eng
Выпуск #2/2021
В. П. Бирюков
Повышение износостойкости деталей и почвообрабатывающих орудий в сельхозмашиностроении лазерной наплавкой
Повышение износостойкости деталей и почвообрабатывающих орудий в сельхозмашиностроении лазерной наплавкой
Просмотры: 2021
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.2.132.142
В работе представлены результаты металлографических и трибологических исследований покрытий с добавлением в состав шихты нано карбида тантала. С помощью полного факторного эксперимента определены геометрические параметры наплавленных покрытий в зависимости от мощности, скорости обработки и диаметра лазерного луча. Получены закономерности изменения коэффициентов трения от давления и скорости скольжения. Задиростойкость и износостойкость покрытий выше закаленных сталей.
В работе представлены результаты металлографических и трибологических исследований покрытий с добавлением в состав шихты нано карбида тантала. С помощью полного факторного эксперимента определены геометрические параметры наплавленных покрытий в зависимости от мощности, скорости обработки и диаметра лазерного луча. Получены закономерности изменения коэффициентов трения от давления и скорости скольжения. Задиростойкость и износостойкость покрытий выше закаленных сталей.
Теги: abrasion resistance agricultural machinery cladded coating fiber lasers friction coefficient laser cladding scuff resistance wear resistance волоконные лазеры задиристость износостойкость коэффициент трения лазерная наплавка наплавочные покрытия сельскохозяйственная техника
Повышение износостойкости деталей и почвообрабатывающих орудий в сельхозмашиностроении лазерной наплавкой
В. П. Бирюков
Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
В работе представлены результаты металлографических и трибологических исследований покрытий с добавлением в состав шихты нано карбида тантала. С помощью полного факторного эксперимента определены геометрические параметры наплавленных покрытий в зависимости от мощности, скорости обработки и диаметра лазерного луча. Получены закономерности изменения коэффициентов трения от давления и скорости скольжения. Задиростойкость и износостойкость покрытий выше закаленных сталей.
Ключевые слова: лазерная наплавка, волоконные лазеры, наплавочные покрытия, коэффициент трения, сельскохозяйственная техника, задиристость, износостойкость
Статья получена: 06.03.2021
Принята к публикации: 30.03.2021
Введение
Повышение ресурса работы деталей и узлов трения сельскохозяйственной техники является актуальной задачей. Традиционные конструкционные материалы и технологии термической обработки в большинстве случаев уступают по износостойкости новым технологиям упрочнения и покрытиям с применением концентрированных источников энергии, в частности мощным лазерам. В качестве наплавочного материала [1] использовался порошок сплава на основе никеля (Ni-Cr-B-Si-Fe-C) сферической формы с размером частиц 50–150 мкм. Лазерную наплавку выполняли на образцах нержавеющей стали 316L волоконным лазером RFL–C3300 (Raycus, Ухань, Китай) с использованием порошкового питателя ДПСФ‑2. Обработку проводили при мощности излучения 1,8 кВт, диаметре пятна 4 мм, скорости перемещения 5 мм / с. Испытания на трение и износ проводили по схеме шар (Al2O3 диаметром 10 мм) – плоскость (наплавленный образец или основа) в соответствии со стандартом ASTM G99–05 на машине трения UMT‑2. Путь трения составлял 18 м при скорости скольжения 10 мм / с. Средняя микротвердость однослойных и трехслойных покрытий составляла 593 и 640 HV0.2 соответственно, что почти в 2,5 раза выше, чем у подложки 316L (около 250 HV0.2). Наибольшую износостойкость имело трехслойное покрытие.
Покрытия Ni-Cr-B-Si [2] были нанесены волоконным лазерным источником с коаксиальным порошковым соплом на подложку из низкоуглеродистой стали AISI 1020. Проведены испытания на абразивный износ по стандарту ASTM G65. Лучшие трибологические характеристики были получены для покрытий с меньшим количеством холодных трещин и более высокой объемной долей карбидов.
Определено влияние мощности лазера 1 500–1 900 Вт, диаметра пятна 3–5 мм и скорости сканирования луча 2–4 мм / с на геометрические параметры, микротвердость и износостойкость, наплавленного покрытия Ni-Cr-B-Si на образцах стали 42CrMo [3].
Микротвердость наплавленных слоев изменялась в пределах 520–690HV. Ширина, высота дорожек наплавки и глубина проплавления составляли 1,47–1,8, 3,57–4,23 и 0,52–1,44 мм соответственно. Полученные результаты показали, что мощность лазера являлась основным фактором, влияющим на высоту покрытия. Наибольший эффект на ширину единичного валика оказывал диаметр пятна. Скорость сканирования имела значительное влияние на глубину расплавленной ванны. Мощность лазера показала наибольшее влияние на микротвердость и износостойкость покрытия. Механизм износа покрытия абразивный и адгезионный.
