автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Создание износостойких и коррозионно-стойких слоев методами вневакуумной электронно-лучевой закалки и наплавки

07-6

2349

На правах рукописи

Перовская Марина Владимировна

СОЗДАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ И КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ СЛОЕВ МЕТОДАМИ ВНЕВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ЗАКАЛКИ И НАПЛАВКИ

Специальности 05.03.06 -технология и машины сварочного производства 05.16.01 —металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2007

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН

Научный руководитель - доктор технических наук,

старший научный сотрудник Полетика Ирина Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Прибытков Геннадий Андреевич

кандидат технических наук, Трущенко Евгений Анатольевич

Ведущая организация - Новосибирский государственный

технический университет, г. Новосибирск

Защита диссертации состоится 13 ноября 2007 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета К 003.038.01 в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Автореферат разослан "08" октября 2007 г.

Учёный секретарь ^

диссертационного совета, / . ¿у-

доктор физ,-мат. наук, профессор ¿рь-^ В.И.Данилов

Актуальность. Одной из важнейших задач современного этапа развития машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей и узлов различных машин и механизмов. Для радикального решения этой проблемы необходим комплексный подход, включающий создание новых материалов, разработку и освоение новых технологий.

В процессе эксплуатации многих машин и механизмов их детали работают в жестких условиях в контакте с агрессивными средами, высокими температурами, абразивными веществами, вызывающими как существенный износ поверхности, так и интенсивную коррозию.

Среди методов упрочнения поверхности наиболее распространенными являются: поверхностная термическая закалка, различные способы химико-термической обработки, наплавка, при которой на поверхность основного металла наносят равномерный слой сплава. Особый интерес представляет создание многофункциональных покрытий, обеспечивающих достижение комплекса высоких свойств: твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и др.

Новым, весьма эффективным источником энергии, который может быть использован для упрочнения поверхностного слоя металлов и сплавов, является поток релятивистских электронов. Ускорители релятивистских электронов, созданные в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН под руководством академика А. Н. Скринского, обеспечивают выход пучка в атмосферный воздух и глубокое проникновение электронов в металлы.

Несмотря на уникальные характеристики излучения и существование ряда работ в этом направлении, возможности метода и его применения мало изучены. Необходимо проведение дополнительных исследований закономерностей формирования структуры и свойств покрытий, полученных закалкой и наплавкой на ускорителе электронов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 05-03-32402-а).

Цель работы. Исходя из всего сказанного, основной целью работы явилось изучение закономерностей формирования износостойких, коррозионно-стойких и бифункциональных слоев методами закалки и наплавки поверхностных слоев низко— и среднеуглеродистых сталей и серого чугуна в пучке релятивистских электронов.

Для достижения данной цели предполагалось решить следующие конкретные задачи:

1. В пучке релятивистских электронов закалить поверхностные слои средне-углеродистой стали 50 и серого чугуна СЧ 30, используемых для изготовления валков прокатных станов, и выявить основные закономерности формирования структуры и свойств (твердости, износостойкости) в широком интервале режимов электронно-лучевого воздействия.

2. Создать на поверхности стали СтЗ коррозионно-стойкие покрытия элек-гронно-лучевой наплавкой различных по толщине пластин нержавеющей стали L2X181-I10T, исследовать их структуру и коррозионную стойкость и изучить возможность дополнительного упрочнения поверхностного слоя стали-12X18Н1 ОТ наплавкой карбидов хрома без потери коррозионной стойкости.

3. Сформировать на поверхности низкоуглеродистой стали СтЗ бифункциональные (износостойкие и коррозионно-стойкие) покрытия методом вневакуум-ной электронно-лучевой наплавки смесей порошков хрома и карбида хрома в различных весовых соотношениях и на основании изучения структуры и фазового состава покрытий выяснить природу формирования свойств.

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:

1. Показано, что закалкой в пучке релятивистских электронов можно достигнуть существенного упрочнения поверхностного слоя среднеуглеродистой стали 50. Эффект связан с образованием высокодисперсной мартенситной структуры. Дисперсность мартенсита, твердость и износостойкость слоев через соответствующие зависимости однозначно связаны со временем взаимодействия электронного пучка ^ с поверхностью металла и плотностью введенной энергии излучения W. При облучении серого чугуна упрочнение обусловлено растворением графитных включений, выделением цементита и закалкой основы слоя на мартенсит.

2. На низкоуглеродистой стали СтЗ сформированы коррозионно-стойкие покрытия наплавкой пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т в пучке релятивистских электронов. Определено влияние толщины исходной пластины на количество остаточного аустенита, распределение хрома в слое и уровень коррозионной стойкости. Установлено, что кривые потери массы наплавленных слоев от времени выдержки в агрессивных' средах носят стадийный характер. Наплавка карбидов хрома на нержавеющую сталь обеспечивает дополнительное увеличение твердости и износостойкости при незначительной потере коррозионной стойкости.

3. Проведена электронно-лучевая наплавка смесей порошков хрома и карбида хрома на сталь СтЗ и исследованы структура и свойства покрытий. Методом электронной микроскопии фольг получена исчерпывающая информация о фазовом составе покрытий с расшифровкой кристаллографического строения фаз и оценкой их объемного содержания. Показано, что износостойкость определяется количеством и размерами выделяющихся в покрытии карбидов хрома, а коррозионная стойкость зависит от содержания хрома в твердом растворе. Оптимальное сочетание износостойкости и коррозионной стойкости достигается при однослойной наплавке порошковой смеси с соотношением компонентов СгзС2/Сг = 2.

Практическая значимость. Показано, что самозакалка поверхностного слоя стали 50 после воздействия электронного пучка, выведенного в атмосферу, является эффективным, высокопроизводительным способом поверхностного упрочнения. Процесс сочетает короткий цикл нагрева и охлаждения с большой глубиной зоны обработки и обеспечивает увеличение твердости в 2,4-2,6 и износостойкости в 7-8 раз. Установлены линейные зависимости глубины закаленного слоя, его твердости и износостойкости от удельной энергии излучения которые дают возможность, зная характеристики пучка (ускоряющее напряжение и, ток I, диаметр пучка с1, скорость обработки V), прогнозировать свойства и глубину упрочненного слоя, не проводя дополнительных исследований.

Наплавкой в пучке релятивистских электронов пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т на сталь СтЗ получены покрытия толщиной 2 и более мм с высокой коррозионной стойкостью. Легирующие элементы равномерно распределены в наплавленном слое, их выгорание незначительно. Коррозионная стойкость по-

крытий существенно повышена по сравнению с коррозионной стойкостью подложки при растворении в агрессивных средах. При наплавке карбидов хрома на нержавеющую сталь твердость и износостойкость повышаются в 3 раза на глубину до 0,5 мм при сохранении высокого уровня коррозионной стойкости.

При наплавке порошковых смесей хрома с карбидом хрома на сталь СтЗ в оптимальном варианте упрочнения при толщине покрытий 1,5-2 мм твердость упрочненных слоев достигает 7-8 ППа, а коэффициент износостойкости - 9-10. При этом коррозионная стойкость покрытий в несколько раз выше, чем материала подложки. Полученные покрытия являются бифункциональными, т.к. обладают одновременно высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью. Оптимальное сочетание этих свойств в бифункциональных покрытиях имеет место при однослойной наплавке на сталь СтЗ порошковых смесей на основе Сг3С2 и Сг в весовом соотношении 2:1.

Результаты исследований структуры и свойств износостойких и коррозионно-стойких слоев, полученных вневакуумной электронно-лучевой обработкой, могут быть использованы для создания технологий упрочнения разнообразных изделий: рабочих органов сельхозмашин и землеройной техники (лемехи плугов, лапы культиваторов, ножи для резки грунта и др.), валков прокатных станов, досок кристаллизаторов, специальных изделий и др.

Получен акт об использовании результатов диссертационной работы для упрочнения валков прокатных станов в ОАО «НКМК» методами закалки и наплавки в пучке релятивистских электронов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Установление эффекта упрочнения поверхностного слоя стали 50 и чугуна СЧ 30 самозакалкой после воздействия пучка релятивистских электронов, связанного с образованием высокодисперсной мартенситной структуры, и обнаружение прямой пропорциональной зависимости твердости, износостойкости и глубины закаленного слоя от количества введенной удельной энергии излучения.

2. Методика нанесения и совокупность результатов исследования структуры, химического, фазового состава и коррозионной стойкости покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т иа низкоуглеродистую сталь СтЗ, и установление эффекта упрочнения стали 12Х18Ш ОТ наплавкой карбидов хрома.

