Формирование структуры и свойств металлокерамических покрытий на основе карбонитридов титана

Формирование структуры и свойств металлокерамических покрытий на основе карбонитридов титана

Н.К. Гальченко, Б.В. Дампилон, С.И. Белюк

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

Исследованы механические и триботехнические свойства композиционных покрытий, полученных методом электроннолучевой наплавки на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридами титана. Проведенные испытания на растяжение образцов с покрытиями показали, что с увеличением объемной доли упрочняющей фазы материал покрытия эффективнее сопротивляется пластической деформации. Твердость (HRC) покрытий увеличивается с ростом содержания упрочняющей фазы. Испытания образцов с покрытиями на абразивную износостойкость и износ пары трения по схеме «вал - две плоские колодки» показали, что с увеличением в покрытиях доли карбонитридов титана улучшаются их триботехнические характеристики.

Formation of structure and properties of metal-ceramics composites based on titanium carbonitrides

N.K. Galchenko, B.V. Dampilon, and S.I. Belyuk

Mechanical and tribotechnical properties of composite nitrogen chromium manganese coatings with carbonitride reinforcement obtained by electron beam surfacing have been investigated. Mechanical test of the surfaced samples showed that fracture stress, abrasive wear resistance and hardness of coatings increase due to increasing titanium carbonitride content in the matrix Cr20N0.4Mn20. "Two blocks -on - shaft" testing procedure revealed higher wear resistance of the investigated coatings with the increasing content of TiCN in them.

1. Введение

Современные тенденции в материаловедении конструкционных материалов связаны с созданием упрочняющих и защитных покрытий на основе новых композиционных материалов, способных многократно повышать эксплуатационные характеристики и ресурс работы изделий и конструкций, и использованием перспективных технологий их нанесения, таких как технология электронно-лучевой наплавки в вакууме (ЭЛН).

Актуальной задачей является разработка новых композиционных покрытий с высоким уровнем механических и триботехнических свойств на деталях, эксплуатируемых в условиях интенсивного износа, к числу которых относятся рабочие части землеройной техники, прокатное оборудование в металлургии и многие другие детали.

К факторам, наиболее влияющим на качество и свойства наплавляемых электронно-лучевым методом покрытий, можно отнести химический состав материала, влияющий на температурный интервал кристаллизации и структурно-фазовые превращения при нагреве и охлаждении, а также механические свойства материа-

ла, определяющие способность выдерживать рабочие механические нагрузки.

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния режимов электронно-лучевой наплавки на химический состав композиционных покрытий в системе Х20АГ20 - TiCN и содержания упрочняющей фазы на их механические и триботехнические свойства.

2. Материалы и методы исследований

В качестве наплавочного материала использовали композиционные порошки на основе металлической связки Fe-Cr-Mn-N, рассчитанной на состав Х20АГ20 (Сг - 20 мас. %, Мп - 20 мас. %, N - 0.75 %, Fe - ост.) с карбонитридами титана. Введение азота в шихту осуществляли присадками азотсодержащих ферросплавов (ФХ600А). Содержание азота рассчитывали с учетом предельной его растворимости (Ы = 0.75 вес. %) при содержании в шихте Мп = 20 вес. % и Сг = 20 вес. %. Карбонитрид титана эквимолярного состава ТЮ0 5Ы0 5 получали методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в открытом реакторе. Покры-

© Гальченко Н.К., Дампилон Б.В., Белюк С.И., 2004

Таблица 1

Влияние плотности мощности луча на химический состав покрытий матричного состава Х20АГ20

Плотность мощности луча, Вт/см2 Сг, вес. % Мп, вес. % N вес. % Fe, вес. %

15-103 12.15 ±0.1 10.26 ±0.1 0.23 ±0.01 Fe *еост

18103 8.50 ±0.1 4.20 ±0.1 0.11 ±0.01 Fe 1еост

21103 6.20 ±0.1 3.50 ±0.1 0.07 ±0.01 Fe 1еост

Исходный

состав 20.00 20.00 0.50 ±0.01 Fe 1еост

порошка

15  103

^ 18-103 Вт/см2

21-Ю3 Вт/см2

1 2 3 4 5 I, мм Подложка / покрытие

тия наносили методом электронно-лучевой наплавки в вакууме на стальные подложки (Ст3) в 6 проходов. Толщина ЭЛН-покрытий составляла ~2 мм.

