автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Повышение износостойкости сталей методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки углеродсодержащих порошковых смесей

На правах рукописи

Лосинская Анна Андреевна

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ВНЕВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ

Специальность: 05.16.09 - материаловедение (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

* 2013

Новосибирск - 2013

005543158

нок 4). Во многих колониях встречаются дефектные (прерывистые) пластины цементита (рисунок 4 б). Это явление связано с напряжениями, возникающими на межфазной границе во время охлаждения материала.

Рисунок 4 - Тонкая структура наплавленных высокоуглеродистых покрытий

Одним из параметров, позволяющих оценить износостойкость материалов, является микротвердость. При выполнении диссертационной работы изучался характер распределения микротвердости в направлении от наплавленной поверхности к основному материалу. Данная зависимость позволяет оценить глубину наплавленных слоев и максимальный уровень их твердости. Анализ полученных зависимостей свидетельствует о том, что глубина высокоуглеродистых слоев находится в пределах от ~ 1,2 мм (при токе 20 мА) до ~ 2,6 мм (при токе 26 мА).

Максимальным уровнем микротвердости (5,7 ГПа) обладают слои, сформированные при наплавке с током пучка электронов 20 мА. При повышении тока пучка до 24 мА микротвердость покрытия снижается до 5,1 ГПа. Среднее значение микротвердости при обработке с током пучка 26 мА составляет 4,5 ГПа.

Важным показателем качества поверхностно легированных материалов является их сопротивление разрушению при динамическом нагружснии. В этой связи были проведены испытания образцов с Г-образными надрезами на ударный изгиб. Наибольшим уровнем ударной вязкости обладают образцы из исходной стали 20 с феррито-перлитной структурой (КСУ 164 Дж/см~) (рисунок 5). Как и ожидалось, высокоуглеродистые наплавленные слои оказывают охрупчивающее воздействие на низкоуглеродистую сталь. Экспериментально установлено, что ударная вязкость исследуемых материалов в большей степени зависит не от содержания углерода в покрытии, а от его толщины. Минимальной ударной вязкостью (98 Дж/см") обладают материалы с наплавленным слоем толщиной 2,6 мм (1,57 % С). Уменьшение толщины наплавленного слоя до 1,2 мм сопровождается ростом ударной вязкости на 60 Дж/см". Фрактографические исследования показали, что разрушение основного материала носит смешанный характер. Наплавленные покрытия разрушаются хрупко.

отпуска науглероженных слоев. Обработке подвергались наплавленные высо-коуглеродиетые слои, имеющие структуру белого чугуна (I = 24 мА) и заэвтек-тоидной стали (I = 26 мА).

После электронно-лучевой закалки наплавленных слоев формируется градиентная структура, которая условно может быть разделена на 5 характерных зон (рисунок 7). В зоне 5 толщиной 380.. .400 мкм, полученной при закалке из аустенитной области, наблюдается структура игольчатого мартенсита (рисунок 8 а). В промежутках между мартенситны-ми кристаллами находятся микрообъемы остаточного аустенита. Объемное содержание у-фазы достигает 23 %. Зерна аустенита имеют полиэдрическую морфологию, их средний размер составляет 16 мкм. Температура нагрева четвертой зоны была ниже, чем на поверхности. Образование мартенсита в ней происходит из ауетенитно-цементитной области, поэтому в структуре образующегося материала наблюдаются кристаллы видманштеттова цементита. Толщина четвертой зоны составляет ~ 200 мкм. Переходная зона 3 толщиной ~ 300 мкм, расположенная между слоями с закаленной структурой и литой структурой наплавленного слоя, имеет наиболее сложное строение (рисунок 8 б). Скорость охлаждения некоторых локальных участков в ней была недостаточной для образования мартенсита, что привело к образованию колоний перлита. Основными структурными составляющими зоны 2, сохранившей литое строение, являются перлит и цементит видманштеттова типа. Феррит в зоне 1 является преимущественно полиэдрическим. В то же время в ее верхней части наблюдаются кристаллы видманштеттова феррита.

При электронно-лучевой закалке и отпуске наплавленных слоев со структурой белого чугуна образуется сетка трещин, присутствие которых свидетельствует о наличии напряжений высокого уровня. Особенностью строения этих слоев является присутствие во всех зонах нерастворившегося цементита, который входил в состав ледебурита.

