Получение износостойких и задиростойких покрытий при лазерной наплавке порошком на основе железа с добавками нанопорошка оксида меди

3d-печать, Научная библиотека Комментарии к записи Получение износостойких и задиростойких покрытий при лазерной наплавке порошком на основе железа с добавками нанопорошка оксида меди отключены

В. П. Бирюков, А. А. Фишков, Э. Г. Гудушаури/ Журнал Фотоника, №3, 2018, DOI: 10.22184/1993-7296.2018.71.3.282.289

В работе приведены результаты изучения влияния содержания наночастиц оксида меди в составе шихты на основе железа на интенсивность изнашивания и задиростойкость покрытий, полученных лазерной наплавкой.

Сплавы на основе железа, легированные медью, можно отнести к антифрикционным материалам [1–5], Отмечено уменьшение коэффициента трения для низкоуглеродистой стали [1] и чугуна [2] при введении в их состав меди. На снижение коэффициента трения оказывает влияние концентрация медьсодержащих частиц размером от нескольких нанометров до десятков микрометров. Такие частицы могут быть сформированы как при длительных изотермических отжигах закаленной стали [6–9], так и в процессе кристаллизации литых железоуглеродистых сплавов [1–4].

Легирование медью приводит к изменениям структуры и механических свойств заэвтектоидной стали [10]. Введение в сталь 3 мас.% Cu сопровождается ростом микротвердости перлита с 380 до 430 HV. При этом твердость по Бринеллю увеличивается с 340 до 390 НВ. Для сплавов, содержащих медь, характерным является увеличение дисперсности ферритоцементитной смеси. Дополнительным фактором, способствующим росту твердости перлита, является выделение в ферритных промежутках наноразмерных частиц ε-фазы. В условиях трения скольжения со смазкой износостойкость заэвтектоидной стали, содержащей 8,97% меди, на ~23% выше износостойкости антифрикционного чугуна АЧС‑1. При лазерной наплавке легирующие элементы вводят в тонкий слой покрытия, не затрагивая всего объема изделия. При этом количество легирующих элементов по массе может быть уменьшено в 100–1 000 раз. Целью настоящей работы является определение влияния содержания наночастиц оксида меди в составе шихты на основе железа на интенсивность изнашивания и задиростойкость покрытий, полученных лазерной наплавкой.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАПЛАВКИ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В экспериментальных исследованиях использовали лазерный комплекс ИМАШ РАН [11]. Образцы изготавливали из стали 20Х размерами 15 Ч 20 Ч 80 мм. Для наплавки выбран порошок на основе железа ФБХ6–2. В присадочный порошковый материал добавляли нано порошок оксида меди 3–9% от массы [12–13].

В качестве варьируемых факторов при планировании экспериментов [14] были выбраны мощность излучения P = 700–1 000 Вт, скорость обработки V = 5–9 мм / с и диаметр пучка d = 2–3 мм. Откликами эксперимента были высота наплавленного валика H (мм), ширина валика В (мм) и глубина зоны термического влияния (ЗТВ) Z (мм). В качестве дополнительного дискретного фактора рассматривалось сканирование луча с фиксированной частотой f = 220 Гц. Использовался сканатор резонансного типа с упругим элементом, на котором закреплено зеркало. Наплавка производилась при максимальных и минимальных значениях уровней факторов, которые обозначены соответственно z+ и z–. Верхний и нижний уровни факторов выбирались по результатам предварительных экспериментов, при которых визуально отмечалось устойчивое формирование наплавленных слоев.

Металлографические исследования наплавленных покрытий проводились на микротвердомере ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, металлографическом микроскопе Альтами МЕТ 1С и цифровом микроскопе АМ413МL.

Структура и химический состав наплавленных слоев исследовались на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 SBH с системой энергодисперсионного анализа с применением режимов отраженных и вторичных электронов.

