6_Pashechko.doc Механізм зношування евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 37 Пашечко М.І., Дзєдзіц К., Барщ M. Люблінський політехнічний інститут, м. Люблін, Польща МЕХАНІЗМ ЗНОШУВАННЯ ЕВТЕКТИЧНИХ ПОКРИТТІВ FE-MN-C-B-SI-NI-CR Вступ Впровадження конструкційних змін в машинах і механізмах які працюють в умовах зношування з використанням евтектичних і інших матеріалів для одержання зносостійких покриттів в суттєвий спо- сіб дозволяє підвищити зносостійкість їх елементів. Найбільш широко для підвищення зносостійкості використовуються покриття на основі Co, Ni, Fe, Ti. Цій проблематиці присв’ячено багато наукових праць. Широке практичне застосування віднайшли зносостійкі покриття систем Ti-Cr-Si [1], Ni–Fe–C– MoS2 [2], Fe-C-Cr-Si [3], TiC/FeCrBS [4], Ni–Cr–Mo–V [5], Fe–Ti–V–Mo–C [6]. Для елементів машин, які працюють в умовах зношування, суттєвим є дослідження інтенсивності зношування матеріалів з яких вони виготовлені і фізико–хімічних процесів які відбуваються на поверхні тертя з метою підвищення їх зносостійкості [7, 8]. В статтях [9, 10] виявлено із використанням спектроскопії мас вторинних іонів і спектроскопії Auger’a, що висока зносостійкість евтектичних покриттів системи Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr, одержаних мето- дом електродугового наплавлення із використанням порошкових електродів, обумовлена сегрегацією атомів C, B i Si на поверхню тертя. При цьому внаслідок трібосинтези фоормуються на поверхні тертя нестехіометричні фази (нанофази) на основі B2O3, SiO2 i C. Утворення вторинних структур на поверхні тертя сприяє підвищенню зносостійкості евтектичних сплавів і покриттів. Дослідження формування вто- ринних структур на поверхні тертя можна провести з використанням сучасних методів спектроскопії, зо- крема спектроскопії мас вторинних нейтралей і Auger’a [11 - 13]. Склад елементів для одержання багатофазового евтектичного сплаву системи Fe-Mn-C-B (мас. %): Fe 85,1 - 92,5; Mn 1,6 - 7,6; C 2,6 - 7,0; B 0,2 - 3,5 [14]. Вміст елементів в евтектичних областях Fe-Mn-C і Fe-B-C представлено в табл. 1. Таблиця 1 Вміст елементів у евтектичних областях Fe-Mn-C i Fe-B-C (мас. %.) [14] Елемент Fe-Mn-C Fe-B-C Fe 73,3 - 92,5 85,1 - 92,5 Mn 3,1 - 23,8 1,6 - 7,6 С 0,6 - 6,4 2,6 - 7,0 В 0,6 - 2,5 0,2 - 3,5 Вміст таких легуючих елементів як Si, Ni, Cr і інших підбирається з врахуванням можливості одержання зносостійких сплавів із евтектичною структурою, беручи до уваги також аспект їх економіч- ності. Для одержання зносостійких покриттів, зокрема до зміцнення і відновлення деталей машин і ме- ханізмів, досить часто використовується процес наплавлення. Властивості наплавлених шарів залежать не тільки від складу порошкових дротів, але також від технології наплавлення, яка може в суттєвий спо- сіб впливати на зміну структури наплавленого шару, що в свою чергу матиме вплив на його експлуата- ційні властивості [15]. Методика досліджень Для одержання покриттів із порошкових евтектичних дротів системи Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr вико- ристано метод наплавлення GMA (MAG, захисне середовище CO2). В якості матеріалу зразків прийнято сталь SJ 355. Дослідження зносостійкості проведено на модернізованому тріботестері типу Амслера, при вра- хуванні PN-79/H-04329. Прийняті основні параметри тертя були наступними: - схема тертя – стержень-диск. Зразок із евтектичним покриттям виготовлений із сталі SJ 355, розміри 10 × 10 мм, висота 10 мм; - контртіло – диск діаметром 90 мм, матеріал сталь C 45, твердість 52-54 HRC, рис. 1, 2; - вид руху: тертя ковзання (швидкість 0,4 м/с): - питоме навантаження 3, 7, 10 МПа; - час тертя – 6 годин. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношування евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 38 Втрати маси вимірювали ваговим методом з точністю 1 мг. Об'єктом досліджень з використанням методів спектроскопії мас вторинних іонів а також скані- нгового електронного мікроскопа були покриття, одержані із евтектичного багатокомпонентного сплаву на основі системи Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr. Рис. 1 – Загальний вигляд зразка і контртіла Рис. 2 – Замонтований зразок Вміст легуючих елементів Si, Cr, Ni в порошкових дротах представлено в табл. 2. Зразки для до- сліджень вирізували електроерозійним методом. Твердість покриттів становила від 49 до 62 HRC. Таблиця 2 Склад елементів в порошкових дротах Ідентифікаційний номер досліджує- мих зразків Вміст елементів, мас. % L-1 L-2 L-3 Si 2,30 1,91 2,46 Cr 10,97 15,35 16,24 Ni 8,36 10,21 17,68 Дослідження розподілу елементів (якісні а також кількісні) на поверхні тертя були проведені при використанні сканінговогo електронного мікроскопа SEM з приставкою EDS. Отримано зображення у вторинних електронах. Accelerating Voltage: 20,0 kV. Magnification: 200. Спекроскопія мас вторинних іонів дозволила виявити зміну хімічного складу в евтектичному по- критті на глибині до 1000 Ǻ з площі досліджуваного зразка ~ 3 × 5 мм. У процесі іонного травлення тов- щина аналізованого шару становила декілька міжатомних відстаней. Швидкість травлення – 8 - 10 мкм/с. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношування евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 39 Одержані результати і дискусія Дуже важливим в експлуатації машин є дослідження кінетики зношування елементів, які пра- цюють в умовах зношування. З підданих дослідженням на зносостійкість евтектичних матеріалів (табл. 2) найбільшою опірністю до зношування характеризується зразок L-3 з складом 2,46 % Si, 17,68 % Ni, 16,24 ваг. % Cr. Твердість покриття становила 49 HRC. В подальшому результати проведених досліджень будуть обговорюватись для сплаву з поданим вище вмістом елементів. Кінетику зношування евтектично- го покриття і контртіла показано на рис. 3. a б Рис. 3 ‒ Кінетика зношування евтектичного покриття Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr (a) і контртіла (б), при питомих навантаженнях 1 – 3 MПa, 2 – 7 MПa, 3 – 10 MПa Як видно на рис. 4 втрати маси зразка в процесі зношування при навантаженні 3 МПа становлять 5, при 7 МПа – 11, натомість при 10 МПа – 33 кг/м2 год. Час досліджень становив 6 годин. Рис. 4 – Інтенсивність зношування евтектичних покриттів Fe–Mn–B–C–Si–Ni–Cr при питомих навантаженнях 1 – 3 MПa, 2 – 7 MПa, 3 – 10 MПa Зміну коефіцієнта тертя для евтектичного покриття представлено на рис. 5. Коефіцієнт тертя при питомому навантаженні 3 МПа становив 0,48, при 7 МПа – 0,67 натомість при 10 МПа – 0,94. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношування евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 40 a б в Рис. 5 ‒ Зміна коефіцієнта тертя евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr при питомих навантаженнях 3 (а), 7 (б) та 10 (в) MПa Дослідженнями мікроструктури евтектичних покриттів встановлено, що вони складаються із ев- тектики типу легований аустеніт (м’яка фаза) – марганцовистий карбід заліза Fe0,4Mn3,6C (зміцнююча фаза) і дисперсійних включень борида Fe2B i карбіда хрому Cr7C3 (дисперсійні фази), рис. 6. Мікротвер- дість евтектичного покриття змінюється від 473 до 522 HV, перехідної зони становить 421 HV, основи 299 HV. Розподіл елементів на поверхні тертя евтектичного сплаву при навантаженні 10 МПа представ- лено на рис. 7. Отримано нерівномірний розподіл атомів вуглецю, кремнію а також кисню на поверхні тертя. Наявність кисню може свідчити про утворення оксидів, тобто про окиснювальний механізм зно- шування. При навантаженнях 3 і 7 МПа відбувається окиснювальний, а при 10 МПа абразивний і окис- лювальний механізм зношування. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношування евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 41 Рис. 6 – Мікроструктура покриттів одержаних із багатокомпонентних евтектичних сплавів системи Fe-Mn-C-B легованих Si, Ni, Cr нанесених метод наплавлення GMA (MAG) при використанні порошкових дротів Рис. 7 – Розподіл атомів C, Cr, Si, Ni, O на поверхні тертя евтектичного сплаву при питомому навантаженні 10 МПа PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношування евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 42 Проведений мікроаналіз поверхні тертя з використанням SEM дозволив встановити хімічний склад і розподіл елементів на поверхні тертя. Дослідження проведено для мікрооб’ємів 1 та 2 показаних на рис. 8, a після дослідження зразків при питомому навантаженні 10 МПа. Склад поверхні тертя порів- няно із вихідним станом поверхні, тобто перед тертям. а б Рис. 8 ‒ Розподіл елементів на поверхні тертя евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr. Як ми бачимо на рис. 8, б на поверхні тертя відбувається зростання вмісту атомів C, O а також Si порівняно з поверхнею перед тертям. Вміст вуглецю збільшується із 14,11 до 15,19 в мікрообласті 1 і до 15,44 в мікрообласті 2. Вміст кисню збільшується до 5,5 в мікрообласті 1 і 1,42 в мікрообласті 2. Вміст кремнію збільшується з 1,65 до 2,09 в мікрообласті 1 і 