научная статья по теме ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ SUS316L НАНЕСЕННОГО НА ПОДЛОЖКУ ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ SS400 Физика

Текст научной статьи на тему «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ SUS316L НАНЕСЕННОГО НА ПОДЛОЖКУ ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ SS400»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 5, с. 44-52

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 621.93:539.25/26

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ 8Ш316Ь, НАНЕСЕННОГО НА ПОДЛОЖКУ ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 88400

© 2004 г. А. Д. Погребняк*, О. П. Кульментьева*' **, В. С. Кшнякин*, Ю. Н. Тюрин*, А. П. Кобзев***, С. Курода****, Ю. Ф. Иванов*****

*Сумский институт модификации поверхности, а/я 163, 40030, Сумы, Украина **Сумский государственный университет, 24007 Сумы, ул. Римского-Корсакова, 2, 40007, Сумы, Украина ***Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Московская обл., Россия ****Националъный исследовательский институт материалов, 1-2-1, Сенген, Тсукуба, Япония *****Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск Поступила в редакцию 27.07.2001 г.; в окончательном варианте - 19.06.2003 г.

Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, резерфордовского обратного рассеяния, упругого резонанса протонов и др. изучены дефектная субструктура, фазовый и элементный состав покрытий из нержавеющей стали 8и8316Ь, нанесенных на подложку из малоуглеродистой стали 88400 плазменно-детонационным методом. С помощью высокоскоростной (3-8 км/с) высокотемпературной (4000-30000 К) импульсной (4-6 Гц) плазменной струи получены плотные покрытия толщиной 120-620 мкм. Обнаружено, что при нанесении плазменно-детонационного покрытия, как в самом покрытии, так и в подложке происходят структурно-фазовые изменения. Фазовый состав осажденного покрытия отличается от состава исходного порошка - происходит насыщение поверхностного слоя легкими примесями (кислородом и углеродом) и обеднение легирующими элементами (N1, Сг, Мо), значительная часть у-фазы перестраивается в а-фазу, наблюдается взаимопроникновение покрытия и подложки, в подложке формируется переходная область, которая характеризуется мелкозернистой структурой, содержащей высокую плотность дислокаций и повышенную (относительно исходного состояния) объемную долю частиц карбидной фазы. Определены условия лучшего сцепления покрытия с подложкой. Даны объяснения наблюдаемых эффектов.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие новых технологий, обусловленных воздействием импульсных потоков ионов, электронов и плазмы, позволило к настоящему времени решить ряд проблем, связанных с улучшением физико-механических свойств металлов, сплавов, керамики и т.д. [1-4]. Однако из-за малой производительности, дороговизны оборудования они не нашли широкого распространения кроме, пожалуй, ионной имплантации, успешно применяемой в полупроводниковой технике, микроэлектронике, медицине и биологии. Поэтому развитие новых методов, позволяющих решать вышеперечисленные проблемы, является задачей сегодняшнего дня. Одним из высокоскоростных методов обработки поверхности твердых тел является появившийся недавно метод импульсной плазменно-детонационной обработки (ПДО) [5, 6]. В этом методе скорость плазменной струи составляет от 1.0 до 8.0 км/с, что позволяет обрабатывать в короткий срок большие поверхности изделий и наносить покрытия толщиной до 0.8 мм на значительные площади (до 1 м2 в час). В качестве порошков исходных материалов для нанесения

покрытий могут быть использованы металлы, сплавы, оксиды, твердые сплавы, металлокерамика и т.д. [6-10].

Поскольку особо важное значение для формирования эксплуатационных характеристик и физико-химических свойств обработанных с помощью ПДО материалов, деталей и изделий имеет структура и фазовый состав модифицированных слоев, то представляет значительный интерес выяснение структурно-фазовых изменений, сопровождающих данный вид обработки. В более ранних работах нами были изучены фазовые превращения при ПДО-модификации a-Fe [11, 12], а также при ПДО-нанесении покрытий из карбида вольфрама WC в кобальтовой связке [10], корунда Al2O3 [6], смеси оксидов Al2O3 + Cr2O3 [8] и сплава на основе никеля [13]. Отметим, что исследования в этом направлении только начаты и далеки от завершения в связи с широким кругом обрабатываемых материалов. Как известно, одной из актуальных задач является защита сталей от коррозии. Получение коррозионностойкого покрытия с помощью ПДО является одним из путей решения этой задачи. В связи с этим целью насто-

ящей работы являлось нанесение плазменно-де-тонационным методом на подложку из малоуглеродистой стали покрытия из нержавеющей стали и исследование физико-химического состояния покрытия и переходной области между покрытием и подложкой.