Для определения задиростойкости упрочненных образцов применялась универсальная машина трения МТУ‑01. Испытания проводили по схеме «плоскость–кольцо». Сравнительный анализ проводили между образцами с наплавкой шихтой порошка ФБХ6–2 и образцами, наплавленными с добавками в шихту нанопорошка оксида меди 3–9%. Кольцо изготавливали из стали ШХ‑15 с внутренним диаметром 24,5 мм и внешним диаметром 30,5 мм, с твердостью 60–62 HRC. В качестве смазочного материала использовали солидол Ж (смазку, изготовленную из смеси нефтяных индустриальных масел средней вязкости). Скорость скольжения и давление на образец изменялись дискретно в интервале 0,1–1,1 м / с и 1–4 МПа соответственно. Время испытания составляло 2 часа. После испытаний образцы обезжиривались ацетоном согласно ГОСТ 2786-84 и подвергались сушке в печи при температуре 70 °С в течение 30 мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для учета дискретного фактора сканирования производились две серии экспериментов: со сканированием и без него. Уровни факторов, а также зависимости кодированных переменных от натуральных величин приведены в табл. 1. Согласно рекомендациям [14], в качестве математической модели принят алгебраический линейный полином вида
y = b0 + b1 x1 + … + bk xk + b1, 2 x1 x2 … +bk–1, k xk–1 xk,
где
bi – линейные коэффициенты регрессии;
y – отклик системы;
k – количество факторов в эксперименте.
Полученные математические модели были проверены на адекватность по критериям Стьюдента и Фишера.
Анализ полученных уравнений показывает прямо пропорциональную зависимость между мощностью излучения и высотой валика и обратно пропорциональную зависимость между скоростью перемещения луча и высотой наплавленного слоя. Ширина валика возрастает с увеличением мощности и диаметра луча и уменьшается при увеличении скорости обработки. Сканирование приводит к росту ширины с одновременным уменьшением высоты валика и повышает производительность наплавки в 1,3–1,9 раза. Анализ уравнений для глубины ЗТВ показывает, что наибольшее влияние на глубину ЗТВ оказывает мощность излучения. Увеличение скорости перемещения луча приводит к уменьшению глубины ЗТВ, что объясняется меньшим вкладом мгновенной энергии, поглощенной наплавляемым материалом в единицу времени. Для сравнения построены поверхности для ширины зон наплавки В и Bскан = f (Р, V) при d = 2 мм (рис. 1).

При использовании круглого лазерного пятна для упрочнения или наплавки время воздействия в его центре определяется отношением диаметра луча к скорости его перемещения, а по краям пятна время воздействия стремится к нулю. При этом для упрочнения или наплавки эффективно используется только часть энергии (30–60% в зависимости от степени дефокусировки лазерного луча), а остальная энергия расходуется на бесполезный нагрев зон рядом с упрочненной или наплавленной дорожкой. При высокочастотных колебаниях луча по нормали к вектору его перемещения эта потерянная энергия участвует в процессе наплавки, оказывая влияние на производительность процесса.

Это подтверждают результаты моделирования ширины валиков. Поскольку высота валиков меняется незначительно, то по ним можно визуально определить и производительность процесса. Полученная экспериментальная зависимость проявила хорошее совпадение с модельной функцией. Однако скорость ее изменения отличается от предсказаний модели. Максимальное отклонение расчетных данных от экспериментальных значений составило 3%.
Наплавленный слой толщиной 0,8 мм имеет высокую твердость порядка 762–806 HV, под ним располагается ЗТВ с твердостью 540–720 HV (толщина слоя 0,8 мм), ниже следуют зоны троостита и сорбита. Основной металл – сорбитообразный перлит и феррит с твердостью 190–210 HV. Наличие зоны оплавления основы на глубину 50–100 мкм говорит о высокой прочности сцепления между покрытием и основным металлом. В процессе наплавки покрытий на основе порошка ФБХ6–2 на различных режимах возникают дефекты типа трещин.

