ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ NiCrBSiС-WC

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ NiCrBSiС-WC

А.Е. Затока, Д.В. Дробот, С.П. Мерчев, С.В. Невежин, А.С. Герасимов, Д.А.Ронжин,@ ООО «Технологический центр “Техникорд”»,

Москва 140000, Россия МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова),

ООО «Технологические системы защитных покрытий», Москва,

ООО «Технологии модификации поверхности», Астрахань,

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва

В работе исследовано влияние технологических параметров лазерной наплавки на толщину твердосплавных композитных покрытий со схожей по составу и свойствам матрицей NiCrBSiС и разным типам упрочняющих включений (сферические карбиды вольфрама WC и карбиды вольфрама из отходов твердосплавного производства). Особое внимание обращено на физико-механические и служебные свойства композитов, в частности, твердость и стойкость к абразивному износу. Установлено, что толщина твердосплавных композитных покрытий возрастает с увеличением мощности лазера и расхода транспортирующего газа, а также с уменьшением скорости и шага наплавки. Выявлено, что при добавлении 50% масс. WC-матрица имеет меньшие значения твердости: 540–560 HV, что позволяет получать структуру твердосплавных композитных покрытий без трещин, тогда как при добавлении 80% масс. WC твердость матрицы твердосплавных композитных покрытий повышается до 670 HV и структура покрытий без трещин не обеспечивается. Износостойкость композитов NiCrBSiС-WC, как и склонность к трещинообразованию, увеличивается с ростом процентного содержания карбида вольфрама. Отмечено, что износостойкость покрытия, полученного из порошка Техникорд 655-СЛ с упрочнением карбидом вольфрама из отходов твердосплавного производства, сопоставима с таковой для покрытий с добавлением сферического карбида вольфрама Tekmat WC-125. Покрытия из композитов NiCrBSiС-WC, полученные методом лазерной наплавки, позволяют повысить ресурс оборудования телеметрических систем. Удается предотвратить истирание и обеспечить срок службы контактных площадок резистивиметра до 500 ч.

Ключевые слова: лазерная наплавка, композитное покрытие, твердость и износостойкость покрытия.

DOI: 10.32362/2410-6593-2018-13-4-58-66

Введение

Технология лазерной наплавки применяется для нанесения твердосплавных композитных покрытий на изнашиваемые части узлов оборудования ответственного назначения, например, оборудования телеметрических систем, предназначенного для геофизических исследований скважин и контроля забойных параметров процессов бурения с целью обеспечения требуемого срока их службы.
В настоящее время для защиты от износа широкое применение нашли самофлюсующиеся материалы NiCrBSiС1: хром обеспечивает стойкость к окислению и коррозии при повышенных температурах; бор и углерод, в свою очередь, понижают температуру плавления и способствуют формированию карбоборидов, повышая твердость и износостойкость покрытий; кремний добавляют для увеличения смачиваемости основы жидким металлом [1].
В результате легирования бором и кремнием в процессе наплавки также происходит самофлюсование: при высоких температурах образуется стекловидное шлаковое покрытие, защищающее металл наплавки от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха [2].
Сплавы NiCrBSiС имеют низкую температуру плавления, что способствует уменьшению термического воздействия на деталь в процессе наплавки, за счет чего уровень остаточных деформаций и напряжений в основе значительно снижается [3–5].
Лазерная наплавка композитных твердосплавных покрытий NiCrBSiC+WC является одним из наиболее эффективных методов, применяемых для защиты от износа, среди таких альтернативных методов нанесения покрытий, как газотермическое напыление и плазменная наплавка покрытий, упрочненных соединениями WC/W2C, Cr3C2, SiC, TaC,TiB2, и использования износостойких сталей типа Hardox 400 [6–10]. В настоящее время опубликовано большое количество работ [11–14], в которых сопоставляются методы нанесения композитных твердосплавных покрытий NiCrBSiС с различным содержанием упрочняющих включений. При этом сравнение характеристик композитных твердосплавных покрытий с разными типами упрочняющих включений приведены лишь в отдельных публикациях, что не позволяет оценить эффективность применения твердосплавных покрытий NiCrBSiС+WC для повышения ресурса оборудования, подверженного комплексу разрушающих факторов [15].
Цель настоящей работы – установить зависимость толщины композитного покрытия от параметров лазерной наплавки, а также проследить влияние типа упрочняющих включений на его твердость и износостойкость.

