Формирование покрытий двойного назначения методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки

Формирование покрытий двойного назначения методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки

И.М. Полетика, М.Г. Голковский1, М.В. Перовская,

Т.А. Крылова, Р.А. Салимов1

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия

Исследованы структура и свойства покрытий, полученных наплавкой смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь Ст3. Показано, что износостойкость наплавленных слоев определяется характером образующейся структуры, а коррозионная стойкость — содержанием в них хрома. Подобран режим наплавки, позволяющий получить бифункциональные покрытия, обладающие одновременно достаточно высокими значениями износостойкости и коррозионной стойкости.

Formation of dual-purpose coatings by electron-beam surfacing outside vacuum

I.M. Poletika, M.G. Golkovskii1, M.V. Perovskaya,

T.A. Krylova, and R.A. Salimov1

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia

We study the structure and properties of coatings produced by surfacing of chromium and chromium carbide powder mixtures onto low-carbon steel. It is shown that wear resistance of the surfaced layers depends on the formed structure, while corrosion resistance on chromium content in them. We have selected a surfacing mode that allows one to obtain bifunctional coatings having both high wear and corrosion resistance.

1. Введение

Многие машины и механизмы при их эксплуатации претерпевают одновременно коррозию и абразивный износ поверхностного слоя под воздействием внешней среды. Для увеличения срока службы таких изделий в ряде случаев используют электронно-лучевую наплавку поверхностных слоев в вакууме [1, 2]. Главным недостатком вакуумных электронно-лучевых установок является необходимость проведения обработки в вакууме, что затрудняет облучение крупносерийных и крупногабаритных изделий и введение легирующих элементов. Кроме того, низкая энергия пучка ограничивает глубину проникновения электронов в металлы и не позволяет расплавлять тугоплавкие легирующие компоненты. Указанных недостатков лишен новый метод облучения изделий на ускорителе релятивистских электронов, позво-

ляющем выводить электронный пучок в атмосферный воздух [3, 4]. На таком ускорителе пучок электронов проникает в металлы на глубину 0.1.. .10 мм и может расплавлять практически любые материалы.

Известно [5, 6], что повышение абразивной износостойкости может быть достигнуто путем создания в наплавленном слое гетерогенных структур, содержащих большое количество твердых включений. Наиболее распространенной и сравнительно дешевой системой легирования наплавок, которая обеспечивает высокую стойкость против абразивного износа, является система Сг-С. Эффект достигается за счет выделения в наплавленном слое карбидов хрома. Введение хрома повышает и устойчивость наплавленных покрытий к коррозии. Скорость коррозии снижается в результате образования защитной пленки оксидов (Сг, Fe)2Oз, затрудняющей

© Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Крылова ТА., Салимов Р.А., 2006

контакт с окружающей средой [7]. Таким образом, хром является высокоэффективным легирующим элементом, который может обеспечить формирование как износостойких (в сочетании с углеродом), так и коррозионностойких покрытий. Такие покрытия будут выполнять двойную функцию — одновременно защищать от износа и коррозии. При этом важную роль играет выбор составов наплавляемых материалов, нахождение оптимальных соотношений концентраций составляющих компонентов — хрома и углерода.

Основной целью работы явилось создание на низкоуглеродистой стали Ст3 бифункциональных (износостойких и коррозионно-стойких одновременно) покрытий методом наплавки в пучке релятивистских электронов с использованием для наплавки порошков хрома и карбида хрома в различных весовых соотношениях.

2. Материалы и методика

В качестве подложки для наплавки использовалась низкоуглеродистая листовая сталь Ст3 (толщина листа — 14 мм), на которую в пучке релятивистских электронов наплавляли одно- и двухслойные покрытия с использованием для наплавки порошковых смесей на основе карбида хрома Cr3C2 (остальное флюс) и карбида хрома в смеси с чистым хромом в отношениях Cr3C2/Cr = 1 и 2 (плотность насыпки — 0.45 г/см2). Использованная энергия электронов равнялась 1.4 МэВ, ток пучка — 26.. .27 мА. Расстояние от выпускного окна до поверхности образца составляло 9 см, диаметр пучка — 1.2 см. Ускоритель работал в режиме сканирования с амплитудой колебания пучка 5 см и скоростью поступательного перемещения образца под пучком 1 см/с.

