Композиционное импульсно-плазменное покрытие «сталь р18/чугун 230х28г3»
Loading...
Date
2017
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, Днипро
Abstract
RU: Цель. В данной научной работе необходимо провести исследование композиционного покрытия, полученного импульсно-плазменной обработкой с применением катодов из высокоуглеродистых сплавов, содержащих повышенное количество карбидообразующих элементов. Методика. Покрытие наносили с применением электротермического аксиального плазменного ускорителя при следующих рабочих параметрах: напряжение, подаваемое на электроды – 4,0 кВ; амплитуда тока – 18 кА; расстояние между электродами ~ 50 мм. Обработку проводили по схеме: пять импульсов с электродом из стали Р18 + пять импульсов с электродом из чугуна 230Х28Г3. После импульсно-плазменной обработки следовала термообработка напыленных образцов: выдержка при 950 о С в течение 2 ч. с последующим охлаждением в масле. При исследовании структуры покрытия использованы оптическая (Nikon Eclipse L150) и электронная (JEOL JSM-6510) микроскопия, энергодисперсионная спектроскопия (X-Act, Oxford Instruments), измерение микротвердости (FM- 300 Future-Tech Corp.). Результаты. Показано, что в результате импульсно-плазменной обработки с применением различных электродов формируется слоистое покрытие «сталь Р18/чугун 230Х28Г3» толщиной 110–130 мкм. Выполнен анализ микротвердости покрытия до и после постплазменной термической обработки; показано, что в результате закалки твердость покрытия повышается с 4 900–7 300 МПа до 10 500–13 500 МПа (слой «Р18») и 12 000–16 500 МПа (слой «230Х28Г3»). Научная новизна. Авторами проанализировано распределение легирующих элементов в пределах покрытия, выявлено наличие переходного диффузионного слоя пониженной твердости с переменным содержанием вольфрама и хрома между слоями «Р18» и «230Х28Г3». Установлено, что после нанесения слоя в покрытии формируется пересыщенный твердый раствор, который при постплазменной термической обработке распадается с образованием 45–70 % карбидов различной формы, что приводит к резкому повышению микротвердости покрытия после закалки. Количество карбидов в слоях пропорционально концентрации углерода и карбидообразующих элементов в катоде, использованном для нанесения конкретного слоя. Практическая значимость. Показана возможность формирования композиционного импульсно-плазменного слоистого покрытия с переменным по сечению химическим составом и микротвердостью за счет варьирования материала катода и применения постплазменной термообработки.
UK: Мета. В даній науковій роботі необхідно провести дослідження композиційного покриття, отриманого імпульсно-плазмовою обробкою з застосуванням катодів із високовуглецевих сплавів, що містять підвищену кількість карбідоутворюючих елементів. Методика. Покриття наносили із застосуванням електротермічного аксіального плазмового прискорювача при наступних робочих параметрах: напруга, що подається на електроди, – 4,0 кВ; амплітуда струму – 18 кА; відстань між електродами ~ 50 мм. Обробку проводили за схемою: п'ять імпульсів із електродом зі сталі Р18 + п'ять імпульсів із електродом з чавуну 230Х28Г3. Після імпульсно-плазмової обробки слідувала термообробка напилених зразків: витримка при 950 о С протягом 2 год. із наступним охолодженням у маслі. При дослідженні структури покриття використані оптична (Nikon Eclipse L150) та електронна (JEOL JSM-6510) мікроскопія, енергодисперсійна спектроскопія (X-Act, Oxford Instruments), вимірювання мікротвердості (FM-300 Future-Tech Corp.). Результати. Показано, що в результаті імпульсно-плазмової обробки з застосуванням різних електродів формується шарувате покриття «сталь Р18/чавун 230Х28Г3» товщиною 110–130 мкм. Виконано аналіз мікротвердості покриття до і після постплазмової термічної обробки; показано, що в результаті гартування твердість покриття підвищується з 4 900– 7 300 МПа до 10 500–13 500 МПа (шар «Р18») та 12 000–16 500 МПа (шар). Наукова новизна. Авторами проаналізовано розподіл легуючих елементів у межах покриття, виявлено наявність перехідного дифузійного шару зниженої твердості з перемінним вмістом вольфраму і хрому між шарами «Р18» та «230Х28Г3». Встановлено, що після нанесення шару в покритті формується пересичений твердий розчин, який при постплазмовій термічній обробці розпадається з утворенням 45–70 % карбідів різної форми, що призводить до різкого підвищення мікротвердості покриття після гартування. Кількість карбідів у шарах пропорційна концентрації вуглецю і карбідоутворюючих елементів у катоді, який використано для нанесення конкретного шару. Практична значимість. Показана можливість формування композиційного імпульсно-плазмового шаруватого покриття зі змінним по перетину хімічним складом та мікротвердістю за рахунок варіювання матеріалом катода і застосування постплазмової термообробки.
