Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы.
1.1. Структура, прочность и износостойкость композиционных материалов тугоплавкий карбид - металлическая матрица 10
1.2. Физико-химические процессы формирования структуры в системах твердый металл (соединение) - металлический расплав при жидкофазном спекании и порошковой наплавке 27
1.3. Композиционные порошки для наплавки и напыления 37
2. Постановка задачи, материалы и методы исследования.
2.1. Постановка задачи 47
2.2. Объекты исследования и использованные материалы 50
2.3. Оборудование и методики исследований 52
3. Формирование структуры при наплавке композиционных покрытий на основе карбидов титана и вольфрама 57
3.1. Электронно-лучевые покрытия карбид вольфрама - сплавы на основе никеля и железа 58
3.2. Электродуговые покрытия карбид титана - сплавы на основе никеля и железа 68
3.3. Заключение по разделу 3 78
4. Структура и абразивная износостойкость композитов карбид титана — высокохромистый чугун 81
4.1. Керметы и ЭЛН-покрытия карбид титана - высокохромистый чугун 83
4.2. Структура и абразивная износостойкость композитов тугоплавкий карбид металлическая матрица 94
4.3. Заключение по разделу 4. 114
5. Технологические проблемы получения износостойких композиционных материалов и покрытий тугоплавкий карбид — металлическая матрица 116
5.1. Композиционные порошки и ЭЛН-покрытия карбид титана — связка из высокохромистого чугуна 116
5.2. Сравнительная характеристика износостойких композитов тугоплавкий карбид — металлическая матрица и способов их получения 128
Выводы 141
Литература 143
Приложение 157
- Физико-химические процессы формирования структуры в системах твердый металл (соединение) - металлический расплав при жидкофазном спекании и порошковой наплавке
- Объекты исследования и использованные материалы
- Электродуговые покрытия карбид титана - сплавы на основе никеля и железа
- Структура и абразивная износостойкость композитов тугоплавкий карбид металлическая матрица
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одной из основных задач современного машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин, отдельных узлов и механизмов. Задача эта решается на основе комплексного подхода, включающего как создание новых конструкционных и инструментальных материалов, так и разработку эффективных технологий их упрочнения. В настоящее время широкое применение в промышленности нашли композиционные материалы, обладающие высокими значениями временного сопротивления, предела усталости и модуля упругости, жаропрочностью, пониженной склонностью к трещинообразованию. Из композиционных материалов на металлической основе в промышленности широко применяются композиты с карбидной упрочняющей фазой, равномерно распределенной в вязкой металлической матрице. Это твердые сплавы и карбидо-стали, которые производятся жидкофазным спеканием смесей порошков карбида и металлов. Подобную же структуру имеют композиционные покрытия с карбидной упрочняющей фазой, которые чаще всего наносят на упрочняемые поверхности порошковым напылением или наплавкой. Уровень пластичности, прочности, твердости и износостойкости таких композитов определяется, с одной стороны, физико-механическими свойствами металлической связки и карбидной упрочняющей фазы, а с другой, их структурой. Наиболее важные характеристики структуры композитов с точки зрения их физико-механических свойств это дисперсность и объемное содержание карбидной фазы.
В большинстве технологий получения композиционных материалов и покрытий на металлической основе происходит нагрев до температур, превышающих температуру плавления металлической связки. Ввиду высокой химической активности металлических расплавов на стадии получения композита неизбежна жидкометаллическая коррозия тугоплавких структурных составляющих композиции. Это может привести к уменьшению содержания упрочняющей карбидной фазы и, одновременно, к отклонению химического состава металлической связки от оптимального. Степень проявления растворения твердых фаз в металлическом расплаве - растворе на стадии получения композита зависит от диаграмм состояния контактирующих компонентов и температурно-временных технологических режимов. Поэтому выяснение общих закономерностей межфазного взаимодействия тугоплавких фаз с металлическим расплавом, исследование влияния этого взаимодействия на формирование структуры композитов, а через структуру - на прочность и износостойкость имеет большое научное и прикладное значение.