3. Совокупность экспериментальных данных о структуре, фазовом составе и свойствах бифункциональных (износостойких и коррозионно-стойких одновременно) покрытий, наплавленных в пучке релятивистских электронов смесями порошков хрома и карбида хрома, и анализ природы, достигаемых в покрытиях свойств.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: ШиУ Всероссийская научно-практическая конференция «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2005, 2007); Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (Томск, 2005, 2006); VI Всероссийская школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Томск, 2006); 8й International conference on modification of materials with particle beams and plasma flows (Tomsk, 2006); XIII международная научно-практическая конференция cry-

дентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007); 8 международная конференция «Пленки и покрытия - 2007» (Санкт-Петербург), VII Всероссийская школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Томск, 2007); 7-я международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» (Минск, 2007).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической главы, трех оригинальных глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 173 страницы, включая 44 рисунка, 7 таблиц, 12 формул, библиографический список содержит 152 наименования. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 12 статей в рецензируемых журналах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи исследования, кратко представлено содержание работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту.

В первом разделе представлен обзор, в котором рассмотрены вопросы использования электронно-лучевых источников различной мощности для модифицирования поверхностных слоев металлов и сплавов закалкой и наплавкой. Показаны преимущества электронного излучения перед лазерным и достоинства ускорителей электронов, позволяющих выводить пучок в открытый воздух, перед вакуумными электронно-лучевыми установками. Обсуждены работы по модифицированию поверхностных слоев сталей, титановых сплавов и других материалов закалкой, наплавкой ленты, проволоки, порошковых "смесей, оплавлением покрытий, предварительно нанесенных другими методами, - плазменным, газоплазменным, детонационным напылением, химико-термической обработкой. Большая часть обзора посвящена описанию созданной в ИФПМ СО РАН под руководством академика Панина В.Е. высокоэффективной технологии электроннолучевой наплавки в вакууме, позволяющей получать качественные покрытия с пористостью, менее 1%. Рассмотрены основные этапы развития технологии электронно-лучевой вневакуумной обработки на ускорителе электронов ЭЛВ-6 и результаты, полученные ИЯФ СО РАН в сотрудничестве с ИФПМ СО РАН и другими организациями. На основании анализа имеющихся экспериментальных и теоретических данных сформулированы цель и задачи данной работы.

Второй раздел - методический. В нем описаны устройство и принцип работы ускорителя релятивистских электронов ЭЛВ-б, разработанного в ИЯФ им. Г,И. Будкера СО РАН и использованного в работе. Рассмотрены характеристики электронного пучка и особенности его взаимодействия с материалом, в частности, распределение потерь энергии электронами пучка по мере их проникновения в материал, эффективная глубина проникновения электронов и др. Рассмотрены принципы и кинематические схемы закалки с использованием энергии релятивистских электронов. Описаны технология и механизмы формирования покрытий при электронно-лучевой закалке и наплавке и методики защиты покрытий от влияния атмосферного воздуха с помощью флюсов, которые очищают поверхность от оксидных загрязнений за счет протекания обменных химических реак-

ций. На основании анализа возможностей различных флюсов выбраны наиболее подходящие для используемых в работе составов наплавочных смесей и режимов наплавки.

В третьем разделе исследовано влияние закалки в пучке релятивистских электронов на структуру и свойства поверхностного слоя стали 50 при ускоряющем напряжении 1,4 МэВ и изменении скорости обработки V от 1 до 7 см/с, тока пучка от 2,5 до 8,3 тА. С точим зрения влияния параметров облучения на структуру и твердость в зоне воздействия, режимы обработки условно разделены на «быстрые» (1о=0,1-0,3 с; \У=1,1-1,7 кДж/см2), «средние» (^=0,3-0,7 с; \У=1,7-2,5 кДж/см2) и «медленные» (%=0,7-1,2 с; \У=2,5-3 кДж/см2).

Если исходная структура стали 50 ферритно-перлитная, то после закалки на быстрых режимах образуется высокодисперсная мартенситная структура (рис. 1а). На средних и медленных режимах закалки в связи с увеличением гепловло-жений происходит рост зерна в области температур аустенизации, а при охлаждении облученного слоя образуется крупноигольчатый мартенсит (рис. 16).

Важное значение имеет структура границы раздела закаленного слоя с материалом основы. На быстрых режимах она представляет собой фактически прямую линию, выше которой успевает пройти процесс аустенизации, а ниже не успевает, причем граница закалки делит даже отдельные зерна (рис. 1«),

На средних режимах происходит размытие границы раздела, связанное с чередованием областей с измененной и неизмененной структурами (рис. 1г). Это свидетельствует о том, что диффузия углерода за пределы перлитных зерен в феррит не успевает происходить, и не образуется ау-стенит, необходимый для последующей закалки. В участках, где произошло превращение, наблюдается промежуточная с мартен-ситной структура.

На медленных режимах воздействия отсутствует четкая граница раздела между закаленной и незакаленной областями. Образуется широкая зона промежуточных структур - от бейнитной до троосто-сорбитной, что связано с увеличением тепловложений и уменьшением скорости охлаждения нагретого металла. Далее следует зона частичной аустенизации, где наряду с участками, претерпевшими превращение, сохраняются исходные зерна феррита.

Рис. 1. Микроструктура поверхностного слоя стали 50 в зоне закалки (а, б) и на границе раздела с основным металлом (в, г); Ш = 1,38 (а, в); 2,51 (г); 2,97 кДж/см2 (б)

Показатели микротвердости, износостойкости и глубины слоев связаны с произошедшими структурными изменениями. Из кривых распределения микротвердости (рис. 2) видно, что с увеличением времени воздействия ^ средние значения микротвердости И]игр в слое уменьшаются, а глубина, претерпевшего пол-

Рис. 2. Распределение микротвердости в сечениях, перпендикулярных поверхности образцов, закаленных в режимах о энергией излучения ТАМ,38 (а): 2,51 (б) и 2,97 кДж/см2 (в)

На быстрых режимах средние значения твердости не меняются вплоть до границы зоны закалки, а затем резко падают (рис. 2а). На средних режимах на кривых распределения появляется переходная зона, где значения твердости меняются постепенно, и имеет место более плавный переход свойств (рис. 26). На медленных режимах обнаруживается обширная переходная область с постепенным понижением твердости (рис. 2в). Испытания на износостойкость закаленных слоев показали, что при увеличении времени воздействия значения коэффициента износостойкости монотонно уменьшаются.

На основании полученных данных были построены зависимости средних значений микротвердости Нрср, коэффициента износостойкости Ки и глубины закаленного слоя 1А от удельной поверхностной энергии V/. Оказалось, что эти зависимости носят линейный характер (рис. 3). Это позволяет, зная параметры излучения (и, I, с1, V), прогнозировать свойства упрочненного слоя, не проводя дополнительных исследований. Наиболее эффективными являются «средние» режимы воздействия (1о= 0,3-0,7 с, >У=1,7-2,5 кДж/см2), при которых формируется упрочненный слой достаточной протяженности, плавно переходящий в материал основы.

Исходная структура серого чу1*уна ферритно-перлитцая с включениями пластинчатого графита.

Рис. 3. Зависимость твердости, износостойкости и глубины закаленного слоя от удельной энергии излучения V/

Н ,МПа 1 мм л'

70006500600055005000-

1,0

—I—

1,5

2,0

кЦж/см2

—I—

2,5

3,0

к„ п 9

При энергии излучения \У=2,19 кДж/см2 глубина упрочненного слоя составляет 1,5 мм, он состоит из зоны плавления, переходной зоны и следующей за ней зоны закалки из твердого состояния. Твердость увеличивается от 2000 МПа в основе металла до 8500 МПа у поверхности образца (рис. 4а). Глубина зоны плавления: 0,1-0,15мм, структура состоит из дендритов твердого раствора, окруженных ледебуритной эвтектикой (рис. 46). Необходимый для протекания эвтектической реакции углерод поступает из графитных включений, полностью растворившихся при плавлении. В зернах твердого раствора и основе эвтектики структура мартенситная.

Под зоной плавления располагается зона переменной толщины (0,05-0,2мм) с промежуточной структурой, которая «языками» внедряется в зону закалки (рис. 4в). Здесь наблюдается плавление в областях, прилегающих к графитным пластинам, где, в связи с их частичным растворением, содержание углерода повышено. В участках, удаленных от пластин, образуется мартенсит.

