Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса и постановка задачи исследования (литературный обзор) 13
1.1 Исторический аспект 13
1.2 Классификация видов износа 14
1.3 Характеристики износа 17
1.4 Закономерности изнашивания деталей, образующих пары трения 17
1.5 Защита от износа 18
1.6 Изнашивание без смазочного материала 19
1.7 Граничная смазка 20
1.8 Микроструктура покрытий 22
1.9 Вторичные структуры, формирующиеся в процессе трения 28
1.9.1 Вторичные структуры I типа 28
1.9.2 Вторичные структуры II типа 29
1.9.3 Метастабильность вторичных структур 30
1.9.4 Структурная приспосабливаемость 31
1.10 Износостойкие материалы 33
1.10.1 Композитные материалы 33
1.10.2 Стали различных структурных классов 36
1.10.3 Быстрорежущие стали 39
1.11 Источники концентрированных потоков энергии 42
1.11.1 Электронно-лучевая наплавка 42
1.12 Постановка задачи 45
2 Оборудование, материалы и методы исследования 49
2.1 Материал исследования 49
2.2 Технологическое оборудование для нанесения покрытий 49
2.3 Методы исследования з
2.3.1 Подготовка микрошлифов 52
2.3.2 Исследование структурно-фазового состояния покрытий 52
2.3.3 Исследование шероховатости покрытий 53
2.3.4 Исследование микротвердости 53
2.3.5 Испытания на абразивный износ 54
2.3.6 Испытания в паре трения 55
3 Влияние температурного режима при вакуумной электронно-лучевой наплавке на структурно-фазовое состояниеи абразивную износостойкость покрытий на основе стали 10Р6М5 57
3.1 Изменение температуры основного металла при вакуумной ЭЛН 57
3.2 Структурно-фазовое состояние покрытий 61
3.3 Влияние структурно-фазового состава покрытий на абразивную износостойкость 69
3.4 Выводы по разделу 3 73
4 Особенности изнашивания композиционного покрытия на основе стали 10р6м5 в трибоконтакте со сталью ШХ15 в широком интервале скоростей и нагрузок 74
4.1 Особенности изнашивания покрытия на основе стали 10Р6М5 74
4.2 Особенности изнашивания композиционного покрытия «сталь 10Р6М5+20% WC» 88
4.3 Анализ результатов практического использования композиционных покрытий после годичных производственных испытаний 101
4.4 Выводы по разделу 4 105
Общие выводы 107
Список литературы
- Вторичные структуры, формирующиеся в процессе трения
- Подготовка микрошлифов
- Структурно-фазовое состояние покрытий
- Анализ результатов практического использования композиционных покрытий после годичных производственных испытаний
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время в промышленности остро стоит проблема создания многофункциональных износостойких покрытий для тяжелонагруженных пар трения, работающих в условиях высоких линейных скоростей и приложенных нагрузок при недостаточном количестве смазки или при полном ее отсутствии. Для решения данных задач активно применяются технологии, использующие концентрированные потоки энергии: плазменная, лазерно-лучевая, вневакуумная и вакуумная электронно-лучевая наплавки. Значительный прогресс достигнут в развитии наплавки методом вакуумной электронно-лучевой обработки.
Аустенитная и аустенитно-мартенситная структуры матрицы в композиционных покрытиях считаются наиболее благоприятными основами для износостойкого материала. Применение аустенитных сплавов основано на способности аустенита претерпевать фазовое превращение с образованием в поверхностном слое мартенситной структуры под действием высоких внешних нагрузок. Такие сплавы обладают высокой вязкостью и износостойким поверхностным слоем.
