Структура и триботехнические свойства боридных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой

Структура и триботехнические свойства боридных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой

Н.К. Гальченко, С.И. Белюк, К.А. Колесникова, В.Е. Панин, O.K. Лепакова

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

В работе представлены результаты исследования структуры и свойств композиционных покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки из смеси термореагирующих порошков FeB-FeTi. Показана зависимость фазо- и структурообразования покрытий от гранулометрического состава исходных компонентов наплавляемой шихты. Исследованы абразивная износостойкость, коэффициенты трения и интенсивность изнашивания в парах трения. Показана взаимосвязь полученных характеристик со структурой и морфологическими особенностями структурных составляющих покрытий.

Structure and tribological properties of boride coatings deposited by electron-beam fusion

N.K. Galchenko, S.I. Belyuk, K.A. Kolesnikova, V.E. Panin, and O.K. Lepakova

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 634021, Tomsk, Russia

The paper presents the investigation results on the structure and properties of composite coatings obtained by electron-beam fusion of a mixture of heat-sensitive powders FeB-FeTi. It is shown that the phase and structure formation of the coatings depends on the grain size composition of initial components of the fusion mixture. Abrasive wear resistance, friction coefficients and wear intensity in friction pairs are studied. The interrelation of the obtained characteristics with the structure and morphological features of coating constituents is shown.

1. Введение

В настоящее время большое внимание уделяется вопросу создания на поверхности металлов и сплавов упрочняющих композиционных покрытий на основе тугоплавких соединений, стойких к абразивному и адгезионному взаимодействию. Существующая проблема создания покрытий напылением с высокой адгезией и когезией может быть в большей мере решена использованием технологии электронно-лучевой наплавки, позволяющей создавать на поверхности деталей градиентных литые покрытия с высоким комплексом механических характеристик. Известно, что электронно-лучевая наплавка основана на использовании эффекта концентрации энергии электронного луча в микрообъеме жидкометаллической ванны наплавляемого изделия. Сканирование электронного луча по линиям развертки позволяет лучу многократно, с частотой 400 Гц, воздействовать на микрообъем ванны расплава до полного завершения процесса расплавления металлической составляющей порошка, подаваемого в зону оплавления, и усреднения фазового состава микрообъема жидкометаллической ванны. Ванна расплава с тугоплавкой составляющей, выходя из области воздействия электронного луча вследствие перемещения зоны оплавления, кристаллизуется с высокой скоростью из-за значительного отвода тепла из жидкометаллической ванны в объем наплавляемого изделия, а упрочняющая тугоплавкая составляющая, являясь одновременно центром кристаллизации, не успевает провзаимодействовать с расплавом. Таким образом, на поверхности изделия формируются износостойкие композиционные покрытия с высоким уровнем физико-механических характеристик [1].

Трибологические и прочностные свойства сформированных в процессе электронно-лучевой наплавки покрытий на основе тугоплавких соединений определяются условиями эксплуатации. Так, например, работа покрытий при повышенных температурах предусматривает в их составе наличие тугоплавкой составляющей с высокой термодинамической стабильностью и согласованностью теплофизических свойств матричного материала и подложки. С этой точки зрения практический интерес представляют композиционные покрытия с металлической матрицей на основе боридов титана, синтезируемых в процессе электронно-лучевой наплавки из термореагирующих порошков. При этом дополнительное количество тепла, выделяемое в зоне оплавления за счет экзотермической реакции между компонентами смеси, способствует формированию покрытий с более однородной структурой по глубине слоя без увеличения мощности электронного луча. Окончательное формирование структуры покрытия происходит в результате конвективного перемешивания твердожидких расплавов, отличающихся вязкостью из-за разного наполнения тугоплавкими частицами, и зависит от многих факторов, в том числе от соотношения компонентов в исходной смеси и гранулометрического состава, влияющих на степень смешения расплавов, скорость кристаллизации и полноту фазовых превращений [2].

Для создания боридных покрытий могут использоваться смеси термореагирующих порошков в следующем сочетании: FeB + ТС, FeB + FeTi, FeB + №ТС, FeCrB + ТС, FeCrB + FeTi, FeCrB + №ТС.

© Гальченко Н.К., Белюк С.И., Колесникова К.А., Панин В.Е., Лепакова O.K., 2005

В настоящей работе проведено исследование композиционных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой термореагирующих порошков FeB-FeTi. Соотношение компонентов в порошковой смеси рассчитывали на получение покрытий с 33 вес. % ТіВ2 по уравнению химической реакции: хРеВ + уРеТі ^ ТіВ2 + Fe + Q [3]. Было изучено влияние гранулометрического состава исходных компонентов наплавляемой шихты на структурные особенности покрытий и их трибологические свойства.

