Особенности формирования структуры и трибологических свойств карбидосодержащих покрытий при плазменной наплавке

УДК621.791.957.55: 621.89

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРБИДОСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКЕ

© 2016 С.С. Жаткин, А.А. Паркин, В.Г. Климов

Самарский государственный технический университет

Статья поступила в редакцию 20.09.2016

Представлены результаты исследований структуры и износостойкости карбидосодержащих композиционных покрытий Micro-Melt NT-60 и WOKA PTA-6040 после плазменной порошковой наплавки в различных режимах.

Ключевые слова: плазменная наплавка, износостойкость, микроструктура, микротвердость, рент-геноспектральный микроанализ.

Известно, что высокие механические характеристики деталей и изделий часто обеспечивается наличием в них карбидообразуюших элементов и их структурой. В настоящее время известна широкая группа твердых сплавов и композиционных материалов с карбидным содержанием, обладающих высокой твердостью и износостойкостью. В качестве способа формирования износостойких карбидосодержащих покрытий интенсивно применяется технология плазменной наплавки, характеризующаяся минимальным воздействием на заготовку и регулированием толщины наплавленного слоя в широких пределах.

В данной работе представлены результаты исследований влияния структуры плазменно-наплавленных композиционных материалов на основе карбида вольфрама Micro Melt NT-60 фирмы CARPENTER и WOKA PTA-6040 на износостойкость полученных покрытий.

Состав исходных наплавляемых порошков представлен в табл. 1.

МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Наплавка на цилиндрические образцы из стали 19ХГНМА диаметром 52 мм и толщиной 15 мм проводилась на плазменной установке ARC-06В в защитном газе при токе дуги 70-100 А и расходе порошка 16 г/мин. Диаметр сопла плазмотрона составлял 2,4 мм. Микроструктуру и микроанализ зон плазменной наплавки исследовали на растровом электронном микроскопе JSM-6390LV/ LGS фирмы JEOL.

Испытания на линейный износ проводились локально в четырех участках кольцевой зоны на-

Жаткин Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии». E-mail: laser@samgtu.ru, sergejat@mail.ru Паркин Анатолий Алексеевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии». E-mail: laser@samgtu.ru Климов Вадим Геннадьевич, аспирант.

плавки (рис. 1) [1-2]. Точка 1 соответствует началу, а точка 4 - концу наплавленного кольца. Контртело было изготовлено из стали 40Х (закалка до ЖС 46-48) в виде трубки внешним диаметром 6 мм и толщиной стенки 1 мм. Испытания проводились при нормальной нагрузке в 45 кгс в течение 10 минут с частотой вращения шпинделя 600 об/ мин. При испытаниях использовалась алмазная паста АСМ-3/2-НОМГ с алмазным порошком дисперсностью 2-3 мкм.

Рис. 1. Расположение зон трения: 1 - начало наплавки; 4 - конец наплавки

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Фотографии структуры зон наплавки порошковых материалов WOKA PTA-6040 и Micro-Melt NT-60 представлены на рис. 2.

В наплавленном слое наблюдается зона растворенных карбидов в никеле (в верхней части), а также седиментация карбидов, что наиболее заметно в покрытии WOKA PTA-6040 из-за их более крупных размеров, чем в Micro-Melt NT-60. По данным проведенных измерений средний размер

Таблица 1. Химический состав WOKA PTA-6040 и Micro-Melt NT-60

Наименование материала Содержание, % по массе

Co Ni C Cr У Mo Si Карбид вольфрама

Micro-Melt NT-60 0,5 35 (основа) 1,6-2,9 0,35 0,45 0,8 - 60

WOKA PTA-6040 2,2 30 (основа) 3,5-5,3 1,5 0,45 - 0,6 60

Micro-Melt NT-60

30kV Х23 1mm SamSTU  A

WOKA PTA-6040

30kV X35 500pm SamSTU ^

30kV ХЗБ 500pm SamSTU

Рис. 2. Структура наплавленных покрытий WOKA PTA-6040 и Micro-Melt NT-60 в зависимости от тока плазменной дуги

карбидов в покрытии Micro-Melt NT-60 составлял 70 - 90 мкм, а в WOKA PTA-6040 - 120 - 170 мкм.

