автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Формирование структуры и триботехнические свойства покрытий на основе стали 10Р6М5, полученных многопроходной электронно-лучевой наплавкой

У "15-5/7^1)

На правах рукописи

-Л

ИГНАТОВ АНДРЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СТАЛИ 10Р6М5, ПОЛУЧЕННЫХ МНОГОПРОХОДНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКОЙ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гнюсов Сергей Федорович

Официальные оппоненты:

Буров Владимир Григорьевич, профессор, доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет», профессор кафедры «Материаловедение в машиностроении»

Радченко Михаил Васильевич, профессор, доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова», заведующий кафедрой «Малый бизнес в сварочном производстве имени лауреата Ленинской премии В.Г. Радченко»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Защита состоится «02» октября 2015 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.038.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) по адресу 634055, г. Томск, пр. Академический, 2/4, e-mail: dvi@ispms.tsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ИФПМ СО РАН www.ispms.ru.

Автореферат разослан августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в промышленности остро стоит проблема создания многофункциональных износостойких покрытий для тяжелонагруженных пар трения, работающих в условиях высоких линейных скоростей и приложенных нагрузок при недостаточном количестве смазки или при полном ее отсутствии. Для решения данных задач активно применяются технологии, использующие концентрированные потоки энергии: плазменная, лазерно-лучевая, вневакуумная и вакуумная электронно-лучевая наплавки. Значительный прогресс достигнут в развитии наплавки методом вакуумной электронно-лучевой обработки.

Аустенитная и аустенитно-мартенситная структуры матрицы в композиционных покрытиях считаются наиболее благоприятными основами для износостойкого материала. Применение аустенитных сплавов основано на способности аустенита претерпевать фазовое превращение с образованием в поверхностном слое мартенситной структуры под действием высоких внешних нагрузок. Такие сплавы обладают высокой вязкостью и износостойким поверхностным слоем.

С точки зрения размера упрочняющих частиц, преимущество отдают их бимодальному (мультимодальному) распределению в объеме аустенитной или аустенитно-мартенситной матрицы. Многочисленные эксперименты показывают, что подобное распределение упрочняющих частиц обеспечивает высокую износостойкость по сравнению с нано- и микрозеренными покрытиями как при абразивном износе, так и в паре трения.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время для работы в тяжелонагруженных узлах трения применяются твердосплавные покрытия на основе карбидов вольфрама, титана и хрома. Эволюция их структуры и свойств изучена полно, начиная от процесса нанесения до процессов, протекающих в покрытиях во время изнашивания. Необходимо отметить, что применение такого рода покрытий сопряжено с рядом трудностей, в первую очередь, касающихся сохранения фазового состава при их нанесении. Перспективным материалом для использования в тяжелонагруженных узлах трения является быстрорежущая сталь. Существует множество работ, посвященных исследованиям литой быстрорежущей стали. Однако изучению покрытий на ее основе уделялось меньше внимания. Как правило, изучаются покрытия, нанесенные с помощью технологий, использующих лазерный луч или плазму. В предыдущих исследованиях был разработан оптимальный состав композиционного порошка «сталь 10Р6М5+20 вес.% \¥С» для электронно-лучевой наплавки в вакууме. На основе совмещения процессов наплавки и старения в одном технологическом цикле удалось получить в объеме упрочненного слоя однородную дисперсно-упрочненную структуру с мультимо-дальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам. Это обеспечило резкое повышение абразивной износостойкости данному композиционному покрытию. Однако вопрос о влиянии режима наплавки на количество остаточного

аустенита и карбидов в наплавленном покрытии на основе стали 10Р6М5 и его абразивную износостойкость остается открытым. Последнее в полной мере относится и к изучению характера изнашивания данных покрытий (сталь 10Р6М5 и «сталь 10Р6М5+20 вес.% WC») в паре трения с термообработанной сталью ШХ15 в широком интервале скоростей, нагрузок и температур.

Цель работы - установление взаимосвязи механизмов изнашивания наплавленных композиционных покрытий на основе быстрорежущей стали 10Р6М5 с режимами наплавки, исходной микроструктурой и ее эволюцией при трении при следующих условиях:

- незакрепленный абразив или пара трения со стальным контртелом, отсутствие смазки;

- интервал скоростей 1,2 - 3,6 м/с;

- интервал нагрузок 20- 100 Н;

- температура до 200°С.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить влияние толщины образцов основного металла (5...40 мм), изготовленных из малоуглеродистой стали, на структурно-фазовый состав упрочненного слоя при многопроходной электронно-лучевой наплавке порошком стали 10Р6М5;

2. Провести испытания на абразивный износ (кварцевый песок и электрокорунд) и оценить роль остаточного метастабильного аустенита и наличия дисперсных вторичных карбидов в повышении износостойкости покрытий на основе стали 10Р6М5;

3. Провести испытания пар трения сталь 10Р6М5 - сталь ШХ15 и «сталь 10Р6М5+20% WC» - сталь ШХ15 при отсутствии смазки в широком интервале скоростей и нагрузок;

4. Изучить эволюцию структурно-фазового состояния покрытий в ходе изнашивания покрытий в паре трения со сталью ШХ15 в широком интервале скоростей скольжения и нагрузок;

5. Исследовать покрытия после промышленных испытаний и дать оценку их работоспособности.

