Введение к работе
Актуальность. Одной из важнейших задач современного этапа развития машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей и узлов различных машин и механизмов. Для радикального решения этой проблемы необходим комплексный подход, включающий создание новых материалов, разработку и освоение новых технологий.
В процессе эксплуатации многих машин и механизмов их детали работают в жестких условиях в контакте с агрессивными средами, высокими температурами, абразивными веществами, вызывающими как существенный износ поверхности, так и интенсивную коррозию.
Среди методов упрочнения поверхности наиболее распространенными являются: поверхностная термическая закалка, различные способы химико-термической обработки, наплавка, при которой на поверхность основного металла наносят равномерный слой сплава. Особый интерес представляет создание многофункциональных покрытий, обеспечивающих достижение комплекса высоких свойств: твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и др.
Новым, весьма эффективным источником энергии, который может быть использован для упрочнения поверхностного слоя металлов и сплавов, является поток релятивистских электронов. Ускорители релятивистских электронов, созданные в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН под руководством академика А. Н. Скринского, обеспечивают выход пучка в атмосферный воздух и глубокое проникновение электронов в металлы.
Несмотря на уникальные характеристики излучения и существование ряда работ в этом направлении, возможности метода и его применения мало изучены. Необходимо проведение дополнительных исследований закономерностей формирования структуры и свойств покрытий, полученных закалкой и наплавкой на ускорителе электронов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 05-03-32402-а).
Цель работы. Исходя из всего сказанного, основной целью работы явилось изучение закономерностей формирования износостойких, коррозионно-стойких и бифункциональных слоев методами закалки и наплавки поверхностных слоев низко— и среднеуглеродистых сталей и серого чугуна в пучке релятивистских электронов.
Для достижения данной цели предполагалось решить следующие конкретные задачи:
В пучке релятивистских электронов закалить поверхностные слои средне-углеродистой стали 50 и серого чугуна СЧ 30, используемых для изготовления валков прокатных станов; и выявить основные закономерности формирования структуры и свойств (твердости, износостойкости) в широком интервале режимов электронно-лучевого воздействия.
Создать на поверхности стали СтЗ коррозионно-стойкие покрытия электронно-лучевой наплавкой различных по толщине пластин нержавеющей стали L2X18H10T, исследовать их структуру и коррозионную стойкость и изучить возможность дополнительного упрочнения поверхностного слоя стали-12X18Н1 ОТ наплавкой карбидов хрома без потери коррозионной стойкости.
3. Сформировать на поверхности низкоуглеродистой стали СтЗ бифункциональные (износостойкие и коррозионно-стойкие) покрытия методом вневакуум-ной электронно-лучевой наплавки смесей порошков хрома и карбида хрома в различных весовых соотношениях и на основании изучения структуры и фазового состава покрытий выяснить природу формирования свойств.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
Показано, что закалкой в пучке релятивистских электронов можно достигнуть существенного упрочнения поверхностного слоя среднеуглеродистой стали 50. Эффект связан с образованием высокодисперсной мартенситной структуры. Дисперсность мартенсита, твердость и износостойкость слоев через соответствующие зависимости однозначно связаны со временем взаимодействия электронного пучка to с поверхностью металла и плотностью введенной энергии излучения W. При облучении серого чугуна упрочните обусловлено растворением графитных включений, выделением цементита и закалкой основы слоя на мартенсит.
На низкоуглеродистой стали СтЗ сформированы коррозионно-стойкие покрытия наплавкой пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т в пучке релятивистских электронов. Определено влияние толщины исходной пластины на количество остаточного аустенита, распределение хрома в слое и уровень коррозионной стойкости. Установлено, что кривые потери массы наплавленных слоев от времени выдержки в агрессивных' средах носят стадийный характер. Наплавка карбидов хрома на нержавеющую сталь обеспечивает дополнительное увеличение твердости и износостойкости при незначительной потере коррозионной стойкости.
Проведена электронно—лучевая наплавка смесей порошков хрома и карбида хрома на сталь СтЗ и исследованы структура и свойства покрытий. Методом электронной микроскопии фольг получена исчерпывающая информация о фазовом составе покрытий с расшифровкой кристаллографического строения фаз и оценкой их объемного содержания. Показано, что износостойкость определяется количеством и размерами выделяющихся в покрытии карбидов хрома, а коррозионная стойкость зависит от содержания хрома в твердом растворе. Оптимальное сочетание износостойкости и коррозионной стойкости достигается при однослойной наплавке порошковой смеси с соотношением компонентов СтзСУСг = 2.