Седиментация протекает активнее при токе дуги 100 А из-за более высокой температуры и меньшей вязкости никеля.

Процесс седиментации оказывает существенное влияние на износостойкость наплавленного материала, что подтверждается данными испытаний на послойный локальный износ покрытия WOKA PTA-6040 по высоте от верха зоны наплавки (табл. 2).

В целом с ростом тока дуги величина износа в рамках одного уровня трения по высоте наплавки

возрастает, что обусловлено растворением и распадом карбидов вольфрама. При токах дуги 85А и 100 А в верхней части наплавленного валика износ максимальный, т. к. здесь температура нагрева максимальна и поэтому распад исходных карбидов и их растворение в никеле возрастают. Процесс седиментации также обедняет верхние слои зоны наплавки, где температура максимальна, а вязкость расплава минимальна.

В средней части наплавленного валика (отступ от верха валика - 1000мкм) при всех токах дуги износ уменьшился, что связано с уменьшением размеров карбидов вольфрама, увели-

Таблица 2. Величина износа WOKA PTA-6040 по высоте зоны наплавки

Верх зоны наплавки Середина зоны наплавки Низ зоны наплавки

Ток Средняя Скорость Средняя Скорость Средняя Скорость

дуги, А величина износа величина износа величина износа

износа, мкм мкм/час износа мкм мкм/час износа, мкм мкм/час

70 25 152 20 120 22 134

85 31 185 21 128 20 119

100 35 207 27 159 17 102

чением их концентрации и соответствующей ориентации в результате процесса седиментации.

При токе плазменной дуги 100 А ближе к границе сплавления (низ зоны наплавки) концентрация карбидов (особенно ближе к центру наплавки), максимальна и, соответственно, износ минимальный.

Одной из особенностей наплавки плазменной дугой на торцевую поверхность цилиндрической заготовки является различие в характере нагрева внутреннего и внешнего края наплавляемой дорожки, что обусловлено различием в скоростях их движения при вращении образца и, как следствие, различием во времени нагрева, и, соответственно, температурой нагрева зоны наплавки. Экспериментально установлено, что величина износа существенно отличается по ширине наплавленной дорожки - она значительно больше на ее внутреннем крае, чем на внешнем [3]. В табл. 3 представлены результаты испытаний наплавленного Micro-Melt NT-60 в различных зонах (рис. 1) при токах плазменной дуги 70А, 85А и 100А.

Более высокий износ по внутреннему краю наплавленной дорожки обусловлен существенным его перегревом по сравнению с внешним краем, приводящему к более интенсивному распаду карбидов здесь. Аналогично с ростом тока дуги до 85-100 А из-за более интенсивного нагрева и распада карбидов происходит значительное увеличение величины износа. При этом снижается разброс его значений по внутреннему и внешнему краю наплавленной дорожки. При токах дуги 85А и 100А (рис. 2) произошло

уменьшение плотности карбидов, что привело к увеличению величины износа наплавленных зон.

На износостойкость наплавленного материала оказывает существенное влияние целый ряд параметров, например, микротвердость поверхностного наплавленного слоя, величина ее разброса, концентрация и равномерность распределения карбидных частиц по наплавленному слою. На рис. 3 показаны наиболее характерные структура наплавленного материала CARPENTER Micro-Melt NT-60 на отдельных участках 4-х зон трения образца в соответствии с рисунком 1 при токах плазменной дуги 70 А, 85 А и 100 А. Зоны трения показаны слева направо от начала к концу наплавки.

Структура наплавленного материла при минимальном износе (рис. 3, а, зона трения 4) состоит из карбидов вольфрама среднего размера при их максимальной концентрации. В зоне №1 (начало наплавки) первичные карбиды вольфрама более крупные, а их концентрация невысокая и износ наплавленного материала здесь максимален.