Лазерная наплавка порошков Ni-Cr и Ni-Cr-TiC на сталь AISI 420 проводилась импульсным Nd : YAG-лазером с одновременной подачей порошка [4]. Исследовано влияние скорости подачи порошка, мощности излучения и скорости сканирования луча, влияние каждого параметра на процесс лазерной наплавки и выбраны оптимальные параметры лазерной наплавки. Было установлено, что потеря массы композитного покрытия Ni-Cr–TiC меньше, чем у Ni-Cr и подложки из стали.
Покрытия Fe-WC на малоуглеродистую сталь получены лазерной наплавкой с использованием дискового лазера [5]. Обработку выполняли при мощности луча лазера 600, 700 и 800 Вт. Скорость сканирования луча была одинаковой для всех покрытий и составляла 600 мм / мин. Диаметр пятна составлял 1,64 мм. Применялись два режима подачи порошка 6,25 г / мин и 12,5 г / мин. Наибольшая микротвердость и коррозионная стойкость наблюдались для покрытий, полученных при расходе порошка 12,5 г / мин.
Для получения покрытий из порошка Стеллит‑6 / WC использовался дисковый лазер на Yb : YAG с номинальной мощностью 1 кВт [6]. Покрытия наносили на борсодержащую сталь В27.
Обработку выполняли при мощности лазерного луча 550 Вт, скорости подачи 400 мм / мин и расходе порошка 10 г / мин. Установлено, что покрытия Стеллит‑6 / WC способствовали увеличению долговечности сельскохозяйственных орудий, используемых для обработки почвы.
Порошки сплавов на основе никеля (Ni) с различным содержанием кобальта (Co) были нанесены на поверхность стальной подложки из 42CrMo с помощью волоконного лазера [7]. С увеличением содержания Co количество карбидов и боридов M7(C, B)3, M23 (C, B)6 и M2B постепенно уменьшаются. Микротвердость снижается, но износостойкость наплавленного слоя постепенно повышается с увеличением содержания Со. Износостойкость слоя NiCo30 в 3,6 раза выше, чем у слоя NiCo00. С увеличением содержания Co механизм износа покрытия меняется с абразивного на адгезионный.
Лазерную наплавку порошков на основе железа Fe-Cr-Ni-Mo-Mn-C-Si выполняли на сталь AISI 4130 [8]. Покрытия имели высокую износостойкость и коррозионную стойкость. Микроструктура в основном состояла из дендритов и эвтектических фаз, таких как (γ + α)-Fe и твердый раствор Fe-Cr(Ni). Наплавленные покрытия на основе Fe имели более низкие коэффициенты трения, чем подложка, и основным механизмом износа являлся умеренный абразивный износ.
Покрытие на основе никеля было нанесено на поверхность стали 42CrMo с помощью волоконного лазера мощностью 6 кВт [9]. При добавлении порошка Мо было получено композитное покрытие без трещин. Основными фазами слоя лазерной наплавки Ni45 + 10% Mo являются (Fe, Ni), Cr23C6, Cr3C2, Mo2FeB2 и Cr2B3. Композитное покрытие Ni45 + 10% Mo имело износостойкость в 1,7 раза выше, чем покрытие Ni45 и в 2,4 раза выше, чем у стали 42CrMo.
Исследовано влияние параметров обработки на микротвердость и износостойкость сплава на основе Ni и карбида титана (TiC) [10]. Результаты показывают, что микротвердость коррелирует с мощностью лазера и добавками порошка TiC. Объем износа уменьшался с увеличением доли порошка TiC. Оптимальным параметром обработки была твердость покрытия 62 HRC для получения минимального объемного износа.
Целями работы являются определение параметров зон лазерной наплавки и трибологических характеристик покрытий при введении в шихту нано порошка карбида тантала.
Оборудование
и методы исследований
В экспериментальных исследованиях использовали лазерную систему ИМАШ РАН. Образцы изготавливали из сталей 45(490–525HV), 65Г(570–625HV) с размерами 15 × 20 × 70 мм. Для изготовления шихты выбраны порошки на основе железа (Fe-Cr-Ni-Si) и никеля (Ni-Cr-B-Si) в соотношении 3:1 соответственно с размером частиц 40–150 мкм. Порошок нано карбида тантала ТаС 5 и 10 об.% добавляли в шихту с размером частиц 40–100 нм. Шликерные покрытия наносили толщиной 0,67–0,8 мм. В качестве связующего материала использовали водный раствор оксиэтилцеллюлозы. Металлографические исследования наплавленных покрытий выполняли на микротвердомере ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, металлографическом микроскопе Альтами МЕТ 1С и цифровом микроскопе АМ417. Структура и химический состав наплавленных слоев исследовались на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 SBH с системой энергодисперсионного анализа с применением режимов отраженных и вторичных электронов. Для определения трибологических характеристик наплавленных образцов проводили испытание при нормальной температуре по схеме плоскость (наплавленный образец) – кольцо (сталь ШХ15, 60–62). Скорость скольжения и давление на образец изменялись дискретно в интервале 0,25–3,5 м / с и 1–6 МПа соответственно.