Структуру металла наплавки исследовали на металлографическом микроскопе Neophot при увеличении 500. Образцы готовили механическим шлифованием, полированием и травлением в растворе 20 мл HNO3 и 100 мл HCl. Проводили электронно-микроскопическое исследование образцов на микроскопе ЭМВ-100Б методом экстрагирующих угольных реплик, оттененных окисью вольфрама и отделенных механически с протравленных шлифов. Рентгеноструктурный фазовый анализ производили на дифрактометре ДРОН-2М. Распределение легирующих элементов в наплавленных слоях изучали на рентгеновском микроанализаторе CAMEBAX, включающем растровый микроскоп, что позволило определить концентрацию хрома в различных структурных составляющих (зерно, эвтектика).

На приборе ПМТ-3 измеряли распределение микротвердости в наплавленных слоях в направлении от поверхности вглубь образца с переходом через границу сплавления при нагрузке 50 г с шагом 40.100 мкм. Измеряли твердость по Роквеллу. Проводили испытания на абразивный износ о нежестко закрепленные абразивные частицы, подаваемые в зону трения и прижимаемые к образцу вращающимся резиновым роликом

(ГОСТ 23.208-79). Коррозионную стойкость определяли путем измерения относительного изменения массы образца при выдержке в азотной кислоте.

3. Результаты и обсуждение

Как показало исследование, в наплавляемом слое протекает дендритно-ячеистая кристаллизация и образуется структура, состоящая из зерен твердого раствора и эвтектики (рис. 1). Объемная доля эвтектической составляющей, определенная методом секущей по фотографиям микроструктуры, зависит от содержания карбида хрома в легирующей смеси (от количества вводимого с карбидом углерода) и от числа наплавляемых слоев.

По данным рентгеноструктурного фазового анализа зерна дендритов и основа эвтектики представляют собой чистый аустенит. Сохранение аустенитной фазы в структуре объясняется сверхвысокими скоростями охлаждения при наплавке в пучке релятивистских электронов (104...105 К/с) и высоким содержанием легирующих элементов хрома и углерода в наплавленном слое. Известно, что в высокоуглеродистых сталях с большим содержанием легирующих элементов точка начала мар-тенситного превращения снижается в область отрицательных температур и количество остаточного аустенита повышается. По данным рентгеновского микроанализа среднее содержание хрома в слое наплавки для различных режимов облучения составляет 15.30 вес. %.

При наплавке порошком карбида хрома Сг3С2 в эвтектике выделяются карбиды Сг7С3. Введение в легирующую смесь чистого хрома и увеличение отношения количества хрома к количеству углерода создают условия для выделения карбида Сг23С6 с большим количеством хрома, чем в карбиде Сг7С3. В структуре наблюдаются два типа карбидов — Сг7С3 и Сг23С6. Аналогичный результат получен в работе [5]. Приведенные здесь многочисленные данные по электродуговой наплавке показывают, что существует прямая связь между соотношением в наплавленном слое количества карбидообразующего элемента и углерода (в ат. %) и строением

Рис. 1. Микроструктура металла двухслойной наплавки смесью порошков карбида хрома и хрома (Сг3С2/Сг = 2). х500

Рис. 2. Распределение хрома (а) и микротвердости (б) в двухслойной наплавке при отношении 0^2/Сг = 2

карбидной фазы. При отношении Сг/С < 2 образуются только карбиды Сг7С3. При Сг/С > 2 обнаруживается тенденция к образованию и обособлению специального карбида хрома Сг23С6.

Распределение хрома в наплавленных слоях, определенное методом рентгеновского микроанализа, носит характер локальных колебаний, что связано с чередованием участков эвтектики и зерен твердого раствора в структуре (рис. 2, а). В связи с неоднородностью структуры наплавки распределение микротвердости в наплавленных слоях, как и распределение хрома, носит характер локальных колебаний (рис. 2, б). Как показывает анализ, среднее значение микротвердости в слое повышается с ростом количества эвтектической составляющей (рис. 3, а), т.е. с увеличением содержания карбида хрома в легирующей смеси (содержания углерода в наплавленном металле). Причем изменение величины коррелирует с изменением объемной доли эвтектики и содержанием хрома в эвтектике и зернах твердого раствора.