Строение покрытия, обладавшего после наплавки структурой заэвтекто-идной стали, а затем подвергнутого закалке, изучалось с использованием метода просвечивающей микроскопии (рисунок 8 в, г). Было установлено, что мар-тенситные пластины содержат большое количество близко расположенных двойников. В остаточном аустените наблюдается высокая плотность дислокаций, возникающих из-за внутренних напряжений, формирующихся в процессе

Рисунок 7 покрытия лучевой наплавки наплавленной стали:

- Структурные зоны после электронно-и закалки 1 - исходная

структура; 2 - зона, сформированная при наплавке порошковой смеси; 3 - переходная зона; 4 - зона, закаленная из ауетенитно-цементитной области; 5 - зона, закаленная из аустенитной области

поэтому в работе были проведены испытания при трении о закрепленные и нежестко закрепленные абразивные частицы. Наименьшим уровнем износостойкости при испытаниях на трение о закрепленные частицы абразива обладает нормализованная сталь 20 (0,6 от уровня эталонного материала). Относительная износостойкость наплавленных слоев со структурой стали и чугуна без термической обработки составила 0,95 и 1,07 соответственно. Дополнительная термическая обработка слоев повысила эти показатели до 1,6 и 1,4 соответственно (рисунок 9 а). Несмотря на большее содержание углерода и более высокую твердость, износостойкость образцов со структурой чугуна после закалки хуже, чем у образцов со структурой стали. Это вызвано, вероятно, напряженным со-

стоянием закаленного чугуна и наличием в нем сетки микротрещин

Рисунок 9 - Результаты триботехнических испытаний материалов:

а - относительная износостойкость материалов в условиях воздействия закрепленных частиц абразива; б - результаты изнашивания материалов в условиях трения скольжения;

1 - цементация в твердом карбюризаторе на глубину 0,8 мм, закалка и низкий отпуск;

2 - отожженная низкоуглеродистая сталь; 3 - наплавленный слой заэвтектоидного состава после закалки и отпуска; 4 - наплавленный чугун после закалки и отпуска

Электронно-лучевая закалка предварительно наплавленных материалов привела к формированию в поверхностных слоях мелкокристаллического мартенсита и повышению твердости поверхностных слоев, что явилось причиной повышения их износостойкости. В условиях воздействия нежестко закрепленных абразивных частиц износостойкость закаленных слоев со структурой чугуна несколько выше, чем со структурой закаленной стали. Это объясняется тем, что в структуре чугуна сохраняется большое количество цементита.

В связи с тем, что предложенная технология может быть использована для обработки изделий, работающих в условиях трения скольжения, были проведены испытания на машине трения СМТ-1 по схеме «диск - плоскость». Экспериментально установлено, что наибольшей износостойкостью обладают образцы закаленных слоев со структурой чугуна. Интенсивность их изнашивания соответствует контрольному материалу (сталь 20 после цементации и последующей закалки с низким отпуском) (рисунок 9 б). Наплавленные и закаленные слои со структурой заэвтектоидной стали изнашиваются быстрее, чем слои со структурой чугуна. Коэффициент трения контрольных образцов составляет 0,193. На образцах со структурой закаленного чугуна величина этого показате-

электронов равной 20 мА. Использование технологических режимов с током пучка 26 мА позволяет получить слои с концентрацией углерода 1,57 % при толщине до 2,6 мм. Возможно дальнейшее увеличение толщины наплавляемых слоев, сопровождающееся снижением в них концентрации углерода. Твердость материала, полученного наплавкой порошковых железо-графитовых смесей, составляет 5,7...4,5 ГПа.

4. Высокоуглеродистые слои представляют собой монолитные материалы с малым количеством структурных дефектов, прочно соединенные с основным материалом и оказывающие на него охрупчивающее воздействие. Установлено, что ударная вязкость поверхностно легированных материалов в большей степени зависит не от содержания углерода в наплавленных слоях, а от их толщины. Наибольшее снижение уровня ударной вязкости исходного материала (от 164 до 98 Дж/см2) зафиксировано при испытании материала с наплавленным слоем толщиной 2,6 мм, содержание углерода в котором было минимальным (1,57 % С). Наплавка высокоуглеродистого слоя толщиной 1,2 мм сопровождается менее значительным снижением ударной вязкости (от 164 до 158 Дж/см2).

