Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин

Общая глубина упрочненной зоны при использовании ППД возрастает и достигает 600 мкм. Снижение твердости упрочненного слоя при наложении ППД возможно связано с самоотпуском малоуглеродистого мартенсита при наклепе, вызванном пластической деформацией. Факт интенсивного протекания диффузионных процессов подтверждается данными о распределении ванадия по глубине упрочненного слоя (рис. 5.15, а, б).

Аналогичная картина наблюдается при электромагнитной наплавке с ППД порошка Р6М5ФЗ (рис. 5.16). Увеличивается плотность и однородность самого покрытия. При этом, в отличие от наплавленного слоя, получаемого без ППД, максимальная пористость наблюдается на границе покрытия (рис. 5.16, б), где размер пор не превышает 0,1 мкм. Толщина упрочненного слоя возрастает в основном за счет расширения зоны термического влияния. Причина этого заключается в улучшении условий теплопередачи от наплавляемого металла к основе. Появляется зона полной закалки со структурой мелкоигольчатого мартенсита, твердость которой несколько выше, чем у покрытия. Еще одной особенностью покрытия является его слабая травимость, связанная с повышением плотности дефектов, вводимых в структуру аустенита и формированием на этой основе высокодисперсного дислокационного мартенсита, границы выделений которого не декорированы карбидами. Это обстоятельство (отсутствие выделений карбидной фазы) является одной из причин некоторого снижения твердости покрытия при применении ППД.

Особенностью структуры (рис. 5.16, а, б, в, г) упрочненного слоя при использовании ППД является также отсутствие четкой границы раздела между покрытием и основой (рис. 5.16, а). Пористость составляет 3—5%.

5.3.Микротвердость покрытий

Известно, что износостойкость материала покрытий в достаточной мере зависит от их микротвердости, хотя условия использования износостойких покрытий часто требуют сочетания износостойкости с другими эксплуатационными параметрами, такими как упругость, прочность на сжатие и изгиб и т. д. Кроме того, по характеру распределения микротвердости можно судить об изменении фазового состава и толщины упрочненной зоны.

181

На рис. 5.17 представлены зависимости изменения величины микротвердости по глубине поверхностного слоя в образцах с покрытиями из порошков Fe-\0%V, Р6М5ФЗ и С-300. В приведенных зависимостях четко выделяются три основных участка, отличающиеся характером изменения твердости. Участок А соответствует зоне наплавки и характеризуется незначительными колебаниями твердости по толщине. Твердость наплавленного слоя — примерно от 6000 до 7500 МПа, что соответствует структуре мартенсита. Несколько пониженной твердостью обладает покрытие из сплава С-300, что связано с присутствием определенного количества остаточного аустенита. Твердость покрытий значительно превышает твердость мартенсита при обычной закалке с отпуском. Это связано с получением более дисперсной структуры и более высокой плотности дефектов, чем при обычной термообработке. Максимальная твердость наблюдается при использовании порошка Fe- 10%F, что обусловлено отсутствием остаточного аустенита. Толщина слоя покрытия составляет 200—300 мкм.

Участок Б (рис. 5.17) соответствует зоне термического влияния и характеризуется немонотонным изменением твердости, что связано с перераспределением углерода на границе основы и покрытия из-за его повышенной растворимости в жидкой фазе. Аналогичные явления наблюдаются при воздействии на металлические поверхности лазерного излучения. При удалении от поверхности раздела покрытие—основа твердость вначале возрастает в связи с образованием структуры полной закалки, а затем происходит резкое ее снижение до твердости исходного образца (участок В). Некоторые отличия наблюдаются и в упрочненном слое при наплавке порошком С-300, где отмечается увеличение почти в 1,5 раза протяженности зоны Б, которая характеризуется плавным изменением твердости, свидетельствующим о более полном протекании процессов закалки. Это явление следует объяснить более высоким относительным перегревом порошка С-300 при наплавке, так как он имеет пониженную температуру плавления по сравнению с другими исследуемыми материалами. Глубина зоны термического влияния при наплавке порошками Fe- 10%К и Р6М5ФЗ примерно одинакова, а при наплавке порошком С-300 она возрастает.

185

Рис. 5.17. Распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя при электромагнитной наплавке порошков: 1) Fe-10%V; 2) Р6М5ФЗ; 3) С-300.

Поверхностная пластическая деформация, изменяя условия формирования покрытия и контакта его на границе с основой, приводит к изменению упорядоченного по толщине распределения упрочненного слоя.

