Особенности формирования структуры и трибологических свойств карбидосодержащих покрытий при плазменной наплавке

Известно, что высокие механические характеристики деталей и изделий часто обеспечивается наличием в них карбидообразуюших элементов и их структурой. В настоящее время известна широкая группа твердых сплавов и композиционных материалов с карбидным содержанием, обладающих высокой твердостью и износостойкостью. В качестве способа формирования износостойких карбидосодержащих покрытий интенсивно применяется технология плазменной наплавки, характеризующаяся минимальным воздействием на заготовку и регулированием толщины наплавленного слоя в широких пределах.

В данной работе представлены результаты исследований влияния структуры плазменно-наплавленных композиционных материалов на основе карбида вольфрама Micro Melt NT-60 фирмы CARPENTER и WOKA PTA-6040 на износостойкость полученных покрытий.

Состав исходных наплавляемых порошков представлен в табл. 1.

МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Наплавка на цилиндрические образцы из стали 19ХГНМА диаметром 52 мм и толщиной 15 мм проводилась на плазменной установке ARC-06В в защитном газе при токе дуги 70-100 А и расходе порошка 16 г/мин. Диаметр сопла плазмотрона составлял 2,4 мм. Микроструктуру и микроанализ зон плазменной наплавки исследовали на растровом электронном микроскопе JSM-6390LV/ LGS фирмы JEOL .

Испытания на линейный износ проводились локально в четырех участках кольцевой зоны на-

плавки (рис. 1) [1-2]. Точка 1 соответствует началу, а точка 4 – концу наплавленного кольца. Контртело было изготовлено из стали 40Х (закалка до HRC 46-48) в виде трубки внешним диаметром 6 мм и толщиной стенки 1 мм. Испытания проводились при нормальной нагрузке в 45 кгс в течение 10 минут с частотой вращения шпинделя 600 об/ мин. При испытаниях использовалась алмазная паста АСМ-3/2-НОМГ с алмазным порошком дисперсностью 2-3 мкм.

Рис. 1. Расположение зон трения:

1 – начало наплавки; 4 – конец наплавки

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Фотографии структуры зон наплавки порошковых материалов WOKA PTA-6040 и Micro-Melt NT-60 представлены на рис. 2.

В наплавленном слое наблюдается зона растворенных карбидов в никеле (в верхней части), а также седиментация карбидов, что наиболее заметно в покрытии WOKA PTA-6040 из-за их более крупных размеров, чем в Micro-Melt NT-60 . По данным проведенных измерений средний размер

Таблица 1. Химический состав WOKA PTA-6040 и Micro-Melt NT-60

Наименование материала	Содержание, % по массе
	Co	Ni	C	Cr	V	Mo	Si	Карбид вольфрама
Micro-Melt NT-60	0,5	35 (основа)	1,6-2,9	0,35	0,45	0,8	^—	60
WOKA PTA-6040	2,2	30 (основа)	3,5-5,3	1,5	0,45	^—	0,6	60

Рис. 2. Структура наплавленных покрытий WOKA PTA-6040 и Micro-Melt NT-60 в зависимости от тока плазменной дуги карбидов в покрытии Micro-Melt NT-60 составлял 70 - 90 мкм, а в WOKA PTA-6040 - 120 – 170 мкм.

Седиментация протекает активнее при токе дуги 100 А из-за более высокой температуры и меньшей вязкости никеля.

Процесс седиментации оказывает существенное влияние на износостойкость наплавленного материала, что подтверждается данными испытаний на послойный локальный износ покрытия WOKA PTA-6040 по высоте от верха зоны наплавки (табл. 2).

В целом с ростом тока дуги величина износа в рамках одного уровня трения по высоте наплавки возрастает, что обусловлено растворением и распадом карбидов вольфрама. При токах дуги 85А и 100 А в верхней части наплавленного валика износ максимальный, т. к. здесь температура нагрева максимальна и поэтому распад исходных карбидов и их растворение в никеле возрастают. Процесс седиментации также обедняет верхние слои зоны наплавки, где температура максимальна, а вязкость расплава минимальна.

В средней части наплавленного валика (отступ от верха валика – 1000мкм) при всех токах дуги износ уменьшился, что связано с уменьшением размеров карбидов вольфрама, увели-

Таблица 2. Величина износа WOKA PTA-6040 по высоте зоны наплавки

Верх зоны наплавки (отступ 500 мкм) Середина зоны наплавки (отступ 1000 мкм) Низ зоны наплавки (отступ 1900 мкм) Ток дуги, А Средняя величина износа, мкм Скорость износа мкм/час Средняя величина износа мкм Скорость износа мкм/час Средняя величина износа, мкм Скорость износа мкм/час 70 25 152 20 120 22 134 85 31 185 21 128 20 119 100 35 207 27 159 17 102 чением их концентрации и соответствующей ориентации в результате процесса седиментации.

При токе плазменной дуги 100 А ближе к границе сплавления (низ зоны наплавки) концентрация карбидов (особенно ближе к центру наплавки), максимальна и, соответственно, износ минимальный.

Одной из особенностей наплавки плазменной дугой на торцевую поверхность цилиндрической заготовки является различие в характере нагрева внутреннего и внешнего края наплавляемой дорожки, что обусловлено различием в скоростях их движения при вращении образца и, как следствие, различием во времени нагрева, и, соответственно, температурой нагрева зоны наплавки. Экспериментально установлено, что величина износа существенно отличается по ширине наплавленной дорожки - она значительно больше на ее внутреннем крае, чем на внешнем [3]. В табл. 3 представлены результаты испытаний наплавленного Micro-Melt NT-60 в различных зонах (рис. 1) при токах плазменной дуги 70А, 85А и 100А.