2. Материалы и методика исследований

Для наплавки покрытий в работе использовали три варианта порошковой смеси из ферробора марки ФБО (21.3 вес. % В) и ферротитана марки ТиВ (60 вес. % Ті), взятых в равных весовых соотношениях:

1 — РеВ (50-125 мкм) + РеТі (200-315 мкм);

2 — РеВ (200-315 мкм) + РеТі (200-315 мкм);

3 — РеВ (200-315 мкм) + РеТі (50-200 мкм).

Выбранные пределы гранулометрического состава обусловлены технологическими возможностями электронно-лучевой установки и не могут быть ниже 50 мкм и выше 450 мкм.

Наплавку покрытий осуществляли на подложки из Ст3 электронно-лучевым методом в 2-4 прохода при ускоряющем напряжении 28 кВ. Диаметр луча — 1.0 мм, длина развертки — 12 мм, скорость перемещения подложки — 2 мм/с. Толщина наплавляемого слоя — 2-3 мм.

Оценку структуры проводили методом рентгенографического исследования фазового состава на дифрактометре ДРОН-4, химический состав — микрорентгеноспектральным анализом (МРСА) на установке КАМЕВАХ-МІККОВЕАМ с

локальностью анализа 1 мкм. Микроструктуру покрытий изучали с помощью светового микроскопа МИМ-9. Твердость основных структурных составляющих Н измеряли методом наноиндентирования на приборе Nano Hardness Tester фирмы CSEM при нагрузке 5 г. Измерение микротвердости проводили на приборе ПМТ-3 при нагрузке P = 50 г.

Трибологические свойства покрытий исследовали в парах трения по методу «неподвижный индентор из твердого сплава - вращающийся диск». Твердость индентора составляла Hц =29.3 ГПа. Испытания проводили при комнатной температуре со смазкой (N20 + SMT) и без подачи смазки в зону контакта на машине трения PC-Controlled High Temperature Tribometer THT-S-AX0000 при нагрузке 10 Н и скоростях скольжения V= 5, 11 см/с. Основные параметры износа покрытий в паре трения определяли в процессе непрерывного скольжения после завершения приработки по стабилизации коэффициента трения и линейного износа.

3. Результаты испытаний и их обсуждение

На рис. 1 приведена серия микроструктур, полученных наплавкой смеси порошков FeB-FeTi различного гранулометрического состава, из которых видно, что в процессе электронно-лучевой наплавки сформировались покрытия с градиентной структурой по глубине наплавленного слоя с тремя характерными зонами: а, г, ж — граница раздела с подложкой; б, д, з — структура в середине наплавленного слоя; в, е, и — приповерхностная зона покрытий.

Для всех составов данные рентгеновского микроанализа и анализа фазового состава показывают увеличение по толщине слоя концентрации боридов титана (TiB, TiB2, Ti3B4) от

Рис. 1. Микроструктуры покрытий, полученных наплавкой шихты из смеси термореагирующих порошков FeB-FeTi различного гранулометрического состава

границы раздела с подложкой к поверхности покрытий, которая оценивалась по величине интенсивностей максимумов, им присущих. В то же время, у границы раздела на дифрак-тограммах отмечено возрастание интенсивностей линий аРе и Ре2В, т.е. в областях, примыкающих к подложкам, микроструктура исследуемых покрытий соответствует затвердевшему доэвтектическому расплаву аРе + (Ре + Ре2В) + ТіВ2. Увеличение микротвердости подложки вблизи наплавки от 0.2 до 0.35 ГПа и пониженное значение твердости переходной зоны (Нц ~ 0.5 ГПа) говорят об интенсивной взаимной диффузии компонентов наплавки и подложки, когда зона наплавки вблизи границы раздела обогащается железом, а прилегающая к ней зона подложки — титаном и бором. Степень разбавления наплавочного материала материалом подложки уменьшается по мере удаления от основы к поверхности покрытия. Металлографический анализ показывает, что самая неоднородная структура по глубине слоя сформировалась у покрытия, наплавленного порошками РеВ (50-125 мкм) + РеТі (200-315 мкм), фрагменты которой представлены на рис. 1, а-в. Такая структура характерна для кристаллизации неоднородных по концентрации расплавов. Послойный РФА, МРСА и металлографический анализ позволил предположить, что в процессе наплавки в первую очередь произошло расплавление мелких частиц РеВ (Гпл = 1 540 °С) размером 50-125 мкм с образованием ферроборного расплава, который в зоне контакта с крупными частицами РеТі (Тпл = 1 650 °С) размером 220 мкм при кристаллизации в центре наплавленного слоя образует кольцевую структуру, состоящую из ТіВ2 (рис. 1, б). Поскольку метод электронно-лучевой наплавки является многопроходным, то нанесение последующих слоев приводит к повышению температуры подложки, увеличению времени существования жидкометаллической ванны на поверхности наплавляемого слоя и уменьшению скорости кристаллизации расплава. Это способствует формированию на поверхности покрытий более однородной структуры с единичными кристаллами диборида титана, отошедшими в расплав в результате конвективного массопереноса из предыдущего слоя. По данным РФА, на дифрактограммах, снятых с поверхности образца, наряду с сильными отражениями, принадлежащими ТіВ2, имеются отражения от фаз Ре2В и а-Ре, т.е. состав закристаллизовавшегося расплава находится в области выше квазиби-нарного разреза (Ре-ТіВ2) тройной диаграммы состояния Ре-Ті-В [4]. В итоге на поверхности покрытия сформировалась структура, состоящая из кристаллов диборида титана и металлической связки с участками эвтектик ТіВ2 + Ре, Ре + Ре2В (рис. 1, в). Неоднородность структуры покрытия хорошо иллюстрирует скачкообразное распределение микротвердости по глубине слоя (рис. 2, а).

