RU2709550C1

RU2709550C1 - Method of hardening nickel-chrome-boron-silicon coating on metal parts

Info

Publication number: RU2709550C1
Application number: RU2018142122A
Authority: RU
Inventors: Наталья Николаевна Соболева; Алексей Викторович Макаров; Ирина Юрьевна Малыгина
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-12-18

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy and machine building and can be used for surface hardening of new parts of machines and tools, as well as for reconditioning of worn parts. Method of producing hardened nickel-chromium-boron-silicon coating on metal parts involves depositing self-fluxing powder of PG-CP4 grade with gas-powder laser surfacing, preparation of built-up surface and friction treatment with hemispherical indenter from cubic boron nitride at 500–700 N.

EFFECT: increasing hardness of surface layer ≥1,000 HV and formation of favorable compressive (negative) residual stresses |σ|>400 MPa due to creation on surface of highly deformed layer with disperse structure and completely deformation-dissolved in solid solution by nickel borides and chromium carbides at simultaneous achievement of high quality of coating surface.

1 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано для упрочнения поверхности новых деталей машин и инструмента, а также для восстановления поверхностей изношенных деталей.The invention relates to the field of metallurgy and mechanical engineering and can be used to harden the surface of new machine parts and tools, as well as to restore the surfaces of worn parts.

Эффективным средством повышения долговечности и надежности различных деталей машин и инструмента является формирование на их поверхности высокопрочных, износостойких и коррозионностойких покрытий. Для поверхностного упрочнения деталей путем создания покрытий применяют самофлюсующиеся порошки сплавов для наплавки, в частности, системы Ni-Cr-B-Si. Никельхромборкремниевые покрытия, полученные из порошков указанной системы легирования, имеют хорошие характеристики в условиях абразивного изнашивания, коррозии и повышенных температур [Gurumoorthy K., Kamaraj М., Prasad Rao K., Sambasiva Rao A., Venugopal S. Microstructural aspects of plasma transferred arc surfaced Ni-based hardfacing alloy. Material Science and Engineering A. 2007. Vol. 456. P. 11-19].An effective means of increasing the durability and reliability of various parts of machines and tools is the formation on their surface of high-strength, wear-resistant and corrosion-resistant coatings. For surface hardening of parts by creating coatings, self-fluxing alloy powders are used for surfacing, in particular, the Ni-Cr-B-Si system. Nickel-chromium silicon coatings obtained from powders of this alloying system have good characteristics under conditions of abrasive wear, corrosion and elevated temperatures [Gurumoorthy K., Kamaraj M., Prasad Rao K., Sambasiva Rao A., Venugopal S. Microstructural aspects of plasma transferred arc surfaced Ni-based hardfacing alloy. Material Science and Engineering A. 2007. Vol. 456. P. 11-19].

Среди различных способов получения упрочненных покрытий очевидными преимуществами обладает лазерная наплавка, в процессе которой тонкий поверхностный слой основного металла оплавляется лазерным лучом совместно с присадочным материалом [Tobar M.J.,

Amado J.M.,

Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi-WC coatings on stainless steel. Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 200. P. 6313-6317]. Лазерную наплавку характеризует высокая скорость охлаждения за счет локальности нагрева и интенсивного теплоотвода вглубь детали, возможность выборочной наплавки области детали, непосредственно подвергающейся изнашиванию и др. [Huang S.W., Samandi М., Brandt М. Abrasive wear performance and microstructure of laser clad WC/Ni layers. Wear. 2004. Vol. 256. P. 1095-1105]. Локальность и высокая скорость охлаждения наплавленного металла при лазерной наплавке являются существенными ее достоинствами, поскольку снижают коробление деталей. Кроме того, лазерная наплавка обеспечивает хорошее сцепление покрытия с основой [Ming Q., Lim L.C., Chen Z.D. Laser cladding of nickel-based hardfacing alloys. Surface and Coatings Technology. 1998. Vol. 106. P. 174-182].Among the various methods for producing hardened coatings, laser surfacing has obvious advantages, during which a thin surface layer of the base metal is melted by a laser beam together with filler material [Tobar MJ,

Amado JM,

Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi-WC coatings on stainless steel. Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 200. P. 6313-6317]. Laser surfacing is characterized by a high cooling rate due to the locality of heating and intensive heat removal deep into the part, the possibility of selective surfacing of the part area directly subjected to wear, etc. [Huang SW, Samandi M., Brandt M. Abrasive wear performance and microstructure of laser clad WC / Ni layers. Wear 2004. Vol. 256. P. 1095-1105]. The locality and high cooling rate of the deposited metal during laser surfacing are its significant advantages, since they reduce warpage of parts. In addition, laser cladding provides good adhesion of the coating to the base [Ming Q., Lim LC, Chen ZD Laser cladding of nickel-based hardfacing alloys. Surface and Coatings Technology. 1998. Vol. 106. P. 174-182].