В качестве смазочного материала использовали масло М10Г2. Испытания на абразивное изнашивание проводили по схеме диск-плоскость. К вращающемуся резиновому диску прижимался плоский образец, с наплавленным покрытием нагрузкой 15 Н. В качестве абразива использовали кварцевый песок с размером частиц 200–600 мкм. Продолжительность испытаний составляла 10 минут.
Варьируемыми параметрами были выбраны мощность излучения P = 700–1 000 Вт, скорость обработки V = 7–10 мм / с и диаметр пучка d = 2,5–3,5 мм. В качестве дополнительного фактора рассматривалось сканирование луча с фиксированной частотой f = 217 Гц. Для построения математических моделей при выполнении полного факторного эксперимента (ПФЭ) в качестве откликов системы рассматривались высота H и ширина B наплавленных валиков. В таблице представлены уровни факторов эксперимента.
Поскольку выполнялся ПФЭ 23, количество экспериментов составило 8 для каждой серии.
Уравнение регрессии имеет вид:
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 +
+ b13x1x3 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3, (1)
где: y – отклик системы;
xi – уровни факторов;
b – коэффициенты уравнения регрессии.
Результаты экспериментальных исследований
Лазерная наплавка образцов выполнялась на оптимальных режимах расфокусированным лучом и с поперечными колебаниями луча по нормали к вектору скорости лазерной обработки. Микротвердость наплавленных покрытий составила (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si), (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si + 5об% ТаС), (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si + 10об% ТаС) – 670–750, 870–980, 960–1 280 HV. На рис. 1(а, б) представлены микрошлифы наплавленных дорожек с содержанием нано карбида тантала 10 об.% c размерами 0,77 × 2,04 мм, и 0,79 × 4,26 мм, полученных расфокусированным лучом и сканирующим с частотой 217 Гц лучом соответственно.
Зона проплавления основы при обработке расфокусированным лучом и сканирующим лучом составила 174 и 56 мкм соответственно, что свидетельствует о высокой прочности сцепления покрытия. Размеры разупорядоченных блоков структуры составляли 3–5 мкм. Площадь поперечного сечения единичного наплавленного слоя при сканировании луча в 2,16 раза больше, чем при наплавке расфокусированным лучом.
Уравнение для определения высоты валика без сканирования, Н имеет вид:
H = 0,695 + 0,035x1 – 0,0725x2 + 0,0075x1 x2 +
+ 0,0125x1 x3 – 0,01x2 x3 + 0,01x1 x2 x3. (2)
Высота валика при наплавке с поперечными колебаниями луча Нс:
Hс = 0,70125 + 0,03125x1 – 0,04625x2 + 0,00875x3 +
+ 0,01875x1 x3 + 0,01625x2 x3 + 0,00125x1 x2 x3. (3)
Ширина наплавленного валика без сканирования луча В:
В = 1,87375 + 0,11625x1 – 0,09375x2 + 0,06125x3 –
– 0,02125x1 x2 + 0,00375x2 x3 – 0,00875x1 x2 x3. (4)
Ширина наплавленных валиков с поперечными колебаниями луча Вс:
Bс = 4,34625 + 0,43375x1 – 0,26875x2 + 0,11625x3 –
– 0,26625x1 x2 – 0,03875x2 x3 + 0,02375x1 x2 x3. (5)
По уравнениям регрессии (2–5) проведены расчеты, которые сопоставлены с результатами эксперимента. Расчетные значения отличаются от фактических значений глубины и ширины зон закалки не более чем на 2,98%.
Для зависимостей типа H (P, V), B (P, V) построены сравнительные поверхности с помощью программы MsExcel (рис. 2) при диаметре пятна 2,5 мм.
Наибольшее влияние на геометрические параметры наплавленных валиков имеет мощность излучения. С увеличением мощности растут ширина и высота наплавленных дорожек. С ростом скорости перемещения глубина и ширина валиков уменьшается. С увеличением диаметра лазерного излучения высота и ширина валиков растет.
Зависимость коэффициентов трения стали 45 в закаленном состоянии и наплавленных покрытий представлена на рис. 3. Одной из важнейших характеристик узлов трения является низкий коэффициент трения, который влияет на показатели расхода топлива и смазочных материалов при эксплуатации сельскохозяйственной техники. Как правило, пары трения с низким коэффициентом трения имеют более высокую нагрузку заедания.
С увеличением нагрузки с 1,2 до 4,0 МПа на закаленные образцы стали 45 коэффициент трения падает с 0,11 и 0,09. При дальнейшем увеличении нагрузки для улучшенного образца коэффициент трения возрастает. Коэффициент трения для многокомпонентного покрытия изменяется в пределах 0,04–0,05. Минимальный коэффициент трения 0,018–0,025 получен на покрытии с добавками 10 об.% нано порошка ТаС. С увеличением скорости скольжения (рис. 3, б) от 0,25 до 1,3 м / с, при нагрузке 2,0 МПа, коэффициент трения для стали 45 уменьшается с 0,11 до 0,092. При дальнейшем увеличении скорости до 1,6 м / с незначительно увеличивается. Для наплавленных покрытий в интервале 0,6–1,6 м / с коэффициент трения плавно возрастает.