а б в

Рис. .4. Распределение микротвердости в сечении, перпендикулярном поверхности образца чугуна (а) и микроструктура поверхностного слоя после воздействия электронного пучка в зоне плавления (а) и в переходной зоне (б), W-2,19 кДж/см

В образце чугуна, облученного при плотности введённой энергии W, равной 1,67 кДж/см2, поверхностный слой весь закаливается после нагрева в твердом состоянии. Глубина упрочненного слоя достигает 0,7 мм, среднее значение твердости в нем 6500-7000 МПа. В результате нагрева графитные пластины частично растворяются, становятся тонкими и рыхлыми. При охлаждении в верхней части облученной зоны в промежутках между пластинами графита образуется мартенситная структура, а в нижней - выделяется троосто - сорбитная смесь.

Для сопоставления полученных результатов по закалке электронным пучком с теоретическими данными использовали разработанную М.Г. Голковским и С.Е. Петровым (Thermal Conditions During the Concentrated E. Beam Steel Hardening. Calculation and Experimental Results. Fifth International Conference on Electron Beam Technologies, 2-5 June 1997, Varna, Bulgaria, pp. 227-232) математическую модель пучка релятивистских электронов, основанную на аналитическом представлении температурного поля с помощью функций Грина. Для всех рабочих режимов закалки стали и чугуна были рассчитаны температурно-временные зависимости на различных глубинах от поверхности образца и распределения максимально достигаемых по глубине температур. Расчетные данные сопоставили с реально существующим распределением по глубине материала структурных зон.

В практике обычной термической обработки для аустенизации доэвтекто-идной стали используют нагрев на 30-50°С выше Ас3. Из расчетных графиков зависимости максимальной температуры, достигаемой за время цикла, от расстояния до поверхности для пяти использованных режимов облучения определили глубины зон полного аустенитного превращения 1А при 750°С (точка Ас3 для стали 50). Они составили: 1,1; 1,4; 1,7; 1,9 и 2,0 мм. Полученные экспериментальным путем глубины Ц оказались равны: 0,85; 1,15; 1,35; 1,45 и 1,55 мм. Наблюдаемое различие связано с диффузионной природой процесса аустенизации, протекание которого требует временных затрат.

Время нахождения электронного пучка в каждой точке поверхности ^ не превышало 1,2 с. Для осуществления превращения в условиях столь кратковременного воздействия необходим существенный перегрев. По экспериментально найденным значениям глубин 1А из графиков зависимости максимально достигаемых по глубине температур нашли температуры на границе зоны аустенизации. Они оказались на 100-150° С выше равновесной температуры аустенизации для стали 50.

Теоретическая глубина зоны плавления у поверхности чугуна при обработке электронным пучком равна 0,3 мм. Как показывает эксперимент, эта зона значительно уже - 0,1-0,15мм, что соответствует температурам 1153-1157°С. За зоной плавления следует зона закалки из твердого состояния, граница которой, согласно расчету, должна располагаться на глубине порядка 2 мм. В действительности, эта граница проходит на расстоянии 1,5 мм от поверхности, что соответствует температуре 823°С на расчетной кривой и, как и в предыдущем случае, свидетельствует о необходимости существенного увеличения температуры для осуществления процесса аустенизации.

Четвертый раздел посвящен исследованию структуры, твердости и коррозионной стойкости покрытий, полученных методом наплавки в пучке релятивистских электронов пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 0,8-2 мм. Использовали параметры облучения: ускоряющее напряжение и=1,4МэВ, ток пучка 1=21-24 шА, диаметр пучка <1=1,2 см. Ускоритель работал в режиме сканирования с амплитудой колебаний пучка 5 см, скоростью перемещения образца под пучком 1 см/с.

Исходная структура нержавеющей стали аустенитная (рис. 5а).

Рис. 5. Структура стали 12Х18И10Т (а) и структура наплавленного на сталь СтЗ слоя при толщине пластины стали 12X18111 ОТ 1,2 мм (б) и 2 мм («)

При наплавке на сталь СтЗ пластин стали 12Х18Н10Т толщиной 0,8-1,2 мм в результате разбавления основным металлом образуется слой толщиной 2,3-2,5 мм с бейнитной структурой (рис. 56). Рентгенофазовый анализ (дифрактометр ДРОН-2М) показывает уменьшение высоты дифракционных максимумов для у-железа и появление интенсивных линий а-железа. По данным эмиссионного спектрального анализа, выполненного на призменном спектографе ИСП-30, распределение легирующих элементов в наплавленном слое относительно равномерно (рис. 6), Несколько завышенные значения концентрации на поверхности

связаны с наличием шлаковых выделений, а на границе раздела слоев - с перераспределением углерода и образованием карбидов. Выгорание легирующих элементов незначительно. Средние значения твердости составляют 3500-4000 МПа.

14 12

в4

К 10 £

=г р

СО о о.

£ б ф

1;

о

\

■ ■■И ч, ш V"

1 г з

Расстояние от поверхности, мм

-Сг-*-ЫП

Рис. 6. Распределение легирующих элементов в поверхностном слое при

наплавке на сталь СтЗ пластины стали 12Х18НШТ толщиной 1,2 мм

При наплавке пластин толщиной 1,5 и 2 мм толщина наплавленного слоя достигает 2,4—2,6 мм, средняя твердость в нем около 3000 МПа. Это свидетельствует о том, что перемешивание металла пластины с основным металлом в данном случае незначительно, а. содержание хрома и никеля в наплавленном слое близко к их содержанию в стали 12Х18Н10Т. При закалке такой системы из жидкого состояния после окончания действия электронного луча происходит дендритно-ячеистая кристаллизация с образованием структуры, в которой первичные зерна твердого раствора окружены эвтектической смесью фаз, включающей специальный карбид хрома Сг2зСб (рис. 5в)

При наплавке карбида хрома на нержавеющую сталь формируется слой наплавки толщиной 0,5 мм с литой структурой доэвтектического типа, твердостью, повышенной до 7000 МПа у поверхности слоя, и износостойкостью в 3 раза более высокой, чем у стали 12Х18Н10Т. По данным рентгеноструюурного фазового анализа в эвтектике преобладает карбид хрома Сг7С3.

Коррозионную стойкость покрытий оценивали по относительному изменению массы образцов, вырезанных из наплавленных слоев, при их растворении в агрессивных средах. При выдержке в концентрированной азотной кислоте, коррозионная стойкость покрытий ниже коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т (рис. 7), что связано с уменьшением среднего содержания хрома в единице объема слоя при наплавке пластин и с низким сопротивлением коррозии областей эвтектики при наплавке карбида хрома на нержавеющую сталь, но существенно выше коррозионной стойкости подложки (сталь СтЗ). На кривых изменения массы выделяются две стадии (рис. 7). На первой стадии процесс развивается быстро, а на второй - затормаживается в связи с образованием пленки оксидов (Сг,Ре)2Оа.

С целью ускорения процесса коррозии и выявления различий в коррозионной стойкости слоев, наплавленных пластинами различной толщины, были проведены испытания в более агрессивной соляной кислоте. Сопротивление коррозии возрастает при увеличении толщины наплавляемой пластины (рис. 8), что связано с увеличением в металле наплавки содержания хрома, ответственного за коррозионную стойкость. На кривых потери массы наблюдаются три стадии. Характер изменения массы образцов на двух первых стадиях при испытаниях в азотной и соляной кислотах аналогичен, а на третьей процесс коррозионного разрушения ускоряется, что связано со сквозным разрушением пластинок и увеличением площади их контакта с агрессивной средой.

выдержке в азотной кислоте: 1 ~ сталь СтЗ; 2- сталь 12Х18Н10Т; 3 - наплавка пластины стали 12Х18Ш0Т (1,2 мм) на сТаль СтЗ; 4 - наплавка карбиДов Сг3С2 на сталь 12Х18Н10Т

Рис. 8. Зависимость относительной потери массы образцов от времени нахождения в соляной кислоте при толщине наплавляемой пластины 0,8 (1); 1,2 (2); 1,5 (3) и 2 мм (4) и изменение массы образца из стали 12Х18Н ЮТ (5)

В пятом разделе на сталь СтЗ наплавляли одно- и двухслойные покрытия порошком карбида хрома Сг3С2 и смесями порошков Сг3С2 и Сг в весовых соотношениях СгзС2/Сг=1 и 2. Для защиты от влияния окружающей среды вводили флюсующие добавки - и МпО. Использовали те же параметры облучения, что и при наплавке пластин, но ток пучка увеличили до 26-27 шА. Распределение хрома в покрытиях исследовали на рентгеновском микроанализаторе, снабженном растровым электронным микроскопом, фазовый состав находили методом рснтгеноструктурного анализа. Структуру наплавленных слоев исследовали методами металлографии и электронной микроскопии с помощью экстрагирующих угольных реплик и тонких фольг с привлечением методик электронной микродифракции с отдельных деталей структуры и темнопольного изображения.