С точки зрения размера упрочняющих частиц, преимущество отдают их бимодальному (мультимодальному) распределению в объеме аустенитной или аустенитно-мартенситной матрицы. Многочисленные эксперименты показывают, что подобное распределение упрочняющих частиц обеспечивает высокую износостойкость по сравнению с нано- и микрозеренными покрытиями как при абразивном износе, так и в паре трения.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время для работы в тяжелонагруженных узлах трения применяются твердосплавные покрытия на основе карбидов вольфрама, титана и хрома. Эволюция их структуры и свойств изучена полно, начиная от процесса нанесения до процессов, протекающих в покрытиях во время изнашивания. Необходимо отметить, что применение такого рода покрытий сопряжено с рядом трудностей, в первую очередь, касающихся сохранения фазового состава при их нанесении. Перспективным материалом для использования в тяжелонагруженных узлах трения является быстрорежущая сталь. Существует множество работ, посвященных исследованиям литой быстрорежущей стали. Однако изучению покрытий на ее основе уделялось меньше внимания. Как правило, изучаются покрытия, нанесенные с помощью технологий, использующих лазерный луч или плазму. В предыдущих исследованиях был разработан оптимальный состав композиционного порошка «сталь 10Р6М5+20 вес.% WC» для электронно-лучевой наплавки в вакууме. На основе совмещения процессов наплавки и старения в одном технологическом цикле удалось получить в объеме упрочненного слоя однородную дисперсно-упрочненную структуру с мультимо-дальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам. Это обеспечило резкое повышение абразивной износостойкости данному композиционному покрытию. Однако вопрос о влиянии режима наплавки на количество остаточного
аустенита и карбидов в наплавленном покрытии на основе стали 10Р6М5 и его абразивную износостойкость остается открытым. Последнее в полной мере относится и к изучению характера изнашивания данных покрытий (сталь 10Р6М5 и «сталь 10Р6М5+20 вес.% WC») в паре трения с термообработанной сталью ШХ15 в широком интервале скоростей, нагрузок и температур.
Цель работы - установление взаимосвязи механизмов изнашивания наплавленных композиционных покрытий на основе быстрорежущей стали 10Р6М5 с режимами наплавки, исходной микроструктурой и ее эволюцией при трении при следующих условиях:
незакрепленный абразив или пара трения со стальным контртелом, отсутствие смазки;
интервал скоростей 1,2-3,6 м/с;
интервал нагрузок 20-100 Н;
температура до 200С.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Изучить влияние толщины образцов основного металла (5...40 мм), изготовленных из малоуглеродистой стали, на структурно-фазовый состав упрочненного слоя при многопроходной электронно-лучевой наплавке порошком стали 10Р6М5;
-
Провести испытания на абразивный износ (кварцевый песок и электрокорунд) и оценить роль остаточного метастабильного аустенита и наличия дисперсных вторичных карбидов в повышении износостойкости покрытий на основе стали 10Р6М5;
-
Провести испытания пар трения сталь 10Р6М5 - сталь ШХ15 и «сталь 10Р6М5+20% WC» - сталь ШХ15 при отсутствии смазки в широком интервале скоростей и нагрузок;
-
Изучить эволюцию структурно-фазового состояния покрытий в ходе изнашивания покрытий в паре трения со сталью ШХ15 в широком интервале скоростей скольжения и нагрузок;
-
Исследовать покрытия после промышленных испытаний и дать оценку их работоспособности.
Научная новизна работы
-
Установлено, что в процессе многопроходной вакуумной электроннолучевой наплавки нагрев ранее наплавленного металла с повышением температуры в каждом последующем проходе от -100 до 850С в зависимости от толщины заготовки основного металла (5...21 мм) позволяет регулировать в широких пределах объемную долю вторичного карбида и остаточного аустенита матрицы, причем максимальному количеству остаточного аустенита (-25...30% об.) соответствует максимальное количество вторичного карбида (-7.5% об.).
-
Показано, что с ростом количества остаточного аустенита в покрытиях на основе стали 10Р6М5 их абразивная износостойкость повышается за счет частичного у—ж' - мартенситного превращения при трении и наличия мультимо-дального распределения карбидов в объеме зерен матрицы.
-
Установлены причины катастрофического изнашивания при скоростях скольжения 2,4 и 3,6 м/с и нагрузке в интервале 40...60 Н; установившегося износа — при тех же скоростях скольжения в интервале нагрузок 20...40 Н и 60... 100 Н в паре трения сталь 10Р6М5 - сталь ШХ15.
-
Показано, что для пары трения «сталь 10Р6М5+20% WC» - сталь ШХ15» значительное снижение интенсивности изнашивания обусловлено одновременным увеличением объёмных долей карбидной фазы и остаточного аустенита матрицы.