Известно, что композиционные материалы и покрытия карбид — металлическая матрица имеют рекордные значения износостойкости (в частности абразивной) среди композитов на металлической основе. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал о влиянии характеристик структуры композита (объемная доля и дисперсность карбидной фазы, состав и структура металлической связки) на абразивную износостойкость. Однако в литературе отсутствуют сравнительные исследования поведения композитов с различными характеристиками структуры в условиях воздействия на поверхность абразивных частиц, сильно различающихся такими характеристиками, как скорость и энергия. Результаты таких исследований, дополненные исследованиями изнашивания других металлических материалов кроме более глубокого понимания механизмов абразивного разрушения позволят дать практические рекомендации о рациональном практическом использовании исследованных износостойких композитов карбид - металлическая матрица с конкретными структурными характеристиками.
Вышеуказанные проблемы были объектом исследований и технологических разработок, выполненных в данной работе.
Цель работы.
Исследовать особенности формирования структуры композитов тугоплавкий карбид - металлическая связка при различных методах порошковой наплавки и выяснить влияние структуры на процессы изнашивания и абразивную износостойкость в условиях вариации скорости абразивных частиц относительно изнашиваемой поверхности.
Научная новизна.
1. Показана важная роль растворения в наплавочной ванне карбидной фазы порошковой шихты в формировании структуры и свойств покрытий при различных способах порошковой наплавки;
2. Обнаружен эффект сильного измельчения структуры спеченных и наплавленных композитов при введении дисперсного порошка карбида титана в смеси с высокохромистым чугуном доэвтектического состава;
3. Установлен характер влияния объемного содержания и дисперсности частиц карбидной фазы в металломатричных композитах на основе карбида титана на особенности абразивного разрушения в зависимости от скорости абразивных частиц.
Практическая ценность.
Практическую ценность работы составляют:
1. Рекомендации по объемному содержанию, дисперсности и морфологии карбидной фазы в спеченных и наплавленных композитах карбид титана - металлическая связка для обеспечения высокой абразивной износостойкости.
2. Разработанные составы порошковых смесей карбид титана - высокохромистый чугун, высокопроизводительные технологические режимы СВ-синтеза композиционных порошков для наплавки. Наплавленные защитные покрытия из высокохромистого чугуна эвтектического состава обеспечили трехкратное увеличение стойкости деталей нефтехими ческого оборудования, по сравнению с деталями, изготовленными из высоколегированной жаропрочной стали. 3. Результаты сравнительных исследований абразивной износостойкости композитов карбид титана — металлическая матрица на основе железа и нихрома при различных схемах абразивных испытаний. Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Структура, фазовый состав, твердость и износостойкость наплавленных композиционных покрытий тугоплавкий карбид - металлическая связка целиком определяются растворимостью карбида в наплавочной ванне при температуре наплавки и временем сосуществования карбидной фазы и металлического расплава.
2. Износостойкость композиционных материалов и покрытий карбид титана - металлическая матрица вне зависимости от скорости абразивных частиц определяется, прежде всего, такими характеристиками структуры, как дисперсность и объемное содержание карбидной фазы.
3. Технологические варианты и рабочие режимы получения композиционных порошков карбид титана — связка из высокохромистого чугуна для электронно-лучевой наплавки покрытий.
Работа выполнялась в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в соответствиями с планами НИР, программой «Сибирь», межотраслевой программой Миннауки РФ и РАО ЕС России «Живучесть ТЭС», Федеральной целевой научно-технической программой (подпрограмма «Новые материалы»).
Апробация работы и публикации.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
о Первой, третьей и четвертой Конференциях молодых ученых "Физическая мезомеханика материалов" (Томск, декабрь 1998 г., декабрь 2000 г., ноябрь 2001г.);
а Международном семинаре "Функциональные градиентные материалы" (Киев, май 1998г.);
5-ой Областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии (Томск, ТПУ, апрель 1999г.);
а 6-ой Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения" (Новокузнецк, октябрь 1999г.);
2-ой школе - семинаре молодых ученых "Современные проблемы физики и технологии" (Томск, СФТИ, февраль 2001г.); а Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструироваию и разработке новых материалов.(Томск 23-28 августа 2004г.).
