Структурно-фазовые состояния и свойства быстрорежущей наплавки после отпуска и электронно-пучковой обработки

Введение

В горнодобывающей, металлургической и строительной отраслях промышленности для защиты изделий от различных видов износа, коррозии, статических и динамических нагрузок применяется наплавка, которая обеспечивает высокие функциональные свойства [1; 2].

В последнее время активно развиваются научные исследования и практические разработки в области плазменной наплавки высокой твердости (Р18, Р6М5, Р2М9 и другие) с применением азота в качестве легирующего элемента [1]. При выборе материала наплавки, соответствующего условиям его эксплуатации, необходимо проведение тщательных исследований структуры, фазового состава, механических и трибологических свойств и их эволюции при последующей термообработке [3].

Важно отметить, что особую роль выполняют поверхностные слои, образование микродефектов в которых способно привести к макроразрушению. В этой связи актуальной становится разработка высокоэффективных способов формирования поверхностных слоев с высокими эксплуатационными характеристиками на рабочих поверхностях. Проблема может быть решена традиционными способами упрочнения (химико-термические, механические, физические и др.) [3], однако в ряде случаев эти способы не обеспечивают хорошей адгезии с матрицей. С этой точки зрения эффективной является электронно-пучковая обработка (ЭПО), при применении которой значительно повышаются механические свойства всего материала за счет оптимизации структурно-фазовых состояний поверхностных слоев [4]. Применение ЭПО значительно эффективнее традиционных видов обработки материалов.

Целью настоящей работы является исследование структурно-фазовых состояний и свойств сформированной в защитно-легирующей среде азота наплавки из быстрорежущей стали Р18Ю при последующих высокотемпературном отпуске и ЭПО.

Материал и методы исследования

Материалом исследования являлись образцы стали 30ХГСА с наплавленным слоем стали Р18Ю. Наплавленный слой получали плазменной наплавкой в среде азота нетоковедущей порошковой проволокой ПП-Р18Ю. Химический состав стали марки Р18Ю (мас. %): С 0,87; Cr 4,41; W 17,00; Mo 0,10; V 1,50; Ti 0,35; Al 1,15; N 0,06; остальное – железо. При плазменной наплавке расход защитного газа (азота) Q_защ составлял 20 – 22 л/мин; расход плазмообразующего газа (аргона) Q_плазм – 6 – 8 л/мин. Методика плазменной наплавки и обоснование выбора режима приведены в работах [1; 2]. Исследования проводили в состоянии после наплавки, высокотемпературного отпуска при температуре нагрева 580 °С (время выдержки 1 ч, количество отпусков 4) и ЭПО. Облучение осуществляли при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см². Длительность импульса составляла 50 мкс, количество импульсов облучения – 5, частота следования импульсов – 0,3 с\(^–\)¹.

Исследования структуры, дефектной субструктуры, фазового и элементного составов осуществляли методами сканирующей (прибор KYKY-EM 6900) и просвечивающей (прибор JEM-2100 JEOL) электронной микроскопии [5 – 7]. Микротвердость измерялась методом Виккерса (прибор HVS-1000) при нагрузке на индентор 1 Н, трибологические свойства – на трибометре Pin on Disc and Oscillating Tribotester.

Результаты и их обсуждение

Плазменная наплавка формирует слой, основными фазами которого являются α-Fe и карбиды состава Me₆C, формирующие карбидную сетку и являющиеся основной упрочняющей фазой. В процессе образования наплавки в объеме зерен формируются наноразмерные частицы карбидной фазы. Значения микротвердости H_μ, параметра износа V и коэффициента трения k приведены в таблице.

После высокотемпературного отпуска размер зерен составляет 7,0 – 22,5 мкм. Результаты изучения элементного состава, выполненного методами картирования каркасной сетки наплавленного слоя, свидетельствуют о том, что зерна сетки обогащены атомами вольфрама, железа, хрома (см. рисунок). Анализ микроэлектронограмм позволяет установить, что каркас образован карбидами сложного состава Fe₃W₃C (Fe₂W₄C). Размеры зерен карбидной фазы изменяются в пределах 80 – 350 нм. Для зерен твердого раствора на основе α-Fe методом картирования показано наличие атомов вольфрама, хрома, ванадия, железа и углерода, что позволяет предположить наличие наноразмерных частиц карбидной фазы сложного состава. Эти частицы имеют округлую или ограненную формы, размеры составляют 10 – 18 нм.

Анализ соответствующих микроэлектронограмм показывает, что частицы глобулярной формы, расположенные хаотически в объеме зерен α-Fe, являются карбидами составов V₄C₃ или Cr₇C₃. Частицы ограненной формы являются карбидами составов Cr₂₃C₆ (Мe₂₃С₆), Fe₃C или WC_1 – x.

После отпуска микротвердость увеличивается на 13 % и достигает 5,3 ГПа, параметр износа увеличивается на 12,3 %, коэффициент трения снижается на 7 % (см. таблицу).

Электронно-пучковая обработка отпущенного наплавленного слоя формирует тонкий (30 – 50 мкм) поверхностный слой с ячеистой (зеренной) структурой высокоскоростной кристаллизации субмикронного размера (100 – 250 нм). По границам ячеек кристаллизации располагаются частицы второй фазы с поперечными размерами 10 – 15 нм. В отдельных случаях на границах и в объеме ячеек выявляются частицы ограненной или глобулярной формы, размеры которых достигают 45 нм. Частицы второй фазы наблюдаются также и в объеме ячеек, размеры таких частиц составляют 5 – 10 нм. Анализ микроэлектронограмм показал, что это карбиды сложного состава Me₆C, Me₂₃C₆, Me₃C, Me₇C₃ (здесь Мe обозначены химические элементы хром, железо, вольфрам). Электронно-пучковая обработка сопровождается кратным (в три и более раз) повышением износостойкости материала, снижением коэффициента трения при неизменной микротвердости.

Выводы

Методами современного физического материаловедения проведены исследования структуры, элементного и фазового составов, состояния дефектной субструктуры, механических и трибологических свойств слоя наплавки быстрорежущей стали Р18Ю в защитно-легирующей среде азота, подвергнутого высокотемпературному отпуску и дополнительному облучению импульсным электронным пучком в режиме высокоскоростного плавления тонкого поверхностного слоя.