УСЛОВИЯ ОБРАБОТКИ

И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

В качестве подложки были использованы образцы стали SS400 (JIS, Japan Industrial Standard) (Fe; C - 0.11%; Si - 0.22%; Mn - 0.5%; P - 0.017%; S - 0.016%) размером 100 x 25 x 4.3 мм3. Для нанесения покрытия с помощью плазменно-детонаци-онного метода использовали порошки нержавеющей стали (SUS316L stainless steel powder, 100cc, TAFA 1236F) размером 20-53 мкм, атомизирован-ные газом. Химический состав напыляемого порошка был следующим: Cr - 16.8%; Ni - 10.8%; Mo - 2.05%; N - 0.131%, O - 0.0264%, остальное - Fe. Осаждение покрытия проводилось на установке Импульс-3 [5]. При этом диаметр пятна был равен 25 мм, толщина покрытия, наносимого за один проход, составляла 70-80 мкм. В экспериментах было использовано от одного до четырех проходов при частоте следования импульсов 4-6 Гц, расстояние от среза сопла плазмотрона до подложки варьировалось от 50 до 100 мм. Время электрического разряда составляло 10-4 с. Энергия импульса в струе достигала 1.5 x 103 Дж. Расход газов был следующим: кислород 10.04 м3/ч; пропан-бутан 0.17-0.3 м3/ч, воздух 1.1 м3/ч, расход транспортирующего газа (воздух) 0.5 м3/ч, производительность 3 кг/ч (порошка). Установленная мощность ~10 кВА. Процесс плазменно-детона-ционного напыления заключается в следующем. Реакционная камера плазмотрона (РКП) и малогабаритная детонационная пушка заполняются горючей смесью. В РКП для нагрева и ускорения подается порошок, после чего взрывчатая смесь поджигается, и ее горение протекает в режиме детонации. В РКП продукты детонационного сгорания приобретают дополнительную энергию, и на выходе из плазмотрона импульсная плазма имеет температуру струи от 4000 до 30000 К, а скорость от 3000 до 8000 м/с. Порошок в результате взаимодействия с плазмой приобретает тепловую и кинетическую энергии. Напыляемые частицы нагреваются до пластичного состояния и, вылетая из камеры ускорения, приобретают скорость 1000-1500 м/с. При встрече частиц порошков с подложкой на последней формируется плотный слой покрытия.

После плазменно-детонационной обработки образцы разрезали электроискровым методом для анализов и тестов. Были приготовлены поперечные шлифы и шлифы под углом около 3° в районе стыка покрытия с подложкой. Для анали-

за элементного состава использован метод резер-фордовского обратного рассеяния (РОР) ионов гелия с энергией Еа = 2.037 МэВ, углом между пушкой и детектором б = 170"; углом между пушкой и мишенью и = 60°. Для определения концентрации легких элементов (углерода и кислорода) было использовано обратное рассеяние протонов в области энергий упругого резонанса (Ер = = 1.737 МэВ, б = 170°; и = 60°). Изучение структуры и определение фазового состава проводили с помощью рентгеновского дифрактометра ДР0Н-2.0 (в медном и кобальтовом ^„-излучении), оптического металлографического микроскопа НЕО-ФОТ-2, растрового электронного микроскопа РЭМ-102Э, просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-125К.

Электронно-микроскопические исследования структуры проводили как в подложке, так и в покрытии. Подложку после ПДО исследовали на расстоянии 2 мм от поверхности контакта с покрытием, а также в зоне контакта покрытия с подложкой. Покрытие изучали в зоне контакта со сталью, в средней его части, в приповерхностном слое и на свободной поверхности. Изучали дислокационную субструктуру, морфологию, средние размеры и фазовый состав включений вторичных фаз, состояние зеренной структуры материала. Анализ микроэлектронограмм проводили стандартными методами [14, 15]. Объекты для электронно-микроскопических исследований готовили путем ионного и электролитического утонения пластинок, вырезанных параллельно свободной поверхности из массивных образцов электроискровым способом [16, 17]. В качестве реактива использовали пересыщенный раствор хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте (напряжение утонения и ~ 20-25 В, температура -комнатная).

Измерения твердости массивных образцов и образцов с полученными покрытиями проводили на приборе ТБ-5004 при минимальной нагрузке 980.7 Н. Размер отпечатка вдавливаемого шарика определяли с помощью микроскопа МПБ-2. Толщина покрытия при этом была не меньше 10-кратной глубины отпечатка шарика.

Измерения микротвердости проводили на приборе пМТ-3 с алмазной пирамидкой Виккерса при нагрузках 10, 20, 30 и 50 г. Величину адгезии определяли методом скрайбирования алмазной пирамидкой по поверхности, используя оптическую и растровую электронную микроскопии.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

После плазменно-детонационного нанесения покрытия из нержавеющей стали 8и8316Ь на малоуглеродистую сталь 8Б400 твердость послед-

Рис. 1. Структура покрытия из нержавеющей стали 8И8316Ь, нанесенного на сталь 88400. Металлография травленного шлифа.

ней возросла в 2.5 раза и составила НВ 5/100/20 -120, тогда как исходная твердость основы до обработки была НВ 5/100/20 - 46. Микротвердость основы составляла 1910 ± 275 МПа, а микротвердость покрытия - 3800 ± 517 МПа, т.е. максимальное увеличение микротвердости после нанесения покрытия достигло 2.64 раза. Было установлено, что прочность сцепления покрытия с основой зависит от толщины покрытия и составляет 1560, 1665 и 3624 МПа соответственно для толщин покрытий 120, 280 и 620 мкм. Однородность покрытий зависит от режимов обработки и возрастает с увеличением числа проходов. Адгезия покрытий к основе определяется режимом ПДО. Так, с помощью растровой электронной микроскопии было установлено, что увеличение частоты следования импульсов и уменьшение расстояния от среза сопла плазмотрона до подложки приводит к уменьшению числ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»