eng
Выпуск #3/2016
В.Бирюков, А.Фишков, Д.Татаркин, Е.Хриптович, Д.Быковский, В.Петровский
Влияние режимов лазерной наплавки и состава прошковых материалов на абразивную износостойкость покрытий
Влияние режимов лазерной наплавки и состава прошковых материалов на абразивную износостойкость покрытий
Просмотры: 5139
Для продления рабочего ресурса изделий, подверженных абразивному изнашиванию, широко применяют наплавку. При этом наплавленный слой должен иметь хорошую прочность сцепления с основой и содержать минимум дефектов. Но какой технологии наплавки следует отдать предпочтение: электродуговой, электромагнитной или лазерной? Представлены результаты исследований режимов лазерной наплавки для различных групп деталей машин и агрегатов. Определены характерные дефекты, образующиеся в результате изнашивания поверхностных тонкослойных и толстослойных слоев.
Технология наплавки известный способ повышения износостойкости изделий и повышения их ресурса работы. Однако, с появлением и развитием различных способов нанесения наплавленных слоев, проявилось различие в конечных результатах. Многочисленные исследования износостойкости наплавленных слоев, полученных электромагнитной наплавкой, показывают, что отсутствие карбидных фаз в слоях резко снижает износостойкость покрытий, выполненных из ферротитана [1]. При электродуговой наплавке для изделий, работающих в условиях гидроабразивного изнашивания, следует отдавать предпочтение тем наплавленным покрытиям, которые содержат карбидные фазы, обладающие большей износостойкостью по сравнению с мартенсито-аустенитными структурами [2]. А изучение никелевых покрытий с твердостью HRC 38–42, наоборот, не имеющих карбидные фазы, полученных лазерной наплавкой с помощью газовых и волоконных лазеров показало, что при этой технологии износостойкость повышается в 2 раза [3, 4].
Наплавленный слой не должен содержать дефектов (пор, раковин, трещин) и иметь хорошую прочность сцепления наплавленного слоя с основой. Какими же способами можно этого добиться? Разберемся, как влияют режим лазерной наплавки и состав порошков на износостойкость изделия. Способы подачи присадочных материалов в зону лазерной наплавки можно разделить на две основные группы [5]. Первая – это предварительное нанесение присадочных материалов на обрабатываемую поверхность, вторая – подача материалов непосредственно в зону обработки одновременно с воздействием лазерного излучения. Наиболее распространен способ предварительного нанесения покрытий с помощью шликерных обмазок. Способ отличается большим КПД благодаря высокой поглощательной способности, обусловленной наличием связующего вещества и высоким коэффициентом использования присадочного материала. Применение шликерного покрытия подразумевает проведение операции предварительного нанесения присадочного материала, которая обычно не механизирована и выполняется с использованием шпателя или других инструментов вручную. Связующее вещество шликерных покрытий не должно быть токсичным и иметь способность обеспечивать технологичность изготовления паст. Однако способ подачи присадочного материала путем его принудительной подачи непосредственно в ванну расплава материала основы, благодаря автоматизации процесса, обладает высокой воспроизводимостью.
Лазерная наплавка изделий горнодобывающей промышленности, бурового инструмента производится с помощью композиционных порошковых материалов, содержащих мягкую матрицу с твердыми карбидными включениями, обеспечивающими повышение стойкости к абразивному изнашиванию покрытий [6–11]. Из композитов, составленных на металлической основе, хорошо себя зарекомендовал в качестве твердой фазы карбид вольфрама [12]. Он обладает большой растворимостью в стальной матрице и даже некоторой пластичностью в сравнении с другими карбидами, что обеспечивает его эффективное использование при электронно-лучевой наплавке (ЭЛН). В качестве связующей фазы при ЭЛН предпочтительно использовать сталь Р6М5, отличающуюся высокой теплостойкостью и износостойкостью. Так валки, плакированные быстрорежущей сталью, превосходят валки из высокохромистого чугуна по сопротивлению износу в 5 раз, а по сроку между переточками – в 4 раза [13]. При высоких скоростях нагрева и охлаждения малого объема ванны расплава, возможно, сохранить некоторое количество остаточного аустенита и растворить большее количество упрочняющей фазы в твердом растворе. Работа разрушения при абразивном изнашивании карбидостали с метастабильной матрицей возрастает почти в 7 раз по сравнению с материалом без фазовых превращений при тех же условиях испытаний [14]. Более того, данная сталь обладает эффектом сверхпластичности, что, возможно позволит релаксировать термические напряжения и исключить образование сетки трещин в упрочненном слое в процессе быстрого охлаждения, тем самым, увеличивая его износостойкость.