Научная и практическая значимость работы Научная значимость определяется тем, что в ходе работы было выявлено влияние многопроходной вакуумной электронно-лучевой наплавки на объемную долю вторичного карбида и остаточного аустенита матрицы получаемых покрытий, которые определяют их абразивную износостойкость и работоспособность в паре трения с термообработанной сталью ШХ15. Для пары трения «сталь 10Р6М5+20% WC» - сталь ШХ15» значительное снижение интенсивности изнашивания обусловлено одновременным увеличением объёмных долей карбидной фазы и остаточного аустенита матрицы.
Практическая значимость состоит в том, что предложена технология многопроходной вакуумной электронно-лучевой наплавки, обеспечивающая формирование мультимодального распределения упрочняющих частиц по размерам в мартенситно-аустенитной матрице и повышение износостойкости покрытий на основе стали 10Р6М5 при абразивном износе частицами кварцевого песка и электрокорунда. Обоснована возможность и перспективность применения наплавленных покрытий на основе стали 10Р6М5 для упрочнения опорных шеек вал-шестерен высоконагруженных редукторов в ООО «Томскнефтехим» с увеличением ресурса их работы до 17 раз.
На защиту выносятся следующие положения
-
Микроструктурное обоснование температурно-временного режима че-тырехпроходной наплавки (1 проход - Ю0...500С; 2 проход - 200...650С; 3 проход - 350...800С; 4 проход - 450...850С, время цикла в одном проходе (наплавка + охлаждение) 180 с), обеспечивающего возможность регулирования в широких пределах объемной доли вторичных карбидов и остаточного аустенита матрицы в покрытиях на основе стали 10Р6М5.
-
Взаимосвязь немонотонного характера интенсивности изнашивания со структурно-фазовым состоянием композиционного покрытия на основе стали 10Р6М5 при работе в паре трения со сталью ШХ15 в интервале скоростей скольжения 1,2-3,6 м/с и нагрузок 20-100 Н.
-
Обоснование выбора количества карбида вольфрама в покрытии, при введении которого в исходный порошок наплавляемой стали 10Р6М5 обеспечивается уменьшение интенсивности изнашивания композиционного покрытия в 2...3 раза и линейный ее рост с нагрузкой в паре трения со сталью ШХ15 по сравнению с покрытием на основе стали 10Р6М5.
Работа выполнена при поддержке: 1. Проекта «Наука» Государственного задания Минобрнауки РФ на проведение научно-исследовательских работ ТПУ №8.3664.2011 «Разработка нового
класса композиционных покрытий с метастабильными, мультимодальными структурами и их влияние на закономерности и механизмы износа» (2012-2013 гг.).
-
Проекта «Наука» Государственного задания Минобрнауки РФ на проведение научно-исследовательских работ ТПУ №01201459041 «Особенности формирования структурно-фазового состава нового класса многофункциональных композиционных покрытий при использовании различных источников концентрированных потоков энергии и его влияние на закономерности и механизмы износа» (2014 г.).
-
Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме: «Разработка экспериментальных конструкций комбинированного инструмента с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород» (Соглашение №14.607.21.0028 от 05.06.2014г.).
Работа выполнена на экспериментальном оборудовании ТПУ, центров коллективного пользования Томского государственного университета и Федерального государственного бюджетного учреждения науки ИФПМ СО РАН.
Личный вклад автора состоит в получении результатов, изложенных в диссертации, системном анализе и отборе необходимых литературных данных в рамках заявляемой темы, подготовке образцов для исследований и промышленных испытаний еще на этапе обучения в бакалавриате и магистратуре, проведении экспериментов на изнашивание незакрепленным абразивом и трение в паре с термообработанной сталью ШХ15, обобщении и анализе полученных результатов, формировании выводов и положений, написании статей по теме научной работы.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач, применением комплекса современных методов исследования, большим объемом экспериментальных данных, повторяемостью основных выявленных закономерностей.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезо-механике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (Томск, 2008); «Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов» (Томск, 2009); Международной научно-технической конференции «Славяновские чтения» (Липецк, 2009); Научно-технической конференции «Трибология-Машиностроению» (Москва, 2010); «The 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010); V Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2011); «The 25th International Symposium on discharges and Electrical insulation in vacuum» (Томск, 2012); Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (Томск, 2013); XVII Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск,
2013); Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем: моделирование, эксперимент, приложения» (Томск, 2014); «The 12th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2014).
