CC BY
74
Библиографический список
1. Матвеенко, И. В. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм / И. В. Матвеенко, А. З. Исагулов, А. А. Дайкер. — Алматы : Гылым (Наука), 1998. - 345 с.
2. Максимов, Е. В. Механизм уплотнения слоя дисперсных частиц и особенности взаимодействия теплоносителя с ними / Е. В. Максимов, А. З. Исагулов, В. Ю. Куликов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 80-летию Е. А. Буке-това, 23-24 марта 2005 г. - Караганда, 2005. - С. 422-429.
3. Гуляев, Б. Б. Формовочные процессы / Б. Б. Гуляев, О. А. Корнюшкин, А. В. Кузин. - Л. : Машиностроение, 1987. -264 с.
4. Исагулов, А. З. Влияние внутрипорового воздуха на напряжённое состояние дисперсной среды при статической нагрузке / А. З. Исагулов, В. П. Малышев, В. Ю. Куликов // Труды университета. Карагандинский гос. техн. ун-т. - 2004. -№ 3. - С. 34-36.
5. Исследование технологических характеристик дисперсных формовочных материалов / В. Ю. Куликов, Св. С. Квон, Е. П. Щербакова, Т. В. Ковалёва // Мок^аБ НеШуоБ А1еШБ. -2014. - № 6. - С. 640-642.
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор машиностроительного института, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: weld_techn@mail.ru. КУЛИКОВ Виталий Юрьевич, кандидат технических наук, доцент НА ККСОН (Республика Казахстан), заведующий кафедрой нанотехнологий и металлургии Карагандинского государственного технического университета. Адрес для переписки: mlpikm@mail.ru. КОВАЛЁВА Татьяна Викторовна, преподаватель кафедры нанотехнологий и металлургии Карагандинского государственного технического университета. Адрес для переписки: sagilit@mail.ru
Статья поступила в редакцию 10.09.2015 г. © Е. Н. Еремин, В. Ю. Куликов, Т. В. Ковалёва
УДК 62179192042 Е. Н. ЕРЕМИН
Т. А. ШЕВЕЛЕВА Ю. О. ФИЛИППОВ А. С. ЛОСЕВ С. А. БОРОДИХИН А. Е. МАТАЛАСОВА
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛА ЗУБЬЕВ ВЕНЦОВ, НАПЛАВЛЕННЫХ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ ПП-АН170
Приведены результаты исследования структуры и твердости наплавленного металла зубьев венцов при использовании полуавтоматической наплавки порошковой проволокой ПП-АН170 в сравнении с электродами Т-620. Предложены параметры режима термической обработки наплавленного металла. Показано, что структура наплавленного металла состоит из карбидных выделений, равномерно распределенных в мартенситной матрице с твердостью выше 60 HRC, что обеспечивает его повышенную износостойкость.
Ключевые слова: наплавка, зубья, порошковая проволока, твердость, структура, износостойкость.
В процессе эксплуатации детали ходовой части гусеничных машин работают в сложных условиях циклических нагрузок в окружении абразива, подвергаются значительному износу.
Наиболее изнашивающейся деталью, определяющей работоспособность гусеничного тягача, является ведущее колесо. Ведущее колесо выполняется
из ступицы и зубчатых венцов. Основную нагрузку от гусеницы воспринимают зубья венца. Именно они определяют износостойкость ведущего колеса в целом.
Для изготовления зубчатых венцов используется сталь 35ХН2МЛ, химический состав которой по ТУ-24-1-12-181-75 приведен в табл. 1.
Химический состав стали 35ХН2МЛ, %
Таблица 1
С Мп Сг N1 Мо
0,30-0,40 0,25-0,45 0,60-0,90 0,50-0,80 1,30-1,70 0,20-0,30
Таблица 2
Химический состав наплавленного металла, %
Металл С Сг В Т1 Б Мп
Требования ТУ 0,5-0,9 18-23 2,7-3,6 0,1-0,5 <1,0 <1,0
После наплавки 0,79 19,05 3,2 0,3 0,6 0,9
Рис. 1. Микроструктура наплавленного металла, х320
Рис. 2. Структура поверхностной зоны наплавленного металла, х150
Твердость стали после закалки (охлаждение в водном растворе глицерина) и низкого отпуска составляет 40 — 56 НИС, что не обеспечивает высокой износостойкости зубьев. Замена этих деталей при ремонте требует больших капиталовложений.