Настоящая работа преследовала несколько целей: разработку технологии лазерной наплавки покрытий толщиной 3–5 мм при ширине слоя до 30 мм, разработку композиционных покрытий с высотой валиков 0,5–0,85 мм и оптимизацию режимов обработки для повышения абразивной износостойкости наплавленных слоев.
Методика проведения исследований
Для экспериментов по отработке технологии покрытий с толщиной слоя 3–5 мм было использовано универсальное оборудование ООО НТО "ИРЭ-Полюс", содержащее волоконный лазер ЛС–5, робот КУКА, оптическую головку фирмы PRECITEC и технологический стол. В качестве наплавочных материалов были выбраны порошки на никелевой основе, изготовленные фирмой Хёгенас, Швеция и ОАО "ПОЛЕМА", Россия (Тула). Размер частиц порошка составлял 40–150 мкм. Мощность лазерного излучения варьировалась в пределах 1 800–3 800 Вт. Скорость перемещения оптической головки составляла: в поперечном направлении 0,1–2 м/с и в продольном направлении 1–15 мм/с. Лазерную наплавку предварительно насыпанного порошка с толщиной слоя 3–5 мм производили на стальные плиты с размерами 140 × 140 × 20 мм. Образцы вырезали электроискровым методом размерами 25 × 70 × 20мм.
Для наплавки композиционных покрытий была использована установка HUFFMAN HC-205, укомплектованная волоконным лазером мощностью 3,5 кВт, произведенным в ООО НТО "ИРЭ-Полюс". Мощность лазерного излучения варьировалась в интервале 300–600 Вт, скорость наплавки 4–11 мм/с. Расстояние от торца сопла до подложки изменялось в пределах 4–7 мм. В качестве защитного и транспортирующего газа использовали газ аргон, протекающий под давлением 0,2 МПа со скоростью 6 л/мин. Расход порошка, подаваемого с помощью питателя, составлял 0,33–1,93 г/мин. Для наплавки использовали порошок ПР-10Р6М5, просеянный до фракции 40–60 мкм, с добавлением в состав шихты порошка 44712 фирмы Хегенс (Швеция) в количестве 3–70%, содержащего карбид вольфрама с кобальтовой связующей фазой в количестве 12%.
Металлографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе марки EVO 50 производства фирмы Carl Zeiss (Германия), цифровом микроскопе АМ413МL, металлографическом микроскопе Альтами МЕТ 1С.
Микротвердость образцов измерялась по методу Виккерса на приборах ПМТ-3, HVS-1000 с автоматическим нагружением индентора при величине нагрузки Р = 1 Н. Время выдержки под нагрузкой было выбрано t = 20 с.
Испытания образцов на абразивное изнашивание проводилось на машине трения БХ-4 по модернизированной в ИМАШ РАН схеме Бринелля-Хаворта [15]. Взвешивание образцов выполняли на электронных весах VIBRA HT/HTR 220TE с точностью измерения 0,0001 г.
Для отработки технологических режимов толстослойных покрытий применяли порошок фирмы Хёгенас (заявленная твердость HRC 58) с различной толщиной насыпанного слоя 3–5 мм. Получены наплавленные слои толщиной 3–4,3 мм и шириной 20–30 мм за один проход [16]. На рис.1 представлен микрошлиф единичной наплавленной дорожки. При выборе оптимальных режимов варьировали мощность излучения, скорость перемещения и диаметр лазерного луча на поверхности порошка. Были выявлены закономерности изменения микротвердости в наплавленном слое. Зона перекрытия наплавленных дорожек показана на рис.2. В ней отсутствуют дефекты типа пор, трещин и раковин, также как и в дорожках наплавки при оптимальных режимах обработки.
При изменении режимов наплавки микротвердость в наплавленном слое изменялась в широких пределах 6 120–12 000 МПа. При высокой плотности энергии лазерного луча часть легирующих элементов и углерода выгорает, и микротвердость в наплавленном слое понижается, появляются дефекты в виде пор. При низких значениях плотности энергии лазерного излучения происходит не полное сплавление порошкового материала и снижается микротвердость наплавленных слоев.