Анализ микроструктур покрытий, наплавленных смесью крупнозернистых порошков (состав 2), позволяет сделать вывод о том, что жидкометаллическая ванна расплава не успела усредниться во всем объеме по концентрации легирующих элементов. При кристаллизации такого расплава в середине наплавленного слоя сформировались структуры с участками повышенной твердости (Н = 14-17 ГПа), которые на рис. 1, д представлены в виде серых глобул, состоящих, по данным МРСА, из боридов железа РеВ, Ре2В. Между ними наблюдаются многочисленные белые вкрапления мелкодисперсных боридов титана и их конгломераты, по твердости (Н = = 32.5 ГПа) соответствующие фазе ТіВ2. Послойный рентгенофазовый анализ показал, что кроме боридов железа и титана образуются и фиксируются фазы а-Ре, Ре2Ті. Из рис. 1, г-е видно, что структура покрытия между нетравящи-мися участками имеет эвтектический характер и может быть представлена тремя эвтектиками: Ре2В-Ре, ТіВ2-Ре, Ре2Ті-Ре [1, 3]. По характеру распределения микротвердости по глубине слоя видно, что покрытие имеет более однородную структуру и более высокие значения микротвердости по сравнению с покрытием состава 1 (рис. 2, б).

Исследование структуры покрытия, наплавленного смесью порошков состава 3, показало, что в процессе наплавки сформировалась слоистая структура с преимущественным содержанием фазовых составляющих по глубине слоя. Так, в центре слоя (рис. 1, з) сформировалась структура, состоящая, в основном, из кристаллов Ре2В твердостью Н = 14.4 ГПа, размером 20-38 мкм, и мелких (4-6 мкм) кристаллов диборида титана, расположенных в эвтектической связке Ре2В-Ре. Приповерхностная зона покрытия состоит из частиц, имеющих ярко выраженную кристаллографическую огранку, окаймленных тонкими прослойками эвтектики. По результатам РФА и измерениям нанотвердости данные частицы представляют собой бориды титана ТіВ, Ті3В4, ТіВ2 с твердостью Н = = 22-34 ГПа и размером 10-17 мкм.

Следует отметить, что в структурах исследуемых покрытий не выявлены не прореагировавшие в процессе электронно-лучевой наплавки частицы исходных компонентов порошковой смеси РеВ и РеТі.

С целью оценки использования боридов титана в качестве твердой фазы в составе композиционных покрытий, синтезированных в процессе электронно-лучевой наплавки, изучалась абразивная и структурная износостойкость при сухом трении скольжения и трении со смазкой.

Исследования показали, что износостойкость как при абразивном изнашивании, так и при износе в парах трения кор-реллирует с агрегатной твердостью наплавленных покрытий системы Ре-В-Ті и зависит от объемной доли тугоплавкой

Нц, ГПа 1 20 10 і 0 Нц, ГПа і Л 20 > б НЦ’ ГПа ' 10 _

0 1 2 И, мм 0 1 И, мм 0 1 2 И, мм

Рис. 2. Распределение микротвердости Н^ от подложки к поверхности наплавки образцов, полученных электронно-лучевым методом: а — РеВ

Таблица 1

Коэффициент трения f и интенсивность изнашивания I (мкм/км) покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой из термореагирующих порошков различного гранулометрического состава

V, см/с Состав 1 Состав 2 Состав 3 WC- 6% Co

f I f I f I f I

5 (без смазки) 0.43 2.28 0.52 2.32 0.51 1.61 0.488 13.9

11 (без смазки) 0.31 1.29 0.39 1.45 0.51 3.30 0.426 11.7

5 (со смазкой) 0.129 нет износа 0.130 нет износа 0.126 нет износа 0.129 0.161

11 (со смазкой) 0.128 нет износа 0.129 нет износа 0.127 нет износа 0.113 0.160

составляющей в поверхностной зоне, морфологии фазовых составляющих и свойств металлической матрицы.