Научная новизна работы

1. Установлено, что в процессе многопроходной вакуумной электроннолучевой наплавки нагрев ранее наплавленного металла с повышением температуры в каждом последующем проходе от -100 до 850°С в зависимости от толщины заготовки основного металла (5...21 мм) позволяет регулировать в широких пределах объемную долю вторичного карбида и остаточного аустенита матрицы, причем максимальному количеству остаточного аустенита (-25...30% об.) соответствует максимальное количество вторичного карбида (-7.5% об.).

2. Показано, что с ростом количества остаточного аустенита в покрытиях на основе стали 10Р6М5 их абразивная износостойкость повышается за счет частичного у—»а' - мартенситного превращения при трении и наличия мульти-модального распределения карбидов в объеме зерен матрицы.

3. Установлены причины катастрофического изнашивания при скоростях скольжения 2,4 и 3,6 м/с и нагрузке в интервале 40...60 Н; установившегося износа — при тех же скоростях скольжения в интервале нагрузок 20...40 Н и 60... 100 Н в паре трения сталь 10Р6М5 - сталь ШХ15.

4. Показано, что для пары трения «сталь 10Р6М5+20% \УС» - сталь ШХ15» значительное снижение интенсивности изнашивания обусловлено одновременным увеличением объёмных долей карбидной фазы и остаточного ау-стенита матрицы.

Научная и практическая значимость работы

Научная значимость определяется тем, что в ходе работы было выявлено влияние многопроходной вакуумной электронно-лучевой наплавки на объемную долю вторичного карбида и остаточного аустенита матрицы получаемых покрытий, которые определяют их абразивную износостойкость и работоспособность в паре трения с термообработанной сталью ШХ15. Для пары трения «сталь 10Р6М5+20% \УС» - сталь ШХ15» значительное снижение интенсивности изнашивания обусловлено одновременным увеличением объёмных долей карбидной фазы и остаточного аустенита матрицы.

Практическая значимость состоит в том, что предложена технология многопроходной вакуумной электронно-лучевой наплавки, обеспечивающая формирование мультимодального распределения упрочняющих частиц по размерам в мартенситно-аустенитной матрице и повышение износостойкости покрытий на основе стали 10Р6М5 при абразивном износе частицами кварцевого песка и электрокорунда. Обоснована возможность и перспективность применения наплавленных покрытий на основе стали 10Р6М5 для упрочнения опорных шеек вал-шестерен высоконагруженных редукторов в ООО «Томскнефтехим» с увеличением ресурса их работы до 17 раз.

На защиту выносятся следующие положения

1. Микроструктурное обоснование температурно-временного режима че-тырехпроходной наплавки (1 проход - Ю0...500°С; 2 проход - 200...650°С; 3 проход - 350...800°С; 4 проход - 450...850°С, время цикла в одном проходе (наплавка + охлаждение) 180 с), обеспечивающего возможность регулирования в широких пределах объемной доли вторичных карбидов и остаточного аустенита матрицы в покрытиях на основе стали 10Р6М5.

2. Взаимосвязь немонотонного характера интенсивности изнашивания со структурно-фазовым состоянием композиционного покрытия на основе стали 10Р6М5 при работе в паре трения со сталью ШХ15 в интервале скоростей скольжения 1,2 - 3,6 м/с и нагрузок 20- 100 Н.

3. Обоснование выбора количества карбида вольфрама в покрытии, при введении которого в исходный порошок наплавляемой стали 10Р6М5 обеспечивается уменьшение интенсивности изнашивания композиционного покрытия в 2...3 раза и линейный ее рост с нагрузкой в паре трения со сталью ШХ15 по сравнению с покрытием на основе стали 10Р6М5.

Работа выполнена при поддержке: 1. Проекта «Наука» Государственного задания Минобрнауки РФ на проведение научно-исследовательских работ ТПУ №8.3664.2011 «Разработка нового

класса композиционных покрытий с метастабильными, мультимодальными структурами и их влияние на закономерности и механизмы износа» (2012-2013 гг.).

2. Проекта «Наука» Государственного задания Минобрнауки РФ на проведение научно-исследовательских работ ТПУ №01201459041 «Особенности формирования структурно-фазового состава нового класса многофункциональных композиционных покрытий при использовании различных источников концентрированных потоков энергии и его влияние на закономерности и механизмы износа» (2014 г.).

3. Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме: «Разработка экспериментальных конструкций комбинированного инструмента с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород» (Соглашение №14.607.21.0028 от 05.06.2014г.).

Работа выполнена на экспериментальном оборудовании ТПУ, центров коллективного пользования Томского государственного университета и Федерального государственного бюджетного учреждения науки ИФПМ СО РАН.

Личный вклад автора состоит в получении результатов, изложенных в диссертации, системном анализе и отборе необходимых литературных данных в рамках заявляемой темы, подготовке образцов для исследований и промышленных испытаний еще на этапе обучения в бакалавриате и магистратуре, проведении экспериментов на изнашивание незакрепленным абразивом и трение в паре с термообработанной сталью ШХ15, обобщении и анализе полученных результатов, формировании выводов и положений, написании статей по теме научной работы.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач, применением комплекса современных методов исследования, большим объемом экспериментальных данных, повторяемостью основных выявленных закономерностей.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезо-механике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (Томск, 2008); «Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов» (Томск, 2009); Международной научно-технической конференции «Славяновские чтения» (Липецк, 2009); Научно-технической конференции «Трибология-Машиностроению» (Москва, 2010); «The 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010); V Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2011); «The 25th International Symposium on discharges and Electrical insulation in vacuum» (Томск, 2012); Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (Томск, 2013); XVII Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск,

2013); Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем: моделирование, эксперимент, приложения» (Томск, 2014); «The 12th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2014).

Публикации. Результаты работы опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 7 статьях в рецензируемых (отечественных и международных) журналах из перечня ВАК РФ.

Объем и структура диссертационной работы. Текст диссертации состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка литературы, включающего 237 наименований, и приложения. Всего 127 страниц, в том числе 38 рисунков, 3 формулы и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы, научная новизна, научная и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, и представлена структура диссертации.

В первом разделе приведен анализ литературы, посвященной изучению факторов, влияющих на износостойкость упрочняющих покрытий, особенностей микроструктур данных покрытий и условий изнашивания. Особое внимание уделено изучению работ о влиянии микроструктуры покрытий на износостойкость при абразивном износе и в паре трения при различных условиях работы. На основе обзора литературных данных сформулированы цели и задачи исследования.

Во втором разделе описаны основные характеристики исследуемых материалов и технологический процесс формирования поверхностно упрочненных слоев. Наплавку проводили на пластины размером 30x250 мм, изготовленных из стали 20 (толщина основного металла — подложки изменялась от 5 до 40 мм). Число проходов электронного луча было равно 4. Для наплавки использовались промышленный порошок быстрорежущей стали 10Р6М5 и композиционный порошок «сталь 10Р6М5 + 20 вес.% WC» дисперсностью 50...350 мкм.

Для анализа структурных преобразований в упрочненных слоях использовались методы оптической (Olympus GX 51, снабженный анализатором SIAMS 700), растровой (Philips SEM 515, снабженный микроанализатором EDAX ECON IV), ионно-электронной (Quanta 200 3D, снабженный микроанализатором «Genesis 2000» фирмы EDAX) и просвечивающей электронной (Technai G2 FEI, снабженный микроанализатором) микроскопии, рентгеноструктурного анализа (рентгеновский дифрактометр ДРОН-7 в фильтрованном Сокогизлучении). Для изучения параметров шероховатости после испытаний на износ использовался сканирующий интерференционный микроскоп ZYGO NewView 7300 и бесконтактный про-филометр MicroMeasure 3D Station. Измерения микротвердости проводили на приборах ПМТ-3 и HVS1000. Для определения абразивной износостойкости использовался метод «Испытание материалов на абразивное изнашивание при трении о нежесткозакрепленные абразивные частицы» (ГОСТ 23.208-79). Абразивом служили кварцевый песок и электрокорунд. Испытания на трение проводились на

машине трения СМТ-20 с использованием схемы «колесо-две плоские колодки» (контртело из закаленной стали ШХ15) при ступенчатом повышении скорости и нагрузки в условиях трения без смазки.

В третьем разделе приведены результаты исследования влияния последовательности многопроходной вакуумной электронно-лучевой наплавки на структурно-фазовое состояние покрытий на основе стали 10Р6М5 и особенностей изнашивания незакрепленным абразивом данных покрытий частицами кварцевого песка и электрокорунда.

На основе измерений определены кривые изменения температуры основного металла во время процесса электронно-лучевой наплавки каждого из четырех проходов (время цикла: один проход наплавки 90 с + время охлаждения 90 с) для всех толщин подложек, рисунок 1,а. Это позволило построить зависимость температуры, достигаемой в процессе четырехпроходной ЭЛН, от толщины основного металла, рисунок 1,6.