В таблице 1 представлены результаты испытаний на абразивное изнашивание. выполненных по схеме Бринелля-Хаворта. К вращающемуся резиновому диску прижимался плоский образец с наплавленным покрытием. В зону трения подавался кварцевый песок с размером частиц 200–600 мкм. Продолжительность испытаний составляла 10 минут. По результатам испытаний трех образцов определяли среднюю величину потери массы наплавленного покрытия на каждом режиме обработки.
В результате проведенных исследований на абразивное изнашивание первой партии образцов были найдены оптимальные режимы лазерной наплавки порошковых покрытий. Вторая партия образцов наплавлялась порошками различной твердости и обеих фирм производителей порошковых материалов. На рис.3 представлена зависимость абразивного износа от твердости наплавленного слоя и образца стали 40Х (испытания проводили по схеме Бринелля-Хаворта). Из приведенных данных следует, что наплавленные слои с твердостью HRC 58–61 (порошки фирмы Хёгенас – 1 и ОАО "ПОЛЕМА" – 2) по износостойкости в 10 раз выше, чем нормализованная сталь 40Х (НВ180) и в 4,6 раза выше, чем улучшенная сталь 40Х (НВ 250–270).
Отработку режимов лазерной наплавки порошка ПР-10Р6М5 проводили на единичных наплавленных валиках. Для проведения металлографических исследований были изготовлены шлифы. Наплавленные образцы разрезали перпендикулярно наплавленным дорожкам. Общий вид наплавленного валика и его микроструктура представлен на рис.4 (а и б).
Геометрические параметры наплавленных валиков [17] (А: 0,5–0,85 мм – толщина наплавленного слоя; В: 0,05–0,2 мм – глубина проплавления основы; С: 1,2–1.4 мм – ширина зоны наплавки) зависят от скорости перемещения оптической головки, расхода порошкового материала, мощности лазерного излучения.
Результаты исследований
Исследования химического состава наплавленных слоев и зоны проплавления основы показали, что химический состав соответствует химическому составу наплавляемой шихты. Измерения проводили от поверхности наплавленного слоя к основе по пяти точкам. В таблице 2 приведен элементный состав покрытия с 7% порошка 44712.
Микротвердость наплавленных слоев изменялась в широких пределах. Так при наплавке порошка ПР-10Р6М5 без добавок она варьировалась в пределах 6 000–9 600 МПа.
При введении карбида вольфрама микротвердость в наплавленных слоях изменялась в пределах 9 900–14 000 МПа. На рис.5 представлен график, полученный при измерении микротвердости зоны наплавки и подложки от поверхности к основе с шагом 100 мкм.
Для определения влияния лазерной наплавки на абразивную износостойкость проводились испытания в ИМАШ РАН образцов на машине трения БХ-4, при описанных выше, условиях испытаний. В таблице 3 приведены результаты испытаний на абразивный износ.
На рис.6а–в представлены испытанные образцы наплавленные с различным коэффициентом перекрытия дорожек. В процессе отработки режимов установлено, что при минимальном содержании карбида вольфрама 3–7% (образцы 2–4) возможна лазерная наплавка с перекрытием дорожек 60% (рис.6а). При этом припуск на шлифование не более 0,2 мм (рис.6б). С увеличением содержания карбида вольфрама с 10 до 70% при наложении дорожек на поверхности появляются трещины. Поэтому образцы 5–13 наплавлялись с перекрытием дорожек 40% (рис.6в). Это привело к существенному ухудшению топографии поверхностного слоя и при шлифовании на глубину 0,3 мм видны необработанные участки наплавленных дорожек (рис.6в). В результате испытаний на абразивное изнашивание получено повышение износостойкости композиционного покрытия в 28 раз по сравнению с материалом основы, сталью 3 и в 9 раз по сравнению с наплавленным покрытием порошком ПР10-Р6М5 после шлифования.
