Закономерности формирования структуры и свойств износостойких наплавок на низколегированную сталь, модифицированных электронно-пучковой обработкой Кормышев Василий Евгеньевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Для повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоев металлических изделий и конструкций используются различные виды концентрированных потоков энергии. В настоящее время применяют широкий спектр упрочняющих технологий. Это позволяет выбирать ту технологию, которая в наибольшей степени подходит для определенных деталей и конструкций и условий их эксплуатации. Для правильного выбора метода упрочнения необходимо четко представлять, как реализуется выбранная технология, и проводить сравнительный анализ технологий.

Проблема повышения надежности и долговечности деталей машин и механизмов в настоящее время решается за счет целенаправленного и контролируемого изменения свойств их рабочих поверхностей. Получение покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими повышение надежности и долговечности работы изделий в экстремальных условиях, характеризующихся повышенными механическими нагрузками, износом, коррозией, наличием агрессивных сред и циклическим воздействием, является фундаментальной задачей. В развитых странах данную задачу решают путем разработки и использования в технологиях новых наплавочных материалов, содержащих химические соединения, твердые сплавы, твердые растворы; новых источников импульсной энергии; новых систем программного проектирования, устройств диагностики адаптивного управления, обеспечивающих поиск оптимальных технологических режимов, их контроль и стабилизацию. Главным фактором, определяющим упрочнение, является выбранный материал покрытия, отличающийся от основного материала детали и обеспечивающий требуемые свойства поверхности. Для обоснованного выбора материала наплавки, соответствующего условиям его эксплуатации, необходимо проведение подробных исследований структуры, фазового состава, механических и трибологических свойств. Качество поверхности наплавки и улучшения ее трибологических и механических свойств может быть достигнуто последующей электронно-пучковой обработкой.

Тема диссертации соответствует направлению «Нанотехнологии и наноматериалы» Перечня критических технологий РФ и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем». Настоящая работа выполнена при поддержке гранта РНФ (проект №15-19-0065) и государственного задания Минобрнауки РФ (проект № 3.1283.2017/4.6).

Степень разработанности темы исследования. В последние годы получили развитие научные исследования и практические разработки в областях электролучевой, лазерной, плазменной, газотермической и электродуговой наплавки композиционных покрытий. Для защиты металлов и сплавов от различных видов внешних воздействий – износа, коррозии, статистических и динамических нагрузок в горнодобывающей, строительной и металлургической отраслях используется электродуговая наплавка, обеспечивающая комплекс высоких механических свойств.

При научно-обоснованном практическом использовании электродуговой наплавки покрытий, упрочненных частицами карбидов Nb, Cr, W, бори-дов Fe и других высокотвердых фаз, необходим тщательный анализ соотношения: параметры износа – твердость – микроструктура. Только в этом случае возможно получить изделия с высокими эксплуатационными параметрами.

Одним из путей дальнейшего улучшения свойств покрытий, наплавленных электродуговым способом, может служить наноструктуризация путем переплавления низкоэнергетическими импульсными электронными пучками, которые обеспечивают сверхвысокие (до 10⁸ К/с) скорости нагрева, плавления и последующей кристаллизации.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось выявление природы упрочнения поверхности стали Хардокс 450 электродуговой наплавкой порошковыми (Fe-C-Nb-Cr-W) и (Fe-C-Ni-B) проволоками с последующей электронно-пучковой обработкой на основе сравнительного анализа структуры, фазового состава, дефектной субструктуры, трибологических и механических свойств покрытий.

Для реализации цели работы решены следующие основные задачи:

1. Определены трибологические и механические свойства слоев, наплавленных различными порошковыми проволоками за один и два прохода.

2. Проведен анализ изменения структуры, фазового состава, дефектной субструктуры по сечению модифицированных слоев материала (Fe-C-Nb-Cr-W) и (Fe-C-Ni-B) наплавленными проволоками.

3) Установлена природа повышенных физико-механических свойств слоев,
наплавленных порошковыми проволоками различного состава.

4) Выявлена роль последующей электронно-пучковой обработки в моди
фицировании структурно фазовых состояний и свойств слоёв, наплавленных по
рошковыми проволоками.

5) Разработаны рекомендации по практическому внедрению результатов.

Научная новизна.

1. Впервые проведены комплексные исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры, механических и трибологических свойств слоев, наплавленных электродуговым методом на низкоуглеродистую мар-тенситную сталь (Fe-C-Cr-Nb-W) и (Fe-C-Ni-B) проволоками и подвергнутых последующей электронно-пучковой обработке.

2. Показано, что повышенные эксплуатационные свойства наплавленного слоя обусловлены формированием многофазной субмикро и нанораз-мерной структуры -фазы и включений боридов железа и карбидов на основе Fe, Cr, W, Nb и B.