EN: Purpose. The article is aimed to investigate the structure of the composite coating obtained by pulse-plasma treatment using cathodes of high-carbon material with higher amount of carbide-forming elements. Methodology. The coating was produced using electrothermal axial plasma accelerator with the following operating parameters: voltage applied to the electrodes is 4.0 kV; amplitude of the current is 18 kA; distance between electrodes of about 50 mm. The treatment was carried out according to the scheme: five pulses with electrode of steel T1 + five pulses with electrode of cast iron Cr28Mn3. The pulsed plasma treatment was followed by heat treatment as holding at 950°C for 2 hours, followed by oil cooling. Optical (Nikon Eclipse L150) and electron (JEOL JSM-6510) microscopy, energy dispersive spectroscopy (X-Act, Oxford Instruments), the microhardness measurement (FM-300 Future-Tech Corp.) were used for microstructure studying. Findings. It is shown that pulsedplasma treatment using various electrodes resulted in formation of laminated coating «P18 steel/cast iron 230Cr28Mn3» of 110-130 microns thick. The analysis of micro-hardness coating before and after the post-plasma heat treatment is carried out. It is found that quenching resulted in increase of coating microhardness from 4 900–7 300 МPа tо 10 500–13 500 МPа (layer «T1») and 12000-16500 МPа (layer «230Cr28Mn3»). Originality. The distribution of the alloying elements within the coating is studied. The diffusion transition layer having variable tungsten and chromium content was revealed between the layer «T1» and layer «230Cr28Mn3». It was shown that after plasma deposition an oversaturated solid solution is being formed in the coating. During postheat treatment it decomposes with the precipitation of 45-70 % carbides of different shape resulting in sharp increase of microhardness. Carbides amount is proportional to content of carbon and carbide-forming elements in the electrode used for certain layer deposition. Practical value. It was shown the possibility of the formation of a composite layered pulsed-plasma coating with variable chemical composition and micro-hardness in cross-section by means of varying the cathode material and by use of post-plasma heat treatment.
UK: Мета. В даній науковій роботі необхідно провести дослідження композиційного покриття, отриманого імпульсно-плазмовою обробкою з застосуванням катодів із високовуглецевих сплавів, що містять підвищену кількість карбідоутворюючих елементів. Методика. Покриття наносили із застосуванням електротермічного аксіального плазмового прискорювача при наступних робочих параметрах: напруга, що подається на електроди, – 4,0 кВ; амплітуда струму – 18 кА; відстань між електродами ~ 50 мм. Обробку проводили за схемою: п'ять імпульсів із електродом зі сталі Р18 + п'ять імпульсів із електродом з чавуну 230Х28Г3. Після імпульсно-плазмової обробки слідувала термообробка напилених зразків: витримка при 950 о С протягом 2 год. із наступним охолодженням у маслі. При дослідженні структури покриття використані оптична (Nikon Eclipse L150) та електронна (JEOL JSM-6510) мікроскопія, енергодисперсійна спектроскопія (X-Act, Oxford Instruments), вимірювання мікротвердості (FM-300 Future-Tech Corp.). Результати. Показано, що в результаті імпульсно-плазмової обробки з застосуванням різних електродів формується шарувате покриття «сталь Р18/чавун 230Х28Г3» товщиною 110–130 мкм. Виконано аналіз мікротвердості покриття до і після постплазмової термічної обробки; показано, що в результаті гартування твердість покриття підвищується з 4 900– 7 300 МПа до 10 500–13 500 МПа (шар «Р18») та 12 000–16 500 МПа (шар). Наукова новизна. Авторами проаналізовано розподіл легуючих елементів у межах покриття, виявлено наявність перехідного дифузійного шару зниженої твердості з перемінним вмістом вольфраму і хрому між шарами «Р18» та «230Х28Г3». Встановлено, що після нанесення шару в покритті формується пересичений твердий розчин, який при постплазмовій термічній обробці розпадається з утворенням 45–70 % карбідів різної форми, що призводить до різкого підвищення мікротвердості покриття після гартування. Кількість карбідів у шарах пропорційна концентрації вуглецю і карбідоутворюючих елементів у катоді, який використано для нанесення конкретного шару. Практична значимість. Показана можливість формування композиційного імпульсно-плазмового шаруватого покриття зі змінним по перетину хімічним складом та мікротвердістю за рахунок варіювання матеріалом катода і застосування постплазмової термообробки.
