CC BY
117
УДК 621.791.92.04
Е. Н. ЕРЕМИН С. А. БОРОДИХИН А. С. ЛОСЕВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА, ПОЛУЧЕННОГО ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ ПП-25Х15МГСФР, ЛЕГИРОВАННОЙ КАРБИДОМ БОРА
Приведены результаты исследования структуры свойств металла при наплавке порошковой проволокой ПП-25Х15МГСФР с дополнительным введением соединений карбидов бора. Установлено, что введение карбидов бора в данную проволоку обеспечивает получение наплавленного металла со стабильной структурой и свойствами независимо от технологических режимов наплавки, а также повышает его показатели теплостойкости. Данная проволока рекомендуется для повышения стойкости инструмента горячего деформирования металла.
Ключевые слова: порошковая проволока, бориды, наплавленный металл, твердость, теплостойкость.
Для изготовления листового проката методом горячего деформирования на прокатных машинах применяют валки, во многих случаях изготавливаемые из сталей марок 45ХНМ, 45ХНВ, и т.п. Большое распространение данных сталей объясняется тем, что они обладают достаточно высоким комплексом эксплуатационных и технологических свойств и, кроме того, имеют относительно низкую стоимость и не дефицитны. Однако износостойкость валков изготовленных из стали 45ХНМ остается на достаточно низком уровне. Поэтому в прокатном производстве машиностроительных предприятий проблема повышения эффективности листопрокатной оснастки является одной из важнейших [1].
Как известно, доля изнашиваемого металла в массе всего валка составляет не более 3... 10 %, поэтому эффективно применение высокопрочных материалов при восстановительной наплавке его рабочих поверхностей. Кроме того, процессы наплавки позволяют упрочнять не только новые валки различного назначения, но и дают возможность многократно ремонтировать изношенные инструменты при минимальных материальных затратах [2].
В качестве наплавочных материалов для упрочнения прокатных валков применяют ПП-Нп25Х5ФМС, Нп-40Х16МГСФР, UTP A 694 (30Х2В5Ф), Dualhard DN-O (30Х13Н5К2ГМВФСА), 60Х6Н3М3РЮФТ, Duro term 8R (15Х3В4Ф), Lincor 102/802 (45Х6М2В2ГС) и др. Основными недостатками данных материалов являются необходимость предварительного подогрева перед наплавкой до высокой температуры (300 — 500 °С), обязательной операции отжига наплавленного слоя для обеспечения его возможности последующей механической обработки режущим инструментом и последующей закалки с отпуском для повышения прочност-
ных свойств. Наиболее перспективными являются проволоки Endotec D0*04 (15Х13К12М2СГ) и OK Tubrodur 15.72S (06Х12Н4МГСБФА), не требующие высокотемпературной термической обработки и обеспечивающие высокую стабильность свойств наплавленного металла по всей восстанавливаемой рабочей поверхности [3 — 8].
Однако данные марки проволок выпускаются зарубежными производителями, что, в связи с нынешней экономической ситуацией, требует импор-тозамещения.
Из материалов российского производства близкие свойства наплавленного металла достигаются при использовании сплошной наплавочной проволоки Нп-25Х15МГСФР [9]. В то же время получаемый наплавленный металл обладает низкими показателями теплостойкости.
В связи с вышеизложенным, в работе проведены исследования структуры и свойств наплавленного металла, полученного порошковой проволокой аналогичного состава, дополнительно легированной карбидом бора.
Наплавку проводили в аргоне опытной порошковой проволокой диаметром 2,4 мм в 3 слоя на пластины из стали 45ХНМ размером 200*50* 10 мм с предварительным подогревом при температуре 300 оС и без него. Режим наплавки: сила тока 230 А; напряжение дуги 24 В; скорость наплавки 20 м/ч.
Металлографические исследования наплавленного металла проводили на оптическом микроскопе Carl Zeiss AxioObserver A1m. Микроструктура выявлялась химическим травлением в реактивах составов: CuS04 — 4 г; HCl — 20 мл; H20 — 20 мл и 4 %-ным раствором азотной кислоты. Дюрометрические испытания
НУ 900
800
700
600
Основной металл
500
Наплавленный слой
/ ' \ _ > " > / > "Т/ /
✓ N N > ✓ /
-3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 мм — Без подогрева —С подогревом
Рис. 1. Твердость образцов после наплавки
а)
б)
Рис. 2. Микроструктура стали 45ХНМ после наплавки: а — без подогрева (х1000); б — с подогревом (х500)
проводили с помощью твердомеров БЫшас^и ИМУ-2 (нагрузка Р = 200 г, шаг 200 мкм) и ТК-2.