Для лазерной наплавки используются порошки самофлюсующихся сплавов системы Ni-Cr-B-Si таких марок, как, например, ПГ-СР2, ПГ-СР3, ПГ-СР4 и т.д.For laser surfacing, powders of self-fluxing alloys of the Ni-Cr-B-Si system of such grades as, for example, PG-SR2, PG-SR3, PG-SR4, etc. are used.

Особенностью наплавленных слоев является значительная волнистость и шероховатость поверхности [Singh R., Kumar D., Mishra S.K., Tiwari S.K. Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 351. P. 87-97]. В случае применения наплавок в узлах трения очень важно получить деталь с фиксированными размерами и качественной поверхностью, поэтому необходима финишная обработка, в качестве которой в настоящее время применяется шлифование поверхности покрытий абразивными кругами. Однако шлифование имеет ряд серьезных недостатков, поскольку может сопровождаться появлением «прижогов» (участков с пониженной твердостью) и микротрещин, а также формировать в поверхностном слое покрытий опасные растягивающие остаточные напряжения, приводящие к трещинообразованию, особенно в условиях циклических нагрузок. Указанные недостатки могут вызывать ускоренный износ и разрушение шлифованных деталей в процессе их эксплуатации.A feature of the deposited layers is a significant waviness and surface roughness [Singh R., Kumar D., Mishra S.K., Tiwari S.K. Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 351. P. 87-97]. In the case of surfacing in friction units, it is very important to obtain a part with fixed dimensions and a high-quality surface; therefore, finishing is required, which is currently used for grinding the surface of coatings with abrasive wheels. However, grinding has a number of serious drawbacks, since it can be accompanied by the appearance of “burns” (areas with reduced hardness) and microcracks, as well as the formation of dangerous tensile residual stresses in the surface layer of coatings, leading to cracking, especially under cyclic loads. These shortcomings can cause accelerated wear and destruction of polished parts during their operation.

Эффективное повышение прочности и износостойкости поверхности деталей достигается при использовании поверхностного пластического деформирования в качестве финишной обработки. Применение технологии поверхностного пластического деформирования в качестве финишной обработки покрытий позволяет устранить недостатки шлифования, обеспечив одновременно дополнительное повышение прочностных и трибологических свойств, низкую шероховатость поверхности, а также формирование благоприятных сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое [Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение. 1987. 328 с.]. Наличие сжимающих остаточных напряжений позволяет компенсировать при циклическом нагружении опасные растягивающие напряжения, которые являются причиной зарождения усталостных трещин на поверхности деталей и их преждевременного разрушения.An effective increase in the strength and wear resistance of the surface of the parts is achieved by using surface plastic deformation as a finishing treatment. The use of surface plastic deformation technology as a finishing treatment of coatings allows eliminating grinding flaws, while providing an additional increase in strength and tribological properties, low surface roughness, as well as the formation of favorable compressive residual stresses in the surface layer [L. Odintsov Hardening and finishing of parts by surface plastic deformation: a Handbook. M .: Engineering. 1987. 328 p.]. The presence of compressive residual stresses makes it possible to compensate for dangerous tensile stresses during cyclic loading, which cause the initiation of fatigue cracks on the surface of parts and their premature failure.

С развитием техники и интенсификации технологических процессов (увеличение скоростей и нагрузок при эксплуатации) в ряде применений существует потребность упрочнения поверхности никельхромборкремниевых покрытий до ≥1000 HV.With the development of technology and the intensification of technological processes (increasing speeds and loads during operation) in a number of applications, there is a need to harden the surface of nickel-chromium-silicon coatings to ≥1000 HV.

Поэтому разработка способа получения упрочненного никельхромборкремниевого покрытия на металлических деталях, расширяющего арсенал таких способов, обеспечивающего повышение твердости поверхностного слоя покрытия системы Ni-Cr-B-Si до уровня ≥1000 HV и формирование в слое благоприятных сжимающих остаточных напряжений с использованием поверхностного деформирования в качестве финишной обработки, обеспечивающей высокое качество поверхности (низкую шероховатость поверхности, отсутствие очагов адгезионного схватывания и микротрещин), является важной технической проблемой.Therefore, the development of a method for obtaining a hardened nickel-chromium-silicon coating on metal parts, expanding the arsenal of such methods, providing an increase in the hardness of the surface layer of the Ni-Cr-B-Si system coating to a level of ≥1000 HV and the formation of favorable compressive residual stresses in the layer using surface deformation as the final deformation processing providing high surface quality (low surface roughness, the absence of foci of adhesion and microcracks), is tsya important technical problem.