а б

Рисунок 1 - Изменение температуры основного металла (толщина подложки 15 мм) от числа проходов электронного луча (а) и от его толщины (б) после 4 проходов при ЭЛН порошком стали 10Р6М5.

Основываясь на данных анализа термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита [Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-растворах сплавов титана. Справочник термиста / Попова Л.Е., Попов А.А. -М.: Металлургия, 1991, 503с.] можно предположить, что в наплавленных покрытиях, подложка которых прогревалась выше 500°С, происходит наибольшее выделение дисперсных вторичных карбидов из аустенитной матрицы. Выше температур 500°С нагревались подложки толщиной до -25 мм, рисунок 1,6.

Химический состав наплавленного слоя, % вес: Ре; 5,94 IV; 1,35 V; 4,0 Сг; 5,37 Мо. Упрочняющая фаза в покрытиях представлена карбидами М6С, УС и М2С, рисунки 2 и 3, таблица. Карбид М6С - это сетчатый эвтектический карбид по границам зерен твердого раствора со средним размером 3,8 мкм {рисунки 2,а и 3,а) и объемной долей -10,5%. Карбид ванадия представлен отдельными округлыми выделениями (светлые частицы) в основном расположенными вблизи эвтектических карбидов типа М(,С, рисунок 2,6. Средний размер частиц карбида ванадия

Ме2С[120]

Рисунок 2 - Микроструктура наплавки, сформированная на образцах основного металла толщиной 21 мм, а- (РЭМ), б- (ОМ), в-д - (ПЭМ), д - картина и схема микродифракции карбида типа М2С, соответствующая снимку г (цифра 3); вклейка на (в) -темнопольное изображение ультрамелкодисперсных частиц в матрице, полученное в совмещенном рефлексе а - фазы и частиц

Таблица - Результаты МРСА покрытий в точках, обозначенных на рис. 2,в,г.

№ точки Фаза Химический состав, % вес.

V Сг XV Мо Бе

1 М6С (эвтектический) 27 2.8 44.6 18.3 остальное

2 М2С (вторичный) 7 6.1 54.9 25.3 остальное

3 М2С (вторичный) 6.6 5.4 55.1 25.8 остальное

4 матрица 1.1 3 10.8 5.9 остальное

5 матрица 0.9 2.9 10.2 6.5 остальное

сЦср =3.8 мкм сп= 2.0 МКМ

20

ы, %

16 12

-с

к.

<тп = 0.36 мкм

Т----------------г— ■[ - I-I

1 2 4 мкм 3

б

N

10

20

30 Ь, мм 40

Рисунок 3 - Распределение эвтектических карбидов (с^ср) по размерам (а), распределение частиц карбида ванадия (ё2Ср) по размерам (б) и объемная доля дисперсных карбидов М2С (ё3ср) в зависимости от толщины образцов основного металла (б)

равен 0,65 мкм (рисунок 3,в), а их объемная доля не превышает 0,9%. Третий морфологический тип карбидов, по данным просвечивающей электронной микроскопии, — это вторичные вытянутые дисперсные карбиды типа М02С, имеющие упорядоченную гексагональную решетку, рисунок 2,г,д (см. наличие дополнительных сверхструктурных рефлексов). Их средний размер в радиальном направлении Ьр = 1,35 мкм, в тангенциальном - Ц = 0,35 мкм. В дальнейшем в работе они обозначаются как дисперсные вторичные карбиды с1зф = 0,35 мкм. Наибольшее количество (7,5%) дисперсных карбидов М2С выделяется в упрочненном слое, нанесенном на образцы основного металла толщиной до ~18 мм, которые в ходе наплавки прогревались до температур интенсивного их выделения (~600...700°С, рисунок3,в). В таблице представлены данные химического состава структурных составляющих покрытия в точках, обозначенных на рисунке 2,в,г. Анализ представленных данных свидетельствует о существенном уменьшении доли ванадия в составе вторичных карбидов М2С по сравнению с эвтектическими карбидами.

Матрица в покрытии находится в двухфазном состоянии (мартенсит и аустенит). В мартенситных ламелях однородно распределена ультрамелкодисперсная карбидная фаза {рисунок 2в, вклейка), идентифицировать которую не удается, поскольку рефлексы от данной фазы ложатся на рефлексы а-мартенсита. В зависимости от толщины образцов основного металла объемная доля мартенсита изменяется по

кривой с минимумом {рисунок 4), причем максимальному количеству остаточного аустенита (-25...30% об.) соответствует максимальное количество вторичного карбида М2С.

