CC BY
24
IV МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРП1 ТА
МАШИНОБУДУВАНН1
УДК 669.017:539:621.78.011
Канд. техн. наук Я. А. Чейлях1, д-р техн. наук А. П. Чейлях2
1 ПАО «Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича», 2 ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет»;
г. Мариуполь
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАСТАБИЛЬНОГО
Рэ-Ог-Мп МЕТАЛЛА
Предложено моделирование формирования химического, фазового составов и структуры наплавленного Ев-Сг-Ып износостойкого металла с оценкой его метастабильности в зависимости от наплавочно-технологических параметров наплавки. Установлен послойно-ступенчатый механизм формирования химического и фазового составов наплавленного металла, регулируемый степенью проплавления слоев, обеспечивая дифференцированную метастабильность аустенита.
Ключевые слова: наплавленный металл, степень проплавления, моделирование, аустенит, мартенсит, метастабильность.
Введение
Создание эффективных механизмов научно обоснованного проектирования составов порошковых наплавочных материалов и управления формированием наплавленного металла (НМ) и его эксплуатационными свойствами является актуальной научной и практической задачей [1, 2]. Ее решение применительно к мета-стабильно-аустенитному износостойкому металлу усложняется особенностями трансформации полученной при наплавке структуры в процессе изнашивания, что существенно влияет на эксплуатационные свойства [35].
При многослойной наплавке установлено [6], что химический состав формирующихся слоев существенно зависит от доли основного металла в наплавленном. Однако данные о послойном распределении химических элементов, фазового состава и структуры НМ в литературе отсутствуют, адекватной физико-математической модели его формирования пока нет. Следует особо подчеркнуть, что от этих химических и фазово-структурных факторов, в свою очередь, существенно зависит количество и степень метастабильности аусте-нита в аустенитно-метастабильном НМ, что оказывает влияние на его механические и эксплуатационные свойства [4, 5].
Целью настоящей работы является создание адекватной модели формирования химического и фазового состава НМ с учетом наплавочно-технологических
параметров для управления свойствами через регулирование метастабильности структуры.
Материал и методика исследования и разработки модели
Для построения модели использовались результаты исследований НМ марок 20Х10Г8СТАФ, 12Х12Г9СТАФ, 12Х13Г12СТАФ и др., разработанные для электродуговой наплавки деформационно-метаста-бильного Fe-Cr-Mn металла [7]. Наплавка производилась разработанной порошковой проволокой ПП-Нп-12Х13Г12СТАФ диаметром 4,0 мм на сварочном автомате А1401 с источником питания ВДУ 1200 под флюсом АН-348 на подложку из стали Ст. 3 и стали 45 при следующих режимах - сварочный ток 320.. .500 А, напряжение дуги 28.32 В, скорость наплавки составляла V = 18.38 м/ч, количество слоев от 3 до 6.
напл. у
Послойный анализ химического состава производился на вакуумных квантометрах «Spectrovac 1000» и «SpectroMAXx» спектральным методом (с шагом 1 мм), а также на металлографических шлифах микрорентге-носпектральным методом на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе «Ultra 55» с шагом 0,2 мм. Фазовый анализ НМ производился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в железном K - излучении, в интервале углов 26 54.58 град. Макроскопический анализ проводился на поперечных и продольных макрошлифах наплавленного металла с глубоким трав-
© Я. А. Чейлях, техн. наук А. П. Чейлях, 2015
84
лением смесью кислот (100 мл HCl, 10 мл HNO3 и 100 мл H2O). Изучение микроструктуры производили на поперечных и продольных шлифах с использованием микроскопов «Neophot-21» и «Nikon Eclips L150» снабженных цифровыми видеокамерами при увеличениях от 50 до 1000 крат. За основу построения модели взята методика оценки содержания химических элементов в наплавленном слое от величины доли основного металла в наплавленном, приведенная в работе [6] и модель влияния легирующих элементов (Cr, Mn, Si) и углерода на мартенситные критические точки Мн и Мк и фазовый состав Fe-Cr-Mn НМ [8].
Моделирование процесса послойного формирования НМ
Установлены следующие факторы, определяющие химический состав НМ:
- химический состав наплавочной порошковой проволоки; количество наплавленных слоев;
- степень проплавления металла основы и последующих слоев, определяемая долей участия основного металла и предыдущих слоев в наплавленном (N);
- степень перекрытия наплавляемых валиков;
- возможность дополнительного легирования металла из флюсующего материала, а также при последующих технологиях обработок.