Известен способ получения покрытия системы Ni-Cr-B-Si с повышенными эксплуатационными свойствами, включающий плазменное напыление на стальную поверхность никельхромборкремниевого порошка (химический состав: 10-14% Сr, 1,7-2,5% В, 1,2-3,2% Si, 0,3- ,6% С, Ni - основа) и ультразвуковую обработку инструментом, колеблющимся с частотой ~20 Гц и амплитудой ~20 мкм, при различном усилии прижима инструмента [Безбородов В.П., Ковалевский Е.А. Влияние ультразвуковой обработки на напряженное состояние газотермических покрытий из никелевых сплавов. Физика и химия обработки материалов. 2001. №1. С. 67-69]. Покрытие без ультразвуковой обработки характеризовалось наличием в поверхностном слое опасных растягивающих напряжений. Проведение ультразвуковой обработки напыленного покрытия с усилием прижима инструмента 100 Н обеспечивало устранение (релаксацию) растягивающих напряжений, а проведение обработки поверхности при нагрузке более 100 Н позволило получить в поверхностном слое благоприятные сжимающие остаточные напряжения. При обработке покрытия с усилием прижима >500 Н происходило растрескивание покрытия, приводящее к его разрушению. Однако, реализация этого способа направлена лишь на создание благоприятного напряженного состояния поверхностного слоя, не предусматривает его упрочнение и тем самым не решает технической проблемыA known method of obtaining a coating of a Ni-Cr-B-Si system with enhanced performance properties, including plasma spraying on a steel surface of nickel-chromium-silicon powder (chemical composition: 10-14% Cr, 1.7-2.5% B, 1.2-3 , 2% Si, 0.3-, 6% C, Ni is the basis) and ultrasonic treatment with a tool oscillating with a frequency of ~ 20 Hz and an amplitude of ~ 20 μm, with different clamping force [Bezborodov VP, Kovalevsky E. A. The effect of ultrasonic treatment on the stress state of gas-thermal coatings of nickel alloys. Physics and chemistry of materials processing. 2001. No1. S. 67-69]. The coating without ultrasonic treatment was characterized by the presence of dangerous tensile stresses in the surface layer. Ultrasonic treatment of the sprayed coating with a tool clamping force of 100 N provided the elimination (relaxation) of tensile stresses, and surface treatment at a load of more than 100 N made it possible to obtain favorable compressive residual stresses in the surface layer. When processing the coating with a clamping force> 500 N, cracking of the coating occurred, leading to its destruction. However, the implementation of this method is aimed only at creating a favorable stress state of the surface layer, does not provide for its hardening, and thus does not solve the technical problem