5. При упрочнении деталей, предназначенных для эксплуатации в условиях трения скольжения, целесообразно применять электронно-лучевую наплавку углеродсодержащей порошковой смеси при силе тока величиной 24 мА. Данный режим приводит к формированию в поверхностном слое структуры белого чугуна, обладающего высокой твердостью (5,7 ГПа) и обеспечивающего высокие антифрикционные свойства. Достоинства наплавленных слоев со структурой белого чугуна и заэвтектоидной стали в условиях трения скольжения обусловлены формированием измельченной структуры.

6. С целью повышения износостойкости наплавленных слоев предложена комбинированная высокоскоростная обработка, сочетающую закалку и отпуск науглероженных слоев с использованием промышленного ускорителя электронов. Предложенный метод позволяет с производительностью 12,6 м2/час получать закаленные слои глубиной до 1 мм, обладающие твердостью до 8 ГПа.

7. В условиях воздействия закрепленных частиц абразива наиболее эффективной является структура заэвтектоидной стали (1,57 % Q после комбинированной обработки, включающей наплавку железо-графитовой порошковой смеси пучком электронов, выведенным в воздушную атмосферу с последующей электронно-лучевой закалкой и отпуском. Относительная износостойкость этого материала на 60 % выше по сравнению с низкоуглеродистой сталью после цементации в твердом карбюризаторе, закалки и отпуска при 200 °С. Скорость изнашивания наплавленного, закаленного и отпущенного электронным лучом чугуна (2,19 % С) примерно на 12 % выше по сравнению с аналогично обработанным слоем из заэвтектоидной стали. Причина этого обусловлена напряженным состоянием закаленного чугуна и присутствием в нем сетки микротрещин. Таким образом наплавленные слои, структура которых соответствует белому доэвтектическому чугуну, целесообразно применять без дополнительной закалки.

8. В условиях воздействия нежестко закрепленных частиц абразива интенсивность изнашивания наплавленных слоев высокоуглеродистой стали и чу-

гуна соответствует поведению стальных образцов после цементации в твердом карбюризаторе, закалки и отпуска при 200 °С. Вневакуумная электроннолучевая закалка наплавленных материалов приводит к повышению твердости до 8 ГПа, результатом которого является снижение интенсивности их изнашивания, обусловленное малыми размерами аустенитных зерен и последующим формированием в поверхностных слоях образцов мелкокристаллического мартенсита.

9. При реализации схемы трения скольжения наименьший уровень интенсивности изнашивания из разработанных материалов был зафиксирован при испытании наплавленного чугуна после дополнительной электронно-лучевой закалки и отпуска. Поведение этого материала соответствует низкоуглеродистой стали после цементации в твердом карбюризаторе, закалки и низкого отпуска. Слой термически упрочненной наплавленной стали изнашивается быстрее, чем слой закаленного чугуна. Скорость изнашивания наплавленных слоев без дополнительной обработки существенно выше по сравнению с закаленными и низкоотпущенными материалами.

10. Результаты проведенных исследований апробированы в ОАО «Сиб-электротерм» (г. Новосибирск) при упрочнении втулок сеялки СПЗ-3,6; в ООО НЛП «ГЕФЕСТ» (г. Новосибирск) при разработке технологии поверхностного упрочнения детали (винта) станка для намотки проволочных щеток; в ООО «ЭкспертНефтеГаз» (г. Новосибирск) при разработке поверхностно упрочненных слоев лопаток установки горизонтального бурения. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Новосибирском государственном техническом университете при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технологии материалов» в лекционных курсах и на лабораторных занятиях по дисциплинам «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов». Научные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, экспонировались на всероссийских и международных выставках.

Список работ опубликованных автором по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Структура и свойства поверхностных слоев низкоуглеродистой стали, полученных методом наплавки углеродсодержащих порошковых смесей и последующей закалки [Текст] / А. А. Лосинская, М. Г. Голковекий, Е. А. Дробяз, Н. В. Плотникова, В. В. Самойленко // Обработка металлов. Технология. Оборудование. Инструменты. - 2013. — № 4. - С. 5-11.

2. Лосинская, А. А. Формирование высокоуглеродистых слоев на стали и их закалка с использованием мощного электронного пучка, выведенного в атмосферу [Текст] / А. А. Лосинская, Д. Д. Головин // Перспективы науки. - 2013. № 10 (49).-С. 7-10.