Испытания на одноосное растяжение проводили на машине ИМАШ-2078 с автоматической записью кривых растяжения. Размер сечения рабочей части образца — 4x2 мм, толщина покрытия — 0.5 мм. Твердость наплавленных покрытий определяли на приборе ТР5006 по шкале С в соответствии с ГОСТ 20017-74 (твердость по Роквеллу). Для аттестации наплавленных покрытий была исследована абразивная износостойкость при воздействии на покрытие нежесткозакреплен-ными абразивными частицами (ГОСТ 23.208-79). В качестве абразивного материала использовали кварцевый песок зернистостью 160-350 мкм. Абразивную износостойкость материала определяли по соотношению потери массы эталона (сталь 45) к потере массы образца с покрытием с учетом плотности материалов. Триботех-нические свойства образцов с покрытиями исследовали в паре трения (контртело - ШХ15) в условиях граничной смазки (индустриальное масло И-72) по схеме «вал - две плоские колодки». Испытания проводили на машине трения 2070 СМТ-1 на образцах размером 20X 10x5 мм с покрытиями толщиной ~2 мм (скорость скольжения 0.5 м/с, удельная нагрузка 588 Н). Структуру и состав покрытий исследовали методами металлографического, рентгенофазового, электронно-микроскопического анализа.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

Результаты исследования показали, что в процессе

электронно-лучевой наплавки из образующейся ванны расплава, представляющей собой многокомпонентную

систему, происходит избирательное испарение легирующих элементов, приводящее к изменению химического состава покрытия. Эксперимент показал, что качественные покрытия формируются при токе луча не ниже I = = 15-103 Вт/см2. Увеличение плотности мощности луча с 15 • 103 до 21 • 103 Вт/см2 приводит к повышению температуры в локальной зоне взаимодействия луча с расплавом, к более интенсивному его перемешиванию с мате-

Мп, вес. %

15-Ю3 Вт/см-' -г -т -т -г 6

Г

18-Ю3 Вт/см2 ^ 21-Ю3 Вт/см2

Подложка/покрытие

Рис. 1. Распределение хрома и марганца от границы раздела с подложкой к поверхности покрытий Х20АГ20, наплавленных при разных значениях плотности мощности луча

риалом подложки и к снижению концентрации хрома и марганца в покрытиях (табл. 1). Таким образом, оптимальным режимом наплавки покрытий матричного состава, при котором происходит минимальное снижение легирующих элементов в покрытии относительно исходного состава, является наплавка при I = 15 -103 Вт/см2.

Исследование изменения химического состава по глубине покрытий в зависимости от величины тока луча методом микрорентгеноспектрального анализа показало плавное изменение химического состава в сторону повышения содержания хрома и марганца от границы раздела с подложкой к их поверхности (рис. 1). Полученные результаты микрорентгеноспектрального анализа хорошо согласуются с данными химического анализа стружки покрытий после наплавки.

Наплавка композиционных покрытий, содержащих карбонитриды титана, требует более высоких значений плотности мощности электронного луча. Данное об-

Таблица 2

Химический состав материала связки в покрытиях

Расчетный состав покрытия Содержание элементов в покрытии, вес. %

Сг Мп Fe

Х20АГ20 + 20 вес. % ТС^ 7.65-9.48 2.76-3.41 ост.

Х20АГ20 + 40 вес. % ТС^ 7.88-8.03 1.77-2.44 ост.

ШКШ

Л. х 1 и • ЯНРЯН МЁШМНЯМЯ

р. .» «йившйяш

50 мкм

1-1

шшир нни

50 мкм I-1

с-

50 мкм I—I

Рис. 2. Микроструктура покрытий вблизи границы раздела с подложкой: Х20АГ20

стоятельство обусловлено тем, что частицы карбонитри-дов титана, являясь тугоплавкими соединениями (Тпл ~ ~3 100 °С), попадая в жидкую ванну расплава, повышают его вязкость, ускоряют процесс кристаллизации и повышают в целом теплоемкость всей системы, что требует дополнительного увеличения мощности луча. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что в процессе наплавки в составе связки покрытия Х20АГ20-ТЮЫ происходит некоторое уменьшение содержания хрома и марганца относительно расчетного (табл. 2). Изменение матричного состава композиционного покрытия может быть связано с разбавлением наплавочного материала материалом подложки (железом), с избирательным испарением в процессе наплавки легирующих элементов связки, а также с их частичным взаимодействием с первичными карбонитридами титана.