В свою очередь химический состав получаемого метастабильного НМ через влияние легирующих элементов определяет положение критических точек (прежде всего т. Мн и т. М), формирование фазового состава (количество мартенсита закалки и метастабильного аус-тенита) и микроструктуры [8], поскольку при охлаждении НМ для выбранных диапазонов легирования реализуется мартенситное превращение. Полученный фазовый состав существенно влияет на степень деформационной метастабильности аустенитной составляющей структуры НМ, что в совокупности и определяет формирование эксплуатационных характеристик [4]. Это обусловлено тем, что в поверхностном слое НМ развивается деформационное мартенситное Y ^ а превращение непосредственно в процессе изнашивания (ДМПИ), вызывающее сильное самоупрочнение, релаксацию микронапряжений, перераспределение и поглощение значительной части подводимой механической энергии [4, 5].
Степень проплавления количественно определяется долей участия основного металла и последующих слоев в наплавленном:
N =-
К
P
(1)
где Ро - площадь проплавления, определяемая на поперечных макрошлифах; Р - общая площадь наплавки, определяемая на поперечных макрошлифах.
N эффективно регулируется наплавочно-технологи-ческими параметрами процесса наплавки: сила тока (I); напряжение дуги (Ц); скорости наплавки (V ) и пода-
чи наплавочного материала при наплавке одинакового валика (V ); диаметр проволоки (аТ), перекрытие валиков. С учетом содержания углерода, технологических легирующих элементов и заданного химического состава можно рассчитать примерное содержание элементов в каждом наплавленном слое с учетом степени проплавления и доли участия основного металла в наплавленном [6]:
С"эм1 = С° ■ N + CI ■ (1 - N),
(2)
где СО - содержание элемента в металле основы; СЗ -
заданное содержание элемента.
При многослойной наплавке химический состав определяется разбавлением предыдущего слоя и долей его участия в формировании каждого последующего слоя N2, N .Ж). Причем установлено, что любые сочетания долей участия основного металла в наплавленном, одинаковые по сумме N + N + N3...N) дают одинаковый химический состав итогового (верхнего) наплавленного слоя. Чем меньше степень проплавле-ния каждого из слоев, тем быстрее достигается заданный химический состав НМ. На основании анализа формирования состава каждого из наплавленных слоев выведено уравнение расчета содержания элементов, в /-том наплавленном слое:
Cf = C0 ■ N ■ N2 ■ N3...■ Nt + +C (1 - n ■ N2 ■ N3... ■ n ).
(3)
Зависимость (3) может использоваться для расчета химического состава НМ при различающихся степенях проплавления каждого слоя, что часто и бывает на практике. При соблюдении одинаковых режимов и параметров наплавки каждого слоя, а, следовательно, и равной доли основного металла в наплавленном, зависимость (3) примет следующий вид:
CнMi = с0 ■ N + сз (1 - N').
(4)
С учетом возможного окисления (угара) легирующих элементов (что может иметь место при наплавке открытой дугой), либо поступления легирующих элементов из флюса, выражения (3) и (4) должны быть дополнены слагаемыми ± АС ф, характеризующим вклад в химический состав НМ, аналогично данным работы [6]:
Cf = C0 ■ N1 ■ N2 ■ N3 ■ ...Ni + +C (1 - N ■ N 2 ■ N3 ■ ...Ni) ±AC*.
CHMi = C° ■ N' + C3(1 - N') ± AC ф.
Э Э Э ^ Э
(5)
(6)
Из анализа полученных уравнений (3), (4), (5), (6) следует вывод: чем меньше степень проплавления и, соответственно доля участия основного металла в наплавленном (Ж), тем быстрее и при меньшем количе-
стве слоев, достигается заданный химический состав НМ. При различной доле участия основного металла в каждом из наплавленных слоев многослойной наплавки, результат вычисления содержания элементов определяется с учетом их произведения (Nj-N^N^.Ni).
По полученным расчетным результатам послойного химического состава построена модель формирования химического и фазового состава, на примере использования проволоки III 1-Нп-12Х13Г12СТАФ. которая в конечном итоге при многослойной наплавке дает аустенитно-метастабильный НМ.
