Структура и свойства покрытий на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридным упрочнением, полученных методом электронно-лучевой наплавки

Современные тенденции в материаловедении конструкционных материалов, имеющих высокие механические, триботехнические и коррозионные свойства, связаны с созданием упрочняющих и защитных покрытий на основе новых композиционных материалов, способных многократно повышать эксплуатационные характеристики и ресурс работы изделий и конструкций. В последнее время особое внимание исследователей привлекают дисперсно-упрочненные композиции, включающие в себя материал связки, обладающий демпфирующими свойствами, и армирующие твердые частицы [1, 5, 11, 28, 59, 61, 108].

В связи с этим разработка новых упрочняющих и защитных покрытий с высоким уровнем механических и триботехнических свойств на деталях, эксплуатируемых в условиях интенсивного износа, к числу которых относятся рабочие части землеройной техники, быстро изнашивающиеся детали на железнодорожном транспорте, выхлопные клапаны дизельных двигателей, прокатное оборудование в металлургии и многие другие детали, является на сегодняшний день актуальной задачей.

Выбор состава композиционного материала для электроннолучевой наплавки в настоящей работе был обусловлен развиваемым в ИФПМ СО РАН тезисом физической мезомеханики материалов: высокая прочность и износостойкость конструкционного материала достигается в дисперсно-упрочненном композиционном материале с демпфирующей матрицей. В качестве такой матрицы была выбрана азотсодержащая хромомарганцевая аустенитная сталь Х20АГ20, которая обладает уникальными свойствами: высокой упрочняемостью при холодной пластической деформации, высокой ударной вязкостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью. Это позволяет использовать данную сталь там, где изделия подвергаются воздействию сразу трех факторов: абразивному истиранию при ударе, коррозии и усталости.

Использование в качестве твердой упрочняющей фазы карбонитридов титана обусловлено их высокой твердостью и вязкостью разрушения по сравнению с карбидами и нитридами [6−10]. Есть все основания ожидать высокой смачиваемости карбонитридов титана азотсодержащей сталью и более выраженной градиентности переходных слоев «Т^ - сталь Х20АГ20».

Объединение высокоазотистой стали и упрочняющей фазы ТлСИ в порошковую композицию с целью суммирования их полезных качеств, очевидно, позволит получить дисперсно-упрочненные покрытия с высоким комплексом физико-механических свойств. Особое внимание при этом уделяется разработке технологий нанесения покрытий ответственного назначения: они должны обеспечивать высокую адгезию покрытия к подложке, высокую однородность распределения упрочняющих частиц, низкую пористость покрытия, исключить возможность разупрочнения детали, на которую наносится покрытие.

В настоящей работе была использована технология электроннолучевой наплавки в вакууме (ЭЛН) [11]. Преимущество данной технологии заключается в том, что в ней впервые удалось реализовать стационарный (непрерывный) управляемый процесс обработки поверхности детали электронным пучком, который в зависимости от энергетических и геометрических характеристик пучка и состава порошковой смеси может приводить как к чисто металлургическому переплаву поверхности, так и к характерному для порошковой металлургии процессу жидкофазного спекания, или к комбинации этих процессов. Большая скорость кристаллизации ванны расплава способствует формированию однородной мелкодисперсной структуры наплавленного слоя, а наплавка в вакууме позволяет рафинировать материал подложки и наплавляемый порошок от газовых примесей. Данный метод позволяет также получать объемно-упрочненные покрытия на основе тугоплавких соединений с металлической матрицей [1]. Всё это делает ЭЛН-технологию универсальной, позволяющей получать порошковые покрытия с различными функциональными характеристиками и зачительной толщины (до 10 мм) непосредственно на деталях сложной геометрии.

Анализ имеющихся литературных источников показал, что данные по нанесению износостойких дисперсноупрочненных покрытий системы Ре-Сг-Мп-К с карбонитридами титана различными методами, в том числе и методом электронно-лучевой наплавки, отсутствуют.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование процессов формирования структуры и свойств износостойких дисперсноупрочненных композиционных покрытий на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридами титана, нанесенных методом электронно-лучевой наплавки в вакууме.

На основании проведенных исследований на защиту выносятся следующие положения:

1. Составы композиционных дисперсноупрочненных покрытий «азотсодержащая хромомарганцевая сталь — карбонитрид титана», обладающих высокими характеристиками прочности и износостойкости.

2. Совокупность экспериментальных данных о зависимости характеристик покрытий (химический состав, структура, механические свойства) от технологических режимов электронно-лучевой наплавки и от содержания упрочняющей фазы ТлСЫ.

3. Обоснование режимов термической обработки для повышения механических и триботехнических свойств композиционных покрытий.

