ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКOСТИ NiCrBSi ПОКРЫТИЙ, ФОРМИРУЕМЫХ ГАЗОПОРОШКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКОЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 16
1.1 Методы формирования покрытий 16
1.1.1 Покрытия и методы их нанесения 16
1.1.2 Лазерная наплавка 18
1.1.3 Газопорошковая лазерная наплавка (ГПЛН) 19
1.2 Ы1СгВ81 покрытия 24
1.2.1 Морфология, структура и фазовый состав №СгВ81
покрытий, полученных лазерной наплавкой 26
1.2.2 Микромеханические характеристики №СгВ81 покрытий 30
1.2.3 Износостойкость №СгВ81 покрытий 34
1.3 Композиционные №СгВ81-Т1С покрытия 37
1.4 Влияние термического воздействия на характеристики И1СгВ81
покрытий 42
1.5 Поверхностная деформационная обработка покрытий 46
1.6 Постановка задачи исследования 49
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 53
2.1 Исследованные материалы 53
2.2 Газопорошковая лазерная наплавка покрытий 54
2.3 Термическая обработка покрытий (термическое воздействие) 55
2.4 Фрикционная обработка покрытий 56
2.5 Методика проведения трибологических испытаний 58
2.6 Микромеханические испытания 60
2.7 Методы исследования фазового состава, структуры покрытий и
топографии поверхностей 61
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НАПЛАВЛЯЕМЫХ ЛАЗЕРОМ
Ы1СгВ81 ПОРОШКОВ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ 63
3.1 Структура и фазовый состав №СгВ81 покрытий 63
3.2 Микромеханические свойства №СгВ81 покрытий 70
3.2.1 Микротвердость покрытий 70
3.2.2 Характеристики микроиндентирования покрытий 74
3.3 Трибологические свойства и механизмы изнашивания
Ы1СгВ81 покрытий 77
3.3.1 Изнашивание покрытий закрепленным абразивом 77
3.3.2 Трение скольжения покрытий в окислительной и
безокислительной газовых средах 87
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 93
ГЛАВА 4 СОЗДАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
Ы1СгВ81-Т1С ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ГАЗОПОРОШКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ 96
4.1 Структура и фазовый состав Ы1СгВ81-Т1С покрытий 96
4.2 Микротвердость наплавленных лазером №СгВ81-Т1С покрытий....100
4.3 Влияние состава покрытий И1СгВ81-Т1С на трибологические свойства в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения ..102
4.3.1 Износостойкость и механизмы изнашивания №СгВ81-Т1С
лазерных наплавленных покрытий при испытании по закрепленному абразиву различной твердости 102
4.3.2 Трибологические свойства наплавленных лазером №СгВ81-
Т1С покрытий в условиях трения скольжения без смазки 113
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 117
ГЛАВА 5 ПОЛУЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ iCrBSi ПОКРЫТИЙ С ОСОБО ВЫСОКИМ УРОВНЕМ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ЛАЗЕРНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ...119
5.1 Влияние нагрева на микротвердость и трибологические свойства
покрытия ПГ - 10Н-01 119
5.2 Влияние нагрева на структуру и фазовый состав покрытия
ПГ-10Н-01 121
5.3 Комбинированная лазерно-термическая обработка 127
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5 130
ГЛАВА 6 ВЛИЯНИЕ ФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ, МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Ы1СгВ81 ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННОГО
ГАЗОПОРОШКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКОЙ 132
6.1 Влияние технологических параметров фрикционной обработки
на упрочнение и качество поверхности покрытия ПГ-СР2 132
6.2 Влияние фрикционной обработки на микромеханические
свойства покрытия ПГ-СР2 140
6.3 Структурно-фазовое состояние поверхности покрытия ПГ-СР2,
подвергнутого фрикционной обработке 144
6.4 Влияние фрикционной обработки на трибологические свойства
покрытия ПГ-СР2 в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения 148
6.4.1 Износостойкость в условиях абразивного изнашивания
покрытия ПГ-СР2, упрочненного фрикционной обработкой 148
6.4.2 Трибологические свойства в условиях трения скольжения
без смазки покрытия ПГ-СР2, упрочненного фрикционной обработкой 150
6.4.3 Трибологические свойства в условиях трения скольжения со
смазкой покрытия ПГ-СР2, упрочненного фрикционной обработкой 154
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6 159
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт внедрения от ОАО "УралНИТИ" 189
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт внедрения от ММИ УрФУ 190
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 16
1.1 Методы формирования покрытий 16
1.1.1 Покрытия и методы их нанесения 16
1.1.2 Лазерная наплавка 18
1.1.3 Газопорошковая лазерная наплавка (ГПЛН) 19