Максимальная износостойкость получена при 10% содержании порошка 44712 от объема шихты. При дальнейшем увеличении карбидной фазы большая ее часть предположительно распадается при более высоких температурах расплавленной зоны, связанных с увеличением карбидной фазы, на вольфрам и углерод, которые не оказывают достаточного сопротивления при абразивном изнашивании. Следует отметить, что образцы № 5–13 не имели сплошной площади контакта с резиновым диском, и часть абразивных частиц не оказывала режущего или царапающего действия на поверхность образца. Этим возможно и объясняется столь высокое повышение износостойкости на машине трения БХ-4. Для уточнения влияния, зависимости процентного содержания карбида вольфрама, на абразивную износостойкость необходима дальнейшая отработка технологии лазерной наплавки с целью получения качественной поверхности после шлифования.
В результате проведенных исследований были отработаны режимы лазерной наплавки для различных групп деталей машин и агрегатов и определены характерные дефекты поверхностных слоев, образующиеся в результате изнашивания. Отметим, что толстослойные покрытия востребованы для деталей горнодобывающей и перерабатывающей промышленности: броневых плит, щек, дробилок и т. п. Тонкослойные покрытия применяются при ремонте локальных повреждений поверхностей трения валков прокатных станов, штампов и других деталей. Обе технологии дополняют друг друга и имеют многочисленные практические приложения. На абразивную износостойкость покрытий влияет состав порошкового материала и технология обработки. Так при наплавке порошка композиционного покрытия с долевым содержанием карбида вольфрама до 7% от объема шихты его износостойкость оказывается ниже, чем износостойкость покрытия наплавленного порошком на никелевой основе. Это связано с наличием зон отпуска в местах перекрытия наплавленных валиков.
Выводы
Разработана технология лазерной наплавки порошковых материалов на основе никеля с шириной наплавленного слоя 20–30 мм и высотой 3–4,2 мм за один проход.
Проведенные испытания на абразивное изнашивание по схеме Бринелля-Хаворта показали повышение износостойкости наплавленных покрытий на основе никеля в 10 раз по сравнению с нормализованной сталью 40Х.
Отработаны режимы высококачественной наплавки порошка ПР10-Р6М5 с добавками карбида вольфрама до 7%. Наплавка этого порошка с большим содержанием карбидов вольфрама требует дальнейшего уточнения режимов обработки.
Литература
1. Кожуро Л.М., Фельдштейн Е.В. Износостойкость и усталостная прочность покрытий, полученных электромагнитной наплавкой. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 1999, № 2, c.53–59.
2. Погодаев Л.И., Ежов Ю.Е. Повышение долговечности рабочих устройств судов технического флота износостойкими наплавками. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 2014, № 6, c.82–87.
3. Бирюков В.П., Дозоров А.В. Лазерные системы для упрочнения, наплавки деталей и точного раскроя листового материала. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 2006, № 1, c. 60–66.
4. Бирюков В.П., Лаптева В.Г., Хренникова И.А. и др. Восстановление лазерной наплавкой работоспособности пары трения вал–вкладыш подшипника скольжения. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 2013, № 5, c.91–95.
5. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
6. Tobar M.J., Alvarez C., Amado J.M. et al. Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi-WC coatings on stainless steel. – Surface and Coatings Technology, 2006, v. 200, p. 6313–6317.
7. Kim H.-Y., Hwang S.-Y., Lee C.-H. et al. Assessment of wear performance of flame sprayed and fused Ni-based coatings. – Surface and Coatings Technology, 2003, v. 172, p. 262–269.
8. Wu P., Zhou C.Z., Tang X.N. Microstructural characterization and wear behavior of laser cladded nickel-based and tungsten carbide composite coatings. – Surface and Coatings Technology, 2003, v. 166 (1), p. 84–88.
9. Zhou S., Dai X. Laser induction hybrid rapid cladding of WC particles reinforced NiCrBSi composite coatings. – Applied Surface Science, 2010, v. 256, p. 4708–4714.
10. St-Georges L. Development and characterization of composite Ni-Cr +WC laser cladding: Short communication. – Wear, 2007, v. 263, p. 562–566.
11. Izdinska Z., Nasher A., Izdinsky K. The Structure and Properties of composite Laser clad coatings with Ni based matrix with WC particles. – Materials engineering, 2010, v.17, № 2, p.1–5.
12. Кульков С.Н., Гнюсов С.Ф. Карбидостали на основе карбидов титана и вольфрама. – Томск: Изд-во НТЛ, 2006.
13. Медовар Б.И., Медовар Д.Б. Прокатные валки 2000 года (по материалам конференции). – Новости черной металлургии за рубежом, 1996, № 3, с. 80–82.