Наиболее близким к заявляемому является способ получения упрочненного никельхромборкремниевого покрытия на стальных (металлических) деталях, включающий нанесение самофлюсующегося порошка системы Ni-Cr-B-Si марки ПГ-СР2 (химический состав: 0,48% С; 14,8% Cr; 2,6% Fe; 2,9% Si; 2,1% В, остальное - Ni) газопорошковой лазерной наплавкой. Подготовку наплавленной поверхности проводят механическим шлифованием, и/или механическим полированием и/или электролитическим полированием. Выбор способа подготовки наплавленной поверхности определяется ее рельефом и шероховатостью. После подготовки наплавленной поверхности осуществляют фрикционную обработку поверхностей полусферическим индентором из кубического нитрида бора при нагрузке 350 Н [Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Упрочняющая фрикционная обработка NiCrBSi лазерного покрытия. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2013. №4 (61). С. 79-85]. В соответствии с этим способом фрикционная обработка проводилась при возвратно-поступательном скольжении полусферического индентора с радиусом 3 мм из мелкодисперсного кубического нитрида бора на воздухе со средней скоростью 0,013 м/с, длине хода 18 мм, смещении индентора 0,1 мм на двойной ход, 5-кратном сканировании поверхности индентором. Покрытие после фрикционной обработки характеризовалось большей твердостью (855 HV 0,025) по сравнению с покрытием в исходном наплавленном состоянии (570 HV 0,025) и после дополнительного механического шлифования (740 HV 0,025). После фрикционной обработки по указанному режиму на поверхности покрытия ПГ-СР2 зафиксированы благоприятные сжимающие остаточные напряжения σ= -400 МПа, снижающие опасность возникновения микротрещин на поверхности покрытия при циклическом (усталостном) нагружении. Фазовый состав покрытия ПГ-СР2 до фрикционной обработки: γ, Сr₂₃С₆, Ni₃В; после фрикционной обработки по приведенному режиму: γ, Cr₂₃С₆. Упрочнение поверхности объясняется формированием смешанной нано- и субмикрокристаллической структуры γ-твердого раствора на основе никеля, обогащенной бором, хромом и углеродом (вследствие деформационного растворения боридов никеля и карбидов хрома), а также содержащей диспергированные и не полностью растворившиеся частицы карбида хрома Cr₂₃С₆ [Макаров А.В, Соболева Н.Н., Саврай Р.А., Малыгина И.Ю. Повышение микромеханических свойств и износостойкости хромоникелевого лазерного покрытия финишной фрикционной обработкой. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. №4 (34). С. 60-68].Closest to the claimed is a method of obtaining a hardened nickel-chromium-silicon coating on steel (metal) parts, including applying a self-fluxing powder of the Ni-Cr-B-Si system of the PG-SR2 brand (chemical composition: 0.48% C; 14.8% Cr; 2 , 6% Fe; 2.9% Si; 2.1% B, the rest is Ni) by gas-powder laser surfacing. The deposited surface is prepared by mechanical grinding and / or mechanical polishing and / or electrolytic polishing. The choice of the method for preparing the deposited surface is determined by its relief and roughness. After preparing the deposited surface, frictional surface treatment is performed with a hemispherical indenter of cubic boron nitride at a load of 350 N [Soboleva NN, Makarov AV, Malygina I.Yu. Reinforcing friction treatment of NiCrBSi laser coatings. Metal processing (technology, equipment, tools). 2013. No4 (61). S. 79-85]. In accordance with this method, friction treatment was carried out during reciprocal sliding of a hemispherical indenter with a radius of 3 mm from finely divided cubic boron nitride in air with an average speed of 0.013 m / s, a stroke length of 18 mm, an indenter displacement of 0.1 mm for a double stroke, 5 -fold scanning of the surface by the indenter. The coating after friction treatment was characterized by a higher hardness (855 HV 0.025) compared to the coating in the initial deposited state (570 HV 0.025) and after additional mechanical grinding (740 HV 0.025). After friction treatment according to the indicated regime, favorable compressive residual stresses σ = -400 MPa were recorded on the surface of the PG-SR2 coating, reducing the risk of microcracks on the coating surface under cyclic (fatigue) loading. The phase composition of the PG-SR2 coating before friction treatment: γ, Cr ₂₃ С ₆ , Ni ₃ В; after friction treatment according to the given regime: γ, Cr ₂₃ С ₆ . The surface hardening is explained by the formation of a mixed nano- and submicrocrystalline structure of a nickel-based γ-solid solution enriched with boron, chromium and carbon (due to the deformation dissolution of nickel borides and chromium carbides), as well as containing dispersed and not completely dissolved chromium carbide particles Cr ₂₃ C ₆ [Makarov A.V., Soboleva N.N., Savrai R.A., Malygina I.Yu. Improving the micromechanical properties and wear resistance of the chromium-nickel laser coating by finishing friction treatment. Vector science of Togliatti State University. 2015. No4 (34). S. 60-68].

При этом осуществление фрикционной обработки покрытия ПГ-СР2 при нагрузке 500 Н и неизменных остальных технологических параметрах обработки приводило к возникновению недопустимого режима адгезионного схватывания, приводящих к снижению качества обрабатываемой поверхности и разрушению упрочненного поверхностного слоя. [Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Упрочняющая фрикционная обработка NiCrBSi лазерного покрытия. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2013. №4 (61). С. 79-85].In this case, the friction treatment of the PG-SR2 coating at a load of 500 N and the remaining technological parameters of the processing remained unchanged and led to the emergence of an unacceptable adhesion setting mode, which leads to a decrease in the quality of the treated surface and the destruction of the hardened surface layer. [Soboleva N.N., Makarov A.V., Malygina I.Yu. Reinforcing friction treatment of NiCrBSi laser coatings. Metal processing (technology, equipment, tools). 2013. No4 (61). S. 79-85].

Таким образом, реализация и этого способа не решает техническую проблему создания способа получения упрочненного никельхромборкремниевого покрытия на металлических деталях, расширяющего арсенал таких способов, обеспечивающего повышение твердости поверхностного слоя покрытия системы Ni-Cr-B-Si до уровня ≥1000 HV и формирование в слое благоприятных сжимающих остаточных напряжений при одновременном получении высокого качества обработанной поверхности.Thus, the implementation of this method does not solve the technical problem of creating a method for obtaining a hardened nickel-chromium-silicon coating on metal parts, expanding the arsenal of such methods, providing an increase in the hardness of the surface layer of the Ni-Cr-B-Si system coating to a level of ≥1000 HV and the formation of favorable compressive residual stresses while obtaining high quality treated surface.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением - повышение твердости поверхностного слоя покрытия системы Ni-Cr-B-Si до уровня ≥1000 HV и формирование в слое благоприятных сжимающих (отрицательных) остаточных напряжений высокого уровня (|σ|>400 МПа), при одновременном получении высокого качества обработанной поверхности.The technical result achieved by the claimed invention is to increase the hardness of the surface coating layer of the Ni-Cr-B-Si system to a level of ≥1000 HV and the formation of favorable compressive (negative) residual stresses of a high level (| σ |> 400 MPa) in the layer, while obtaining high quality machined surface.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в способе получения упрочненного никельхромборкремниевого покрытия на металлических деталях, включающем нанесение самофлюсующегося порошка системы Ni-Cr-B-Si газопорошковой лазерной наплавкой, подготовку наплавленной поверхности и фрикционную обработку полусферическим индентором из кубического нитрида бора, согласно изобретению, в качестве порошка при наплавке используют порошок марки ПГ-СР4, и фрикционную обработку проводят при нагрузках 500-700 Н.The claimed technical result is achieved due to the fact that in the method for producing a hardened nickel-chromium-silicon coating on metal parts, including applying self-fluxing powder of the Ni-Cr-B-Si system by gas powder laser welding, preparing the deposited surface and friction treatment with a cubic boron nitride hemispherical indenter, according to the invention , as a powder for surfacing using a powder brand PG-CP4, and friction treatment is carried out at loads of 500-700 N.