1.2 Ы1СгВ81 покрытия 24
1.2.1 Морфология, структура и фазовый состав №СгВ81
покрытий, полученных лазерной наплавкой 26
1.2.2 Микромеханические характеристики №СгВ81 покрытий 30
1.2.3 Износостойкость №СгВ81 покрытий 34
1.3 Композиционные №СгВ81-Т1С покрытия 37
1.4 Влияние термического воздействия на характеристики И1СгВ81
покрытий 42
1.5 Поверхностная деформационная обработка покрытий 46
1.6 Постановка задачи исследования 49
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 53
2.1 Исследованные материалы 53
2.2 Газопорошковая лазерная наплавка покрытий 54
2.3 Термическая обработка покрытий (термическое воздействие) 55
2.4 Фрикционная обработка покрытий 56
2.5 Методика проведения трибологических испытаний 58
2.6 Микромеханические испытания 60
2.7 Методы исследования фазового состава, структуры покрытий и
топографии поверхностей 61
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НАПЛАВЛЯЕМЫХ ЛАЗЕРОМ
Ы1СгВ81 ПОРОШКОВ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ 63
3.1 Структура и фазовый состав №СгВ81 покрытий 63
3.2 Микромеханические свойства №СгВ81 покрытий 70
3.2.1 Микротвердость покрытий 70
3.2.2 Характеристики микроиндентирования покрытий 74
3.3 Трибологические свойства и механизмы изнашивания
Ы1СгВ81 покрытий 77
3.3.1 Изнашивание покрытий закрепленным абразивом 77
3.3.2 Трение скольжения покрытий в окислительной и
безокислительной газовых средах 87
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 93
ГЛАВА 4 СОЗДАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
Ы1СгВ81-Т1С ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ГАЗОПОРОШКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ 96
4.1 Структура и фазовый состав Ы1СгВ81-Т1С покрытий 96
4.2 Микротвердость наплавленных лазером №СгВ81-Т1С покрытий....100
4.3 Влияние состава покрытий И1СгВ81-Т1С на трибологические свойства в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения ..102
4.3.1 Износостойкость и механизмы изнашивания №СгВ81-Т1С
лазерных наплавленных покрытий при испытании по закрепленному абразиву различной твердости 102
4.3.2 Трибологические свойства наплавленных лазером №СгВ81-
Т1С покрытий в условиях трения скольжения без смазки 113
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 117
ГЛАВА 5 ПОЛУЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ iCrBSi ПОКРЫТИЙ С ОСОБО ВЫСОКИМ УРОВНЕМ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ЛАЗЕРНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ...119
5.1 Влияние нагрева на микротвердость и трибологические свойства
покрытия ПГ - 10Н-01 119
5.2 Влияние нагрева на структуру и фазовый состав покрытия
ПГ-10Н-01 121
5.3 Комбинированная лазерно-термическая обработка 127
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5 130
ГЛАВА 6 ВЛИЯНИЕ ФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ, МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Ы1СгВ81 ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННОГО
ГАЗОПОРОШКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКОЙ 132
6.1 Влияние технологических параметров фрикционной обработки
на упрочнение и качество поверхности покрытия ПГ-СР2 132
6.2 Влияние фрикционной обработки на микромеханические
свойства покрытия ПГ-СР2 140
6.3 Структурно-фазовое состояние поверхности покрытия ПГ-СР2,
подвергнутого фрикционной обработке 144
6.4 Влияние фрикционной обработки на трибологические свойства
покрытия ПГ-СР2 в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения 148
6.4.1 Износостойкость в условиях абразивного изнашивания
покрытия ПГ-СР2, упрочненного фрикционной обработкой 148
6.4.2 Трибологические свойства в условиях трения скольжения
без смазки покрытия ПГ-СР2, упрочненного фрикционной обработкой 150
6.4.3 Трибологические свойства в условиях трения скольжения со
смазкой покрытия ПГ-СР2, упрочненного фрикционной обработкой 154
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6 159
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт внедрения от ОАО "УралНИТИ" 189
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт внедрения от ММИ УрФУ 190
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
В условиях развития техники и интенсификации технологических процессов все более возрастает роль поверхности материалов, поскольку именно в поверхностных слоях развиваются процессы разрушения (изнашивание, усталость, коррозия), определяющие работоспособность изделий. 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 очевидными преимуществами обладает лазерная наплавка [1-12], в процессе которой тонкий поверхностный слой основного металла оплавляется лазерным лучом совместно с присадочным материалом [1, 13].
