Структура и свойства покрытия из нержавеющей стали, напыленной на Сталь 3 и оплавленной электронным пучком

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ И МЕТОДОВ ИХ

МОДИФИКАЦИИ

1.1 Железо и сплавы на его основе

1.2 Свойства металлов и сплавов

1.2.1 Коррозионная стойкость материалов

1.2.2 Сопротивление материалов разрушению

1.3 Методы защиты металлов и сплавов

1.3.1 Классификация методов защиты от коррозии

1.3.2 Плазменный метод нанесения покрытий

1.3.3 Электронно-лучевая обработка

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Методика экспериментальных исследований

2.1.1 Рентгеноструктурный анализ

2.1.2 Растровая электронная микроскопия

2.1.3 Масс-спектрометрия вторичных ионов

2.1.4 Микротвердометр ПТМ-3

2.2. Расшифровка результатов экспериментов

3. ОХРАНА ТРУДА

4.1 Анализ опасных и вредных факторов при исследованиях

4.2Расчет защитного заземления

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Организационные формы предпринимательства

4.2 Участники предпринимательской деятельности на Украине

4.3 Запрос на финансирование

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

Развитие новых технологий требует постоянного усовершенствования приборов и инструментов, необходимых в промышленных производствах. Долгое использование деталей машин неизбежно приводит к их изнашиванию. Так же немалое значение имеет внешняя среда, в которой используется различное техническое оборудование, так как повышенная влажность приводит к коррозии большинства металлических частей различных механизмов и тем самым приводит их в негодность. Ученые всего мира работают над проблемами продления срока службы деталей машин. Эксплуатация машин сопровождается изнашиванием деталей, для их восстановления и повышения износостойкости применяют наплавку изностойкими сплавами. Чтобы наплавка обеспечивала существенное повышение износостойкости, необходим обоснованный выбор материала для каждого конкретного назначения.

В разных случаях используются различные материалы для нанесения покрытий, а также различные методы обработки поверхности.

В последние годы наряду с традиционными технологиями упрочнения и защиты от коррозии поверхностей металлов закалкой и наплавкой токами высокой частоты, химико-термической обработкой и другими способами все активнее используются высококонцентрированные источники нагрева: плазменная струя, лазерный луч, электронный и ионный пучки. Их внедрение позволяет резко сократить энергозатраты, интенсифицировать процессы упрочнения, уменьшить коробление деталей, исключить необходимость использования различных сред, а также полностью автоматизировать процесс.

В данной работе исследовались структура и свойства Стали 3 после нанесения на ее поверхность покрытия из нержавеющей стали плазменно-детонационным методом. Последующая обработка образца электронным пучком была необходима для увеличения толщины упрочненного слоя, увеличения глубины проникновения имплантированных элементов и более равномерного перераспределения легированных элементов.

1. СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ И МЕТОДОВ ИХ МОДИФИКАЦИИ

1.1 Железо и сплавы на его основе

Железо является переходным металлом IV периода восьмой группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, порядковый номер 26. Удельный вес равен 7.82 г/см³; температура плавления 1539⁰С; атомный вес 55.85, атомный радиус 0.127 нм [1]. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99.999% Fe, а технические сорта 99.8 - 99.9% Fe. Железо известно в двух полиморфных модификациях б и г. б-железо существует при температурах ниже 910⁰С и выше 1392⁰С. Для интервала температур 1392 - 1539⁰С б-железо нередко обозначают как д-железо.

Кристаллическая решетка б-железа - объемно-центрированный куб с периодом решетки 0.28606 нм. До температуры 768⁰С б-железо магнитно (ферромагнитно). г-железо существует при температуре 910 - 1392⁰С.

Кристаллическая решетка г-железа - гранецентрированный куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910⁰С [2].

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы Периодической системы, атомный номер 6, плотность 2.5 г/см³, атомная масса 12.011, температура плавления 3500°С, атомный радиус 0.077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита, а высокоуглеродистых сплавах и виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы -- феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит -- твердый раствор углерода и других примесей в б-железе. Различают низкотемпературный б-феррит с растворимостью углерода до 0.02% и высокотемпературный д -феррит с предельной растворимостью углерода 0.1%. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0.29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д.

Аустенит -- твердый раствор углерода и других примесей в г-железе. Предельная растворимость углерода в г-железе -- 2.14%. Атом углерода в решетке г-железа располагается в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0.41R (R -- атомный радиус железа) и в дефектных областях кристалла.

Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в г-железе по сравнению с б-железом. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита -- полиэдрические зерна.

Цементит -- это химическое соединение железа с углеродом -- карбид железа Fе₃С. В цементите содержится 6.67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит. Кристаллическая решетка графита гексагональная слоистая. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0.142 нм, расстояние между плоскостями равно 0.340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью [2].

Железо имеет основную долю по изготовлению и применению среди остальных металлов (в виде его сплавов - стали, чугуны, ферросплавы). Популярность железа связана с рядом таких причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами, возможностью массового изготовления и большой распространенностью ее руд в природе.

Сплавы железа являются основными конструкционными материалами, применяемыми в машиностроении, транспорте, строительстве и т.д. Варьируя состав и структуру, способы обработки, получают железоуглеродистые сплавы с самыми разнообразными свойствами, что делает их универсальными конструкционными материалами.

Стали - основной конструкционный материал, применяемый для производства машин, инструмента, приборов, различных аппаратов и конструкций. Их отличает благоприятное сочетание механических, физико-химических и технологических свойств.

Стали подразделяют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и типу структуры.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.

