CC BY
29
МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.791:624
А.А. Усольцев, Н.В. Кибко, Н.А. Козырев, Л.П. Бащенко, А.И. Гусев Сибирский государственный индустриальный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА, НАПЛАВЛЕННОГО ПОРОШКОВЫМИ
ПРОВОЛОКАМИ СИСТЕМЫ Fe - C - Si - Mn - Cr - Ni - Mo
Износ рабочих поверхностей механизмов машин горного оборудования в результате абразивного и ударного изнашивания при эксплуатации вызывает необходимость проведения восстановления. Наиболее перспективным процессом является восстановление с использованием наплавки порошковой проволокой. Для этого в нашей стране и за рубежом ведется разработка и изготовление специальных наплавочных материалов и порошковых проволок [1 -9]. Благодаря оптимально подобранному способу легирования наплавленные покрытия обладают высокими твердостью, абразивной и ударно-абразивной износостойкостью. Широкое распространение для наплавки абразивно-изнашивающихся изделий получили наплавочные проволоки систем Бе - С - - Мп - Сг -N1 - Мо типа А и В по классификации МИС [10]. В настоящей работе продолжены начатые ранее исследования по разработке новых составов порошковых проволок для наплавки на изделия, работающие в условиях абразивного износа в горнорудной промышленности [11 - 14].
Изготовление проволоки проводили на лабораторной машине. Диаметр изготовленной проволоки 5 мм, оболочка выполнена из ленты стали марки Ст3. В качестве наполнителя использовали соответствующие порошкообразные материалы: порошок железа марки ПЖВ1 по ГОСТ 9849 - 86, порошок ферросилиция
Состав шихты ]
марки ФС 75 по ГОСТ 1415 - 93, порошок высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ900А по ГОСТ 4757 - 91, порошок углеродистого ферромарганца ФМн 78(А) по ГОСТ 4755 - 91, порошок никеля ПНК-1Л5 по ГОСТ 9722 - 97, порошок ферромолибдена марки ФМо60 по ГОСТ 4759 - 91, порошок кобальта ПК-1У по ГОСТ 9721 - 79, порошок вольфрама ПВ-1 ТУ 14-22-143 - 2000. В качестве углеродсодержа-щего компонента использовали пыль газоочистки алюминиевого производства следующего химического состава: 21 - 46,23 % А1203; 18 - 27 % Б; 8 - 15 % №20; 0,4 - 6,0 % К20; 0,7 - 2,3 % СаО; 0,5 - 2,48 % 8102; 2,1 - 3,27 % Бе20з; 12,5 - 30,2 % Собщ; 0,07 - 0,90 % МпО; 0,06 - 0,90 Ме0; 0,09 - 0,19 % 8; 0,10 - 0,18 % Р (по массе). Состав шихты порошковых проволок представлен в табл. 1.
Наплавку изготовленной проволокой проводили под флюсом АН-26С на пластины из стали марки Ст3 в пять слоев при помощи сварочного трактора ASAW-1250. Режим наплавки: I = 450 А, и = 30 В, V = 10 см/мин.
Образцы для проведения исследований макро- и микроструктуры, твердости, износостойкости были подготовлены по методике, включающей вырезку образцов на отрезном станке КК5 315L, шлифование на плоскошлифовальном станке 3Д725, полирование на полировальном станке FROMMIA 835 SE.
Т а б л и ц а 1
:<жы\ проволок
Порошкообразный материал Содержание, %, в образце
1Г22 2Г23 3Г24
Ферросилиций ФС 75 2,50 2,50 2,50
Ферромарганец ФМн 3,13 3,13 3,13
Феррохром ФХ900А 15,64 15,63 15,64
Никель ПНК-1Л5 0,94 0,94 0,94
Ферромолибден ФМо60 1,56 1,56 1,56
Кобальт ПК-1У 0 0 0,94
Вольфрам ПВ-1 0 18,76 0
Углеродсодержащий компонент 6,45 6,44 6,45
Порошок железа марки ПЖВ1 69,77 51,03 68,84
Химический состав наплавленных слоев определяли по ГОСТ 10543 - 98 рентгенофлю-оресцентным методом на спектрометре XRF-1800 и атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-71. Химический состав наплавленных слоев, полученных с использованием порошковых проволок, приведен в табл. 2. Твердость наплавленных слоев измеряли с помощью твердомера МЕТ-ДУ.
Испытания на износостойкость проводили по методу, основанном на измерении массы образца до и после износа. Износ образцов осуществляли на машине 2070 СМТ-1, характеристики которой: погрешность измерителя частоты вращения вала нижнего образца ± 3 %, предел допускаемого значения среднего квадратичного отклонения случайной составляющей приведенной погрешности измерителя момента трения в режиме статического нагру-жения 1 %. Испытания проводили при режиме: нагрузка 30 мА (78,4 Н), частота 20 об/мин, нагружение образцов проводили с помощью пружинного механизма, частоту вращения измеряли с помощью тахогенератора на валу двигателя, а число оборотов - с помощью бесконтактного датчика. В процессе испытания образец взаимодействовал с колодкой, изготовленной из стали типа Р18. В табл. 2 приведены результаты испытаний.
