CC BY
34
УДИ621.791.92.04 д С ЛОСЕВ
Е. Н. ЕРЁМИН Г. П. РУМЯНЦЕВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ НАПЛАВЛЕННОГО МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩЕГО МЕТАЛЛА С КОМПОЗИЦИОННОЙ СТРУКТУРОЙ
Приведены результаты исследования термической стойкости мартенситно-стареющей стали Ре-№-Мо-Сг-У-£-И- А1 с композиционной структурой, содержащей соединения бора. Проанализирована роль боридов в повышении термостойкости наплавленного металла. Ключевые слова: наплавленный металл; мартенситно-стареющая сталь; бориды; усталостная прочность; термостойкость.
Изготовление деталей методами горячей пластической деформации получило широкое распространение в крупносерийном и массовом производстве. Это объясняется, в первую очередь, более рациональным использованием металла заготовки, чем в случае механической обработки, а также высокой производительностью процесса за счет его автоматизации, что в конечном итоге снижает себестоимость изделия. С усложнением условий деформирования, в частности, в связи с более широким применением выдавливания, накатки и вырубки более твёрдых металлов, а также вытяжки с большой скоростью, протекающей в условиях повышенных давлений и нагрева, значительно возросли требования, предъявляемые к работоспособности пггампового инструмента. Одним из важнейших показателей, определяющих срок службы штампов и оснастки для горячей обработки металлов давлением, является термическая стойкость или стойкость против образования трещин разгара [1,2].
В настоящее время наиболее технологичным способом повышения работоспособности иггампового инструмента является восстановительная наплавка с применением материалов, обеспечивающих получение наплавленного металла с эффектом вторичного твердения (мартенситно-стареющие и дисперсионно-твердеющие стали) [2 — 5]. Наплавленный металл, полученный данными материалами, в исходном состоянии имеет относительно низкую твердость, что даёт выполнить механическую обработку режущим инструментом даже при сложной гравюре штампа. После соответствующей термической обработки (старения) у металла повышаются прочностные характеристики за счет выделения в нем карбидных и интерметаллидных упрочняющих фаз. Наплавочные материалы с эффектом вторичного твердения по эксплуатационным свойствам значительно превосходят инструментальных теплостойкие стали, но в большинстве случаев данные материалы легированы дефицитными дорогостоящими элементами (кобальтом, вольфрамом), общее содержание которых достигает 20%, что обусловливает их высокую стоимость и ограничивает их применение.
Новые перспективы для разработки износостойких наплавочных материалов, в которых удачно сочетаются прочность, пластичность и вязкость, открывает
переход к получению наплавленного металла с композиционной структурой, состоящего из мягкой матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу [6, 7].
В работе [8] установлено, что введение в эконо-мнолегированную мартенситно-стареющую сталь тугоплавких соединений бора способствует получению композиционной структуры, состоящей из же-лезоникелевого мартенсита и карбоборидной эвтектики, располагающеюся в виде каркаса («скелета»). Наплавленный металл с такой композиционной структурой обладает высокой прочность и износостойкость по сравнению с мартенситно-стареющей сталью без боридов, однако оценка термической усталости данного материала не производилась.
В данной работе приведены результаты исследования влияния тугоплавких соединений бора (В4С, TiB2, ZrB2) на термостойкость мартенситно-стареющей стали ОН 1ЗМ5Х4ФСТЮ полученной наплавкой. Многослойную наплавку на пластины, из стали СтЗ размерами 200х50х 10 мм, осуществляли порошковыми проволоками диаметром 2,4 мм в среде инертного газа на следующих режимах: ток 300 А, напряжение 24...26 В, скорость наплавки 20 м/ч. Металлографические исследования наплавленного металла осуществляли с помощью оптического микроскопа Olympus GX-41. Электронно-микроскопические исследования проводили на фольгах с использованием просвечивающего электронного микроскопа ЭМВ — ЮОП.Дюро-метрические испытания проводили с помощью твердомера Wolpert Group 402MVD (нагрузка Р = 100 г, шаг 0,25 мм) по методу Виккерса.
