СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF FORMING FIBROUS COMPOSITE COATING

Изобретение относится к области обработки поверхности покрытий на основе быстрорежущей стали потоками энергии для улучшения эксплуатационных характеристик изделий.
Известен способ обработки изделий, в котором воздействие на конструкционную (рельсовую) сталь осуществляют импульсным лазерным лучем (Zheng-yang Li, Xu-hui Xing, Ming-jiang Yang, Bing Yang, Zhi-yuan Ren, Hua-qiang Lin Investigation on rolling sliding wear behavior of wheel steel by laser dispersed treatment // Wear 314 (2014) P. 236-240). Зона переплава имеет мартенситно-аустенитную (90:10%) структуру с твердостью 550HV, зону термического влияния с твердостью 850 HV и далее основной металл с ферритно-перлитной структурой твердостью 300 HV. Полученная структура позволяет увеличить износостойкость материала в условиях схемы износа качения-скольжения в два раза.
Недостатками способа являются:
- большой коэффициент обработки поверхности лазерным лучом (80%), что создает значительные термические напряжения и, как следствие, высокую вероятность образования трещин со стороны зоны термического влияния, имеющей высокую твердость;
- способ неприемлем в условиях обработки предварительно наплавленной поверхности композиционным материалом, изначально имеющим высокую твердость.
4÷
5
2
Наиболее близким является способ, взятый в качестве прототипа - способ обработки изделий из высокоуглеродистых легированных сплавов (RU 2494154 CI, МПК C21D 1/09 (2006.01), опубл. 27.09.2613), включающий воздействие на изделие импульсным концентрированным потоком энергии. На изделие локально воздействуют сфокусированным импульсным электронным лучом с плотностью мощности 10l0 Вт/см, диаметром луча 0,5÷2 мм и длительностью импульса 1÷30 мс с дискретным точечным распределением, формируя на поверхности изделия модифицированные зоны заданной геометрии. Затем изделие подвергают термической обработке при температуре 600÷1100°С и времени выдержки 30÷60 мин. Недостатками способа являются:
- дополнительная термическая обработка изделий, для которых комбинированная операция наплавки и оплавления является финишной обработкой;
- сфокусированный точечный импульсный электронный луч не позволяет создать модифицированные зоны заданной геометрии (кроме точечной) без перекрытия отдельных точек (например, с полосовым однонаправленным распределением), и сформировать однородный структурно-фазовый состав модифицированных зон и их свойства. Это важно когда изделия работают не при чисто абразивном износе, а в паре трения.
Задачей является создание способа обработки покрытий на основе быстрорежущей стали концентрированными потоками энергии, обеспечивающими уменьшение интенсивности изнашивания в паре трения.
4
5
2
Способ формирования волокнистого композиционного покрытия, также как в прототипе, заключается в воздействии на изделие импульсным электронным лучом с плотностью мощности 10÷10 Вт/см.
Согласно изобретению на низко- или среднеуглеродистую конструкционную сталь наносят покрытие на основе промышленного порошка ПР-10Р6М5 электронно-лучевым или плазменно-порошковым методом, затем наплавленную поверхность подвергают шлифованию и дискретному оплавлению с помощью импульсного лазерного или импульсного электронного луча с диаметром луча на поверхности покрытия 0,25÷2 мм и длительностью импульса 5÷20 миллисекунд, сфокусированного в линию или точку, повышая микротвердость в части объема волокна, находящегося между вязкими прослойками оплавленной зоны и основного покрытия.
На фиг. 1 показана схема дискретного оплавления композиционного покрытия импульсным лазерным или электронным лучом, развернутым в точку (ось волокна перпендикулярна наплавленной поверхности), где 1 - основной металл, 2 - наплавка, 3 - дискретно упрочненные зоны (волокна), 4 - ось волокна, 5 - глубина оплавления (в разрезе).
На фиг. 2 показана схема дискретного оплавления композиционного покрытия импульсным лазерным или электронным лучом, развернутым в линию (ось волокна параллельна наплавленной поверхности).
На фиг. 3 показана микроструктура поперечного сечения литого ядра покрытий на основе быстрорежущей стали после лазерного оплавления при увеличении, где а) - литое ядро и зона термического влияния - ЗТВ; б) - зона Б и ЗТВ (зона В); в) - зона А и зона Б.
На фиг. 4 показано распределение средних значений микротвердости по зонам литого ядра (зона А, зона Б и зона В основного металла), облученных импульсным лазером покрытий на основе быстрорежущей стали.