По результатам испытаний на абразивный износ установлено, что зависимость изменения коэффициента относительной износостойкости от объемного содержания мартенсита в матрице имеет явный минимум, рисунок 5, а. Повышение износостойкости левее минимума связано с увеличением количества остаточного аустенита матрицы и с наличием мультимодального распределения карбидных частиц по размерам. Рост износостойкости правее минимума, вероятнее всего, связан с увеличением общего количества твердых составляющих в наплавленном покрытии. При чисто абразивном износе, когда в качестве абразива используется кварцевый песок с твердостью 7,8... 10,8 ГПа износостойкость таких покрытий растет. В случае использования в качестве абразивных частиц электрокорунда с твердостью 20.. .22 ГПа рост износостойкости правее минимума не наблюдается, рисунок 5,6.

В интервале толщин образцов основного металла 13...21 мм наблюдается прирост количества а'-фазы в приповерхностном слое (10 мкм) покрытия после испытаний на абразивный износ с -4 до -14% обрисунок 6,а. Глубина слоя с у—>а' - превращением и субструктурными изменениями в исходных фазах не превышает 50 шал, рисунок 6,6.

100 г

о 10 20 30 Ь, мм 40 Рисунок 4 - Изменение количества мартенсита в общем объеме матрицы в зависимости от толщины основного металла

а б

Рисунок 5 - Изменение коэффициента относительной износостойкости от объемной доли мартенсита матрицы; а- кварцевый песок, б- электрокорунд

Ни. МПа

лс/.,%

16

10000 - •

12

4

8

9000 8500

9500

2

0

8000

О

10

20 30 11. им 40

О

100 X. ыкм 200

а

б

Рисунок 6 - Влияние толщины образцов основного металла на прирост количества а'-фазы (а) и изменение микротвердости (б, кривая 2) в приповерхностном слое покрытия после испытаний на износ; 1 - исходная микротвердость покрытия

Четвертый раздел посвящен результатам исследования особенностей изнашивания композиционных покрытий на основе стали 10Р6М5 и композиции «сталь 10Р6М5 + 20% АМС» в трибоконтакте со сталью ШХ15 в интервале скоростей скольжения 1,2...3,6 м/с, нагрузок 20... 100 Н и температур до 200°С, а также результатам проведенных промышленных испытаний покрытия на основе стали

Увеличение нагрузки для скорости скольжения 1,2 м/с практически не приводит к изменению интенсивности изнашивания покрытия на основе стали 10Р6М5, и она максимальна по сравнению со скоростями скольжения 2,4 и 3,6 м/с, кроме скорости скольжения 3,6 м/с и нагрузки 100 Н, при которых интенсивность изнашивания данного покрытия максимальна, рисунок 7,а, кривая 1. Для скоростей скольжения 2,4 и 3,6 м/с зависимости интенсивности изнашивания от нагрузки близки друг к другу и носят более сложный характер, рисунок 7а, кривые 2 и 3. В интервале нагрузок 20.. .40 Н интенсивность изнашивания минимальна для данного покрытия. С ростом нагрузки до 60 Н она резко возрастает (в -4,5 раза), далее до 100 Н практически не меняется, и только для скорости скольжения 3,6 м/с и нагрузке 100 Н она вновь возрастает (на -70%, кривая 3).

Таким образом, на основе полученных экспериментальных результатов можно выделить два участка с установившейся интенсивностью изнашивания (см. сплошные линии на рисунке 7,а) на уровне 0,1 и 0,4 мм3/км. Структура поверхности трения покрытий сталь 10Р6М5 после испытаний при малых нагрузках представлена в основном в виде областей светлого цвета и небольшого количества отдельных темно-серых участков, вытянутых в направлении скольжения. По данным рентгеноструктурного анализа, слой темно-серого цвета (рисунок 7,6) представляет собой оксид РеО.

При скорости скольжения 1,2 м/с и нагрузках 20 и 40 Н остаточный аустенит матрицы претерпевает заметное (40.. .50 %) у—>а'- мартенситное превращение

10Р6М5.

7, мм-7км

(рисунок 8, кривая 1), а далее с увеличением нагрузки содержание остаточного ау-стенита находится на уровне его исходного значения (-23,6 %).

Аналогичное у—»а'- мартенситное превращение наблюдается и при увеличении скорости скольжения до 2,4 м/с в т интервале нагрузок 20...40 Н, и скоро-

• _1-» сти 3,6 м/с при нагрузке 20 Н. Далее с

л Т Л увеличением нагрузки для этих скоро-^? I стей за счет роста температуры в трибо-

// " 1 контакте наблюдается обратное а—>у -

* у превращение (рисунок 8, кривые 2 и 3).

Быстрое охлаждение тонкого при-20 40 ео во ан 100 контактного слоя покрытия позволяет

сохранить в нем до 55% аустенита от общего объема матрицы при скорости

■ скольжения 3,6 м/с и нагрузке 60...100 Н.

