Тема: ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ NiCrBSi ПОКРЫТИЙ, ФОРМИРУЕМЫХ ГАЗОПОРОШКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКОЙ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
Эффективным средством повышения долговечности и надежности различных деталей и инструмента является формирование на их поверхности высокопрочных, износостойких и коррозионностойких покрытий. Среди различных методов получения покрытий прогрессивной технологией является лазерная наплавка, в процессе которой тонкий поверхностный слой основного металла оплавляется лазерным лучом совместно с присадочным материалом. Интерес к лазерной наплавке резко возрос в связи с развитием лазерных аддитивных технологий.
Ы1СгВ81 покрытия находят широкое применение в различных отраслях промышленности как при восстановлении изношенных деталей, так и для улучшения качества поверхности новых изделий. Структура таких сплавов обычно состоит из вязкой низкопрочной матрицы и некоторого количества упрочняющих карбидов и боридов, влияние которых на абразивную износостойкость покрытий неоднозначно в зависимости от твердости абразива. Поэтому представляется важным проведение исследований трибологических характеристик №СгВ81 покрытий при скольжении по абразивам, твердость которых будет находиться в различном соотношении с твердостью основных упрочняющих фаз покрытий. При этом формирование различных по составу и твердости упрочняющих фаз в наплавленных покрытиях может быть достигнуто за счет изменения количества углерода, хрома и бора в составе наплавляемого порошка.
При наличии большого количества работ по испытаниям №СгВ81 покрытий на трение скольжения в окислительной воздушной среде, исследованиям трибологических свойств указанных покрытий в безокислительной газовой среде в литературе не уделялось внимания. Влияние окислительной среды на износостойкость может быть различным в зависимости от уровня прочности материалов. В этой связи представляется важным проведение сравнительных испытаний Ы1СгВ81 покрытий с различным уровнем твердости на трение скольжения в окислительной и безокислительной газовых средах.
Создание композиционных №СгВ81-Т1С покрытий является одним из методов дополнительного повышения износостойкости хромоникелевых покрытий, формируемых газопорошковой лазерной наплавкой. Однако в зависимости от количества карбида титана можно ожидать разной эффективности использования добавок высокопрочных частиц Т1С для повышения износостойкости покрытий в условиях реализации различных механизмов изнашивания при трении и абразивном воздействии. Поэтому важным как с научной, так и с практической точек зрения представляется изучение структурно-фазового состояния, твердости и поведения в разнообразных условиях изнашивания композиционных №СгВ81-Т1С покрытий, сформированных на поверхности стали лазерной наплавкой.
Покрытия из сплавов №СгВ81 находят широкое применение для улучшения качества изделий, эксплуатируемых в условиях значительного нагрева (валки и рольганги в станах горячей прокатки, штампы горячего деформирования и др.). Имеющиеся в литературе сведения о влиянии термического воздействия на свойства №СгВ81 покрытий, сформированных различными способами, противоречивы. При этом применительно к полученным лазерной наплавкой покрытиям температуры нагрева не превышали, как правило, 550-800 °С. В связи с этим важной задачей является установление температурных условий применения №СгВ81 покрытий и поиск путей повышения термической стабильности их структуры и свойств.
Особенностью наплавленных лазером слоев является значительная волнистость и шероховатость поверхности. Это недопустимо для прецизионных узлов трения. Традиционное шлифование абразивными кругами наплавленных поверхностей может сопровождаться появлением «прижогов» и микротрещин, а также опасных растягивающих напряжений, которые приводят к снижению эксплуатационной стойкости деталей. В этой связи актуальным является поиск финишной технологии обработки поверхности покрытий, которая позволит устранить недостатки шлифования, обеспечив одновременно дополнительное повышение прочностных и трибологических свойств, формирование благоприятного напряженного состояния, а также низкую шероховатость поверхности. Перспективным представляется использование в качестве финишной обработки покрытий такого способа поверхностного пластического деформирования как фрикционная обработка скользящими инденторами.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности лаборатории конструкционного материаловедения ФГБУН "Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук" в рамках государственного задания по теме № 01201375904, а также при поддержке проектов президиума РАН № 12-П-1027, ОЭММПУ РАН № 12-Т-1-1010, ОФИ УрО РАН 11- 1-11-УТ, УрО РАН № 15-9-12-45, РФФИ № 16-38-00452_мол_а, проекта молодых ученых и аспирантов УрО РАН № 11-1-НП-575.