Порошок марки ПГ-СР4 имеет химический состав по ГОСТ 21448-75 "Порошки из сплавов для наплавки. Технические условия": 0,6-1,0% С; 15-18% Cr; 3,0-4,5% Si; 2,8-3,8% В; не более 5% Fe; Ni - основа.Powder grade PG-SR4 has a chemical composition according to GOST 21448-75 "Powders from alloys for surfacing. Specifications": 0.6-1.0% C; 15-18% Cr; 3.0-4.5% Si; 2.8-3.8% B; no more than 5% Fe; Ni is the base.

Использование порошка ПГ-СР4 с повышенным содержанием углерода, хрома и бора обеспечивает получение покрытия при лазерной наплавке с твердостью не менее 870 HV за счет формирования твердых упрочняющих фаз (Cr₇С₃, СrВ) и увеличения их объемной доли в структуре наплавленного покрытия. Это позволяет при проведении фрикционной обработки увеличить нагрузку на индентор до 500-700 Н без развития на поверхности покрытия нежелательных процессов адгезионного схватывания, приводящих к снижению качества обрабатываемой поверхности и разрушению упрочненного поверхностного слоя. Проведение фрикционной обработки при нагрузках 500-700 Н способствует накоплению в поверхностном слое более значительных пластических деформаций и, соответственно, достижению более высокого уровня деформационного упрочнения (с твердостью не менее 1000 HV), а также формированию в поверхностном слое высоких благоприятных сжимающих остаточных напряжений σ=-(415-1140) МПа.The use of PG-CP4 powder with a high content of carbon, chromium and boron provides a coating for laser surfacing with a hardness of at least 870 HV due to the formation of solid hardening phases (Cr ₇ C ₃ , CrB) and an increase in their volume fraction in the structure of the deposited coating. This allows during friction treatment to increase the load on the indenter up to 500-700 N without developing on the surface of the coating undesirable adhesion setting processes, leading to a decrease in the quality of the treated surface and the destruction of the hardened surface layer. Friction treatment at loads of 500-700 N contributes to the accumulation of more significant plastic deformations in the surface layer and, accordingly, to achieve a higher level of strain hardening (with a hardness of at least 1000 HV), as well as the formation of high favorable compressive residual stresses σ = - (415-1140) MPa.

При этом достижение высокого качества поверхности (низкая шероховатость поверхности, отсутствие очагов адгезионного схватывания и микротрещин) покрытия, подвергнутого финишной фрикционной обработке, обеспечивается за счет эффективного сглаживания микронеровностей поверхности покрытия, исключения развития на ней процессов адгезионного схватывания и малоцикловой фрикционной усталости.At the same time, the achievement of high surface quality (low surface roughness, the absence of foci of adhesion hardening and microcracks) of the coating subjected to final friction treatment is achieved by effectively smoothing the microroughness of the coating surface, eliminating the development of adhesion hardening processes and low-cycle friction fatigue on it.

Проведение фрикционной обработки при нагрузках менее нижней границы заявляемого интервала нагрузок (500 Н) приводит к меньшему упрочнению поверхности и к формированию незначительных сжимающих остаточных напряжений, а фрикционная обработка при нагрузках выше верхней границы заявляемого интервала нагрузок (700 Н) приводит к ухудшению качества поверхности (увеличению шероховатости, появлению микротрещин) в связи с развитием на поверхности покрытия процессов адгезионного схватывания в зоне фрикционного контакта «индентор - обрабатываемый материал» при приложении значительной нагрузки, а также в связи с появлением микротрещин, связанных со значительным пластическим передеформированием материала поверхности покрытия (малоцикловая фрикционная усталость).Friction treatment at loads less than the lower limit of the claimed load interval (500 N) leads to less surface hardening and the formation of insignificant compressive residual stresses, and friction processing at loads above the upper limit of the claimed load interval (700 N) leads to deterioration in surface quality (increase roughness, the appearance of microcracks) in connection with the development of adhesion setting processes on the surface of the coating in the area of friction contact “indenter - machined material ”when a significant load is applied, as well as in connection with the appearance of microcracks associated with significant plastic deformation of the coating surface material (low-cycle friction fatigue).

