Формирование упрочняющих покрытий наплавкой в пучке релятивистских электронов

Формирование упрочняющих покрытий наплавкой в пучке релятивистских электронов

И.М. Полетика, М.Г. Голковский, М.Д. Борисов, Р.А. Салимов, М.В. Перовская

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

С использованием энергии релятивистских электронов на поверхности низкоуглеродистой стали сформированы слои наплавки, высоколегированные хромом, бором и углеродом. Исследована зависимость структуры, фазового состава, твердости и износостойкости от состава легирующей смеси. Установлено существование режимов легирования, приводящих к образованию в поверхностном слое структур, аналогичных структуре твердого сплава и обеспечивающих достижение максимальных уровней твердости, износостойкости и противоударной стойкости.

Fusion of hardening coatings in a relativistic electron beam

I.M. Poletika, M.G. Golkovskii, M.D. Borisov, R.A. Salimov, and M.V. Perovskaya Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

The relativistic electron energy is used to fuse layers on the low-carbon surface, which are high-alloyed with chromium, boron and carbon. Consideration is given to the dependence of the structure, phase composition, hardness and wear resistance on the composition of the alloy mixture. Alloying regimes are revealed which lead to the formation of structures in the surface layer similar to the hard alloy structure and allow maximum hardness, wear resistance and shock resistance.

1. Введение

Одним из наиболее эффективных методов упрочнения поверхности является наплавка с использованием высококонцентрированных источников энергии — электрической дуги, лазерного и электронного излучения. Новым методом упрочнения поверхности является наплавка и легирование в пучке высокоэнергетических релятивистских электронов. Ускорители электронов, разработанные в Институте ядерной физики СО РАН, обеспечивают вывод пучка в атмосферу и глубокое проникновение электронов в металлы. Возможно расплавление практически любых материалов. Производительность обработки достигает 0.20 м/с в дорожечном режиме и 20 см2/с при сканировании луча [1-3].

Для достижения комплекса высоких свойств в поверхностном слое важным вопросом является выбор легирующих компонентов. Для электродуговой наплавки образцов, стойких против абразивного изнашивания, в

качестве электродов широко применяются сплавы на основе различных карбидов: WC, В4С, ТЮ, ТаС, СгС, а также одновременно содержащие Сг, С и В [4, 5], приводящие к образованию гетерогенных структур с особенно высокой твердостью и износостойкостью за счет выделения карбидов и карбоборидов. Вязкая матрица с распределенными в ней твердыми частицами обеспечивает высокое сопротивление износу.

В случае лазерного легирования железа и сталей порошками карбидов, смесями ВК3, ВК5 и Т15К6 наибольшая твердость и износостойкость наблюдаются при выделении твердых тугоплавких соединений ^С, ТЮ, VC, СгС, СгВ2 и др.), армирующих поверхностный слой [6, 7]. При электронно-лучевой вакуумной наплавке и легировании наилучшими свойствами обладают слои с заэвтектической структурой, содержащей выделения карбидной фазы М6С, М2С, МС, М7С3 [8, 9]. К получению подобного типа структур необходимо стремиться и при легировании в пучке релятивистских электронов.

© Полетика И.М., Голковский М.Г., Борисов М.Д., Салимов Р.А., Перовская М.В., 2005

Основной целью работы явилось изучение закономерностей формирования структуры и свойств наплавленных слоев при облучении в пучке релятивистских электронов и выбор составов легирующих смесей для формирования высокотвердых, износостойких и ударостойких покрытий при использовании в качестве основных легирующих добавок хрома, бора и углерода.

2. Материалы и методика

Установка для осуществления наплавки состоит из ускорителя электронов и устройства для вывода пучка электронов из вакуумной системы ускорителя в атмосферу. Обрабатываемое изделие помещается на стол-манипулятор, перемещающийся под пучком с заданной скоростью. Поскольку легирование производится в атмосферном воздухе, не требуется формирования предварительного покрытия. Легирующие порошки высыпаются ровным слоем непосредственно на поверхность плоских образцов, предварительно зачищенных для снятия окалины.

Для увеличения ширины оплавленного слоя на пучок электронов воздействуют магнитным полем с напряженностью, периодически изменяющейся во времени. При использовании магнитной развертки пучок «рисует» на поверхности ряд параллельных друг другу прямолинейных отрезков дорожки оплавления. Для обеспечения сплошности и равномерности покрытия шаг расположения отрезков выбирают меньше диаметра пучка, частота сканирования при этом равна 15^50 Гц.

На поверхность стали Ст3 в сканирующем режиме излучения наплавляли порошковые смеси, содержащие карбид бора и хром в различных весовых соотношениях: В4С/Сг = 7, 5, 3.5, 3, 2.5, 1.5. Толщина порошковой насыпки на сталь перед облучением — 0.8 мм, ускоряющее напряжение — 1.4 МэВ, ток пучка — 28 мА, скорость поступательного перемещения образца под пучком — 1 см/с. При таких параметрах ширина зоны оплавления составляет 8.5 см, ее глубина — 1.5^1.8 мм.