Одним из способов повышения ресурса деталей является их наплавка износостойкими материалами [1—5]. Для упрочнения таких деталей рекомендуется ручная дуговая наплавка электродами Т-620 (ЭН — У30Х23РС2ТГ) [6]. Производительность при этом низкая — до 1,5 кг наплавленного металла в час.
Более приемлемой представляется технология механизированной наплавки самозащитной порошковой проволокой ПП-АН170 (70Х20Р3Т) с колебанием электрода на всю ширину зуба [7]. В то же время структура и свойства металла, наплавленного этой проволокой, изучены недостаточно, что и послужило целью выполнения данной работы.
Наплавка осуществлялась полуавтоматом А-765. При наплавке варьировался ток, напряжение, расстояние от электрода до изделия. Установлено, что устойчивое горение дуги и хорошее формирование наплавленного металла имеет место при токе 300 — 340 А, напряжение 32 — 34 В, скорость подачи проволоки 80 м/час, скорость наплавки 18 м/час. Производительность наплавки составила 3,5 — 5 кг/час.
Наплавка зуба венца при требуемой толщине слоя не менее 7 мм может осуществляться за 1 или 2 слоя. При разработке схемы наплавки было опробовано несколько вариантов ведения электрода.
Наилучшие результаты получены при двухслойной наплавке.
В табл. 2 приведен химический состав металла, наплавленного порошковой проволокой марки ПП-АН170 согласно ТУ и по опытным данным.
Оптимальная износостойкость наплавленного металла обеспечивается количеством и формой карбидов в эвтектике, их твердостью, а также твердостью основной матрицы.
Микроструктура наплавленного металла при наплавке как в один, так и в два слоя, идентична и состоит из карбидных выделений, эвтектики и а-твердого раствора (рис. 1).
В поверхностной зоне наплавки образуется, по-видимому, скрыто игольчатый мартенсит Иц = 780, 5-феррит, троостит и карбидная фаза (рис. 2).
Для зоны наплавки характерна структурная неоднородность в зависимости от места расположения исследуемого участка по отношению к границе сплавления. В результате самоотпуска в областях, расположенных вблизи границы сплавления, выявляются феррито-цементитные структуры разной дисперсности.
В металле наплавки присутствуют сложнолеги-рованные карбиды типа: (Сг,Бе)23С6, Ме7С3, МеС. Возможно наличие карбонитридов и интерметалли-дов типа фаз Лавеса (Бе2Ме).
Эта структура значительно отличается от структуры наплавки электродами Т-620 составом, формой, размерами и количеством карбидной фазы, а также матрицей (у наплавок электродом Т-620 матрица ледебуритная).
Рис. 3. Граница сплавления после наплавки, х320
Таблица 3
Твердость наплавленного металла после отпуска (HRC)
№ Вид ПП-АН170 Т-620
термообработки 1 слой 2 слой
1 Без 66 64
термообработки
2 Отпуск 250 °С 62 61
3 Отпуск 400 °С 61 60 > 62,0
4 Отпуск 500 °С 64 65
5 Отпуск 550 °С 66 67
6 Отпуск 600 °С 62 61
Микроструктура в зоне термического влияния (ЗТВ) у линии сплавления состоит из среднеиголь-чатого мартенсита (рис. 3). В структуре хорошо видны дендриты, направленные перпендикулярно к линии сплавления, что указывает на наличие градиента температуры в процессе охлаждения детали в указанном направлении.
Вдали от линии сплавления микроструктура представляет собой сорбит с мелкими выделениями феррита. Структура ЗТВ — троостомартенсит. Глубина и твердость этой зоны зависит от параметров термического цикла. При оптимальном термическом цикле глубина ЗТВ составляет около 6 мм.