Для исключения трещинообразования отработана технология предварительного подогрева образцов при температуре 350 °C в течение двух часов с последующим оплавлением лучом лазера и выдержкой в печи в течение двух часов. При наплавке покрытия, содержащего нанопорошок оксида меди, происходит восстановление оксида меди до чистой меди с выгоранием кислорода. Выбор оксида меди вызван его низкой отражательной способностью лазерного излучения. Введение мягкой фазы (Al, Cu, V и др.) широко используется при лазерной и плазменной наплавке. Эти элементы способствуют релаксации напряжений, возникающих в наплавляемых покрытиях.

На рис.2 представлены зависимости скорости скольжения от давления на образец при испытании на машине трения МТУ‑01. Введение в шихту порошка ФБХ6-2 нанопорошка оксида меди приводит к повышению задиростойкости покрытия в 1,5–2 раза при ступенчатом изменении скорости скольжения 0,1–1,1 м / с и давления в пределах 1–4 МПа.
Установлено, что для образцов, на которые нанесены покрытия с добавлением нанопорошка оксида меди, предельная скорость скольжения, при которой наступает заедание, оказывается выше в 1,2–3,3 раза, чем для цементованного образца. Конкретные значения из указанного диапазона связаны с концентрацией оксида меди в шихте и величиной контактного давления.

Значения интенсивности изнашивания образцов, наплавленных порошком ФБХ6-2 с добавкой оксида меди разной концентрации, представлены в табл.2.
Установлено, что с ростом концентрации оксида меди в шихте задиростойкость увеличивается. При этом интенсивность изнашивания сначала снижается (при увеличении концентрации оксида меди до 7% ), а затем начинает расти с момента достижения концентрацией величины 9%.
Зависимости интенсивности изнашивания и нагрузки заедания от концентрации оксида меди представлены на рис.3. На рис.4 представлены SEM-фотографии микрошлифов наплавленных слоев порошком ПГ-ФБХ6-2 с добавлением нанопорошка оксида меди. Установлен элементный состав верхней части наплавленного слоя (рис. 4а): Fe – 50,13%; Cr – 33,66%; C – 8,46%; Cu – 3,63%; Mn – 1,89%; Si – 1,21%; O – 1,02%. В составе структуры белые зоны представляют агломераты меди размером от 1 до 10 мкм, и общее их содержание составляет 1,4% от общего объема шихты. Элементный состав зоны сплавления с основным металлом (рис. 4b) представлен в табл. 3.

Белые зоны (спектры 38–40) представляют агломераты меди размером до 10 мкм. Зона сплавления с основным металлом (спектр 42) содержит 3,4% меди, что свидетельствует о равномерном распределении меди по глубине образца от поверхности до основного металла.

ВЫВОДЫ

Установлено, что присутствие меди в наплавленных слоях повышает в 3,3 раза значение скорости скольжения, при котором возникают условия развития задира, и до 30% по сравнению с цементованным образцом повышают величину интенсивности изнашивания.
При высокочастотном сканировании луча производительность процесса наплавки в 1,3–1,9 раза выше, чем без сканирования луча. Введение нанопорошка оксида меди в состав шихты на основе ФБХ6-2 повышает задиростойкость наплавленных покрытий в 1,5–2 раза.