Результаты измерения коэффициента износостойкости приведены на рис. 3, б. Видно, что простой связи между твердостью и износостойкостью нет — эти величины не коррелируют друг с другом. С увеличением твердости износостойкость может как увеличиваться, так и уменьшаться. Из литературных данных известно [5, 8, 9], что помимо твердости важное значение имеет

характер образующейся структуры — количественное соотношение структурных составляющих, их расположение, форма, размеры, кристаллографическое строение выделяющихся фаз, состояние матрицы. Так, в работе [9] показано, что при абразивном изнашивании наплавочных материалов с переменным содержанием С (0.12.1.76 вес. %) и Мп (0.75.14.5 вес. %) одинаковым значениям твердости соответствуют значения износостойкости, отличающиеся более чем в 2 раза. Таким образом, твердость не является единственным критерием для создания износостойких слоев наплавленного металла.

Из рис. 3 видно, что при нанесении двухслойных покрытий несмотря на существенное повышение твердости за счет роста объемной доли эвтектики износостойкость падает. Это означает, что увеличение количества карбидов с точки зрения износостойкости материала целесообразно лишь до определенных пределов. Чрезмерное количество карбидов меняет механизм изнашивания — карбиды начинают выкрашиваться, а не истираться.

Согласно полученным данным, объемная доля эвтектики в наплавленном слое не должна превышать 40 %. Это соответствует результатам исследований, приводимым в работах [5, 6], где показано, что оптимальная объемная доля карбидов в слоях наплавки для образцов, работающих в условиях износа, составляет 35.40 %. Большее количество хрупкой карбидной составляющей приводит к разрушению частиц карбидов, поскольку возникающие на них высокие концентрации напряжений уже не гасятся тонкими прослойками металлической матрицы.

Результаты измерений коррозионной стойкости образцов в концентрированной азотной кислоте представлены на рис. 4. Видно, что сталь Ст3 обладает низкой коррозионной стойкостью (кривая 1) и через сутки выдержки в азотной кислоте теряет 3 % от первоначальной массы. Нержавеющая сталь растворяется медленно, через сутки ее масса уменьшается всего на 0.05 % (кривая 7). Коррозионная стойкость слоев наплавки ниже коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т (кривые 26), но существенно выше, чем стали Ст3. Коррозион-

Режимы наплавки

Режимы наплавки

Рис. 3. Зависимость средней микротвердости в слое наплавки (а) и коэффициента износостойкости (б) от режима наплавки: 1 — Сг3С2; 2 — Сг3С2/Сг = 1, 1 слой; 3 — Сг3С2/Сг = 1, 2 слоя; 4 — Сг3С2/Сг = 2, 1 слой; 5 — Сг3С2/Сг = 2, 2 слоя; 6 — сталь Ст3

Рис. 4. Зависимость относительной потери массы образцов сталей и наплавленных покрытий от времени выдержки в азотной кислоте:

1 — Ст3; 2 — наплавка С3С2; 3 — Сг3С^Сг = 2, 1 слой; 4 — С3С2 /Сг = 2, 2 слоя; 5 — С3С2 /Сг = 1, 1 слой; 6 — Сг3С^Сг = 1,

2 слоя; 7 — сталь 12 Х18Н10Т

ная стойкость возрастает при введении в легирующую смесь дополнительного количества хрома, ответственного за коррозионную стойкость, и увеличении соотношения компонентов Сг/С (ср. кривые 2-6). После выдержки в кислоте более 5 часов коррозионное разрушение приостанавливается. Приведенные на рис. 4 кривые выходят на насыщение, что связано с образованием на поверхности защитной пленки оксидов.