На рис. 4 приведены закономерности изменения нагрузки заедания от скорости скольжения. Закаленные образцы стали 45 уступают наплавленным многокомпонентным покрытиям и с добавлением порошка нано карбида тантала. При давлении 5,5 МПа заедание наступает на скорости в 1,5–3 раза меньшей для закаленного образца стали 45 по сравнению с наплавкой многокомпонентным покрытием и с добавками 10 ТаС об.% соответственно.
На рис. 5. показаны интенсивности изнашивания закаленных образцов стали 45 и наплавленных покрытий. Износостойкость, величина обратная интенсивности изнашивании, возрастает для многокомпонентного покрытия на 30% закаленной сталью 45 и на 57 и 67% по сравнению с с добавкой в шихту 5 и 10 об.% нанопорошка ТаС соответственно.
Испытания на абразивное изнашивание при трении незакрепленным абразивным зерном образцов закаленной стали 65Г и с наплавленными на нее покрытиями (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si), (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si) + 5 TaC об.%, (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si) + 10 TaC об.% показали, что потери массы образцов составили 0,064 ∙ 10–4, 0,046 ∙ 10–4, 0,032 ∙ 10–4 и 0,028 ∙ 10–4 кг соответственно.
Обсуждение результатов
Полученные в работе результаты показывают, что повышение надёжности деталей основных агрегатов и рабочих органов сельскохозяйственной техники возможно при применении новых современных технологий нанесения покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, оказывающими существенное влияние на долговечность продукции сельхозмашиностроения.
Лазерная наплавка многокомпонентных покрытий, с добавлением нано порошка карбида тантала, может быть использована при восстановлении изношенных кулачковых и коленчатых валов, поршневых пальцев, посадочных мест валов под подшипники качения и других деталей сельхозмашин. Кроме того, эта технология может применяться для повышения износостойкости почвообрабатывающих орудий, лемехов, дисковых борон, лап культиваторов, которые изготавливаются из сталей 45 и 65Г. Потери на простой сельскохозяйственных машин в период выполнения сезонных полевых работ, связанных с уборкой и возделыванием сельхозкультур приводят к значительным экономическим затратам.
Большое значение для эффективной работы лап культиваторов и дисковых борон имеет эффект самозатачивания режущей кромки. Применение технологии лазерной наплавки многокомпонентными материалами с добавлением нано порошка карбида тантала с толщиной слоя 0,5–0,8 мм практически не изменяет геометрию режущих кромок и в то же время обеспечивает самозатачивание орудий. Введение в состав шихты порошка на основе никеля значительно повысит коррозионную стойкость покрытий.
Заключение
Разработана технология лазерной наплавки многокомпонентных покрытий с добавками нано карбида тантала 5 и 10 об.%. Износостойкость этих покрытий значительно выше закаленной стали 45. При скорости скольжения 2,5 м / с давление заедания наплавленных покрытий с нано карбидами было в 1,8–2,5 раза выше по сравнению с закаленной сталью 45. Покрытия с нано карбидами тантала имели низкие коэффициенты трения 0,02–0,034.
REFERENCES
Shaoxiang Q., Yongkang Z., Yibo D. et al. Microstructure and Mechanical Properties of Nickel-Based Coatings Fabricated through Laser Additive Manufacturing. Metals. 2021;11:53–66. https://doi.org/10.3390/met11010053.
De Sousa J. M.S., Ratusznei F., Pereira M. et al. Abrasion resistance of Ni-Cr-B-Si coating deposited by laser cladding process. Tribology International. 2020; 143:106002. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.106002.
Hu G., Yang Y., Qi K. et al. Investigation of the Microstructure and Properties of NiCrBSi Coating Obtained by Laser Cladding with Different Process Parameters. Trans Indian Inst. Met. 2020;73:2623–2634. https://doi.org/10.1007/s12666-020-02065‑w.
Saeedi R., Razavi R. S., Bakhshi S. R. et al. Optimization and characterization of laser cladding of NiCr and NiCr–TiC composite coatings on AISI 420 stainless steel. Ceramics International. 2021;47: 4097–4110. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.284.
Bartkowski D., Bartkowska A., Jurči P. Laser cladding process of Fe/WC metal matrix composite coatings on low carbon steel using Yb : YAG disk laser. Optics and Laser Technology. 2021;136: 106784. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106784.
Bartkowski D., Bartkowska A. Wear resistance in the soil of Stellite‑6 / WC coatings produced using laser cladding method. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2017;64:20–26. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2016.12.013
Wang K. Chang B. Lei Y. et al. Effect of Cobalt on Microstructure and Wear Resistance of Ni-Based Alloy Coating Fabricated by Laser Cladding. Metals. 2017;7:551. https://doi.org/10.3390/met7120551.
Fan L., Chen H., Dong Y. et al. Wear and corrosion resistance of laser-cladded Fe-based composite coatings on AISI 4130 steel. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2018;25: 716–728. https://10.1007/s12613-018-1619-2.