Литература

1. Stepanova N.V., Razumakov A. A. The effect of doping with copper and aluminium on structure, mechanical and friction properties of steel. – Proceedings of the 8th International Forum on Strategic Technology (IFOST‑2013), 28 June‑1 July, Mongolian University of Science and Technology. – Ulaanbaator, Mongolia: IEEE organized,. 2013, v. 2, p. 240–242.
2. Головин Е.Д., Кузнецов В. А., Кумар В., Попелюх П. А., Степанова Н. В. Влияние меди на антифрикционные свойства серых чугунов. – Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты), 2012, № 1 (54), с. 81–84.
Golovin E.D., Kuznecov V. A., Kumar V., Popelyuh P. A., Stepanova N. V. Vliyanie medi na antifrikcionnye svojstva seryh chugunov. – Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty), 2012, № 1 (54), s. 81–84.
3. Stepanova N.V., Razumakov A. A., Lozhkina Е. А. Structure and mechanical properties of Cu–alloyed cast iron. – Applied Mechanics and Materials, 2014, v. 682, p.178–182.
4. Stepanova N., Razumakov A., Lozhkina E., Zhil’tsov I., Kuznetsov V. Influence of Surfactants on the Structure and wear resistance of copper alloyed hypereutectoid steel. – Advanced Materials Research, 2014, v.1040, p.53–58. doi: 10.4028 / www.scientific.net / AMR.1040.53.
5. Sil’man G.I., Kamynin V. V., Tarasov A. A. Effect of copper on structure formation in cast iron. – Metal Science and Heat Treatment, 2003, v. 45, iss. 7, p. 254–258. – doi: 10.1023 / A:1027320116132.
6. Chairuangsri T., Edmonds D. V. The precipitation of copper in abnormal ferrite and pearlite in hypereutectoid steels. – Acta Materialia, 2000, v. 48, iss. 15, p.3931–3949. – doi:10.1016 / S1359–6454(00)00176–2.
7. Cao L., Wu S., Liu B. On the Cu precipitation behavior in thermo mechanically embrittlement processed low copper reactor pressure vessel model steel. – Materials and Design. 2013, v. 47, p. 551–556. – doi: 10.1016 / j.matdes.2012.12.055.
8. Fourlaris G., Baker A. J., Papadimitriou G. D. Microscopic characterisation of ε–Cu interphase precipitation in hypereutectoid Fe–C–Cu alloys. – Acta Metallurgica et Materialia, 1995, v. 43, p. 2589–2604. – doi:10.1016 / 09567151(94)00474-V.
9. Chairuangsri T., Edmonds D. V. Abnormal ferrite in hyper-eutectoid steels. – Acta Materialia, 2000, v. 48, iss. 7, p.1581–1591. – doi: 10.1016 / S1359–6454(99)00442–5.
10. Степанова Н. В., Батаев А. А., Ситников А. А., Осколкова Т. Н. Износостойкость заэвтектоидной стали, легированной медью и алюминием. – Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты), 2015, № 4 (69), c. 72–79.
Stepanova N.V., Bataev A. A., Sitnikov A. A., Oskolkova T. N. Iznosostojkost’ zaehvtektoidnoj stali, legirovannoj med’yu i alyuminiem. – Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty), 2015, № 4 (69), c. 72–79.
11. 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. Biryukov V. P., Dozorov A. V. Lazernye sistemy dlya uprochneniya, naplavki detalej i tochnogo raskroya listovogo materiala. – Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin, 2006, № 1, c.60–66.
12. Пат. 2607278 Российская Федерация, МПК C23C4 / 06. Состав шихты для шликерных покрытий  /  В. П. Бирюков, Э. Г. Гудушаури, Д. Ю. Татаркин, А. А. Фишков, О. Н. Чурляева; опубл. 10.01.2017. Pat. 2607278 RF. Composition of charge for slip coatings  / V.P. Biryukov, EH.G. Gudushauri, D.YU. Tatarkin, A. A. Fishkov, O.N. CHurlyaeva; 10.01.2017.
13. Бирюков В.П., Фишков А. А. Влияние режимов лазерной обработки на размеры наплавленных валиков. – Труды МНТК ФТИ‑2017. Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике, 2017, вып. 23 (XXIII), c. 416–418.
Biryukov V.P., Fishkov A. A.  Vliyanie rezhimov lazernoj obrabotki na razmery naplavlennyh valikov. – Proceedings of the MNTK FTI‑2017. Informatika & technology. Industrial Innovac. Tech., 2017, iss. 23 (XXIII), p. 416–418.
14. Евдокимов Ю.А., Колесников В. И., Тетерин А. И.  Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. – М: Наука,1980. Evdokimov Y. A., Kolesnikov V. I., Teterin A. I. Planirovanie i analiz ehksperimentov pri reshenii zadach treniya i iznosa. – M: Nauka, 1980.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/6/article_6650_604.pdf

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top