Установлены следующие граничные условия разработки модели:
- в пределах каждого наплавленного слоя химический состав примерно одинаков в связи с хорошим перемешиванием расплава сварочной ванны;
- при переходе межслойной границы содержание легирующих элементов и углерода должно изменяться скачкообразно ( в пределах узкой границы);
- толщина и состав каждого из наплавленных слоев регулируется технологическими параметрами, указанными выше (I, V , V , d).
v ^ напл. пров. у '
Графическая интерпретация модели формирования химического и фазового состава НМ по слоям в общем виде приведена на рис. 1. После наплавки первого слоя на нелегированную сталь-основу (Ст. 3) содержание легирующих элементов в 1-м слое НМ резко увеличивается при переходе границы сплавления и на протяжении этого слоя средняя концентрация остается приблизительно одинаковой, что соответствует горизонтальному участку кривой распределения концентраций. Однако заданное содержание легирующих элементов обычно не достигается. После наплавки 2-го слоя вследствие проплавления 1-го слоя с определенной N в наплавленном (2-м слое) концентрация легирующих элементов резко увеличивается на границе сплавления, и приблизительно сохраняется постоянной по толщине этого (2-го) слоя (рис. 1, кривые 1, 2). Аналогично формируется химический состав 3-го слоя и последующих слоев.
Содержание углерода также ступенчато (каскадно) изменяется по слоям в сторону увеличения, или напротив, уменьшения (как это показано на рис. 1, кривые 5 и 6) в зависимости от его содержания в металле-основе по отношению к содержанию в порошковой проволоке. В 4.6 слоях концентрация элементов будет соответствовать заданному составу порошковой проволоки (даже при большой степени проплавления и доли основного метала в наплавленном), что и бывает обычно на практике.
Чем больше скорость наплавки и меньше сила сварочного тока в изученных пределах ( V = 18.38 м/час, I = 320.500 А), тем меньше доля участия металла каждого предыдущего слоя в формировании последующего, тем уже зона межслойного сплавления и больше разница в концентрациях элементов между каскадами (горизонталями на концентрационных кривых послой-
ного анализа). Соответственно тогда в поверхностных третьем и четвертом слоях содержание элементов примерно будет соответствовать заданному составом порошковой проволоки.
Чем больше N, тем меньше высота ступенек увеличения (уменьшения, например для углерода) концентрации элементов в слоях, тем больше требуется наплавлять слоев для достижения заданного химического состава. И наоборот, чем меньше N, тем больше высота первой ступеньки и меньше высота остальных, тем меньше требуется наплавленных слоев для получения заданного химического состава.
Расчетные результаты формирующихся послойно марок Fe-Cr-Mn сталей и их качественный фазовый состав при трехслойной наплавке, например, проволокой ПП-Нп-12Х13Г12СТАФ приведены в таблице 1. Анализ построенной модели изменения химического и фазового состава НМ по слоям с различными N N N3 и т. д. показывает следующее. При малой степени про-плавления при формировании каждого слоя (N, N2; N3 < 0,3) заданный химический состав НМ проволокой ПП-Нп-12Х13Г12СТАФ достигается уже в третьем слое, который отвечает марке стали 12Х13Г12СТАФ аустенит-ного класса ( с метастабильным аустенитом). При средних значениях степени проплавления (N, N, N3 » 0,5) заданный химический состав НМ может быть получен только в 4-м или даже 5-м слоях. В третьем же слое он будет соответствовать марки 14Х12Г11СТАФ аустенит-ного класса с недолегированием по хрому (~ 1,5 %), марганцу ( ~ 1,5 %).
В случаях большой степени проплавления (N, N, N3 » 0,7) состав третьего слоя будет соответствовать марке НМ 15Х9Г8СТАФ (с недостатком легирования по хрому и марганцу на » 4 %, по кремнию » 0,6 %, содержание ванадия и титана может быть на нижних пределах). В результате эта наплавленная сталь относится к мартенситно-аустенитному классу. Вероятно, при наплавке с одинаковой степенью проплавления (N » 0,7) получение заданного химического состава будет возможно лишь в 6.7 слоях.
При использовании других наплавочно-технологи-ческих параметров, обеспечивающих промежуточные степени проплавления (0,3 < N. < 0,7) в различных вариациях по слоям дадут аналогичную послойно-ступенчатую картину изменения химического и фазового состава НМ с расположением ступенек в промежуточных областях рассмотренным выше (см. рис. 1).