Методическая часть

При нанесении покрытий использовали порошок Техникорд 655 СЛ (Технологический центр «Техникорд»,Россия) с упрочнением карбидами вольфрама из отходов твердосплавного производства. Помимо этого, для лазерной наплавки в качестве матрицы композитных покрытий брали самофлюсующийсясплав Höganäs 1035-40 (Компания Höganäs, Швеция), в качестве упрочняющих включений – порошки сферических карбидов вольфрама Tekmat WC-125 (Компания Tekna, Италия). Химический состав данных порошков представлен в табл. 1.
Подложкой служила низкоуглеродистая сталь Ст20, размер образцов 25×45×10 мм.
С целью установления влияния режимов лазерной наплавки на толщину композитного покрытия из порошка Техникорд 655-СЛ использовали четырехфакторный эксперимент для линейной модели в виде полуреплики 24-1 по критериям ортогональности и ротатабельности. Функцией отклика являлась толщина наносимого покрытия. Факторы и интервалы их варьирования, приведенные в табл. 2, соответствуют типовым значениям для лазерной наплавки. Отработанные режимы использовали для нанесения композитных покрытий NiCrBSiС+WC, упрочненных сферическим карбидом вольфрама. Условия проведения экспериментов приведены в табл. 3.

Обработку экспериментальных данных осуществляли с помощью инструмента Design of experiments и Multiple Regression программного пакета STATISTICA 102 . Покрытия наносили при помощи комплекса лазерной наплавки LDF 6000-100 (Компания Trumpf, Германия; лазерная голова Process Optic) по методике [16]. С целью исследования микроструктуры образцов заранее готовили микрошлифы, для чего наплавленное покрытие резали, прессовали, шлифовали и полировали. Резку образцов осуществляли на прецизионном отрезном станке типа BRILLANT 220 (АТМ, Германия). Использовали также корундовые отрезные диски Ø 150×0.45×12.7 мм. Подготовку поверхности «таблетки» выполняли на шлифовально-полировальной машине Saphir 520 (АТМ, Германия). Запрессовку образцов проводили на гидравлическом прессе Opal 460 (АТМ, Германия), оснащенном системой нагрева и водяного охлаждения.

Для полученных образцов исследовали структуру и измеряли микротвердость по Викерсу с помощью автоматического микротвердомера ZHVµ-AF (Zwick/Roell, Германия) с программным обеспечением для обработки результатов. Микротвердость измеряли по ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников» при нагрузке 200 гс. Толщину покрытия измеряли с помощью оптического микроскопа Axiovert 40 MAT (Carl Zeiss, Германия). Износостойкость покрытий определяли, согласно стандарту ASTM G65-04 «Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus» по схеме сухой песок – обрезиненный диск. Абразивным материалом служил гранулированный кварцевый песок, величина зерна варьировалась от 150 до 425 мкм. Для обеспечения нужного размера зерна песок перед испытанием просеивали с помощью просеивающей машины «HAVER EML 200 Digital Plus T» (Компания HAVER & BOECKER, Германия). Содержание влаги в песке не превышало 0.5% от общей массы. При этом песок предварительно высушивали, нагревая до 100 °C и выдерживая при этой температуре в течение 90 мин.

Испытания проводили по следующим режимам:

• длительность испытаний – 10 мин;

• нагрузка – 130 Н;

• скорость вращения диска – 200 об/мин.

Коэффициент износостойкости рассчитывали, исходя из объема, потерянного во время испытаний покрытия. Износ определяли путем взвешивания исследуемого образца до и после проведения испытаний. Взвешивание образцов осуществлялось на аналитических весах типа ES 520A Precisa (Швейцария) с точностью 0.0001 г

Результаты и их обсуждение

Результаты регрессионного анализа экспериментальных данных по влиянию параметров лазерной наплавки на толщину композитного твердосплавного покрытия из порошка Техникорд 655-СЛ приведены в табл. 4, 5. Линейное уравнение регрессии адекватно экспериментальным данным по критерию Фишера для сс-числа степеней свободы и заданного p-уровня значимости. Все коэффициенты уравнения регрессии статистически значимы по t-критерию Стьюдента для заданного p-уровня значимости.

.

Согласно результатам регрессионного анализа (табл. 5), зависимость толщины покрытия от параметров лазерной наплавки может быть оценена по уравнению регрессии:

Интерпретация приведенного уравнения показывает, что толщина твердосплавных композитных покрытий возрастает с увеличением мощности лазера и расхода транспортирующего газа, а также с уменьшением скорости лазера и шага наплавки.