По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем диссертации составляет 158 страниц, она содержит 23 таблицы и 30 рисунков. Список литературы включает 127 наименований.
Первый раздел посвящен литературному обзору известных результатов по влиянию структуры композиционных материалов тугоплавкий карбид - металлическая матрица на их прочность и износостойкость и роли процессов межфазного взаимодействия на формирование структуры.
Во втором разделе формулируется постановка задачи, описываются материалы, оборудование и экспериментальные методики, использованные в экспериментальной части работы.
В третьем разделе представлены оригинальные результаты исследования структуры и фазового состава композиционных покрытий туго і плавкий карбид - металлическая матрица, формирующихся при различных методах порошковой наплавки.
В четвертом разделе проведены исследования влияния структуры композитов карбид титана - металлическая матрица на абразивное изнашивание и исследования особенностей формирования структуры при жидко-фазном спекании и электронно-лучевой наплавке композиционных покрытий с металлической связкой содержащей карбидную фазу (высокохромистый чугун).
В пятом разделе исследованы электронно-лучевые покрытия, наплавленные композиционными порошками, полученными по различным технологическим вариантам, а также сделан сравнительный анализ альтернативных технологий получения износостойких композиционных материалов и покрытий тугоплавкий карбид - металлическая связка.
Физико-химические процессы формирования структуры в системах твердый металл (соединение) - металлический расплав при жидкофазном спекании и порошковой наплавке
Как на стадии получения композиционного материала, так и при его эксплуатации на межфазных границах, разделяющих разнородные компоненты, идут процессы межфазного взаимодействия. Скорость этих процессов экспоненциально зависит от температуры. Взаимодействие начинается с установления первоначального физического контакта фаз и в дальнейшем развивается преимущественно путем массопереноса через межфазную границу. В результате межфазного переноса в приграничных областях может происходить образование твердых и жидких растворов и промежуточных соединений, в зависимости от вида равновесной диаграммы состояния.
Первую стадию межфазного взаимодействия в системах тугоплавкий карбид - металлический расплав связывают с понятиями о смачивании и растекании. Эти процессы являются ключевыми с точки зрения установления прочной адгезионной связи компонентов композита. Накоплен огромный экспериментальный материал по смачиванию тугоплавких карбидов металлическими расплавами. Ниже рассмотрены основные результаты для системы карбид титана - жидкие переходные металлы группы железа.
Имеющиеся в литературе данные [33,34,35] о смачиваемости карбидов металлов IV,V и VI групп различными переходными и непереходными металлами свидетельствуют о том, что ни один переходный, и тем более непереходный металл при контактировании с карбидом титана не образует угла смачивания, равного нулю. Наименьшие краевые углы смачивания карбид титана образует при контактировании с расплавленными кобальтом, марганцем и никелем. При контактировании карбида титана с расплавленным железом краевой угол смачивания составляет 125 , что свидетельствует о плохой смачиваемости карбида этим элементом. Смачиваемость тугоплавких соединений расплавленными металлами объясняют поверхностным взаимодействием, в результате которого происходит электронный обмен между атомами карбидов и металлов с образованием энергетически устойчивых конфигураций вакантных электронов. Акцепторно-донорное взаимодействие карбида титана с металлами, определяющее смачиваемость, затруднено наличием прочной связи между титаном и углеродом в карбиде и малой долей валентных электронов титана, которые находятся в нелокализованном состоянии и способны участвовать в связях с электронами атомов металла-донора.
При исследовании смачивания ТІС и других карбидов IV группы сталями и сплавами на основе железа и никеля было установлено, что повышение содержания углерода и серы в стальной связке улучшает смачиваемость. При содержании в стали углерода выше эвтектоидного (0,8%) вероятность взаимодействия атомов углерода с нелокализованными электронами карбида возрастает, что приводит к существенным изменениям смачивающих свойств сталей [36].
