CC BY
71
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.791.927.55
Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П., МорозовА.Н.
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЗОНЫ СПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКЕ ПОКРЫТИЯ ТИПА 250Х15Г20С
Плазменно-порошковая наплавка нашла широкое применение для восстановления и упрочнения деталей в случаях, когда необждимо обеспечить заданный химический состав и свойства наплавленного металла в относительно тонком поверхностном слое [1, 2, 5]. При этом определённые свойства наплавленного металла (например, твёрдость, износостойкость или теплостойкость и т.д.) должны быть, как минимум, не ниже свойств основного металла, а зачастую даже превосждить их.
При этом, стремясь получить наплавленный металл с максимально возможно высокими значениями физических и механических свойств, наплавку производят на таких режимах, при которых глубина проплавления металла подложки стремится к минимально возможному своему значению, и доля участия основного металла в наплавленном металле также минимальна. Формирующаяся в этом случае зона сплавления весьма незначительна по толщине по сравнению с толщиной наплавленного металла, и в ней
Верхняя часть
Рис. 1. Панорама строения покрытия 250Х15Г20С, х100 70------------------------------------------------------
наблюдается очень сильный градиент химического состава по всем элементам, вждящим в состав присадочного порошка. Это приводит к образованию сильных фазовых напряжений по всей толщине зоны сплавления, что нередко способствует образованию трещин, распространяющихся по зоне сплавления.
Таким образом, преследуя цель обеспечить максимально высокие свойства наплавленного металла, приходится использовать зеркально противоположные приёмы: стремясь понизить долю участия основного металла в наплавленном, уменьшать глубину проплавления (каким-либо из технологических приёмов), что нередко приводит к образованию трещин из-за сильных напряжений, а стремясь избежать образования структурных напряжений в зоне сплавления, приходится увеличивать долю участия основного металла в наплавленном и толщину зоны сплавления.
Целью настоящей работы является изучение зоны сплавления, образующейся при плазменно-порошковой наплавке твердосплавныхпокрытий, а также анализ влияния технологических воздействий и режимов наплавки на состав, толщину и свойства зоны сплавления.
В настоящей работе исследовали особенности струкгурообразования и свойства износостойкого покрытия типа 250X15Г20С. Наплавку производили плазмотроном прямой полярности, варьируя силу тока в пределах 80-180 А и применяя модуляцию тока.
На работоспособность наплавленного металла и прочность связи его с основным металлом влияет степень проплавления, характер образующихся промежуточных сплавов и диффузионных процессов, протекающих в приграничных участках сварочной ванны. В связи с неодинаковой интенсивностью конвективных потоков, вызываемых различными температурами жидкости в различных зонах ванны, вблизи границы сплавления возможно образование слоёв, в которых перемешивания, т.е. усреднения состава жидкости практически не происходит. Таким образом, изучение процессов, происждящих в зоне сплавления, и определение рациональных режимов наплавки является весьма актуальной задачей.
Режим наплавки в значительной степени определяет структуру зоны сплавления [2]. При плазменной наплавке подложка быстро прогревается, процесс идет при крутом подъёме кривой теплового насыще-
ния, что приводит к образованию глубокой зоны проплавления и значительному подмешиванию основного металла в наплавленный. Для обеспечения равномерного формирования валика, с плавным переходом структуры и свойств от подложки к наплавленному металлу, наиболее эффективно управление мощностью дуги, величиной тепловложения и расходом присадочного материала. Повышая коэффициент наплавки, при заданном значении силы тока, увеличивается толщина наплавленного металла, а подмешивание основного металла уменьшается. Все исследованные нами образцы наплавлялись при подаче присадочного порошка не менее 5 кг/ч, что обеспечивало долю участия основного металла в наплавленном не более 5%, даже при наплавке на токе 180 А.
В наплавленном металле можно выделить три зоны (рис. 1), а в металле подложки - зону термического воздействия.
При плазменно-порошковой наплавке зона сплавления отличается неоднородностью строения и свойств. При всех режимах наплавки зона сплавления состоит из кристаллизационной прослойки (КП), примыкающей к видимой границе раздела подложка/наплавленный металл со стороны наплавленного металла, и диффузионной прослойки (ДП), примыкающей со стороны подложки. Под диффузионной прослойкой расположена зона термического воздействия (ЗТВ).
При наплавке на токе 120 А образуются правильные валики наплавленного металла, однако сплавление с подложкой не происходит, что может быть объяснено высокой поверхностной энергией наплавляемого металла и его низкой жидкотекучестью.
Металлографические исследования средней части покрытия, наплавленного на токах 120 и 180 А, показали, что металлическая основа наплавленного металла типа 250Х15Г20С, после травления реактивом Марбле, окрашивается в тёмно-коричневый цвет и может быть идентифицирована как высоколегированный аустенит. На тёмном аустенитном поле равномерно распределены частицы упрочняющих фаз: карбидная эвтектика пластинчатого строения и кристаллы первичных карбидов, которые по морфологическим признакам могут быть идентифицированы как карбиды хрома типа М7С3 (характерные шестигранные призмы, равномерно расположенные в наплавленном металле и имеющие различную ориентировку оси С). Микротвёрдость аустенитно-
карбидной эвтектики составляет 4314—6145 МПа, а микротвёрдость карбидов хрома вдоль оси С — 8100— 8500 МПа, поперёк оси С — 10550 МПа.