Kaiming W., Yulong L., Hanguang F. A study of laser cladding NiCrBSi / Mo composite coatings. Surface Engineering. 2018; 34: 267–275. https://doi.org/10.1080/02670844.2016.1259096.
Lian G., Zhang H., Zhang Y. Computational and Experimental Investigation of Micro-Hardness and Wear Resistance of Ni-Based Alloy and TiC Composite Coating Obtained by Laser Cladding. Materials. 2019;12:793–819. https://10.3390/ma12050793.
АВТОР
Бирюков Владимир Павлович – к. т. н., laser‑52@yandex.ru, научный сотрудник, Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
В. П. Бирюков
Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
В работе представлены результаты металлографических и трибологических исследований покрытий с добавлением в состав шихты нано карбида тантала. С помощью полного факторного эксперимента определены геометрические параметры наплавленных покрытий в зависимости от мощности, скорости обработки и диаметра лазерного луча. Получены закономерности изменения коэффициентов трения от давления и скорости скольжения. Задиростойкость и износостойкость покрытий выше закаленных сталей.
Ключевые слова: лазерная наплавка, волоконные лазеры, наплавочные покрытия, коэффициент трения, сельскохозяйственная техника, задиристость, износостойкость
Статья получена: 06.03.2021
Принята к публикации: 30.03.2021
Введение
Повышение ресурса работы деталей и узлов трения сельскохозяйственной техники является актуальной задачей. Традиционные конструкционные материалы и технологии термической обработки в большинстве случаев уступают по износостойкости новым технологиям упрочнения и покрытиям с применением концентрированных источников энергии, в частности мощным лазерам. В качестве наплавочного материала [1] использовался порошок сплава на основе никеля (Ni-Cr-B-Si-Fe-C) сферической формы с размером частиц 50–150 мкм. Лазерную наплавку выполняли на образцах нержавеющей стали 316L волоконным лазером RFL–C3300 (Raycus, Ухань, Китай) с использованием порошкового питателя ДПСФ‑2. Обработку проводили при мощности излучения 1,8 кВт, диаметре пятна 4 мм, скорости перемещения 5 мм / с. Испытания на трение и износ проводили по схеме шар (Al2O3 диаметром 10 мм) – плоскость (наплавленный образец или основа) в соответствии со стандартом ASTM G99–05 на машине трения UMT‑2. Путь трения составлял 18 м при скорости скольжения 10 мм / с. Средняя микротвердость однослойных и трехслойных покрытий составляла 593 и 640 HV0.2 соответственно, что почти в 2,5 раза выше, чем у подложки 316L (около 250 HV0.2). Наибольшую износостойкость имело трехслойное покрытие.
Покрытия Ni-Cr-B-Si [2] были нанесены волоконным лазерным источником с коаксиальным порошковым соплом на подложку из низкоуглеродистой стали AISI 1020. Проведены испытания на абразивный износ по стандарту ASTM G65. Лучшие трибологические характеристики были получены для покрытий с меньшим количеством холодных трещин и более высокой объемной долей карбидов.
Определено влияние мощности лазера 1 500–1 900 Вт, диаметра пятна 3–5 мм и скорости сканирования луча 2–4 мм / с на геометрические параметры, микротвердость и износостойкость, наплавленного покрытия Ni-Cr-B-Si на образцах стали 42CrMo [3].
Микротвердость наплавленных слоев изменялась в пределах 520–690HV. Ширина, высота дорожек наплавки и глубина проплавления составляли 1,47–1,8, 3,57–4,23 и 0,52–1,44 мм соответственно. Полученные результаты показали, что мощность лазера являлась основным фактором, влияющим на высоту покрытия. Наибольший эффект на ширину единичного валика оказывал диаметр пятна. Скорость сканирования имела значительное влияние на глубину расплавленной ванны. Мощность лазера показала наибольшее влияние на микротвердость и износостойкость покрытия. Механизм износа покрытия абразивный и адгезионный.
Лазерная наплавка порошков Ni-Cr и Ni-Cr-TiC на сталь AISI 420 проводилась импульсным Nd : YAG-лазером с одновременной подачей порошка [4]. Исследовано влияние скорости подачи порошка, мощности излучения и скорости сканирования луча, влияние каждого параметра на процесс лазерной наплавки и выбраны оптимальные параметры лазерной наплавки. Было установлено, что потеря массы композитного покрытия Ni-Cr–TiC меньше, чем у Ni-Cr и подложки из стали.
Покрытия Fe-WC на малоуглеродистую сталь получены лазерной наплавкой с использованием дискового лазера [5]. Обработку выполняли при мощности луча лазера 600, 700 и 800 Вт. Скорость сканирования луча была одинаковой для всех покрытий и составляла 600 мм / мин. Диаметр пятна составлял 1,64 мм. Применялись два режима подачи порошка 6,25 г / мин и 12,5 г / мин. Наибольшая микротвердость и коррозионная стойкость наблюдались для покрытий, полученных при расходе порошка 12,5 г / мин.