На основании вышеизложенного эволюцию структурно-фазового состава приповерхностного объема покрытия сталь 10Р6М5, непосредственно прилегающего к контактной поверхности, можно представить с помощью следующей схемы, рисунок 9. б I этап -рисунок 9,а (минимальная

Я установившаяся интенсивность изнашивания, рисунок 7,а). В интервале нагрузок 20...40 Н покрытие сохраняет структуру исходного материала, рисунок 2, а. Остаточный аустенит матрицы претерпевает заметное у—>а'- мартенситное превращение. Степень этого превращения уменьшается с увеличением скорости скольжения, рисунок 8. В небольшом количестве присутству-

Рисунок 7 - Зависимость интенсивности ют отдельные темно-серые участки

изнашивания от скорости скольжения и на- оксида РеО, вытянутые вдоль направ-грузки для покрытия сталь 10Р6М5 (а); ТЛ

скорость скольжения: 1 - 1,2, 2 - 2,4 и 3 - ления скольжения. Количество таких

3,6 м/с; и микроструктура (РЭМ) поверх- участков имеет тенденцию к увеличе-ности трения данного покрытия; 6 - (60 Н,

2,4 м/с)|в-(100Н, 3,6 м/с) нию с ростом нагрузки и скорости

скольжения рисунок 7,6.

Для данного этапа характерны следы нормального абразивно-окислительного изнашивания.

II этап - рисунок 9,6 (резкое повышение интенсивности изнашивания, рисунок 7,а). Увеличение нагрузки до 60 Н для скоростей скольжения 2,4 и 3,6 м/с приводит к развитию обратного а—>у -превращения и, следовательно, увеличению пластичности матрицы (рисунок 8, кривые 2 и 5). Это способствует разрушению сетки эвтектических карбидов на отдельные частицы, одна часть из которых удаляется в продукты износа, а другая часть перемешивается со связующей фазой и оксидом БеО, что служит

20 40 60 80 Р,Н 100

Рисунок 8 - Влияние скорости скольжения и нагрузки при трении на количество аустенита в приконтактном слое покрытия на основе стали 10Р6М5; скорость скольжения: 1 - 1,2, 2 - 2,4 и 3 - 3,6 м/с; 4 - исходное содержание аустенита в покрытии.

а 6 в г

Рисунок 9 - Схема эволюции структурно-фазового состава приповерхностного объема покрытия сталь 10Р6М5 в процессе трения в контакте со сталью LUX15.

начальным этапом формирования микрокомпозитной структуры, ее окислению и удалению окислов с трибоконтакта. Для данного этапа характерно преобладание окислительного изнашивания.

III этап - рисунок 9,в,г (установившаяся интенсивность изнашивания, рисунок 7,а). В интервале нагрузок 60...80 Н за счет интенсивного перемешивания отдельных частиц карбидов М6С с матрицей и (или) оксидом FeO формируется микрокомпозитная структура приповерхностного объема и протяженных участков трибологического слоя, рисунок 7,6. Толщина слоя с микрокомпозитной структурой не превышает 5...6 мкм, а трибологического слоя - 0,7 мкм. Обратное а—»у превращение в матрице для скоростей скольжения 2,4 и 3,6 м/с обеспечивает сохранение аустенита на уровне ~35 и ~55 об. % соответственно, рисунок 8, кривые 2 и 3. Это стабилизирует интенсивность изнашивания в данном интервале нагрузок. Увеличение нагрузки до 100 Н способствует росту температуры в трибоконтакте, особенно для скорости скольжения 3,6 м/с и, следовательно, толщины трибологического слоя. Он начинает частично отслаиваться от покрытия, растрескиваться и удаляться в продукты износа (рисунок 7,в), что

приводит к увеличению интенсивности изнашивания при увеличении скорости скольжения до 3,6 м/с.

Композиционные покрытия «сталь 10Р6М5+20% WC» в исследуемых интервалах скоростей скольжения и нагрузок показывают интенсивность изнашивания, не превышающую 0,348±0,038 мм3/км,рисунок 10,а. При увеличении нагрузки для скорости скольжения 1,2 м/с интенсивность изнашивания изменяется по кривой с максимумом, а при больших скоростях скольжения — линейно растет с нагрузкой и в 2...3 раза меньше по сравнению с покрытиями на основе стали 10Р6М5. Для всех исследуемых скоростей скольжения при нагрузке 100 Н интенсивность изнашивания практически одинакова.

