ВОЗДЕЙСТВИЕ ДУПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 3

Н.В. Прохоренкова, Д.Л. Алонцева, А.Д. Погребняк*, Д.Ерболатулы

Восточно- Казахстанский государственный университет

им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск, Казахстан

Сумский институт модификации поверхности, г. Сумы, Украина

С помощью XRD, рентгенофлюорисцентного анализов, измерения микрответдости и коррозионной стойкости были исследованы покрытия на основе ПГ-10Н-01 (на основе Ni и Cr) до и после обработки электронным пучком в режиме полного плавления покрытия и частично подложки. Обнаружено трехкратное увеличение твердости, а также повышение коррозионной стойкости в хлоруксусном электролите. Показано, что облучение электронами покрытия приводит к образованию Ni₂SiFeCrфаз.

Одним из наиболее современных методов получения материалов c высокими свойствами поверхности являются комбинированные (дуплексные) методы обработки сплавов. Последнее время возрос интерес к применению высокоскоростных импульсных плазменных струй для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, с помощью которых можно получить высокого качества покрытия с достаточно высокой эффективностью (производительностью). Импульсно-плазменная технология относится к ресурсосберегающим, что обусловлено низким расходом легирующих элементов и электрической энергии в сочетании с высокой производительностью. Технология позволяет обрабатывать (нагревать) только рабочие поверхности, что решает проблемы улучшения свойств без изменения структурного состояния материала всего изделия.

Целью данной работы является исследование влияния порошковых покрытий на основе Ni на подложке из малоуглеродистой стали, нанесенных плазменно-детонационным методом с последующим оплавлением поверхности и части подложки сильноточным электронным пучком на микроструктуру, фазовый состав и свойства стали. В частности, особый интерес представляет вопрос о том, как влияет нанесенное таким образом покрытие на коррозионную стойкость и микротвердость материала.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

С помощью высокоскоростной импульсной плазменной струи было нанесено покрытие из порошков на основе Ni (ПГ - 10Н - 01) толщиной от 60 до 110 мкм. Затем покрытие и поверхность подложки из стали 3 были оплавлены электронным пучком в режиме плавления (обработка образцов проведена в г. Сумы в Сумском институте модификации поверхности). Такая обработка называется дуплексной, так как в ней используются два высокоэнергетических режима обработки поверхности. Подложка из стали 3 стандартного состава на основе Fe, основу состава порошкового напыления составляет Ni. Состав подложки и порошкового напыления, а также режимы высокоэнергетического воздействия приведены в таблице 1.

Основными методами исследования выбраны рентгеноструктурный фазовый анализ, рентгенофлуоресцентный спектральный анализ, оптическая микроскопия (металлография) и механические испытания. Все исследования осуществлялись в лабораториях ВКГУ им. С. Аманжолова. Измерения микротвердости проведены микротвердомером ПМТ-3 с алмазной пирамидкой и нагрузкой на индентор 0,5; 1 и 2 Н (проводили по 20 испытаний «на точку» со стороны покрытия и со стороны подложки), а так же исследовали изменение микротвердости по глубине покрытия на поперечных шлифах. Осуществлена компьютерная статистическая обработка результатов испытаний с использованием стандартных программ статистической обработки и корреляционного анализа.

Таблица 1 - Состав исследуемых образцов

Рентгеноструктурный анализ проводился на приборе ДРОН - З с использованием кобальтового излучения Co- K. Далее проводили расшифровку рентгенограмм по известным методикам [1], с использованием данных картотеки ASTM. Для спектрального флуоресцентного анализа использовался спектрометр СРВ-1. Контроль качества полированной поверхности шлифа проводили на металлографическом микроскопе МИМ 7. Для выявления микроструктуры полированную поверхность образца подвергали травлению в хлоруксусном электролите. Фотосъемка производилась на оптическом микроскопе Neoрhot 21 при помощи цифрового фотоаппарата. Размер зерен и объемную долю фаз определяли методом произвольных секущих согласно рекомендациям работы [2]. В каждом измерении охватывали не менее 20 структурных единиц. Степень вытянутости зерен (коэффициент неравноосности) рассчитывали как отношение средних диаметров в продольном и поперечном направлениях.