3. Свойства защитных покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна, полученных электронно-лучевой наплавкой в вакууме [Текст] / Н. С. Бе-лоусова, Б. В. Дамгашон, В. Г. Дураков, Л. В. Еремина, А. А. Лосинская // Об-

работка металлов. Технология. Оборудование. Инструменты. -2011. - № 3(52). - С. 80-84.

4. Морфология боридов железа в поверхностном слое, наплавленном электронным лучом [Текст] / И. А. Батаев, Н. В. Курлаев, О. А. Бутыленкова, О. Г. Ленивцева, А. А. Лосинская // Обработка металлов. Технология. Оборудование. Инструменты. - 2012. - № 1(54). - С. 85-89.

5. Structure of surface loyers produced by non-vacuum electron-beam boriding [Text] //. A. Bataev, A. A. Bataev, M. G. Golkovski, D. S. Krivizhenko, A. A. Losinskaya, O. G. Lenivtseva //Applied Surface Science. -2013. - Vol. 284. - P. 472- 481. [Структура поверхностных слоев, полученных по технологии вневакуумной электронно-лучевой наплавки аморфного бора].

В прочих изданиях

6. Losinskava, А.А. Cladding of carbon-containing mixtures onto steels utilizing atmospheric electron-beam treatment [Text] / A. A. Losinskaya, D. D. Golovin // Eastern European Scientific Journal. - 2013. - Vol. 5. — P. 22-21. [Наплавка угле-родсодержащих смесей на стали с использованием вневакуумной электроннолучевой обработки].

7. Лосинская, А. А. Особенности строения поверхностного слоя стали, насыщенного углеродом в процессе вневакуумной электронно-лучевой обработки [Текст] / А. А. Лосинская, О. Г. Ленивцева // Наука. Промышленность. Оборона: тр. 13 Всерос. науч.-техн. конф. для студентов аспирантов и молодых ученых. (НПО-2012), Новосибирск, 18-20 апр. 2012 г. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. - С. 391-393.

8. Лосинская, А. А. Получение износостойких слоев на низкоуглеродистых сталях методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки [Текст] / А. А. Лосинская, Д. Д. Головин, О. Г. Ленивцева // Новые материалы. Создание, структура, свойства: тр. 12 Всерос. школы-семинара с междунар. уч. для студентов аспирантов и молодых ученых, Томск, 6-8 июня 2012 г. - Томск, 2012. -С. 106-108.

9. Лосинская, А. А. Структурные особенности и износостойкость высокоуглеродистых слоев, полученных на стали 20 методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки [Текст] / А. А. Лосинская, Р. А. Доставалов // Сборник научных докладов 13 междунар. науч.-техн. Урал, шк.-семинар металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 12-16 нояб. 2012 г. - Екатеринбург Изд-во УрФу, 2012. - С. 297-299.

10. Лосинская, А. А. Формирование на сталях высокоуглеродистых слоев с использованием высокоэнергетического электронного луча [Текст] / А. А. Лосинская, Д. Д. Головин // Наука. Промышленность. Оборона: тр. 14 Всерос. науч.-техн. конф. для студентов аспирантов и молодых ученых. (НПО-2013), Новосибирск, 24-26 апр. 2013 г. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013. - С. 353355.

11. Лосинская, А. А. Поверхностное насыщение стали углеродом в процессе вневакуумной электронно-лучевой обработки [Текст] / А. А. Лосинская // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на

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

04201454101 На правах рукописи 1

Лосинская Анна Андреевна

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ВНЕВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ

05.16.09 - материаловедение (в машиностроении)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Батаев В.А.