Закономерность изменения износа от зоны №1 к зоне №4 при токе 85 А противоположна, то есть величина износа материала наплавки незначительно возрастает - от 20 мкм до 25 мкм за 10 минут испытаний, причем синхронно с уменьшением размеров карбидов вольфрама и их концентрации. Последнее обусловлено разогревом подложки в процессе наплавки, возрастанием скорости растворения карбидов в никелевой матрице и, соответственно, уменьшением эффективной поверхности карбидной фазы.

Таблица 3. Величина износа Micro-Melt NT-60 в различных зонах трения

№ зоны трения И:, мкм И2, мкм <И>, мкм ДТ0С

/д =70А

1 58 29 43,5 0,11 10

2 29 27 28 0,09 11

3 15 33 24 0,09 7

4 8 5 6,5 0,071 8

<25,5>

/д = 85А

1 51 20 35,5 0,1 10

2 50 22 36 0,1 11

3 55 23 39 0,11 7

4 58 25 41,5 0,1 8

<38>

/д = 100 А

1 62 21 41,5 0,077 8

2 65 15 40 0,069 6

3 59 13 36 0,054 5

4 56 12 34 0,046 8

<38>

Примечание: И1 - усредненная величина износа внутреннего края наплавленной дорожки, И2 - усредненная величина износа внешнего края наплавленной дорожки; т - коэффициент трения, ДТ°С - изменение температуры в зоне трения

1 2 3 4

Рис. 3. Микроструктура и износ наплавленного материала CARPENTER Micro-Melt NT-60:

а - ток плазменной дуги -70А; б - 85А; в - 100А; слева ^ направо - зоны трения 1 ^ 4

Износ наплавленного покрытия от зоны №1 к зоне №4 при токе наплавки 100 А уменьшается - от 21 мкм до 12 мкм за 10 минут испытаний, причем синхронно с увеличением размеров карбидов вольфрама и их концентрации. Данный фактор можно объяснить более интенсивным нагревом материала заготовки, соответственно уменьшением скорости охлаждения наплавленного материала и увеличением выделения и времени роста вторичных карбидов.

В целом в плазменно-порошковых наплав -ленных покрытиях возникает неравномерное распределение твердой карбидной фазы по объему зоны наплавки, то есть возникают участки наплавленного материала с различной структурой, соответственно, твёрдостью и износостойкостью. Указанный факт установлен и подтвержден экспериментально, табл. 3.

Сравнительная характеристика средней величины износа наплавленных материалов представлена в табл. 4.

В обоих случаях с ростом тока дуги средняя величина износа возрастает, но наиболее сильно это наблюдается для Micro-Melt NT-60. Повышенный износ последнего может быть обусловлен не только меньшим размером карбидов, но и их твердостью. По результатам измерения микротвердости установлено, что твердость карбидов в наплавленном WOKA PTA-6040 достигает 20002400 кг/мм2, в то время как в Micro-Melt NT-60 ее величина не превышает 800 - 1200 кг/мм2. При этом за счет растворения карбидов твердость связки в WOKA PTA-6040 составляет 700-900 кг/ мм2, а в Micro-Melt NT-60 400-500 кг/мм2, что соизмеримо с твердостью стальной подложки в зоне

Таблица 4. Сравнительная характеристика средней износостойкости наплавленных покрытий

Глубина шлифа под зону износа 1000 мкм

Ток дуги 70 А Ток дуги 85 А Ток дуги 100 А

Материал Средняя Скорость Средняя Скорость Средняя Скорость

величина износа, величина износа, величина износа,

износа, мкм мкм\час износа, мкм мкм\час износа, мкм мкм\час

WOKA PTA-6040 20 120 21 128 27 159

Micro-Melt NT-60 26 156 38 228 40 240

Рис. 4. Микроструктура зон плазменной наплавки покрытий WOKA PTA-6040 (а-в) и Micro-Melt NT-60 (г-е) при токе дуги 100А: а, г - верх наплавленного валика; б, д - середина наплавленного валика; в, е - граница наплавленного покрытия с подложкой

сплавления. Это связано с тем, что карбидные включения в Micro-Melt NT-60 наиболее подвержены распаду и растворению при высоких температурах (рис. 4).