Публикации. Результаты работы опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 7 статьях в рецензируемых (отечественных и международных) журналах из перечня ВАК РФ.
Объем и структура диссертационной работы. Текст диссертации состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка литературы, включающего 237 наименований, и приложения. Всего 127 страниц, в том числе 38 рисунков, 3 формулы и 6 таблиц.
Вторичные структуры, формирующиеся в процессе трения
В зависимости от физики процесса целесообразно выделить два класса: изнашивание механическое и механохимическое. В этих классах следует различать изнашивании при трении скольжения, изнашивание при трении качения, изнашивание при ударе и изнашивание в потоке газа или воздуха. Согласно классификации изнашивания по разным принципам [19] например, по виду сред и условиям работы пар трения, выделяют механическое изнашивание, абразивное изнашивание, высокотемпературное окислительное изнашивание, изнашивание скоростной струей жидкости и др.
По механизму разрушения трущихся поверхностей различают следующие виды изнашивания: 1) адгезионное; 2) абразивное; 3) при резании (задире, царапании); 4) коррозионное; 5) поверхностная усталость; 6) ударное; 7) кавитационно-эрозионное.
Адгезионное изнашивание. Реальная поверхность металла всегда имеет некоторую волнистость и многочисленные микровыступы, поэтому контактирование двух поверхностей происходит лишь в отдельных выступающих точках. Трение двух металлических поверхностей под некоторой нагрузкой происходит в условиях пластической деформации металла в точках фактического контакта, развитие которой сопровождается сближением поверхностей вплоть до активизации сил сцепления между атомами металлов сопряженных поверхностей и возникновения адгезии на ограниченных участках. Возникновение адгезии и последующее разрушение узлов схватывания, сопровождающееся задиранием и истиранием менее твердого металла, составляет существо адгезионного изнашивания. При сопряжении металла с пластмассой, адгезионное изнашивание отсутствует полностью.
Абразивное изнашивание. Такое изнашивание происходит в слу чае, если между трущимися поверхностями тел попадают частицы твердого вещества (продуктов износа), вызывающие истирание этих поверхностей в результате резания или царапания.
Предотвращение абразивного изнашивания требует защиты трущихся металлических поверхностей от абразивных частиц. Считают, что для уменьшения этого изнашивания предпочтительно применение металла по возможности высокой твердости. Абразивное изнашивание мягких и твердых поверхностей имеет свои особенности. В частности, при трении металлических поверхностей низкой твердости абразивные частицы «утопают» в металле, а при высокой твердости металла они оставляют царапины на трущихся поверхностях, что делает абразивное изнашивание похожим на процесс изнашивания при задирании.
Изнашивание при резании (задире, царапании). Процесс изнаши вания состоит в том, что выступающие части поверхности металла высокой твердости при трении вызывают пластическое оттеснение и локальный срез (микрорезание) сопряженного поверхностного слоя металла низкой твердо сти. Этот вид изнашивания, как и абразивное изнашивание, в равной мере выражается в образовании задира и царапин на трущихся поверхностях. Од нако при абразивном изнашивании повреждение поверхности вызывается инородными твердыми частицами (песком, стружкой и т. п.), попадающими в зазор между трущимися поверхностями извне, тогда как изнашивание при микрорезании, задире и царапании вызывается поверхностями самих тру щихся тел. По степени разрушения поверхностей износ при резании может в 10 раз превышать значение износа, вызываемого абразивной средой.
Коррозионное изнашивание. При работе в агрессивных средах коррозия деталей зачастую ускоряет их износ. В условиях трения, обеспечивающего очистку поверхности от образовавшихся продуктов коррозии, последняя прогрессирует быстрее. В частности, сера из состава дизельного топлива и влага, конденсирующаяся на стенках цилиндров дизеля, ускоряют износ цилиндров, развивающийся в условиях коррозии.
