НАНОТВЕРДОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ, ОБЛУЧЕННОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

Для обоснованного выбора материала покрытий, соответствующих условиям эксплуатации изделий и режимов последующей электронно-пучковой обработки, исследованы нанотвердость, модуль Юнга и дефектная субструктура слоя, наплавленного на мартенситную низкоуглеродистую сталь Hardox 450 высокоуглеродистыми порошковыми проволоками диам. 1,6 мм различного химического состава (содержащими такие элементы, как ванадий, хром, ниобий, вольфрам, марганец, кремний, никель, бор), и дополнительно двухкратно-облученного импульсным электронным пучком. Формирование наплавленного слоя на поверхность стали осуществляли в среде защитного газа, содержащем 98 % Ar, 2 % CO₂ , при сварочном токе 250 – 300 А и напряжении на дуге 30 – 35 В. Модифицирование наплавленного слоя осуществляли путем облучения поверхности наплавленного слоя высокоинтенсивным электронным пучком в режиме плавления и высокоскоростной кристаллизации. Нагрузка на индентор составляла 50 мН. Определение нанотвердости и модуля Юнга проводили в 30 произвольно выбранных точках модифицированной поверхности наплавки. Дефектную структуру поверхности модифицированной электронным пучком наплавки изучали методами сканирующей электронной микроскопии. Выявлено кратное увеличение нанотвердости и модуля Юнга наплавленного слоя при электронно-пучковой обработке относительно материала основы. Выявлено, что максимальный упрочняющий эффект наблюдается при наплавке порошковой проволокой, содержащей 4,5 % бора. Показано, что на поверхности наплавки, сформированной проволокой, в элементный состав которой входит 4,5 % бора, и дополнительно облученной интенсивным импульсным электронным пучком, формируются системы микротрещин. Исследования наплавок, сформированных порошковыми проволоками, не содержащими бор, после импульсной обработки электронным пучком показали отсутствие микротрещин на модифицированной поверхности. Повышение прочностных свойств модифицированного электронным пучком наплавленного слоя обусловлено формированием структуры, размеры кристаллитов которой изменяются от десятых долей микрометра до единиц микрометра, и содержащей включения вторых фаз (бориды, карбиды, карбобориды). Установлен значительный разброс значений нанотвердости и модуля Юнга, что обусловлено, очевидно, неоднородным распределением упрочняющих фаз.

1. Черноиванов В.И., Голубев И.Г. Восстановление деталей машин (Состояние и перспективы). – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. – 376 с.

2. Жиркин Ю.В. Надежность, эксплуатация и ремонт металлургических машин. – Магнитогорск: изд. МГТУ, 2002. – 330 с.

3. Наноинженерия поверхности. Формирование неравновесных состояний в поверхностных слоях материалов методами электронно-ионно-плазменных технологий / Отв. ред. Н.З. Ляхов, С.Г. Псахье. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. – 276 с.

4. Konovalov S., Kormyshev V., Gromov V., Ivanov Yu. Metallographic examination of forming improved mechanical properties via surfacing of steel HARDOX 450 with fl ux cored wire // Materials Science Forum. 2016. Vol. 870. P. 159 – 162.

5. Гришунин В.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф. и др. Эволюция фазового состава и дефектной субструктуры рельсовой стали, подвергнутой обработке высокоинтенсивным электронным пучком // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2013. № 10. С. 82 – 88.

6. Yun H., Li J., Chen H.B., Lin C.-J. A study on the N-, S- and Cl-modified nano-TiO2 coatings for corrosion protection of stainless steel // Electrochimica Acta. 2007. Vol. 52. P. 6679 – 6685.

7. Cho T.Y., Yoon J.H., Cho J.Y. etc. Surface properties and tensile bond strength of HVOF thermal spray coatings of WC-Co powder onto the surface of 420J2 steel and the bond coats of Ni, NiCr, and Ni/NiCr // Surface and Coatings Technology. 2009. Vol. 203. P. 3250 – 3253.

8. Jiang P., He X.L., Li X.X. etc. Wear resistance of a laser surface alloyed Ti-6Al-4V alloy // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 130. P. 24 – 28.

9. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов: Учебник / В.А. Грибков, Ф.И. Григорьев, Б.А. Калин и др. – М.: Круглый стол, 2001. – 528 с.

10. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов / К.К. Кадыржанов, Ф.Ф. Комаров, А.Д. Погребняк и др. – М.: изд. МГУ, 2005. – 640 с.

11. Walker J.C., Murray J.W., Niea M. etc. The eff ect of large-area pulsed electron beam melting on the corrosion and microstructure of a Ti6Al4V alloy // Applied Surface Science. 2014. Vol. 311. P. 534 – 540.

12. Gao Yu-kui. Infl uence of pulsed electron beam treatment on microstructure and properties of TA15 titanium alloy // Applied Surface Science. 2013. Vol. 264. P. 633 – 635.

13. Golkovski M.G., Bataev I.A., Bataev A.A. etc. Atmospheric electron-beam surface alloying of titanium with tantalum // Materials Science and Engineering A. 2013. Vol. 578. P. 310 – 317.

14. Райков С.В., Капралов Е.В., Ващук Е.С. и др. Структура поверхностного слоя износостойкой наплавки, обработанным высокоинтенсивным электронным пучком // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. № 9. С. 75 – 80.

15. Ivanov Y., Alsaraeva K., Gromov V. etc. Evolution of Al-19.4Si alloy surface structure after electron beam treatment and high cycle fatigue // Materials Science and Technology (United Kingdom). 2015. Vol. 31 (13a). P. 1523 – 1529.

16. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hard ness and elastic modulus using load and displacement sensing inden tation experiments // J. Mater. Res. 1992. Vol. 7. No. 6. P. 1564 – 1583.

17. Milman Yu.V., Golubenko A.A., Dub S.N. Indentation size eff ect in nanohardness // Acta Materialia. 2011. Vol. 59 (20). P. 7480 – 7487.

18. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.

19. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. – М.: Машиностроение, 2009. – 312 с.

20. Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. – М.: Атомиздат, 1975. – 376 с.

21. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Под ред. Л.С. Ляховича. – М.: Металлургия, 1981. – 424 с.

22. Елагина О.Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Учеб. пособие для вузов. – М.: Логос, 2009. – 488 с.