CC BY
33
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р Вип. № 14
УДК 621.791..927.5
Макаренко Н.А.*
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ВЫСОКУЮ СТОЙКОСТЬ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА К АБРАЗИВНОМУ ИЗНОСУ
Показано преимущество плазма-МИГ наплавки с применением порошковой проволоки при восстановлении и упрочнении быстроизнашивающихся деталей строительной техники, землеройных машин. Исследован и разработан плавящийся электрод для данного процесса наплавки, обеспечивающий уменьшение глубины проплавления основного металла, отсутствие дефектов в нем, а также его высокую износостойкость.
Дуговые методы наплавки характеризуются формированием наплавленной поверхности с относительно высоким уровнем неоднородности свойств, снижающих эксплуатационные характеристики упрочненных изделий [1 - 3]. Эти методы повышения износостойкости ограничены в применении, несмотря на свои достоинства, также ввиду высокой трудоемкости, невозможности нанесения данным способом наплавленного металла на изделия сложной конфигурации, малогабаритные детали сложной формы. Поэтому для износостойкой наплавки эффективно использовать плазма-МИГ процесс, который имеет ряд известных достоинств [4], в частности: малую глубину проплавления основного металла, что обеспечивает экономию наплавочного материала при высоком качестве покрытия. Следует отметить, что данный способ не требует различных способов последующей обработки наплавленного металла с целью повышения стабильности его свойств.
Износ при трении металла о металл при нормальных температурах происходит в подшипниках скольжения (коленчатые валы, оси, пальцы ковшовых цепей), а также при трении качения (крановые колеса, детали ходовой части гусеничных машин, скаты вагонеток и т.п.). В узле трения обычно присутствуют абразивные частицы: окалина, песок, руда, частицы наклепанного металла и др. На износостойкость трущейся пары влияет много факторов: соотношение твердости трущихся поверхностей, удельная нагрузка, концентрация и твердость абразива, микроструктура наплавленного слоя. Для наплавки деталей, работающих в этих условиях, чаще всего используют низколегированные стали типов А и В по классификации МИС (15Г2Х, 30ХГСА, 20Х2Г2М, 50Х5ФТ, ЗХ5Г2М), а в тех случаях, где рабочие поверхности подвержены большим контактным нагрузкам, -самоупрочняющиеся стали с нестабильным аустенитом и др. [5-7].
Была поставлена задача повысить технологические показатели плазма-МИГ процесса наплавки при обеспечении высоких показателей стойкости наплавленного металла к абразивному износу.
Цель работы - разработка порошковой проволоки, обеспечивающей при плазма-МИГ наплавке формирование рабочего слоя с высокой однородностью свойств, уменьшение глубины проплавления основного металла, ликвидацию дефектов в наплавленном металле, повышение его износостойкости.
В качестве базового состава использована порошковая проволока, в состав шихты которой входят: карбид кремния, кремнистая медь, ванадий - в виде азотированного ванадия при следующем соотношении компонентов, мае. %: хром 22 - 27; марганец 22 - 25; кремнистая медь 2-5;
* ПГТУ, канд. техн. наук, доц., докторант
азотированный ванадий 5-8; титан 7 - 10; карбид кремния 21 - 27. Коэффициент заполнения порошковой проволоки составлял 40 %.
Для улучшения качественных характеристик наплавленного слоя в состав шихты дополнительно введены бор фторид никеля и поташ.
Борфторид никеля улучшает растекаемость наплавленного металла на поверхности основного металла, так как фтористый бор хорошо отшлаковывывает окислы на поверхности основного металла. Кроме того, образующийся при распаде борфторида фтористый никель
№(ВР4)2 т°с >2ВР3 +№Е, (1)
легко вступает в обменные реакции с оксидами, находящимися на поверхности частиц порошка сердечника, переводя их во фториды и оксифториды, т.е. уводя их в шлак. Никель при этом переходит из фторида в оксид и легко восстанавливается углеродом и титаном, а также кремнием, марганцем. Переходя в наплавленный металл, никель легирует его, стабилизируя совместно с марганцем и азотом аустенитную структуру. Установлено, что при содержании борфторида никеля менее 4% - его влияние недостаточно, а при содержании более 7 % - увеличивается глубина проплавле-ния основного металла.
Поташ является источником легкоионизируемого калия в дуге, что повышает подвижность дуги, так как снижается градиент падения напряжения на дуге. Поташ при нагреве вылета электрода распадается с выделением углекислого газа и окиси калия. Углекислый газ совместно с фтористым бором выталкивает частицы шихты из оболочки порошковой проволоки. Окись калия снижает работу выхода электрода, что приводит к снижению энергии на катоде (наплавка идет на обратной полярности обеих дуг) и к уменьшению глубины проплавления основного металла. Окись калия реагирует с фтористым никелем, образующимся при распаде борфторида никеля.
К20 + ]Ч№2 —Т°С ) №0 + 2КБ. (2)
Образующийся фтористый калий имеет относительно низкую температуру плавления и способствует удалению шлаковых включений из наплавленного металла. Окись калия имеет также низкую температуру плавления и щелочную реакцию, благодаря чему она связывает окислы кремния, титана, марганца. Таким образом, поташ способствует удалению неметаллических включений из наплавленного металла. При содержании поташа менее 2 % - указанные эффекты не достигаются, а при содержании более 5 % - дальнейшего улучшения свойств порошковой проволоки не происходит.
Были изготовлены порошковые проволоки трубчатого сечения диаметром 2,8 мм следующих составов (табл. 1).