Конечно, с большой долей уверенности можно утверждать, что в пределах любого наплавленного слоя состав по содержанию каждого из компонентов не может быть абсолютно одинаков по глубине зоны, как это представлено на модели ( см. рис. 1). В силу некоторого возможного разброса концентраций элементов в порошковой проволоке и достаточно большой скорости наплавки (V = 18.38 м/час), не позволяющей абсолютно выровнять концентрации элементов, нужно допустить некоторые колебания значений концентраций ком -
Таблица 1 - Расчетные результаты формирующихся послойно марок сталей и фазовый состав при трехслойной наплавке проволокой III 1-Нп-12Х13Г12САФ в зависимости от доли основного металла в наплавленном (Ж)
№ N для НМ номеров Марка НМ Фазовый
слоя № 1 № 2 № 3 состав
1 0,3 - - 14Х9Г8СТАФ М+А
2 0,3 0,3 - 12Х11Г9СТАФ А+М
3 0,3 0,3 0,3 12Х13Г12СТАФ А
1 0,5 - - 17Х7Г6СТАФ М+А
2 0,5 0,5 - 14Х10Г9СТАФ А+М
3 0,5 0,5 0,5 14Х12Г11СТАФ А
1 0,7 - - 19Х5Г4СТАФ М
2 0,7 0,7 - 16Х7Г6СТАФ М+А
3 0,7 0,7 0,7 15Х9Г8СТАФ А+М
Примечание: М — мартенсит закалки; А — аустенит.
понентов в пределах каждого наплавленного слоя. Не исключено, что даже в пределах каждого слоя возможны ликвационные колебания и изменения концентраций компонентов в некоторых, очевидно, небольших пределах.
Рис. 1. Графическое представление модели распределения содержания легирующих элементов по слоям в наплавленном металле: 1, 2 - хром; 3, 4 - марганец; 5, 6 - углерод; сплошные - N и 0,3; пунктирные - N и 0,5
Экспериментальное подтверждение адекватности разработанной модели реальным процессам формирования Fe-Cr-Mn наплавленного металла
Для подтверждения адекватности построенной модели реальным процессам формирования слоев НМ, проведена наплавка проволокой ПП-Нп-12Х13Г12СТАФ на подложку из Ст. 3 с разной степенью проплавления N = 0,3 и N и 0,6...0,7). Таким образом, формирование валиков в этих двух вариантах было ориентировочно «в высоту» (при N = 0,3) и «в ширину»
(при N = 0,7). По аналогии с построенной моделью (см. рис. 1) на рисунке 2 приведены изменения содержания компонентов по вертикальному поперечному сечению (вертикально, снизу-вверх) по данным спектрального квантометрического анализа. Сравнение экспериментальных результатов с теоретической моделью показывает большую степень сходства. Также как и в модели, содержание элементов по толщине НМ изменяется послойно-ступенчато в соответствии с толщиной наплавленных слоев. В пределах каждого слоя наблюдается колебание концентрацией элементов в небольших пределах в силу некоторой ликвации, свойственной при использовании порошкового наплавочного материала [1, 2]. На полученных концентрационных зависимостях четко наблюдается протяженность каждого из наплавленных слоев. Сравнение состава НМ с разной долей участия основного металла в наплавленном (N = 0,29...0,31 и N = 0,7...0,76) обнаруживает
v ср 7 7 ср 7 7 / 1 J
отличия в содержании основных элементов (Cr, Mn, Si) по слоям. В наплавке, выполненной с небольшой степенью проплавления (N = 0,3) конечный состав (третьего слоя) соответствует марке 20Х12Г9СТАФ с аусте-нитной метастабильной структурой. В наплавке, выполненной с достаточно большой N = 0,7.0,76, состав третьего слоя соответствует марке 20Х10Г8СТАФ с меньшим содержанием легирующих элементов (~ 8 % Cr, ~ 6 % Mn, 0,6.0,8 % Si), и как результат - мартенсит-но-аустенитного класса. Для получения заданного химического состава (с ~13 % Cr, ~12 % Mn) в этом случае необходимо наплавлять не менее 4.5 слоев с теми же параметрами режимов наплавки.