Цель диссертационной работы - изучение возможности повышения износостойкости, прочности и теплостойкости наплавленных лазером №СгВ81 покрытий за счет изменения состава порошков и дополнительных термической и фрикционной обработок.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Исследовать возможность повышения микромеханических и трибологических характеристик в зависимости от условий абразивного изнашивания (абразив различной твердости) и трения скольжения (окислительная или безокислительная среда) №СгВ81 покрытий за счет изменения содержания углерода, хрома и бора в наплавляемом лазером порошке.
2. Изучить возможности дополнительного упрочнения и повышения сопротивления абразивному и адгезионному изнашиванию путем создания при газопорошковой лазерной наплавке композиционных №СгВ81-Т1С покрытий.
3. Исследовать влияние термического воздействия в интервале температур 200-1050 °С на структуру, фазовый состав, микротвердость и трибологические свойства при скольжении по закрепленному абразиву №СгВ81 покрытия, сформированного лазерной наплавкой, и установить на этой основе возможности улучшения его характеристик комбинированной лазерно-термической обработкой.
4. Рассмотреть возможность применения финишной фрикционной обработки для дополнительного повышения микромеханических и трибологических характеристик поверхностных слоев №СгВ81 лазерного наплавленного покрытия при одновременном обеспечении благоприятного напряженного состояния и низкой шероховатости поверхности.
Научная новизна:
1. Установлено, что в условиях испытаний по закрепленному абразиву эффективность повышения износостойкости за счет формирования №СгВ81 и композиционных Ы1СгВ81-Т1С покрытий лазерной наплавкой определяется главным образом не средней твердостью покрытий, а твердостью упрочняющих фаз (Сг23С6, Сг7С3, СгВ, Т1С и др.) и механизмами изнашивания (микрорезание или царапание), развивающимися в зависимости от соотношения твердости упрочняющих фаз покрытия и твердости абразивных частиц (~3000 НУ у карбида кремния, ~2000 НУ у корунда и ~1000 НУ у кремня).
2. При высокотемпературном (1000-1075 °С) отжиге полученных лазерной наплавкой №СгВ81 покрытий обнаружен новый эффект повышения их твердости и износостойкости, обусловленный формированием высокопрочного износостойкого каркаса из крупных карбидных и боридных частиц.
3. Впервые для наплавленного лазером №СгВ81 покрытия установлено формирование финишной фрикционной обработкой наноструктурированного упрочненного градиентного слоя, обладающего повышенной износостойкостью в условиях трения скольжения и абразивного изнашивания, при одновременном обеспечении наношероховатости поверхности и сжимающих напряжений в слое.
4. Показано, что повышение износостойкости наплавленных лазером покрытий путем оптимизации их состава и проведения наноструктурирующей фрикционной обработки обусловлено ограничением процессов микрорезания при абразивном воздействии, пластического оттеснения и адгезионного схватывания при трении скольжения вследствие установленной методом кинетического микроиндентирования повышенной способности более прочных поверхностных слоев покрытий деформироваться преимущественно в упругой области (без остаточного формоизменения), а также эффективнее сопротивляться пластическому деформированию после начала течения материала.
Практическая значимость работы
Предложены эффективные пути повышения износостойкости №СгВ81 покрытий, формируемых газопорошковой лазерной наплавкой: увеличение количества углерода, хрома и бора в наплавляемом порошке, формирование композиционных покрытий с 15 и 25 мас. % Т1С, проведение комбинированных лазерно-термических и лазерно-деформационных обработок.
Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании технологий получения износостойких №СгВ81 покрытий применительно к конкретным условиям эксплуатации (воздействие абразивом различной твердости, трение скольжения в различных средах, высокие температуры).
Получен патент РФ 2492980 на разработанный способ формирования №СгВ81 покрытия с особо высоким уровнем теплостойкости, включающий газопорошковую лазерную наплавку с последующим отжигом при температурах 1000-1075 °С, обеспечивающий сохранение повышенных уровней твердости и износостойкости покрытий в условиях нагрева до 1000 °С. Использование способа существенно расширяет область применения №СгВ81 покрытий для деталей, эксплуатируемых при повышенных (до 1000 °С) температурах.
