Frontier Materials & Technologies. 2015; : 60-67
ПОВЫШЕНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ХРОМОНИКЕЛЕВОГО ЛАЗЕРНОГО ПОКРЫТИЯ ФИНИШНОЙ ФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКОЙ
https://doi.org/10.18323/2073-5073-2015-4-60-67Аннотация
Хромоникелевые покрытия, нанесенные на поверхность деталей лазерной наплавкой, характеризуются значительной волнистостью и шероховатостью поверхности. Применение в качестве финишной операции фрикционной обработки наплавленных поверхностей позволяет избежать недостатков традиционного шлифования (прижоги, микротрещины, опасные растягивающие напряжения), обеспечив одновременно дополнительное повышение прочности и износостойкости, формирование благоприятных сжимающих напряжений и низкую шероховатость поверхности. В настоящей работе наряду с измерением микротвердости по методу восстановленного отпечатка применен метод кинетического микроиндентирования для исследования прочностных и упруго-пластических характеристик NiCrBSi лазерного покрытия, подвергнутого фрикционной обработке полусферическим скользящим индентором из мелкодисперсного кубического нитрида бора. Рассмотрены также обусловленные микромеханическими свойствами упрочненного слоя механизмы изнашивания покрытия в условиях сухого трения скольжения. Исследованием распределения микротвердости по глубине подвергнутого фрикционной обработке поверхностного слоя выявлено максимальное упрочнение в тонком (толщиной 5–7 мкм) слое с сильно диспергированной структурой непосредственно на поверхности покрытия. Установлено, что фрикционная обработка покрытия по сравнению с электролитическим полированием не только улучшает качество поверхности (снижает ее шероховатость), но и, по данным микроиндентирования, повышает способность поверхностного слоя сопротивляться механическому контактному воздействию. Как следствие повышения микромеханических свойств, в условиях трения скольжения без смазки фрикционная обработка приводит к смене основных механизмов изнашивания – от схватывания и пластического оттеснения к преимущественно упругому оттеснению. Это обусловливает устранение периода приработки и соответствующее снижение интенсивности изнашивания на начальном этапе трения у упрочненного покрытия.
Список литературы
1. Xu G., Kutsuna M., Liu Z. СO2 laser cladding and plasma cladding of Ni-based alloy powder on the SUS316LN stainless steel // JSME International Journal C. 2006. Vol. 49. № 2. P. 370–378.
2. Xu G., Kutsuna M., Liu Z., Zhang H. Characteristics of Ni-based coating layer formed by laser and plasma cladding processes // Materials Science and Engineering A. 2006. Vol. 417. № 1-2. P. 63–72.
3. Fernández E., Cadenas M., Gonsález R., Navas C., Fernández R., De Damborenea J. Wear behaviour of laser clad NiCrBSi coating // Wear. 2005. Vol. 259. № 7-12. P. 870–875.
4. Xuan H.-F., Wang Q.-Y., Bai S.-L., Liu Z.-D., Sun H.-G., Yan P.-Ch. A study on microstructure and flame erosion mechanism of a graded Ni–Cr–B–Si coating prepared by laser cladding // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 244. P. 203–209.
5. Xu J.-S., Zhang X.-C., Xuan F.-Z., Wang Z.-D., Tu S.-T. Rolling contact fatigue behavior of laser cladded WC/Ni composite coating // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 239. P. 7–15.
6. Shang S., Dan Wellburn, Sun Y.Z., Wang S.Y., Cheng J., Liang J., Liu C.S. Laser beam profile modulation for microstructure control in laser cladding of an NiCrBSi alloy // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 248. P. 46–53.
7. Мельников П.А., Пахоменко А.Н., Лукьянов А.А. Математическая модель формирования микрорельефа шейки вала при обработке алмазным выглаживанием // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 2-2. С. 104–111.
8. Мельников П.А., Бобровский Н.М. Оптимизация параметров процесса выглаживания в производственных условиях с целью получения поверхности, пригодной для работы в условиях гидродинамического трения // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2011. № 2. С. 65–67.
9. Огин П.А. Структура и свойства зон перекрытия при лазерной закалке сталей и чугунов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 2-2. С. 130–135.
10. Singh R., Kumar D., Mishra S.K., Tiwari S.K. Laser cladding of Stellite 6 on stainless steel to enhance solid particle erosion and cavitation resistance // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 351. P. 87–97.
11. 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.
12. Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Упрочняющая фрикционная обработка NiCrBSi лазерного покрытия // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2013. № 4. С. 79–85.
13. Макаров А.В., Поздеева Н.А., Саврай Р.А., Юровских А.С., Малыгина И.Ю. Повышение износостойкости закаленной конструкционной стали наноструктурирующей фрикционной обработкой // Трение и износ. 2012. Т. 33. № 6. С. 587–598.