В наплавляемом слое образуется структура, состоящая из зерен твердого раствора и эвтектики (рис. 9). Объемная доля эвтектической составляющей зависит от содержания карбида хрома в легирующей смеси (от количества вводимого с карбидом углерода) и от числа наплавляемых слоев. По данным рентгенострук-турного фазового анализа зерна девдритов и основа эвтектики представляют собой чистый аустенит, Сохранение аустенитной фазы в структуре объясняется сверхвысокими скоростями охлаждения при наплавке в пучке релятивистских электронов (103-104 К/с) и высоким содержанием хрома и углерода в наплавленном

слое. Известно, что в высокоуглеродистых сталях с большим содержанием легирующих элементов точка начала мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур, и количество остаточного аустенита повышается. По данным рентгеновского микроанализа, среднее содержание хрома в слоях наплавки для различных режимов облучения составляет 15-30 вес.%.

20 М!.'.'.!

Рис. 9. Микроструктура металла двухслойной наплавки смесью порошков карбида хрома и хрома (Сг3С2/Сг=2)

При наплавке порошком карбида хрома Сг3С2 в эвтектике выделяются карбиды Сг7С3. Введение в легирующую смесь хрома и увеличение отношения количества хрома к количеству углерода создают условия для выделения карбида Ст23С6 с большим количеством хрома, чем в карбиде Сг7С3. В структуре наблюдаются два типа карбидов - Сг7С3 и Сг2зС6.

Более полное представление о фазовом составе наплавки дает метод дифракционной электронной микроскопии тонких фольг. Показано, что основной упрочняющей фазой в структуре, в соответствии с результатами рентгенофазово-го анализа, является карбид Сг7С3, который образует пластинчатые выделения в эвтектике (рис. 10 а-в). Определенный вклад дает карбид Сг2зСс„ который образует

Рис. 10. Электронно-микроскопическое характерное изображение структуры наплавки; я - светлое поле; б, г, е - темные поля, полученные в рефлексах [101]Сг7С3 (б), [1151М23С6 (.?), [002]СгС (е); в, д, ж - микроэлектронограммы к (а), (г), (е), соответственно. Стрелками указаны: на (в), (д), (ж) - рефлексы темного тюля; на (б) - пластины карбида хрома Сг7С3; на (,?) - частицы карбида М23С<,; на (в) - частицы карбида СгС

многочисленные выделения наноразмерных (15-25 нм) частиц, расположенных по границам пластин у - железа и карбидов Сг7С3 (рис. 10 г, д). Помимо основных фаз, обнаружено некоторое количество соединений СгС и Сг3С2, характеризующих неравновесность структуры электронно-лучевой наплавки, которые выделяются в виде глобулей на периферии областей эвтектики (рис. 10 е, ж), а также небольшое количество выделений а-фазы (РеСг), расположенных в виде тонких прослоек вдоль границ основных фаз.

Распределение хрома в наплавленных слоях, определенное методом рентгеновского микроанализа, носит характер локальных колебаний, что связано с чередованием участков эвтектики и зерен твердого раствора в структуре (рис. 11а). В связи с неоднородностью структуры наплавки, распределение микротвердости в наплавленных слоях, как и распределение хрома, существенно неоднородно (рис. 116).

Рис. 11. Распределение хрома (а) и распределение микротвердости (б) в двухслойной наплавке при отношении Сг3С2/Сг=2

Средние значения микротвердости в слое Н/р и коэффициента износостойкости Ки, определенные д ля различных режимов наплавки, приведены на рис, 12.

Ражймы наппаак*

Режимы напляакм

а б

Рис. 12. Зависимость средней микротвердости в слое наплавки (а) и коэффициента износостойкости (б) от режима наплавки: 1 - Сг3С2; 2 - Сг3С2/Сг=1; 1 слой; 3 - Сг3С3/Сг=1; 2 слоя; 4 - Сг3С2/Сг=2; 1 слой; 5 - Сг3С2/Сг=2; 2 слоя; б - сталь СтЗ

Видно, что простой связи между твердостью и износостойкостью нет. С увеличением твердости износостойкость для одних режимов наплавки увеличивается, а для других - уменьшается. Так, при нанесении двухслойных покрытий, несмотря на существенное повышение твердости за счет роста объемной доли эвтектики, износостойкость падает. Это означает, что увеличение количества карбидов, с точки зрения износостойкости материала, целесообразно лишь до определенных пределов. Чрезмерное количество карбидов меняет механизм изнашивания - карбиды выкрашиваются, а не истираются. Согласно полученным данным, объемная доля эвтектики в наплавленном слое не должна превышать 40%. Большее количество хрупкой карбидной составляющей приводит к разрушению частиц карбидов, возникающие в них высокие концентрации напряжений не гасятся тонкими прослойками металлической матрицы.

Результаты измерений коррозионной стойкости образцов в концентрированной азотной кислоте представлены на рис. 13. Видно, что коррозионная стойкость слоев наплавки ниже коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т (кривые 2,3,4,5, б), но существенно выше, чем стали СтЗ. Сопротивление коррозии возрастает при введении в легирующую смесь дополнительного количества хрома и увеличении соотношения компонентов Сг/С. После выдержки в кислоте более 5" часов коррозионное разрушение приостанавливается (кривые выходят на насыщение), что связано с образованием на поверхности защитной пленки оксидов.

Из сопоставления полученных результатов испытаний на износостойкость и коррозионную стойкость (рис. 12, 13) следует, что наиболее эффективные бифункциональные (износостойкие и коррозионно-стойкие) покрытия на стали СтЗ могут быть получены однослойной наплавкой порошковых смесей на основе

Рис. 13. Зависимость относительной потери массы образцов сталей и наплавленных покрытий от времени выдержки в азотной кислоте:

1 - сталь СтЗ;

2 - наплавка Сг3С2;

3 - Сг3С2/Сг=2; 1 слой;

4 - Сг3С2/Сг=2; 2 слоя; 5-Сг3СУС1=1; 1 слой; 6 — Сг3Сг/Сг=1; 2 слоя; 7-сталь 12Х18Н10Т

т,ч

При меньшем соотношении Сг3С2/Сг=1 износостойкость уменьшается в связи с уменьшением количества твердой карбидной составляющей в структуре. При использовании двухслойной наплавки, вместо однослойной, выделение слишком большого количества карбидов способствует их выкрашиванию - тонкие прослойки аустенитной фазы не удерживают частицы включений в эвтектике - износостойкость падает. Наплавка одним карбидом Сг3С2, хотя и способствует существенному увеличению износостойкости, характеризуется пониженной коррозионной стойкостью из-за недостаточного содержания хрома в твердом растворе.

Основные выводы:

1. Закалка среднеуглеродистой стали в пучке релятивистских электронов является эффективным, высокопроизводительным способом поверхностного упрочнения материала. Метод позволяет сочетать большую глубину зоны обработки со значительным увеличением твердости и износостойкости. Эффект упрочнения связан с протеканием мартенситного превращения, для осуществления которого, как показывает сопоставление с расчетными данными, необходим перегрев облученного слоя на 100 ~ 150°С относительно точки аустенитного превращения на равновесной диаграмме Бе-С.

2. Дисперсность мартенсита, глубина закаленного слоя, размеры и форма переходной зоны, твердость и износостойкость определяются временем воздействия электронного пучка ^ и плотностью введенной энергии излучения Существуют линейные зависимости Нсрц, Ки и 1А от Наиболее эффективными являются «средние» режимы воздействия (^=0,3-0,7с; '№=1,7-2,5 кДж/см2), при которых формируется упрочненный слой достаточной протяженности, плавно переходящий в материал основы.

3. При облучении серого чугуна наблюдается закалка из твердого и жидкого состояний. Глубина упрочненного слоя достигает 1,5 мм, а твердость в нем -8500 МПа. Упрочнение обусловлено растворением графитных включений, переходом дополнительного количества углерода в твердый раствор, выделением цементита и закалкой основы слоя на мартенсит.

4. Метод наплавки в пучке релятивистских электронов позволяет получить на дешевой низкоуглеродистой стали СтЗ наплавленные слои нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной около 2 мм, с частично сохраненной аустенитной структурой. С увеличением толщины наплавляемой пластины стали 12Х18Н10Т количество аустенита в слое возрастает. Выгорание легирующих элементов хрома и никеля в процессе наплавки незначительно. Ответственный за коррозионную стойкость хром распределяется между твердым раствором и карбидами (Сг7С3, Сг23С6).

5. Коррозионная стойкость наплавленных покрытий существенно повышена по сравнению с металлом подложки и возрастает с увеличением толщины исходной, используемой для наплавки, пластины нержавеющей стали, что связано с увеличением среднего содержания хрома в твердом растворе. Кривые потери массы наплавленных слоев в агрессивных средах носят стадийный характер. Наплавка карбидов хрома на нержавеющую сталь при незначительном уменьшении коррозионной стойкости обеспечивает увеличение твердости и износостойкости поверхностного слоя в 3 раза за счет образования карбидной эвтектики.