3. Установлено, что модифицирование поверхности наплавленного
слоя облучением высокоинтенсивным импульсным электронным пучком со
провождается существенным уменьшением размеров зерен и частиц борид-
ной и карбидной фаз, а также изменением их морфологии.

Научная и практическая значимость работы. Сформирован банк

данных о закономерностях образования структуры, фазового состава, де-4

фектной субструктуры, трибологических и механических свойств покрытий, наплавленных на низкоуглеродистую сталь с использованием порошковых проволок различного химического состава и модифицированных последующей электронно-пучковой обработкой. Установлена природа формирования высоких физико-механических свойств наплавленного слоя и его эволюция при электронно-пучковой обработке.

Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях, а основные положения диссертации представляют интерес, как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния и физического материаловедения. Практическая значимость подтверждена актами и справками использования результатов.

Методология и методы исследования. Методы упрочнения поверхности за счет нанесения покрытий и модифицирование наплавленного слоя основаны на изменении фазового состава и формировании необходимой структуры материала. При этом одним из основных факторов, определяющих упрочнение, является материал покрытия, обеспечивающий требуемые свойства поверхностных слоев.

Экспериментальные исследования проводились с использованием аналитического и испытательного оборудования кафедры естественнонаучных дисциплин имени профессора В.М. Финкеля, центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете, Томского материаловедческого центра коллективного пользования при Национальном исследовательском Томском государственном университете, Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС», а также в Институте металловедения и физики металлов им. Г. В. Курдюмова Государственного научного центра РФ ЦНИИЧермет им. И. П. Бардина.

Исследования проводились с использованием методов световой (микроскоп Olympus GX 51), электронной сканирующей микроскопии (СЭМ) (микроскоп SEM 515 Philips), просвечивающей электронной микроскопии (микроскоп FET Technai 2062 TWIN), рентгеноструктурного анализа (дифрактометр Shumad-zu XRD-7000s).

Прочностные свойства покрытий оценивали, определяя из микротвердость (прибор HVS-1000A), трибологические свойства – путем определения скорости износа W, мм³/(Нм), по объему удаленного материала, отнесенного к нормальной нагрузке на образец и пути трения, а также коэффициента трения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований механических и трибологических свойств
слоев, наплавленных порошковыми (Fe-C-Nb-Cr-W) и (Fe-C-Ni-B) проволо
ками, свидетельствующие о многократном увеличении износостойкости и
снижении коэффициента трения.

2. Результаты послойного электронно-микроскопического анализа
структуры, фазового состава и дефектной субструктуры слоев, наплавленных
порошковыми проволоками различного химического состава.

3. Основные факторы, ответственные за формирование повышенных физико-механических свойств наплавленных слоев.

4. Совокупность экспериментальных данных изменения трибологиче-ских, механических свойств и структурно-фазовых состояний наплавленных слоев, модифицированных электронно-пучковой обработкой.

5. Выявленная природа упрочнения наплавленных слоев, обработанных
высокоинтенсивными импульсными электронными пучками.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием современных методов физики конденсированного состояния, соответствием полученных экспериментальных данных и результатов других исследователей, использованием для анализа результатов апробированных теоретических представлений физики конденсированного состояния.

Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях: VII ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, Москва, Роснано, 2016; LVII международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Севастополь, Россия, 2016; XX всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения». Новокузнецк, 2016; VI Научно-технической конференции молодых специалистов “Перспективы развития металлургических технологий“ Москва, 2016; International Conference «Responsible Research and Innovation (RRI2016)», Tomsk, 2016; Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», Томск, 2016; X Международной конференции ФППК-2016, посвященной памяти академика Г.В. Курдюмова и Второй Всероссийской Молодежной школы «Структура и свойства перспективных материалов», Черноголовка, 2016; Международном семинаре МНТ-XIV «Структурные основы модифицирования материалов», Обнинск, 2017; LVIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Пермь, 2017; LIX Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Тольятти, 2017; XXIII Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2018.

Личный вклад автора состоит в анализе литературных данных, планировании и проведении экспериментов, обработке и анализе результатов экспериментальных исследований, написании статей и тезисов докладов по теме диссертации, формулировании основных выводов и положений, выносимых на защиту.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 14-ти статьях в журналах из перечня ВАК, 5-и статьях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, 4 главах коллективных монографий и тезисах 8-ми докладов на различных научных мероприятиях Всероссийского и Международного уровня. Соавторы не возражают против использования опубликованных результатов в диссертации.

Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение и приложения, изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка и 15 таблиц, список литературы состоит из 219 наименований.