Существует корреляция между краевым углом смачивания и теплотой образования карбидов, что подтверждается работами [37]. Смачиваемость ухудшается с увеличением устойчивости карбидов и с приближением содержания связанного углерода к стехиометрическому. Таким образом, чем прочнее межатомные связи в карбиде, тем меньше склонность к нарушению этих связей и взаимодействию с жидкими металлами.
Установлено, что сплавы железа, содержащие 9% никеля, обладают высокими адгезионными свойствами (хорошо смачивают карбид), причем структура зоны контакта гомогенная и мелкозернистая. С увеличением степени легирования железа хромом и никелем смачиваемость карбида титана улучшается.
Одним из процессов, определяющих технологические режимы получения композитов тугоплавкий карбид - металлическая связка, является растворение карбидов в жидких металлах и сплавах. Растворение твердого вещества в жидкости можно рассматривать как гетерогенный процесс, состоящий минимум из двух последовательных стадий: перехода атомов твердого вещества в жидкий металл и массопереноса растворенного вещества в объеме расплава [38]. Согласно принятой терминологии, первая стадия процесса называется кинетической, вторая - диффузионной. Если скорость растворения не зависит от режима перемешивания, то процесс лежит в кинетической области.
Экспериментально взаимодействие карбидов и нитридов с жидкими металлами изучено подробно в работах [39-42]. Установлено, что скорость растворения карбида хрома не изменяется с ростом скорости перемешивания, в отличие от карбида ванадия и титана, у которых такая зависимость обнаружена, хотя абсолютные значения скоростей растворения этих карбидов меньше, чем для карбида хрома. В связи с этим сделан вывод о том, что карбид хрома растворяется в кинетическом режиме, а при растворении карбидов ванадия и титана осуществляется диффузионный режим.
Поскольку карбид титана имеет достаточно широкую область гомогенности, его растворение может происходить с изменением состава не только металлической, но и карбидной фазы. Это приводит к различию химического состава между порошковой шихтой и химическим составом получаемого материала после спекания, что приводит к изменению ожидаемых физико-механических свойств изделия из такого материала. При этом состав карбидной фазы будет стремиться к равновесному с расплавом, состав которого, в свою очередь, зависит от количества растворившегося карбида.
Если карбид титана существенно отличается по составу от стехио-метрического, то взаимодействие карбида с металлом может происходить либо за счет перехода углерода из расплава в карбид, либо за счет преимущественного растворения титана из карбида. В последнем случае общая скорость процесса может определяться коэффициентом диффузии в карбидной фазе, который на несколько порядков меньше, чем в жидком металле. Последнее обстоятельство должно оказывать существенное влияние на процессы взаимодействия карбидных зерен с металлической матрицей при жидкофазном спекании или пропитке пористых карбидных каркасов. В частности, скорости этого взаимодействия должны существенно зависеть от связи атомов титана и углерода в карбиде, от его стехиометрии, а также от состояния поверхности карбидных зерен. Экспериментальные данные, накопленные в процессе изучения технологических режимов спекания сплавов на основе карбида титана, свидетельствуют о том, что свойства карбидосталей зависят от стехиометрии карбида и способа его получения. Очевидно, что различие в свойствах определяется не только разными физико-химическими характеристиками карбидов, но и различными скоростями взаимодействия их с металлической матрицей в процессе спекания или пропитки [43, 33, 37, 44].
Объекты исследования и использованные материалы
Электронно-лучевая наплавка покрытий была проведена на специальной установке (схема на рис.2.1.), разработанной на базе промышленного сварочного электронно-лучевого оборудования. Важной особенностью установки является то, что она укомплектована электронной пушкой (1) с плазменным катодом. Применение такого источника электронов позволяет резко повысить его ресурс и вести наплавку в техническом вакууме (Р бхІО Па). Установка дополнительно оборудована системой подачи порошка в зону расплава, состоящую из порошкового питателя - дозатора с бункером (4) и блоком управления порошковым питателем (5). Наплавка покрытия производится подачей наплавляемого порошка (6) в жидкоме-таллическую ванну, возникающую на поверхности наплавляемой детали (7) под действием электронного пучка. Формирование покрытия происходит при совмещении поперечных колебаний электронного пучка и продольного перемещения детали относительно электронной пушки и порошкового питателя. Использование специальных манипуляторов даёт возможность наносить покрытия на цилиндрические поверхности диаметром до 400 мм, кольца, диски и плоские поверхности размером до 700 мм, а также на криволинейные поверхности.