Поверхностная усталость. При длительном движении составов по железнодорожному пути на рабочей поверхности рельсов возникают чешуйчатые выбоины. Такая форма износа связана с тем, что при периодическом действии напряжений сдвига в поверхностном слое возникают локальные разрушения. Это явление носит название поверхностной усталости.
Ударное изнашивание. При длительном действии ударной нагрузки возникает пластическая деформация поверхностного слоя с отделением из него мелких частиц обломков металла.
Кавитационно-эрозионное изнашивание [2]. При быстром движении металлического изделия внутри жидкости или при скоростном течении жидкости внутри изделия ударное действие пузырей, возникающих при колебаниях давления, создает на металлической поверхности большую циклическую нагрузку, вызывающую износ, называемый обычно кавитационным.
Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы: детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи и т.п.), и детали, изнашивание которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и т.п.).
Характерные виды изнашивания деталей первой группы — абразивное (твердыми частицами, попадающими в зону контакта), адгезионное, окислительное, усталостное. Для деталей второй группы типично абразивное изнашивание (например, истирание почвой), гидро- и газоабразивное (твердыми частицами, перемешиваемыми жидкостью или газом), эрозионное, гидро- и газоэрозионное (потоком жидкости или газа), кавитационное (от гидравлических ударов жидкости).
Подготовка микрошлифов
Установление взаимосвязи механизмов изнашивания наплавленных композиционных покрытий на основе быстрорежущей стали 10Р6М5 с режимами наплавки, исходной микроструктурой и ее эволюцией при трении при следующих условиях:
Основной материал. Наплавку проводили на пластины размером 30x250 мм (толщина основного металла (подложки) изменялась от 5 до 40 мм), изготовленные из стали 20. Ширина наплавочной дорожки не превышала 20 мм. Для формирования толщины наплавленного слоя 3 мм число проходов электронного луча было равно 4. Для отработки режима электронно-лучевой наплавки на шейки вал-шестерен были проведены модельные эксперименты по упрочнению образцов из стали 38Х2МЮА, предварительно подвегнутые нормализации, что обеспечило им твердость на уровне 250...260 НВ (заводская технология термической обработки).
Наплавочные материалы. Для электронно-лучевой наплавки в вакууме (остаточное парциальное давление не менее 0,013 Па) использовался промышленный порошок быстрорежущей стали 10Р6М5 (С - 1%, Сг - 4%, W -6.5%, Мо - 5%, V - 1.5%, Si 0.5%, Мп 0.55%, Ni 0.4%, S 0.03%, 02 0.03%, Fe - основа (вес. %)), полученный распылением расплава в воду, производства ОАО «Тулачермет», и композиционный порошок «сталь 10Р6М5 + 20 вес.% WC» дисперсностью 50...350 мкм. Композиционный порошок для наплавки получали смешиванием выше названных порошков, спеканием смеси в вакууме (остаточное парциальное давление не менее 10 Па), с последующим дроблением и рассевом на фракции полученных спёков. Способ получения композиционного порошка детально описан в работе [10].
Установка электронно-лучевой наплавки (ЭЛН) представляет собой вакуумную автоматизированную систему с компьютерным управлением. На Рисунке 2.1 представлена принципиальная схема установки ЭЛН. Наплавляемая деталь загружается в камеру (позиция 1) и фиксируется внутри на манипуляторах вращения и перемещения с внешним электроприводом (позиция 4). P
Рисунок 2.1- Принципиальная схема установки ЭЛН Камера откачивается вакуумной станцией (позиция 5) до рабочего давления 1-10 Па. Сканирующий электронный луч, сформированный электронной пушкой (позиция 2), попадая на поверхность детали, образует зону расплава, в которую посредством дозатора (позиция 3) поступает порошковый наплавочный материал. При заданном вращении и перемещении детали на ее поверхности формируется покрытие. Все параметры нанесения покрытия, вращения и перемещения контролируются компьютерным управлением, расположенным в энергоблоке (позиция 6).
За основу электронно-лучевой пушки был взят источник на основе отражательного разряда с полым катодом [199].
