^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 539.4.015.1
СТРУКТУРА, ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЗОТИСТЫХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПОКРЫТИЙ, ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ ЧАСТИЦАМИ V(C, N)
© 2013 г. Н. А. Наркевич*, Д. Н. Тагильцева**, В. Г. Дураков*, А. И. Шулепов**, А. И. Смирнов***
*Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021 Томск, пр. Академический, 2/4 **Томский политехнический университет, 634050 Томск, пр. Ленина, 30 ***Новосибирский государственный технический университет, 630092 Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
e-mail: natnark@list.ru Поступила в редакцию 27.04.2012 г.; в окончательном варианте — 18.09.2012 г.
Исследованы структура, износостойкость и механические свойства при изгибе азотистых дисперс-ноупрочненных аустенитных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой. Проведен параметрический анализ зависимости износостойкости азотистых покрытий и коэффициента трения от массовой доли наполнителя (азотированного феррованадия). Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что износостойкость покрытий, дисперсно-упрочненных мультираз-мерными частицами V(C, N), выше, чем азотистых покрытий, наплавленных порошком стали 60Х24АГ16 без наполнителя, и существенно выше, стали 110Г13. Разница в сопротивлении изнашиванию увеличивается с повышением нагрузки при испытаниях. Азотистые покрытия характеризуются низким коэффициентом трения, высокими прочностными характеристиками и адгезией, удовлетворительной пластичностью.
Ключевые слова: азотистое покрытие, композиционное покрытие, электронно-лучевая наплавка, аустенитная матрица, триботехнические и механические свойства.
DOI: 10.7868/S0015323013060107
К созданию покрытий на основе азотистого аустенита, исследованию их структуры и свойств в последние годы привлечено внимание многих исследователей [1—5]. Упрочнение поверхности конструкционных углеродистых и низколегированных сталей нанесением покрытий, основой которых является железохромомарганцевый аустенит, содержащий до 1% азота, весьма перспективно, поскольку азотистый аустенит обладает комплексом высоких механических, коррозионных и три-бологических свойств [6—9]. Дополнительному повышению прочностных свойств при старении высокоазотистых сталей (0.5—1.1% азота) способствует легирование ванадием (1—2.6%). Однако, согласно [8—10], это не приводит к увеличению сопротивления данных сталей изнашиванию из-за присутствия в структуре относительно хрупкой фазы УМ, частицы которой в условиях интенсивной направленной деформации при трении разрушаются, полностью теряют связь с матрицей и отрываются от нее. Авторами [8—10] убедительно показано, что в азотистых сталях после старения наблюдается значительное снижение показателей сопротивляемости материала, как абразивно-
му изнашиванию, так и в парах трения. Отмечается, в частности, что старение с выделением высокодисперсных частиц Сг2М УМ, УС уменьшает абразивную износостойкость по сравнению с закаленным состоянием со структурой азотистого аустенита. Предположение о том, что карбиды и нитриды ванадия разрушаются и выкрашиваются под действием абразива, на наш взгляд, не имеет достаточных оснований. По-видимому, снижение износостойкости в азотистых сталях после старения обусловлено не столько низкой прочностью нитридных соединений, сколько уменьшением степени легирования аустенита, в том числе азотом, высокой дисперсностью и малой объемной долей нитридов [11]. Нанесение азотистых покрытий электронно-лучевой наплавкой с использованием порошковых смесей, основу которых составляют порошки азотистых сталей, позволяет значительно увеличить объемную долю карбидных или нитридных частиц в структуре за счет дополнительного их введения в наплавочную смесь. Это дает возможность получать покрытия, сочетающие в себе свойства высокопрочных коррозионно-стойких сталей с износостойкостью,
Химический состав компонентов наплавочных смесей
Компоненты наплавочных смесей Содержание элементов, мас. %, ост. Fe
Cr Mn C N Si Ni V
Азотированный феррованадий - - 3.00 9.0 - - 40.0
Порошок 60Х24АГ16 24.4 16.4 0.57 0.7 1.1 0.18 -
присущей композиционным материалам. При этом в азотистом покрытии реализуются твердо-растворный, дисперсионный, дисперсный, а при внешнем нагружении и деформационный механизмы упрочнения.
В связи с вышесказанным представляет интерес получение и исследование структуры, износостойкости и механических свойств азотистых покрытий, дисперсно-упрочненных частицами У(С, М), вводимых азотированным феррованадием в азотистую матрицу при электронно-лучевой наплавке, объемная доля и дисперсность которых варьируется в широких пределах.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для получения азотистых покрытий электронно-лучевой наплавкой использовали порошок азотистой стали 60Х24АГ16. Порошок получали механическим дроблением стружки после старения при 700°С в течение 3 ч. Порошок просеивали и отбирали для наплавки фракцию, обладающую хорошей сыпучестью с размерами частиц 250—400 мкм. Электронно-лучевую наплавку проводили на установке ЭЛУ-5 на жестко закрепленные в оправке пластины из стали 65Г шириной 20 мм, длиной 100 мм и толщиной 8 мм. Процесс наплавки подробно описан в [12]. Дисперсно-упрочненные покрытия получали смешиванием порошка стали 60Х24АГ16 с порошком азотированного феррованадия в количестве 5, 10, 20, 25, 30 мас. %. Химические составы ком-
P
О
Подложка 65Г
_покрытие_
.......v. У V У-
< 30 ,
Рис. 1. Схема проведения испытаний на изгиб.