Практическая значимость. Показано, что самозакалка поверхностного слоя стали 50 после воздействия электронного пучка, выведенного в атмосферу, является эффективным, высокопроизводительным способом поверхностного упрочнения. Процесс сочетает короткий цикл нагрева и охлаждения с большой глубиной зоны обработки и обеспечивает увеличение твердости в 2,4-2,6 и износостойкости в 7-8 раз. Установлены линейные зависимости глубины закаленного слоя, его твердости и износостойкости от удельной энергии излучения W, которые дают возможность, зная характеристики пучка (ускоряющее напряжение U, ток I, диаметр пучка d, скорость обработки V), прогнозировать свойства и глубину упрочненного слоя, не проводя дополнительных исследований.
Наплавкой в пучке релятивистских электронов пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т на сталь СтЗ получены покрытия толщиной 2 и более мм с высокой коррозионной стойкостью. Легирующие элементы равномерно распределены в наплавленном слое, ire выгорание незначительно. Коррозионная стойкость по-
крытий существенно повышена по сравнению с коррозионной стойкостью подложки при растворении в агрессивных средах. При наплавке карбидов хрома на нержавеющую сталь твердость и износостойкость повышаются в 3 раза на глубину до 0,5 мм при сохранении высокого уровня коррозионной стойкости.
При наплавке порошковых смесей хрома с карбидом хрома на сталь СтЗ в оптимальном варианте упрочнения при толщине покрытий 1,5-2 мм твердость упрочненных слоев достигает 7-8 ППа, а коэффициент износостойкости - 9-Ю. При этом коррозионная стойкость покрытий в несколько раз выше, чем материала подложки. Полученные покрытия являются бифункциональными, т.к. обладают одновременно высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью. Оптимальное сочетание этих свойств в бифункциональных покрытиях имеет место при однослойной наплавке на сталь СтЗ порошковых смесей на основе Сг3С2 и Сг в весовом соотношении 2:1.
Результаты исследований структуры и свойств износостойких и коррозионно-стойких слоев, полученных вневакуумной электронно-лучевой обработкой, могут быть использованы для создания технологий упрочнения разнообразных изделий: рабочих органов сельхозмашин и землеройной техники (лемехи плугов, лапы культиваторов, ножи для резки грунта и др.), валков прокатных станов, досок кристаллизаторов, специальных изделий и др.
Получен акт об использовании результатов диссертационной работы для упрочнения валков прокатных станов в ОАО «НКМК» методами закалки и наплавки в пучке релятивистских электронов.
Положения, выносимые на защиту:
Установление эффекта упрочнения поверхностного слоя стали 50 и чугуна СЧ 30 самозакалкой после воздействия пучка релятивистских электронов, связанного с образованием высокодисперсной мартенситной структуры, и обнаружение прямой пропорциональной зависимости твердости, износостойкости и глубины закаленного слоя от количества введенной удельной энергии излучения.
Методика нанесения и совокупность результатов исследования структуры, химического, фазового состава и коррозионной стойкости покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т иа низкоуглеродисгую сталь СтЗ, и установление эффекта упрочнения стали 12Х18Н10Т наплавкой карбидов хрома.
Совокупность экспериментальных данных о структуре, фазовом составе и свойствах бифункциональных (износостойких и коррозионно-стойких одновременно) покрытий, наплавленных в пучке релятивистских электронов смесями порошков хрома и карбида хрома, и анализ природы, достигаемых в покрытиях свойств.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: ШиУ Всероссийская научно-практическая конференция «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2005, 2007); Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (Томск, 2005, 2006); VI Всероссийская школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Томск, 2006); 8Ш International conference on modification of materials with particle beams and plasma flows (Tomsk, 2006); XIII международная научно-практическая конференция сту-
дентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007); 8 международная конференция «Пленки и покрытия - 2007» (Санкт-Петербург), VII Всероссийская школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Томск, 2007); 7-я международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» (Минск, 2007).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической главы, трех оригинальных глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 173 страницы, включая 44 рисунка, 7 таблиц, 12 формул, библиографический список содержит 152 наименования. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 12 статей в рецензируемых журналах.