Для оценки влияние боридов на термостойкость мартенситно-стареющей стали была разработана методика, по которой, из наплавленного металла изготавливался испытуемый образец размером 20х1Ох 10 мм и фиксировался в специальной оправке, таким образом, чтобы соприкасаться с головкой термопары. Чередование циклов нагрев — охлаждение осуществляли поворотом оправки с образцом на соответствующую позицию. Нагрев образцов осуществлялся про-пановой горелкой до температуры 725 "С (± 25 °С), а охлаждение — водой посредством распыления из форсунки дотемпературы 50 °С (± 10°С). Температура разогрева образцов фиксировалась потенциометром
а) б)
Рис. 2. Наплавленный металл 0Н13М5Х4СФТЮ с боридами после 50 теплосмен: а — поверхность образца; б — глубина залегания и форма трещин
Термодат — 10КЗ/1УВ/2Р. Включение пропановой горелки и устройства охлаждения осуществлялось вручную. За критерий оценки термостойкости принималось число теплосмен до появления первой видимой трещины, при этом определяли число циклов до тре-щинообразования по среднему значению для трех образцов одного состава. Кроме этого изучалась поверхность образцов после 50 теплосмен для определения характера развития термических трещин. Перед испытанием образцы наплавленного металла подвергались старению при температуре 500 °С в течение 2 часа.
В результате испытаний на термостойкость образцы стали 0Н13М5Х4ФСТЮ без и с боридами до появления первой трещины выдержали 20 и 34 теплосмены соответственно. Необходимо отметить, что на образцах стали ОН 1ЗМ5Х4ФСТЮ после 4 — 7 теплосмен после появления первой разгарной трещины, начинает развиваться сетка разгара, которая после 50 теплосмен охватывает всю поверхность образцов (рис. 1а). Как видно из (рис. 16) разгарные трещины на этих образцах характеризуются большими размерами и глубиной залегания. На поверхности образцов стали ОН 1ЗМ5Х4ФСТЮ с боридами даже после 50 теплосмен отсутствует сетка разгара, а разгарные трещины характеризуются относительно небольшой протяженностью (рис. 2).
Для выявления таких различий в теплостойкости в исследуемых образцах проведены металлографические исследования. Проведенные исследования показали, что наплавленный металл ОН 1ЗМ5Х4ФСТЮ
перед испытанием на термостойкость (после старения при 500 °С в течение 2 часа) имеет структуру безуглеродистого пакетного мартенсита, упрочненного интерметаллидными фазами (Р^Тл, №.,А1 и Ре2Мо) и обладает твердостью 485+527 НУ (рис. За). После испытания на термостойкость твердость такой стали снижается до 251+273 НУ, а структура металла представляет собой тростомартенсит с включениями ¿-феррита (рис. 36). Такие изменения структуры и твердости стали ОН 13М5Х4ФСТЮ можно объяснить тем, что в условиях циклически изменяющейся температуры от 50 до 725 °С, происходит коагуляция упрочняющих интерметаллидных фаз до размеров от 110 до 250 нм за счет растворения более мелких частиц, что приводит к расслоению твердого раствора с образованием зон ¿-феррита. Помимо процесса коагуляции упрочняющих фаз, увеличивается среднее расстояние между частицами, нарушается их когерентная связь с матрицей, что в общем случае приводит к снижению прочности и твердости стали. Все выше сказанное подтверждают проведенные электронно-микроско-пические исследования (рис. Зв). По-видимому, одной из главных причин приводящей к резкому снижению сопротивляемости образования и развитию трещин разгара наплавленного металла ОН 1ЗМ5Х4ФСТЮ после 20 теплосмен является появление включений 5-феррита по границам мартенситной матрицы.