Структуру наплавленных слоев исследовали на металлографическом микроскопе Neophot и электронном микроскопе ЭМВ-100Б методом экстрагирующих угольных реплик, оттененных окисью вольфрама и отделенных механически с протравленных шлифов. Распределение элементов в легированной зоне записывали на рентгеновском микроанализаторе Камека при движении образца под электронным зондом. Чувствительность анализа — 0.1 вес. %. Рентгеноструктурный анализ производили на дифрактометре ДРОН-2. Определяли твердость по Виккерсу, распределение твердости по глубине и износостойкость слоя наплавки на испытательной машине Шкода-Савин.

3. Результаты и обсуждение

Зависимость средних значений твердости в переплавленном слое, определенных из порядка 50 измере-

ний для каждого состава, от соотношения компонентов в смеси представлена на рис. 1. Здесь же приведены данные по изменению коэффициента износостойкости К и. С увеличением содержания хрома в порошковой смеси твердость растет, пока отношение В4С/Сг не становится равным 3.5, а затем вновь уменьшается (рис. 1). Изменение износостойкости также, как и изменение твердости, описывается кривой с максимумом. Но максимум износостойкости сдвинут в сторону больших концентраций хрома и достигается при значении В4С/Сг = 3 (рис. 1).

После легирования чистым карбидом бора структура слоя наплавки доэвтектическая. При введении в легирующую смесь хрома и отношении В4С/Сг = 7 количество ледебуритной эвтектики достаточно велико (рис. 2, а). При В4С/Сг = 5 наблюдаемая структура является преимущественно ледебуритной. Встречаются участки с заэвтектической структурой, где избыточные выделения фазы заключены в ледебуритную матрицу.

Рентгеноструктурный анализ показывает выделение карбоборида М23(С,В)6, который имеет параметры решетки, близкие к параметрам карбида хрома Сг23С6. Линии фазы на рентгенограмме сдвинуты в область меньших углов, что свидетельствует об увеличении меж-плоскостных расстояний и может иметь место как при замещении части атомов углерода атомами бора с большим атомным радиусом, так и при растворении атомов бора в решетке карбида. Очевидно, речь идет о карбо-бориде (Сг^е)23(С,В)6 на основе хрома.

При отношении В4С/Сг = 3.5 формируется типичная заэвтектическая структура с крупными выделениями карбоборидов (рис. 2, б). При В4С/Сг = 3 избыточная

Рис. 1. Зависимость твердости (1) и износостойкости (2) наплавленного слоя от отношения компонентов карбида бора и хрома в легирующей смеси

Рис. 2. Структура слоя наплавки, легированного карбидом бора и хромом при отношении В4С/Сг = 7 (а) и 3.5 (б). х630

фаза становится более дисперсной и равномерно распределенной в ледебуритной основе. Достижение отношением В4С/Сг значений 2.5 и 1.5 сопровождается возвратом к эвтектической и доэвтектической структуре.

Наблюдаемые структурные изменения объясняются следующим образом. Поскольку хром обладает более высоким, чем железо, сродством к углероду и бору, эвтектическая точка в системе Fe-Cr-C-B сдвинута влево по сравнению с системой Fe-C-B. Поэтому при увеличении содержания хрома в легирующей смеси осуществляется постепенный переход от доэвтектической к заэвтектической структуре. Обратный переход к доэвтектической структуре связан с уменьшением относительного содержания карбида бора.

Образование заэвтектической структуры в наплавленном слое соответствует достижению максимальных значений твердости и износостойкости (рис. 1). При этом износостойкость наплавки не определяется однозначно величиной твердости — максимальные значения твердости и износостойкости не совпадают. По-видимому, важную роль играют размеры и распределение частиц фазовых включений. При В4С/Сг = 3.5 чрезмерное количество крупной фазы меняет механизм изнашивания — частицы фаз не истираются, а выкрашиваются. При В4С/Сг = 3 выделяющиеся фазы более дисперсны и равномернее распределены в матрице, что благоприятно влияет на износостойкость, которая возрастает, несмотря на уменьшение твердости.

Из полученных данных видно, что для достижения существенного уровня упрочнения необходимо на поверхности стали создавать слои с заэвтектической структурой, в которой твердые фазы сочетаются с более вязкой матрицей. Такая структура подобна структуре твердого сплава, принцип действия которого основан на компромиссе между прочностью и пластичностью. Какое количество фазы в слое следует считать оптимальным?

Обращает на себя внимание различное положение максимумов твердости и износостойкости на кривых рис. 1. Их несовпадение связано с различной объемной долей твердой фазы в слое и изменением механизма

изнашивания при изменении количества и размеров частиц. Так, при весовых отношениях В4С/Сг в смеси, равных 3 и 3.5, площади, занимаемые фазой на металлографических снимках, соответственно равны 42.7-46.5 и 66.3-68.7 %.