14. Смышляева Т.И. Оценка работы разрушения трипстали при абразивном изнашивании. – Трение и износ, 2001, т. 22. № 3, с.295–298.
15. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. – М.: Наука. 1970.
16. Бирюков В.П., Татаркин Д.Ю., Хриптович Е.В. и др. Повышение износостойкости покрытий при лазерной наплавке порошковых материалов. – МНГК "Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта – 2016". – СПб.: Изд-во Политехн. ун.-та Петра Великого, 2016.
17. Бирюков В.П., Петровский В.Н., Быковский Д.П. и др. Повышение абразивной стойкости покрытий при лазерной наплавке порошка быстрорежущей стали с добавками карбида вольфрама. – МНТК "Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта – 2016". – СПб.: Изд-во Политехн. ун.-та Петра Великого, 2016.
Наплавленный слой не должен содержать дефектов (пор, раковин, трещин) и иметь хорошую прочность сцепления наплавленного слоя с основой. Какими же способами можно этого добиться? Разберемся, как влияют режим лазерной наплавки и состав порошков на износостойкость изделия. Способы подачи присадочных материалов в зону лазерной наплавки можно разделить на две основные группы [5]. Первая – это предварительное нанесение присадочных материалов на обрабатываемую поверхность, вторая – подача материалов непосредственно в зону обработки одновременно с воздействием лазерного излучения. Наиболее распространен способ предварительного нанесения покрытий с помощью шликерных обмазок. Способ отличается большим КПД благодаря высокой поглощательной способности, обусловленной наличием связующего вещества и высоким коэффициентом использования присадочного материала. Применение шликерного покрытия подразумевает проведение операции предварительного нанесения присадочного материала, которая обычно не механизирована и выполняется с использованием шпателя или других инструментов вручную. Связующее вещество шликерных покрытий не должно быть токсичным и иметь способность обеспечивать технологичность изготовления паст. Однако способ подачи присадочного материала путем его принудительной подачи непосредственно в ванну расплава материала основы, благодаря автоматизации процесса, обладает высокой воспроизводимостью.
Лазерная наплавка изделий горнодобывающей промышленности, бурового инструмента производится с помощью композиционных порошковых материалов, содержащих мягкую матрицу с твердыми карбидными включениями, обеспечивающими повышение стойкости к абразивному изнашиванию покрытий [6–11]. Из композитов, составленных на металлической основе, хорошо себя зарекомендовал в качестве твердой фазы карбид вольфрама [12]. Он обладает большой растворимостью в стальной матрице и даже некоторой пластичностью в сравнении с другими карбидами, что обеспечивает его эффективное использование при электронно-лучевой наплавке (ЭЛН). В качестве связующей фазы при ЭЛН предпочтительно использовать сталь Р6М5, отличающуюся высокой теплостойкостью и износостойкостью. Так валки, плакированные быстрорежущей сталью, превосходят валки из высокохромистого чугуна по сопротивлению износу в 5 раз, а по сроку между переточками – в 4 раза [13]. При высоких скоростях нагрева и охлаждения малого объема ванны расплава, возможно, сохранить некоторое количество остаточного аустенита и растворить большее количество упрочняющей фазы в твердом растворе. Работа разрушения при абразивном изнашивании карбидостали с метастабильной матрицей возрастает почти в 7 раз по сравнению с материалом без фазовых превращений при тех же условиях испытаний [14]. Более того, данная сталь обладает эффектом сверхпластичности, что, возможно позволит релаксировать термические напряжения и исключить образование сетки трещин в упрочненном слое в процессе быстрого охлаждения, тем самым, увеличивая его износостойкость.
Настоящая работа преследовала несколько целей: разработку технологии лазерной наплавки покрытий толщиной 3–5 мм при ширине слоя до 30 мм, разработку композиционных покрытий с высотой валиков 0,5–0,85 мм и оптимизацию режимов обработки для повышения абразивной износостойкости наплавленных слоев.