6. При электронно-лучевой наплавке порошковых смесей карбида хрома и хрома на низкоуглеродистую сталь СтЗ в поверхностных слоях протекает денд-ритно-ячеистая кристаллизация, что приводит к формированию покрытий со структурой сплава доэвтектического типа, состоящего из зерен аустенита и эвтектической смеси твердых фаз, в основном карбидов Сг7Сэ и Сг23Сб. Присутствует некоторое количество соединений (СгС, Сг3С2 и Г'еСг), характеризующих неравновесность структуры наплавленного металла. Значения твердости возрастают с увеличением объемной доли эвтектики - содержания порошка карбида в наплавочной смеси.

7. Корреляции между значениями твердости и износостойкости нет. С увеличением твердости износостойкость может как увеличиваться, так и уменьшаться. Это связано с тем, что увеличение объемной доли эвтектики целесообразно лишь до определенных пределов ~ 40%. Дальнейший рост числа карбидов и их чрезмерное количество (двухслойные покрытия) приводит к выкрашиванию твердых частиц и падению износостойкости, несмотря на увеличение твердости.

8. Коррозионная стойкость слоев наплавки существенно выше коррозионной стойкости подложки стали СтЗ и возрастает при дополнительном введении в наплавляемую смесь порошка чистого хрома, ответственного за коррозионную стойкость, увеличении соотношения компонентов Сг/С и содержания хрома в твердом растворе. После выдержки более 5й часов в концентрированной азотной кислоте кривые потери массы выходят на насыщение.

9. Оптимальное сочетание износостойкости и коррозионной стойкости в бифункциональных покрытиях на стали СтЗ может быть получено однослойной наплавкой порошковых смесей на основе Сг3С2 и Cr в весовом соотношении 2:1. Износостойкость понижается при нанесении двухслойных покрытий или при отношении Сг3С2/Сг=1, что связано с избыточным или недостаточным количеством карбидов в структуре слоя.

10. Наплавка в пучке релятивистских электронов имеет ряд преимуществ перед электрошлаковой наплавкой, обеспечивая образование более однородных слоев, плавно переходящих в материал основы. Большая мощность электронного излучения позволяет достигать скорости охлаждения на 2 — 3 порядка выше, чем при электрошлаковой наплавке, что приводит к формированию ультрадисперсных структур и существенному увеличению твердости и износостойкости.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Крылова Т.А., Салимов P.A., Гнюсов С.Ф., Гальченко Н.К. Создание бифункциональных покрытий методом электронно-лучевой наплавки // Перспективные материалы. - 2007. -№1.-С. 78-85.

2. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Калинин А.Н., Салимов P.A. Закалка поверхностного слоя среднеуглеродистой стали с использованием энергии релятивистских электронов // Перспективные материалы. - 2006. - №2. - С. 73-79.

3. Полетика И.М., Голковский М.Г., Беляков E.H., Перовская М.В., Салимов P.A., Катаев В.А., Сазанов Ю.А. Формирование коррозионно - стойких покрытий методом наплавки в пучке релятивистских электронов // Перспективные материалы. - 2006. -№2.-0,80-86.

4. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В. Формирование структуры и свойств поверхностных слоев стали и чугуна при закалке электронным пучком // ФиХОМ. - 2006. - №6. - С. 41-50.

5. Poletika, M.G. Golkovski, M.V. Perovskaya, R.A. Salimov. Electron Beam Fusion of the Stainless Steel on the Plain Carbon Steel I.M. // Изв. Вузов. Физика. - 2006. - №8. Приложение. - С. 272-275.

6. M.G. Golkovski, I.M. Poletika, M.V. Perovskaya, The Sensitivity of the Structure and Properties of the Middle Carbon Steel to Electron Beam Hardening Conditions // Изв. Вузов. Физика. - 2006. - №¡8. Приложение. - С. 268-271.

7. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Крылова Т.А., Салимов P.A. Формирование покрытий двойного назначения методом вневакуумной электроннолучевой наплавки // Физическая мезомеханика. Специальный выпуск. - 2006. - Т.9. -С. 177-180.

8. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В. Элеггронно-лучевая закалка поверхностного слоя стали вне вакуума // Физическая мезомеханика. Специальный выпуск. -2006.-Т.9.-С. 181-184.

9. Полетика И.М., Сараев Ю,Н., Козлов A.B., Перовская М.В. Влияние микроструктуры на абразивную износостойкость металла элекгрошлаковой наплавки // Сварочное производство. - 2006. - №8. - С. 3-8.

10. Полетика И.М., Голковский М.Г., Борисов М.Д., Салнмов P.A., Перовская М.В. Формирование упрочняющих покрытий наплавкой в пучке релятивистских электронов //Физическая мезомеханика. - 2005. - №12. - С. 129-132.

11. Полетика И.М., Голковский МГ., Борисов М.Д., Салимов P.A., Перовская М.В. Формирование упрочняющих покрытий методом наплавки в пучке релятивистских электронов // ФиХОМ. - 2005. - №5. - С. 29-41.

12.Полетика И.М., Борисов М.Д., Козлов A.B., Сараев Ю.Н., Перовская М.В. Формирование структуры металла электрошлаковой наплавкой при легировании карбидом бора и хромом // Перспективные материалы. - 2005. - №4. - С. 78-82. .

13.Полетика И.М., Голковский М.Г., Крылова Т.А., Перовская М.В. Создание коррозионно-стойких покрытий на низкоуглеродистой стали // Труды 8й Международной конференции «Пленки и покрытия - 2007», Санкт-Петербург: Изд-во Политехи. Унта, 2007.-С. 94-98.

14.Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Крылова Т.А. Электроннолучевая вневакуумная наплавка хромсодержащих покрытий на низкоуглеродистую сталь // Материалы XII международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом», Минск: Изд.центр БГУ, 2007. - С. 324-326.

15.Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Крылова Т.А. Электроннолучевая наплавка коррозионно-стойких: покрытий // «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» Труды V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. ЮТИ ТПУ, Изд. ТПУ, 2007. - С. 243-245.

16.Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Крылова Т.А. Закалка среднеуг-леродиетой стали электронным пучком // «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» Труды V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. ЮТИ ТПУ, Изд. ТПУ, 2007. - С. 245-248.

17..Полетика И.М., Голковский М.Г., Борисов М.Д., Салимов P.A., Перовская М.В. Упрочнение металла наплавкой в лучке релятивистских электронов // «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» Труды III Всероссийской научно-практической конференции. ЮТИ ТПУ: Изд. ШУ, 2005. - Т.1. - С. 140-142.

18. Полетика И.М., Борисов М.Д., Козлов A.B., Сараев Ю.Н., Перовская М.В. Формирование упрочняющих покрытий методом электрошлаковой наплавки // «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» Труды III Всероссийской научно-практической конференции. ЮТИ ТПУ, Изд. ТПУ, 2005. - Т. 1. - С. 142-144.

19.Перовская М.В., Козлов A.B., Полетика И.М., Сараев Ю.Н., Влияние структуры на абразивную износостойкость металла при электрошлаковой наплавке // «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» Труды III Всероссийской научно-практической конференции. ЮТИ ТПУ, Изд. ТПУ, 2005. - Т.1. - С. 144-147.

20. Полетика И.М., Голковский М.Г., Борисов М.Д., Салимов P.A., Перовская М.В., Козлов A.B., Сараев Ю.Н. Карбоборидпос упрочнение слоев электронно-лучевой наплавки // «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» Труды III Всероссийской научно-практической конференции. ЮТИ ТПУ, Изд. ТПУ, 2005. -Т.1.-С. 147-150.

21.Перовская М.В., Крылова Т.А., Макаров С,А. Создание износостойких и коррозионно-стойких покрытий методом элекгронно-лучевой наплавки // XIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ-2007», Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - Т.2. - С. 192-195.

22. Павлов С.С., Перовская М.В. Формирование износостойких и коррозионно-стойких покрытий методом наплавки в пучке релятивистских электронов (! Труды VI Всероссийской школы-семинара. Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - С. 88-90.

Издательство «В-Спектр» ИНН/КПП 7017129340/701701001, ОГРН 1057002637768 Подписано к печати 05.10.2007. Формат 60x84Vi6- Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 77. 634055, г. Томск, пр. Академический, 13-24, тел. 49-09-91. E-mail: bmwm@list.ru

/ j J Í

! у

«teo

2006386460

1. Применение электронных источников для модифицирования поверхности

1.1. Взаимодействие пучка электронов с металлом.

