ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 441, № 3, с. 348-351
УДК 621.691
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ОСНОВНОГО СЛОЯ ПОКРЫТИЯ
© 2011 г. Н. А. Руденская, академик Г. П. Швейкин, М. В. Руденская
Поступило 29.06.2011 г.
Металлокерамические материалы N1— Сг— В—81 и Со—Сг—В—81 являются наиболее распространенными при решении задач повышения эксплуатационной стойкости деталей, работающих в экстремальных условиях. По структуре такие покрытия бывают равномерно-упрочненные, градиентные и многослойные [1]. Многокомпонент-ность этих покрытий осложняет их исследование. Кроме того, системы №—Сг—В—81, Со—Сг—В—81 очень чувствительны к изменению параметров термической обработки, в процессе которой изменяются их структура и свойства.
В настоящей работе обобщены результаты исследований оплавленных защитных покрытий на основе самофлюсующегося сплава ПГ-10К-01 (стеллита) с боридными компонентами, которые использовали как упрочняющие добавки с целью повышения износостойкости покрытий.
Композиционные покрытия наносили плазменным методом на установке ВБ-15 с последующим оплавлением в печи. В качестве исходных материалов использовали механические смеси порошков боридов и самофлюсующегося сплава ПГ-10К-01 дисперсностью 40—100 мкм. В качестве тугоплавких компонентов металлокерамиче-ского покрытия были выбраны Т1В2 и (Т1Сг)В2 как наиболее индифферентные к самофлюсующемуся сплаву в сравнении с СгВ2. Бориды титана использовали в виде полидисперсной системы с узким фракционным составом. Содержание упрочняющей фазы изменяли от 10 до 60 мас. %.
Микроструктуру нанесенных покрытий изучали металлографическим (№орИо1-21) и микро-рентгеноспектральным (ЬБО 1455 УР) методами. Послойное исследование состава нанесенных покрытий по поперечному сечению осуществляли, применяя интегральные и локальные приемы оценки микроструктуры. Микротвердость со-
Научно-технологический парк
Белорусского национального технического университета "Политехник", Минск, Республика Беларусь Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской Академии наук, Екатеринбург
ставляющих покрытие фаз оценивали на приборе ПМТ-3. Износостойкость покрытий определяли по стандартной методике (ГОСТ 17367-71) на машине Х4-Б. Испытания проводили послойно в соответствии с результатами металлографических исследований, при этом толщина нижнего слоя полученных покрытий находилась в пределах 140-260 мкм.
Сравнительный анализ распределения микротвердости различных составов покрытий (стеллита без упрочняющих добавок и с добавками) свидетельствует о возрастании значений микротвердости в стали вблизи границы раздела с напыленным слоем, на границе раздела покрытие-сталь и во всем объеме напыленного слоя. Из анализа зависимостей средних значений микротвердости от состава напыленного слоя следует, что микротвердость стеллита — матричного сплава - возрастает при увеличении содержания ди-борида титана в покрытии (рис. 1, кривая 1). Аналогичная зависимость наблюдается при изменении микротвердости стеллита вблизи тугоплавких частиц диборида титана (рис. 1, кривая 2). Как явствует из рис. 1 (кривые 1 и 2), полученные зависимости можно разделить на три зоны: на участках до 10% (1) и с 10 до 20% (2) не происходит изменения микротвердости стеллита; в диапазоне 10—30% (1) и 40—50% (2) наблюдается существенное увеличение рассматриваемого параметра (от 644 до 780 кг/мм2 и от 770 до 1144 кг/мм2); в интервалах 40—60% (1) и 50— 60% (2) микротвердость остается практически неизменной.
Полученные результаты микродюрометриче-ских исследований различных зон напыленных слоев свидетельствуют о сложных диффузионных процессах в рассматриваемой системе.
Необычное изменение микротвердости частиц диборида титана в покрытиях (с экстремальной зависимостью и существенным превышением справочных значений Н50) получено также при увеличении их содержания в напыленном слое (рис. 1, кривая 3). Экстремум соответствует составу покрытия, содержащего 40—50 мас. % частиц упрочняющей фазы.
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ
349
Микрорентгеноспектральные исследования позволили объяснить полученные результаты микродюрометрического анализа. Вблизи твердых включений (боридов) обнаружены области с тонкой структурой (рис. 2). При большем увеличении прослеживается следующая закономерность: зерна боридов окружены более светлыми карбидсодержащими фазами. Исходя из результатов качественного распределения бора и углерода, можно считать, что эти фазы представляют собой карбобориды. При переходе от боридной частицы вглубь покрытия наблюдается чередование в распределении боридной и карбоборидной фаз, соответствующих следующему качественному химическому составу: темные области представляют собой бориды, а в состав светлых входит углерод.
На рис. 2б представлена более полно область, характеризующаяся тонкой структурой. Эта область состоит из отдельных слоев длиной от 2.6 до 14 мкм. По структуре эти слои двухфазные, состоящие из светлых и темных прослоек и расположенные в более светлой матрице — сплаве основы покрытия. Толщина темных и светлых прослоек изменяется от 0.18 до 1.2 мкм. В целом такие структуры представляют собой карбоборидную эвтектику, сформированную на основе боридов с участием хрома, бора и углерода из твердого раствора.