Важной особенностью установки является то, что она укомплектована электронной пушкой с плазменным катодом. Применение такого источника электронов позволяет резко повысить его ресурс и вести наплавку в техническом вакууме (Р 0,5 Па). Для извлечения электронов из плазмы использовали разряд с высокой степенью неоднородности концентрации. Это необходимо для уменьшения тепловой нагрузки на электроды и повышения его эко 51 номичности. Для инициирования разряда с полым катодом используется дополнительный отражательный или пеннинговскии разряд, являющийся одной из разновидностью разрядов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Его главное назначение обеспечивать устойчивое зажигание и стабильное горение основного разряда в катодной полости, а также автоматическое инициирование основного разряда в катодной полости при его случайном погасании.
Установка дополнительно оборудована системой подачи порошка в зону расплава, состоящую из порошкового питателя-дозатора с бункером и блоком управления порошковым питателем. Наплавка износостойкого покрытия производится подачей наплавляемого порошка в жидкометалличе-скую ванну, возникающую на поверхности наплавляемой детали под действием электронного пучка. Формирование износостойкого покрытия происходит при совмещении поперечных колебаний электронного пучка и продольного перемещения детали относительно электронной пушек и порошкового питателя.
Структурно-фазовое состояние покрытий
Испытания на трение проводились на машине трения СМТ-20 с использованием схемы «колесо - две плоские колодки» {Рисунок 2.4) при ступенчатом повышении скорости V (1,2; 2,4 и 3,6 м/с) и нагрузки N (20, 40, 60, 80 и 100 Н) в условиях трения без смазки. Исходные образцы с размерами 10x10x7 мм с покрытием вырезались из массивных ранее наплавленных за 56 готовок электроэрозионным методом. Толщина покрытия 2 мм. Поверхность покрытия перед испытанием полировалась на алмазных пастах различной дисперсности.
Контртелом служило колесо диаметром 62 мм и шириной 15 мм, изготовленное из закаленной стали ШХ15 (HRC 63...65). Химический состав данной стали представлен в Таблице 2.4. После приработки пары трения при каждой фиксированной скорости и нагрузке проводились четыре эксперимента с путем трения 2000 м независимо от частоты вращения контртела. В качестве меры интенсивности изнашивания было использовано отношение объема материала, потерянного образцами в ходе испытания, к дистанции трения (мм /км).
Для оценки температуры в процессе ЭЛН в центр по длине заготовки из основного металла вводилась вольфрам-рениевая термопара (ВР5-ВР20), располагающаяся в непосредственной близости от поверхности наплавляемого металла (0,5 мм). На Рисунке 3.1 представлена схема измерения температуры.
Рисунок 3.1 - Схема измерения температуры во время ЭЛН: 1 - электронная пушка; 2 -порошковый дозатор; 3 - электронный луч; 4 - покрытие; 5 - подложка; 6 - термопара; 7 -вакуумная камера; 8 - высоковольтный блок управления; 9 - вакуумный насос.
На Рисунке 3.2,а-л представлены кривые изменения температуры основного металла от его толщины, времени процесса электронно-лучевой наплавки одного прохода (время цикла: один проход наплавки 90 с + время охлаждения 90 с) и числа проходов (4 прохода). Предварительный проход электронного луча малой мощности для рафинирования поверхности образцов основного металла вызывает увеличение температуры, которая изменяется в интервале 60... 120С при уменьшении толщины подложки от 40 до 5 мм.
Изменение температуры основного металла от числа проходов электронного луча (толщина подложки: а - 5 мм, 6-10 мм, в- 13 мм, г- 15 мм, д - 16 мм, е - 18 мм, ж- 21 мм, 3-25 мм, и 30 мм, к- 35 мм, л- 40 мм) и от толщины основного металла (м) после 4 проходов при ЭЛН порошком стали 10Р6М5.
С увеличением числа проходов температура подложки растет, причем интенсивность ее увеличения от прохода к проходу уменьшается, Рису 60 нок 3.2,а—л. После четырех проходов для минимальной толщины основного металла (5 мм) температура достигает 830...840С (Рисунок 3.2,а), а для максимальной его толщины (40 мм) не превышает 430...450С, Рисунок 3.2,л. Изменение максимальной температуры подложки после четырех проходов электронного луча в зависимости от ее толщины представлено на Рисунке 3.2,м.