1.2. Закалка электронным пучком.

1.3. Оплавление поверхности с использованием источника электронов.

1.4. Электронно - лучевая наплавка в вакууме.

1.5. Наплавка с использованием порошковых материалов.

1.6. Наплавка в пучке релятивистских электронов.

1.7. Постановка задачи.

2. Оборудование и технология закалки и наплавки в пучке релятивистских электронов

2.1. Устройство ускорителя релятивистских электронов.

2.2. Характеристики электронного пучка.

2.3. Отражение электронов от поверхности металла.

2.4. Технология и кинематические схемы закалки релятивистским электронным пучком.

2.5. Наплавка электронным пучком вне вакуума.

2.6. Выбор флюсов для наплавки.

3. Закалка поверхностных слоев стали и чугуна с использованием энергии релятивистских электронов

3.1. Закалка стали (методика эксперимента).

3.2. Результаты эксперимента.

3.3. Закалка чугуна.

3.4. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными.

Выводы.

4. Формирование коррозионио - стойких покрытий наплавкой пластин в пучке релятивистских электронов

4.1. Методика эксперимента.

4.2. Структура, химический и фазовый состав наплавленных покрытий.

4.3. Испытания на коррозионную стойкость.

Выводы.

5. Создание бифункциональных покрытий методом электронно—лучевой наплавки

5.1. Методика эксперимента.

5.2. Исследование структуры, фазового состава и свойств покрытий.

5.3. Обсуждение результатов исследований.

5.4. Сопоставление с методом электрошлаковой наплавки.

Выводы.

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современного этапа развития машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей и узлов различных машин и механизмов. Для радикального решения этой проблемы необходим комплексный подход, включающий создание новых материалов, разработку и освоение новых технологий.

В частности, для некоторых типов деталей в соответствии с особенностями нагружения при эксплуатации необходимо обеспечить высокую твердость, износостойкость поверхностного слоя и достаточно хорошую вязкость и пластичность сердцевины. Это касается деталей, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок.

В процессе эксплуатации многих машин и механизмов их детали работают в жестких условиях в контакте с агрессивными средами, высокими температурами, абразивными веществами, вызывающими как существенный износ поверхности, так и интенсивную коррозию. Изнашивание рабочих поверхностей деталей нередко требует их полной замены. Это повышает себестоимость производства из-за больших амортизационных отчислений.

Среди методов упрочнения поверхности наиболее распространенными являются поверхностная термическая закалка и различные способы химико-термической обработки (цементация, азотирование и др.). Поверхностная термическая закалка по сравнению с химико-термической обработкой требует значительно меньшего времени и является, поэтому, более предпочтительной.

Для повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы деталей машин используют и другие способы поверхностного упрочнения, в частности наплавку, нашедшую широкое применение в производстве разнообразных изделий. Для наплавки выбирают экономически целесообразный способ сварки, при котором на поверхность основного металла наносят равномерный слой сплава. Особый интерес представляет создание многофункциональных покрытий, обеспечивающих достижение комплекса высоких свойств: твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и др.

Новым, весьма эффективным источником энергии, который может быть использован для упрочнения поверхностного слоя металлов и сплавов, является поток релятивистских электронов. Ускорители релятивистских электронов, созданные в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН под руководством академика А. Н. Скринского, обеспечивают выход пучка в атмосферный воздух и глубокое проникновение электронов в металлы.

Несмотря на уникальные характеристики излучения и существование ряда работ в этом направлении, возможности метода и его применения мало изучены. Необходимо проведение дополнительных исследований закономерностей формирования структуры и свойств покрытий, полученных закалкой и наплавкой на ускорителе электронов.

Цель работы. Исходя из всего сказанного, основной целью работы явилось изучение закономерностей формирования износостойких, коррозионно-стойких и бифункциональных слоев методами закалки и наплавки поверхностных слоев низко- и среднеуглеродистых сталей и серого чугуна в пучке релятивистских электронов.

Для достижения данной цели предполагалось решить следующие конкретные задачи:

1. В пучке релятивистских электронов закалить поверхностные слои среднеуглеродистой стали 50 и серого чугуна СЧ 30, используемых для изготовления валков прокатных станов, и выявить основные закономерности формирования структуры и свойств (твердости, износостойкости) в широком интервале режимов электронно-лучевого воздействия.

2. Создать на поверхности стали СтЗ коррозионно-стойкие покрытия электронно-лучевой наплавкой различных по толщине пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т, исследовать их структуру и коррозионную стойкость и изучить возможность дополнительного упрочнения поверхностного слоя стали 12Х18Н10Т наплавкой карбидов хрома без потери коррозионной стойкости.

3. Сформировать на поверхности низкоуглеродистой стали СтЗ бифункциональные (износостойкие и коррозионно-стойкие) покрытия методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки смесей порошков хрома и карбида хрома в различных весовых соотношениях и на основании изучения структуры и фазового состава покрытий выяснить природу формирования свойств.

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:

1. Показано, что закалкой в пучке релятивистских электронов можно достигнуть существенного упрочнения поверхностного слоя среднеуглеродистой стали 50. Эффект связан с образованием высокодисперсной мартенситной структуры. Дисперсность мартенсита, твердость и износостойкость слоев через соответствующие зависимости однозначно связаны со временем взаимодействия электронного пучка to с поверхностью металла и плотностью введенной энергии излучения W. При облучении серого чугуна упрочнение обусловлено растворением графитных включений, выделением цементита и закалкой основы слоя на мартенсит.

2. На низкоуглеродистой стали СтЗ сформированы коррозионно-стойкие покрытия наплавкой пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т в пучке релятивистских электронов. Определено влияние толщины исходной пластины на количество остаточного аустенита, распределение хрома в слое и уровень коррозионной стойкости. Установлено, что кривые потери массы наплавленных слоев от времени выдержки в агрессивных средах носят стадийный характер. Наплавка карбидов хрома на нержавеющую сталь обеспечивает дополнительное увеличение твердости и износостойкости при незначительной потере коррозионной стойкости.

3. Проведена электронно-лучевая наплавка смесей порошков хрома и карбида хрома на сталь СтЗ и исследованы структура и свойства покрытий. Методом электронной микроскопии фольг получена исчерпывающая информация о фазовом составе покрытий с расшифровкой кристаллографического строения фаз и оценкой их объемного содержания. Показано, что износостойкость определяется количеством и размерами выделяющихся в покрытии карбидов хрома, а коррозионная стойкость зависит от содержания хрома в твердом растворе. Оптимальное сочетание износостойкости и коррозионной стойкости достигается при однослойной наплавке порошковой смеси с соотношением компонентов СГ3С2/СГ = 2.

Практическая значимость. Показано, что самозакалка поверхностного слоя стали 50 после воздействия электронного пучка, выведенного в атмосферу, является эффективным, высокопроизводительным способом поверхностного упрочнения. Процесс сочетает короткий цикл нагрева и охлаждения с большой глубиной зоны обработки и обеспечивает увеличение твердости в 2,4-2,6 и износостойкости в 7-8 раз. Установлены линейные зависимости глубины закаленного слоя, его твердости и износостойкости от удельной энергии излучения W, которые дают возможность, зная характеристики пучка (ускоряющее напряжение U, ток I, диаметр пучка d, скорость обработки V), прогнозировать свойства и глубину упрочненного слоя, не проводя дополнительных исследований.

Наплавкой в пучке релятивистских электронов пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т на сталь СтЗ получены покрытия толщиной 2 и более мм с высокой коррозионной стойкостью. Легирующие элементы равномерно распределены в наплавленном слое, их выгорание незначительно. Коррозионная стойкость покрытий существенно повышена по сравнению с коррозионной стойкостью подложки при растворении в агрессивных средах. При наплавке карбидов хрома на нержавеющую сталь твердость и износостойкость повышаются в 3 раза на глубину до 0,5 мм при сохранении высокого уровня коррозионной стойкости.

При наплавке порошковых смесей хрома с карбидом хрома на сталь СтЗ в оптимальном варианте упрочнения при толщине покрытий 1,5-2 мм твердость упрочненных слоев достигает 7-8 ГПа, а коэффициент износостойкости — 9-10. При этом коррозионная стойкость покрытий в несколько раз выше, чем материала подложки. Полученные покрытия являются бифункциональными, т.к. обладают одновременно высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью. Оптимальное сочетание этих свойств в бифункциональных покрытиях имеет место при однослойной наплавке на сталь СтЗ порошковых смесей на основе Сг3Сг и Сг в весовом соотношении 2:1.