Вблизи зоны сплавления структура наплавленно-го металла характеризуется уменьшением размеров карбидов хрома и межплоскостного расстояния в эвтектике, что может быть объяснено более высокими скоростями кристаллизации металла наплавки на дне сварочной ванны, в связи с теплоотводом в подложку, по сравнению с металлом из средней части ванны.
Характер изменения твёрдости Виккерса через границу раздела подложка/наплавленный металл оценивали на пути в 120 мкм, причем первые три отпечатка производили в металле подложки, а остальные — в наплавленном металле. Угол наклона линии тренда (tan а) твёрдости Виккерса, проведённой на пути в 120 мкм, позволяет судить о напряжённости зоны сплавления, вызванной резким изменением свойств подложки и наплавленного металла.
Микроструктура средней части наплавленного металла и зоны сплавления, а также характер изменения твёрдости Виккерса покрытия 250Х15Г 20С, наплавленного на токе 180 А, показаны на рис. 2 и 5.
Наилучшую трещино- и ударостойкость обеспечивает зона сплавления, в которой свойства наплавленного металла и свойства подложки изменяются плавно и без резких скачков, а в микроструктуре отсутствуют мартенситные и ферритные составляющие, а также кристаллиты карбида хрома типа М7С3 [2,4]. Дозированный нагрев металла подложки при плазменно-порошковой наплавке, исключающий излишний её перегрев и небольшую глубину проплавления, позволяет сформировать оптимальную с точки зрения обеспечения трещино- и ударостойкости структуру зоны сплавления [3]. Однако наличие первичных кристаллов карбида хрома в микроструктуре средней части наплавленного металла предопределяет невысокую ударостойкость такого покрытия. В связи с чем исследовалось влияние модуляции тока на структуру и свойства наплавляемого металла. Модуляцию проводили по двум режимам:
1) 120/60 А с частотой 1 Гц;
2) 180/80 А с частотой 2 Гц.
При наплавке с модуляцией тока по режиму 1 происходит изменение типа кристаллизации наплавленно -го металла по сравнению с наплавкой без модуляции. Микроструктура металла, наплавленного с модуляцией 120/60 А и частотой 1 Гц, приобретает эвтектическое строение (рис. 3, а) по сравнению с заэвтектическим типом металла, наплавленного без модуляции тока (рис. 2, а). Изменение характера кристаллизации и подавление выделения первичных карбидов хрома при введении модуляции тока объясняется образованием неравновесного избытка эвтектики при по -вышении скорости кристаллизации [4]. При этом твёрдость наплавленного металла повышается и достигает 59,2 HRC.
Характер зоны сплавления также
\ '• "г ----- \ '» Í.--V "*-лГ -< • \s .'.Js
**, ■ у- t:^ A-*_Г: v. Г.‘~——1 ■.
•У-.--. . - * ’ r: • 4 * -— S ~
^яб Ш ' -
а б
Рис. 2. Микроструктуры средней части (а) и зоны сплавления (б) покрытия, наплавленного по режиму: ток 180 А, расход 6 кг/ч, скорость 0,5 см/с
Рис. 3. Микроструктуры средней части (а) и зоны сплавления (б) покрытия, наплавленного по режиму: ток 120/60 А частота 1 Гц, расход 6 кг/ч, скорость 0,5 см/с
Рис. 4. Микроструктуры средней части (а) и зоны сплавления (б) покрытия, наплавленного по режиму: ток 180/80 А, частота 2 Гц, расход 6 кг/ч, скорость 0,5 см/с
претерпевает значительные изменения: непосредственно к видимой границе раздела со стороны наплавленно-го металла примыкает кристаллизационная прослойка толщиной 10-15 мкм (рис. 3, б), которая по характеру травления, морфологическим признакам и дюрометри-ческим характеристикам соответствует аустеншу [2]. Изменение твёрдости Виккерса в зоне сплавления покрытия 250Х15Г20С наплавленного с модуляцией тока 120/60 А, частотой 1 Гц, показан на рис. 5.
Наплавка по второму режиму, с введением модуляции тока 180/80А с частотой 2 Гц, приводит к формированию в средней части покрытия заэвтектиче-ской структуры наплавленного металла (рис. 4, а), а в зоне сплавления - тонкой кристаллизационной прослойки толщиной 4-6 мкм (см. рис. 3, б), которая по дюрометрическим измерениям идентифицируется как легированный аустенит. Изменение твёрдости Виккерса в зоне сплавления показано на рис. 4.