Таблица 1 - Составы опытных порошковых проволок трубчатого сечения
Компонент Содержание, мае. %
1 2 3 4
Хром 22 26 27 30
Марганец 25 24 22 20
Кремнистая медь 2 4 5 6
Азотированный ванадий 8 6 5 3
Титан 7 8 10 12
Карбид кремния 27 25 21 19
Бофторид никеля 7 4 5 3
Поташ 2 3 5 7
Для изготовления порошковой проволоки применялась стальная лента марки 08 КП сечением 0,5x16 мм.
Плазменная наплавка с аксиальной подачей порошковой проволоки выполнялась на следующем режиме:
Ток плазменной дуги, А 110
Напряжение плазменной дуги, В 52
Ток плавящегося электрода, А 510
Напряжение дуги плавящегося электрода, В 28 Расход аргона, л/мин:
- плазмообразующего 6
- защитного 14 Скорость наплавки, м/ч 56 Полярность обеих дуг обратная
Процесс наплавки протекал спокойно с минимальным разбрызгиванием, наблюдалось хорошее формирование наплавленного валика. Количество пор и площадь несплавлений определялись на рентгеновских снимках наплавленного валика. Глубина проплавления основного металла определялась как средняя величина пяти замеров на макрошлифах.
Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Результаты испытаний опытных порошковых проволок трубчатого сечения
Состав порошковой проволоки Относительная износостойкость Глубина проплавления, мм Количество шлаковых включений, шт/100 мм шва Относительная площадь наплывов, % к общей площади валика
1 3,8 0,8 Нет Нет
2 4Д 0,7 То же То же
3 4,2 0,9 -ц- -ц-
4 3,6 и 2 4
Разработанная порошковая проволока показала высокие технико-технологические показатели при наплавке. Считаем перспективным продолжить работу по разработке гаммы порошковых проволок, обеспечивающих высокую износостойкость наплавленного металла, учитывающих особенности различных разновидностей износа (гидроабразивного, газоабразивного, кавитационной эрозии, термической усталости), а также особенности плазма-МИГ процесса.
Выводы
1. Для упрочнения и восстановления быстроизнашивающихся деталей землеройных машин целесообразно использовать плазма-МИГ процесс с применением в качестве плавящегося электрода порошковой проволоки с наполнителем: хром 22 - 27 %; марганец 22 - 25 %; кремнистая медь 2-5 %; азотированный ванадий 5-8; титан 7-10 %; карбид кремния 21-27 %; борфторид никеля 4 - 7 %; поташ 2 - 5 %, при степени заполнения 40%. Оптимальный режим наплавки: ток плазменной дуги - 110 А, напряжение плазменной дуги - 52 В, ток плавящегося электрода - 510 А, напряжение дуги плавящегося электрода - 28 В, расход аргона (плазмообразующего - 6 л/мин, защитного - 14 л/мин), скорость наплавки - 56 м/ч при обратной полярности обеих дуг.
2. Установлено, что в состав порошковой проволоки, предназначенной для плазма-МИГ процесса, с целью упрочнения наплавленного металла необходимо вводить карбид кремния, который
является источником углерода и кремния в наплавленном металле. Карбид кремния остается частично в наплавленном металле в нерасплавленном виде и повышает его стойкость к абразивному износу. При содержании карбида кремния менее 21 % - его влияние недостаточно, а при содержании более 27 % - в наплавленном металле появляются трещины.
3. Исследования показали, что введение в состав шихты 5 - 8 % азотированного ванадия совместно с хромом повышает прочность наплавленного металла, увеличивая твердость и износостойкость наплавленного металла. Частично азотированный ванадий остается в наплавленном металле в твердом виде, что также повышает износостойкость наплавленного металла при абразивном износе.
4. Установлено, что для лучшего удаления неметаллических включений из наплавленного металла целесообразно в состав шихты плавящегося электрода вводить поташ в количестве 2-5 %.
Перечень ссылок
1. Гавриш В. А. О неоднородном износе наплавленного металла в условиях газоабразивного изнашивания / В.А. Гавриш, Ю.А. Юзвенко // Теоретические и технологические основы наплавки. Свойства и испытания наплавленного металла. - К.: ИЭС им. Е.О.Патона, 1979. - С.126-131.
2. Избирательный износ наплавленного заэвтектического хромистого сплава / В.В. Тарасов, П.Ф. Лаврик, В.Х. Мацука и др. II Сварочное производство. - 1976. - №9. - С.28-29.
3. Пацкевич И.Р. О химической макронеоднородности слоя, наплавленного порошковой лентой в углекислом газе / И.Р. Пацкевич, Л.А. Хейфец II Автоматическая сварка. - 1971. - №11. -С.66-67.
4. Чигарев В.В. Улучшение формирования наплавленного слоя при плазма-МИГ наплавке / В.В. Чигарев., К.А. Кондратов, H.A. Макаренко II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. на-ук.пр. - Мариуполь, 2000. - Вип.9. - С.153-155.
5. Богачев И.Н. Структура и свойства железомарганцевых сплавов / И.Н. Богачев, В. Ф. Еголаев. -М.: Металлургия, 1973. - 296 с.
6. Малинов Л.С. Перспективные экономнолегированные стали и чугуны с мартенситными превращениями и наплавочные материалы на их основе / Л.С. Малинов // Захист металурпйних машин вщ поломок: 1УПжвуз1вський тематичний зб1рник наукових праць №5: Mapivno.it.. 2000. -С238-245.
7. Новые экономнолегированные износостойкие стали на основе Fe-Mn-V-Cr с регулируемой структурой / Л.С. Малинов, Е.Я. Харланова, Г.А. Чикаленко и др. II Известия вузов. Черная металлургия. - 1986. - №6. - С.108-112.
Статья поступила 11.03.2004