EN: Purpose. The article is aimed to investigate the structure of the composite coating obtained by pulse-plasma treatment using cathodes of high-carbon material with higher amount of carbide-forming elements. Methodology. The coating was produced using electrothermal axial plasma accelerator with the following operating parameters: voltage applied to the electrodes is 4.0 kV; amplitude of the current is 18 kA; distance between electrodes of about 50 mm. The treatment was carried out according to the scheme: five pulses with electrode of steel T1 + five pulses with electrode of cast iron Cr28Mn3. The pulsed plasma treatment was followed by heat treatment as holding at 950°C for 2 hours, followed by oil cooling. Optical (Nikon Eclipse L150) and electron (JEOL JSM-6510) microscopy, energy dispersive spectroscopy (X-Act, Oxford Instruments), the microhardness measurement (FM-300 Future-Tech Corp.) were used for microstructure studying. Findings. It is shown that pulsedplasma treatment using various electrodes resulted in formation of laminated coating «P18 steel/cast iron 230Cr28Mn3» of 110-130 microns thick. The analysis of micro-hardness coating before and after the post-plasma heat treatment is carried out. It is found that quenching resulted in increase of coating microhardness from 4 900–7 300 МPа tо 10 500–13 500 МPа (layer «T1») and 12000-16500 МPа (layer «230Cr28Mn3»). Originality. The distribution of the alloying elements within the coating is studied. The diffusion transition layer having variable tungsten and chromium content was revealed between the layer «T1» and layer «230Cr28Mn3». It was shown that after plasma deposition an oversaturated solid solution is being formed in the coating. During postheat treatment it decomposes with the precipitation of 45-70 % carbides of different shape resulting in sharp increase of microhardness. Carbides amount is proportional to content of carbon and carbide-forming elements in the electrode used for certain layer deposition. Practical value. It was shown the possibility of the formation of a composite layered pulsed-plasma coating with variable chemical composition and micro-hardness in cross-section by means of varying the cathode material and by use of post-plasma heat treatment.
Description
Ю. Чабак: ORCID 0000-0003-4913-2680; Т. Пастухова: ORCID 0000-0002-0352-9220; В. Ефременко: ORCID 0000-0002-4537-6939; И. Вакуленко: ORCID 0000-0002-7353-1916; И. Волосенко: ORCID 0000-0002-9659-0089
Keywords
импульсно-плазменная обработка, покрытие, микроструктура, карбиды, микротвердость, імпульсно-плазмова обробка, покриття, мікроструктура, карбіди, мікротвердість, pulsed-plasma treatment, coating, microstructure, carbides, microhardness, КПММ
Citation
Композиционное импульсно-плазменное покрытие «сталь р18/чугун 230х28г3» / Ю. Г. Чабак, Т. В. Пастухова, В. Г. Ефременко, И. А. Вакуленко, И. А. Волосенко // Наука та прогрес транспорту. – 2017. – № 3 (69). – С. 102–111. – doi 10.15802/stp2017/104432.