К.т.н. Балбекова Б.К., Кляцкий В., Хойши А.К.

Карагандинский государственный технический университет

Кафедра «Нанотехнологии и металлургия»

Структура и свойства покрытий, наплавленных излучением СО₂ – лазера

Исследовали свойства наплавленных на сталь 45 покрытий, полученных при лазерной обработке по различным режимам. При наплавке использовали самофлюсующие порошки на основе никеля, содержащие разное количество карбидо – и боридообразующих элементов.

Технология наплавки с использованием энергии СО₂ – лазера – эффективный способ восстановления изношенных деталей и повышения свойств железоуглеродистых сплавов. Применяемые в настоящее время технологии различаются не столько видом наплавочного материала, сколько способом подачи в зону действия излучения. Наиболее широкое распространение получили методы предварительного нанесения (шликерная обмазка, газотермическое напыление) или непосредственной подачей дозатором питателем самофлюсующихся порошковых материалов, в основном системы Ni – Cr – B – Si. От способа подачи наплавочных материалов в зону наплавки зависит структура и свойства покрытия.

Исследование структуры слоя и склонности к образованию трещин проводили на нетравленых полированных образцах с помощью микроскопа «Neophot – 2» и методом люминесцентного анализа с разрешающей способностью до 1 мкм.

Распределение химических элементов в слое определяли на микрорентгеноспектрометре «Camebax». Коррозионную стойкость покрытия оценивали при выдержке образцов в 3% - ном растворе NaCl в течение 3 мес. Для сравнения использовали образцы из стали 38ХМЮА с гальваническим покрытием хрома и без покрытия. Сопротивление усталости и износостойкость наплавленного слоя определяли по стандартной методике на машине СМЦ – 2 по схеме «ролик – ролик» и «ролик – колодка». Контртело изготовляли из стали 45 и подвергали термической обработке на твердость 51 – 53 HRC.

Кроме того, по типовой методике исследовали задиростойкость на плоских парах трения при комнатной и повышенной температуре. Химический состав порошков на никелевой основе, использованных в качестве наплавочного материала, приведен табл. 1.

При подаче порошка в зону наплавки дозатором – питателем происходит в зону наплавки дозатором – питателем происходит постепенное наращивание слоя от подложки за счет осаждения и оплавления отдельных частиц порошка под действием лазерного луча. Оксидные (шлаковые) включения не всегда выводятся на поверхность ванны, а фиксируются в охлажденном расплаве. С увеличением плотности мощности, а также времени воздействия лазерного излучения на поверхность при относительной стабильности массы (объема) расплавляемого материала, попадающего в зону действия лазерного луча, формируется расплавленная ванна, в которую погружаются или полупогружаются частицы порошка. При этом шлаковые (оксидные) соединения частично или полностью выводятся.

Таблица 1

Наплавочный материал	Содержание элементов, % (ат)
	Cr	Fe	Si	B
ПГ – 10Н – 01*	12 – 20	4,0 – 6,0	3,0 – 3,5	2,9 – 4,5
ПГ – 12Н – 01*	9 – 15	1,0 – 4,0	1,3 – 3,4	1,8 – 2,9
ПГ – 12Н – 02*	8 – 17	4,0 – 7,0	3,0 – 6,0	3,0 – 5,0
ПГ – 10Н – 04*	–	до 2,0	2,5 – 2,8	1,4 – 1,8
НПЧ – 2*	–	0,2 – 1,0	2,3 – 2,9	2,2 – 2,8
ПР – Н77Х15С3Р2**	15 – 17	1,0 – 4,0	2,9 – 3,7	1,9 – 2,5
ПР – Н73Х16С3Р3**	16 – 18	до 4,0	2,6 – 3,9	2,5 – 3,5

*Порошки производства НПО «Тулачермет»

**Порошки производства Завода твердых сплавов, г. Торез.

Значительное влияние на структуру слоя оказывает химический состав наплавочного материала. Свойства и структура покрытий зависят от химического состава используемых материалов. При наплавке материалов, содержащих хром и никель, получают покрытия с хорошей коррозионной стойкостью. Как показали исследования, средняя скорость коррозии (К_ср) и скорость проникновения коррозии (П_ср) для покрытия, наплавленного лазерным излучением, значительно ниже, чем легированной стали 38ХМЮА и даже образцов с гальваническим покрытием табл.2

Таблица 2

Покрытия	Кср * г/мм^2	Пср * мм/год
Сталь 38ХМЮА (без покрытия)	0,001419	0,19516
Хромирование	0,0012736	0,1755
Лазерная наплавка	0,0011715	0,1636

В целом эти покрытия выдержали большее число циклов нагружения без разрушения при аналогичных параметрах испытаний, чем покрытия, наплавленные в шликерных обмазках [2]. Возможно, это связано с наличием шлаковых рыхлых включений, способных гасить (демпфировать) возникающие напряжения без разрушения поверхности образца.

Основные результаты проведенной работы сводятся к следующему:

1. Уменьшение содержания хрома и углерода в порошковом материале системы Ni – Cr – B – Si снижает склонность наплавленного покрытия к образованию трещин.

2. Предварительной подогрев образца (детали) до 100 – 150 ⁰С практически полностью устраняет склонность наплавленного покрытия к образованию трещин при использовании в качестве наплавочного материала порошков самофлюсующегося класса на никелевой основе.

3. Наплавленное покрытие по коррозионной стойкости не уступает покрытию с гальваническим хромированием и превосходит легированную сталь 38ХМЮА. Такое покрытие обладает высокой долговечностью даже при наличии на поверхности трещин.

4. Наплавленное покрытие обладает хорошей задиростойкостью, как при комнатной, так и при повышенной температуре, а его износостойкость на порядок выше износостойкости стали 45, термически обработанной на твердость 51 – 53 HRC.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Леонтьева В.П., Лахтин Ю.М. Материаловедение М.: Машиностроение, 1980. 493 с.

2. Биргер Е.М., Архипов В.Е. Лазерная наплавка покрытий // Машиностроитель, 1985. №8. С. 27 – 29.

3. Гуляев  А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. - 648 с.