком ^-10^01 таким образом, что в наплавленном покрытии содержалось 10, 5 и 2.5 и 0 % частиц диборида титана. При этом было выявлено, что наличие дисперсные yпрoчняющиx C, B, Si фаз в промышленном порошке ^-10^01 приводит к дополнительному дисперсному упрочнению покрытия, что в совокупности с частицами диборида титана даже при доле в 2.5 % обусловливает (голодное» растрескивание покрытия при остывании

ип, МПа ;

8000; шщттттт 4

6000 :

1

4000; 1 3

2000- I

—і——і——і——

3-2-1 0 1 2 L, мм

Подложка Покрытие

Рис. 1. Графики распределения микротвердости по поперечному сечению композиций «медная подложка - наплавленное покрытие». Состав порошка для наплавки покрытия: 100 %ПГ-10Н-01

композиции «медная подложка - наплавленное покрытие».

Проводилось исследование структуры и механических свойств покрытий на основе ПГ-10Н-01 (с приготовлением шихты с применением предварительной мех-активации), что определяется интересом к свойствам наплавляемого порошка, имеющего температуру плавления, близкую к таковой подложки. На рис. 1 видно, что наибольшую микротвердость имеет покрытие, наплавленное из полностью мехактивированного порошка с содержанием 10 % ТВ2 (рис. 1, кривая 4). Граница раздела между покрытием и основой характеризуется резко выраженным перепадом микротвердости. В данном покрытии после остывания трещины были наиболее различимы.

Следующим по уровню твердости является покрытие, наплавленное на основе порошка, не подвергавшегося мехактивации и не содержащего частиц ТВ2 (рис. 1, кривая 1). Наконец, покрытия, в составе наплавляемой шихты которых содержалось 5 и 2.5 % ТВ2, имеют уровень микротвердости 4 500^5 500 МПа, а переходная зона (характеризуемая изменением микротвердости) в таких покрытиях несколько шире, чем у вышеописанных композиций (рис. 1, кривые 2, 3). Для двух последних покрытий на поперечных шлифах выявлялось формирование пор, преимущественно расположенных около границы раздела.

На рис. 2 показаны шлифы поверхностей боковых граней образцов с покрытиями на основе ПГ-10Н-01. Наплавка из порошка, не подвергавшегося мехактивации (и не содержащего частиц ТВ2), имеет дендритную структуру, характерную для условий быстрого теплоотвода в подложку при электронно-лучевой наплавке (рис. 2, а). Наплавление состава, полностью подвергавшегося мехактивации (с содержанием частиц диборида титана 10 %) имеет весьма однородную структуру с равномерным распределением упрочняющих частиц по объему покрытия (рис. 2, б). При содержании в наплавляемой шихте только 5 и 2.5 % ТВ2 также удается избежать формирования дендритной структуры в покрытии. Однако в реализованных наплавках структура покрытий по толщине была весьма неоднородной (особенно в образце с содержанием диборида титана 5 %), что видно и на графике распределения микротвердости (рис. 1, кривая 3).

Рис. 2. Оптические изображения структуры покрытий, полученные после травления: 100 % ПГ-10Н-01 (а); 10 мас. % Т1В2 + ост. ПГ-10Н-01 (б). Размер изображений 600x450 мкм2

Рис. 3. Графики распределения микротвердости по поперечному сечению композиций «медная подложка-наплавленное покрытие»:

3.2. Наплавка покрытий на основе порошка ПХ20Н80

Температура плавления порошка ПХ20Н80 превышает таковую для меди примерно на 300 °С. Это, по всей видимости, и является причиной увеличения толщины переходной зоны. На рис. 3 приведены графики распределения микротвердости по поперечному сечению образцов с покрытием, наплавленным из порошка на основе нихрома ПХ20Н80. Видно, что уровень микротвердости в покрытиях при заданной концентрации дибо-рида титана в наплавочном порошке меньше для образцов с покрытиями на основе ПХ20Н80, нежели на основе ПГ-10Н-01.

Минимальный уровень микротвердости имеют покрытия с содержанием 5 % диборида титана в наплавляемом порошке (рис. 3, кривые 1, 2). Однако на поверхности покрытия (рис. 3, кривая 2) выявляется более прочный слой, имеющий уровень микротвердости -5 500 МПа и толщину около 200 мкм. Причиной его формирования может являться всплывание более легких частиц ТВ2 в ванне расплава на поверхность покрытия. Подобный эффект (формирование высокопрочного слоя на поверхности покрытия) наблюдался и в образце с покрытием, содержащим 20 % ^В2 в наплавочной шихте (рис. 3, кривая 4), где микротвердость высокопрочного слоя на поверхности доходила до 11000^ 12 000 МПа, а толщина достигала 100 мкм.

Максимальной микротвердостью, в целом по объему покрытия, характеризуется образец с покрытием из полностью мехактивированного порошка, содержавшего 10% диборида титана (рис. 3, кривая 5). Формирование более прочного слоя на поверхности образцов наглядно проявляется на общем виде покрытия.

Анализ шлифов боковых граней композиций «покрытие - основа», полученных с использованием порошка ПХ20Н80, показал, что добавление 5 мас. % ^В2 не исключает формирования дендритной структуры при остывании покрытия (рис. 4, а). Дисперсные частицы в виде игл выявляются в объеме покрытия 10 мас. % ^В2 +

й, ;=х' *1'  1

Рис. 4. Оптические изображения структуры покрытий, полученные после травления: 5 мас. % ТіВ2 + ост. ПХ20Н80 (а); 10 мас. % ТіВ2 + ост. ПХ20Н80 (б); 20 мас. % ТіВ2 + ост. ПХ20Н80 (в); (10 мас. % ТіВ2 + ост. ПХ20Н80)МА(г). Размер изображений 600x450 мкм2

10 % ПХ20Н80 (рис. 4, б). Наплавление состава, полностью подвергавшегося мехактивации (с содержанием частиц диборида титана 10 %), и состава, содержащего 20 % ТіВ2, позволяет получить весьма однородную структуру с равномерным распределением упрочняющих частиц по объему покрытия (рис. 4, в, г).