Результаты исследований структуры и свойств износостойких и коррозионно-стойких слоев, полученных вневакуумной электроннолучевой обработкой, могут быть использованы для создания технологий упрочнения разнообразных изделий: рабочих органов сельхозмашин и землеройной техники (лемехи плугов, лапы культиваторов, ножи для резки грунта и др.), валков прокатных станов, досок кристаллизаторов, специальных изделий и др.

Получен акт об использовании результатов диссертационной работы для упрочнения валков прокатных станов в ОАО «НКМК» методами закалки и наплавки в пучке релятивистских электронов.

Положения, выносимые на защиту: 1. Установление эффекта упрочнения поверхностного слоя стали 50 и чугуна СЧ 30 самозакалкой после воздействия пучка релятивистских электронов, связанного с образованием высокодисперсной мартенситной структуры, и обнаружение прямой пропорциональной зависимости твердости, износостойкости и глубины закаленного слоя от количества введенной удельной энергии излучения.

2. Методика нанесения и совокупность результатов исследования структуры, химического, фазового состава и коррозионной стойкости покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т на низкоуглеродистую сталь СтЗ, и установление эффекта упрочнения стали 12Х18Н10Т наплавкой карбидов хрома.

3. Совокупность экспериментальных данных о структуре, фазовом составе и свойствах бифункциональных (износостойких и коррозионно-стойких одновременно) покрытий, наплавленных в пучке релятивистских электронов смесями порошков хрома и карбида хрома, и анализ природы, достигаемых в покрытиях свойств.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: III и V Всероссийская научно-практическая конференция «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2005, 2007); Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (Томск, 2005, 2006); VI Всероссийская школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Томск, 2006); 8~ International conference on modification of materials with particle beams and plasma flows (Tomsk, 2006); XIII международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007); 8 международная конференция «Пленки и покрытия - 2007» (Санкт-Петербург), VII Всероссийская школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Томск, 2007), 7-ая международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» (Минск, 2007).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической главы, трех оригинальных глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 173 страниц, включая 44 рисунка, 7 таблиц, 12 формул, библиографический список содержит 152 наименований. По теме диссертации опубликовано 12 статей в рецензируемых журналах.

Выводы

1. Метод наплавки в пучке релятивистских электронов позволяет получить на дешевой низкоуглеродистой стали СтЗ наплавленные слои нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной до 2 мм, с частично сохраненной аустенитной структурой. С увеличением толщины наплавляемой пластины количество аустенита в слое возрастает. Выгорание легирующих элементов хрома и никеля в процессе электронно-лучевой наплавки незначительно. Ответственный за коррозионную стойкость хром распределяется между твердым раствором и карбидами (Сг2зСб, Сг7Сз).

2. Коррозионная стойкость наплавленных покрытий в существенно повышена по сравнению с металлом подложки и возрастает с увеличением толщины используемой для наплавки исходной пластины нержавеющей стали, что связано с увеличением содержания хрома в наплавленном слое. Кривые потери массы наплавленных покрытий в агрессивных средах носят стадийный характер. При растворении в концентрированной азотной кислоте таких стадий две, а в концентрированной соляной кислоте - три.

3. Наплавка порошка карбида хрома на нержавеющую сталь 12Х18Н10Т обеспечивает увеличение твердости и износостойкости поверхностного слоя в 3 раза за счет образования карбидной эвтектики. При этом коррозионная стойкость уменьшается незначительно по сравнению со сталью 12Х18Н10Т, в основном, в связи с частичным переходом хрома в карбиды Сг7С3.

5. Создание бифункциональных покрытий методом электронно-лучевой наплавки

В данном разделе проведены эксперименты по наплавке в пучке релятивистских электронов смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь СтЗ. Структура и фазовый состав покрытий подробно исследованы методами металлографии и электронной микроскопии. Показано, что износостойкость наплавленных слоев определяется не только твердостью, но и характером образующейся структуры. Коррозионная стойкость зависит от количества хрома в наплавляемой смеси и растет при увеличении в ней соотношения компонентов Сг/С. Подобран оптимальный режим наплавки, позволяющий получить на стали СтЗ бифункциональные покрытия, обладающие одновременно достаточно высокими значениями износостойкости и коррозионной стойкости. Для выявления достоинств метода вневакуумной электронно-лучевой наплавки проведен ряд сравнительных экспериментов I по наплавке порошков карбида хрома методом электрошлаковой наплавки.

5.1. Методика эксперимента

В качестве подложки для наплавки использовалась низкоуглеродистая листовая сталь СтЗ (ГОСТ 380 - 94, толщина листа 14 мм) обыкновенного качества. На сталь СтЗ в пучке релятивистских электронов наплавляли одно -и двухслойные покрытия с использованием для наплавки порошковых смесей на основе карбида хрома Сг3Сг (остальное флюс) и карбида хрома в смеси с чистым хромом в весовых отношениях Сг3С2/Сг=1 и 2 (плотность насыпки 0,45 г/см2). Для защиты от влияния окружающей среды в наплавочные смеси вводили флюсующие добавки - MgF2 и МпО. Использованные параметры обработки приведены в таблице 5.1.

Использовали следующие параметры облучения. Энергия электронов равнялась 1,4 МэВ, ток пучка 26 - 27 тА. Расстояние от выпускного окна до поверхности образца составляло 9 см, диаметр пучка 1,2 см. Ускоритель работал в режиме сканирования с амплитудой колебания пучка 5 см и скоростью поступательного перемещения образца под пучком 1 см/с.

Заключение

1. Закалка среднеуглеродиетой стали в пучке релятивистских электронов является эффективным, высокопроизводительным способом поверхностного упрочнения материала. Метод позволяет сочетать большую глубину зоны обработки со значительным увеличением твердости и износостойкости. Эффект упрочнения связан с протеканием мартенситного превращения, для осуществления которого, как показывает сопоставление с расчетными данными, необходим перегрев облученного слоя на 100 - 150°С относительно точки аустенитного превращения на равновесной диаграмме Fe-C.

2. Дисперсность мартенсита, глубина закаленного слоя, размеры и форма переходной зоны, твердость и износостойкость определяются временем воздействия электронного пучка to и плотностью введенной энергии излучения W. Существуют линейные зависимости Нсрц, Ки и Ц от W. Наиболее эффективными являются «средние» режимы воздействия л to=0,3-0,7c; W= 1,7-2,5 кДж/см ), при которых формируется упрочненный слой достаточной протяженности, плавно переходящий в материал основы.

3. При облучении серого чугуна наблюдается закалка из твердого и жидкого состояний. Глубина упрочненного слоя достигает 1,5 мм, а твердость в нем - 8500 МПа. Упрочнение обусловлено растворением графитных включений, переходом дополнительного количества углерода в твердый раствор, выделением цементита и закалкой основы слоя на мартенсит.

4. Метод наплавки в пучке релятивистских электронов позволяет получить на дешевой низкоуглеродистой стали СтЗ наплавленные слои нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной около 2 мм, с частично сохраненной аустенитной структурой. С увеличением толщины наплавляемой пластины стали 12Х18Н10Т количество аустенита в слое возрастает. Выгорание легирующих элементов хрома и никеля в процессе наплавки незначительно. Ответственный за коррозионную стойкость хром распределяется между твердым раствором и карбидами (Сг7С3, Сг2зС6).

5. Коррозионная стойкость наплавленных покрытий существенно повышена по сравнению с металлом подложки и возрастает с увеличением толщины исходной, используемой для наплавки, пластины нержавеющей стали, что связано с увеличением среднего содержания хрома в твердом растворе. Кривые потери массы наплавленных слоев в агрессивных средах носят стадийный характер. Наплавка карбидов хрома на нержавеющую сталь при незначительном уменьшении коррозионной стойкости обеспечивает увеличение твердости и износостойкости поверхностного слоя в 3 раза за счет образования карбидной эвтектики.

6. При электронно-лучевой наплавке порошковых смесей карбида хрома и хрома на низкоуглеродистую сталь СтЗ в поверхностных слоях протекает дендритно-ячеистая кристаллизация, что приводит к формированию покрытий со структурой сплава доэвтектического типа, состоящего из зерен аустенита и эвтектической смеси твердых фаз, в основном карбидов Сг7С3 и Сг23С6. Присутствует некоторое количество соединений (СгС, Сг3С2 и FeCr), характеризующих неравновесность структуры наплавленного металла. Значения твердости возрастают с увеличением объемной доли эвтектики - содержания порошка карбида в наплавочной смеси.

7. Корреляции между значениями твердости и износостойкости нет. С увеличением твердости износостойкость может как увеличиваться, так и уменьшаться. Это связано с тем, что увеличение объемной доли эвтектики целесообразно лишь до определенных пределов ~ 40%. Дальнейший рост числа карбидов и их чрезмерное количество (двухслойные покрытия) приводит к выкрашиванию твердых частиц и падению износостойкости, несмотря на увеличение твердости.