Новосибирск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................... 6

1 МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ВВЕДЕНИЕМ УГЛЕРОДА И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ (литературный обзор).................................................................................15

1.1 Методы химико-термического упрочнения сталей............................. 18

1.1.1 Применение процессов цементации для поверхностного упрочнения деталей машин и элементов конструкций.............................................. 20

1.1.2 Углерод и его растворимость в железе......................................21

1.1.3 Использование различных насыщающих сред в процессе цементации.................................................................................................... 21

1.1.4 Формирование науглероженных слоев и их фазовый состав.......... 23

1.1.5 Термическая обработка поверхностно науглероженных сталей...... 25

1.2 Поверхностное упрочнение сталей концентрированными источниками энергии......................................................................................................27

1.2.1 Упрочнение сталей токами высокой частоты.............................. 27

1.2.2 Лазерное упрочнение стальных изделий................................... 29

1.2.3 Электронно-лучевая обработка............................................... 32

1.2.4 Плазменное упрочнение....................................................... 36

1.3 Нанесение твердых износостойких покрытий из газообразного состояния.................................................................................................39

1.3.1 РУЛ-процессы получения покрытий........................................ 40

1.3.2 Применение тонких пленок................................................... 43

1.4 Подготовка поверхности перед обработкой....................................... 44

1.5 Масштабирование и воспроизводимость технологий нанесения покрытий ................................................................................................47

1.6 Выводы.................................................................................... 48

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................... 51

2.1 Материалы исследования............................................................ 51

2.2 Оборудование и режимы вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковой железо-графитовой смеси....................................................53

2.3 Оборудование и режимы печного науглероживания стали в твердом карбюризаторе.................................................................................. 56

2.4 Структурные исследования материалов........................................... 57

2.4.1 Оптическая металлография..................................................... 57

2.4.2 Просвечивающая электронная микроскопия.............................. 58

2.4.3 Растровая электронная микроскопия........................................ 59

2.4.4 Рентгеноструктурный анализ................................................. 59

2.5 Прочностные и триботехнические испытания материалов.................... 59

2.5.1 Определение микротвердости................................................. 60

2.5.2 Испытания на ударную вязкость............................................. 60

2.5.3 Изнашивание материалов в условиях трения скольжения.............. 60

2.5.4 Оценка стойкости материалов в условиях трения о закрепленные частицы абразива...............................................................................63

2.5.5 Оценка стойкости материалов в условиях трения о нежестко закрепленные частицы абразива...................................................................65

2.6 Анализ топографии поверхностей изнашивания................................ 67

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ВНЕВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКЕ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОДИСТЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СТАЛЬ 20........................................................................................... 68

3.1 Расчет температурных полей................................................... 68

3.2 Математическая модель остаточных напряжений.......................... 73

3.3 Выводы.............................................................................. 82

4 МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ВНЕВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКИ УГЛЕРО-ДОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ.......................................84

4.1 Металлографические исследования наплавленных поверхностных слоев стали...............................................................................................85

4.2 Результаты структурных исследований с использованием просвечивающей электронной микроскопии................................................................... 96

4.3 Структурный анализ наплавленных слоев с использованием растровой электронной микроскопии....................................................................98

4.4 Рентгеноструктурные исследования поверхностных слоев.................. 101

4.5 Дюрометрические испытания поверхностно упрочненной стали............103

4.6 Влияние вневакуумной электронно-лучевой наплавки углеродосодер-жащих порошковых смесей на ударную вязкость стали 20.................................108

4.7 Результаты триботехнических исследований наплавленных материалов.. 115

4.7.1 Особенности изнашивания материалов в условиях трения скольжения.................................................................................................. 115

4.7.2 Исследование износостойкости поверхностно упрочненных материалов в условиях абразивного изнашивания.............................................. 118

4.8 Выводы................................................................................... 123

5 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЗАКАЛКА И ОТПУСК ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА........................129

5.1 Структурные исследования поверхностных слоев стали 20 после наплавки углеродосодержащих порошковых смесей с последующей электроннолучевой закалкой и отпуском.................................................................... 131

5.1.1 Результаты металлографических исследований........................... 131

5.1.2 Структурные исследования материалов с применением метода электронной микроскопии....................................................................137

5.1.3 Рентгеноструктурные исследования материалов.........................145

5.1.4 Микротвердость стали после закалки и отпуска..........................147

5.2 Триботехнические испытания поверхностных слоев после наплавки с последующей закалкой и отпуском.........................................................149

5.3 Выводы................................................................................... 155

6 АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................159

6.1 Разработка износостойкого покрытия с использованием электронно-

лучевого оплавления углеродного волокна....................................................159

6.2 Разработка технологического процесса поверхностной вневакуумной электронно-лучевой закалки.................................................................163

6.3 Формирование защитных покрытий методом вневакуумной электроннолучевой наплавки...............................................................................165

6.4 Внедрение результатов научной работы в учебный процесс..................166

6.5 Представление материалов работы на научно-промышленных выставках 166

6.6 Выводы................................................................................... 166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................168

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................191

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что к механическим свойствам поверхностных слоев и внутренних объемов изделий предъявляются различные требования. Это вызвано тем, что поверхностные слои изделий как правило подвергаются более интенсивному воздействию окружающей среды. На поверхности деталей машин и элементов конструкций происходят процессы абразивного износа, коррозии, зарождение трещин в результате знакопеременных и контактных нагрузок [1-5].