Теплостойкость наплавленного металла оценивали по изменению его твердости после отпуска в интервалах температур от 400 до 700 оС при выдержке 2 часа. Для сравнения проводили исследования отпускной способности стали 45ХНМ и наплавленного металла, полученного порошковой проволокой Бп^ее Б0*04.
Результаты проведенных исследований показали, что изменение твердости наплавленного предварительно подогретого образца изменяется от 595 до 638 ИУ (рис. 1). В то же время значение твердости наплавленного образца без предварительного подогрева имеет большое различие между основным металлом и наплавленным слоем. Так, твёрдость стали 45ХНМ находится в пределах от 750 ИУ до 900 ИУ, а твердость первого наплавленного слоя составляет от 625 до 725 ИУ, а в последующих слоях твердость металла находится в пределах от 575 до 645 ИУ.
Металлографические исследования показали, что структура стали 45ХНМ после наплавки без по-
догрева представляет собой характерное игольчатое строение, преимущественно из мартенсита, который находится в кристаллографических плоскостях аустенита (рис. 2а), что и определяет высокое значение твердости. После наплавки с предварительным подогревом данная сталь имеет перлитно-мар-тенситную структуру с остаточным аустенитом по границам (рис. 2б).
При изучении образцов наплавленных без предварительного подогрева в структуре стали 45ХНМ переходной зоны обнаружена явно выраженная линия сплавления с большим количеством скоплений карбидов хрома, что значительно снижает её прочность и способствует повышению хрупкости, а также провоцируют развитие трещин (рис. 3а), снижающих работоспособность наплавленных деталей.
Результаты исследования структуры металла наплавленного с предварительным подогревом показали отсутствие резко выраженной линии сплавления в переходной зоне между сталью 45ХНМ (рис. 3б), что уменьшает риск возникновения трещин в процессе эксплуатации восстановленного инструмента.
Рис. 3. Зона сплавления после наплавки: а) без подогрева (х500); б) с подогревом (х200)
Наплавленный металл, полученный порошковой проволокой ПП-25Х15МГСФР с карбидом бора, имеет мартенситную структуру с включениями карбоборидных фаз и равномерно распределенной эвтектики, как с предварительным подогревом, так и без него (рис 4). Это определяет стабильность структуры наплавленного металла, полученного данной порошковой проволокой, вне зависимости от различных технологических параметров наплавки, а следовательно, и стабильность его механических свойств [10].
Как показали испытания теплостойкости, по степени разупрочнения металл наплавленный порошковой проволокой ПП-25Х15МГСФР с карбидом бора при температурах до 600 °С находится на уровне металла, наплавленного порошковой проволокой Еп<Зо1ес Б0*04, а при более высоких температурах
значительно превосходит все исследуемые материалы (табл. 1).
Такие значения теплостойкости исследуемых сталей можно связать с их различием в составе и характере образующихся упрочняющих фаз, а также предельной температурой фазовых а О у — превращений [11]. Сталь 45ХНМ в состоянии перед испытанием имеет мартенситную структуру упрочненную карбидами цементитного типа Ме3С. При температурах свыше 550 °С в структуре такого металла происходит распад карбидов с образованием участков перлита и стабилизацией остаточного аустенита, что и определяет низкие показатели теплостойкости стали.
Металл, наплавленный порошковой проволокой Еп<Зо1ес Б0*04, имеет структуру высокохромистого мартенсита, упрочненного выделениями интерме-
Таблица 1
Результаты испытаний на теплостойкость
Исследуемые материалы Средние значения твердости металла перед испытанием, НУ Средние значения твердости металла ИУ после отпуска при температуре, °С
400 500 600 700
45ХНМ 567 486 461 334 317
Бп^ес Б0*04 528 510 495 425 338
ПП-25Х15МГСФР с карбидом бора 618 603 585 535 469
Исследуемые материалы Степень разупрочнения
НУ 400 0С НУ исх * НУ 500 0С НУ исх * НУ 600 0С НУ исх * НУ 700 0С НУ исх *
45ХНМ 0,86 0,81 0,59 0,56
Бп^ес Б0*04 0,97 0,94 0,80 0,64
ПП-25Х15МГСФР с карбидом бора 0,98 0,95 0,87 0,76
Примечание: * — средние значения твердости металла НУ перед испытанием
таллидных Я-фаз типа (Бе, Со)15Сг8Мо10 и фаз Ла-веса (Бе, Со)2Мо. При нагреве такого наплавленного металла свыше температур (600 °С) происходит коагуляция упрочняющих интерметаллидных фаз за счет растворения более мелких частиц и стабилизация 5-феррита, что снижает теплостойкость данного металла при температурах отпуска свыше 600 °С. Высокие значения твердости наплавленного металла порошковой проволокой ПП-25Х15МГСФР с карбидом бора после отпуска в интервалах температур от 400 до 700 оС можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует карбо-боридная эвтектика, имеющая скелетообразный характер и зернограничное расположение, а также труднорастворимые карбоборидные фазы, которые повышают температуру рекристаллизации и замедляют диффузионные процессы при высоких температурах, тем самым значительно повышают термостойкость [12].