Легированными (от лат. ligo -- связываю, соединяю) называют стали, содержащие в своем составе специально введенными легирующие элементы (никель, хром, молибден, титан, ванадий вольфрам и др.), или стали с повышенным (более 0.5 - 1.0 %) содержанием кремния или марганца. Введение легирующих добавок в сталь повышает механические свойства или придает им специальные свойства, например жаростойкость, жаропрочность кислотостойкость и др. Так в зависимости от этих основных свойств легированные стали разделяют на три группы: нержавеющие (коррозионно-стойкие); жаростойкие (окалиностойкие) и жаропрочные. Нержавеющие стали обладают высокой химической стойкостью в агрессивных средах [3]. Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал в разных агрессивных средах. Наиболее распространены из этой группы -- хромистые (13--30% Сr), хромоникелевые (до 10--12% Ni), хромоникельмолибденовые стали [4].

Нержавеющие стали как конструкционный материал широко используют в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности и как декоративный материал -- в архитектуре и автомобилестроении. Кроме того, они применяются для изготовления режущих инструментов, штампов, лопаток паровых турбин [3].

По назначению стали делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.

По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества (выплавляют только углеродистые), качественные, высококачественные и особовысококачественные (выплавляют только легированные). Качество стали определяется совокупностью таких показателей, как однородность состава, строения и свойств стали. Качество стали снижают вредные технологические примеси: сера, фосфор, газы и по их содержанию судят о качестве стали.

Стали обыкновенного качества содержат от 0.06% S и 0.07% Р, качественные - не более 0.04% S и 0.035% Р, высококачественные - не более 0.025% S и 0.025% Р, особовысококачественные - менее 0.015% S и 0.025% Р.

По степени раскисления и характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь.

По типу структуры стали классифицируют в отожженном и нормализованном состоянии. В отожженном состоянии в зависимости от типа структуры различают шесть классов сталей: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные (содержащие в структуре первичные карбиды), аустенитные (образуются при добавлении значительных количеств Ni или Mn), ферритные (при введении Сг, Si, V, W).

Для углеродистых сталей характерны структуры первых трех классов, для легированных - всех шести классов.

По типу структуры в нормализованном состоянии различают следующие основные классы сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный.

Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали повышаются твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.

В углеродистой стали кроме железа и углерода содержатся еще постоянные (технологические) примеси таких элементов, как сера, фосфор, кремний, марганец.

Кислород, азот и водород -- вредные скрытые примеси. Их роль наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами) [3].

В данной дипломной работе рассматривается образец из материала сталь 3, которая является углеродистой конструкционной сталью обыкновенного качества. Сталь 3, как и все конструкционные стали, должна гарантировать длительную и надежную работу материала при эксплуатации и обладать хорошими технологическими свойствами.

Углеродистые конструкционные стали подразделяют на стали обыкновенного качества и качественные [2].

Стали обыкновенного качества наиболее дешевые, поэтому их широко применяют. По сравнению с качественными сталями в процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей (содержат больше серы и фосфора). Их отливают в крупные слитки, вследствие чего в них сильно развита ликвация, нередко они содержат большое количество неметаллических включений.

Из стали обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат (балки, прутки, швеллеры, уголки, листы и поковки). Указанные полуфабрикаты широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций (балок, ферм, конструкций подъемных кранов, корпусов сосудов и аппаратов, каркасов паровых котлов, драг и т.д.), а также для мало напряженных деталей машин (осей, валов, шестерен, пальцев траков, втулок, валиков, болтов, гаек и т. д.). Многие детали машин упрочняют термической обработкой.

1.2 Влияние внешних факторов на свойства металлов и сплавов

1.2.1 Коррозионная стойкость материалов

Металлы и металлические сплавы - основные конструкционные материалы для большинства отраслей народного хозяйства. Однако изделия из металлов и сплавов под действием различных физико-химических и биологических факторов разрушаются или теряют (снижают) свои потребительские качества. Такое разрушение изделий из металлов при воздействии внешней среды получило название коррозии металлов. Слово «коррозия» производное от латинского словообразования соrrоdо (обгрызать, изгрызать), где корень гоdо -- разъедать [5].

Коррозия материалов -- процесс самопроизвольный, всегда негативный с точки зрения промышленной практики. Однако можно привести примеры, когда коррозия играет положительную роль и преднамеренно провоцируется -- например, при кислотной очистке поверхности металлов. В данной дипломной работе коррозия металлов будет рассматриваться как негативное, вредное для техники явление.

Атмосферная коррозия -- это разрушение металлов во влажных средах при температуре окружающей среды. При этом преобладают электрохимические гетерогенные процессы на границе раздела фаз (поверхность металла -- тонкий слой влаги, сконденсировавшейся на поверхности металла).

Гетерогенный электрохимический процесс атмосферной коррозии часто сопровождается кислородной деполяризацией, но в условиях промышленной атмосферы, содержащей различные агрессивные газы, коррозионный процесс может протекать и за счет водородной деполяризации. На скорость процесса атмосферной коррозии влияют характер атмосферы, продолжительность воздействия, состав металла и состояние его поверхности. Влажность, температура и степень загрязнения атмосферы влияют на качество и состав образующихся на поверхности металла пленок влаги, причем в таких слоях становится возможным возникновение концентрационной поляризации.

В промышленных районах атмосферная коррозия может интенсифицироваться под действием так называемых кислотных дождей, основными агрессивными составляющими которого являются H₂SO₄ и HNO₃. Выделяющийся в атмосферу SO₂ растворяется в каплях воды с образованием сернистой кислоты H₂SO₄, которая подвергается фотохимической реакции в каплях под действием ультрафиолетового излучения с образованием сернокислотного тумана. Присутствующие в водяных каплях ионы марганца или железа служат катализаторами этого процесса. Образование сернокислотного тумана ускоряется в результате окислительного действия H₂O₂ и озона. Кислотные дожди (рН < 4) легко вызывают коррозию сплавов железа [3].