Металлографический анализ верхнего наплавленного слоя проводили с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51 с автоматическим структурным анализатором «EPIQUANT» в светлом поле (диапазон увеличений 100 - 1000) после травления в спиртовом растворе азотной кислоты. Величину зерна определяли по ГОСТ 5639 - 82 при увеличении 100 методом сравнения с эталонными шкалами. Определение размера игл мартенсита и балла мартенсита проводили согласно ГОСТ 8233 - 56 (увеличение 1000), используя программное обеспечение микроскопа, пакет прикладных программ для металлографических исследований SiamsPhotolab 700 методом сравнения с эталонными шкалами. Исследования продольных образцов наплавленного слоя на наличие неметаллических включений осуществляли в соответствии с ГОСТ 1778 - 70 (увеличение 100) методом сравнения с эталонными шкалами.
Металлографические исследования показали, что микроструктура слоев, наплавленных порошковыми проволоками, представляет собой мелко- и среднеигольчатый мартенсит и тонкие прослойки 5-феррита, располагающегося по границам бывших зерен аустенита. Структура слоев, наплавленных порошковыми
проволоками, представлена на рис. 1, характеристики структуры приведены в табл. 3.
Установлено, что введение в состав шихты проволоки порошков вольфрама и кобальта способствует незначительному измельчению игл мартенсита и уменьшению величины первичного зерна аустенита.
В результате оценки загрязненности наплавленного слоя неметаллическими включениями установлено присутствие оксидных неметаллических включений, в частности силикатов недеформирующихся и оксидов точечных (табл. 3). Показано, что изменение химического состава практически не оказывает влияния на степень загрязненности наплавленного металла неметаллическими включениями. Для всех наплавленных слоев отмечена незначительная загрязненность оксидами точечными и силикатами недеформирующимися.
При исследовании влияния использования вольфрама и кобальта на свойства наплавленного слоя установлено, что введение вольфрама в состав шихты проволоки повышает твердость наплавленного металла, однако при этом снижается износостойкость. Это, по-видимому, связано с высокопрочной твердой мартенситной матрицей, в которую «вмонтированы» более твердые карбиды вольфрама. Низкая вязкость матрицы не позволяет удерживать на поверхности карбиды вольфрама, в результате чего износ осуществляется не по схеме равномерного истирания поверхности, а по схеме выкрашивания высокопрочных частиц карбидов из матрицы. В результате в матрице образуются дополнительные трещины, способствующие ускорению ее износа.
Введение кобальта в состав шихты проволоки не оказывает заметного влияния на твердость и абразивный износ наплавленного слоя, что связано с получением более вязкой, но менее твердой матрицы. В случае отсутствия твердых частиц карбидов, вмонтированных в матрицу, эффект от введения кобальта отрицательный.
Анализ результатов определения твердости наплавленных слоев и испытания на износостойкость показали, что преобладающее влияние на исследуемые характеристики оказывают содержания хрома (рис. 2) и вольфрама (рис. 3).
Статистическая обработка полученных результатов позволила получить следующие регрессионные зависимости HRC и потери масс при износе (V - скорости износа):
HRC = 50,188 - 2,1360- + 1,38Г№ (Я2 = 0,989);
Т а б л и ц а 2
Химический состав, износ и твердость наплавленных слоев
Образец Содержание, %, элементов ИЯС Износ, г/об
С 81 Мп Сг N1 Мо В W Со А1 Си Т1 8 Р
1Г22 0,23 0,65 0,94 3,86 0,27 0,41 0,001 0,04 0,014 0,04 0,07 0,001 0,037 0,025 41 - 43 0,000033
2Г23 0,28 0,61 0,93 3,57 0,27 0,39 0,001 4,66 0,02 0,02 0,07 0,001 0,044 0,023 48 - 50 0,000065
3Г24 0,20 0,78 1,01 4,12 0,26 0,37 0,001 0,08 0,19 0,03 0,07 0,001 0,042 0,019 40 - 43 0,000030
Рис. 1. Микроструктура слоев, наплавленных исследуемыми порошковыми проволоками а, б - образец 1Г22; в, г - образец 2Г23; д, е - образец 3Г24
V = 0,0000809 - 0,000012Сг + 0,000006,14W (Я2 = 0,998).