Время последующего охлаждения наплавленных образцов в вакуумной камере установки ЭЛН зависит от толщины основного металла. Типичные кривые охлаждения представлены на Рисунке 3.3. Из рисунка видно, что только для самой тонкой подложки (5 мм) характерно минимальное время охлаждения (1700 с), все остальные образцы имеют близкие значения времен охлаждения до температуры 220С (2200.. .2700 с).
Анализ термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита [200] позволил определить область температур (830...500С) в которой выделяются дисперсные вторичные карбиды из аустенитной матрицы, а далее в зависимости от скорости охлаждения происходит распад аустенита по диффузионному или мартенситному механизму, Рисунок 3.4. Время, сек Время, сек
Основываясь на этих данных и данных, представленных на Рисунке 3.2,м и Рисунке 3.4, можно предположить, что в наплавленных покрытиях, подложка которых прогревалась выше 500С, следует ожидать наличие наибольшего количества выделений дисперсных вторичных карбидов из аустенитной матрицы. Выше температур 500С нагревались подложки толщиной до -25 мм, Рисунок 3.2,м.
По данным интегрального микрорентгеноспектрального анализа (10 анализируемых точек (объемов)) наплавленный слой имеет следующий химический состав, % масс: Fe; 5,94 W; 1,35 V; 4,0 Сг; 5,37 Мо. Совместный анализ микроструктуры (ОМ, РЭМ), рентгеноструктурных (РФА) и элек-тронномикроскопических (ПЭМ) данных свидетельствует о том, что упрочняющая фаза в покрытиях представлена карбидами М6С, М2С и VC, Рисунки 3.5—3.8, Таблица 3.1. Сетчатые эвтектические карбиды М6С расположены по границам зерен твердого раствора {Рисунок 3.6,а) и их средний размер равен 3,8 мкм, объемная доля —10,5%, Рисунок 3.7,а.
Анализ результатов практического использования композиционных покрытий после годичных производственных испытаний
Процессы износа, происходящие при скоростях 1,2 м/с во всем диапазоне нагрузок и при скоростях 2,4 и 3,6 м/с в интервале нагрузок 20...40 Н можно связать с процессом пластического оттеснения и микрорезания продуктами износа (частицами карбидов и оксидов). Для такого режима изнашивания характерен гладкий рельеф поверхности изнашивания, отсутствие вы-рывов больших объемов материала и трещин, что и наблюдается на Рисунок 4.3, а, б. С увеличением нагрузки при скорости 1,2 м/с наблюдается увеличение выкрашиваний части карбидной эвтектической сетки {Рисунок 4.3, в), что связано с общим охрупчиванием материала за счет частичного превращения остаточного аустенита в мартенсит деформации, Рисунок 4.7, кривая 1.
Резкое повышение интенсивности изнашивания (2,4 и 3,6 м/с, 60 Н, Рисунок 4.2, кривые 2 и 3) связано с повышением температуры в зоне трибокон-такта [234], что приводит к размягчению связки в приповерхностных областях покрытия, высокотемпературному фазовому а—»у - переходу в матрице (Рисунок 4.4, Рисунок 4.7, кривые 2 и 3), разрушению сетки древовидных эвтектических карбидов (Рисунок 4.3, г, д), экструзии матрицы в зону триболо-гического контакта между покрытием и стальным колесом и, следовательно, ее интенсивному окислению и частичному удалению окислов в продукты износа.
Второй интервал установившегося износа (60...100 Н, Рисунок 4.2, кривые 2 и 3) обусловлен формированием практически сплошного трибологического слоя на поверхности микрокомпозитного покрытия, Рисунки 4.3, г, д. Некоторое повышение интенсивности изнашивания для скорости скольжения 3,6 м/с и нагрузки 100 Н обусловлено ростом толщины трибологического слоя и, как следствие, его разрушением, Рисунок 4.3, е.