Полученные в настоящей работе закономерности не противоречат литературным данным. Так, в [17] показано, что при лазерной наплавке толщина покрытия увеличивается с увеличением расхода транспортирующего газа (аргона) и мощности лазера. Нами выявлено, что увеличение мощности лазера на 0.25 кВт приводит к увеличению толщины наплавки в 1.8 раз, а увеличение расхода транспортирующего газа на 4 л/мин – к увеличению толщины в 1.5 раза. Менее значимым фактором является шаг наплавки:

уменьшение шага наплавки на 0.2 мм сопровождается увеличением толщины на треть. В то же время уменьшение скорости наплавки на 0.002 м/мин приводит к увеличению толщины наплавки в 2.5 раза. С учетом результатов регрессионного анализа выбраны следующие режимы нанесения покрытий NiCrBSiC+WC: • мощность лазера – 1350 Вт; • скорость наплавки – 0.007 м/с; • шаг наплавки – 1.6 мм; • расход защитного газа аргона – 14 л/мин. Регулировку расхода транспортирующего газа изменяли в зависимости от требуемого объемного содержания упрочняющих включений в композитных твердосплавных покрытиях. Металлографические исследования композитых твердосплавных покрытий с различными типами упрочняющих включений (Техникорд 655-СЛ; Höganäs 1035 + 50% Tekmat WC-125; Höganäs 1035 + 80% Tekmat WC-125), показали, что имеются различия по твердости матрицы и упрочняющих включений (табл. 6).

Очевидно, что при добавлении 50% масс. Tekmat WC-125 матрица покрытия обладает более низкими значениями твердости в сравнении с паспортными данными, и удается получить структуру без трещин. При этом твердость упрочняющих включений карбидов соответствует паспортным данным. В то же время при добавлении 80% масс. Tekmat WC-125 в композитные твердосплавные покрытия увеличивается твердость матрицы и снижается твердость упрочняющих включений в сравнении с паспортными данными, что приводит к образованию трещин (рис. 1), вероятно, вследствие декарбидизации первичного карбида вольфрама (WC) до вторичного W2 C и повышения содержания углерода в матричном сплаве NiCrBSiC [18].

При нанесении покрытий из порошка Техникорд 655-СЛ нет необходимости в использовании механических смесей, поэтому удается обеспечить равномерность распределения упрочняющих включений, предотвратить их растворение в металлической матрице, снизить количество трещин и пор в покрытии (рис. 2). В композитном твердосплавном покрытии из порошка Техникорд 655-СЛ матрица имеет схожие значения твердости с покрытием Höganäs 1035 + 50% Tekmat WC-125. Здесь упрочняющие включения карбидов из отходов твердосплавного производства имеют более низкие значения твердости по сравнению со сферическими карбидами вольфрама, обусловленные, по-видимому, типом исходного сырья, используемого для их производства.

Износостойкость покрытий

Роль упрочняющих фаз в композитах определяется их поведением при встрече с абразивом. Обычно они имеют более высокие механические свойства и характеризуются большей энергией разрушения, чем абразивы. Поэтому в процессе абразивного изнашивания столкновение с упрочняющей фазой приводит к частичному или полному разрушению абразивной частицы и к прекращению единичного акта изнашивания или уменьшению размеров повреждения [19]. Локальное поле напряжений, существующее вокруг частиц упрочняющих фаз, затрудняет движение дислокаций при пластической деформации, предшествующей разрушению металлической связки, тем самым затрудняя ее изнашивание. Функции барьеров на пути абразивных частиц упрочняющие фазы выполняют лучше в компактной форме: тонкие и длинные пластины упрочняющих фаз не в состоянии противостоять абразиву [20]. Этим объясняется большая эффективность упрочнения сплавов NiCrBSiС компактными карбидами вольфрама, которые образуют комплексы из частиц округлого сечения в сравнении с первичными фазами, выделяющимися при кристаллизации сплавов преимущественно в виде прямоугольников вытянутой формы.

Результаты испытаний износостойкости твердосплавных покрытий в соответствии с ASTM G65 показывают незначительную разницу в стойкости композитов с аналогичным содержанием карбидов различных типов (рис. 3).

Износостойкость покрытия из порошка Техникорд 655-СЛ с упрочнением карбидами вольфрама из отходов твердосплавного производства сопоставима с таковой для покрытий с добавлением сферического карбида вольфрама Tekmat WC-125 при меньшей стоимости материала.

Полученные результаты согласуются с данными [15], где обсуждается стойкость к изнашиванию незакрепленным абразивом сплавов NiCrBSiС с различными видами карбидов в качестве упрочняющих фаз. Так, массовый износ композита NiCrBSiС + 50% WC в 2.5 раза ниже, чем у композитов NiCrBSiС + 50% TiC и NiCrBSiС + 50% VC.