Оплавленные зоны или волокна на фиг. 1 и фиг. 2 состоят из двух структур - зона А и зона Б (фиг. 3) и отличаются уровнем микротвердости, что показано на фиг. 4. Твердая часть волокна - зона Б, находящаяся между вязкими прослойками волокна зоны А и зоны В основного металла покрытия на фиг. 3 и фиг. 4 несут основную нагрузку в трибоконтакте. Вязкие прослойки - волокна зоны А и зоны В обеспечивают релаксацию напряжений и торможение в развитии трещин. В зависимости от напряженного состояния пары трения ось волокна формируют перпендикулярно (фиг. 1) или параллельно (фиг. 2) рабочей поверхности основного покрытия.
4
5
2
Технический результат при осуществлении заявляемого способа достигается за счет образования на поверхности покрытия периодических волокон (расстояние между осями волокон составляет 2÷3 диаметра волокна) сфокусированным импульсным лазерным или импульсным электронным лучом (плотность мощности 10÷10 Вт/см и длительность импульса 5÷20 миллисекунд) точечного или линейного оплавления. Внутри волокна формируются две структуры на основе аустенитно-мартенситной матрицы с включениями карбидов, отличающиеся уровнем дисперсности мартенситных игл и карбидов и, следовательно, уровнем микротвердости. Зона А, за счет большего размера карбидных выделений, имеет большую травимость (фиг. 3в). Зона Б за счет более дисперсной структуры как мартенсита, так и карбидов имеет меньшую травимость (фиг. 3б). На поверхности наплавки формируют волокна с перпендикулярным или параллельным расположением оси волокна относительно поверхности упрочненного слоя. Расстояние между осями волокон составляет 2÷3 диаметра волокна.
4
5
2
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: на образцы основного металла 1 из низко- или среднеуглеродистой конструкционной стали наносят композиционное покрытие 2 на основе порошка быстрорежущей стали ПР-10Р6М5 методом многопроходной электроннолучевой наплавки в вакууме или методом плазменной порошковой наплавки. Затем сформированное покрытие подвергают шлифованию и импульсному лазерному или импульсному электронно-лучевому оплавлению поверхности определенной геометрической формы 3 (фиг. 1, фиг. 2) с заданным шагом. Глубину проплавления поверхности 5 (0,25-1,5 мм) регулируют параметрами импульсного лазерного или импульсного электронного луча при плотности мощности 10÷10 Вт/см, длительности импульса 5÷20 миллисекунд, диаметра луча на поверхности покрытия 0,25÷2 мм. Направление формирования оси волокна 4 выбирают в зависимости от напряженного состояния пары трения, которое может быть перпендикулярно (фиг. 1) или параллельно (фиг. 2) обрабатываемой поверхности.
Указанные диапазоны параметров импульсной лазерной или импульсной электронно-лучевой обработки обусловлены следующим:
4
2
5
2
- плотность мощности менее 10 Вт/см недостаточна для плавления покрытия, а плотность мощности свыше значения 10 Вт/см приводит к кипению материала покрытия и образованию на его поверхности дефектов в виде пор и кратеров;
- диаметр электронного луча менее 0,25 мм приводит к снижению производительности обработки поверхности, а диаметр более 2 мм приводит к образованию трещин на границе раздела между модифицированной зоной и основным материалом, вследствие увеличения площади границы раздела;
- длительность импульса менее 5 миллисекунд приводит к снижению глубины модифицированной зоны, а длительность импульса более 20 миллисекунд приводит к кипению материала в зоне воздействия пучка.
Испытания образцов волокнистого композиционного покрытия на трение в паре с термически обработанной сталью ШХ15 проведены на машине трения СМТ-20 с использованием схемы «колесо - две плоские колодки» при скорости 1,2 м/с и нагрузки N (20, 40, 60, 80 и 100 Н) в условиях трения без смазки, показали следующие результаты:
3
- интенсивность изнашивания только наплавленных покрытий в интервале указанных нагрузок линейно растет от 0,4±0,1 до 0,5±0,1 мм/км;
3
3
- интенсивность изнашивания волокнистого композиционного покрытия с осью волокна, расположенного перпендикулярно упрочненной поверхности, составила 0,2±0,05 мм/км, а с осью волокна, расположенного параллельно упрочненной поверхности - 0,15±0,04 мм /км, и не зависит от нагрузки.
Таким образом, интенсивность изнашивания волокнистого композиционного покрытия на основе стали 10Р6М5 уменьшилась в два раза. Известно, что из-за волнистости и шероховатости поверхности контактирование реальных твердых тел в парах трения осуществляется на отдельных площадках. Сумма этих малых площадок представляет собой фактическую площадь контакта тел, на которую и действует основное прикладываемое к паре трения давление. В результате такого воздействия микронеровности поверхностей и нижележащие объемы материалов тел деформируются, передеформируются, разрушаются. Происходит износ пары трения.