На основании вышеизложенного эволюцию структурно-фазового состава приповерхностного объема покрытия сталь 10Р6М5 непосредственно прилегающего к контактной поверхности можно представить с помощью следующей схемы, Рисунок 4.8.
Схема эволюции структурно-фазового состава приповерхностного объема покрытия сталь 10Р6М5 в процессе трения в контакте со сталью ШХ15. / этап, (первая область минимального установившегося износа), Рисунок 4.8, а. В интервале нагрузок 20...40 Н покрытие сохраняет структуру исходного материала: выделения эвтектического карбида М6С в виде сетки по границам зерен аустенитно-мартенситной матрицы, Рисунок 4.3, а, б. Оста 85 точный аустенит матрицы претерпевает частичное (до 40...50%) у—ж - мар-тенситное превращение, Рисунок 4.7. Степень этого превращения уменьшается с увеличением скорости скольжения, и для скорости 3,6 м/с данное превращение фиксируется только при нагрузке 20 Н. В небольшом количестве присутствуют отдельные темно-серые участки трибологического слоя (оксида FeO) вытянутые вдоль направления скольжения, Рисунок 4.3, а. Количество таких участков имеет тенденцию к увеличению с ростом нагрузки и скорости скольжения. Для данного этапа характерны следы нормального абразивно-окислительного изнашивания. Абразивными частицами служат продукты износа трущихся пар. На поверхности трения наблюдаются дорожки трения с немногочисленными участками оксида. Процесс износа можно связать с процессом пластического оттеснения и микрорезания продуктами износа (частицами карбидов и оксидов). С увеличением нагрузки растет интенсивность выкрашиваний эвтектических карбидов М6С по границам зерен.
II этап (резкого повышения износа), Рисунок 4.8, б. Увеличение нагрузки до 60 Н для скоростей скольжения 2,4 и 3,6 м/с приводит к развитию обратного а—»у - превращения и, следовательно, увеличению пластичности матрицы, Рисунок 4.7, кривые 2 и 3. Это способствует разрушению сетки эвтектических карбидов на отдельные частицы, одна часть из которых удаляется в продукты износа, а другая часть перемешивается со связующей фазой и оксидом FeO, что служит начальным этапом формирования микрокомпозитной структуры, ее окислению и удалению окислов с трибоконтакта. Для данного этапа характерно преобладание окислительного изнашивания. Начальный этап разрушения сетки эвтектических карбидов, расположенных по границам зерен, на отдельные карбиды с частичным их выкрашиванием детально фиксируется после скорости скольжения 1,2 м/с и нагрузке 60 Н, Рисунки 4.3,в и 4.9,а.
III этап (вторая область установившегося износа), Рисунок 4.8, в,г. В интервале нагрузок 60... 100 Н за счет интенсивного перемешивания отдельных частиц карбидов М6С с матрицей и (или) оксидом FeO формируется микрокомпозитная структура приповерхностного объема и протяженных участков трибологического слоя, Рисунок 4.3, г, д. Толщина слоя с микрокомпозитной структурой не превышает 5...6 мкм, а трибологического слоя -0,7 мкм, Рисунок 4.3, е.
Обратное а—»у превращение в матрице для скоростей скольжения 2,4 и 3,6 м/с обеспечивает сохранение аустенита на уровне -35 и -55 об. % соответственно, Рисунок 4.7, кривые 2 и 3. Это стабилизирует интенсивность изнашивания в данном интервале нагрузок. Для скорости скольжения 1,2 м/с роста температуры в трибоконтакте недостаточно для развития обратного а—»у- превращения, Рисунок 4.7, кривая 1. Более того в данном интервале нагрузок фиксируется у—ж - мартенситное превращение, что сохраняет интенсивность изнашивания неизменной и наибольшей по сравнению с другими режимами скольжения. Увеличение нагрузки до 100 Н способствует росту температуры в трибоконтакте особенно для скорости скольжения 3,6 м/с и, следовательно, толщины трибологического слоя. Он начинает частично отслаиваться от покрытия, растрескиваться и удаляться в продукты износа {Рисунок 4.8, г, Рисунок 4.9, б, в), что приводит к увеличению интенсивности изнашивания при увеличении скорости скольжения до 3,6 м/с.