В зависимости от влажности атмосферы различают несколько видов атмосферной коррозии: мокрую, влажную и сухую коррозию.

Мокрая атмосферная коррозия наблюдается при капельной конденсации влаги на поверхности металла при относительной влажности воздуха, равной 100%. Так корродируют металлические конструкции под воздействием дождя, снега, тумана, т. е. прямого попадания влаги.

Влажная атмосферная коррозия возникает при влажности в атмосфере ниже 100% и сопровождается адсорбционной, капиллярной и химической конденсацией на поверхности металла. Адсорбционная конденсация -- это процесс образования тончайшего слоя молекул воды, связанных с поверхностью металла адсорбционными силами. В зависимости от состояния металлической поверхности на ней при влажности немного ниже 100% может адсорбироваться слой влаги в несколько десятков молекулярных слоев.

В случае шероховатой или запыленной поверхности образуется молекулярный слой воды. Химическая конденсация влаги (хемосорбция воды) -- это процесс дальнейшего развития адсорбционной конденсации. Для этого процесса характерно образование гидроксидов. Капиллярная конденсация преимущественно проходит в зазорах, щелях и т.д.

Сухая атмосферная коррозия проходит при относительной влажности ниже 60%, т.е. под действием кислорода воздуха. В этом случае наблюдается лишь потускнение поверхности металла вследствие образования пленки из продуктов коррозии. Процесс разрушения в случае сухой атмосферной коррозии подобен химическому процессу роста оксидных пленок на поверхности металла. Пленка на металле в условиях сухой атмосферной коррозии растет очень медленно и рост ее быстро прекращается, однако сухая атмосферная коррозия при появлении на металлической поверхности тончайших пленок влаги переходит во влажную атмосферную коррозию, а при попадании брызг -- в мокрую атмосферную коррозию.

На скорость атмосферной коррозии влияет контакт металлов, электродные потенциалы которых неодинаковы [6].

Меры по защите материалов от атмосферной коррозии зависят от конструктивных и эксплуатационных особенностей машин и аппаратов, но основное их назначение -- затормозить анодный и катодный процессы [3]. Для этого применяются сплавы и защитные покрытия устойчивые в атмосферных условиях.

1.2.2 Сопротивление материалов разрушению

Ни одно покрытие не будет оказывать эффективного действия, если, кроме защитных свойств, не будет обладать определенными механическими свойствами -- прочностью, твердостью, пластичностью и т.д. [7, 8].

Подавляющее большинство разрушений стальных деталей имеет хрупкий характер без какой-либо заметной пластической деформации. Такие разрушения могут возникать как в процессе изготовления полуфабрикатов и деталей, так и в процессе их эксплуатации.

К первой группе хрупких разрушений относятся: образование флокенов, закалочных трещин, хрупких разрушений в процессе травления и наводороживания при гальванических покрытиях, образование трещин в случае контакта с жидкими металлами, при сварке и других операциях.

Ко второй группе относятся хрупкие разрушения стальных деталей, возникающие в результате хладноломкости, повышенной чувствительности к надрезам, а также поломки деталей из сталей высокой твердости, обладающих низким сопротивлением хрупкому разрушению (отрыву).

Развитие техники вызвало широкое применение сталей высокой прочности. Практика же показывает, что во многих случаях стали с высоким пределом прочности оказываются весьма склонными к хрупкому разрушению. Следует специально отметить, что проблема хрупкого разрушения не может быть ограничена в настоящее время проблемой хладноломкости. Наряду с хладноломкостью возникают хрупкие разрушения, которые кратко могут быть сформулированы, как повышенная чувствительность к надрезу и трещине, склонность к замедленному разрушению и высокая восприимчивость к воздействию различных поверхностно-активных сред.

Хладноломкостью называется свойство ряда металлов, в том числе и сталей, образовывать хрупкое разрушение при достаточно низких температурах нагружения [9].

Элементы машин и конструкций, изготовленные из металлов, их сплавов и других материалов, под действием приложенных к ним внешних усилий претерпевают деформацию [10].

Но от любого материала, как конструкционного материала, требуется не только высокое сопротивление деформации, но и высокое сопротивление разрушению.

Обычно сопротивление деформации объединяют в общее комплексное понятие прочность, а сопротивление разрушению - надежность.

Если разрушение происходит не за один, а за многие акты нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (к микроразрушению относятся такие процессы, как износ, усталость, коррозия), то это характеризует долговечность материала.

Для улучшения свойств материалов обычного состава их легируют такими элементами как хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и др. Эти элементы придают материалам определенные свойства: прочность, твердость, прокаливаемость, износостойкость и т.д.

Очевидно, высококачественный конструкционный материал должен быть одновременно прочным, надежным и долговечным [4].

1.3 Методы защиты металлов и сплавов

1.3.1 Классификация методов защиты от коррозии

В технике защита от коррозии осуществляется различными методами [11]. Наиболее рациональный и надежный путь - это изготовление аппаратов, машин и т.д. из коррозионно-стойких как металлических, так и неметаллических материалов. Однако этот путь защиты от коррозии не всегда может быть использован в силу экономических, технических или технологических, условий. В промышленности часто изготовляют изделия, аппараты, трубы из дешевых и доступных материалов, обладающих высокими технологическими и механическими свойствами, с последующей их защитой от коррозии.

Методы защиты от коррозии можно разделить на три группы [12]:

воздействие на металл;

воздействие на агрессивную среду;

комбинированные методы защиты.