Более высокий износ по внутреннему краю наплавленной дорожки обусловлен существенным его перегревом по сравнению с внешним краем, приводящему к более интенсивному распаду карбидов здесь. Аналогично с ростом тока дуги до 85-100 А из-за более интенсивного нагрева и распада карбидов происходит значительное увеличение величины износа. При этом снижается разброс его значений по внутреннему и внешнему краю наплавленной дорожки. При токах дуги 85А и 100А (рис. 2) произошло уменьшение плотности карбидов, что привело к увеличению величины износа наплавленных зон.

На износостойкость наплавленного материала оказывает существенное влияние целый ряд параметров, например, микротвердость поверхностного наплавленного слоя, величина ее разброса, концентрация и равномерность распределения карбидных частиц по наплавленному слою. На рис. 3 показаны наиболее характерные структура наплавленного материала CARPENTER MicroMelt NT-60 на отдельных участках 4-х зон трения образца в соответствии с рисунком 1 при токах плазменной дуги 70А, 85А и 100А. Зоны трения показаны слева направо от начала к концу наплавки.

Структура наплавленного материла при минимальном износе (рис. 3, а, зона трения 4) состоит из карбидов вольфрама среднего размера при их максимальной концентрации. В зоне №1 (начало наплавки) первичные карбиды вольфрама более крупные, а их концентрация невысокая и износ наплавленного материала здесь максимален.

Закономерность изменения износа от зоны №1 к зоне №4 при токе 85 А противоположна, то есть величина износа материала наплавки незначительно возрастает – от 20 мкм до 25 мкм за 10 минут испытаний, причем синхронно с уменьшением размеров карбидов вольфрама и их концентрации. Последнее обусловлено разогревом подложки в процессе наплавки, возрастанием скорости растворения карбидов в никелевой матрице и, соответственно, уменьшением эффективной поверхности карбидной фазы.

Таблица 3. Величина износа Micro-Melt NT-60 в различных зонах трения

№ зоны трения	И 1 , мкм	И 2 , мкм	<И>, мкм	Ц	ДТоС
I ц =70А
1	58	29	43,5	0,11	10
2	29	27	28	0,09	11
3	15	33	24	0,09	7
4	8	5	6,5	0,071	8
			<25,5>
I ц = 85А
1	51	20	35,5	0,1	10
2	50	22	36	0,1	11
3	55	23	39	0,11	7
4	58	25	41,5	0,1	8
			<38>
I ц = 100А
1	62	21	41,5	0,077	8
2	65	15	40	0,069	6
3	59	13	36	0,054	5
4	56	12	34	0,046	8
			<38>

Примечание: И₁ – усредненная величина износа внутреннего края наплавленной дорожки, И₂ – усредненная величина износа внешнего края наплавленной дорожки; m - коэффициент трения, ∆T^oС – изменение температуры в зоне трения

1                              2                              3

Рис. 3. Микроструктура и износ наплавленного материала CARPENTER Micro-Melt NT-60: а - ток плазменной дуги -70А; б - 85А; в - 100А; слева ^ направо - зоны трения 1 ^ 4

a

Износ наплавленного покрытия от зоны №1 к зоне №4 при токе наплавки 100 А уменьшается – от 21 мкм до 12 мкм за 10 минут испытаний, причем синхронно с увеличением размеров карбидов вольфрама и их концентрации. Данный фактор можно объяснить более интенсивным нагревом материала заготовки, соответственно уменьшением скорости охлаждения наплавленного материала и увеличением выделения и времени роста вторичных карбидов.

В целом в плазменно-порошковых наплавленных покрытиях возникает неравномерное распределение твердой карбидной фазы по объему зоны наплавки, то есть возникают участки наплавленного материала с различной структурой, соответственно, твёрдостью и износостойкостью. Указанный факт установлен и подтвержден экспериментально, табл. 3.

Сравнительная характеристика средней величины износа наплавленных материалов представлена в табл. 4.

В обоих случаях с ростом тока дуги средняя величина износа возрастает, но наиболее сильно это наблюдается для Micro-Melt NT-60. Повышенный износ последнего может быть обусловлен не только меньшим размером карбидов, но и их твердостью. По результатам измерения микротвердости установлено, что твердость карбидов в наплавленном WOKA PTA-6040 достигает 20002400 кг/мм², в то время как в Micro-Melt NT-60 ее величина не превышает 800 – 1200 кг/мм². При этом за счет растворения карбидов твердость связки в WOKA PTA- 6040 составляет 700-900 кг/ мм², а в Micro-Melt NT-60 400-500 кг/мм², что соизмеримо с твердостью стальной подложки в зоне

Таблица 4. Сравнительная характеристика средней износостойкости наплавленных покрытий

Глубина шлифа под зону износа 1000 мкм
	Ток дуги 70 А		Ток дуги 85 А		Ток дуги 100 А
Материал	Средняя величина износа, мкм	Скорость износа, мкм\час	Средняя величина износа, мкм	Скорость износа, мкм\час	Средняя величина износа, мкм	Скорость износа, мкм\час
WOKA PTA-6040	20	120	21	128	27	159
Micro-Melt NT-60	26	156	38	228	40	240

a

б

в