Увеличение толщины упрочненного слоя в этом случае зависит от протяженности зоны термического влияния. Максимальная твердость покрытий, в отличие от предыдущего случая, наблюдается на поверхности, что связано с уменьшением пористости. Твердость покрытия из порошка Р6М5ФЗ повышается на 10—15%, что объясняется частичным превращением аустенита в мартенсит, возможным частичным его распадом и выделением дисперсных карбидов. Последнее относится к покрытию из порошка Fe-10% V, в структуре которого

не содержится остаточного аустенита, а в результате самоотпуска мартенсита

186

при использовании ППД происходит значительное снижение твердости. В зоне термического влияния в результате более полного развития процессов закалки твердость возрастает и может превысить твердость покрытия. Для покрытий с ППД характерно более плавное снижение твердости при продвижении вглубь образца и увеличение зоны термического влияния до 200—300 мкм (рис. 5.18).

Графическая зависимость 3 (рис. 5.18) характеризует изменение твердости в поверхностном слое образца после наплавки с ППД порошка Р6М5ФЗ и дополнительного трехкратного отпуска при температуре 500—600 °С. В результате выделения множества дисперсных карбидов твердость покрытия в этом случае увеличивается в 1,5 раза.

5.4.Рентгеноструктурный анализ покрытий

Рентгеноструктурный анализ позволяет по величине физического уширения линии /211/а оценить уровень микронапряжений, дисперсность структуры, содержание углерода в твердом растворе, дислокационную структуру и идентифицировать фазы, находящиеся в покрытии.

Так покрытия, полученные ЭМН порошков Р6М5ФЗ и С-300, имеют два типа пересыщенных твердых растворов с решеткой ОЦК (мартенсит) и ГЦК (аустенит). Покрытие из порошка Fe-l0%Vсодержит пересыщенный малоугле-

родистый высоколегированный твердый раствор с решеткой ОЦК (мартенсит). В табл. 5.2 приведены результаты расчета рентгенограмм для линий /110/а, которые смещаются в сторону меньших углов, что связано с повышением плотности дефектов, вводимых в структуру а — твердого раствора.

187

Рис. 5.18. Распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя при электромагнитной поплавке с поверхностным пластическим деформированием:

1) Fe—10%V; 2) Р6М5ФЗ; 3) Р6М5ФЗ с дополнительным трехкратным отпуском.

Максимальное смещение имеют линии в покрытии, полученном ЭМН с ППД порошка Р6М5ФЗ. Обусловлено это увеличением содержания углерода и легирующих элементов в твердом растворе. В этом покрытии отсутствует аустенит, так как под влиянием пластической деформации происходит его распад. На штрих-диаграммах рентгеновской съемки (рис. 5.19 и 5.20) покрытий,

188

п о л у ч е н н ы х ЭМН порошков Р6М5ФЗ и С-300, присутствуют только линии

мартенсита и аустенита, причем в покрытии из порошка С-300 доля аустенита больше, чем в покрытии из порошка Р6М5ФЗ. Это обусловлено вы- с о к ой концентрацией углерода, стабилизирующего аустенит. Пластическая деформация высокоуглеродистого аустенита при высоких температурах при- в о д ит к повышению плотности дефектов, вводимых в его структуру, в резуль-

тате чего происходит более полный распад аустенита и, как следствие, повышается твердость покрытия. В структуре покрытия из порошка Fe-10%У

аустенит отсутствует.

Твердость быстрорежущей стали повышается за счет выделения дисперсных карбидов при отпуске. Трехкратный отпуск образцов после ЭМН с ППД порошка Р6М5ФЗ приводит к выделению сложных карбидов хрома и ванадия (рис. 5.21), что обусловливает увеличение плотности и твердости покрытия (рис. 5.18).

Содержание углерода в мартенсите покрытий приведено в табл. 5.3. Практически весь углерод в покрытиях из Р6М5ФЗ и Fe- 10%F находится в

твердом растворе. В покрытии из С-300 в мартенсите находится лишь 0,98% углерода, часть его находится в аустените, а остальной — в составе очень дисперсных эвтектических карбидов хрома и ванадия.

Рис. 5.19. Штрих-диаграмма рентгеновской съемки поверхностного слоя покрытия, полученного электромагнитной наплавкой (а)

и электромагнитной наплавкой с ППД порошка Р6М5ФЗ (б).

189