Порошок, подаваемый в жидкометаллическую ванну расплава, ускоряет процесс ее кристаллизации, способствуя при этом формированию мелкозернистой структуры и уменьшению остаточных напряжений в наплавляемом покрытии. Необходимая толщина наплавленного слоя в пределах 0,5 - 10 мм. достигается путем изменения скорости подачи наплавляемого материала или увеличения числа проходов. Рис.2.1. Схема метода электронно-лучевой наплавки покрытий. 1 - источник электронов; 2 - система фокусировки и развертки луча; 3 - электронный луч, развернутый в две линии; 4 - бункер с порошковым материалом; 5 - порошковый дозатор; 6 - порошок, подаваемый в зону наплавки; 7 - наплавляемый образец.
Порошок, подаваемый в жидкометаллическую ванну расплава, ускоряет процесс ее кристаллизации, способствуя при этом формированию мелкозернистой структуры и уменьшению остаточных напряжений в наплавляемом покрытии. Необходимая толщина наплавленного слоя в пределах 0,5 - 10 мм. достигается путем изменения скорости подачи наплавляемого материала или увеличения числа проходов.
Изнашивание образца (3) происходит абразивными частицами, которые подаются в зону контакта вращающимся резиновым роликом (1). В качестве абразива в наших испытаниях использовался кварцевый песок зернистостью 160-350 мкм. Образец прижимался к ролику с усилием 44,1±0,25Н. В процессе испытания абразив непрерывно поступает в зону трения из бункера (2). Для испытаний брали не менее 3 испытуемых образцов каждого состава. Образцы взвешивались на весах с точностью до 0,1 мг.
Основной узел установки для испытаний по ГОСТ 23.201-78. "Метод испытания материалов и покрытий на газоабразивное изнашивание с помощью центробежного ускорителя частиц" представляет собой вращающийся с большой скоростью ротор с четырьмя радиально расположенными каналами прямоугольного сечения. В радиальные каналы ротора из бункера поступает абразивный материал, который под действием центробежных сил выбрасывается из ротора и ударяется о поверхность закрепленных вокруг него испытываемых образцов со скоростью, определяемой скоростью вращения ротора, и под углом атаки а, определяемым установкой образцов. Испытания наших образцов проводились при углах атаки а = 60 и 90. В качестве абразивного материала использовался кварцевый песок.
Твердость исследуемых образцов измеряли по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) алмазным конусом с общей нагрузкой 150 или 90 кгс. Профили распределения твердости на поперечном шлифе наплавленных покрытий измеряли по Виккерсу (по ГОСТ 2999-75) при нагрузке 5 кгс. или на микротвердомере ПМТ-3 (по ГОСТ 9450-76) при нагрузке 0,1 кгс. 2.3.5. Методы исследования микроструктуры и фазового состава
Для исследования переходной зоны и микроструктуры покрытий приготовлялись поперечные шлифы путем механического шлифования и полирования на алмазных пастах. В случае необходимости шлифы подвергались химическому травлению. Качественный и количественный металлографический анализ проводился на микроскопе "МИМ-9". Пористость наплавленных покрытий определяли двумя методами: количественной металлографии (линейный метод) и методом сравнения исследуемых образцов со стандартными микрофотографиями в соответствии с ГОСТ -9391-80. Наряду с металлографическим для определения пористости использовался метод гидростатического взвешивания.
Рентгенофазовый анализ композиционных порошков и наплавленных покрытий проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 с использованием кобальтового излучения.