понентов наплавочных смесей приведены в таблице.
Структуру покрытия исследовали на металлографическом микроскопе Axiovert-25CA и просвечивающем электронном микроскопе FEI Tecnai 20 G2 TWIN с ускоряющим напряжением 200 кВ. Тонкую структуру покрытий изучали на фольгах, окончательное утонение которых проводили электролитическим полированием.
Износостойкость азотистых покрытий определяли на установке High-temperature Tribometr. В качестве контртела использовали шарик диаметром 3 мм из твердого сплава ВК6, который с усилием P = 1, 2, 3, 5, 6, 7, 10 Н прижимали к испытываемой поверхности. Испытания проводили при комнатной температуре с приспособлением для удаления продуктов износа. Скорость скольжения шарика по траектории диаметром 4 мм варьировали в пределах 3—10 см/с. Интенсивность изнашивания определяли как среднее арифметическое из 5 измерений площади поперечного сечения дорожки трения — трека, деленное на путь трения, который при всех испытаниях был одинаковым — 75 м. Эффективную микротвердость HV в треках исследуемых покрытий определяли на приборе Nano Hardness Tester при нагрузке P = 10 мН по результатам трех—восьми измерений.
Механические свойства определяли на машине Instron-5582 при испытаниях образцов с покрытиями прямоугольного сечения, размерами 5 х 5 х 40 мм на изгиб по схеме (рис. 1), со скоростью нагружения 0.3 мм/мин до разрушения. Расстояние между опорами 30 мм. Толщина покрытий во всех случаях составляла 2.0 ± 0.2 мм.
По диаграмме, полученной в ходе проведения испытаний, определяли предел упругости ст0.05, предел текучести ст0.2, предел прочности стизг, угол загиба до разрушения а. Коэффициент деформационного упрочнения 9 определяли по отношению (Gq.5 - CTq.2)/(/0.5 - f°.2), где СТ0.5 и CTq.2 - условные пределы текучести с остаточным прогибом 0.5 и 0.2% соответственно; /05 и /0.2 — остаточные прогибы, связанные с относительным удлинением крайнего растянутого волокна в изогнутом образце и рассчитанные по формулам/0 2 = 0.002\2/Ъ0Н0 и /0.5 = 0.005l2/b0h0 [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Применение в качестве наполнителя относительно дешевого, по сравнению с порошками чистых соединений VN и VC, азотированного феррованадия позволило при использовании многопроходной электронно-лучевой наплавки получить композиционное азотистое покрытие, содержание упрочняющей фазы в котором много больше равновесного при сохранении аустенитной структуры матрицы. Упрочняющие частицы в структуре азотистых покрытий по размерам условно можно разделить на три группы. К первой группе относятся первичные частицы азотированного феррованадия (10—50 мкм), которые наблюдаются при металлографическом исследовании структуры покрытий, наплавленных порошковыми смесями, содержащими наполнителя 20% и более (рис. 2а). По данным [14], температура плавления квазибинарной смеси эвтектического состава Fe—VC составляет 1370°С. При существенном отклонении от эвтектической концентрации, т.е. при увеличении содержания азотированного феррованадия в наплавочном порошке до 20 мас. % и более, температура ликвидуса повышается. При высоких скоростях нагрева и кристаллизации, характерных для электронно-лучевой наплавки, часть крупных частиц сохраняются в структуре покрытия в виде исходного композита. Вторую группу представляют частицы V(C, N) размерами 1—5 мкм, внедренные в азотистую матрицу вследствие взаимодействия частиц порошка азотированного ферросплава с азотистым расплавом под действием электронного пучка, но не растворившиеся в нем. Они представляют собой индивидуальные частицы, распределенные достаточно равномерно в азотистой матрице (рис. 2б). Третья группа — это вторичные частицы V(C, N), размерами менее 10 нм когерентно или частично когерентно связанные с матрицей, выделившиеся в результате старения при охлаждении наплавленного покрытия (рис. 2в).
Параметр решетки частиц V(C, N) в порошке азотированного феррованадия и в покрытиях, определенный рентгенографическим методом, одинаков и составляет 0.4105 ± 0.001 нм, в то время как параметр решетки аустенита уменьшается от 0.3615 нм в покрытии, наплавленном порошком стали 60Х24АГ16, до 0.3596 нм в покрытии, наплавленном порошковой смесью, содержащей 30 мас. % азотированного феррованадия. На электронограмме (рис. 2в), видны рефлексы аустенита c осью зоны [111], параллельной оси зоны [111] частиц карбонитрида ванадия. Четко определяются отражения только от двух, симметрично расположенных плоскостей. Другие рефлексы практически сливаются с аустенитными, образуя размытые диффузные пятна, что может свидетельствовать о частичной потере когерент-
ной связи на г
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.