На формирование различных фаз в таких покрытиях влияние оказывают условия охлаждения и химический состав порошков. От этого могут зависеть свойства покрытий в различных условиях контактного нагружения. Поэтому представляется важным рассмотреть влияние состава наплавляемого лазером порошка с различным содержанием углерода, хрома и бора, образующих основные упрочняющие фазы - карбиды и бориды, на закономерности изнашивания покрытия при трении и абразивном воздействии.
Дальнейшее эффективное упрочнение и повышение износостойкости покрытий на хромоникелевой основе достигается путем создания на их основе композиционных покрытий при введении в состав порошков различных добавок, например, WC, Сг3С2, ЗЮ, ТаС, А12О3, Ре2О3, У2О5 и др. Перспективно использование для формирования композиционных покрытий карбида титана Т1С благодаря наличию у него высоких уровней твердости, модуля упругости, температуры плавления и хорошей стойкости к окислению [19-22]. Добавки карбида Т1С обеспечивают снижение интенсивности изнашивания и коэффициента трения в условиях сухого трения скольжения, высокую износостойкость при абразивном воздействии. Однако отмечается сильная зависимость трибологических свойств покрытий от количества карбида титана [23, 24].
Покрытия из сплавов №СгВЗ1 находят широкое применение для улучшения качества изделий, эксплуатируемых в условиях значительного нагрева (валки и рольганги в станах горячей прокатки, штампы горячего деформирования, детали теплообменных аппаратов, турбин, твердотопливных котлов и др. [10, 11, 25]). В связи с этим важной задачей является поиск путей повышения термической стабильности структуры и свойств хромоникелевых покрытий.
В последние годы для оценки механических характеристик хромоникелевых покрытий все шире используются современные методы микроиндентирования, позволяющие записывать диаграммы нагружения и разгрузки индентора. Актуальным является применение микроиндентирования для исследования упруго-пластических характеристик поверхности наплавленных лазером покрытий в связи с развитием различных механизмов изнашивания. Эффективность повышения износостойкости при создании и последующих обработках покрытий может в сильной степени зависеть от условий трибологических испытаний. Поэтому особый научный и практический интерес представляет проведение исследований механизмов изнашивания и износостойкости покрытий при различных видах фрикционного нагружения.
Цель диссертационной работы - изучение возможности повышения износостойкости, прочности и теплостойкости наплавленных лазером Ы1СгВ81 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 Ы1СгВ81 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 результатов работы:
1. Установлено, что в условиях испытаний по закрепленному абразиву эффективность повышения износостойкости за счет формирования Ы1СгВ81 и композиционных №СгВ81-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 установлено формирование финишной фрикционной обработкой наноструктурированного упрочненного градиентного слоя, обладающего повышенной износостойкостью в условиях трения скольжения и абразивного изнашивания при одновременном обеспечении наношероховатости поверхности лазерного наплавленного №СгВ81 покрытия.
4 Показано, что повышение износостойкости наплавленных лазером покрытий путем оптимизации их состава и проведения наноструктрирующей 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. % ПС, проведение комбинированных лазерно-термических и лазерно-деформационных обработок.
Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании технологий создания 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 Ы1СгВ81 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 Ы1СгВ81 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 №СгВ81 покрытий использовать фрикционную обработку индентором из мелкодисперсного нитрида бора, обеспечивающую повышение микромеханических и трибологических свойств поверхностного слоя и высокое качество обработки поверхности..
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).
Методология и методы 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.
Положения, выносимые на защиту:
1. Превалирующая роль упрочняющих фаз (по сравнению с ролью металлической матрицы) в сопротивлении абразивному изнашиванию Ы1СгВ81 и композиционных №СгВ81-Т1С покрытий, сформированных лазерной наплавкой.
2. Эффект повышения теплостойкости до 1000 °С наплавленных лазером №СгВ81 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 и качества поверхности покрытия.
4. Связь результатов кинетического микроиндентирования поверхностей покрытий с реализующимися механизмами их изнашивания при абразивном воздействии и трении скольжения.
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); 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).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 научных статьях в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ, в 1 статье в журнале, не входящем в перечень ВАК, а также в 20 публикациях в сборниках материалов и тезисов докладов конференций, получен 1 патент РФ.
Основные исследования по теме диссертации выполнены в лаборатории конструкционного материаловедения ФГБУН ИМАШ УрО РАН 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.
Личный вклад автора
Структура и объем диссертации. Диссертация 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.
Автор выражает благодарность кандидатам технических наук сотрудникам Института машиноведения УрО РАН И.Ю. Малыгиной, А.Л. Осинцевой, Р.А. Савраю, сотруднику Института машиноведения УрО РАН Заболотских И.А. и сотруднику Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина А.С. Юровских за участие в экспериментах.
В условиях развития техники и интенсификации технологических процессов все более возрастает роль поверхности материалов, поскольку именно в поверхностных слоях развиваются процессы разрушения (изнашивание, усталость, коррозия), определяющие работоспособность изделий. 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 очевидными преимуществами обладает лазерная наплавка [1-12], в процессе которой тонкий поверхностный слой основного металла оплавляется лазерным лучом совместно с присадочным материалом [1, 13].
На формирование различных фаз в таких покрытиях влияние оказывают условия охлаждения и химический состав порошков. От этого могут зависеть свойства покрытий в различных условиях контактного нагружения. Поэтому представляется важным рассмотреть влияние состава наплавляемого лазером порошка с различным содержанием углерода, хрома и бора, образующих основные упрочняющие фазы - карбиды и бориды, на закономерности изнашивания покрытия при трении и абразивном воздействии.
Дальнейшее эффективное упрочнение и повышение износостойкости покрытий на хромоникелевой основе достигается путем создания на их основе композиционных покрытий при введении в состав порошков различных добавок, например, WC, Сг3С2, ЗЮ, ТаС, А12О3, Ре2О3, У2О5 и др. Перспективно использование для формирования композиционных покрытий карбида титана Т1С благодаря наличию у него высоких уровней твердости, модуля упругости, температуры плавления и хорошей стойкости к окислению [19-22]. Добавки карбида Т1С обеспечивают снижение интенсивности изнашивания и коэффициента трения в условиях сухого трения скольжения, высокую износостойкость при абразивном воздействии. Однако отмечается сильная зависимость трибологических свойств покрытий от количества карбида титана [23, 24].
Покрытия из сплавов №СгВЗ1 находят широкое применение для улучшения качества изделий, эксплуатируемых в условиях значительного нагрева (валки и рольганги в станах горячей прокатки, штампы горячего деформирования, детали теплообменных аппаратов, турбин, твердотопливных котлов и др. [10, 11, 25]). В связи с этим важной задачей является поиск путей повышения термической стабильности структуры и свойств хромоникелевых покрытий.
В последние годы для оценки механических характеристик хромоникелевых покрытий все шире используются современные методы микроиндентирования, позволяющие записывать диаграммы нагружения и разгрузки индентора. Актуальным является применение микроиндентирования для исследования упруго-пластических характеристик поверхности наплавленных лазером покрытий в связи с развитием различных механизмов изнашивания. Эффективность повышения износостойкости при создании и последующих обработках покрытий может в сильной степени зависеть от условий трибологических испытаний. Поэтому особый научный и практический интерес представляет проведение исследований механизмов изнашивания и износостойкости покрытий при различных видах фрикционного нагружения.