Сравнительный анализ микроструктур и абразивной износостойкости (рис. 3) показал, что более благоприятные структуры для данного вида износа, были получены из смеси порошков РеВ (200-315 мкм) + РеТі (200-315 мкм) (состав 2) и РеВ (200-315 мкм) + РеТі (50-200 мкм) (состав 3). Высокие значения износостойкости покрытия состава 2 (Ки = 5.72), вероятно, обусловлены регулярной структурой и высокой дисперсностью эвтектических составляющих металлической связки. Покрытия состава 3, в структуре которых преобладающими фазами являются бориды титана, имеют наиболее однородную структуру по глубине наплавленного слоя, самые высокие значения агрегатной твердости и наибольшую абразивную износостойкость (Ки = 11.3) по сравнению с другими составами (рис. 2, в, рис. 3). Максимальный износ показали покрытия состава 1, у которых сформировалась самая неоднородная структура с низкими значениями микротвердости металлической связки (Н = 4-5 ГПа), в которой микрорентге-носпектральный анализ выявил наличие многочисленных участков железа, свободных от дисперсных частиц. В процессе износа абразивный материал воздействовал, в основном, на пластичную матрицу, обусловливая ее интенсивный износ и выкрашивание кристаллов борида титана.

Результаты трибологических испытаний, полученные при сухом трении в паре с индентором из твердого сплава, показали, что интенсивность изнашивания наплавленных покрытий находится в пределах 1.29-3.30 мкм/км. Установлено, что увеличение скорости скольжения приводит к снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания у покрытий 1 и 2 составов, что связано, видимо, с повышением температуры в пятне контакта и образованием вторичных структур, возникающих на поверхностях трения в результате трибо-

Рис. 3. Коэффициент абразивной износостойкости образцов различного гранулометрического состава: эталон — Ст45; 1 — РеВ

окисления. Коэффициенты трения при выбранных скоростях скольжения (V = 5, 11 см/с) находятся в интервалах 0.43-0.52 и 0.31-0.39 соответственно. В отличие от первых двух составов для покрытия 3, поверхностный слой которого характеризуется высокой концентрацией частиц боридов титана и малой долей связки, увеличение скорости скольжения не повлияло на изменение коэффициента трения, но за счет снижения деформативных свойств приповерхностного слоя и растрескивания твердых частиц привело к увеличению износа покрытия при трении в данном диапазоне скоростей в два раза: с 1.61 до 3.3 мкм/км. Введение в зону трения смазочного материала существенно улучшило трибологические свойства всех покрытий.

Данные, приведенные в табл. 1, показывают, что исследуемые в работе покрытия и твердый сплав WC -6 % Co, взятый для сравнения в качестве эталона, при данных нагрузочно-скоростных параметрах износа имеют сопоставимые значения коэффициентов трения и более низкую интенсивность изнашивания, особенно при сухом трении.

4. Выводы

Полученные данные показывают, что при электронно-лучевой наплавке термореагирующих порошков FeB-FeTi формируются композиционные металлокерамические покрытия на основе синтезируемых в процессе наплавки боридов титана (TiB, Ti3B4, TiB2) и боридов железа (Fe2B) с высокой абразивной износостойкостью и низкими значениями интенсивности изнашивания при сухом трении.

Соотношение гранулометрических составов наплавляемых порошковых композиций оказывает существенное влияние на физико-химические процессы, происходящие в ванне расплава под воздействием электронного луча, и определяют структуру и свойства покрытий.

Композиционные покрытия, полученные методом электронно-лучевой наплавки в системе Fe-B-Ti, могут быть рекомендованы в качестве износостойких материалов.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 8.10.

Литература

1. Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., Ремпе Н.Г. Элект-

ронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. - № 2.- С. 34-38.

2. Гальченко Н.К., Белюк С.И., Панин В.Е. и др. Электронно-лучевая наплавка

композиционных покрытий на основе диборида титана // Физика и химия обработки материалов. - 2002. - № 4. - С. 68-72.

3. Пат. РФ № 2205094 Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г. и др. «Способ

электронно-лучевой наплавки», выдан 27 мая 2003 г.

4. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе

железа: Справочник / Под ред. О.А. Банных, М.Е. Дрица. - М.: Металлургия, 1986. - 439 с.