Методика проведения исследований
Для экспериментов по отработке технологии покрытий с толщиной слоя 3–5 мм было использовано универсальное оборудование ООО НТО "ИРЭ-Полюс", содержащее волоконный лазер ЛС–5, робот КУКА, оптическую головку фирмы PRECITEC и технологический стол. В качестве наплавочных материалов были выбраны порошки на никелевой основе, изготовленные фирмой Хёгенас, Швеция и ОАО "ПОЛЕМА", Россия (Тула). Размер частиц порошка составлял 40–150 мкм. Мощность лазерного излучения варьировалась в пределах 1 800–3 800 Вт. Скорость перемещения оптической головки составляла: в поперечном направлении 0,1–2 м/с и в продольном направлении 1–15 мм/с. Лазерную наплавку предварительно насыпанного порошка с толщиной слоя 3–5 мм производили на стальные плиты с размерами 140 × 140 × 20 мм. Образцы вырезали электроискровым методом размерами 25 × 70 × 20мм.
Для наплавки композиционных покрытий была использована установка HUFFMAN HC-205, укомплектованная волоконным лазером мощностью 3,5 кВт, произведенным в ООО НТО "ИРЭ-Полюс". Мощность лазерного излучения варьировалась в интервале 300–600 Вт, скорость наплавки 4–11 мм/с. Расстояние от торца сопла до подложки изменялось в пределах 4–7 мм. В качестве защитного и транспортирующего газа использовали газ аргон, протекающий под давлением 0,2 МПа со скоростью 6 л/мин. Расход порошка, подаваемого с помощью питателя, составлял 0,33–1,93 г/мин. Для наплавки использовали порошок ПР-10Р6М5, просеянный до фракции 40–60 мкм, с добавлением в состав шихты порошка 44712 фирмы Хегенс (Швеция) в количестве 3–70%, содержащего карбид вольфрама с кобальтовой связующей фазой в количестве 12%.
Металлографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе марки EVO 50 производства фирмы Carl Zeiss (Германия), цифровом микроскопе АМ413МL, металлографическом микроскопе Альтами МЕТ 1С.
Микротвердость образцов измерялась по методу Виккерса на приборах ПМТ-3, HVS-1000 с автоматическим нагружением индентора при величине нагрузки Р = 1 Н. Время выдержки под нагрузкой было выбрано t = 20 с.
Испытания образцов на абразивное изнашивание проводилось на машине трения БХ-4 по модернизированной в ИМАШ РАН схеме Бринелля-Хаворта [15]. Взвешивание образцов выполняли на электронных весах VIBRA HT/HTR 220TE с точностью измерения 0,0001 г.
Для отработки технологических режимов толстослойных покрытий применяли порошок фирмы Хёгенас (заявленная твердость HRC 58) с различной толщиной насыпанного слоя 3–5 мм. Получены наплавленные слои толщиной 3–4,3 мм и шириной 20–30 мм за один проход [16]. На рис.1 представлен микрошлиф единичной наплавленной дорожки. При выборе оптимальных режимов варьировали мощность излучения, скорость перемещения и диаметр лазерного луча на поверхности порошка. Были выявлены закономерности изменения микротвердости в наплавленном слое. Зона перекрытия наплавленных дорожек показана на рис.2. В ней отсутствуют дефекты типа пор, трещин и раковин, также как и в дорожках наплавки при оптимальных режимах обработки.
При изменении режимов наплавки микротвердость в наплавленном слое изменялась в широких пределах 6 120–12 000 МПа. При высокой плотности энергии лазерного луча часть легирующих элементов и углерода выгорает, и микротвердость в наплавленном слое понижается, появляются дефекты в виде пор. При низких значениях плотности энергии лазерного излучения происходит не полное сплавление порошкового материала и снижается микротвердость наплавленных слоев.
В таблице 1 представлены результаты испытаний на абразивное изнашивание. выполненных по схеме Бринелля-Хаворта. К вращающемуся резиновому диску прижимался плоский образец с наплавленным покрытием. В зону трения подавался кварцевый песок с размером частиц 200–600 мкм. Продолжительность испытаний составляла 10 минут. По результатам испытаний трех образцов определяли среднюю величину потери массы наплавленного покрытия на каждом режиме обработки.