14. Serres N., Portha N., Machi F. Influence of salt fog aging tests on mechanical resistance of laser clad-coatings // Surface and Coatings Technology. 2011. Vol. 205. P. 5330–5337.
15. Gómez-del Río T., Garrido M.A., Fernández J.E., Cadenas M., Rodríguez J. Influence of the deposition techniques on the mechanical properties and microstructure of NiCrBSi coatings // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 204. № 1-3. P. 304–312.
16. Houdková Š.,Smazalová E., Vostřák M., Schubert J. Properties of NiCrBSi coating, as sprayed and remelted by different technologies // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 253. P. 14–26.
17. Вичужанин Д.И., Макаров А.В., Смирнов С.В., Поздеева Н.А., Малыгина И.Ю. Напряженно-деформированное состояние и поврежденность при фрикционной упрочняющей обработке плоской стальной поверхности скользящим цилиндрическим индентором // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. № 6. С. 61–69.
18. Саврай Р.А., Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Контактная выносливость NiCrBSi покрытий, полученных методом газопорошковой лазерной наплавки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2014. № 4. С. 43–51.
19. Макаров А.В., Горкунов Э.С., Малыгина И.Ю., Коган Л.Х., Саврай Р.А., Осинцева А.Л. Вихретоковый контроль твердости, износостойкости и толщины покрытий, полученных методом газопорошковой лазерной наплавки // Дефектоскопия. 2009. № 11. C. 68–78.
20. Петржик М.И., Левашов Е.А. Современные методы изучения функциональных поверхностей перспективных материалов в условиях механического контакта // Кристаллография. 2007. Т. 52. № 6. С. 1002–1010.
21. Петржик М.И. Филонов М.Р., Печеркин К.А., Левашов Е.А., Олесова В.Н., Поздеев А.И. Износостойкость и механические свойства сплавов медицинского назначения // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 2005. № 6. C. 62–69.
22. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. 1993. Vol. 61. № 1-3. P. 201–208.
23. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. 1998. Vol. 73. № 5. P. 614–618.
24. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 174-175. P. 725–731.
25. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
Frontier Materials & Technologies. 2015; : 60-67
THE IMPROVEMENT OF MICROMECHANICAL PROPERTIES AND WEAR RESISTANCE OF CHROME-NICKEL LASER COATING USING THE FINISHING FRICTION TREATMENT
https://doi.org/10.18323/2073-5073-2015-4-60-67Abstract
Chrome-nickel coatings applied on the parts surfaces using laser clad deposit are characterized by the significant surface undulation and roughness. The friction treatment of deposited surfaces used as the finishing operation allows preventing the demerits of customary grinding (burns, microcracks, dangerous tension stresses) and ensuring additional improvement of durability and wear resistance, favorable compressing stresses formation and fine finish. In this research, the authors used both the microhardness testing by regenerated indents method and the method of kinetic micro-indentation for the study of strength and plastic properties of NiCrBSi laser coating, processed by friction treatment using the hemispherical sliding indenter made of finely dispersed cubic boron nitride (borazon). The authors considered the coating wear mechanisms in the conditions of slide rubbing friction resulting from the micromechanical properties of strengthened layer. Using the research of microhardness distribution in depth of the processed by friction treatment surface layer, the authors determined the maximum strengthening in thin layer (the thickness is 5-7 µm) with greatly dispersed structure on the coating surface. It is determined that the surface friction treatment, comparing with the electrolytic brightening, not only improves the surface quality (reduces its undulation) but also increases (according to the micro-indentation data) the possibility of surface layer to resist to mechanical contact action. As a consequence of micromechanical properties improvement, the friction treatment in the conditions of sliding friction without lubricants causes the change of basic wear mechanisms – from seizure and plastic edging to the prevailing elastic edging. It causes the elimination of burn-in period and the relevant decrease of the strengthened coating wear intensity at the initial stage of friction.
References
1. Xu G., Kutsuna M., Liu Z. SO2 laser cladding and plasma cladding of Ni-based alloy powder on the SUS316LN stainless steel // JSME International Journal C. 2006. Vol. 49. № 2. P. 370–378.
2. Xu G., Kutsuna M., Liu Z., Zhang H. Characteristics of Ni-based coating layer formed by laser and plasma cladding processes // Materials Science and Engineering A. 2006. Vol. 417. № 1-2. P. 63–72.
3. Fernández E., Cadenas M., Gonsález R., Navas C., Fernández R., De Damborenea J. Wear behaviour of laser clad NiCrBSi coating // Wear. 2005. Vol. 259. № 7-12. P. 870–875.
4. Xuan H.-F., Wang Q.-Y., Bai S.-L., Liu Z.-D., Sun H.-G., Yan P.-Ch. A study on microstructure and flame erosion mechanism of a graded Ni–Cr–B–Si coating prepared by laser cladding // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 244. P. 203–209.
