ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 9, с. 75-80
УДК 620.179:621.79
СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ, ОБРАБОТАННОЙ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
© 2015 г. С. В. Райков1, *, Е. В. Капралов1, Е. С. Ващук1, Е. А. Будовских1, В. Е. Громов1, *,
Ю. Ф. Иванов2, 3, А. Д. Тересов2, 3, К. В. Соснин1
1Сибирский государственный индустриальный университет, 654007Новокузнецк, Россия 2Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия 3Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
634034 Томск, Россия *Е-таИ: gromov@physics.sibsiu.ru Поступила в редакцию 17.12. 2014 г.
Методами электронной дифракционной микроскопии изучены углеродные экстрактные реплики износостойкой наплавки на стали Ыагёох 400, исследован ее фазовый состав. Выявлено формирование многофазного состояния, представленного зернами а-железа и включениями карбидных фаз на основе железа, хрома и ниобия. Проведена обработка наплавки высокоинтенсивным импульсным электронным пучком и исследовано взаимное расположение зерен а-железа и частиц карбидных фаз. Основной карбидной фазой является карбид железа, располагающийся протяженными прослойками, разделяющими зерна а-железа. Частицы карбида хрома и ниобия наноразмерного диапазона располагаются на межфазных границах системы а-железо/карбид железа, а также в объеме зерен а-железа. Установлено, что поверхностный слой наплавки находится в упруго-напряженном состоянии, обусловленном сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения в процессе импульсной электронно-пучковой обработки. Показано, что концентраторами напряжения являются межфазные границы раздела между карбидом и а-фазой железа.
Ключевые слова: сталь Хардокс 400, порошковая проволока, наплавка, электронно-пучковая обработка, структура, фазовый состав.
БО1: 10.7868/80207352815090139
ВВЕДЕНИЕ
При длительной эксплуатации машин изнашивание деталей сопровождается снижением эксплуатационных показателей, что вызывает ухудшение качества изготавливаемых изделий и выполняемых работ. Изнашивание рабочих поверхностей деталей нередко требует их полной замены. Это повышает себестоимость производства из-за больших амортизационных отчислений. В ряде случаев изготовление деталей целиком из износостойкой легированной стали нерационально в связи с трудностью обработки и высокой стоимостью стали. Поэтому для решения задач повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения, в частности наплавку, нашедшую широкое применение в производстве разнообразных изделий — от крупногабаритных, таких
как валки прокатных станов, сосуды высокого давления, до мелких деталей типа седел и клапанов двигателей внутреннего сгорания [1]. Целью работы являлось изучение структуры и фазового состава износостойких покрытий, наплавленных электродуговым методом на мартенситную сталь и подвергнутых дополнительному облучению высокоинтенсивным импульсным электронным пучком.
МЕТОДИКА
Материалом подложки служила сталь Ыаг-ёох 400, используемая при изготовлении деталей, подвергающихся абразивному износу в условиях ударных нагрузок. Химический состав стали приведен в табл. 1. Твердость стали в закаленном состоянии составляет 370 ЫВ. Наплавку формировали с помощью порошковой проволоки марки
Таблица 1. Химический состав стали Ыагёох 400
Химический элемент С Мп Р N В 8 Мо Бе
Содержание, вес. % 0.18 0.70 1.60 0.01 0.004 0.025 0.01 0.25 Остальное
Таблица 2. Химический состав проволоки EnDOtec DO*33
Химический элемент С Мп Р Сг № Бе
Содержание, вес. % 2.06 0.65 2.51 0.03 13.48 6.36 Oстальное
EnDOtec DO*33 диаметром 1.6 мм, элементный состав которой приведен в табл. 2. Процесс проводили в среде защитного газа состава Аг 82%, CO2 18% при сварочном токе 250—300 А и напряжении на дуге 30—35 В. Твердость слоев наплавки, согласно спецификации проволок, составляет 68 HRC. Для снижения пористости и увеличения степени дисперсности структуры наплавку облучали высокоинтенсивным импульсным электронным пучком на установке "СОЛО" при следующих параметрах пучка электронов: энергия 18 кэВ, плотность энергии пучка 40 Дж/см2, длительность импульсов воздействия 200 мкс, количество импульсов 15, частота следования 0.3 с-1.
Анализ структуры и фазового состава наплавки и стали осуществляли методами просвечивающей электронной микроскопии тонких фольг и угольных экстрактных реплик (прибор ЭМ-125) [3, 4]. Для травления наплавки использовали 3% спиртовой раствор азотной кислоты. Измерения микротвердости проводили на приборе НУ8-1000А.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сталь Нагёох 400 перед формированием наплавки была подвергнута закалке и низкотемпературному отпуску, что привело к формированию характерной для такого типа термической обработки тонкодисперсной структуры а-железа, содержащей наноразмерные частицы карбида железа (рис. 1). Закалка стали привела к формированию пакетного мартенсита (рис. 1а) [5]. Последующий отпуск сопровождался выделением частиц карбидной фазы (рис. 1б) и разрушением кристаллов мартенсита с формированием преимущественно фрагментированной, реже субзе-ренной структуры (рис. 1в). В объеме фрагментов и субзерен присутствует дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций; в объеме кристаллов отпущенного мартенсита наблюдается преимущественно сетчатая субструктура (рис. 1г).