Электродуговые покрытия карбид титана - сплавы на основе никеля и железа
Выше, в разделе 3.1. отмечено, что электронно-лучевые покрытия карбид титана - связки на основе железа имеют высокую твердость и износостойкость благодаря практически полному сохранению карбидной фазы при наплавке (таблица 3.1). Однако электронно-лучевая технология наплавки имеет серьезные недостатки: высокая стоимость оборудования; относительно низкая производительность и невозможность применения к крупногабаритным деталям сложной формы.
Из других методов наплавки наиболее прост в реализации метод дуговой наплавки, имеющий множество модификаций, различающихся электродными материалами, защитными средами, характеристиками электрического тока, уровнем механизации и автоматизации и т.д. Электродуговая наплавка является самым распространенным методом упрочнения и восстановления изношенных деталей сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин, металлургического, горнодобывающего и энергетического оборудования, трубопроводной арматуры и множества других деталей.
Применение карбида титана в качестве упрочняющей фазы в износостойких покрытиях очень перспективно ввиду его высокой твердости и относительной дешевизны по сравнению с другими металлическими карбидами. Однако попытки его применения для этой цели в виде порошка или в составе порошковых смесей успеха не имели. Малая плотность ТІС приводит к фракционированию в механических смесях с металлическими порошками, всплытию и удалению в шлак при наплавке. Эти трудности можно частично преодолеть применением композиционных порошков, состоящих из гранул, каждая из которых включает множество дисперсных частиц карбида титана в металлической матрице. В работе [94] для получения наплавленных покрытий с дисперсным карбидом титана применяли два способа: в обмазку электрода вводили порошки графита и ферротитана (раздельный способ) или плакированный железом карбид титана (комплексный способ). Наибольшую относительную износостойкость (є = 6,46) показали покрытия, наплавленные композиционным порошком, полученным методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Каждая гранула композиционного порошка содержала около двадцати частиц карбида титана размером 20-30 мкм., сцементированных прослойками железа толщиной 2-3 мкм. Авторы объясняют высокую износостойкость этих покрытий повышенным (по сравнению с покрытиями, полученными при раздельном способе) содержанием карбида титана в покрытии.
В настоящем разделе описаны наши результаты исследования электродуговых покрытий, полученных наплавкой с присадкой композиционного порошка на основе карбида титана с металлической связкой различного состава (железо, нихром, быстрорежущая сталь Р6М5, высокохромистый чугун). Порошок для наплавки получали дроблением и рассевом спе-ков (продукта самораспространяющегося высокотемпературного синтеза или спекания смесей порошков карбида титана с порошками металлической связки). Размер гранул композиционного порошка менялся в широких пределах: от 50 мкм. до 3,7 мм., а размер частиц карбида титана в гранулах от 5 до 50 мкм. в зависимости от технологии получения композиционного порошка. Применяли различные способы введения присадочного порошка в наплавочную ванну: через обмазку электродов, переплавлением слоя, насыпанного на поверхность металлической подложки, засыпкой внутрь трубчатого электрода. Для сравнения исследованы также покрытия, наплавленные присадочным порошком, в котором ТІС заменен ферротита-ном и сажей в пропорции, соответствующей стехиометрическому карбиду титана. Для защиты от окисления при наплавке применяли флюсы или углекислый газ. Наплавленные покрытия исследовали методами металлографии и рентгеноструктурного анализа, определяли их твердость и абразивную износостойкость по ГОСТ 23.208-79 с использованием кварцевого песка в качестве абразива и отожженной стали 45 (HV=190-200) в качестве
Первая серия образцов для исследования была получена дуговым переплавом порошка присадки в массивной медной изложнице. На нетрав-ленных металлографических шлифах переплавленных образцов видны ограненные частицы размером 4-8 мкм, равномерно рассеянные по объему наплавки. Наиболее крупные из этих частиц видны и на протравленных шлифах (рис.3.3.). Металлографически определенная объемная доля частиц на исследованных образцах совпадает со значениями, полученными рентгенофазовым анализом для карбида титана (табл. 3.5.). Размеры, форма и равномерность распределения по объему наплавки свидетельствуют о том, что частицы карбида титана выпали из расплава при кристаллизации наплавочной ванны. Очевидно, что титан и углерод попадают в жидкоме-таллическую ванну при диссоциации карбида титана, входящего в состав композиционного порошка. Диссоциация происходит под действием высокой температуры дуги или при растворении ТіС в наплавочной ванне. Содержание включений ТіС в переплавленном материале в несколько раз меньше шихтового по нескольким причинам. Первая из них - разбавление присадочного порошка расплавом малоуглеродистой стали, поступающей в наплавочную ванну с каплями электродного металла токонесущей основы электрода. При кристаллизации наплавочной ванны только часть перешедших в расплав титана и углерода выпадает в виде частиц ТіС. Остальное фиксируется в твердом растворе на основе железа и, по-видимому, частично уходит в шлак или газовую фазу. Увеличение размера гранул с 50-160 до 350-1000 мкм. мало изменило содержание карбида титана в наплавке, то есть коэффициент усвоения его расплавом ванны.