Для более эффективного использования №СгВ81 наплавок в прецизионных узлах трения предложено в качестве финишной технологической операции формирования Ы1СгВ81 покрытий использовать фрикционную обработку индентором из мелкодисперсного нитрида бора, обеспечивающую повышение микромеханических и трибологических свойств поверхностного слоя и высокое качество обработки поверхности.
В акте внедрения от ОАО "Уральский научно-исследовательский технологический институт" по результатам выполнения проекта ОФИ УрО РАН «Разработка комбинированных технологий создания функциональных хромоникелевых покрытий методами лазерной наплавки и дополнительного проведения стабилизирующего отжига и наноструктурирующей фрикционной обработки» отмечается, что результаты имеют важное практическое значение для совершенствования современных технологических процессов лазерной обработки и восстановления быстроизнашивающихся деталей машин и механизмов (прокатных валков, посадочных мест под подшипники валов, шеек коленвалов, распредвалов, эксцентриковых валов компрессоров холодильников и других изделий) (Приложение 1 к диссертации).
Результаты диссертационной работы включены отдельным разделом в дисциплину «Лазерные технологии модифицирования поверхности и прототипирования», входящую в образовательную программу «Лазерная техника и лазерные технологии» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (Приложение 2 к диссертации).
Методология и методы диссертационного исследования
Научные исследования были проведены с привлечением современных методов материаловедения и трибологии. Экспериментальные результаты были получены с использованием сертифицированных и поверенных приборов и средств измерений. Применялись оригинальные методики испытаний на износостойкость в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения, а также стандартизованные методики микромеханических испытаний и определения твердости.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Превалирующая роль твердости упрочняющих фаз (по сравнению со средней твердостью покрытий) в сопротивлении абразивному изнашиванию Ы1СгВ81 и композиционных №СгВ81-Т1С покрытий, сформированных лазерной наплавкой.
2. Эффект повышения теплостойкости до 1000 °С наплавленных лазером Ы1СгВ81 покрытий за счет формирования износостойкого каркаса из крупных карбидных и боридных частиц при высокотемпературном отжиге.
3. Наноструктурирующая фрикционная обработка №СгВ81 покрытий как финишная операция, обеспечивающая одновременно повышение твердости, износостойкости, качества поверхности покрытия и формирование в нем благоприятных сжимающих напряжений.
4. Связь результатов кинетического микроиндентирования поверхностей покрытий с реализующимися механизмами их изнашивания при абразивном воздействии и трении скольжения.
Степень достоверности результатов работы обеспечена большим объемом экспериментального материала, использованием апробированных методов микромеханических и трибологических испытаний, применением современных методов изучения структуры, химического и фазового состава, профиля поверхностей и продуктов изнашивания (растровая и просвечивающая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, энергодисперсионный и волнодисперсионный микроанализ, SD-профилометрия), а также использованием статистической обработки результатов измерений. Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, не противоречат известным научным представлениям и результатам.
Апробация работы. Основные результаты работы, изложенные в диссертации, были доложены и обсуждены на следующих конференциях: Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Пермь, 2010; г. Магнитогорск, 2012; г. Оренбург, 2014; г. Тольятти, 2016); Российских научно-технических конференциях «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2010, 2012); Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2011); Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (г. Санкт-Петербург, 2011); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (г. Самара, 2011); Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы машиноведения», (г. Москва, 2012); Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Екатеринбург, 2013); Научно-практической конференции «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (г. Екатеринбург, 2013); International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (г. Томск, 2014); Российских научно-технических конференциях «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2014, 2015, 2016); Международной конференции «Пленки и покрытия» (г. Санкт-Петербург, 2015).
Личный вклад автора. Соискатель участвовал в планировании и постановке экспериментов, подготовке и проведении исследований структуры, микромеханических свойств, испытаний на износостойкость, термообработки, фрикционной обработки материалов, исследовании поверхностей и продуктов изнашивания. Анализ и интерпретация полученных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Результаты исследований лично докладывались соискателем на указанных выше научно-технических конференциях.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 8 статей в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, 1 статье в журнале, не входящем в перечень ВАК, 20 публикаций в сборниках материалов и тезисов докладов конференций, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и двух приложений. Работа изложена на 190 страницах, включая 75 рисунков и 22 таблицы. Список использованной литературы содержит 202 наименования.