Фазовый состав наплавки, сформированной на стали электродуговым способом, изучали методами дифракционной электронной микроскопии экстрактных углеродных реплик [6]. Установлено,
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение структуры стальной подложки. ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ № 9 2015
Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения частиц карбидных фаз, выявленных в наплавке при анализе экстрактных угольных реплик: а—в — частицы карбида №>С; г—е — карбида (Бе, Сг^Сз; ж—и — СГ3С2; а, г, ж — светлополь-ные изображения; б, е, и — темнопольные изображения, полученные в рефлексах 422 №>С, 202 (Бе, Сг^Сз, 211 СГ3С2 соответственно; в, д, з — микроэлектронограммы. Стрелками указаны рефлексы, в которых получены темнопольные изображения.
' 4
что основной фазой исследуемого материала является твердый раствор на основе а-железа. Упрочняющими фазами, экстрагированными из наплавки, являются, как показывает индицирование микроэлектронограмм, карбиды железа (Бе3С), ниобия (№С и №2С), хрома (Сг3С2 и Сг7С3), а также карбиды сложного состава Ре3№3С и (Бе, Сг)7С3. Характерные изображения частиц данных карбидов приведены на рис. 2. Форма частиц преимущественно глобулярная, размеры частиц изменяются от единиц до сотен нанометров. В отдельных случаях частицы располагаются в виде протяженных прослоек по границам зерен, предположительно а-железа (рис. 2а, вставка).
Дополнительная обработка наплавки высокоинтенсивным импульсным электронным пучком характеризуется сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения поверхностного слоя матери-
ала [7]. Это приводит к формированию в поверхностном слое структур ячеистой и дендритной кристаллизации субмикронных (200—500 нм) размеров (рис. 3).
На микроэлектронограммах, полученных от тонких фольг, были выявлены, наряду с рефлексами а-железа, рефлексы карбидов железа (Бе3С), ниобия (МЬС и МЬ2С) и хрома (Сг3С2 и Сг7С3). Основным материалом является карбид железа, характерное изображение которого приведено на рис. 4. Видно что карбид железа формирует протяженные прослойки, разделяющие зерна твердого раствора на основе а-железа. Анализ темнопольных изображений карбида железа выявил большое количество изгибных экстинкци-онных контуров, свидетельствующих об изгибе и кручении кристаллической решетки карбидной фазы [3, 5] (рис. 5). Как правило, контуры начи-
Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя наплавки, обработанной высокоинтенсивным электронным пучком.
, ! * • '
Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение наплавки, обработанной высокоинтенсивным электронным пучком: а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение в рефлексе 221 Бе3С; в — микроэлектроно-грамма. Стрелкой указан рефлекс, в котором получено темнопольное изображение.
наются и заканчиваются на границе раздела зерен карбида и зерен а-железа, следовательно, основными концентраторами напряжений в наплавке являются поверхности раздела этих фаз.
Наряду с карбидом железа в исследуемой наплавке присутствуют карбиды хрома и ниобия.
Частицы данных фаз располагаются преимущественно на границе раздела зерен а-железа и прослоек карбида железа. Размеры таких частиц, имеющих глобулярную форму, составляют 80— 150 нм. Частицы карбидов (преимущественно ниобия) выявлены и в объеме зерен а-железа (рис. 6). Частицы располагаются хаотически, имеют округ-
1
Рис. 5. Структура поверхностного слоя наплавки, подвергнутой облучению импульсным высокоинтенсивным электронным пучком: а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение в рефлексе 210 РезС; в — микро-электронограмма. На (а) и (б) стрелками указаны изгибные экстинкционные контуры.
Рис. 6. Электронно-микроскопическое изображение наплавки, обработанной высокоинтенсивным импульсным электронным пучком: а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение, полученное в расположенных рядом рефлексах 011 РезС и 021 ^2С, в — микроэлектронограмма; на (б) стрелками указаны частицы КЬ2С.
лую форму, их размеры изменяются в пределах от 5 до 20 нм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Электродуговым методом на стали Иагёох 400 сформирована износостойкая наплавка. Методами электронной дифракционной микроскопии угольных экстрактных реплик исследован ее фазовый состав. Выявлено формирование многофазного состояния, представленного зернами а-железа и включениями карбидных фаз на основе железа, хрома и ниобия. Осуществлена дополнительная обработка наплавки высокоинтенсивным импульсным электронным пучком. В результате анализа структурно-фазового состояния наплавки методами электронной дифракцион-
ной микроскопии тонких фольг о
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.