Проведем аналогию с твердым сплавом WC-Co. С увеличением в нем содержания карбида вольфрама предел текучести и твердость монотонно возрастают, но пределы прочности при растяжении и изгибе проходят через максимумы при содержании связки 25-45 об. % [10]. Аналогичным образом влияет уменьшение размера частиц. Прочность сплава с малым содержанием твердой фазы низкая, т.к. определяется прочностью матрицы. Большое количество хрупкой карбидной составляющей приводит к разрушению по частицам карбидов.

Наиболее благоприятна область средних составов, где возникающие на частицах высокие концентрации напряжений релаксируют путем пластического течения связки — картина разрушения содержит частицы WC с трещинами, притупленными в матрице. Эти данные хорошо согласуются с данными работы [4] по легированию металла при электродуговой наплавке. Рекомендуемая в [4] объемная доля карбидов и боридов в слое наплавки составляет 30-40 %. Увеличение этого количества выше 40 % приводит к падению износостойкости за счет выкрашивания частиц фаз при истирании. В нашем случае оптимальным можно считать количество фазы 45-50 %.

Кроме высокой твердости и износостойкости слои с карбоборидным упрочнением показывают высокую противоударную стойкость. Использованные режимы обработки перенесли на плиты и пластины из малолегированной стали, которые нагружали стальным ударником в интервале скоростей 700-900 м/с. Испытания показали, что если пластина исходной стали при угле подхода ударника 0° выдерживает без разрушения скорость нагружения 530 м/с, то для этой же стали с упрочненным слоем предельная скорость нагружения повышается до 700-800 м/с.

Слои с максимальной твердостью обнаруживают и максимальную ударостойкость. Так, при переходе

Рис. 3. Вид поверхности разрушения после динамических испытаний для слоев с доэвтектической

структуры слоя от доэвтектической с относительно мелкими включениями частиц фаз к заэвтектической с грубыми выделениями избыточной фазы скорость ударника, которую материал выдерживает без разрушения, возрастает на 20-60 м/с.

Поверхности разрушения после динамического воздействия исследовали методом электронной микроскопии угольных реплик. Скорости воздействия выбирались достаточными для сквозного пробития стали. Оказалось, что при образовании доэвтектической структуры разрушение происходит путем хрупкого отрыва с реализацией микромеханизмов интеркристаллитного или транскристаллитного сколов с образованием характерного ручеистого узора (рис. 3, а). Анализ поверхности разрушения стали с заэвтектической структурой слоя свидетельствует о более вязком характере излома, т.е. об увеличении работы разрушения. На электронно-микроскопических снимках преобладает мелкокристаллический квазискол с чередующимися участками ямочных структур и гладких фасеток, окруженных «гребешками» пластического течения (рис. 3, б). На отдельных участках наблюдается чисто вязкий излом.

Природа наблюдаемого явления может быть связана с отражением, преломлением и искажением фронта ударной волны при прохождении через выделения карбидной фазы; с уменьшением скорости перемещения частиц материала под действием ударной волны за счет роста его удельного веса в присутствии второй фазы; с разницей в модулях упругости фазовых частиц и матрицы.

4. Выводы

Методом наплавки в пучке релятивистских электронов, выходящих в атмосферный воздух, получены композиционные материалы, состоящие из высоколегированного поверхностного слоя и низколегированной мягкой основы, в качестве которой могут быть использованы дешевые стали. Метод отличается высокой производительностью, простотой введения легирующих элементов, большой толщиной наплавленного слоя и высокой дисперсностью его структуры.

Показано, что при определенных весовых соотношениях порошков хрома и карбида бора в легирующей смеси образуется структура заэвтектического типа, аналогичная структуре твердого сплава, которая обеспечивает достижение максимальных значений твердости, износостойкости и противоударной стойкости. Основной упрочняющей фазой является карбоборид М23(С,В)6 на основе хрома. Для работы покрытия в качестве износостойкого материала количество избыточной фазы не должно превышать 45-50 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 05-03-32402-а).

Литература

1. 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.

2. 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. - C. 13-16.

3. Jun Ched Oh, SunghakLee, GolkovskiM.G. Improvement of the hardness and ware resistance of (TiC, TiN)/Ti-6Al-4V Surface-Alloyed Materials Fabricated by High-Energy Electron-Beam-Irradiation // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2001. - V32A. - No. 12. -P. 2995-3005.

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

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

5. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

6. Бровер Г.И., Варавка В.Н., Федосеенко С.С. Влияние особенностей

строения лазерно-легированных инструментальных сталей на формирование основных эксплуатационных свойств // ФиХОМ. -1988. - № 2. - C. 120-126.

7. Христов В.Г., Сибель А.С. Структурные изменения в поверхностных слоях стали У8 при лазерном легировании порошком карбида вольфрама // Актуальные вопросы материаловедения. - Киев: Институт проблем материаловедения АН Украины, 1991. - C. 67-71.

8. Радченко М.В., Батырёв Н.И., Тимошенко В.Н. Структура и свойст-

ва индукционных и электронно-лучевых наплавок из порошкообразных материалов // МиТОМ. - 1987. - № 7. - С. 58-60.

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

10. Туманов В.И. Свойства сплавов системы карбид вольфрама -кобальт. - М.: Металлургия, 1971. - 568 с.