5. Xu J.-S., Zhang X.-C., Xuan F.-Z., Wang Z.-D., Tu S.-T. Rolling contact fatigue behavior of laser cladded WC/Ni composite coating // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 239. P. 7–15.
6. Shang S., Dan Wellburn, Sun Y.Z., Wang S.Y., Cheng J., Liang J., Liu C.S. Laser beam profile modulation for microstructure control in laser cladding of an NiCrBSi alloy // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 248. P. 46–53.
7. Mel'nikov P.A., Pakhomenko A.N., Luk'yanov A.A. Matematicheskaya model' formirovaniya mikrorel'efa sheiki vala pri obrabotke almaznym vyglazhivaniem // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2015. № 2-2. S. 104–111.
8. Mel'nikov P.A., Bobrovskii N.M. Optimizatsiya parametrov protsessa vyglazhivaniya v proizvodstvennykh usloviyakh s tsel'yu polucheniya poverkhnosti, prigodnoi dlya raboty v usloviyakh gidrodinamicheskogo treniya // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2011. № 2. S. 65–67.
9. Ogin P.A. Struktura i svoistva zon perekrytiya pri lazernoi zakalke stalei i chugunov // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2015. № 2-2. S. 130–135.
10. Singh R., Kumar D., Mishra S.K., Tiwari S.K. Laser cladding of Stellite 6 on stainless steel to enhance solid particle erosion and cavitation resistance // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 351. P. 87–97.
11. Bezborodov V.P., Kovalevskii E.A. Vliyanie ul'trazvukovoi obrabotki na napryazhennoe sostoyanie gazotermicheskikh pokrytii iz nikelevykh splavov // Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2001. № 1. S. 67–69.
12. Soboleva N.N., Makarov A.V., Malygina I.Yu. Uprochnyayushchaya friktsionnaya obrabotka NiCrBSi lazernogo pokrytiya // Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2013. № 4. S. 79–85.
13. Makarov A.V., Pozdeeva N.A., Savrai R.A., Yurovskikh A.S., Malygina I.Yu. Povyshenie iznosostoikosti zakalennoi konstruktsionnoi stali nanostrukturiruyushchei friktsionnoi obrabotkoi // Trenie i iznos. 2012. T. 33. № 6. S. 587–598.
14. Serres N., Portha N., Machi F. Influence of salt fog aging tests on mechanical resistance of laser clad-coatings // Surface and Coatings Technology. 2011. Vol. 205. P. 5330–5337.
15. Gómez-del Río T., Garrido M.A., Fernández J.E., Cadenas M., Rodríguez J. Influence of the deposition techniques on the mechanical properties and microstructure of NiCrBSi coatings // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 204. № 1-3. P. 304–312.
16. Houdková Š.,Smazalová E., Vostřák M., Schubert J. Properties of NiCrBSi coating, as sprayed and remelted by different technologies // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 253. P. 14–26.
17. Vichuzhanin D.I., Makarov A.V., Smirnov S.V., Pozdeeva N.A., Malygina I.Yu. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie i povrezhdennost' pri friktsionnoi uprochnyayushchei obrabotke ploskoi stal'noi poverkhnosti skol'zyashchim tsilindricheskim indentorom // Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin. 2011. № 6. S. 61–69.
18. Savrai R.A., Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Osintseva A.L. Kontaktnaya vynoslivost' NiCrBSi pokrytii, poluchennykh metodom gazoporoshkovoi lazernoi naplavki // Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2014. № 4. S. 43–51.
19. Makarov A.V., Gorkunov E.S., Malygina I.Yu., Kogan L.Kh., Savrai R.A., Osintseva A.L. Vikhretokovyi kontrol' tverdosti, iznosostoikosti i tolshchiny pokrytii, poluchennykh metodom gazoporoshkovoi lazernoi naplavki // Defektoskopiya. 2009. № 11. C. 68–78.
20. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Sovremennye metody izucheniya funktsional'nykh poverkhnostei perspektivnykh materialov v usloviyakh mekhanicheskogo kontakta // Kristallografiya. 2007. T. 52. № 6. S. 1002–1010.
21. Petrzhik M.I. Filonov M.R., Pecherkin K.A., Levashov E.A., Olesova V.N., Pozdeev A.I. Iznosostoikost' i mekhanicheskie svoistva splavov meditsinskogo naznacheniya // Izvestiya VUZov. Tsvetnaya metallurgiya. 2005. № 6. C. 62–69.
22. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. 1993. Vol. 61. № 1-3. P. 201–208.
23. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. 1998. Vol. 73. № 5. P. 614–618.
24. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 174-175. P. 725–731.
25. Kragel'skii I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovy raschetov na trenie i iznos. M.: Mashinostroenie, 1977. 526 s.
