Выбор рационального типа наплавленного металла для высокотемпературных условий работы объектов наплавки представляет важную и довольно сложную научно-техническую задачу, решение которой связано с расчетным и экспериментальным определением кинематических и термодинамических параметров процесса изнашивания и установлением взаимосвязи между ними и высокотемпературными свойствами наплавленного металла, его химическим составом и структурой.

Рисунок 1 - Склерометр: 1 – прозрачная камера; 2 – мотор-редуктор; 3 – основание; 4 – каретка; 5 – направляющая; 6 – токоподводящий узел; 7 – груз; 8 – индентор; 9 – образец; 10 – термопара.

Рисунок 2 - Образец для склерометрических испытаний и протяженность участка склерометрирования в зависимости от температуры испытаний.

Взаимосвязь между величиной термомеханического воздействия на металл, его структурой, сопротивлением пластической деформации и износостойкостью при рабочих температурах можно выявить различными методами. Наиболее достоверные результаты дают натурные испытания, которые, однако, длительны и затратны. Быстро оценить и с достаточной точностью прогнозировать поведение сплавов в условиях высокотемпературного силового воздействия позволяют лабораторные методы испытаний. Большинство из них основано на измерении горячей твердости наплавленного металла, величина которой, как установлено экспериментально, может служить косвенным критерием для оценки его износостойкости при повышенных температурах.

Склерометрические испытания заключаются в деформировании (царапании) инденторами полированной поверхности металла при нормальной температуре и уже давно применяются для оценки износостойкости материалов при абразивном изнашивании. Разработанная в ВолгГТУ экспериментальная установка (рис. 1) представляет собой склерометр (Патент РФ № 87018) с возможностью оценки сопротивления наплавленного металла пластическому деформированию как при нормальных, так и повышенных до 1200 °С температурах. На основании прибора размещен запитанный через стабилизатор электродвигатель переменного тока, который посредством редуктора и винтовой передачи соединен с кареткой с индентором для обеспечения ее прямолинейного движения по направляющим. Дополнительный мотор-редуктор с шаговым электродвигателем обеспечивает перемещение индентора в поперечном относительно испытуемого образца направлении. Установка оборудована герметичной камерой, в которой предусмотрено отверстие для подающего аргон шланга. Испытуемый образец, температура которого контролируется термопарой, установлен на токоподводящем узле.

Условия испытаний: скорость перемещение индентора 0,3-2,0 мм/с, нагрузка на индентор 0,5–1,0 Н, длина контролируемого трека от индентора до 10 мм. Образцы нагревают проходящим по нему током (200–300 А, напряжение 20 В) в течение 1–2 мин.

С учетом неравномерного распределения температуры по длине наплавленных образцов (рис. 2), склерометрирование выполняют в центральной их части, где нагрев равномерен.

Индентором служит четырехгранная алмазная пирамидка Виккерса с квадратным основанием и углом между противоположными гранями 136°, ребрами – 148°. Такая геометрия индентора способствует условиям формирования трека близким к пластической деформации без микрорезания поверхностного слоя. Длина перемычки на вершине пирамиды не превышает 500 нм, что в совокупности с малым (2 нм) радиусом скругления вершины позволяет получать хорошо сформированные треки при малой глубине его внедрения в материал.

Рисунок 3 - АСМ-изображение топографии поверхности на участке движения индентора (а), профиллограммы в поперечном сечении трека (б) и микроструктура наплавленного металла после испытаний (в).

Выбранный в качестве материала для индентора алмаз имеет максимальную твердость в сочетании с высокой температурой плавления и не изнашивается при высокотемпературном нагружении в инертной среде, что в отличие от других, используемых для изготовления инденторов материалов, обеспечивает идентичные физико-химические условия в контакте образец – индентор и способствует повышению достоверности результатов склерометрирования.

В процессе испытаний в инертной среде индентор перемещают по полированной поверхности контрольного образца температуру которого контролируют оптическим пирометром или термопарой, спай которой заделывают в наплавленном металле. После получения трека включают дополнительный мотор-редуктор, осуществляя смещение индентора на 0,8–1,2 мм в сторону и производят повторное царапание образца параллельно предыдущему треку в противоположном направлении.

Применение каретки, состоящей из двух частей, взаимно перемещающихся относительно друг друга в направлении, поперечном царапанию, позволяет провести серию испытаний на одном образце без разгерметизации камеры с инертным газом.

Контроль полученного от перемещения индентора трека производят визуально при 50-кратном увеличении, а затем исследуют форму и геометрические параметры трека в его поперечном сечении. С этой целью наиболее перспективно сканирование его поверхности посредством атомно-силовой микроскопии, которое позволяет не только определить ширину трека, но и получить его изображение с высоким пространственным разрешением, что дает возможность точно вычислить объем деформированного металла. На основании трехмерного изображения поверхности с использованием программного модуля обработки изображений Image Analysis можно строить профилограммы треков и измерять их геометрические параметры (ширину и глубину трека, ширину и высоту наплывов, угол профиля) (рис.3). Используя полученные данные рассчитывают объем выдавленного из трека металла, который может служить показателем (критерием) сопротивления сплава высокотемпературному деформированию. Показатель износостойкости можно записать в виде соотношения: k = 1 / V_Д

где V_Д – объем деформированного металла; S_ср – средняя площадь сечения деформированного металла в n сечениях, перпендикулярных направлению трека; S_i – площадь i-го сечения, ограниченная профилем впадины трека и условной линией поверхности образца; L – контрольная длина трека.