К первой группе методов защиты относят:

а) легирование металлов -- создание экранирующего поверхностного слоя, введение элементов, понижающих катодную или анодную активность сплава, введение элементов, предотвращающих структурную коррозию;

б) обработка поверхности металла -- термическая и термохимическая обработка, вибрационная прокатка поверхности, химическое и электрохимическое напыление, механическая обработка (наклеп, ролики и т.д.), модифицирование ржавчины на поверхности;

в) нанесение защитных покрытий -- постоянного, временного и периодического действия (смазка, воски);

г) подбор коррозионно-стойких материалов для условий эксплуатации конструкции;

д) рациональное конструирование -- вывод отдельных узлов конструкции из агрессивных сред, исключение застойных зон агрессивных жидкостей;

е) электрохимическая защита.

Вторая группа методов защиты включает:

а) применение ингибиторов (замедлителей) коррозии;

б) герметизация конструкций (полная или частичная);

в) создание искусственных сред (обработка водных сред, применение нейтральный сред, осушка воздуха).

К третьей группе (комбинированным методам защиты) относят:

а) комплексное воздействие мер защиты на металл;

б) комплексное воздействие мер защиты на агрессивную среду [3].

1.3.2 Плазменный метод нанесения покрытий

В последние годы наряду с традиционными технологиями упрочнения и защиты от коррозии поверхностей металлов закалкой и наплавкой токами высокой частоты, химико-термической обработкой и другими способами все активнее используются высококонцентрированные источники нагрева: плазменная струя, лазерный луч, электронный и ионный пучки [12-14]. Их внедрение позволяет резко сократить энергозатраты, интенсифицировать процессы упрочнения, уменьшить коробление деталей, исключить необходимость использования различных сред и при этом полностью автоматизировать процесс.

Нанесение на Ст3 плазменной струей нержавеющей стали проводилось, прежде всего, для защиты Ст3 от коррозии, а также для увеличения основных свойств образца. Для модифицирования поверхности образца мы использовали метод плазменно-детонационного напыления, так как воздействие плазмой сочетает в себе не только легирование, но и термическую и механическую обработку.

Плазменное напыление -- прогрессивный технологический процесс нанесения покрытий. При плазменном напылений материал покрытия в виде порошка или проволоки вводится в плазменную струю, где он интенсивно нагревается и плавится, распыляется и при взаимодействии с поверхностью обрабатываемой детали образует покрытие.

Плазменные покрытия характеризуются слоистой арочной структурой, которая возникает вследствие сильной деформации и очень быстрой кристаллизации напыляемых частиц. Слоистость придает покрытиям эластичность, и повышает их термостойкость в условиях термоциклических нагрузок. Свойства напыленного покрытия отличаются от свойств этого же материала как в спеченном, так и в литом состоянии. Плазменные покрытия имеют определенную пористость, которая в зависимости от материала и условий напыления может колебаться в пределах 2 - 15%. Используя специальные методы и режимы напыления, можно получать покрытия пористостью 30 - 40%.

Свойства плазменных покрытий определяются физико-химическими процессами, происходящими в частицах при напылении, и процессами, протекающими между подложкой и частицами, а также самими частицами в покрытии при их деформации и затвердевании [15].

Плазмой можно наносить покрытия практически из всех материалов. Вследствие высокой температуры и энергии плазмы ее применение эффективно для нанесения покрытий из тугоплавких материалов. Тугоплавкие материалы имеют высокую энергию связи в кристаллической решетке, обладают большой прочностью, твердостью, стойкостью в различных средах и при высоких температурах. Поэтому во многих отраслях промышленности с целью повышения рабочих характеристик и эффективности работы изделий различного назначения применяют покрытия из тугоплавких материалов.

Наиболее просто получить плазменные однокомпонентные покрытия из металлов и окислов. Для нанесения покрытий из карбидов, боридов, нитридов и других соединений необходимы специальные режимы и условия напыления, позволяющие сохранить их химический состав.

Плазменным напылением можно также наносить сложные многокомпонентные покрытия, состав и свойства которых изменяются в соответствии с заданной программой по длине и толщине слоя. Для получения таких покрытий применяют смеси порошков, гранулированные материалы, а также плазменные установки, оснащенные несколькими питателями. В состав гранул входят все необходимые для образования многокомпонентного покрытия вещества.

Толщина покрытий может изменяться от 30 мкм до нескольких миллиметров. Покрытия большой толщины для повышения термопрочности иногда армируют дискретными или непрерывными проволоками или волокнами [13].

Плазменным напылением не только наносят покрытия, но и изготовляют детали. Это известный корковый метод. Применяя специальные режимы напыления, на технологическую оправку послойно наносят покрытия практически любой толщины в соответствии с формой и размерами будущей детали. Затем модель растворяют или выплавляют, а заготовку детали, полученную напылением, спекают или пропитывают металлом. Преимущества этого процесса по сравнению с методами порошковой металлургии заключаются в том, что можно получать изделия практически любой формы и размеров, в том числе с внутренними полостями сложной конфигурации, а также применять тугоплавкие материалы, такие как вольфрам, двуокись циркония и т.п. Традиционно использование плазменного напыления для изготовления сопл ракетных двигателей из вольфрама, обтекателей радиолокационных антенн из окиси алюминия, тиглей из вольфрама и окислов для плавления различных материалов.

Широкие технологические возможности плазменного напыления обусловили использование его в различных областях промышленности и машиностроения [15], таких как: строительство, электроника, радио- и приборостроение, текстильное и прочее машиностроение, нефтяная и угольная промышленность, транспорт, металлургия, энергетика, в том числе атомная, авиация, ракетная и космическая техника.