25ЛУ *1010 Юигч

Рисунок 10 - Зависимость интенсивности изнашивания от скорости скольжения и нагрузки для покрытия «сталь 10Р6М5+\УС» (а); скорость скольжения: 1 - 1,2, 2 - 2,4 и 3 - 3,6 м/с, и микроструктура поверхности трения; б- 1,2 м/с, 60 Н, в - 2,4 м/с, 60 Н; г - 2,4 м/с, 80Н

При скорости скольжения 1,2 м/с и нагрузках 20...80 Н сплошной трибо-логический слой не формируется. На поверхности трения присутствуют только отдельные участки оксидов, количество которых с ростом нагрузки увеличивается, и при 100 Н формируется тонкая сетка из этих оксидов, что приводит к уменьшению интенсивности изнашивания, рисунок 10,а, кривая 1. При нагрузках 20...40 Н микроструктура поверхности трения полностью соответствует микроструктуре исходного материала. В интервале нагрузок 60...80 Н начинает частично разрушаться эвтектическая сетка карбидов по границам зерен {рисунок 10,6, область II) с формированием структуры равноосных карбидов в мат-

рице. Неразрушенные участки материала с эвтектическими древовидными карбидами остаются гладкими и сохраняют свою работоспособность {рисунок 10,6, область I).

С увеличением скорости скольжения до 2,4 м/с эвтектические древовидные карбиды сохраняются при нагрузке до 60 Н {рисунок 10,в) и только при 80 Н они полностью распадаются на равноосные мелкие частицы, равномерно распределенные в матрице,рисунок 10,г, зона И. При 80... 100 Н наряду с мелкими карбидами формируются конгломераты крупных карбидов, рисунок 10,г, зона III. Темно-серые участки трибологического слоя (рисунок 10,г, зона I), вытянутые вдоль направления скольжения, начинают формироваться уже при 20 Н, и занимаемая ими площадь контакта достигает к 100 Н при скорости 2,4...3,6 м/с 40...60%. В зависимости от профиля поверхности контакта участки оксидного слоя либо плотно связаны с поверхностью, либо постепенно отслаиваются от нее и растрескиваются поперек направления скольжения.

В приповерхностном слое композиционного покрытия «сталь 10Р6М5+20% WC» для скоростей скольжения 1,2 и 2,4 м/с во всем интервале исследуемых нагрузок объемная доля аустенита сохраняется на уровне исходного количества (87%). Только для скорости 3,6 м/с и нагрузки 80... 100 Н наблюдается уменьшение количества аустенита на -10%.

На основании вышеизложенного эволюцию структурно-фазового состава приповерхностного объема композиционного покрытия «сталь 10Р6М5+20% WC», непосредственно прилегающего к контактной поверхности, можно представить с помощью схемы, изображенной на рисунок 9,в.

Особенностью композиционного покрытия «сталь 10Р6М5+20% WC» по сравнению с покрытием на основе стали 10Р6М5 является то, что доля мелкозернистых выделений эвтектического карбида МбС по границам зерна с размером с/]Ср = 5,9 мкм увеличивается до -15%, внутри зерен уже в процессе многопроходной наплавки формируется микрокомпозитная структура, представляющая собой частицы карбида VC (d2cp = 0,65 мкм, 0,9%) и частицы вторичного карбида типа М2С (d3cp=0,35 мкм, 10%) в аустенитно-мартенситной матрице. Причем количество аустенита в общем объеме матрицы составляет 80.. .87%.

Подобная структура в покрытии на основе стали 10Р6М5 формируется только в ходе изнашивания при нагрузках 60... 100 Н и скоростях скольжения 2,4 и 3,6 м/с, рисунок 7,6. Это становится возможным за счет разрушения сетки эвтектических карбидов и частичного обратного у—»а превращения. При этом содержание аустенита от общего объема матрицы обеспечивается только на уровне -35 и -55 об.% при скоростях скольжения 2,4 и 3,6 м/с, соответственно.

Одновременное увеличение объёмных долей карбидной фазы и остаточного аустенита матрицы в композиционном покрытии «сталь 10Р6М5+20% WC», еще на этапе его формирования, обеспечивает ему значительное сниже-

ние интенсивности изнашивания и линейный ее рост во всем интервале исследуемых нагрузок и скоростей скольжения 2,4 и 3,6 м/с.

Описаны промышленные испытания вал-шестерен с покрытием на основе стали 10Р6М5, работающих в тяжелонагруженных редукторах ООО «Томск-нефтехим». Особенностью данных вал-шестерен является то, что опорные шейки под игольчатые подшипники представляют собой внутреннее кольцо подшипников. Для наплавки опорных шеек вал-шестерен были проведены предварительные проточки на глубину 1 мм. Наплавку проводили по спирали с шагом 2 мм и длиной развертки луча 8 мм, что позволяло сформировать упрочненный слой толщиной 3...5 мм. После шлифовки на необходимый диаметр вал-шестерни были готовы для эксплуатации.

Оценку параметров шероховатости поверхности после годичных испытаний проводили бесконтактном профилометре MicroMeasure 3D Station на участке длиной 30 мм. Износ поверхности качения, согласно данным профиломет-рии, не превышает ~4 мкм. Предложенный способ наплавки и материал позволили увеличить ресурс работы вал-шестерни как минимум в 17 раз.