Микрорентгеноспектральный анализ НМ, выполненный с использованием автоэмиссионного электронного микроскопа «Ultra-55», в целом подтверждает правильность и адекватность построенной модели распределения легирующих элементов по вертикальному сечению наплавки. Полученные зависимости распределения элементов в многослойных наплавках приведены на рис. 3, который в верхнем слое соответствует марке НМ 20Х12Г9СТАФ. Характер полученных зависимостей так же, как и в квантометрическом спектраль-
ном анализе - послойно-ступенчатый (если усреднить точки). Очевидно, каскады или горизонтальные полки ступеней по своей протяженности соответствуют толщине наплавленных слоев.
Рис. 2. Изменение содержания легирующих элементов по толщине металла 20Х12Г9СТАФ, трехслойно наплавленного порошковой проволокой ПП-Нп-12Х13Г12СТАФ (квантометр «^реойоМАХх»): 1 - Сг; 2 - Мп; 3 - 81; 4 - V; 5 - Тц 6 - С
16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00
-V
Г
1
1
1
толщина, мм
14,00
SS 12,00
с ? 10,00
8,00
и на 6,00
4,00
2,00
о О 0,00
Л—.
1
толщина, мм
Из анализа полученных экспериментальных зависимостей содержания элементов по толщине наплавленных слоев ( см. рис. 2, 3) следует, как это уже отмеча -лось выше, что по химическому составу полученные слои соответствуют разным маркам Fe-Cr-Mn сталей. Эти различия в содержании основных элементов: Cr, Mn, Si, С определяют положение т. М т. Мк и формирующийся при охлаждении фазовый состав НМ, в частности количество мартенсита закалки и остаточного аустенита. Дифференцированный, но закономерно изменяющийся химический состав каждого из слоев (в пределах: 0,1.0,2 %С, 8.13 % Cr; 6.13 %Mn; 0,8.1,4 %Si) обусловливает различные соотношения между аустенитом и мартенситом в достаточно широких пределах (от 0 до 100 % каждой из этих фаз). В первом слое обычно преобладает мартенсит закалки, в последнем - аустенит. От этого соотношения зависит степень метастабильности аустенита, кинетика развития ДМПИ [4] и, соответственно, формирование свойств.
Правильность полученных с помощью построенной модели формирования фазового состава и микроструктуры по слоям НМ подтверждает зависимость твердости по толщине многослойной наплавки, соответствующей марки 20Х12Г9СТАФ в верхнем слое (рис. 4). В результате 3.4-й (поверхностные) слои имеют твердость HRA 64.65, соответствуют аустенитной метастабильной структуре, отвечающей этой марке. На глубине 7.8 мм от поверхности твердость возрастает до HRÀ 70.75, что объясняется меньшим содержанием хрома и соответствует аустенитно-мартенситной, а затем мартенситно-аустенитной структуре со значительной долей более твердой составляющей - мартенсита закалки. Это фазово-структурное состояние соответствует маркам стали 12Х11Г9СТАФ и 14Х9Г8СТАФ (см. табл. 1). Другой причиной более высокой твердости является образование мартенсита закалки в зоне термического влияния ( ЗТВ), приходящейся на предыдущий наплавленный слой при наплавке последующего. Затем на большей глубине твердость резко снижается до HRA49.52, что соответствует переходу к основному металлу ( Ст. 3) в ЗТВ.
Характер изменения твердости и фазового состава подтверждают результаты микроскопического анализа с помощью оптической и сканирующей электронной
а
б
в
Рис. 3. Распределение легирующих элементов по толщине трехслойной наплавки стали 20Х12Г9СТАФ: а - хром; б - марганец; в - кремний
Рис. 4. Изменение твердости по толщине наплавленной стали 20Х12Г9СТАФ
микроскопии. Так, для стали 20Х12Г9СТАФ, наплавленной с невысокой степенью проплавления (Ы и 0,28.0,3) в 3.4 слоя поверхностный слой на большую глубину имеет аустенитную метастабильную структуру, после которой следует аустенитно-мартенситная, далее мар-тенситно-аустенитная, затем - преимущественно мар-тенситная с небольшим количеством А . При значи-
ост А
тельной степени проплавления (Ы и 0,7. 0,76), поверхностный слой соответствует стали 20Х10Г8СТАФ с аустенитно-мартенситной структурой. Постепенно по глубине наплавленных слоев структура переходит в мар-тенситно-аустенитную, а затем в преимущественно мартенситную с небольшим количеством А (рис. 5).