Карбобориды (по предположению авторов [13]) были обнаружены и в чистых самофлюсующихся сплавах. Описание структуры и качественного состава карбоборидной эвтектики приводится впервые. Это стало возможным благодаря варьированию состава металлокерамических покрытий по боридной фазе. Металлографические исследования равномерно-упрочненных покрытий свидетельствуют о равномерном распределении карбоборидных тонкоструктурированных фаз по высоте напыленного слоя.
На рис. 3 приведен химический состав бори-дов и карбоборидов титана-хрома по И, Сг, С и В. Единственное явное отличие в составе этих фаз заключается в большей концентрации углерода, содержащегося в карбоборидах. Локальный микроанализ также показал, что в области карбобо-ридной эвтектики обнаружен титан на расстоянии до 18.5 мкм от частиц ИВ2 и Т1СгВ2, используемых в качестве упрочняющих компонентов. Полученные результаты свидетельствуют о диффузии титана вглубь матричного сплава.
Таким образом, при оплавлении плазменных покрытий из самофлюсующихся сплавов, упрочненных тугоплавкими добавками, интенсифицируется формирование карбоборидных эвтектик, располагающихся преимущественно вблизи упрочняющих фаз. Можно предположить, что эффект аномально
4700
4300
3900
3500
3100
2700
2300
1200
1000
800
600
10
20
40
50 60 Т1В2, об. %
Рис. 1. Изменение микротвердости стеллита в объеме покрытия (1), переходной зоны между тугоплавкими частицами ТВ2 и сплавом основы (2), а также тугоплавких частиц в зависимости от состава покрытия (3).
высокой микротвердости тугоплавких частиц получен именно за счет сочетания свойств боридов, кар-боборидов и карбоборидных эвтектик.
Исследования структуры многослойных покрытий показали, что в большинстве случаев они состоят из 2—6 слоев. Рассмотрим структуру покрытия на основе самофлюсующегося сплава с упрочняющей фазой в виде двойного борида титана-хрома, отличающегося наиболее высокой износостойкостью. Покрытие состоит из трех слоев (относительно распределения упрочняющей фазы).
Слой
I (верхний)
II (средний)
III (нижний)
Содержание, об. % * 73-80 20-27 6-9
* От общего количества частиц упрочняющей добавки.
3
350
РУДЕНСКАЯ и др.
Размер фазы, мкм
Рис. 2. Области с тонкой структурой, расположенные вблизи боридных частиц (а), микроструктура (б) и качественный состав карбоборидной эвтектики (в). 1 — В, 2 — С.
Многослойность оплавленных покрытий в данном случае обусловлена всплыванием тугоплавких частиц к их свободной поверхности. Следует отметить, что в верхнем слое сосредоточены наиболее крупные частицы, их размер
уменьшается при переходе от первого слоя к третьему. Установлено, что управлять структурой многослойных покрытий позволяет соотношение величин дисперсности частиц упрочняющей фазы.
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ
351
123456789 10 Номер включения
Рис. 3. Состав твердых включений.
Включения 1, 6, 10 — карбобориды; включения 2-5,
7—9 - бориды.
Из табл. 1 следует, что при варьировании соотношения тугоплавких частиц различной дисперсности существенно изменяются их свойства, в данном случае износостойкость. Максимальная
Таблица 1. Характеристики порошков и покрытий
Дисперсность порошка упрочняющей добавки при размере частиц Относительная износостойкость
<50 мкм >50 мкм
45 55 6.9
36 64 11.5
27 73 13.2
22 78 10.8
15 85 6.4
относительная износостойкость покрытия (13.2) получена при соотношении фракций порошков менее и более 50 мкм, равном 27 : 73.
Таким образом, выявлены и изучены особенности изменения микротвердости матричного сплава — стеллита, частиц упрочняющей фазы (TiB2, TiCrB2) и их границ с самофлюсующимся сплавом, а также покрытий с подложкой в процессе оплавления в зависимости от состава ме-таллокерамической системы.
Впервые исследованы структура и качественный состав карбоборидной эвтектики, что стало возможным при варьировании состава боридсо-держащей фазы.
В условиях плазменного потока получены новые композиционные покрытия с многослойной структурой и повышенными эксплуатационными свойствами.
Показано влияние дисперсности частиц ком-понента-упрочнителя на свойства покрытий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руденская-Клинская Н.А. Разработка нового класса композиционных порошков и многофункциональных газотермических покрытий на основе соединений AlIII-VIB2. Дис. д-ра техн. наук. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. 482 с.
2. Клинская Н.А., Копысов В.А., Гостенин А.А. и др. Порошковый материал для газотермических покрытий. А.с. СССР 1215364.
3. Трапезников В.А., Клюшников О.И., Копысов В.А. и др. В сб.: Сварка при изготовлении изделий тяжелого машиностроения. Свердловск: УЗТМ, 1987. С. 155-162.
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.