Для многих отраслей машиностроения наиболее прогрессивными технологическими процессами, позволяющими повышать надежность, долговечность и качество выпускаемых машин, являются газотермическое и термическое напыления.

Выбор метода плазменного напыления зависит от условий работы изделия и применяемого покрытия.

Но, несмотря на огромные возможности этого метода, покрытия, получаемые с помощью плазменных технологий, часто не отвечают предъявляемым требованиям. Они могут отслаиваться, скалываться, трескаться. Во избежание подобных процессов используется комплексная обработка [16]. Например, для напыления можно использовать плазменные методы, а для устранения выше перечисленных недостатков можно переплавить материал с помощью электронного пучка.

1.3.3 Электронно-лучевая обработка

Среди высококонцентрированных источников нагрева электронный пучок обладает рядом преимуществ, которые выделяют его по следующим признакам [18]:

-наибольший термический к.п.д. нагрева (75% в сравнении с 15% для лазерного нагрева);

-наименьшие энергозатраты среди существующих способов поверхностного термического упрочнения;

-рафинирование и дегазация металла при обработке в вакууме;

-отсутствие необходимости в дорогостоящих защитных или закалочных средах (аргон или гелий, масло, раствор солей);

-экологическая чистота процесса за счет отсутствия вредных производственных выбросов в атмосферу;

-возможность регулирования параметров электроннолучевой обработки в широком интервале режимов от нагрева до активного плавления, а за счет этого - структуры, твердости, износостойкости, шероховатости;

-сравнительно с лазерной невысокая стоимость оборудования (в 2-3 раза ниже при одинаковой мощности излучения).

При сравнении источников энергии, близких по своему воздействию на сплавы было установлено, что при всех одинаковых технологических параметрах глубина слоя, упрочненного электронным пучком, в 2 раза больше, чем лазерным. При этом расход энергии для электронно-лучевого и лазерного способов упрочнения соответственно 10% и 75%. Если рассматривать мощность в пятне нагрева, то лазерный луч выгоднее применять при требуемой мощности менее 1.5 кВт, электронный пучок - при 2...5 кВт и выше [18].

Одной из разновидностей электроннолучевой обработки поверхности является создание комбинированных защитных покрытий на деталях и инструменте посредством плакирования материалов с заданными свойствами.

Этот процесс отличается тем, что на защищаемую поверхность предварительно наносится слой материала требуемого состава и свойства, а затем оплавляется в вакууме быстродвижущимся в различных направлениях, сканирующим пучком электронов. При обработке достигается улучшение адгезионных свойств защитного слоя на поверхности, а в процессе оплавления - рафинирование, дегазация и уплотнение защищающего материала. Толщина слоя плакирования определяется условиями эксплуатации детали и может находиться в диапазоне 0.1...1.5 мм [19].

Плакирование поверхности осуществляется, как правило, чередованием технологических операций нанесения на поверхность тонкого слоя вещества (0.1...0.5 мм) требуемого состава и последующее оплавление его сканирующим или профильным электронным пучком в вакууме. В качестве плакирующего материала могут быть использованы наплавочные ленточные материалы или порошковые сплавы, что является более предпочтительным по числу вариаций химического состава и геометрических размеров плакирующего слоя. При этом, как правило, используются порошковые комбинации заданного состава, обеспечивающие требуемые защитные свойства поверхности [3].

В зависимости от конфигурации детали плакирующий порошковый материал наносится на поверхность или непосредственной свободной насыпкой на равные, горизонтальные поверхности, или закрепляется каким-либо способом. Наиболее распространенными методами закрепления порошковых материалов являются газоплазменное, плазменное и газодетонационное напыление. В этом случае к поверхности детали предъявляются все требования, обычные для этих способов напыления: предварительная очистка, просушка и т.д. Дальнейшее оплавление порошкового покрытия осуществляется электронными пучками в вакууме для наиболее полного использования всех металлургических преимуществ данной среды.

Для электронно-лучевого плакирования поверхности используются чаще всего порошковые материалы, предназначенные для плазменного напыления [20].

При воздействии импульсного электронного пучка обрабатываемый слой может приобретать свойства приближенные к аморфным материалам: высокая твердость при сохранении пластичности, снижение коэффициента трения, стойкость к усталостному разрушению. Отсутствует граница резкого изменения свойств и, соответственно, слой не подвержен сколам, растрескиванию и отслаиванию.

Слой обладает также и такими свойствами [19]:

-повышается химическая стойкость поверхности;

-значительно (на 2-3 порядка) уменьшается износ пар трения;

-существенно (в несколько раз) снижается коэффициент трения;

-повышается стойкость к усталостному разрушению, поскольку отсутствуют микротрещины.

Для повышения износостойкости поверхности деталей можно использовать самофлюсующиеся порошковые материалы состава Ni-Cr-B-Si. Воздействие на них электронного пучка приводит к наиболее ощутимым изменениям свойств. Так, исследования процесса плакирования такими сплавами электронно-лучевым способом показали возможность существенного, на 3-4 HRC, повышения твердости поверхности. Отмеченные изменения в структуре и свойствах плакированного слоя объясняются созданием структуры легированного аустенита, насыщенного упрочняющими фазами - карбидами и боридами хрома, имеющими твердость более HV 2000.

При оплавлении самофлюсующихся покрытий толщиной до 1 мм происходит их сплавление с материалом подложки и образованием плотного слоя с уменьшенным количеством окислов и пор, несколько меньшими, чем до оплавления, значениями твердости (за счет частичного смешивания материала покрытия с материалом подложки), но с прочностью сцепления, соизмеримой с прочностью материала подложки. Целесообразность использования таких высокоэнергетических источников нагрева в каждом конкретном случае должна определяться комплексным сравнением технико-экономических показателей аналогичных источников: лазерные и электронные пучки, световой поток и электрическая дуга и т.д.