Для получения покрытий из порошка Стеллит‑6 / WC использовался дисковый лазер на Yb : YAG с номинальной мощностью 1 кВт [6]. Покрытия наносили на борсодержащую сталь В27.
Обработку выполняли при мощности лазерного луча 550 Вт, скорости подачи 400 мм / мин и расходе порошка 10 г / мин. Установлено, что покрытия Стеллит‑6 / WC способствовали увеличению долговечности сельскохозяйственных орудий, используемых для обработки почвы.
Порошки сплавов на основе никеля (Ni) с различным содержанием кобальта (Co) были нанесены на поверхность стальной подложки из 42CrMo с помощью волоконного лазера [7]. С увеличением содержания Co количество карбидов и боридов M7(C, B)3, M23 (C, B)6 и M2B постепенно уменьшаются. Микротвердость снижается, но износостойкость наплавленного слоя постепенно повышается с увеличением содержания Со. Износостойкость слоя NiCo30 в 3,6 раза выше, чем у слоя NiCo00. С увеличением содержания Co механизм износа покрытия меняется с абразивного на адгезионный.
Лазерную наплавку порошков на основе железа Fe-Cr-Ni-Mo-Mn-C-Si выполняли на сталь AISI 4130 [8]. Покрытия имели высокую износостойкость и коррозионную стойкость. Микроструктура в основном состояла из дендритов и эвтектических фаз, таких как (γ + α)-Fe и твердый раствор Fe-Cr(Ni). Наплавленные покрытия на основе Fe имели более низкие коэффициенты трения, чем подложка, и основным механизмом износа являлся умеренный абразивный износ.
Покрытие на основе никеля было нанесено на поверхность стали 42CrMo с помощью волоконного лазера мощностью 6 кВт [9]. При добавлении порошка Мо было получено композитное покрытие без трещин. Основными фазами слоя лазерной наплавки Ni45 + 10% Mo являются (Fe, Ni), Cr23C6, Cr3C2, Mo2FeB2 и Cr2B3. Композитное покрытие Ni45 + 10% Mo имело износостойкость в 1,7 раза выше, чем покрытие Ni45 и в 2,4 раза выше, чем у стали 42CrMo.
Исследовано влияние параметров обработки на микротвердость и износостойкость сплава на основе Ni и карбида титана (TiC) [10]. Результаты показывают, что микротвердость коррелирует с мощностью лазера и добавками порошка TiC. Объем износа уменьшался с увеличением доли порошка TiC. Оптимальным параметром обработки была твердость покрытия 62 HRC для получения минимального объемного износа.
Целями работы являются определение параметров зон лазерной наплавки и трибологических характеристик покрытий при введении в шихту нано порошка карбида тантала.
Оборудование
и методы исследований
В экспериментальных исследованиях использовали лазерную систему ИМАШ РАН. Образцы изготавливали из сталей 45(490–525HV), 65Г(570–625HV) с размерами 15 × 20 × 70 мм. Для изготовления шихты выбраны порошки на основе железа (Fe-Cr-Ni-Si) и никеля (Ni-Cr-B-Si) в соотношении 3:1 соответственно с размером частиц 40–150 мкм. Порошок нано карбида тантала ТаС 5 и 10 об.% добавляли в шихту с размером частиц 40–100 нм. Шликерные покрытия наносили толщиной 0,67–0,8 мм. В качестве связующего материала использовали водный раствор оксиэтилцеллюлозы. Металлографические исследования наплавленных покрытий выполняли на микротвердомере ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, металлографическом микроскопе Альтами МЕТ 1С и цифровом микроскопе АМ417. Структура и химический состав наплавленных слоев исследовались на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 SBH с системой энергодисперсионного анализа с применением режимов отраженных и вторичных электронов. Для определения трибологических характеристик наплавленных образцов проводили испытание при нормальной температуре по схеме плоскость (наплавленный образец) – кольцо (сталь ШХ15, 60–62). Скорость скольжения и давление на образец изменялись дискретно в интервале 0,25–3,5 м / с и 1–6 МПа соответственно.
В качестве смазочного материала использовали масло М10Г2. Испытания на абразивное изнашивание проводили по схеме диск-плоскость. К вращающемуся резиновому диску прижимался плоский образец, с наплавленным покрытием нагрузкой 15 Н. В качестве абразива использовали кварцевый песок с размером частиц 200–600 мкм. Продолжительность испытаний составляла 10 минут.
Варьируемыми параметрами были выбраны мощность излучения P = 700–1 000 Вт, скорость обработки V = 7–10 мм / с и диаметр пучка d = 2,5–3,5 мм. В качестве дополнительного фактора рассматривалось сканирование луча с фиксированной частотой f = 217 Гц. Для построения математических моделей при выполнении полного факторного эксперимента (ПФЭ) в качестве откликов системы рассматривались высота H и ширина B наплавленных валиков. В таблице представлены уровни факторов эксперимента.