Исследование стойкости композитов с карбидами TiC, NbC и WC при трении о закрепленные абразивные частицы показало [21], что в карбиде вольфрама высокая твердость сочетается с достаточной прочностью и пластичностью, вследствие чего абразивные частицы скользят по карбиду WC, не изнашивая его, в отличие от более твердых и хрупких карбидов TiC и NbC.

Из полученных данных следует, что покрытия из NiCrBSiС+WC, полученные методом лазерной наплавки, позволяют восстанавливать детали оборудования ответственного назначения.

В ходе эксплуатационных испытаний установлено, что для композитных твердосплавных покрытий, полученных плазменной наплавкой, истирание контактных площадок резистивиметра наступает после наработки в 350 ч. Композитные твердосплавные покрытия NiCrBSiС+WC, полученные по отработанной нами технологии лазерной наплавкой, продлевают срок службы резистивиметра до 500 ч (рис. 4).

Выводы

В ходе проделанной работы нами установлено, что толщина твердосплавных композитных покрытий возрастает с увеличением мощности лазера и расхода транспортирующего газа, а также с уменьшением скорости и шага наплавки, наиболее значимым фактором является скорость наплавки. Склонность композитов NiCrBSiС+WC, полученных методом лазерной наплавки, к трещинообразованию, как и их износостойкость, увеличивается с ростом процентного содержания карбида вольфрама: матрица, содержащая 80% масс. карбидов, провоцирует образование трещин предположительно за счет растворения упрочняющих включений в матрице с изначально высокой твердостью и формирования хрупкой эвтектики путем декарбиризации первичного карбида вольфрама WC до вторичного W2 C. Матрица с добавлением 50% масс. карбида позволяет обеспечить наименьшее смешение слоя с подложкой и растворение карбида, соответственно, предотвратить микрорезание матрицы абразивными частицами и выкрашивание из нее упрочняющих включений.

Износостойкость покрытия из порошка Техникорд 655-СЛ с упрочнением карбидом вольфрама из отходов твердосплавного производства сопоставима с таковой для покрытий с добавлением сферического карбида вольфрама Tekmat WC-125. При этом стоимость производства порошка Техникорд 655-СЛ в 1.5-2 раза ниже из-за низкой стоимости исходного сырья. В ходе эксплуатационных испытаний узлов оборудования телеметрических систем показано, что композитные покрытия, полученные лазерной наплавкой, продлевают срок службы оборудования до 500 ч.

Список литературы:

1. Mrdak M., Vencl A., Cosic M. Microstructure and mechanical properties of the Mo-NiCrBSi coating deposited by atmospheric plasma spraying // FME Trans.
2009. V. 37. P. 27–32.
2. Yang J., Liu F., Miao X., Yang F. Influence of laser cladding process on the magnetic properties of WC-FeNiCr metal-matrix composite coatings // J. Mater. Process. Technol. 2012. V. 212. P. 1862–1868.
3. Макаров А.В., Саврай Р.А., Осинцева А.Л., Малыгина И.Ю. Влияние химического состава на трибологические свойства хромоникелевых покрытий, полученных методом газопорошковой лазерной наплавки // Известия Челябинского научного центра. 2009. № 2 (44). C. 28–33.
4. Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л., Поздеева Н.А. Влияние микроструктуры и фазового состава на трибологические свойства NiCrBSi лазерных покрытий // Известия Самарского научного
центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. № 4 (3). С. 869–873.
5. Cai B., Tan Y.-F., He L., Tan H., Gao L. Tribological properties of TiC particles reinforced Nibased alloy composite coatings // Trans. Nonferr. Metal. Soc. China. 2013. V. 13. P. 1681–1688.
6. Niranatlumpong P., Koiprasert H. Phase transformation of NiCrBSi-WC and NiBSi-WC arc sprayed coatings // Surf. Coat. Tech. 2011. V. 206. P. 440–445.
7. Guo Ch., Chen J., Zhou J., Zhao J., Wang L., Yu Y., Zhou H. Effects of WC–Ni content on microstructure and wear resistance of laser cladding Ni-based alloys coating // Surf. Coat. Tech. 2012. V. 206. P. 2064–2071.
8. Liyanage T., Fisher G., Gerlich A.P. Microstructures and abrasive wear performance of PTAW deposited Ni-WC overlays using different Nialloy chemistries // Wear. 2012. V. 274-275. P. 345–354.
9. Si S.-H., Yuan X.-M., Liu Y.-L., He Y.-Z., Keesam Sh. Effect of laser power on microstructure and wear resistance of WCP/Ni cermet coating // J. Iron Steel Res. Int. 2006. V. 13. Iss. 3. P. 74–78.
10. Mendez P.F., Barnes N., Bell K., Borle S.D., Gajapathi S.S., Guest S.D., Izadi H., Gol A.K., Wood G. Welding processes for wear resistant overlays // J.Manuf. Process. 2014. V. 16. P. 4–25.
11. Zikin A., Antonov M., Hussainova I., Katona L., Gavrilovic´ A. High temperature wear of cermet particle reinforced NiCrBSi hardfacings // Tribol. Int. 2013. V. 98. P. 45–55.
12. Li Q., Song G.M., Zhang Y.Z., Lei T.C., Chen W.Z. Microstructure and dry sliding wear behavior of laser clad Ni-based alloy coating with the addition of SiC // Wear. 2003. V. 254. Iss. 3-4. P. 222–229.
13. Chao M.-J., Wang W.-L., Liang E.-J., Ouyang D. Microstructure and wear resistance of TaC reinforced Ni-based coating by laser cladding // Surf. Coat. Tech. 2008. V. 202. P. 1918–1922.
14. Yan H., Zhang P., Yu Zh., Lu Q., Yang Sh., Li Ch. Microstructure and tribological properties of laser-clad Ni-Cr/TiB2 composite coatings on copper with the addition of CaF2 // Surf. Coat. Tech. 2012. V. 206. P. 4046–4053.
15. Nurminen J., Näkki J., Vuoristo P. Microstructure and properties of hard and wear resistant MMC coatings deposited by laser cladding // Int. J. Refract. Metal. Hard Mater. 2009. V. 27. № 2. P. 472–478.
16. Мисюров А.И., Федоров Б.М., Шиганов И.Н. Технология лазерной наплавки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 40 c.
17. Морозов Е.А. Исследование свойств покрытия из легированной стали, полученного лазерной наплавкой // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2(1). URL: https://science-education.ru/ ru/article/view?id=20536
18. Егунов А.И., Артеменко Ю.А., Путинцева М.Н., Чирков А.Е. Коаксиальная лазерная газопорошковая наплавка композиционного сплава системы WC+NiCrBSi: Влияние фазовых и структурных превращений на параметры качества покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 5. С. 22–26.
19. Shengfeng Z., Jiando L., Xiaoqin D., Jindo G., Zhengie G., Hongdo P. A comparative study of the structure and wear resistance of NiCrBSi/50 wt.% WC composite coatings by laser cladding and laser induction hybrid cladding // Int. J. Refract. Metal. Hard Mater. 2016. V. 60. P. 17–27.
20. Крагельский И.В. Трение и износ. Беларусь: Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого, 2008. 224 с.
21. Филиппов М.А., Бараз В.Р., Гервасьев М.А., Розенбаум М.М. Методология выбора металлических сплавов и упрочняющих технологий в машиностроении. Т. 1. Стали и чугуны. Екатеринбург: Издво Урал. ун-та, 2013. 232 с.

Об авторах:
Затока Анатолий Ефимович, кандидат технических наук, директор ООО «Технологический Центр “Техникорд”» (140000, Россия, г. Люберцы, Октябрьский проспект, д. 259-а).
Дробот Дмитрий Васильевич, доктор химических наук, профессор кафедры химии и технологии редких и рассеянных элементов, наноразмерных и композиционных материалов им. К.А. Большакова Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет» (119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86). E-mail:dvdrobot@mail.ru
Мерчев Сергей Петрович, заместитель генерального директора ООО «Технологические системы защитных покрытий» (108851, Россия, Москва, Щербинка, Симферопольское ш., д. 19). E-mail: s.merchev@tspc.ru
Невежин Станислав Владимирович, кандидат технических наук, заместитель генерального директора ООО «Технологии модификации поверхности» (414000, Россия, Астрахань, ул. 1-я Вишневая, д. 3). E-mail: nsv@otempo.ru
Герасимов Андрей Сергеевич, научный сотрудник, ФГАОУ НИТУ «Московский институт сталей и сплавов» (19991, Москва, Ленинский пр-т, 4). E-mail: Gera1_23@mail.ru
Ронжин Дмитрий Александрович, магистрант кафедры химии и технологии редких и рассеянных элементов, наноразмерных и композиционных материалов им. К.А. Большакова Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет» (119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86). E-mail: kynavino@bk.ru