Обработка образца электронным пучком поводилась для увеличения толщины упрочненного слоя, увеличения глубины проникновения имплантированных элементов и более равномерного перераспределения легированных элементов, что может существенно повлиять на служебные характеристики: износостойкость, прочность, коррозионную устойчивость.

Таким образом, можно сказать, что комбинированный метод с использованием электронных пучков в вакууме обладает явными преимуществами и перспективностью для широкого круга деталей машин и инструмента, что позволит обеспечить ему одно из первых мест в ряду современных технологий.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Методика экспериментальных исследований

2.1.1 Рентгеноструктурный анализ

Влияние ПДО и ЭП на фазовый состав изучали с помощью дифракции рентгеновских лучей. Рентгеноструктурный анализ (РСА) образца после ПДО и оплавления ЭП проводился на установке ДРОН-2.0. Дифрактограммы снимались на углах 2 от 21° до 120 в медном K-излучении [21].

Дифрактометр предназначен для проведения разных рентгенографических исследований поликристаллических образцов и монокристаллов. Универсальность прибора, обусловленная возможностью использование разных вариантов геометрии снятие, сменных специализированных приставок к гониометру, изменения детекторов, а также применение разных методов регистрации дифракционной картины. Геометрия снятия может изменяться в широких границах, которые достигается использованием трубок с разными размерами фокуса.

Технические характеристики ДРОН-2.0: границы измерения углов дифракции от - 90 + 164° , точность измерения углов дифракции ± 0.005 град суммарная погрешность измерения интенсивности за 10 часов работы не больше 0.5 % [22].

Расшифровывание дифрактограмм выполнялось по такой методике:

а) сначала определяют, к какому типу структуры принадлежит фаза, которая исследуется, (гексагональная, тетрагональная, кубическая и др.);

б) из формулы Вульфа-Брегга

2dsin=nl(2.1)

где d - межплоскостное расстояние;

- угол падения;

n - порядок отражения;

- длина волны

находят межплоскостные расстояния d:

.(2.2)

Для медного излучения =1.5418 нм [22].

в) определив межплоскостное расстояние d, с использованием таблиц-дублетов находят возможные элементы или соединения. Например, если проводится обработка образца железа, то наибольшее внимание необходимо обратить на межплоскостные расстояния, которые отвечают межплоскостным расстояниям предполагаемого материала;

г) идентифицировав некоторые пики, которые отвечают исследуемому материалу, ищут другие пики на дифрактограмме, которые отвечают этому материалу. При этом необходимо учитывать интенсивность одних пиков относительно других для каждого материала;

д) определяют поправку на погрешность прибора (инструментальную погрешность) по пикам, которые идентифицированы, и переградуируют шкалу углов 2, учитывая эту погрешность;

е) вычисляют межплоскостные расстояния по формуле (2.2);

ж) с использованием таблиц-дублетов определяют фазы неидентифицированных пиков, которые остались. Зная материал основы, необходимо обращать внимание на наиболее возможные соединения. Например, на поверхности образца, покрытого с помощью ПДО нержавеющей сталью Fe-Cr-Ni получаются преимущественно оксиды (Fe₃O₄), нитриды (CrN) и карбиды (Fe₃C). В зависимости от вида обработки могут появляться те или другие фазы;

з) определяют параметры решетки материала, который идентифицируется по пикам, которые находятся на больших углах 2 дифрактограммы. Например, для тетрагональной решетки FeCr параметры решетки а и с можно определить, решив систему двух уравнений, если знать межплоскостные расстояния двух интерференционных пиков этой фазы d₁ и d₂:

,(2.3)

где h, k, l - индексы Миллера;

а и с - параметры решетки.

Для определения параметров кубической решетки б-Fe, CrN или Fe₃O₄ довольно знать межплоскостное расстояние одного пика. Тогда

.(2.4)

Для определения параметров а, b и с ромбической решетки Fe₃С необходимо решить систему трех уравнений, зная межплоскостные расстояния трех интерференционных пиков этой фазы d₁, d₂ и d₃:

,(2.5)

и) если нет литературных данных для межпоскостных расстояний для предвиденного соединения, но известен тип решетки и ее параметры, то нетяжело определить межплоскостные расстояния для интерференционных пиков этого соединения из формулы (2.2) в случае гексагональной решетки, из формулы (2.3) - в случае тетрагональной решетки, из формулы (2.4) - в случае кубической решетки, из формулы (2.5) - в случае ромбической решетки, подставляя разделенные значения индексов Миллера для данного типа решетки [23].

2.1.2 Растровая электронная микроскопия

Использование растровой электронной микроскопии дает возможность изучения морфологии поверхности и исследование внутренней структуры при рассмотрении косых шлифов [24].

Морфологию образца исследовали на растровом электронном микроскопе РЭМ-102Э при увеличении от 19 до 570.

2.1.3 Масс-спектрометрия вторичных ионов

В процессе распыления поверхностные слои разрушаются, и потому измерение относительного содержимого продуктов распыления представляет собой прямой метод определения состава разрушенного слоя. Распыленные частички выпускаются в виде нейтральных атомов, которые находятся в разных возбужденных состояниях, в виде положительных и отрицательных ионов, заряженных единовременно или многократно, и в виде кластеров. Отношение количества ионов к количеству нейтральных частичек может изменяться для того же самого образца на несколько порядков, в зависимости от состояния поверхности. Анализ продуктов распыления является наилучшим способом исследования поверхности. Он используется при измерении маленьких концентраций атомов в твердых телах.