Таким образом, новый технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в повышении твердости поверхностного слоя ≥1000 HV и формировании в нем благоприятных сжимающих (отрицательных) остаточных напряжений |σ|>400 МПа за счет создания на поверхности сильнодеформированного слоя с дисперсной структурой и полностью деформационно растворенными в твердом растворе боридами никеля и карбидами хрома при одновременном достижении высокого качества поверхности покрытия (низкая шероховатость поверхности, отсутствие очагов адгезионного схватывания и микротрещин), подвергнутого финишной фрикционной обработке.Thus, the new technical result provided by the claimed invention consists in increasing the hardness of the surface layer ≥1000 HV and the formation of favorable compressive (negative) residual stresses | σ |> 400 MPa due to the creation on the surface of a highly deformed layer with a dispersed structure and completely deformation nickel borides and chromium carbides dissolved in the solid solution while achieving high quality coating surfaces (low surface roughness, no foci adhesion hardening and microcracks) subjected to finishing friction treatment.

Пример реализации способа Порошок марки ПГ-СР4 (0,92% С; 18% Сr; 2,6% Fe; 4,2% Si; 3,3% В; Ni - основа) гранулометрического состава 40…100 мкм наплавляли на пластину из стали Ст3 размером 150×120×18 мм. Наплавку осуществляли СО₂-лазером непрерывного действия в два прохода при мощности излучения 1,4-1,6 кВт, скорости 160 мм/мин, расходе порошка 2,9-3,8 г/мин и размере лазерного пятна на поверхности 6×1,5 мм. Порошковая смесь транспортировалась в зону наплавки инертным газом аргоном при давлении 0,5 атм. Наплавленные поверхности подвергали шлифованию на станке с интенсивным охлаждением, механическому и электролитическому полированию. Последующую фрикционную обработку поверхностей выполняли при возвратно-поступательном скольжении полусферического индентора с радиусом r=3 мм из мелкодисперсного кубического нитрида бора при нагрузках 500-700 Н на воздухе со средней скоростью 0,013 м/с, длине хода 18 мм, смещении индентора 0,1 мм на двойной ход, 5-кратном сканировании.An example of the implementation of the method Powder grade PG-CP4 (0.92% C; 18% Cr; 2.6% Fe; 4.2% Si; 3.3% B; Ni - base) particle size distribution 40 ... 100 μm were deposited onto the plate from steel St3 measuring 150 × 120 × 18 mm. Surfacing was carried out by a continuous CO ₂ laser in two passes at a radiation power of 1.4-1.6 kW, a speed of 160 mm / min, a powder consumption of 2.9-3.8 g / min, and a laser spot size of 6 × 1 on the surface 5 mm. The powder mixture was transported to the surfacing zone with an inert argon gas at a pressure of 0.5 atm. Surfaced surfaces were subjected to grinding on a machine with intensive cooling, mechanical and electrolytic polishing. Subsequent friction surface treatment was performed with the reciprocating sliding of a hemispherical indenter with a radius r = 3 mm of finely divided cubic boron nitride at loads of 500-700 N in air with an average speed of 0.013 m / s, a stroke length of 18 mm, an indenter displacement of 0.1 mm on the double course, 5-fold scanning.

Наряду с реализацией заявленного способа была проведена фрикционная обработка покрытия ПГ-СР4 при нагрузке на индентор 350 Н. Значения микротвердости на поверхности покрытий после фрикционных обработок определяли при нагрузках на индентор Виккерса 0,245 Н и 0,98 Н (HV 0,025 и HV 0,1, соответственно). Измерения микротвердости при разных нагрузках позволяют исследовать микротвердость поверхностных слоев различной толщины. Фазовый состав покрытий до и после фрикционной обработки по различным режимам и величину остаточных напряжений определяли методом рентгеноструктурного анализа. Результаты исследований представлены в таблице и сопоставлены с результатами, получаемыми при реализации известного способа [Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Упрочняющая фрикционная обработка NiCrBSi лазерного покрытия. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2013. №4 (61). С. 79-85], а также с результатами, представленными в статьях [Макаров А.В, Соболева Н.Н., Саврай Р.А., Малыгина И.Ю. Повышение микромеханических свойств и износостойкости хромоникелевого лазерного покрытия финишной фрикционной обработкой. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. №4 (34). С. 60-68; Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Влияние фрикционной обработки на микромеханические свойства NiCrBSi покрытия, полученного лазерной наплавкой. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2017. №4 (42). С. 135-140].Along with the implementation of the claimed method, friction treatment of the PG-CP4 coating was carried out at a load on the indenter of 350 N. The microhardness values on the surface of the coatings after friction treatments were determined at loads on the Vickers indenter of 0.245 N and 0.98 N (HV 0.025 and HV 0.1, respectively). Microhardness measurements at different loads make it possible to investigate the microhardness of surface layers of various thicknesses. The phase composition of the coatings before and after friction treatment in various modes and the value of residual stresses were determined by x-ray diffraction analysis. The research results are presented in the table and compared with the results obtained by implementing the known method [Soboleva N.N., Makarov A.V., Malygina I.Yu. Reinforcing friction treatment of NiCrBSi laser coatings. Metal processing (technology, equipment, tools). 2013. No4 (61). P. 79-85], as well as with the results presented in the articles [Makarov A.V., Soboleva N.N., Savrai R.A., Malygina I.Yu. Improving the micromechanical properties and wear resistance of the chromium-nickel laser coating by finishing friction treatment. Vector science of Togliatti State University. 2015. No4 (34). S. 60-68; Soboleva N.N., Makarov A.V., Malygina I.Yu. The effect of friction treatment on the micromechanical properties of NiCrBSi coatings obtained by laser welding. Vector science of Togliatti State University. 2017. No4 (42). S. 135-140].