8. Коррозионная стойкость слоев наплавки существенно выше коррозионной стойкости подложки стали СтЗ и возрастает при

151 дополнительном введении в наплавляемую смесь порошка чистого хрома, ответственного за коррозионную стойкость, увеличении соотношения компонентов Сг/С и содержания хрома в твердом растворе. После выдержки более 5й часов в концентрированной азотной кислоте кривые потери массы выходят на насыщение.

9. Оптимальное сочетание износостойкости и коррозионной стойкости в бифункциональных покрытиях на стали СтЗ может быть получено однослойной наплавкой порошковых смесей на основе Сг3Сг и Сг в весовом соотношении 2:1. Износостойкость понижается при нанесении двухслойных покрытий или при отношении Сг3С2/Сг=1, что связано с избыточным или недостаточным количеством карбидов в структуре слоя.

10. Наплавка в пучке релятивистских электронов имеет ряд преимуществ перед электрошлаковой наплавкой, обеспечивая образование более однородных слоев, плавно переходящих в материал основы. Большая мощность электронного излучения позволяет достигать скорости охлаждения на 2 - 3 порядка выше, чем при электрошлаковой наплавке, что приводит к формированию ультрадисперсных структур и существенному увеличению твердости и износостойкости.

1. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

2. Strutt Р.В. A comparative study of electron beam and laser melting of M2 tool steel // Materials Science and Engineering. 1980. - № 44. - P. 239-250.

3. Шур E.A., Воинов C.C., Клещева И.И. Повышение конструкционной прочности сталей при лазерной закалке // Металловедение и термическая обработка металлов. 1982. - №5. - С. 36-38.

4. Медведовская А.А., Шур Н.Ф. Оборудование и технология лазерной термической обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. 1983. - №4. - С. 17-28.

5. Крапошин B.C. Термическая обработка стали и сплавов с применением лазерного луча и прочих прогрессивных видов нагрева. Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: ВИНИТИ. - 1987. - Т.21. - С. 144-206.

6. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

7. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки. М.: Высшая школа, 1987. - 191 с.

8. Брагинская А.Е., Манин А.П., Македонский А.В. и др. Изменение износостойкости инструментальных сталей при электронном облучении // Физика и химия обработки материалов. 1983. - №1. -С. 8-12.

9. Мачурин Е.С., Алексеев Г.И., Фаробин А.Г. и др. Влияние мощного электронного облучения на структуру и свойства сталей и сплавов // Физика и химия обработки материалов. 1986. - №5. - С. 26-29.

10. Булавски М., Фридель К. Электронно-лучевое упрочнение стали 40Х // Тез. докл. «Международной конференции по электроннолучевым технологиям». София, 1985. - С. 326-331.

11. Шипко А.А. Упрочнение титановых сплавов и среднеуглеродистых конструкционных сталей с использованием электро- и электроннолучевого нагрева. Минск: Ред. ж. «Изв. АН БССР. Сер. Физ - техн. наук», 1986. - 21 с.

12. Поболь И.Л. Электронно лучевая термообработка металлических материалов. Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: ВИНИТИ, 1990. - Т.24. - С. 99-166.

13. Шульга А.А. Электронно лучевая обработка подшипниковых сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. -1992.-№7.-С. 13-17.

14. Лазарев В.Н., Мешков И.Н., Александрова Н.М., Щербицкий Г.В. Упрочнение поверхности стали марки СтЗ пучком электронов в атмосфере // Тез. докл. 6 Всес. сов. «Применение ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве». Ленинград, 1988. - С. 89-90.

15. Коноплева Е.В., Голковский М.Г., Абрашов О.В., Вайсман А.Ф. Модифицирование поверхностных слоев низкоуглеродистых легированных сталей концентрированным электронным пучком в атмосфере // Изв. АН СССР. Металлы. 1990. - №4. - С. 71-76.

16. Вайсман А.Ф., Вассерман С.Б., Вейс М.Э., Голковский М.Г., Лазарев В.Н., Мешков И.Н., Салимов Р.А. Способ поверхностноготермического упрочнения стальных изделий. Заявка № 4450512 от 16 мая 1988г., авт. свид. SU 1548218.

17. Голковский М.Г., Корчагин А.И., Куксанов H.K., Лаврухин A.B., Салимов Р.А., Фадеев С.Н. Некоторые прикладные аспекты использования выведенного в атмосферу интенсивного сфокусированного электронного пучка // Наука производству. -2003.-№7.-С. 18-22.

18. Knapp I.A., Follstaedt D.M. Pulsed electron beam melting of Fe // Laser and electron beam Interaction with Solids. Sandia: Elaevier Science Publishing Company, 1982. - P. 407 - 412.

19. Горбунов В.А., Куксанов Н.К., Салимов Р.А., Скринский А.Н., Черток И.Л. Особенности нагрева металлической пластины неразвернутым пучком электронов с энергией 800 1500 кэВ мощностью до 70 кВт // Сварочное производство. - 1974. - №2. - С. 11-17.

20. Горбунов В.А., Куксанов Н.К., Салимов Р.А., Скринский А.Н., Фадеев С.Н. Сварка некоторых материалов электронным пучком, выведенным в атмосферу // Сварочное производство. 1987. -№11. - С. 2-4.

21. Похомова Н.А., Артингер И., Банных О.А., Ермишкин В.А. Структурные изменения в стали Р6М5 при поверхностном оплавлении электронным лучом // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. - №19. - С. 13-15.

22. Радченко М.В., Пильберг С.Б. Микроструктура сплавов, быстро закристаллизованных после электронно лучевого поверхностного оплавления // Изв. СО АН СССР. Серия технич. наук. - 1989. -Вып.1. - С. 130-132.

23. Шульга А.А. Электронно лучевая обработка подшипниковых сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1992.-№7.- С. 13-17.

24. Artinger I., Korach М. Local melting by electron beam of high speed tool steels // Mater.3rd IF-MI Int. Congr. Heat Tread, Shanghai, 7-11 Nov. 1983. - Shanghai, 1983. - P. 8/16 - 8/24.

25. Levis B.G., Strutt P.B. Practical Implications of Electron Beam Surface Melting // Journal of Metals. - 1982. - №11. - P. 37—40.

26. Гнюсов С.Ф., Тарасов С.Ю., Иванов Ю.Ф., Ротштейн В.П. Влияние импульсного электронно лучевого плавления на микроструктуру и триботехнические свойства твердого сплава WC - сталь 110Г13 // Физика и химия обработки материалов. - 2003. - №4. - С.19-27.

27. Малинов Л.С., Харланова Е.Я., Зареченский А.В., Нечай А.А., Миненко И.В. Свойства поверхностных слоёв марганцовистых сталей после электронно — лучевой обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. 1995. — №12. - С. 6-9.

28. Александрова Н.М., Щербинский Г.В., Старостенко И.В., Скобло Т.С. Структура хромоникелевого чугуна после обработки электронами высокой энергии // Металловедение и термическая обработка металлов. 1990. - №7. - С. 32-34.

29. Seong Choo, Sunghak Lee and Soon Ju Kwon. Surface hardening of a gray cast iron used for a diesel engine cylinder block using high - energy electron beam irradiation // Metallurgical and materials transactions. -1999.-Vol. 30A.-P. 1211-221.

30. Васильев В.Ю., Демидов Б.А., Кузьменко Т.Г. и др. Образование аморфной структуры в сплавах на основе железа при обработке поверхности сильноточным пучком электронов // ДАН СССР. -1983.-№3.-С. 605-607.

31. Поболь И.Л. Электронно лучевая термообработка металлических материалов // Итоги науки и техники ВИНИТИ. Сер.'"Г, Опас1. НКМК'Шл -С" '

32. Получены следующие данные по механическим свойствам упрочненного слоя: Данные по закалке:

33. Для стали 50 НУ 2,5 ГПа, Ки - 1,06.1. Данные по наплавке:режима Толщина наплавленного слоя 1, мм Твердость наплавленного слоя, HV, ГПа Износостойкость, Ки1 1,62 4,75 8,142 ■ 1,5 3,8 2,473 1,6 5,7 2,654 1,4 5,2 8,775 2,18 7 4,07

34. Для стали СтЗ сп. HV 1,8 ГПа, Ки - 0,66.

35. Оба способа упрочнения обеспечивают формирование однородных по толщине слоев с полным отсутствием трещин, раковин, микропор, неметаллических включений и используются для упрочнения валков прокатных станов.

36. Начальник листопрокатного цеха > -/ Абрамов А.А.1. ОАО «НКМК» ' '