Наиболее широко распыление применяется с целью дальнейшей регистрации и анализа ионизированных продуктов распыления - вторичных ионов [21]. Это дало название метода - масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС). Все приборы ВИМС разрешают выполнять поверхностный и объемный анализ концентрации элементов. При одном из режимов работы пучок ионов перемещается по поверхности образца, на которой он создает кратер. Чтобы не регистрировались ионы от стенок кратера, система детектирования поставляется электронными воротами, которые пропускают сигналы от ионов из центральной части кратера [16].

Спектры вторичных ионов имеют сложную структуру, так как создаются не только единовременно или многократно заряженными ионами атомов, но и всеми другими ионизированными кластерами. Однако в большинстве случаев преобладает выход единовременно ионизированных атомов [25].

2.1.4 Микротвердометр ПТМ-3

Измерение твердости вследствие скорости и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия строить заключения об его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металлов в металлических изделиях и деталях. Ее исследованием занимались авторы многих работ [16, 25].

Исследование твердости обусловлено такими преимуществами ее измерения:

1. Между твердостью пластических металлов, которая определяется способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом временным сопротивлением), существует количественная зависимость. Размер твердости характеризует временное сопротивление металлов, которые получают во время испытаний на растягивание сосредоточенную пластическую деформацию (шейку). Это связано с тем, что при испытаниях на растягивание наибольшей погрузке, которое передует разрушению, и отнесение к его начальной площади (временное сопротивление), отвечает сосредоточенная пластическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогичная деформации, которая создается в поверхностных пластах металла при измерении твердости вдавливанием наконечника. По величинам твердости можно определять некоторые пластические свойства материалов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также границу выносливости металлов [16].

2. Измерение твердости по технике выполнения провести значительно более просто, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытание твердости не требует изготовления специальных образцов и выполняется непосредственно на деталях, которые проверяются, после зачистки на поверхности равной горизонтальной площади, а иногда даже и без такой подготовки. Измерение твердости выполняется быстро, например, при вдавливании конуса за (30-60) с, а при вдавливании шарика за (1-3) мин.

3. Измерение твердости обычно не тянет за собою разрушение исследуемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовления специальных образцов из детали.

4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких пластах, толщина которых не превышает (для некоторых способов измерения твердости) десятых частей миллиметра, или в микрообъемах металла [26].

Тест на микротвердость очень часто используют на практике. Его применяют для измерения твердости тонких пленок, покрытий. Пирамидка индентора с хорошо известной геометрией перемещается по исследуемой области материала с помощью положенной нормальной возрастающей нагрузки. При достижении максимальной величины нормальная нагрузка уменьшается к частичной или полной релаксации. Эта процедура выполняется повторно; на этой стадии эксперимента положение индентора связано с поверхностью образца и тщательно фиксируется. Для такого нагруженного-ненагруженного цикла величине положенной нагрузки относится в соответствие положения индентора. Результирующая кривая нагрузки-положения представляет собой данные, какие характерны для исследуемого материала.

Измерение микротвердости образца Сталь 3 с напыленной нержавеющей сталью выполняли с помощью метода Кнупа, что дает возможность измерять твердость тонких поверхностных слоев. В качестве индентора использовали четырехгранную алмазную пирамидку с ромбическим основанием и углами между ребрами 130° и 172^°30. Расчет микротвердости по Кнупу ведется относительно нагрузки к площади проекции отпечатка, определяемого по величине большой диагонали с использованием формулы [25]:

, (2.10)

где P - нагрузка, [Н];

d - длина большой диагонали отражения.

Измерение микротвердости выполняли при нагрузке 100 г.

Исследование микротвердости образца Сталь 3 с напыленным на него покрытием из нержавеющей стали, проводилось с помощью микротвердометра ПТМ-3.

Для образца выполняли по 24 измерения для каждого вида обработки. Микротвердость определяли по формуле:

.(2.11)

После измерения результаты были обработаны в Maple 6 и были построены графические зависимости изменения микротвердости от глубины измерения на косом шлифе.

2.2 Расшифровка результатов эксперимента

В данной работе исследовалось влияние структурно-фазовых превращений в стали марки Сталь 3, вызванных плазменно-детонационным напылением нержавеющей стали, и последующим проплавлением ее сильноточным электронным пучком, на микротвердость стали.

Сталь 3 относиться к углеродистым сталям обыкновенного качества. Она широко используется для строительных и других сварных, клепанных и болтовых конструкций, а также для мало напряженных деталей машин.

В исходном состоянии она имела зернистую структуру со средним размером зерен ~(0.2 - 0.3) мм (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - РЭМ-снимок косого шлифа Сталь 3 - зона ПДО

Как видно из этого микроснимка РЭМ и результатов исследования ВИМС (рис. 2.2) и РСА сталь была практически однофазной (б-Fe) с небольшим количеством углерода в виде графита. Микротвердость составляла ~150 кгс/мм².



Рисунок 2.2 - Масс-спектр вторичных ионных кластеров, полученных при бомбардировке пучком аргона поверхности образца Сталь 3

После плазменно-детонационного напыления нержавеющей стали Fe-Cr-Ni на поверхности исследуемого образца произошли существенные изменения. Поверхность, содержащая напыленный материал, стала рыхлой, слоистой, с большим количеством пузырей (рис. 2.3, 2.4).