Общие выводы

1. Установлено, что в зависимости от толщины образцов основного металла (h = 5...40 мм) в условиях многопроходной наплавки в упрочненном слое на основе стали 10Р6М5 в карбидной подсистеме формируется мультимодальное распределение упрочняющих частиц по размерам: мелкозернистые выделения эвтектического карбида МбС с размером dlcp = 3,8 мкм, субмикрокристаллические выделения с размером частиц d2cp = 0,65 мкм (VC) и вытянутые выделения вторичного карбида М2С d3cp = 0,35 мкм {Lm~0,35 мкм, Lp=l,35 мкм), а в матрице присутствует максимальное количество остаточного аустенита (~25...30% от общего объема матрицы при h = 18 мм).

2. Установлено, что с ростом количества остаточного аустенита в покрытиях на основе стали 10Р6М5 их износостойкость повышается за счет у—>а'~ мар-тенситного превращения в трибологическом контакте и наличия дисперсных вторичных карбидов в объеме зерен матрицы независимо от типа применяемых абразивных частиц.

3. При анализе характера изнашивания в паре трения «сталь 10Р6М5 - сталь ШХ15» при скоростях скольжения 2,4 и 3,6 м/с обнаружены два интервала установившейся интенсивности изнашивания покрытия при нагрузках 20...40 и 60... 100 Н, и интервал катастрофического изнашивания при нагрузках 40...60Н.

4. По результатам проведенных испытаний для пары трения «сталь 10Р6М5+20% WC» - сталь ШХ15 установлено снижение интенсивности изнашивания композиционного покрытия в 2...3 раза по сравнению с покрытием на

основе стали 10Р6М5. Это обусловлено одновременным увеличением объёмных долей карбидной фазы и остаточного аустенита в матрице покрытия.

5. При скоростях скольжения 2,4 и 3,6 м/с интенсивность изнашивания композиционного покрытия линейно растет с нагрузкой, что в основном связано с развитием окислительного изнашивания и формированием практически сплошного трибологического слоя. Участки трибологического слоя начинают формироваться уже при 20 Н.

6. Упрочнение поверхностей качения вал-шестерней порошком стали 10Р6М5 с помощью электронно-лучевой наплавки по предложенному режиму позволяет уменьшить износ до 4 мкм после годовых промышленных испытаний и обеспечить продолжение безаварийной эксплуатации редуктора.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации: В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Гнюсов, С. Ф. Электронно-лучевая наплавка карбидосталей. III. Влияние числа проходов на структурно-фазовое состояние композиционных покрытий на основе стали Р6М5 / С. Ф.Гнюсов, В.Г.Дураков, К.С.Гнюсов, А.А. Игнатов, К.А.Толмачев // Сварочное производство. - 2009. - №7. - С. 18-23.

2. Гнюсов, С.Ф. Структура и износостойкость покрытий на основе стали Р6М5 / С.Ф.Гнюсов, А.А. Игнатов, В.Г.Дураков// ПЖТФ. - 2010. - Т. 36. -№16.-С. 19-23.

3. Гнюсов, С.Ф. Влияние термоциклирования при электронно-лучевой наплавке на структурно-фазовое состояние и износостойкость покрытий на основе стали Р6М5 / С.Ф.Гнюсов, А.А. Игнатов, В.Г.Дураков// Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. -№5.-С. 15-20.

4. Gnyusov, S.F. The effect of thermal cycling by electron-beam surfacing on structure and wear résistance of deposited M2 steel / S.F.Gnyusov, A.A. Ignatov, V.G.Durakov, S.Yu.Tarasov// Applied Surface Science. -2012. -Vol. 263. -P. 215-222.

5. Гнюсов, С.Ф. Особенности изнашивания композиционного покрытия на основе стали Р6М5 в трибоконтакте со сталью ШХ15 в широком интервале скоростей и нагрузок / С.Ф.Гнюсов, А.А. Игнатов, В.Г.Дураков// Известия Томского политехнического университета - 2013. -Т. 323. - №2. - С. 76-84.

6. Gnyusov, S.F. Electron Beam Cladding by HSS R6M5 Powder / S.F. Gnyusov, V.G. Durakov, A.A. Ignatov// IEEE Transactions on Plasma Science. -2013. -Vol.41. - №8. -P. 2196-2200.

7. Гнюсов, С.Ф. Повышение износостойкости покрытий тяжело-нагруженных деталей типа опорных шеек «вал-шестерня» / С.Ф.Гнюсов, А.А. Игнатов, В.Г.Дураков, А.Н.Хамматов // Справочник. Инженерный журнал. -2014.-№12.-С. 16-21.

15--954А

Отпечатано в «Томском ЦНТИ». 634021, г. Томск, пр. Фрунзе, 115/3. Тел.:44-40-50. ИНН 7709018297. Заказ № 608 от 2015 г. Тираж 100 экз.

2015673925

2015673925