Для повышения механических свойств поверхностных слоев изделий применяются технологические процессы поверхностного упрочнения. При этом возможно изменение физических, механических свойств, а также химического состава поверхностных слоев. Одним из самых распространенных в промышленности процессов поверхностного упрочнения является цементация низкоуглеродистых сталей. Недостатком этого процесса является его большая длительность, обусловленная необходимостью длительного диффузионного насыщения поверхностей изделий углеродом.

Альтернативным решением по упрочнению поверхности сталей являются технологии, основанные на применении высокоэнергетических методов воздействия. Эти методы позволяют значительно ускорить процесс упрочнения. Такие тепловые источники как лазерный луч, электронный пучок, плазма, токи высокой частоты могут быть использованы для быстрого нагрева или расплавления поверхности за короткий промежуток времени, в течении которого тепло не успевает проникнуть в глубокие объемы изделия. Таким образом, применение высокоэнергетических методов воздействия позволяет быстро упрочнять поверхность изделия, не изменяя свойств его внутренних объемов. Данные методы широко применяются в промышленности, обеспечивая получение покрытий с высокими показателями твердости, коррозионной стойкости, износостойкости и жаростойкости [6].

Актуальность темы исследования

Проблема повышения износостойкости металлических материалов конструкционного назначения, в первую очередь углеродистых сталей, является одной из наиболее актуальных для современного материаловедения. Обусловлено это тем, что большой объем деталей машин и элементов конструкций выходит из строя по причине их изнашивания. Одним из наиболее экономически эффективных решений данной проблемы является цементация. Изучению процессов науглероживания сталей посвящено большое количество работ. Экспериментально оптимизированы режимы цементации многих сталей в газовых и жидких средах, а также в твердых засыпках.

Нанесение защитных покрытий или модифицирование поверхностных слоев существенным образом сказывается на эксплуатационных свойствах изделий, изготовленных из сталей. Цементация низкоуглеродистых сталей позволяет значительно повысить их поверхностную твердость и стойкость в различных условиях изнашивания. Исследования, посвященные разработке и оптимизации технологических процессов модифицирования поверхностных слоев металлических материалов, являются перспективными и актуальными [7-14].

Анализ широко используемых в промышленности процессов цементации свидетельствует о том, что их основным недостатком является большая длительность. Обусловлено это тем, что углерод диффузионным путем должен быть перенесен из внешней среды на большую глубину в стальную заготовку. Вторая проблема заключается в том, что при реализации стандартных технологических процессов цементации сталей практически невозможно обрабатывать особо крупные изделия.

Эффективным решением отмеченной проблемы является применение технологии вневакуумного электронно-лучевого поверхностного легирования сталей. Оборудование для реализации данной технологии - промышленные ускорители электронов - разработано отечественными специалистами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. В сравнении с другими высокоэнергетически-

ми методами поверхностного упрочнения предложенная обработка имеет ряд важных технологических и экономических преимуществ: высокая мощность (до 100 кВт) и КПД теплового источника, вывод пучка электронов воздушную атмосферу, высокая производительность процесса [15, 16].

Специалистами Института ядерной физики СО РАН, Новосибирского государственного технического университета, Института физики прочности и материаловедения СО РАН и южнокорейскими специалистами проведен ряд исследований по поверхностному легированию металлов и сплавов с использованием технологии вневакуумной электронно-лучевой наплавки [17-26]. Результаты этих работ свидетельствуют о высокой эффективности процессов электронно-лучевого легирования материалов с использованием пучков релятивистских электронов, выпущенных в воздушную атмосферу. В то же время возможности использования этого процесса для насыщения поверхностных слоев сталей углеродом практически не изучены. Решению данной проблемы посвящена представленная диссертационная работа.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федерально-целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Степень разработанности