Таким образом, впервые получены закономерности послойно-ступенчатого характера изменения химического состава по толщине наплавленного Бе-(0,1.0,2 %)С-(8 .13 %)Сг-(6 .12 %)Мп-(0,8 .1,4 %)Б1 металла, которые определяют градиентное чередование структуры от мартенситно-аустенитной у зоны сплавления до аустенитно-мартенситной (в средних слоях) и аустенитной - в поверхностном слое, что позволяет регулировать метастабильность структуры, обеспечить повышенную способность к самоадаптации при изнашивании для повышения эксплуатационных свойств.
Электронно-микроскопические исследования с локальным микрорентгеноспектральным анализом показали, что легирующие элементы, особенно хром и марганец дифференцировано распределены между фазами (таблица 2). Так, в наплавленной стали 20Х10Г8СТАФ на значительной глубине аустенит в большей степени обогащен хромом - 10,22 % Сг (рис. 5, табл. 2: д) - спектр 2), чем мартенсит (~ 6,10 % Сг). Последний, однако, больше содержит марганца ~ 14,48 % и кремния ~ 3,18 % (см. рис. 5, табл. 2: д) - спектр 1).
Это можно объяснить некоторой динамической избирательностью в локальном распределении химических элементов, а также некоторыми колебаниями состава порошковой проволоки по ее длине. Таким образом, правильность и адекватность построенной физико-математической модели изменения химического и фазового состава, микроструктуры по слоям НМ, полностью подтверждается результатами экспериментальных исследований, в том числе с использованием современных методов.
Для более наглядного представления особенностей послойного формирования НМ заданного легирования в работе сделана попытка объединения разработанной модели и модели, отражающей зависимость фазового состава от химического через положение мартенсит-ных точек [8]. На рисунке 6 представлена интеграционная схема двух разработанных моделей формирования химического, фазового составов НМ через влияние легирующих элементов на т. М (а т. М на количество мартенсита закалки (при охлаждении НМ до комнатной температуры) и аустенита, и послойно-ступенчатого характера их распределения. В зависимости от содержания легирующего элемента (Сг, Мп, 81) (по вертикаль-
е зона сплавления с основой
Рис. 5. Изменение микроструктуры наплавленного металла 20Х10Г8СТАФ от поверхности (а) к основному металлу (е) соответственно послойно-ступенчатому изменению химического состава (см. табл. 2)
Таблица 2 - Изменение химического состава НМ марки 20Х10Г8СТАФ от поверхности (а) к зоне сплавления с основным металлом согласно чередованию микроструктуры по рис. 5
Обозначение Расстояние от поверхности, мм Cr, % Mn, % Si, % Структура
а) 0 10,94 7,38 1,04 М + А
б) 3,0 10,74 7,70 0,97 А + М
в) 5,5 9,5 7,59 0,82 М + А
г) 8,0 8,77 5,89 0,78 М + А
д)спектр 1 10,0 6,10 14,48 3,18 М
д) спектр 2 10,0 10,22 5,91 0,74 А
е) зона сплавления с основой - Ст.3 11,5 7,57 3,37 0,5 М + А^осн. Ме
ной оси) изменяется температура т. М, а ее положение относительно комнатной температуры (+20 °С) определяет количество образующихся мартенсита закалки и аустенита (см. рис. 4), от чего зависит метастабильность [8]. От фазового состава, структуры и метастабильности аустенита (которая оценивается по кинетике развития у^а' ДМПИ и количеству образующегося мартенсита деформации в поверхностном слое), как было показано выше, существенно зависят механические и эксплуатационные свойства исследованного НМ. Это позволяет прогнозировать и проектировать составы и метастабильность структуры НМ, что необходимо использовать для управления механическими и эксплуатационными свойствами.
В результате использования созданных моделей, подтвержденных экспериментально, предложен механизм управления фазовым составом и степенью мета-стабильности аустенита в Fe-Cr-Mn НМ за счет регулирования доли участия предыдущих наплавленных слоев и основного металла в наплавленном (в пределах N = 0,244.0,767), а также количества слоев, что обеспечивает управление развитием у^а' ДМПИ и эксплуатационными свойствами.
Выводы
1. Разработана физико-математическая модель и впервые экспериментально установлены закономерности послойно-ступенчатого характера формирования химического, фазового составов и микроструктуры по толщине наплавленного Fe-Cr-Mn металла от степени проплавления, позволяющие в достаточно широких пределах регулировать соотношение между аустенитом и мартенситом закалки (от 0 до 100 %), степень метастабильности у- фазы, обеспечить повышенную адаптационную способность при эксплуатации и управление свойствами.