1,72 в мікрообласті 2. Вказує це на те, що в проце- сі тертя відбувається сегрегація атомів C і Si на поверхню тертя обумовлена термодифузією атомів і фрикційним розігрівом поверхні тертя. В результаті трібосинтезу формуються нестехіометричні фази (нанофази) на основі B2O3, SiO2 i C. Аналогійний механізм зношування виявлено в процесі тертя евтек- тичних сплавів системи Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr, отриманих методом дугового наплавлення з використанням порошкових електродів [9]. Натомість для Cr, Mn спостерігається падіння вмісту цих елементів в порів- нянні із хімічним складом поверхні перед тертям. Висновки Багатокомпонентні евтектичні сплави на основі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Ni дають можливість одержувати на поверхні сталі SJ 355 зносостійкі евтектичні покриття методом наплавлення MAG з вико- ристанням порошкових дротів. Мікроструктурними дослідженнями показано, що евтектичні покриття представляють собою ба- гатокомпонентні композиційні дисперсійно зміцнені боридами заліза і карбідами заліза та хрому матері- али. Використовуючи сканінговий електронний мікроскоп SEM із приставкою EDS виявлено зрос- тання вмісту елементів C, O, Si на поверхні тертя евтектичних покриттів при питомому навантаженні 10 МПа в порівнянні із поверхнею перед тертям. Виявлено, що в процесі тертя відбувається сегрегація ато- мів C та Si на поверхню тертя. Внаслідок трибосинтези відбувається формування нанофаз. При наванта- женнях 3, 7 МПа відбувається окиснювальний, а при 10 МПа абразивний і окислювальний механізм зно- шування. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношування евтектичних покриттів Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 43 Література 1. M. Hadad, P.P. Bandyopadhyay, J. Michler, J. Lesage: Tribological behaviour of thermally sprayed Ti–Cr–Si coatings, Wear 267 (2009) s. 1002–1008. 2. Jianliang Li, Dangsheng Xiong: Tribological behavior of graphite-containing nickel-based composite as function of temperature, load and counterface, Wear 266 (2009) s. 360–367. 3. K. Granat: Wieloskładnikowe stopy Fe-C-Cr-Si odporne na zużycie przeznaczone na odlewy i warstwy napawane, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005. 4. W. Xinhong, Z. Zengda, S. Sili, Q. Shiyao: Microstructure an dwear properties of insitu TiC/FeCrBSi composite coating prepared by gas tungsten arc welding. Wear 260, (2006), s. 705-710. 5. D. Rai, B.Singh, J.Singh: Characterisation of wear behavior of different microstructures in Ni–Cr– Mo–V steel. Wear 263, (2007), s. 821-829. 6. Xinhong Wang, Fang Hanb, Xuemei Liu, Shiyao Qu, Zengda Zou: Microstructure and wear proper- ties of the Fe–Ti–V–Mo–C hardfacing alloy, Wear 265 (2008) s. 583–589. 7. N.F. Garza-Montes-de-Oca, W.M. Rainforth: Wear mechanisms experienced by a work roll grade high speed steel under different environmental conditions, Wear 267 (2009) s. 441–448. 8. L. Chengxin,W. Guixin, W. Yandong, W. Jingang, Z. Jianjun: Analysis of wear resistance and its mechanism in an Fe–Mn–Si–Cr–Ni shape memory alloy. Materials Scienceand Engineering (2006). s. 804–807 9. M. Pashechko, K. Lenik: Segregation of atoms of the eutectic alloy Fe-Mn-C-B-Si-Ni-Cr at friction wear. Wear 267 (2009) 1301-1304. 10. K. Lenik, M. Paszeczko, K. Dziedzic M. Barszcz: The surface self-organization in process friction and corrosion of composite materials, Archives of Materials Science and Engineering. Volume 30. Issue 1. March 2008. s. 9-12. 11. J. C. Riviere, S. Myhra: Handbook of surface and interface analysis. CRC Taylor & Francis Group. Boca Raton 2009. 12. M.M. Khonsari, E. R. Booser: Applied Tribology. Jon Wiley & Sons, Ltd., Chichaster 2008. 13. G.S. Fox-Rabinovich, G. E. Totten: Self-organization during friction: Advance Surface Engineered Materials and Systems Design; CRC Taylor and Francis Group: Boca Raton, FL, USA, 2006. 14. M. I Pashechko, V.M. Golubetz, M.V. Chernetz. Формирование и фрикционная стойкость евтек- тических покрытий. Наукова думка, Київ, 1993. 15. M. Pashechko, K. Lenik, M. Barszcz, K. Dziedzic: Regeneracja części maszyn roboczych metodą napawania z wykorzystaniem stopów eutektycznych, XXII Konferencja Naukowa Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych, Zakopane 2009, s. 125-127. Надійшла 01.11.2010 Ч И Т А Й Т Е журнал “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” во всемирной сети I N T E R N E T ! http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com