В результате проведенных исследований на абразивное изнашивание первой партии образцов были найдены оптимальные режимы лазерной наплавки порошковых покрытий. Вторая партия образцов наплавлялась порошками различной твердости и обеих фирм производителей порошковых материалов. На рис.3 представлена зависимость абразивного износа от твердости наплавленного слоя и образца стали 40Х (испытания проводили по схеме Бринелля-Хаворта). Из приведенных данных следует, что наплавленные слои с твердостью HRC 58–61 (порошки фирмы Хёгенас – 1 и ОАО "ПОЛЕМА" – 2) по износостойкости в 10 раз выше, чем нормализованная сталь 40Х (НВ180) и в 4,6 раза выше, чем улучшенная сталь 40Х (НВ 250–270).
Отработку режимов лазерной наплавки порошка ПР-10Р6М5 проводили на единичных наплавленных валиках. Для проведения металлографических исследований были изготовлены шлифы. Наплавленные образцы разрезали перпендикулярно наплавленным дорожкам. Общий вид наплавленного валика и его микроструктура представлен на рис.4 (а и б).
Геометрические параметры наплавленных валиков [17] (А: 0,5–0,85 мм – толщина наплавленного слоя; В: 0,05–0,2 мм – глубина проплавления основы; С: 1,2–1.4 мм – ширина зоны наплавки) зависят от скорости перемещения оптической головки, расхода порошкового материала, мощности лазерного излучения.
Результаты исследований
Исследования химического состава наплавленных слоев и зоны проплавления основы показали, что химический состав соответствует химическому составу наплавляемой шихты. Измерения проводили от поверхности наплавленного слоя к основе по пяти точкам. В таблице 2 приведен элементный состав покрытия с 7% порошка 44712.
Микротвердость наплавленных слоев изменялась в широких пределах. Так при наплавке порошка ПР-10Р6М5 без добавок она варьировалась в пределах 6 000–9 600 МПа.
При введении карбида вольфрама микротвердость в наплавленных слоях изменялась в пределах 9 900–14 000 МПа. На рис.5 представлен график, полученный при измерении микротвердости зоны наплавки и подложки от поверхности к основе с шагом 100 мкм.
Для определения влияния лазерной наплавки на абразивную износостойкость проводились испытания в ИМАШ РАН образцов на машине трения БХ-4, при описанных выше, условиях испытаний. В таблице 3 приведены результаты испытаний на абразивный износ.
На рис.6а–в представлены испытанные образцы наплавленные с различным коэффициентом перекрытия дорожек. В процессе отработки режимов установлено, что при минимальном содержании карбида вольфрама 3–7% (образцы 2–4) возможна лазерная наплавка с перекрытием дорожек 60% (рис.6а). При этом припуск на шлифование не более 0,2 мм (рис.6б). С увеличением содержания карбида вольфрама с 10 до 70% при наложении дорожек на поверхности появляются трещины. Поэтому образцы 5–13 наплавлялись с перекрытием дорожек 40% (рис.6в). Это привело к существенному ухудшению топографии поверхностного слоя и при шлифовании на глубину 0,3 мм видны необработанные участки наплавленных дорожек (рис.6в). В результате испытаний на абразивное изнашивание получено повышение износостойкости композиционного покрытия в 28 раз по сравнению с материалом основы, сталью 3 и в 9 раз по сравнению с наплавленным покрытием порошком ПР10-Р6М5 после шлифования.
Максимальная износостойкость получена при 10% содержании порошка 44712 от объема шихты. При дальнейшем увеличении карбидной фазы большая ее часть предположительно распадается при более высоких температурах расплавленной зоны, связанных с увеличением карбидной фазы, на вольфрам и углерод, которые не оказывают достаточного сопротивления при абразивном изнашивании. Следует отметить, что образцы № 5–13 не имели сплошной площади контакта с резиновым диском, и часть абразивных частиц не оказывала режущего или царапающего действия на поверхность образца. Этим возможно и объясняется столь высокое повышение износостойкости на машине трения БХ-4. Для уточнения влияния, зависимости процентного содержания карбида вольфрама, на абразивную износостойкость необходима дальнейшая отработка технологии лазерной наплавки с целью получения качественной поверхности после шлифования.