Мартенсит, образующийся в ЗТВ, увеличивает хрупкость наплавленных деталей, снижая их прочность. Устранить эту хрупкость можно за счет отпуска, при котором происходит распад мартенсита и превращение его в более пластичную фазу. В связи с этим, было необходимо изучить, как влияет режим отпуска (время выдержки и температура нагрева) на структуру и твердость основного и наплавленного металла. Результаты исследований показали, что распад мартенсита начинается при 250 °С, а при температуре выше 600 °С твердость наплавленного металла снижается. При исследовании микроструктуры металла наплавленных образцов установлено, что распад мартенсита по всей глубине ЗТВ достигается при нагреве этих деталей в течение 2 ч. Поэтому исследовали влияние на твердость наплавленного металла следующих параметров режима отпуска: время выдержки 2 ч, интервал температур нагрева 250 °С, 400 °С, 500 °С, 550 °С, 600 °С.
Измерения проводились на темплетах на расстоянии 3 мм от поверхности наплавки (табл. 3).
Рис. 4. Микроструктура наплавленного металла после высокого отпуска, х320
Из табл. 3 видно, что при повышении температуры отпуска до 400 °С твердость наплавленного металла плавно уменьшается, при 500 — 550 °С резко возрастает и достигает максимальных значений, а затем при 600 °С резко снижается. Помимо твердости наплавленного металла измеряли микротвердость матрицы и карбидов (при нагрузке 0,5 Н). Твердости карбидов равна ~ 1400 ед. при всех температурах отпуска. Изменение микротвердости матрицы в зависимости от температуры отпуска аналогично изменению твердости наплавленного слоя. Из этого следует, что характер изменения твердости наплавленного металла определяется твердостью матрицы.
Была изучена микроструктура наплавленного металла после высокого отпуска (рис. 4). В зоне наплавки обнаруживается феррито-цементитная смесь разной дисперсности (троостит, сорбит) и карбиды. Для структуры данного образца после высокого отпуска в отличие от структуры образца после наплавки, характерна более однородная микроструктура и отсутствие грубых структурных образований. На свойства отпущенной стали большое влияние оказывает карбидная фаза. Наличие в ней карбидообразующих элементов способствует сложному перераспределению углерода в твердом растворе стали с повышением температуры отпуска. Наблюдается их коагуляция. Вероятно, часть слож-нолегированных карбидов может диссоциировать: Ме3С ^Ме2С Ме23С6 ^Ме6С и т.д. [8]. Наличие таких дисперсных фаз упрочняет наплавленный слой, несмотря на общие процессы разупрочнения, идущие при высоком отпуске [9].
Измерение твердости исходной стали после наплавки и после высокого отпуска показало, что значения твердости в обоих случаях примерно одинаковы и составляет 50 — 55 ИИС.
Вероятно, наличие высокой твердости в первом случае обусловлено структурой, полученной в процессе закалки при наплавке на воздухе. В образцах стали после отпуска высокие значения твердости обусловлены процессом вторичного твердения.
По-видимому, в определенном интервале температур отпуска реализуется явление дисперсионного твердения матрицы в результате частичного распада твердого раствора и выделения дисперсных частиц — карбидов [10].
Однако, как уже отмечалось, прочность деталей определяется пластическими свойствами металла ЗТВ. Поэтому, одновременно с исследованиями
Рис. 5. Граница сплавления после высокого отпуска, х320
Рис. 6. Микроструктура стали 35ХН2МЛ после высокого отпуска, х320
изменения зависимости твердости наплавленного металла от температуры отпуска, исследовали изменение твердости и микроструктуры металла ЗТВ. Установлено, что при 500-550 °С твердость металла ЗТВ составляет НВ 280-420, что значительно меньше твердости металла ЗТВ непосредственно после наплавки (НВ 360-480), и примерно равна твердости троостосорбита. Это подтверждается исследованием микроструктуры металла ЗТВ, которая после такого высокого отпуска представляет собой троостосорбит.
На границе сплавления образцов после высокого отпуска грубых дендритов не наблюдается (рис. 5).
Обнаружен плавный переход из наплавленной зоны в матрицу. Матрица стали 35ХН2МЛ после высокого отпуска имеет структуру сорбита (рис. 6).