Для описания поведения материала в агрессивной среде, выявления его склонности к коррозии и определения скорости коррозии использовали результаты потенциостатических исследований. В данном случае скорость коррозии определялась изменением толщины образца в мм/год. Эксперимент по снятию поляризационных кривых выполнялся с использованием потенциостата ПИ 50.1.1. Площадь образцов для облегчения расчетов была выбрана равной площади вспомогательного электрода - 1 см2. При проведении испытания была использована трехэлектродная электролитическая ячейка емкостью 120 мл. Для имитации морской воды в ячейку наливали раствор NaCl (3%). Контроль потенциостатирования осуществлялся при помощи хлорсеребряного электрода сравнения.

В результате рентгеноструктурных исследований получены следующие данные: в покрытии можно выделить несколько составляющих: Ni , Ni₂Si, FeCr. Подложка имеет ОЦКрешетку с параметром 2,8664 A, б-модификация железа. Напыление имеет в основном структуру ГЦК, - фаза на основе Ni с параметром решетки 3,5238 A.

Покрытие неоднородно по толщине у всех образцов. Его толщина колеблется от 40 до 180 мкм. Микроструктура покрытия также неоднородна. Металлографически покрытие более мелкозернисто, чем подложка. Зерна подложки и покрытия сравнительно равноосны, не наблюдается текстура. Средние размеры зерен подложки составляют 11 мкм и покрытия 3 мкм. Следует отметить особенность стали 3, проявляющуюся в образовании областей прерывистого распада или перлитного превращения (рисунок 1).

2 По результатам механических испытаний, микротвердость после напыления существенно увеличивается, в среднем возрастая в 2 - 5 раз. При этом дисперсия микротвердости возрастает со стороны напыленного слоя, что косвенно свидетельствует о фазовой неоднородности покрытия. Микротвердость резко убывает с расстоянием от поверхности покрытия (в среднем в 2 раза на каждые 50 мкм).

3 Предположение о фазовой неоднородности подтверждается и данными рентгеноструктурного фазового анализа. Как видно из анализа рентгенограмм, напыленный слой многофазен, здесь присутствует в больших количествах Fe, образуются соединения Ni₂Si, FeCr. Предполагаем, что именно эта многофазность влияет на коррозионную стойкость исследуемых образцов, а Fe проникает на поверхность из подложки за счет нагревания при обработке поверхности электронным пучком (термодиффузия и частично за счет перемешивания при оплавлении).

4 Потенциалы коррозии в морской воде подложки и напыления достаточно высокие: = -0,38 В для подложки и = -0,49 В для покрытия, но покрытие проявляет склонность к межкристаллитной коррозии за счет своей многофазности, если оно нанесено исключительно плазменной струей. Дополнительное электронное облучение улучшает свойства покрытия.

5.Скорость коррозии существенно выше у подложки, что указывает на преимущества дуплексной обработки поверхности. Соответственно (ст)=3,7мм/год, (нап)=2,2мм/год.

В заключение следует отметить, что дуплексная технология получения покрытий позволяет получать заданную структуру материала с улучшенными механическими и физико-химическими свойствами, которые заметно выше, чем у покрытий, полученных просто плазменно-детонационным способом (лучше адгезия покрытия, меньше шероховатость, более однородная и мелкозернистая микроструктура, меньше склонность к коррозии).

SUMMARY

This work demonstrated that additional electron beam melting of a coating on Ni base (PG-10N-01) resulted in formation of Ni2Si, FeCr and Ni phases. This treatment increased the coating by a factor of 2.5 and corrosion resistance in seawater. Also we found mass-transfer of Fe from the substrate to the coating.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