Поскольку выполнялся ПФЭ 23, количество экспериментов составило 8 для каждой серии.
Уравнение регрессии имеет вид:
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 +
+ b13x1x3 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3, (1)
где: y – отклик системы;
xi – уровни факторов;
b – коэффициенты уравнения регрессии.
Результаты экспериментальных исследований
Лазерная наплавка образцов выполнялась на оптимальных режимах расфокусированным лучом и с поперечными колебаниями луча по нормали к вектору скорости лазерной обработки. Микротвердость наплавленных покрытий составила (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si), (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si + 5об% ТаС), (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si + 10об% ТаС) – 670–750, 870–980, 960–1 280 HV. На рис. 1(а, б) представлены микрошлифы наплавленных дорожек с содержанием нано карбида тантала 10 об.% c размерами 0,77 × 2,04 мм, и 0,79 × 4,26 мм, полученных расфокусированным лучом и сканирующим с частотой 217 Гц лучом соответственно.
Зона проплавления основы при обработке расфокусированным лучом и сканирующим лучом составила 174 и 56 мкм соответственно, что свидетельствует о высокой прочности сцепления покрытия. Размеры разупорядоченных блоков структуры составляли 3–5 мкм. Площадь поперечного сечения единичного наплавленного слоя при сканировании луча в 2,16 раза больше, чем при наплавке расфокусированным лучом.
Уравнение для определения высоты валика без сканирования, Н имеет вид:
H = 0,695 + 0,035x1 – 0,0725x2 + 0,0075x1 x2 +
+ 0,0125x1 x3 – 0,01x2 x3 + 0,01x1 x2 x3. (2)
Высота валика при наплавке с поперечными колебаниями луча Нс:
Hс = 0,70125 + 0,03125x1 – 0,04625x2 + 0,00875x3 +
+ 0,01875x1 x3 + 0,01625x2 x3 + 0,00125x1 x2 x3. (3)
Ширина наплавленного валика без сканирования луча В:
В = 1,87375 + 0,11625x1 – 0,09375x2 + 0,06125x3 –
– 0,02125x1 x2 + 0,00375x2 x3 – 0,00875x1 x2 x3. (4)
Ширина наплавленных валиков с поперечными колебаниями луча Вс:
Bс = 4,34625 + 0,43375x1 – 0,26875x2 + 0,11625x3 –
– 0,26625x1 x2 – 0,03875x2 x3 + 0,02375x1 x2 x3. (5)
По уравнениям регрессии (2–5) проведены расчеты, которые сопоставлены с результатами эксперимента. Расчетные значения отличаются от фактических значений глубины и ширины зон закалки не более чем на 2,98%.
Для зависимостей типа H (P, V), B (P, V) построены сравнительные поверхности с помощью программы MsExcel (рис. 2) при диаметре пятна 2,5 мм.
Наибольшее влияние на геометрические параметры наплавленных валиков имеет мощность излучения. С увеличением мощности растут ширина и высота наплавленных дорожек. С ростом скорости перемещения глубина и ширина валиков уменьшается. С увеличением диаметра лазерного излучения высота и ширина валиков растет.
Зависимость коэффициентов трения стали 45 в закаленном состоянии и наплавленных покрытий представлена на рис. 3. Одной из важнейших характеристик узлов трения является низкий коэффициент трения, который влияет на показатели расхода топлива и смазочных материалов при эксплуатации сельскохозяйственной техники. Как правило, пары трения с низким коэффициентом трения имеют более высокую нагрузку заедания.
С увеличением нагрузки с 1,2 до 4,0 МПа на закаленные образцы стали 45 коэффициент трения падает с 0,11 и 0,09. При дальнейшем увеличении нагрузки для улучшенного образца коэффициент трения возрастает. Коэффициент трения для многокомпонентного покрытия изменяется в пределах 0,04–0,05. Минимальный коэффициент трения 0,018–0,025 получен на покрытии с добавками 10 об.% нано порошка ТаС. С увеличением скорости скольжения (рис. 3, б) от 0,25 до 1,3 м / с, при нагрузке 2,0 МПа, коэффициент трения для стали 45 уменьшается с 0,11 до 0,092. При дальнейшем увеличении скорости до 1,6 м / с незначительно увеличивается. Для наплавленных покрытий в интервале 0,6–1,6 м / с коэффициент трения плавно возрастает.
На рис. 4 приведены закономерности изменения нагрузки заедания от скорости скольжения. Закаленные образцы стали 45 уступают наплавленным многокомпонентным покрытиям и с добавлением порошка нано карбида тантала. При давлении 5,5 МПа заедание наступает на скорости в 1,5–3 раза меньшей для закаленного образца стали 45 по сравнению с наплавкой многокомпонентным покрытием и с добавками 10 ТаС об.% соответственно.
На рис. 5. показаны интенсивности изнашивания закаленных образцов стали 45 и наплавленных покрытий. Износостойкость, величина обратная интенсивности изнашивании, возрастает для многокомпонентного покрытия на 30% закаленной сталью 45 и на 57 и 67% по сравнению с с добавкой в шихту 5 и 10 об.% нанопорошка ТаС соответственно.