В настоящее время высокоэнергетические методы обработки широко используются в промышленности при реализации процессов резки, сварки, плавления материалов, а также при формировании на деталях поверхностно упрочненных слоев. Насыщение поверхностных слоев сталей углеродом осуществляют методами лазерной [13, 14, 27-31, 34] и плазменной наплавки [32], электроконтактной химико-термической обработки [33]. Как правило, для наплавки используют углерод в форме графита [13, 14, 27-32]. Исследования по вневакуумной электронно-лучевой наплавке углеродсодержащих порошковых смесей не выполнялись ни в российских, ни в зарубежных лабораториях. В работах, выполненных

ранее, для легирования сталей и цветных сплавов с использованием пучков релятивистских электронов применяли порошковые смеси, содержащие хром, бор, кремний, титан, ванадий, ниобий, молибден, тантал [7-14, 17-26].

Цели и задачи исследования

Цель диссертационной работы заключается в повышении износостойкости сталей путем их поверхностного легирования углеродом с использованием метода вневакуумной электронно-лучевой наплавки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1 Выбор рациональных технологических режимов вневакуумной электронно-лучевой наплавки углеродсодержащих порошковых материалов на стальную основу, обеспечивающих высокое качество поверхностно упрочненных слоев. Оптимизация состава порошковой смеси и концентрации в ней насыщающего элемента.

2 Проведение структурных исследований поверхностных слоев и переходных зон, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки углеродсодержащих порошковых смесей на заготовки из низкоуглеродистой стали.

3 Исследование структуры наплавленных высокоуглеродистых слоев после проведения термической обработки (закалки и отпуска) с использованием ускорителя электронов.

4 Проведение триботехнических исследований высокоуглеродистых наплавленных слоев, а также слоев после наплавки с закалкой и отпуском (в условиях трения скольжения и при воздействии закрепленных и нежестко закрепленных частиц абразива). Анализ ударной вязкости низкоуглеродистой стали с наплавленными слоями.

Научная новизна

1 Выявлены закономерности формирования поверхностных слоев на низкоуглеродистой стали 20 с использованием технологии вневакуумной электроннолучевой наплавки порошковых железо-графитовых смесей. Показано, что мощность теплового источника, зависящая от значения тока пучка электронов, определяет глубину упрочненного слоя, его структуру и механические свойства. При изменении тока пучка от 20 до 26 мА на стальных заготовках сформированы высокоуглеродистые слои (1,57...2,55 % С) толщиной от 1,2 до 2,6 мм. Твердость наплавленного материала составляет 5,7...4,5 ГПа.

2 Экспериментально установлено, что при наплавке порошковой смеси по режиму со сканированием электронного пучка по поверхности стальных заготовок толщиной 10 мм скорость охлаждения материала поверхностного слоя меньше критической, что не позволяет получать структуру мартенсита. Основными структурными составляющими в наплавленных слоях являются ледебурит, вторичный цементит видманштеттова типа и перлит. На основании проведенных исследований с целью формирования структуры высокоуглеродистого мартенсита, обладающего высоким уровнем твердости и износостойкости, обосновано последовательное выполнение операций насыщения углеродом и закалки наплавленного слоя с использованием одного и того же ускорителя электронов. Микротвердость поверхностно закаленных и отпущенных слоев стали и чугуна, сформированных в процессе электронно-лучевой наплавки, достигает 7 и 8 ГПа.

3 Изучено влияние наплавленных слоев на триботехнические и механические свойства стали 20. В условиях воздействия закрепленных и нежестко закрепленных частиц абразива интенсивность изнашивания наплавленных и закаленных электронным пучком поверхностных слоев заэвтектоидной стали (1,57 % С) и до-эвтектического чугуна (2,19 % С) ниже, чем низкоуглеродистой стали, цементованной в твердом карбюризаторе с последующей закалкой и низким отпуском. При испытании по схеме трения скольжения наибольшей износостойкостью обладает слой наплавленного чугуна после электронно-лучевой закалки и отпуска.

4 Установлено, что закалка наплавленных слоев, имеющих структуру белого доэвтектического чугуна, сопровождается ростом внутренних напряжений. С целью предотвращения образования сетки трещин слои белого чугуна рекомендовано использовать без закалки.

5 Показано, что при электронно-лучевой закалке предварительно наплавленных высокоуглеродистых слоев, уменьшение мощности тепл