Таким образом, установлено, что наплавка порошковой проволокой ПП-25Х15МГСФР с добавление карбидов бора обеспечивает высокие показатели теплостойкости наплавленного металла в интервалах температур отпуска от 400 до 700 оС, стабильную структуру и твердость. Полученные технологические и эксплуатационные свойства такого металла позволяют рекомендовать его в качестве наплавочного материала для повышения стойкости инструмента горячего деформирования металла.
Библиографический список
1. Грудев, А. П. Технология прокатного производства [Текст] / А. П. Грудев, Л. Ф. Машкин, М. И. Ханин. - М. : Арт-Бизнес-Центр:Металлургия, 1994. — 651 с.
2. Соколов, Г. Н. Наплавка износостойких сплавов на прессовые штампы и инструмент для горячего деформирования сталей [Текст] / Г. Н. Соколов, В. И. Лысак. — Волгоград : ВолгГТУ, 2005. — 284 с.
3. Рябцев, И. А. Наплавка деталей машин и механизмов [Текст] / И. А Рябцев. — Киев : Екотехнолопя, 2004. — 159 с.
4. Толстых, Л. Г. Наплавочные материалы и технология наплавки [Текст] / Л. Г. Толстых, Е. Л. Фурман. — Екатеринбург : ГОУ УГТУ-УПИ, 2004. — 102 с.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
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.
11. Еремин, Е. Н. Влияние инокулирующего модифицирования на морфологию и топографию упрочняющих фаз в жаропрочном сплаве [Текст] / Е. Н. Еремин, А. С. Лосев, Ю. О. Филиппов, А. Е. Еремин // Литейщик России. — 2008. — № 8. — С. 39 — 43.
12. Лосев, А. С. Исследование влияния боридов на структуру и свойства мартенситно-стареющей стали [Текст] / А. С. Лосев, Е. Н. Еремин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2011. — № 1 (97). — С. 29 — 33.
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения, директор машиностроительного института.
БОРОДИХИН Сергей Александрович, ассистент кафедры машиностроения и материаловедения. ЛОСЕВ Александр Сергеевич, старший преподаватель кафедры машиностроения и материаловедения.
Адрес для переписки: weld_techn@mail.ru
Статья поступила в редакцию 06.08.2015 г. © Е. Н. Еремин, С. А. Бородихин, А. С. Лосев
УДК 62174 Е. Н. ЕРЕМИН
А. З. ИСАГУЛОВ Т. В. КОВАЛЁВА
Омский государственный технический университет
Карагандинский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ НА ОСНОВЕ
ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ
В статье рассматривается технология получения высокопрочных литейных форм на основе холоднотвердеющих смесей. Приведены рекомендуемые значения технологических свойств формовочных смесей, результаты исследования влияния физико-механическихи технологических свойств ХТС на качество литейных форм и чугунных отливок.
Ключевые слова: литье, холоднотвердеющие смеси, стержни, отливка.
Одна из главных проблем современной технологии литья — это механизация и автоматизация производства стержней и форм, трудоёмкость изготовления которых очень велика. В решении этой проблемы значительную роль играет развитие технологических процессов, основанных на использовании холоднотвердеющих смесей (ХТС). Масштабы их применения быстро растут; в настоящее время практически все крупные литейные цехи в той или иной степени используют смеси этого типа, проектирование новых цехов и центролитов также основывается на широком использовании ХТС в различных вариантах. Однако, как всякое новое направление, тенология применения ХТС связана с решением ряда сложных научно-технических задач. В современном литейном цехе освоение нового типа смеси, по существу, означает перестройку всего производства — подготовка материалов, приготовление смесей, изготовление стержней и форм, выбивка и очистка отливок, обеспечение качества и т.п.
Многолетний опыт показывает, что в основе технологии изготовления формы всегда лежат физико-химические и технологические свойства связующих композиций и смесей, именно их изучение приводит к разработке принципиально новых технологических процессов.
Наибольшее практическое применение получили ХТС с синтетическими смолами.
В последние годы широко в литейных цехах применяют холоднотвердеющие смеси (ХТС) с кис-лотноотверждаемыми смолами. Содержание связующего в ХТС — основной показатель состава, определяющий уровень прочностных характеристик стержней и форм, качество отливок, санитарно-гигиенические характеристики процесса и его технико-экономическую эффективность.
Следует стремиться к минимальному расходу смолы с учётом достижения достаточной общей и поверхностной прочности. Минимально возможный расход связующего определяется в первую очередь качеством применяемого песка. Желатель-
