НАПЛАВКА НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ, ВЫВЕДЕННЫМ В ВОЗДУШНУЮ АТМОСФЕРУ

, к. т.н., доц.,

, ,

Новосибирский государственный технический университет, 630073, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса,20,
тел.(383)346-11-71

E-mail: *****@***com

Ужесточение условий эксплуатации изделий из металлических материалов явилось причиной разработки, развития и совершенствования различных методов модификации поверхности. Наряду с традиционными способами, основанными на использовании диффузионных процессов, интенсивное развитие получили процессы, включающие оплавление поверхностных слоев материала и последующую их быструю кристаллизацию. В большинстве случаев эти процессы сопровождаются введением в расплав тугоплавких соединений, значительно повышающих физико-механические характеристики формируемых покрытий.

Широкое распространение в последние время получили методы нанесения покрытий, основанные на использовании высокоэнергетических источников нагрева. Одним из наиболее эффективных методов является электронно-лучевая обработка предварительно подготовленных порошковых осадков. Важнейшим недостатком традиционной электронно-лучевой обработки является низкая производительность процесса, обусловленная тем, что обработка материала происходит в вакуумной  камере.

Анализ литературных данных показывает, что наиболее перспективным методом модифицирования поверхностных слоев крупногабаритных изделий является обработка электронным пучком, выведенным в воздушную атмосферу. По сравнению с другими методами поверхностного упрочнения, например лазерной обработкой, этот метод обладает рядом важнейших достоинств, среди которых следует выделить высокую мощность (до 100 кВт), высокие значения производительности и коэффициента полезного действия [1-3].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В качестве материалов, используемых для формирования многофункциональных покрытий, широкое распространение получили многокомпонентные самофлюсующиеся сплавы на никелевой основе системы Ni-Cr-Fe-Si-B. Их важнейшим преимуществом является образование при нагреве формирующегося покрытия тонкой легкоплавкой пленки борсодержащих стекол, предотвращающей негативное воздействие кислорода воздуха [4-6].

Цель работы заключалась в оптимизации  технологического процесса формирования поверхностных слоев при наплавке порошковой смеси системы Ni-Cr-Fe-Si-B электронным пучком, выведенным в воздушную атмосферу.

В качестве основного металла использовали пластины толщиной 10 мм из низкоуглеродистой стали 10 (0,12 % С, 0,28 % Si, 0,50 % Mn, 0,04 % S, 0,035 % P). Для формирования покрытия применяли порошок ПН77Х15С3Р2. Порошковую смесь равномерно распределяли по поверхности пластины. Плотность насыпки составляла 0,45 г/см2.

Наплавку порошковых смесей осуществляли на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-6 производства Института ядерной физики СО РАН при обеспечении следующих технологических параметров: ток пучка – 25 мА; расстояние от выпускного окна до заготовки – 90 мм; энергия пучка электронов – 1,4 МэВ. В процессе обработки заготовка перемещалась относительно пучка электронов со скоростью от 10 до 20 мм/с. При обработке осуществлялось сканирование поверхности материала электронным лучом. Размах сканирования 50 мм.

Металлографические исследования наплавленных покрытий были проведены на микроскопе Carl Zeiss Axio Observer A1m при увеличениях в диапазоне от х50 до х1000. Для выявления микроструктуры исследуемые покрытия подвергались химическому травлению с использованием смеси состоящей из хлорида железа (FeCl3), азотной (HNO3) и соляной (HCl) кислот. Твердость полученных материалов исследовали с использованием прибора Wolpert Group 402MVD. Нагрузка на алмазный индентор составляла 0,98 Н.

Проведенные структурные исследования показали, что при наплавке порошковых смесей со скоростью от 10 до 20 мм/с формируются поверхностно модифицированные материалы, обладающие градиентной структурой. Толщина упрочненного слоя составляет 1,4…2,6 мм. Для покрытия, полученного путем наплавки электронным пучком, выведенным в воздушную атмосферу, характерно дендритное строение. Дендриты представляют собой г-раствор на основе Ni, Fe. По границам ячеек дендритов располагается эвтектика. Распределение химических элементов в структуре покрытия представлено на рис. 1г. Анализ микрофотографий свидетельствует о влиянии  концентрации легирующих элементов входящих в состав покрытия на объемную долю эвтектики. С увеличением скорости наплавки в структуре наблюдается уменьшение количества дендритов, которые обладают низким уровнем твердости.


а

б

в

г

Рис. 1. Структура никельсодержащих покрытий, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки: а – V=10мм/с, б - V=15мм/с, в, г - V=20мм/с.

Структурные изменения, происходящие в покрытии при увеличении скорости электронно-лучевой наплавки, положительно сказываются на уровне микротвердости материала. Анализ экспериментальных данных показал, что минимальным уровнем микротвердости обладают покрытия, полученные в процессе обработки со скоростью 10 мм/с (рис. 2). Твердость достигает 300 HV. Такое поведение связано с интенсивным оплавлением поверхностных слоев основного металла и перераспределением легирующих элементов в ванне расплава.

Наибольший уровень твердости (~650 HV) был, достигнут в поверхностном слое, полученном в процессе наплавки со скоростью обработки 20 мм/с. Кратковременность пребывания материала покрытия в жидком состоянии при реализации данного режима не приводит к завершению процессов диффузионного перераспределения железа.

Таким образом, мощный электронный пучок, выведенный в воздушную атмосферу, является перспективным методом формирования беспористых высоколегированных покрытий. Изменение технологических параметров обработки, позволяет в широком диапазоне изменять структурно-фазовое состояние покрытий. Высокие скорости обработки позволяют сформировать поверхностные слои, обладающие высоким комплексом механических свойств.

Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине покрытия.

Список литературы:

1. , Закалка и наплавка релятивистским электронным пучком вне вакуума. - LAP LAMBERT Academic Publishing, Германия, 2007. – 325 с.

2. Using the Cr-C-B systems for alloying metal by in out-of-vacuum electron beam surfacing / Poletika I. M., Makarov S. A., Krylova T. A., Golkovskii M. G. // Welding International. 2012. Т. 26. № 10. С. 776-781.

3. Структура и свойства хромсодержащих покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки в атмосфере / , , // Металловедение и термическая обработка металлов. 2009. № 3. С. 15-22.

4. Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni-Cr-B-Si / , , Кузьмич-, , // Автоматическая сварка. 2012. № 11 (715). С. 18-24.

5. I. Hemmati, V. Ocelik, K. Csach, J. Th. M. Hosson, Microstructure and phase formation in a rapidly solidified laser-deposited Ni-Cr-B-Si-C hardfacing alloy, Metall. Mater. Trans. A Vol. 45 (2014) 878-892.

6. Electron-beam surfacing wear-resistant coatings, reinforced refractory metal's borides / E. Drobyaz, T. Zimoglyadova, V. Gromov // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Vol. 698 : Electrical Engineering, Energy, Mechanical Engineering, EEM 2014. - P. 419-423.