Из сопоставления полученных результатов испытаний на износостойкость и коррозионную стойкость (рис. 3, 4) следует, что наиболее эффективные бифункциональные (износостойкие и коррозионностойкие) покрытия на стали Ст3 могут быть получены однослойной наплавкой порошковых смесей на основе Сг3С2 и Сг в весовом соотношении 2:1. При меньшем соотноше-ни и Сг3С2/Сг = 1 износостойкость уменьшается в связи с уменьшением количества твердой карбидной составляющей в структуре.

При использовании двухслойной наплавки вместо однослойной выделение слишком большого количества карбидов способствует их выкрашиванию — тонкие прослойки аустенитной фазы не удерживают частицы включений в структуре эвтектики. Износостойкость падает. Наплавка одним карбидом Сг3С2, хотя и способствует существенному увеличению износостойкости, характеризуется пониженной коррозионной стойкостью из-за недостаточного содержания хрома в твердом растворе.

4. Заключение

При электронно-лучевой наплавке порошковыми смесями на основе карбида хрома и хрома в поверхностных слоях протекает дендритно-ячеистая кристаллизация и образуется структура, состоящая из зерен аустени-

та и эвтектики, включающей карбиды Сг7С3 и Сг23С6. Значения твердости возрастают с увеличением объемной доли эвтектики — содержания порошка карбида хрома в исходной наплавляемой смеси. Корреляции между значениями твердости и износостойкости нет. С увеличением твердости износостойкость может как увеличиваться, так и уменьшаться. Это связано с тем, что увеличение объемной доли эвтектики целесообразно лишь до определенных пределов — 40 %. Чрезмерное количество карбидов (двухслойные покрытия) приводит к их выкрашиванию и падению износостойкости, несмотря на увеличение твердости. Коррозионная стойкость слоев наплавки существенно выше, чем используемой в качестве подложки стали Ст3, и возрастает при дополнительном введении в наплавляемую смесь порошка чистого хрома, ответственного за коррозионную стойкость, и увеличении соотношения компонентов Сг/С. После выдержки более 5 часов в концентрированной азотной кислоте кривые потери массы выходят на насыщение. Оптимальное сочетание износостойкости и коррозионной стойкости в бифункциональных покрытиях на стали Ст3 может быть получено однослойной наплавкой порошковых смесей на основе Сг3С2 и Сгв весовом соотношении 2:1. Износостойкость понижается при отношении Сг3С2/Сг = 1 или при нанесении двухслойных покрытий, что связано с недостаточным или избыточным количеством карбидов в структуре слоя.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 05-03-32402-а).

Литература

1. Поболь И.Л. Модифицирование металлов и сплавов электроннолучевой обработкой // МиТОМ. - 1990. - № 7. - С. 42-47.

2. Панин В.Е., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., Полев И.В., Белюк С.И.

Электронно-лучевая наплавка порошковых карбидосталей // ФиХОМ. - 1998. - № 6. - С. 53-59.

3. Ауслендер В.Л., Салимов Р.А. Ускоритель электронов Института ядерной физики СО АН СССР для народного хозяйства // Атомная энергия. - 1978. - Т. 44. - Вып. 5. - С. 403-405.

4. Скринский А.Н., Мизин В.Г., Фоминский Л.П. и др. Высокопроизводительная наплавка и оплавление порошковых покрытий пучком релятивистских электронов // ДАН СССР. - 1985. - Т. 283. -№ 4. - С. 865-869.

5. Лившиц А.С., ГринбергН.А., Куркумелли Э.Г. Основы легирования

наплавленного металла. - М.: Машиностроение, 1969. - 188 с.

6. Полетика И.М., Борисов М.Д., Краев Г.В., Вайсман А.Ф., Голковский М.Г. Особенности формирования структуры и свойств поверхностного слоя стали при облучении пучком релятивистских электронов // МиТОМ. - 1997. - № 4. - С. 13-16.

7. Скорчеллети В.В. Теоретические основы коррозии металлов. -Л.: Химия, 1973. - 264 с.

8. Виноградов В.Н., Колокольников М.Г. Абразивное изнашивание. -М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

9. Сорокин Г.М., Чечин Ю.А., Солдатов Г.М. Способ оценки стойкости наплавочных материалов по их электросопротивлению // Вестник машиностроения. - 1978. - № 8. - С. 37-39.