3.3. Триботехнические свойства образцов с покрытиями на основе порошка ПХ20Н80

Нанесение покрытий на основе порошковых нанокомпозитов с диборидом титана, подвергнутых предварительной мехактивации, приводит к формированию мелкодисперсной структуры с равномерным распределением упрочняющих частиц, значительной глубине переходной зоны и достаточно высокой микротвердости по всему объему покрытия. При трении это увеличивает сопротивление образца изнашиванию, в исследовавшемся диапазоне изменения нагрузки от 0 до 750 Н (рис. 5, кривые 1, 4; рис. 6).

Снижение износостойкости образцов с покрытиями на основе нихрома с содержанием диборида титана, на-

Рис. 5. Зависимость ширины дорожки трения от нагрузки образцов с покрытием на основе ПХ20Н80:

Рис. 6. Изображения поверхностей трения образцов: (10 мас. %ИВг + ост. ПХ20Н80)МА при нагрузке Р = 750 Н (а); 10 мас. %Т1Вг + ост. ПХ20Н80 при нагрузке Р = 500 Н (б); 20 мас. %Т1В 2 + ост. ПХ20Н80 при нагрузке Р = 300 Н (в); 5 мас. %Т1В 2 + ост. ПХ20Н80 при нагрузке Р = 750 Н (г). Размер изображений 7 000x10 000 мкм2

плавленными из не полностью мехактивированного порошка, при испытаниях по схеме вал - колодка в режиме граничной смазки связано с изменением характера изнашивания, которое имеет смешанный характер, содержащий абразивную составляющую. В результате выкрашивания упрочняющих частиц и их последующего воздействия на поверхность трения резко возрастает износ таких покрытий (рис. 5, кривые 2, 3; рис. 6). Данные по параметрам процессов изнашивания для всех исследовавшихся образцов с покрытиями представлены в табл. 1.

4. Заключение

Результаты проведенных исследований, а также работы [2], показали, что содержание 10 мас. % диборида титана в порошковой смеси для спекания (наплавки) композитов (покрытий) является оптимальным. Уменьшение количества Т1В2 приводит к формированию дендритной структуры, снижению прочностных свойств, менее однородному распределению упрочняющих дисперсных частиц, в то время как увеличение содержания Т1В2 обусловливает повышение прочности при значительном увеличении хрупкости. При электронно-лучевой порошковой металлургии увеличение доли частиц

Таблица 1

Сводные данные о параметрах трения при изнашивании образцов с покрытиями на основе ПХ2080 с добавлением диборида титана

Состав покрытия Коэффициент трения в начале испытаний / Коэффициент трения в конце испытаний / Нагрузка в конце испытаний P, Н

(10 мас. % Т1В 2 + + ост. ПХ20Н80)ма 0.343 0.131 750

10 мас. % Т1В 2 + + ост. ПХ20Н80 0.815 0.196 300

20 мас. % Т1В 2 + + ост. ПХ20Н80 1.587 0.237 300

5 мас. % Т1В 2 + + ост. ПХ20Н80 1.072 0.099 750

Медь 0.157 0.081 200

диборида титана более 10 вес. % может приводить к снижению когезионной прочности.

Нанесение покрытий на основе порошковых нанокомпозитов с диборидом титана, подвергнутых предварительной мехактивации, приводит к формированию мелкодисперсной структуры с равномерным распределением упрочняющих частиц, значительной глубине переходной зоны и достаточно высокой микротвердости по всему обьему покрытия. При трении это увеличивает сопротивление образца изнашиванию (в исследовавшемся диапазоне изменения нагрузки от 0 до 750 Н).

Снижение износостойкости образцов с покрытиями на основе нихрома с содержанием диборида титана, наплавленными из не полностью мехактивированного порошка, при испытаниях по схеме вал - колодка в режиме граничной смазки связано с изменением характера изнашивания, которое имеет смешанный характер, содержащий абразивную составляющую. В результате выкрашивания упрочняющих частиц и их последующего воздействия на поверхность трения резко возрастает износ таких покрытий.

Одним из практических выводов по использованию результатов данной работы является рекомендация по использованию мехактивированного порошка на основе нихрома (ПХ20Н80) с содержанием 10 вес. % диборида титана после повторной мехактивации всего наплавляемого порошка как более перспективного для нанесения защитных покрытий на медные кристаллизаторы непрерывной разливки стали.

Работа выполнена при финансовой поддержке Интеграционного проекта СО РАН № 93, Проекта Минобрнауки (грант N° 02.442.11.7020), а также Гранта Президента РФ для поддержки молодых кандидатов наук и их научных руководителей № МК-2507.2005.8.

Литература

1. Panin V.E., Korchagin M.A., Lomovsky O.I., Dudina D.V., Panin S.V., Durakov VG Pochivalov Yu.I., Stepanova I.V Consolidation and mechanical properties of metal and intermetallic matrix nanocomposites produced using high-energy ball milling // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск. - 4.2. - С. 49-52.

2. Ляхов Н.З., Панин В.Е., Дудина Д.В., Корчагин М.А., Ломовский О.И., Гри-няев Ю.В., Дураков В.Г., Панин С.В., Почивалов Ю.И. Разработка конструкционных материалов на основе нанокомпозитных порошков. 4. 1 // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 2. - С. 63-76.