Научная новизна. В работе впервые:

• разработаны составы высокопрочных и износостойких композиционных покрытий на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали Х20АГ20 с различным содержанием карбонитридов титана ТлСЫ;

• установлено влияние режимов электронно-лучевой наплавки на химический состав и структуру покрытий Х20АГ20;

• исследовано влияние металлургических факторов (дополнительное легирование поверхностно-активным алюминием, использование наплавочного материала разного гранулометрического состава) на химический состав покрытий Х20АГ20;

• установлена взаимосвязь структуры и свойств композиционных покрытий Х20АГ20-ТлСК в зависимости от содержания упрочняющей фазы и дополнительной термической обработки.

Практическую значимость работы составляют:

• установленные закономерности влияния состава и структуры наплавленных композиционных покрытий на их триботехнические свойства;

• установленные рабочие диапазоны скоростей скольжения и удельных нагрузок, в которых разработанные покрытия сохраняют высокие триботехнические характеристики. Полученные результаты могут быть рекомендованы для промышленного использования;

• разработанная технология электронно-лучевой наплавки композиционных покрытий «азотсодержащая сталь — карбонитрид титана» для упрочнения зубьев ковшей экскаваторов.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и школах-семинарах:

1. Ill Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая ме-зомеханика материалов». Томск, 12−14 декабря 2000.

2. II школа семинар молодых ученых. «Современные проблемы физики и технологии». Томск, февраль 2001.

3. VII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск, 26 февраля — 2 марта, 2001.

4. VI International Conference «Computer — Aided Design of Advanced Materials and Technologies» (CADAMT 2001), March 29−31, 2001, Tomsk.

5. Международная научно-техническая конференция, посвященная памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н. Д. Кузнецова. Самара, 21−22 июня 2001 г.

6. VI Всероссийская конференция «Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов». Екатеринбург, 10−14 сентября 2001.

7. Международная научно-техническая конференция «Надежность машин и технических систем». Минск, 16−17 октября 2001 года.

8. IV Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая ме-зомеханика материалов». Томск, 26−30 ноября 2001.

9. Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации». Новосибирск, 11−13 декабря 2001.

10. I Международная научно-техническая конференция «Генезис, теория и технология литых материалов». Владимир, 20−24 мая 2002.

По результатам работы опубликовано 3 статьи в журналах центральной печати, 3 статьи в сборниках и тезисы 6 докладов конференций.

Достоверность полученных в работе выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований и опытнопромышленными испытаниями деталей с покрытиями.

Содержание диссертационной работы.

Объем диссертации: диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав и общих выводов, содержит 26 таблиц, 44 иллюстрации и список литературы из 144 наименований.

Выводы.

1. Показано, что с ростом содержания карбонитридов титана (от О до 40%вес.) в композиционном покрытии после электронно-лучевой наплавки повышается их твердость (от 30 до 50 НЯС) и абразивная износостойкость, Ки (от 1,2 до 10,5).

2. Проведенная дополнительная термическая обработка образцов с покрытиями (закалка с 1100 °C в воду) приводит к повышению их твердости и абразивной износостойкости. Максимальными значениями твердости (~62 НЯС) и абразивной износостойкости (Ки~16), обладают закаленные покрытия Х20АГ20+40% ТлСхТчГу.

3. Показано, что при растяжении образцов с покрытиями с увеличением содержания карбонитридов титана (от 0 до 40% вес.) монотонно увеличиваются предел текучести, сто.2 (с 210 до 280 МПа), коэффициент деформационного упрочнения, В (с 145 до 200 МПа/%) и уменьшаются предел прочности, ав (с 470 до 370 МПа), и пластичность образцов, 5 (с 4,5 до 0,5%).

4. По результатам триботехнических испытаний покрытий в паре трения по схеме «вал — две плоские колодки» в условиях граничной смазки определены режимы трения для каждого состава покрытий. Установлено, что с увеличением содержания карбонитридов титана (до 40% вес.) улучшаются триботехнические характеристики композиционных покрытий: увеличивается диапазон скоростей скольжения от 0,5 до 1,5 м/с и нагрузок от 294 до 1176 Н, снижаются коэффициенты трения и интенсивности изнашивания. Показано, что дополнительная термическая обработка покрытий улучшает триботехнические характеристики, а также увеличивает диапазон скоростей скольжения и удельных нагрузок.