Из представленной таблицы видно, что обработка по предлагаемому способу (фрикционная обработка покрытия ПГ-СР4 при нагрузке на индентор 500…700 Н) приводит к повышению микротвердости поверхности покрытия до 1210.-1240 HV 0,025 и до 1030-1050 HV 0,1 при измерениях с нагрузками на индентор Виккерса 0,245 Н и 0,98 Н, соответственно, по сравнению с наиболее близким способом - фрикционной обработкой покрытия ПГ-СР2 при нагрузке на индентор 350 Н (855 HV 0,025 и 820 HV 0,1) [Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Упрочняющая фрикционная обработка NiCrBSi лазерного покрытия. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2013. №4 (61). С. 79-85],The table shows that the treatment according to the proposed method (friction treatment of the PG-CP4 coating at an indenter load of 500 ... 700 N) leads to an increase in the microhardness of the coating surface to 1210.-1240 HV 0.025 and up to 1030-1050 HV 0.1 during measurements with loads on the Vickers indenter 0.245 N and 0.98 N, respectively, compared with the closest method - friction treatment of the PG-SR2 coating with an indenter load of 350 N (855 HV 0.025 and 820 HV 0.1) [N. Soboleva N. ., Makarov A.V., Malygina I.Yu. Reinforcing friction treatment of NiCrBSi laser coating. Metal processing (technology, equipment, tools). 2013. No4 (61). S. 79-85],

Из таблицы следует также, что после фрикционной обработки покрытия ПГ-СР4 при нагрузке на индентор 350 Н наблюдается упрочнение покрытия до 1170 HV 0,025 (при измерениях микротвердости с нагрузкой 0,245 Н). Однако при измерении микротвердости с большей нагрузкой на индентор Виккерса (0,98 Н) наблюдается существенное снижение микротвердости до 930 HV 0,1. Это свидетельствует о малой глубине слоя, упрочненного фрикционной обработкой при нагрузке 350 Н.It also follows from the table that, after friction treatment of the PG-CP4 coating at 350 N indenter loading, coating hardening to 1170 HV 0.025 is observed (when measuring microhardness with a load of 0.245 N). However, when measuring microhardness with a greater load on the Vickers indenter (0.98 N), a significant decrease in microhardness to 930 HV 0.1 is observed. This indicates a shallow depth of the layer hardened by friction treatment at a load of 350 N.

Для всех приведенных в таблице режимах обработки характерно формирование качественной поверхности без развития недопустимых процессов схватывания на обрабатываемой поверхности. Увеличение нагрузки на индентор более 700 Н при проведении фрикционной обработки покрытия ПГ-СР4 приводит к развитию процессов адгезионного схватывания и, как следствие, к разрушению упрочненного слоя и снижению качества обрабатываемой поверхности.All of the processing modes shown in the table are characterized by the formation of a high-quality surface without the development of unacceptable setting processes on the treated surface. An increase in the load on the indenter of more than 700 N during friction treatment of the PG-CP4 coating leads to the development of adhesive setting processes and, as a result, to the destruction of the hardened layer and a decrease in the quality of the surface to be treated.

Из данных таблицы следует, что реализация предлагаемого способа обеспечивает формирование на поверхности покрытия ПГ-СР4 благоприятных сжимающих остаточных напряжений (σ=-(415-1140) МПа), превышающих значение напряжений на поверхности покрытия, сформированного по известному способу [Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Упрочняющая фрикционная обработка NiCrBSi лазерного покрытия. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2013. №4 (61). С. 79-85]. Фрикционная обработка покрытия ПГ-СР4 при нагрузке 350 Н формирует остаточные напряжения σ=-55 МПа, значительно более низкие по модулю, чем обработка как по известному, так и заявляемому способу.From the table it follows that the implementation of the proposed method provides for the formation on the surface of the PG-CP4 coating of favorable compressive residual stresses (σ = - (415-1140) MPa) exceeding the stress value on the surface of the coating formed by the known method [Soboleva N.N. , Makarov A.V., Malygina I.Yu. Reinforcing friction treatment of NiCrBSi laser coatings. Metal processing (technology, equipment, tools). 2013. No4 (61). S. 79-85]. Friction treatment of the PG-SR4 coating at a load of 350 N generates residual stresses σ = -55 MPa, which are significantly lower in modulus than the treatment by both the known and the claimed method.