Рисунок 2.3 - РЭМ-снимок морфлогии поверхности образца после ПДО



Рисунок 2.4 - РЭМ-снимок морфологии поверхности образца после ПДО

Исследование напыленной поверхности методом ВИМС (рис. 2.5) показало, что кроме пиков железа, появились пики никеля и хрома, а также пики карбида железа, нитрида хрома, оксида железа.

Рисунок 2.5- Масс-спектр вторичных ионных кластеров, полученных при бомбардировке пучком аргона поверхности образца после ПДО

Эти результаты подтверждаются и дополняются рентгеновскими исследованиями фазового состава напыленной поверхности. Как видно из дифрактограммы (рис. 2.6), снятой для исследуемого образца после плазменно-детонационного напыления, здесь присутствуют пики не только б-Fe (110), (220), как в исходном состоянии, но и пики карбида железа Fe₃С (211), (212), (140) (цементита), имеющего ромбическую решетку с параметрами a=0.446 нм, b=0.522 нм, c=0.702 нм, нитрида хрома CrN (200), (311) с ГЦК решеткой (а=0.4157нм), оксида железа Fe₃O₄ (533), (800) с ГЦК решеткой (а=0.8538 нм). Наличие таких фаз внедрения является ожидаемой закономерностью, если учесть, что в состав газовой смеси плазмотрона входили кислород (О₂), пропан (С₃Н₈) и азот (N₂), а температура в плазменной струе была достаточна (до 30000 К) для осуществления химических реакций. Кроме фаз внедрения на дифрактограмме присутствуют пики, соответствующие интерметаллидному соединению FeCr (330), (212), (312), (532), (820), имеющему тетрагональную решетку с параметрами а=0.868 нм, с=0.464 нм.

Рисунок 2.6 - Дифрактограмма образца после ПДО

Учитывая четкую границу раздела напыленного покрытия и стальной матрицы (рис. 2.7), можно сказать, что это соединение образовалось из порошка нержавеющей стали, добавляемого в плазменную струю (вероятнее всего в самой струе), а не в результате взаимодействия элементов струи с основой из Стали 3.

Рисунок 2.7 - РЭМ-снимок косого шлифа образца после ПДО

Из измерения микротвердости по косому шлифу образца после плазменно-детонационного напыления (рис. 2.8) видно, что на поверхности микротвердость достигает до 800 кгс/мм², что является причиной образования очень твердых карбидных и нитридных фаз. Не смотря на то, что реальная микротвердость этих фаз на много выше (несколько тысяч кгс/мм²), рыхлость поверхности (рис. 2.3, 2.4) и хрупкость этих фаз приводит к выкрашиванию их при надавливании пирамидки. Это обстоятельство и приводит к уменьшению микротвердости поверхности вцелом.

Не смотря на наличие границы раздела между напыленным покрытием и основой, с увеличением глубины исследования величина микротвердости плавно уменьшается до значения исходного образца. Это обстоятельство говорит о том, что на микротвердость образца влияет не наличие интерметаллидного соединения FeCr, которое не на много отличается от микротвердости б-Fe, а присутствие элементов внедрения в виде химических соединений (карбидов, нитридов, оксидов) и в виде твердых растворов внедрения с концентрацией их, уменьшающейся с глубиной.



Рисунок 2.8 - Распределение микротвердости по глубине после ПДО

Переплавление электронным пучком напыленной поверхности привело к перераспределению фаз. Граница раздела между оплавленной областью и основным материалом видна на микроснимке рис. 2.9.

Рисунок 2.9 - РЭМ-снимок косого шлифа после оплавления образца ЭП

Поверхность стала более гладкая, пузыри исчезли (рис. 2.10).



Рисунок 2.10 - РЭМ-снимок морфологии поверхности образца после обработки ЭП

Несмотря на относительную однородность поверхности, после обработки на поверхности видны кратеры, которые образовались из-за выкрашивания очень твердых карбидных и нитридных частичек из мягкой матрицы, состоящей из б-Fe и FeCr. Об уменьшении концентрации фаз внедрения и растворении их в матрице свидетельствует и уменьшение пика CrN на масс-спектре ВИМС после обработки электронным пучком (рис. 2.11). А уменьшение пика 2 (2и=46.1°) (рис. 2.12, Приложения А, Б) по сравнению с пиком 3 (2и=51.6°) свидетельствует о концентрации FeCr, т.е. переходе хрома из связанного состояния (химического соединения FeCr) в твердый раствор хрома в железе.



Рисунок 2.11 - Масс-спектр вторичных ионных кластеров, полученных при бомбардировке пучком аргона поверхности образца после обработки ЭП

Рисунок 2.12 - Дифрактограмма образца после оплавления ЭП

Это подтверждают и результаты измерения микротвердости после плазменного напыления и обработки электронным пучком (рис. 2.13). На графике рис. 2.13 виден скачек микротвердости, что согласно [27] является признаком границы раздела фаз. Следовательно, до h=0 существует химическое соединение FeCr с частичками фазы внедрения, которой является Fe₃С, если сравнить дифрактограммы и масс-спектры ВИМС после плазменно-детонационного напыления и последующей обработки электронным пучком. Глубже h=0 образовался раствор хрома в железе с плавным переходом к б-железу в виде Стали 3.

Рисунок 2.13 - Рапределение микротвердости образца, измеренное по косому шлифу после обработки ЭП

Более наглядное отличие влияния различных видов обработки на морфологию поверхности видно на снимке (рис. 2.14, 2.15).

Рисунок 2.14 - РЭМ-снимок «Тройная точка»: косой шлиф, поверхность, подвергшаяся ПДО и поверхность, оплавленная ЭП



Рисунок 2.15 - РЭМ-снимок морфологии поверхности образца после ПДО и оплавления ЭП

3. ОХРАНА ТРУДА