Купить

1. Для сформированных методом газопорошковой лазерной наплавки NiCrBSi покрытий установлена возможность значительного повышения микромеханических и трибологических свойств при абразивном изнашивании и трении скольжения за счет увеличения содержания в наплавляемом порошке углерода, хрома и бора от 0,30-0,48 % С, 13,5-14,8 % Сг, 2,1 % В (покрытия ПГ-СР2 с основной упрочняющей фазой Сг23С6 твердостью 1000-1150 НУ) до 0,80-0,92 % С, 16,0-18,2 % Сг, 4,0-4,2 % В (покрытия ПГ-10Н-01 с упрочняющими фазами Сг7С3,1580-1800 НУ, и СгВ, 1950¬2420 НУ), а также путем создания композиционных покрытий №СгВ81-Т1С с 15 и 25 мас. % карбида титана Т1С твердостью 2500-2900 НУ. Для покрытия ПГ-10Н-01 в отличие от менее прочного покрытия ПГ-СР2 при переходе от безокислительной среды аргона к воздушной среде установлен значительный (на порядок) рост интенсивности изнашивания, обусловленный охрупчиванием поверхностного слоя при обогащении его кислородом в процессе испытания на трение скольжения на воздухе.
2. Высокопрочные карбидные и боридные фазы, в том числе крупные содержащие несплошности частицы Т1С, под воздействием закрепленного абразива и при трении скольжения не выкрашиваются полностью, а образуют на поверхности изнашивания выступающий износостойкий каркас, который и играет определяющую роль в сопротивлении различным видам изнашивания №СгВ81 покрытий. В условиях изнашивания закрепленным абразивом эффективность повышения износостойкости за счет формирования №СгВ81 и композиционных Ы1СгВ81-Т1С покрытий определяется главным образом не средней твердостью покрытий, а твердостью упрочняющих фаз (карбидов, боридов) и механизмами изнашивания (микрорезание или царапание), развивающимися в зависимости от соотношения твердости упрочняющих фаз покрытия и твердости абразивных частиц. Вследствие этого эффективность повышения абразивной износостойкости за счет увеличения содержания в покрытии карбида титана Т1С, углерода, хрома и бора в значительно большей степени проявляется при испытании по менее твердым абразивам кремню (~1000 НУ) и корунду (~2000 НУ), чем по наиболее твердому абразиву карбиду кремния (~3000 НУ).
3. Впервые обнаружено резкое повышение твердости и трибологических свойств наплавленного лазером №СгВ81 покрытия после отжига при температурах 1000-1050 °С (по сравнению с сильным снижением свойств при нагреве до 900-950 °С), обусловленное формированием в процессе отжига и последующего охлаждения высокопрочного износостойкого каркаса из крупных карбидов и боридов хрома. На основе установленного нового эффекта разработан способ получения покрытий системы Ы1СгВ81 с особо высоким (до 1000 °С) уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой (Патент РФ № 2492980), включающей лазерную наплавку с дополнительным высокотемпературным отжигом.
4. Предложено в качестве финишной обработки наплавленного лазером Ы1СгВ81 покрытия применять фрикционную обработку поверхности скользящим индентором, формирующую градиентный слой с нанокристаллической структурой, повышенными микромеханическими свойствами и благоприятными сжимающими напряжениями при одновременном обеспечении наношероховатости поверхности покрытия. Наноструктурирующая фрикционная обработка снижает интенсивность и повышает удельную работу абразивного изнашивания, в условиях сухого трения скольжения устраняет период приработки, а при граничном трении (со смазкой) обусловливает наличие безызносного инкубационного периода и не только подавляет этап приработки, но и способствует менее интенсивному разрушению покрытия на стадии установившегося изнашивания.
5. Рост износостойкости в условиях абразивного и адгезионного изнашивания NiCrBSi покрытий при увеличении содержания углерода, хрома, бора и проведении финишной фрикционной обработки обусловлен ограничением процессов микрорезания, схватывания и пластического оттеснения вследствие повышенной способности более прочных покрытий и упрочненных поверхностных слоев деформироваться в упругой области и противостоять пластическому деформированию, на что указывают данные кинетического микроиндентирования.

Купить