В результате проведенных исследований были отработаны режимы лазерной наплавки для различных групп деталей машин и агрегатов и определены характерные дефекты поверхностных слоев, образующиеся в результате изнашивания. Отметим, что толстослойные покрытия востребованы для деталей горнодобывающей и перерабатывающей промышленности: броневых плит, щек, дробилок и т. п. Тонкослойные покрытия применяются при ремонте локальных повреждений поверхностей трения валков прокатных станов, штампов и других деталей. Обе технологии дополняют друг друга и имеют многочисленные практические приложения. На абразивную износостойкость покрытий влияет состав порошкового материала и технология обработки. Так при наплавке порошка композиционного покрытия с долевым содержанием карбида вольфрама до 7% от объема шихты его износостойкость оказывается ниже, чем износостойкость покрытия наплавленного порошком на никелевой основе. Это связано с наличием зон отпуска в местах перекрытия наплавленных валиков.
Выводы
Разработана технология лазерной наплавки порошковых материалов на основе никеля с шириной наплавленного слоя 20–30 мм и высотой 3–4,2 мм за один проход.
Проведенные испытания на абразивное изнашивание по схеме Бринелля-Хаворта показали повышение износостойкости наплавленных покрытий на основе никеля в 10 раз по сравнению с нормализованной сталью 40Х.
Отработаны режимы высококачественной наплавки порошка ПР10-Р6М5 с добавками карбида вольфрама до 7%. Наплавка этого порошка с большим содержанием карбидов вольфрама требует дальнейшего уточнения режимов обработки.
Литература
1. Кожуро Л.М., Фельдштейн Е.В. Износостойкость и усталостная прочность покрытий, полученных электромагнитной наплавкой. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 1999, № 2, c.53–59.
2. Погодаев Л.И., Ежов Ю.Е. Повышение долговечности рабочих устройств судов технического флота износостойкими наплавками. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 2014, № 6, c.82–87.
3. Бирюков В.П., Дозоров А.В. Лазерные системы для упрочнения, наплавки деталей и точного раскроя листового материала. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 2006, № 1, c. 60–66.
4. Бирюков В.П., Лаптева В.Г., Хренникова И.А. и др. Восстановление лазерной наплавкой работоспособности пары трения вал–вкладыш подшипника скольжения. – Проблемы машиностроения и надежности машин, 2013, № 5, c.91–95.
5. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
6. Tobar M.J., Alvarez C., Amado J.M. et al. Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi-WC coatings on stainless steel. – Surface and Coatings Technology, 2006, v. 200, p. 6313–6317.
7. Kim H.-Y., Hwang S.-Y., Lee C.-H. et al. Assessment of wear performance of flame sprayed and fused Ni-based coatings. – Surface and Coatings Technology, 2003, v. 172, p. 262–269.
8. Wu P., Zhou C.Z., Tang X.N. Microstructural characterization and wear behavior of laser cladded nickel-based and tungsten carbide composite coatings. – Surface and Coatings Technology, 2003, v. 166 (1), p. 84–88.
9. Zhou S., Dai X. Laser induction hybrid rapid cladding of WC particles reinforced NiCrBSi composite coatings. – Applied Surface Science, 2010, v. 256, p. 4708–4714.
10. St-Georges L. Development and characterization of composite Ni-Cr +WC laser cladding: Short communication. – Wear, 2007, v. 263, p. 562–566.
11. Izdinska Z., Nasher A., Izdinsky K. The Structure and Properties of composite Laser clad coatings with Ni based matrix with WC particles. – Materials engineering, 2010, v.17, № 2, p.1–5.
12. Кульков С.Н., Гнюсов С.Ф. Карбидостали на основе карбидов титана и вольфрама. – Томск: Изд-во НТЛ, 2006.
13. Медовар Б.И., Медовар Д.Б. Прокатные валки 2000 года (по материалам конференции). – Новости черной металлургии за рубежом, 1996, № 3, с. 80–82.
14. Смышляева Т.И. Оценка работы разрушения трипстали при абразивном изнашивании. – Трение и износ, 2001, т. 22. № 3, с.295–298.
15. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. – М.: Наука. 1970.
16. Бирюков В.П., Татаркин Д.Ю., Хриптович Е.В. и др. Повышение износостойкости покрытий при лазерной наплавке порошковых материалов. – МНГК "Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта – 2016". – СПб.: Изд-во Политехн. ун.-та Петра Великого, 2016.
17. Бирюков В.П., Петровский В.Н., Быковский Д.П. и др. Повышение абразивной стойкости покрытий при лазерной наплавке порошка быстрорежущей стали с добавками карбида вольфрама. – МНТК "Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта – 2016". – СПб.: Изд-во Политехн. ун.-та Петра Великого, 2016.
Отзывы читателей