5. Натурные испытания, проведенные в условиях фирмы «КАМА-ЦУ» (Япония) показали положительные результаты использования композиционных покрытий на основе стали Х20АГ0 с карбонитридным упрочнением (40%вес. ТлСхЫу). Установлено, что покрытия состава Х20АГ20+40% ТЧС^у, нанесенные методом электронно-лучевой наплавки на коронки ковшей экскаваторов, при работе в среде «гли-на+скальный грунт» улучшают характеристики стойкости к износу в 3.7 раза, а в среде «песок» — в 1.86 раза относительно коронок, используемых фирмой в качестве эталона. На основании полученных результатов выполнен контракт с фирмой «КАМАЦУ» по нанесению износостойких покрытий на зубья ковшей экскаватора составом Х20АГ20+40% ТлСх^.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с поставленной задачей в диссертации были разработаны составы композиционных дисперсноупрочненных покрытий на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали состава Х20АГ20 с различным содержанием карбонитридов титана (до 40% вес.), изучено влияние технологических параметров электронно-лучевой наплавки и металлургических факторов на химический состав покрытий. Исследованы фазои структурообразование композиционных покрытий с различным содержанием упрочняющей фазы Т1СХКУ в зависимости от режимов наплавки и термической обработки. Измерены механические и триботехнические характеристики покрытий в различных структурных состояниях. Выбраны оптимальные составы композиционных покрытий для упрочнения поверхности деталей землеройной техники, работающих в условиях интенсивного износа. Для проведения натурных испытаний в рамках контракта с японской фирмой «КАМАЦУ» наплавлена партия зубьев ковшей экскаваторов заказчика в количестве 30 шт. композицией Х20АГ20+40% Т1СХ1ЧУ. Проведенные заказчиком натурные испытания подтвердили высокие эксплуатационные характеристики ЭЛН-покрытий «азотсодержащая сталь — 40% ИС^у».

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Плотность мощности электронного луча в процессе электроннолучевой наплавки в вакууме оказывает значительное влияние на химический состав покрытий из азотсодержащей стали 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.

Введение

в шихту поверхностно-активного алюминия уменьшает потери компонентов покрытия, обладающих высокой упругостью пара. Так, при добавлении 3%вес. алюминия в исходную шихту Х20АГ20 потери хрома при наплавке снижаются на 2%вес., марганца — на 21%вес. и азота — на 4%вес. по сравнению с наплавленными покрытиями без алюминия.

3. Изменение гранулометрического состава исходной шихты оказывает значительное влияние на химический состав наплавляемых покрытий. Использование при наплавке покрытий состава Х20АГ20 шихты с гранулометрическим составом 450−1000 мкм привело к увеличению содержания марганца на 29% вес., хрома на 0,5% вес., и азота на 9% вес. по сравнению, с покрытиями, наплавленными композиционным порошком гранулометрического состава 90−450 мкм.

4. С ростом содержания карбонитридов титана от 0 до 40%вес. в композиционных покрытиях после электронно-лучевой наплавки повышается их твердость (от 30 до 50 НЯС) и абразивная износостойкость, Ки (от 1,2 до 10,5). Дополнительная термическая обработка (закалка от температуры 1100 °C в воде) повышает характеристики твердости и абразивной износостойкости у покрытий всех составов. Максимальными значениями твердости (~62 Н11С) и абразивной износостойкости (Ки=16) обладают покрытия Х20АГ20+40% Т1СХЫУ после закалки с Т=1100°С в воде.

5. При растяжении образцов с покрытиями с увеличением содержания карбонитридов титана (от 0 до 40% вес.) монотонно увеличиваются предел текучести, О0.2 (с 210 до 280 МПа) и коэффициент деформационного упрочнения, 0 (с 145 до 200 МПа/%), уменьшаются предел прочности, ств (с 470 до 370 МПа) и пластичность образцов, 5 (с 4,5 до 0,5%).

6. По результатам триботехнических испытаний покрытий по схеме «вал — две плоские колодки» в условиях граничной смазки определены рабочие диапазоны скоростей скольжения и удельных нагрузок. Установлено, что с увеличением содержания карбонитридов титана (до 40% вес.) улучшаются триботехнические характеристики композиционных покрытий: увеличивается диапазон допустимых скоростей скольжения от 0,5 до 1,5 м/с и нагрузок от 294 до 1176 Н, снижаются коэффициенты трения и интенсивности изнашивания. Дополнительная термическая обработка покрытий улучшает их триботехнические характеристики, а также увеличивает диапазон скоростей скольжения и удельных нагрузок.

7. Разработанные композиционные покрытия на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридным упрочнением прошли промышленные испытания на изделиях землеройной техники. Определены оптимальные составы композиционных покрытий. При проведении натурных испытаний установлено, что покрытия состава Х20АГ20+40% TiCxNy, нанесенные методом электронно-лучевой наплавки на коронки ковшей экскаваторов, улучшают их характеристики стойкости к износу в 3.7 раза при работе в среде «глина+скальный грунт» ив 1.86 раза в среде «песок» относительно обычных коронок, используемых в качестве эталона.

В заключении автор выражает искреннюю благодарность Панину В. Е. за научное руководство, коллективу лаборатории физической мезомеха-ники и неразрушающих методов контроля, Гальченко Н. К., Белюку С. И., Самарцеву В. П., Наркевич H.A., Панину C.B. за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов работы.