Наличие карбонитридов титана ТЮ0 5Ы0 5 в азотсодержащей хромомарганцевой матрице Х20АГ20 определяет механические и триботехнические свойства композиционных покрытий. Металлографический анализ наплавленных покрытий показывает, что при введении карбонитридов титана в связку Х20АГ20 формируются

Таблица 3

Содержание металлов в сложных соединениях ^е-Т1-Сг-Мп)СхЫ присутствующих в покрытиях

Соединение Т1, вес. % Fe, вес. % Сг, вес. % Мп, вес. %

1 97.44 0.856 0.142 0.02

2 94.867 2.213 1.013 0.03

3 94.032 2.510 2.071 0.09

4 88.397 7.478 2.888 0.201

5 87.882 9.193 1.195 0.305

6 79.362 17.634 1.810 0.476

7 60.321 34.537 3.268 0.957

8 59.695 32.095 4.648 2.960

неоднородные структуры, фрагменты которых состоят из множества частиц (темные участки) твердой фазы различной формы (рис. 2, б, в). Согласно микрорентге-носпектральному и рентгенофазовому анализу, после наплавки в структуре покрытий кроме исходных кар-бонитридов титана ТЮ0 5Ы0 5 присутствует незначительное количество частиц твердой фазы, представляющих собой соединения ТЮ0 35Ы055 и сложные фазы ^е-ТС-Сг-Мп)СхЫу (табл. 3), образовавшиеся в результате частичного распада нестехиометрических карбонитри-дов и взаимодействия их с компонентами наплавочного материала.

Измерение твердости поверхности покрытий после электронно-лучевой наплавки показало, что с ростом содержания упрочняющей фазы в композите Х20АГ20 увеличивается их твердость (рис. 3). Следует отметить, что при наплавке композиционных порошков, содер-

Рис. 3. Зависимость твердости (HRC), коэффициента относительной абразивной износостойкости Ки, интенсивности изнашивания и коэффициента трения К от содержания карбонитридов титана в покрытии Х20АГ20

ов, Оо2, МПа

9, МПа/% 8, %

О 10 20 30 40

~ПСхМу, вес. %

Рис. 4. Зависимость предела прочности ав, предела текучести О0.2, пластичности 8 и коэффициента деформационного упрочнения 0 от содержания карбонитридов титана в покрытии Х20АГ20

жащих свыше 40 % ТЮ0 5К0 5, формируются некачественные покрытия (раковины, поры, непроплавленные участки) с пониженными механическими характеристиками.

Испытания на абразивную износостойкость показали, что введение упрочняющей фазы значительно влияет на механизм изнашивания покрытий, существенно повышая их твердость и абразивную износостойкость (рис. 3). Исследования изношенных поверхностей методом растровой электронной микроскопии показали, что абразивные частицы воздействуют, в основном, на матрицу, и в процессе износа доля поверхности, занятой твердой фазой, увеличивается и формируется стационарный рельеф из выступающих карбонитридных частиц, затрудняющих контакт абразивных частиц с матричным материалом, повышая износостойкость покрытия в целом. Максимальную износостойкость имеют покрытия, содержащие 40 вес. % ТЮ05К05.

Улучшение триботехнических характеристик также связано с повышением содержания карбонитридной фазы в связке Х20АГ20. Так, повышение доли ТЮ0 5К0 5 до 40 вес. % приводит к существенному снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания покрытий (рис. 3). Видимо, присутствие частиц карбонит-рида титана в покрытиях снижает адгезионное и дефор-

мационное взаимодействия на пятнах фактического контакта.

Испытания на растяжение показали, что с увеличением объемной доли упрочняющей фазы материал покрытия эффективнее сопротивляется пластической деформации, о чем свидетельствует рост о02 и 8, определяемого по tg угла наклона кривой растяжения к оси деформации на участке, соответствующем 0.2-0.5 % остаточной деформации. Вместе с тем, увеличение содержания карбонитридной фазы от 20 до 40 вес. % несколько снижает ав от 190 до 183 МПа (вследствие снижения пластичности композита при увеличении в нем концентрации карбонитридной фазы) (рис. 4).

4. Выводы

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Плотность мощности электронного луча в процессе электронно-лучевой наплавки в вакууме оказывает значительное влияние на химический состав материала матрицы Х20АГ20. С увеличением плотности мощности луча возрастают потери компонентов смеси относительно исходного содержания в связи с испарением из ванны расплава легирующих элементов с высокой упругостью пара.

2. С ростом содержания карбонитридов титана от 0 до 40 вес. % в композиционных покрытиях повышается их твердость (от 30 до 50 HRC) и абразивная износостойкость Ки (от 1.2 до 10.5).

3. При растяжении образцов с покрытиями с увеличением содержания карбонитридов титана (от 0 до 40 вес. %) происходит увеличение предела текучести о02 (с 210 до 280 МПа) и коэффициента деформационного упрочнения 6 (с 145 до 200 МПа/%). Предел прочности о в снижается с 470 до 370 МПа, пластичность 5 — с 4.5 до 0.5 %.

4. По результатам триботехнических испытаний покрытий по схеме «вал - две плоские колодки» в условиях граничной смазки установлено, что с увеличением содержания карбонитридов титана (до 40 вес. %) снижаются коэффициенты трения и интенсивности изнашивания покрытий.