При плазменно-порошковой наплавке толщина зоны сплавления редко превышает 80-100 мкм, а толщина диффузионной прослойки в металле подложки составляет величину в несколько микрометров или даже доли микрометра, поэтому, сравнивая распределение твёрдости Виккерса в зоне сплавления на пути в 120 мкм, можно судить о характере напряжённого состояния зоны сплавления, не затрагивая среднюю часть покрытия. Для определения среднеагрегатной твёрдости наплавленного металла при измерении её по методу Виккерса использовали нагрузку 100 г, а для измерения
твёрдости в тонких слоях (диффузионная и кристаллизационная прослойки) использовали нагрузку 20 г.
Интенсивность набора твёрдости отражает коэффициент при X (tan а) в уравнении линии тренда, приведённом у кривых на рис. 5. Согласно этим данным наиболее интенсивно твёрдость возрастает при наплавке без модуляции при силе тока 180 А. При введении модуляции тока 180/80 А с частотой 2 Гц повышение твёрдости происходит с меньшим темпом, однако это не приводит к плавному изменению её от уровня металла подложки до уровня наплавленного металла. Введение модуляции тока 120/60 А с частотой 1 Гц приводит к изменению твёрдости в зоне сплавления с наименьшей интенсивностью, что косвенно подтверждает меньшую напряжённость зоны сплавления [3].
Результаты металлографического анализа зоны сплавления покрытий при плазменно-порошковой наплавке, в частности измерение толщины и твёрдости кристаллизационной прослойки (если она формируется), позволяют судить о склонности наплавленного металла к образованию трещин и способности противостоять их образованию при эксплуатации. Анализ полученных данных полностью подтверждают предположение о необходимости наплавки на таких режимах, при которых формируется плотная кристаллизационная прослойка аустенита с твёрдостью средней между твёрдостью металла подложки и покрытия.
Данные, приведённые на рис. 5, показывают, что введение модуляции тока при плазменно-порошковой наплавке износостойких покрытий весьма эффективно. Наилучшие результаты достигаются при наплавке на режимах, при которых не происходит чрезмерный перегрев сварочной ванны и первичные кристаллы карбидов хрома не выделяются. Эвтектический аустенит при этом в значительной степени насыщен хро-
9-ве-н
у — 5,2971х+
, і 9—
-40 -20 0 20 40 60 80 100
Расстояние от грашгцы раздела, мкм
—♦—Ток 180 А -Я-Ток 120/60А, 1 Гц -*-Ток 180/80А. 2Гц
Рис. 5. Характер распределения твёрдости Виккерса по зоне сплавления в зависимости от режима наплавки
мом и марганцем, что повышает его микротвёрдость и прочность в целом, а значит, способствует лучшему закреплению карбидных пластинок и повышению трещино- и ударостойкости. Этому же способствует и формирование в зоне сплавления аустенитной кристаллизационной прослойки достаточной толщины (не менее 10 мкм) и оптимальной твёрдости.
Наплавка с введением модуляции тока 120/60 А, частотой 1Гц позволяет сформировать зону сплавления с плавным переходом свойств от подложки к наплавленному металлу, благодаря формированию кристаллизационной прослойки высоколегированного аустенита. При этом микроструктура средней части наплавленного металла приобретает эвтектический тип, а твёрдость повышается на 1,5-3 единицы Роквелла. Такое строение зоны сплавления и средней части наплавленного металла обеспечивает наилучшую ударо- и трещиностойкость покрытия.
Список литературы
1. Сидоров А. И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение, 1987. 192 с.
2. Тех нология электрической сварки металлов и сплавов плавлением /
под ред. акад. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение, 1974. 768 с.
3. Температурный режим обработки сталей плазменным источником тепла / Емелюшин А Н., Петроченко Е В., Нефедьев С П., Шекунов Е.В., Моокунов В.В. // Материаловедение и термическая обработка металлов: межвуз. сб. на/ч.трудов под ред. А.Н. Емелюшина и Е.В. Петроченко. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. C. 115-119.
4. СомовА.И., Тихоновский MA. Эвтектические композиции. М.: Металлургия, 1975. 305 с.
5. МирзаевД.А., ЯковлеваИ.Л., ТерещенкоН.А. Моделирование разру -шения ферритной стали с неоднородной структурой // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2008. № 3. С. 53-59.
Bibliography
1. Sidorov A.I. Restoration of details of cars a dusting and наплавкой. M: Mechanical engineering. 1987. 192p.
2. Technology of electric welding of metals and alloys fusion. Under the editorship of acad. B.E.Patona. M: Mechanical engineering. 1974. 768p.
3. Century the T emperature mode of processing of steels a plasma source of heat / Emeljushin A.N., Petrochenko E.V., Nefedyeff S.P., Schekunov E.V., Moschkunov V.V. // Materials technology and thermal processing of metals. Intern. collect of proceedings Works under the editorship of Emeljushin A.N. and Petrochenko E.V. Magnitogorsk: GOU ВПО MGTU. 2009. P. 115-119.
4. Somov A.I., Tihonovsky M.A. Evtekticheskycompositions. M: Metallurgy. 1975. 305p.
5. Mirzaev D.A., Jakovleva I.L., Tereshchenko N.A. Modelling of destruction ferrits steels with non-uniform structure // the Bulletin of MGTU of G.I.Nosova. 2008. № 3. P. 53-59.