Цель диссертационной работы - изучение возможности повышения износостойкости, прочности и теплостойкости наплавленных лазером Ы1СгВ81 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 Ы1СгВ81 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 результатов работы:
1. Установлено, что в условиях испытаний по закрепленному абразиву эффективность повышения износостойкости за счет формирования Ы1СгВ81 и композиционных №СгВ81-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 установлено формирование финишной фрикционной обработкой наноструктурированного упрочненного градиентного слоя, обладающего повышенной износостойкостью в условиях трения скольжения и абразивного изнашивания при одновременном обеспечении наношероховатости поверхности лазерного наплавленного №СгВ81 покрытия.
4 Показано, что повышение износостойкости наплавленных лазером покрытий путем оптимизации их состава и проведения наноструктрирующей 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. % ПС, проведение комбинированных лазерно-термических и лазерно-деформационных обработок.
Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании технологий создания 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 Ы1СгВ81 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 Ы1СгВ81 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 №СгВ81 покрытий использовать фрикционную обработку индентором из мелкодисперсного нитрида бора, обеспечивающую повышение микромеханических и трибологических свойств поверхностного слоя и высокое качество обработки поверхности..
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).
Методология и методы 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.
Положения, выносимые на защиту:
1. Превалирующая роль упрочняющих фаз (по сравнению с ролью металлической матрицы) в сопротивлении абразивному изнашиванию Ы1СгВ81 и композиционных №СгВ81-Т1С покрытий, сформированных лазерной наплавкой.
2. Эффект повышения теплостойкости до 1000 °С наплавленных лазером №СгВ81 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 и качества поверхности покрытия.
4. Связь результатов кинетического микроиндентирования поверхностей покрытий с реализующимися механизмами их изнашивания при абразивном воздействии и трении скольжения.
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); 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).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 научных статьях в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ, в 1 статье в журнале, не входящем в перечень ВАК, а также в 20 публикациях в сборниках материалов и тезисов докладов конференций, получен 1 патент РФ.
Основные исследования по теме диссертации выполнены в лаборатории конструкционного материаловедения ФГБУН ИМАШ УрО РАН 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.
Личный вклад автора
Структура и объем диссертации. Диссертация 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.
Автор выражает благодарность кандидатам технических наук сотрудникам Института машиноведения УрО РАН И.Ю. Малыгиной, А.Л. Осинцевой, Р.А. Савраю, сотруднику Института машиноведения УрО РАН Заболотских И.А. и сотруднику Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина А.С. Юровских за участие в экспериментах.
1. Для сформированных методом газопорошковой лазерной наплавки Ы1СгВ81 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 трения скольжения не выкрашиваются полностью, а образуют на поверхности изнашивания выступающий износостойкий каркас, который и играет определяющую роль в сопротивлении различным видам изнашивания Ы1СгВ81 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 ухудшением 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 №СгВ81 с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой (Патент РФ № 2492980), включающей лазерную наплавку с последующим высокотемпературным отжигом и обеспечивающий сохранение повышенных свойств покрытий в условиях нагрева до 1000 °С.
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 №СгВ81 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 после начала течения материала, на что указывают данные кинетического микроиндентирования.
2. Высокопрочные карбидные и боридные фазы, в том числе крупные содержащие несплошности частицы Т1С, под воздействием закрепленного абразива и трения скольжения не выкрашиваются полностью, а образуют на поверхности изнашивания выступающий износостойкий каркас, который и играет определяющую роль в сопротивлении различным видам изнашивания Ы1СгВ81 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 ухудшением 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 №СгВ81 с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой (Патент РФ № 2492980), включающей лазерную наплавку с последующим высокотемпературным отжигом и обеспечивающий сохранение повышенных свойств покрытий в условиях нагрева до 1000 °С.
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 №СгВ81 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 после начала течения материала, на что указывают данные кинетического микроиндентирования.