Испытания на абразивное изнашивание при трении незакрепленным абразивным зерном образцов закаленной стали 65Г и с наплавленными на нее покрытиями (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si), (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si) + 5 TaC об.%, (Fe-Cr-Ni-Si, Ni-Cr-B-Si) + 10 TaC об.% показали, что потери массы образцов составили 0,064 ∙ 10–4, 0,046 ∙ 10–4, 0,032 ∙ 10–4 и 0,028 ∙ 10–4 кг соответственно.
Обсуждение результатов
Полученные в работе результаты показывают, что повышение надёжности деталей основных агрегатов и рабочих органов сельскохозяйственной техники возможно при применении новых современных технологий нанесения покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, оказывающими существенное влияние на долговечность продукции сельхозмашиностроения.
Лазерная наплавка многокомпонентных покрытий, с добавлением нано порошка карбида тантала, может быть использована при восстановлении изношенных кулачковых и коленчатых валов, поршневых пальцев, посадочных мест валов под подшипники качения и других деталей сельхозмашин. Кроме того, эта технология может применяться для повышения износостойкости почвообрабатывающих орудий, лемехов, дисковых борон, лап культиваторов, которые изготавливаются из сталей 45 и 65Г. Потери на простой сельскохозяйственных машин в период выполнения сезонных полевых работ, связанных с уборкой и возделыванием сельхозкультур приводят к значительным экономическим затратам.
Большое значение для эффективной работы лап культиваторов и дисковых борон имеет эффект самозатачивания режущей кромки. Применение технологии лазерной наплавки многокомпонентными материалами с добавлением нано порошка карбида тантала с толщиной слоя 0,5–0,8 мм практически не изменяет геометрию режущих кромок и в то же время обеспечивает самозатачивание орудий. Введение в состав шихты порошка на основе никеля значительно повысит коррозионную стойкость покрытий.
Заключение
Разработана технология лазерной наплавки многокомпонентных покрытий с добавками нано карбида тантала 5 и 10 об.%. Износостойкость этих покрытий значительно выше закаленной стали 45. При скорости скольжения 2,5 м / с давление заедания наплавленных покрытий с нано карбидами было в 1,8–2,5 раза выше по сравнению с закаленной сталью 45. Покрытия с нано карбидами тантала имели низкие коэффициенты трения 0,02–0,034.
REFERENCES
Shaoxiang Q., Yongkang Z., Yibo D. et al. Microstructure and Mechanical Properties of Nickel-Based Coatings Fabricated through Laser Additive Manufacturing. Metals. 2021;11:53–66. https://doi.org/10.3390/met11010053.
De Sousa J. M.S., Ratusznei F., Pereira M. et al. Abrasion resistance of Ni-Cr-B-Si coating deposited by laser cladding process. Tribology International. 2020; 143:106002. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.106002.
Hu G., Yang Y., Qi K. et al. Investigation of the Microstructure and Properties of NiCrBSi Coating Obtained by Laser Cladding with Different Process Parameters. Trans Indian Inst. Met. 2020;73:2623–2634. https://doi.org/10.1007/s12666-020-02065‑w.
Saeedi R., Razavi R. S., Bakhshi S. R. et al. Optimization and characterization of laser cladding of NiCr and NiCr–TiC composite coatings on AISI 420 stainless steel. Ceramics International. 2021;47: 4097–4110. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.284.
Bartkowski D., Bartkowska A., Jurči P. Laser cladding process of Fe/WC metal matrix composite coatings on low carbon steel using Yb : YAG disk laser. Optics and Laser Technology. 2021;136: 106784. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106784.
Bartkowski D., Bartkowska A. Wear resistance in the soil of Stellite‑6 / WC coatings produced using laser cladding method. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2017;64:20–26. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2016.12.013
Wang K. Chang B. Lei Y. et al. Effect of Cobalt on Microstructure and Wear Resistance of Ni-Based Alloy Coating Fabricated by Laser Cladding. Metals. 2017;7:551. https://doi.org/10.3390/met7120551.
Fan L., Chen H., Dong Y. et al. Wear and corrosion resistance of laser-cladded Fe-based composite coatings on AISI 4130 steel. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2018;25: 716–728. https://10.1007/s12613-018-1619-2.
Kaiming W., Yulong L., Hanguang F. A study of laser cladding NiCrBSi / Mo composite coatings. Surface Engineering. 2018; 34: 267–275. https://doi.org/10.1080/02670844.2016.1259096.
Lian G., Zhang H., Zhang Y. Computational and Experimental Investigation of Micro-Hardness and Wear Resistance of Ni-Based Alloy and TiC Composite Coating Obtained by Laser Cladding. Materials. 2019;12:793–819. https://10.3390/ma12050793.
АВТОР
Бирюков Владимир Павлович – к. т. н., laser‑52@yandex.ru, научный сотрудник, Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
Отзывы читателей
