Структура и свойства покрытия из нержавеющей стали, напыленной на Сталь 3 и оплавленной электронным пучком
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
? величине большой диагонали с использованием формулы [25]:
, (2.10)
где P - нагрузка, [Н];- длина большой диагонали отражения.
Измерение микротвердости выполняли при нагрузке 100 г.
Исследование микротвердости образца Сталь 3 с напыленным на него покрытием из нержавеющей стали, проводилось с помощью микротвердометра ПТМ-3.
Для образца выполняли по 24 измерения для каждого вида обработки. Микротвердость определяли по формуле:
.(2.11)
После измерения результаты были обработаны в Maple 6 и были построены графические зависимости изменения микротвердости от глубины измерения на косом шлифе.
2.2 Расшифровка результатов эксперимента
В данной работе исследовалось влияние структурно-фазовых превращений в стали марки Сталь 3, вызванных плазменно-детонационным напылением нержавеющей стали, и последующим проплавлением ее сильноточным электронным пучком, на микротвердость стали.
Сталь 3 относиться к углеродистым сталям обыкновенного качества. Она широко используется для строительных и других сварных, клепанных и болтовых конструкций, а также для мало напряженных деталей машин.
В исходном состоянии она имела зернистую структуру со средним размером зерен ~(0.2 - 0.3) мм (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 - РЭМ-снимок косого шлифа Сталь 3 - зона ПДО
Как видно из этого микроснимка РЭМ и результатов исследования ВИМС (рис. 2.2) и РСА сталь была практически однофазной (?-Fe) с небольшим количеством углерода в виде графита. Микротвердость составляла ~150 кгс/мм2.
Рисунок 2.2 - Масс-спектр вторичных ионных кластеров, полученных при бомбардировке пучком аргона поверхности образца Сталь 3
После плазменно-детонационного напыления нержавеющей стали Fe-Cr-Ni на поверхности исследуемого образца произошли существенные изменения. Поверхность, содержащая напыленный материал, стала рыхлой, слоистой, с большим количеством пузырей (рис. 2.3, 2.4).
Рисунок 2.3 - РЭМ-снимок морфлогии поверхности образца после ПДО
Рисунок 2.4 - РЭМ-снимок морфологии поверхности образца после ПДО
Исследование напыленной поверхности методом ВИМС (рис. 2.5) показало, что кроме пиков железа, появились пики никеля и хрома, а также пики карбида железа, нитрида хрома, оксида железа.
Рисунок 2.5- Масс-спектр вторичных ионных кластеров, полученных при бомбардировке пучком аргона поверхности образца после ПДО
Эти результаты подтверждаются и дополняются рентгеновскими исследованиями фазового состава напыленной поверхности. Как видно из дифрактограммы (рис. 2.6), снятой для исследуемого образца после плазменно-детонационного напыления, здесь присутствуют пики не только ?-Fe (110), (220), как в исходном состоянии, но и пики карбида железа Fe3С (211), (212), (140) (цементита), имеющего ромбическую решетку с параметрами a=0.446 нм, b=0.522 нм, c=0.702 нм, нитрида хрома CrN (200), (311) с ГЦК решеткой (а=0.4157нм), оксида железа Fe3O4 (533), (800) с ГЦК решеткой (а=0.8538 нм). Наличие таких фаз внедрения является ожидаемой закономерностью, если учесть, что в состав газовой смеси плазмотрона входили кислород (О2), пропан (С3Н8) и азот (N2), а температура в плазменной струе была достаточна (до 30000 К) для осуществления химических реакций. Кроме фаз внедрения на дифрактограмме присутствуют пики, соответствующие интерметаллидному соединению FeCr (330), (212), (312), (532), (820), имеющему тетрагональную решетку с параметрами а=0.868 нм, с=0.464 нм.
Рисунок 2.6 - Дифрактограмма образца после ПДО
Учитывая четкую границу раздела напыленного покрытия и стальной матрицы (рис. 2.7), можно сказать, что это соединение образовалось из порошка нержавеющей стали, добавляемого в плазменную струю (вероятнее всего в самой струе), а не в результате взаимодействия элементов струи с основой из Стали 3.
Рисунок 2.7 - РЭМ-снимок косого шлифа образца после ПДО
Из измерения микротвердости по косому шлифу образца после плазменно-детонационного напыления (рис. 2.8) видно, что на поверхности микротвердость достигает до 800 кгс/мм2, что является причиной образования очень твердых карбидных и нитридных фаз. Не смотря на то, что реальная микротвердость этих фаз на много выше (несколько тысяч кгс/мм2), рыхлость поверхности (рис. 2.3, 2.4) и хрупкость этих фаз приводит к выкрашиванию их при надавливании пирамидки. Это обстоятельство и приводит к уменьшению микротвердости поверхности вцелом.
Не смотря на наличие границы раздела между напыленным покрытием и основой, с увеличением глубины исследования величина микротвердости плавно уменьшается до значения исходного образца. Это обстоятельство говорит о том, что на микротвердость образца влияет не наличие интерметаллидного соединения FeCr, которое не на много отличается от микротвердости ?-Fe, а присутствие элементов внедрения в виде химических соединений (карбидов, нитридов, оксидов) и в виде твердых растворов внедрения с концентрацией их, уменьшающейся с глубиной.
Рисунок 2.8 - Распределение микротвердости по глубине после ПДО
Переплавление электронным пучком напыленной поверхности привело к перераспределению фаз. Граница раздела между оплавленной областью и основным материалом видна на микроснимке рис. 2.9.
Рисунок 2.9 - РЭМ-снимок косого шлифа после оплавления образца ЭП
Поверхность стала более гладкая, пузыри исчезли (рис. 2.10).
Рисунок 2.10 - РЭМ-снимок морфологии поверхности образца после обработки ЭП