В верхней части зоны наплавки в обоих покрытиях при токе дуги 100 А первичные карбиды распадаются практически полностью. В зоне наплавки Micro-Melt NT-60 происходит выделение и формирование, по-видимому, сложнолегированных карбидов в основном реечной формы размером 5-20 мкм. В отличие от WOKA PTA-6040 в нижних слоях наплавленного валика Micro-Melt NT-60 наблюдается более интенсивный распад первичных карбидов не только за счет растворения, но и за счет их внутреннего распада (рис. 3, д, е).

Рентгеноспектральный микроанализ показал, что наряду с карбидами вольфрама в зоне наплавки могут образовываться сложные карбиды, содержащие железо, поступающее из подложки, а также растворы железо-никель, железо-никель-вольфрам. Вольфрам в никеле растворяется в жидкой фазе в результате распада карбидов вольфрама. С ростом тока плазменной дуги концентрация железа в зоне наплавки возрастает, наличие которого неблагоприятно сказывается на свойствах наплавленного покрытия. Результаты микроанализа в целом также подтверждают процесс седиментации карбидов вольфрама.

ВЫВОДЫ.

На основе проведенных исследований по плазменной наплавке покрытий WOKA PTA-6040 и

Micro-Melt NT-60 фирмы CARPENTER установлено:

С ростом тока дуги от 70 до 100 А в процессе наплавки протекает седиментация карбидов к границе сплавления с подложкой, обуславливающая неравномерный износ наплавленного слоя по его высоте. Наиболее выраженная седиментация наблюдается в наплавленном WOKA PTA-6040 из-за большего размера карбидов и их массы.

Испытания на абразивный износ показали, что износостойкость наплавленного покрытия на основе WOKA PTA-6040 выше, чем покрытия из Micro-Melt NT-60 за счет более высокой твердости карбидов.

Неравномерный износ наплавленного WOKA PTA-6040 по высоте обуславливает необходимый технологический припуск для шлифовки наплавленных валиков. При токе плазменной дуги 70А припуск должен быть не менее 0,7мм, при 85 А - не менее 1 мм, а при токе дуги 100А -около 1,4 мм.

Различие в характере нагрева внутреннего и внешнего края наплавляемой дорожки, при наплавке на торцевую поверхность цилиндрической заготовки обуславливает различие и в степени их износа, величина которого на внутреннем крае дорожки существенно больше, чем на внешнем.

5. В целом в плазменно-порошковых наплавленных покрытиях возникает неравномерное распределение твердой карбидной фазы по объему зоны наплавки, то есть возникают участки наплавленного материала с различной структурой, соответственно, твёрдостью и износостойкостью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жаткин С.С., Паркин А.А., Минаков Е.А. Влияние параметров плазменной дуги и материала заготовки на структуру и свойства наплавленного сплава Stemte 190 W // Известия МГТУ «МАМИ».

2013. .№1(15). Т2, С. 38-46.

2. Паркин А.А., Жаткин С.С., Минаков Е.А. Влияние структуры и свойств на износ покрытия Micro Melt NT-60 после плазменной порошковой наплавки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. №4(3). С. 847-852.

THE FEATURES OF FORMATION OF THE STRUCTURE AND TRIBOLOGY PROPERTIES OF CARBIDE COVERINGS AT PLASMA CLADDING

© 2016 S.S. Zhatkin, A.A. Parkin, V.G. Klimov

Samara State Technical University

The results of researches of the structure and wear resistance of carbide composite coverings Micro-Melt NT-60 and WOKA PTA-6040 after plasma powder cladding in different modes are presented. Keywords: plasma cladding, wear resistance, microstructure, microhardness, composite materials, carbides, microanalysis.

Sergey Zhatkin, Candidate of Technics, Associate Professor at the Founding and High-Performance Processes Department. E-mail: laser@samgtu.ru, sergejat@mail.ru Anatoly Parkin, Candidate of Technics, Professor at the Founding and High-Performance Processes Department. E-mail: laser@samgtu.ru Vadim Klimov, Graduate Student.