На фазовый состав и твердость переплавленных образцов и наплавленных на стальную подложку покрытий сильно влияет химсостав металлической связки композиционного порошка и металла электрода. Электрод из нержавеющей стали с обмазкой, содержащей композиционный порошок с нихромовой связкой (образец №10 в табл.3.5.), дает при переплавке легированный аустенит с низкой твердостью. Композиционный порошок с нихромовой связкой, переплавленный электродами из малоуглеродистой стали, дает покрытия, содержащие кроме аустенита также мартенсит, и как следствие - имеющие более высокую твердость (образцы №№ 1,8). Некоторые из продуктов переплава порошковых смесей с нихромом содержат легированные карбиды хрома, однако содержание их невелико.
Микроструктура покрытий, которые были наплавлены на подложку из малоуглеродистой стали электродами, содержащими карбид титана, имеет свои особенности, по сравнению со структурой покрытий, полученных переплавом композиционного порошка в медной изложнице (табл. 3.6). Эти особенности возникают вследствие разбавления наплавочной ванны расплавом стальной подложки.
Структура и абразивная износостойкость композитов тугоплавкий карбид металлическая матрица
Обнаруженное измельчение структуры в спеченных и наплавленных композитах карбид титана — связка из высокохромистого чугуна (см. предыдущий раздел 4.1.) позволяет надеяться на их повышенные физико-механические свойства. Так как пластичность большинства марок высокохромистых чугунов невелика, нет оснований ожидать высокой вязкости и стойкости при ударно-абразивном воздействии от композитов на основе тугоплавких карбидов со связкой из высокохромистого чугуна. Однако такие показатели, как дисперсность структуры, большое содержание карбидных фаз и, как следствие - высокая твердость позволяют надеяться на повышенную износостойкость при чисто абразивном воздействии.
Основная цель исследований в данном разделе - исследовать и обсудить влияние морфологических особенностей структуры изнашиваемых композитов тугоплавкий карбид - металлическая матрица на характер поверхностного абразивного разрушения и износостойкость в зависимости от скорости абразивных частиц. По результатам этих исследований предполагалось дать сравнительную оценку абразивной износостойкости композитов карбид титана - высокохромистый чугун по сравнению с другими композитами тугоплавкий карбид - металлическая связка и некоторыми сплавами, полученными традиционными металлургическими методами.
Испытание по ГОСТ 23.208-79. "Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы" (см. раздел 2.3) имеет два отличия по условиям испытаний от других видов испытаний на абразивный износ. Первое из них - сравнительно небольшая сила воздействия абразивного зерна на изнашиваемую поверхность из-за вдавливания абразивных частиц в резиновый ролик и возможного соприкосновения поверхности испытываемого материала с материалом ролика. Естественно, в таком случае нагрузка со стороны абразива на поверхность испытываемого материала уменьшается. Другое отличие - малая скорость (около 0,15 м./сек.) абразивных частиц относительно изнашиваемой поверхности.