Выводы. Проведен металлографический анализ наплавленных слоев, полученных при использовании порошковых проволок системы Бе - С - - Мп - Сг - N1 - Мо с дополнительным введением в состав кобальта и вольфрама. Установлено, что структурными составляющими всех наплавленных слоев являются мелко- и среднеигольчатый мартенсит, тонкие
прослойки 5-феррита, располагающегося по границам бывших зерен аустенита. Введение в состав шихты проволоки порошков вольфрама и кобальта способствует незначительному измельчению игл мартенсита и уменьшению величины первичного зерна аустенита. Проведена оценка загрязненности наплавленных слоев неметаллическими включениями. Установлено присутствие в наплавленном металле силикатов недеформирующихся и оксидов точечных. Введение в состав шихты проволоки вольфра-
Т а б л и ц а 3
Характеристики неметаллических включений и структуры исследуемых образцов
Образец Загрязненность неметаллическими включениями, балл Величина зерна Размер игл
силикаты недеформирующиеся (хрупкие) оксиды точеные аустенита, номер мартенсита, мкм
1Г22 1б, 2б 1 а 6 6 - 10
2Г23 1б, 2б 1 а 6, 7 4 - 8
3Г24 2б, 2а 1 а 6, 7 3 - 9
Рис. 2. Влияние содержания хрома на твердость наплавленных слоев (а) и потерю массы при износе (б)
Содержание вольфрама, %
Содержание вольфрама. %
Рис. 3. Влияние содержания вольфрама на твердость
ма или кобальта практически не оказывает влияния на степень загрязненности наплавленного слоя неметаллическими включениями.
наплавленных слоев (а) и потерю массы при износе (б)
Отмечена незначительная загрязненность оксидными неметаллическими включениями наплавленного металла. Предложен механизм,
описывающий износ при использовании вольфрама и кобальта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Azzoni M. Directions and developments in the types of hard phases to be applied in abrase deposits against abrasion // Weldlnter-national. 2009. Vol. 23. P. 706 - 716.
2. Klimpel A., Dobrzanski LA, Janicki D, Lisiecki A. Abrasion resistance of GMA metal cored wires surfaced deposits // Materials Processing Technology. 2005. Vol. 164-165. P.1056 - 1061.
3. Тепляшин М.В., Комков В.Г. Исследование влияния легирующих элементов на износостойкость в сплавах, предназначенных для электрошлаковой наплавки бил молотковых мельниц // Электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ». 2013. Т. 4. № 4. С. 1554 - 1561.
4. Тепляшин М.В., Комков В.Г., Стариенко
B.А. Разработка экономнолегированного сплава для восстановления бил молотковых мельниц // Электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ». 2013. Т. 4. № 4. С. 1543 - 1549.
5. Чейлях Я.А., Чигарев В.В. Разработка состава экономнолегированной Fe - Cr - Mn стали с регулированием содержания и ме-тастабильности аустенита // Вестник Приазовского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2011. № 22. С. 103 - 108.
6. Kejzar R., J. Grum. Hardfacing of Wear-Resistant Deposits by MAG Welding with a Flux-Cored Wire Having Graphite in Its Filling // Welding International. 2005. Vol. 20. P. 961 - 976.
7. Ma H.R., Chen X.Y., Li J.W., Chang
C.T., Wang G., Li H., Wang X.M., Li R.W. Fe-based amorphous coating with high corrosion and wear resistance // Surface Engineering. 2016. Vol. 46. P. 1 - 7.
8. Filippov M.A., Shumyakov V.I., Balin S.A., Zhilin A.S., Lehchilo V.V., Rimer G.A.
Structure and wear resistance of deposited alloys based on metastable chromium-carbon austenite // Welding International. 2015. Vol. 29. P. 819 - 822.
9. Liu D.S., Liu R.P., Wei Y.H. Influence of tungsten on microstructure and wear resistance of iron base hardfacing alloy // Materials Science and Technology. 2013. Vol. 30. P.316 - 322.
10. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б.Е. Патона. - М.: Металлургия, 1974. - 768 с.
11. Gusev A.I., Kibko N.V., Kozyrev N.A., Popova M.V., Osetkovsky I.V. A study on the properties of the deposited metal by flux cored wires 40GMFR and 40H3G2MF // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 150. Р. 1 - 9.
12. Гусев А.И., Кибко Н.В., Попова М.В., Козырев Н.А., Осетковский И.В. Структура и свойства наплавленных слоев, полученных с применением порошковых проволок 40ГМФР и 40Х3Г2МФ. - В кн.: Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии: Сб. научн. тр. Вып. 36. -Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2016. С. 174 -181.
13. Гусев А.И., Козырев НА., Кибко Н.В., Попова М.В., Крюков Р.Е. Изучение структуры и свойств металла, наплавленного порошковой проволокой системы Fe - C - Si - Mn - Cr - Mo - Ni - V - Co // Актуальные проблемы в машиностроении. 2017. Т. 4. № 2. С. 113 - 119.
14. Гусев А.И., Кибко Н.В., Попова М.В., Козырев Н.А., Осетковский И.В. Наплавка порошковыми проволоками C - Si - Mn -Mo - V - B и C - Si - Mn - Cr - Mo - V деталей горнорудного оборудования // Изв. вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 4. С. 318 - 323.
© 2018 г. А.А. Усольцев, Н.В. Кибко, Н.А. Козырев, Л.П. Бащенко, А.И. Гусев Поступила 16 февраля 2018 г.