Наплавленный металл ОН 1ЗМ5Х4ФСТЮ с борида-ми перед испытаниями на термостойкость обладает твердостью 661+693 НУ и имеет структуру твердого раствора железо-никелевого мартенсита, упрочненного
а)
6)
Рис. 4. Структура наплавленного металла 0Н13М5Х4СФТЮ с боридами: а) перед испытаниями на термостойкость; 6) после испытаний на термостойкость
карбоборидами и интерметаллидами (Ме23(С,В)6, Ме7(С,В). №3Т1 и Ре2Мо), и грубой карбоборидной эвтектикой, имеющей скелетный характер, так называемый эвтектики ванадиевого типа (рис. 4а).
После испытания на термостойкость структура такой стали осталась неизменной, но твердость металла снизилась до 447+463 НУ (рис. 46). Снижение твердости стали с боридами можно связать с разупрочнением железо-никелевой матрицы, а именно с процессами коагуляции упрочняющих фаз. Однако в этом случае диффузионные процессы, вследствие присутствия труднорастворимых карбоборидных фаз и кар-боборидной эвтектики, протекают значительно медленнее, и твердость наплавленного металла остается на достаточно высоком уровне. Кроме того, замкнутый характер карбоборидной эвтектика ограничивает развитие разгарных трещин, что и определяет высокую термостойкость наплавленного металла ОН 1ЗМ5Х4ФСТЮ с боридами.
Таким образом, введение боридов (В4С, Т1В2, !£гВ2) в мартенситно-стареющую сталь ОН 1ЗМ5Х4ФСТЮ, позволяют значительно повысить ее сопротивляемость образованию и развитию трещин разгара. Применение данной стали, в качестве наплавочного материала, позволит существенно повысить работоспособность ^ штампов и узлов металлургического оборудования, ^ работающих в условиях многократно изменяющихся § температур.
X X
Э
< Библиографический список
X
х 1. Гурьев, А. М. Новые материалы и технологии для литых
2 штампов / А. М. Гурьев. - Барнаул: Изд-во АлГТУ, 2000. - 216 с. о 2. Соколов, Г. Н. Наплавка износостойких сплавов на прес-
X
3 совые штампы и инструмент для горячего деформирования сталей / | Г. Н. Соколов, В. И. Лысак. - Волгоград: ВолгГТУ, 2005. - 284 с.
3. Ерёмин, Е. Н. Повышение износостойкости ножей для поперечной разрезки горячего металла / Е. Н Ерёмин, Ю. О. Филиппов, А. Е. Ерёмин / / Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. — 2007. — № 10. — С. 37 — 39.
4. Ерёмин, Е. Н. Износостойкая наплавка ножей горячей резки металлопроката / Е. Н Ерёмин [и др.) // Заготовительные производства в машиностроении. — 2008. — №4. — С. 17—19.
5. Кальянов, В. Н. Мартенситно-стареющие стали для наплавки штампов / В. Н. Кальянов, В. А. Багров // Сварочное производство. - 2003. - №2. - С. 35-37.
6. Косторнов, А. Г. Композиционные керамические материалы и покрытия трибологического назначения / А. Г. Косторнов [идр.] //Порошковая металлургия. — 2003. — №5 — 6. — С. 37 - 46.
7. Уманский, А. П. Композиционный материал на основе карбо-нитрида титана со связкой железо — хром / А. П. Уманский // Порошковая металлургия. - 2001. - № 11 - 12. - С. 113- 117.
8. Лосев, А. С. Исследование влияния боридов на упрочнение мартенситно-стареющей стали / А. С. Лосев, Е. Н. Ерёмин, Ю.О.Филиппов// Омский научный вестник. — 2010. — №2. — С. 131-134.
ЛОСЕВ Александр Сергеевич, ассистент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства». ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», директор машиностроительного института. РУМЯНЦЕВ Григорий Петрович, студент группы СПМ-619.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 16.03.2011 г. © А. С. Лосев, Е. Н. Ерёмин, Г. П. Румянцев