Твердость матрицы составляет 29 НЯС. Полученные результаты свидетельствуют о том, что температура высокого отпуска 500-550 °С и выдержка 2 часа оптимальны.
Результаты проведенных исследований показали, что проведение высокого отпуска может оказать положительное влияние на износостойкость металла, наплавленного проволокой ПП-АН170, как за счет получения дисперсных карбидов, более однородной структуры слоя, так и в результате «упрочнения» (устранение грубых дендритов) границы сплавления и смягчения матрицы — стали 35ХН2МЛ.
По результатам исследований предложена новая технология наплавки зубьев венцов ведущих колес гусеничных машин.
Библиографический список
1. Еремин, Е. Н. Износостойкая наплавка ножей горячей резки металлопроката [Текст] / Е. Н. Еремин, Ю. О. Филиппов, Д. Г. Покровский [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008. - № 4.- С. 17-19.
2. Пат. 2356714 Российская Федерация, МПК В23К 35/368. Порошковая проволока [Текст] / Еремин Е. Н., Еремин А. Е., Филиппов Ю. О., Лосев А. С. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2007107746/02 ; заявл. 01.03.2007 ; опубл. 27.05.2009, Бюл. № 15. - 6 с.
3. Пат. 2429957 Российская Федерация, МПК В23К 35/368. Порошковая проволока [Текст] / Лосев А. С., Еремин Е. Н., Мухин В. Ф. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2010113168/02 ; заявл. 05.04.2010 ; опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27. - 5 с.
4. Пат. 2467854 Российская Федерация, МПК В23К 35/368. Порошковая проволока [Текст] / Еремин Е. Н., Лосев А. С. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. -№ 2011137912/02 ; заявл. 14.09.2011 ; опубл. 27.11.2012, Бюл.
№ 33. - 5 с.
5. Пат. 2514754 Российская Федерация, МПК В23К 35/368. Порошковая проволока [Текст] / Еремин Е. Н., Лосев А. С., Еремин А. Е., Маталасова А. Е. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2012136317/02 ; заявл. 22.08.2012 ; опубл. 10.05.2014, Бюл. № 13. - 10 с.
6. Рябцев, И. А. Наплавка деталей машин и механизмов [Текст] / И. А. Рябцев. - Киев : Екотехнология, 2004. - 160 с.
7. Юзвенко, Ю. А. Порошковые проволоки для наплавки [Текст] / Ю. А. Юзвенко // Автоматическая сварка. - 1972. -№ 5. - С. 67-71.
8. Еремин, Е. Н. Центробежное электрошлаковое литье фланцевых заготовок с применением инокулирующего модифицирования [Текст] / Е. Н. Еремин, С. Н. Жеребцов // Современная электрометаллургия. - 2004. - № 3. - С. 15.
9. Геллер, Ю. А. Инструментальные стали [Текст] / Ю. А. Геллер. - М. : Металлургия, 1983. - 527 с.
10. Еремин, Е. Н. Влияние боридных соединений на структуру и свойства мартенситно-стареющей штамповой стали, наплавленной порошковой проволокой [Текст] / Е. Н. Еремин, А. С. Лосев // Сварка и диагностика. - 2013. - № 3.- С. 32-35.
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор машиностроительного института, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения. ШЕВЕЛЕВА Татьяна Анатольевна, магистрант гр. СПМ-613 факультета элитного образования и магистратуры.
ФИЛИППОВ Юрий Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения и материаловедения.
ЛОСЕВ Александр Сергеевич, старший преподаватель кафедры машиностроения и материаловедения.
БОРОДИХИН Сергей Александрович, магистрант гр. СПМ-515 факультета элитного образования и магистратуры.
МАТАЛАСОВА Арина Евгеньевна, студентка гр. С-313 машиностроительного института. Адрес для переписки: "мгеЫ_1есЬп@таД.га
Статья поступила в редакцию 07.08.2015 г. © Е. Н. Еремин, Т. А. Шевелева, Ю. О. Филиппов, А. С. Лосев, С. А. Бородихин, А. Е. Маталасова