2. Правильность и адекватность модели подтверждены результатами экспериментальных исследований с использованием современных методов электронной микроскопии, квантометрического и микрорентгенос-пектрального анализов.
3. Предложен механизм управления формированием химического, фазового составов (от аустенитного до мартенситно-аустенитного) с метастабильной структурой наплавленного Fe-Cr-Mn металла с помощью наплавочно-технологических параметров (I, U, V ),
А А \ ^ ^ напя/7
влияющих на степень проплавления и долю участия основного металла (N = 0,244.0,76), количества наплавляемых слоев, что обеспечивает регулирование у^а' ДМПИ и управление эксплуатационными свойствами.
Рис. 6. Интеграция двух моделей зависимости т. Мн и фазового состава от содержания легирующих элементов (а) и послойно-ступенчатого их распределения в наплавленном Бе-Сг-Мп металле (б), обусловливающего формирование дифференцированного фазового состава: М - А, А - М и А (М - мартенсит; А - аустенит)
Список литературы
1. Шехтер С. Я. Наплавка металлов / С. Я. Шехтер, А. М. Резницкий. - М. : Машиностроение, 1982. - 71 с.
2. Рябцев И. А. Наплавка деталей машин и механизмов / И. А. Рябцев. - К. : Екотехнолопя, 2004. - 160 с.
3. Разиков М. И. О выборе наплавочного материала, стойкого при кавитационном нагружении / М. И. Разиков, Б. А. Кулишенко // Сварочное производство. - 1967. -№ 7. - С. 10-12.
4. Чейлях А. П. Экономнолегированные матастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А. П. Чейлях. -Харьков : ННЦ ХФТИ, 2003. - 212 с.
5. Малинов Л. С. Ресурсосберегающие экономнолегиро-ванные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие эффект самозакалки / Л. С. Малинов, В. Л. Мали-
нов. - Мариуполь : изд-во «Рената», 2009. - 568 с.
6. Думов С. И. Технология электрической сварки плавлением / С. И. Думов. - Л. : Машиностроение, 1970. - 456 с.
7. Cheiliakh Ya. A. Structure and properties of deposited wear-resistant Fe-Cr-Mn steel with controllable content of metastable austenite / Cheiliakh Ya. A., Chigarev V. V. // The Paton welding Journal / August 2011# 8. - Р. 17-21.
8. Чейлях Я. А. Моделирование влияния легирующих элементов на т. Мн и фазовый состав наплавленных Fe-Cr-Mn метастабильных сталей / Чейлях Я. А., Кривенко О. В., Шейченко Г. В. // Вюник Приазовського державного техшчного ушверситету. Сер. : Техшчш науки : зб. наук. праць. - Марiуполь : ДВНЗ «Приазов. держ. тех. ун-т», 2013. - Вип. 27. - 2013. - С. 82-89.
Одержано 02.12.2015
Чейлях Я.О., Чейлях О.П. Фiзико-математичне модулювання процесу формування наплавленого метастабшьного Fe-Cr-Mn металу
Запропоновано моделювання формування хгмгчного, фазового складгв i структури наплавленого Fe-Cr-Mn зносостгйкого металу з оцiнкою його метастабiльностi залежно вiд наплавлювально-технологiчних параметрiв наплавлення. Встановлений пошарово-стутнчастий механизм формування хiмiчного i фазового складiв наплавленого металу, регульований мiрою проплавлення шарiв, забезпечуючи диференцшовану метастабшьнкть аустенту.
Ключовi слова: наплавлений метал, ступiнь проплавлення, моделювання, аустенiт, мартен^т, метастабшьтсть.
Cheylyakh Y., Cheiliakh A. Physical and mathematical simulation of the process of formation of deposited metastable Fe-Cr-Mn metal
Represents the simulation offormation of chemical and phase composition as well as the structure of deposited Fe-Cr-Mn wear-resistant metal with evaluation of its metastability, depending upon surface deposition and technological parameters of hardfacing. By means to discover a layer-after-layer mechanism offormation of chemical and phase composition of the deposited metal that it could be modified quite efficiently by the degree of melting layers, thus ensuring different meta-stability of austenite.
Key words: deposited metal, degree of melting, simulation, austenite, martensite, meta-stability.