Согласно данным таблицы, фрикционная обработка покрытия ПГ-СР4 при нагрузках 500-700 Н (предлагаемый способ) приводит к деформационному растворению карбидов хрома Сr₇С₃ и боридов никеля Ni₃В. Это свидетельствует о высокой степени накопленной в поверхностном слое пластической деформации. Развитие указанных процессов и обусловливает наблюдаемое эффективное упрочнение поверхностного слоя покрытия и формирование в нем высокого уровня сжимающих остаточных напряжений. Подобным образом полное растворение борида никеля Ni₃В и частичное растворение карбида хрома Сr₇С₃ наблюдалось при фрикционной обработке покрытия с меньшим содержанием углерода, хрома, бора марки ПГ-СР2 при нагрузке 350 Н (наиболее близкий способ) [Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Упрочняющая фрикционная обработка NiCrBSi лазерного покрытия. Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2013. №4 (61). С. 79-85]. В случае использования нагрузки 350 Н при проведении фрикционной обработки покрытия ПГ-СР4, меньшей, чем в заявляемом способе, отсутствуют изменения фазового состава поверхностного слоя (сохраняются карбиды хрома и бориды никеля). Это указывает на меньшую степень развития пластической деформации в поверхностном слое, что приводит к меньшему уровню упрочнения и меньшей глубине упрочненного слоя, а также формированию низкого уровня сжимающих остаточных напряжений.According to the table, the friction treatment of the PG-CP4 coating at loads of 500-700 N (the proposed method) leads to the deformational dissolution of chromium carbides Cr ₇ C ₃ and nickel borides Ni ₃ B. This indicates a high degree of plastic deformation accumulated in the surface layer. The development of these processes determines the observed effective hardening of the surface layer of the coating and the formation of a high level of compressive residual stresses in it. Similarly, complete dissolution of nickel boride Ni ₃ B and partial dissolution of chromium carbide Cr ₇ C ₃ was observed during friction treatment of the coating with a lower content of carbon, chromium, boron grade PG-CP2 at a load of 350 N (the closest method) [Soboleva N.N. , Makarov A.V., Malygina I.Yu. Reinforcing friction treatment of NiCrBSi laser coatings. Metal processing (technology, equipment, tools). 2013. No4 (61). S. 79-85]. In the case of using a load of 350 N during friction treatment of the PG-CP4 coating, which is less than in the claimed method, there are no changes in the phase composition of the surface layer (chromium carbides and nickel borides are retained). This indicates a lesser degree of development of plastic deformation in the surface layer, which leads to a lower level of hardening and a smaller depth of the hardened layer, as well as the formation of a low level of compressive residual stresses.

Таким образом, заявляемый способ позволяет создать на поверхности слой с нанокристаллической и субмикрокристаллической структурой с полностью деформационно растворенными в твердом растворе боридами никеля и карбидами хрома, что обеспечивает повышение твердости поверхностного слоя покрытия системы Ni-Cr-B-Si до уровня ≥1000 HV, создание значительных благоприятных сжимающих (отрицательных) остаточных напряжений на поверхности покрытий (|σ|>400 МПа) при одновременном обеспечении высокого качества обрабатываемой поверхности, и, тем самым расширить арсенал таких способов.Thus, the inventive method allows you to create a layer on the surface with a nanocrystalline and submicrocrystalline structure with completely deformationally dissolved in the solid solution nickel borides and chromium carbides, which increases the hardness of the surface layer of the Ni-Cr-B-Si system coating to a level of ≥1000 HV, creating significant favorable compressive (negative) residual stresses on the surface of the coatings (| σ |> 400 MPa) while ensuring high quality of the treated surface, and thereby expand it arsenal of such techniques.

Заявляемым способом можно получать покрытия на деталях из сплавов на основе железа, меди, титана и алюминия.The inventive method it is possible to obtain coatings on parts of alloys based on iron, copper, titanium and aluminum.

Claims

A method of obtaining a hardened nickel-chromium-silicon coating on metal parts, including applying self-fluxing powder of the Ni-Cr-B-Si system by gas-powder laser surfacing, preparing a deposited surface and friction treatment with a cubic boron nitride hemispherical indenter, characterized in that brand powder is used as a surfacing powder PG-SR4, and friction processing is carried out at loads of 500-700 N.