В другом из использованных нами методов испытаний по ГОСТ 23.201-78. "Метод испытания материалов и покрытий на газоабразивное изнашивание с помощью центробежного ускорителя частиц" (см. раздел 2.3) скорость абразивных частиц составляет 38-76 м./сек., то есть в 250 -500 раз больше, чем в испытаниях по ГОСТ 23.208-79. Фактически, этот вид испытаний относится к группе динамических методов испытаний, с той особенностью, что динамическое воздействие абразивных частиц локально и распространяется на объемы, соизмеримые с размером абразивных частиц.
Первый из вышеуказанных методов испытаний имитирует реальные условия работы рабочих органов строительно-дорожной и горонодобы-вающей техники (отвалы бульдозеров, черпаки драг и т.д.), а второй - деталей, работающих в высокоскоростных потоках абразивосодержащих жидкостей и газов (гребные винты судов, лопасти вентиляторов, внутренние поверхности воздуховодов и химических реакторов). В обоих видах испытаний в качестве абразива использовали кварцевый песок, который является типичным природным абразивом средней твердости.
В нашей работе испытаниям подвергались различные материалы, включая стали, высокохромистый чугун, спеченные и наплавленные (ЭЛН) композиты карбид титана - металлическая связка различного состава, в том числе из высокохромистого чугуна. Сведения об использованных порошках приведены в разделе 2.2 (табл. 2.1). Состав, и твердость исследованных образцов приведены ниже в табл. 4.4. и 4.5.
Микроструктура спеченных композитов (рис. 4.5 а-в) сильно зависит от объемного соотношения карбид - связка. При близкой объемной доле карбида и связки (52% об.) реализуется характерная структура композита с дисперсной упрочняющей фазой (рис. 4.5 б). Распределение карбидной фазы по объему равномерное, конгломераты и сростки карбидных зерен встречаются редко. Подобное распределение карбида титана (рис. 4.5 г) наблюдается также для всех ЭЛН-композитов ТІС - связка на основе железа, независимо от химсостава связки. Основное различие в микроструктуре спеченных и ЭЛН-композитов - различная дисперсность использованного карбида титана. При малой объемной доле карбидной фазы (29% об.) для микроструктуры спеченного материала характерна неоднородность: скопления карбидных зерен чередуются с областями связки почти свободными от карбидных зерен (рис. 4.5 а). При большой объемной доле карбидной фазы (71% об.) наблюдается процесс срастания соприкасающихся карбидных зерен и начало формирования карбидного каркаса (рис. 4.5 в). Результаты абразивных испытаний по ГОСТ23.208-79
Вид изношенной поверхности стальных образцов (рис. 4.6 а) свидетельствует о том, что даже для ЭЛН покрытия с твердостью HRC 60, наплавленного порошком быстрорежущей стали, микрорезание является преобладающим механизмом изнашивания. Изношенная поверхность ЭЛН-покрытия ПГ-УС25 (рис. 4.6 б) отличается от остальных наименее выраженным рельефом, что объясняется тем, что по оценке около 67% объема этого высокохромистого чугуна занимают карбиды (Cr, Fe)7 С3 с твердостью по Виккерсу 12-15 ГПа, что значительно выше, чем твердость абразива (HV = 7,8 - 10,8 ГПа). На изношенной поверхности ЭЛН-покрытий ТІС - сталь (чугун) (рис. 4.6 в) отчетливо видны выступающие над поверхностью крупные зерна карбида титана на фоне изношенной металлической связки с вкраплениями мелких карбидных зерен.
Подобный же вид имеет изношенная поверхность спеченных композитов ТІС - нихром (рис 4.6 г,д,е) с тем различием, что в спеченных композитах использован более мелкий карбид титана, и при близкой объемной доле карбида рельеф поверхности спеченного композита (рис. 4.6 д) менее грубый, чем у наплавленных покрытий (рис. 4.6 в). Более грубый рельеф изношенной поверхности спеченного композита с большой объемной долей ТІС (рис. 4.6 ё) объясняется его грубой каркасной структурой.
