CC BY
28
_МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ_
УДК 621.791.92:669.018.25
А.И. Гусев, Н.А. Козырев, Н.В. Кибко, Р.Е. Крюков, И.В. Осетковский
Сибирский государственный индустриальный университет
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛА, НАПЛАВЛЕННОГО ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ СИСТЕМЫ Fe-C-Si-Mn-Mo-Ni-V-Co ПРИ
ВВЕДЕНИИ ВОЛЬФРАМА И ХРОМА
Механизмы машин горного оборудования, испытывающие абразивное и ударное изнашивание при эксплуатации, преждевременно выходят из строя. Износ рабочих поверхностей вызывает необходимость в проведении их восстановления. Поэтому разработка материалов, значительно повышающих износостойкость таких деталей, и использование технологии их восстановления, является важной задачей. Наиболее перспективным является использование наплавки порошковой проволокой на изнашивающиеся поверхности деталей. Для этих целей в нашей стране и за рубежом ведется разработка и изготовление специальных наплавочных порошковых проволок [1 - 6]. Благодаря оптимально подобранному способу легирования наплавленные покрытия обладают высокими значениями твердости, абразивной и ударно-абразивной износостойкости. Широкое распространение для наплавки абразивно-изнашивающихся изделий получили наплавочные проволоки систем Бе-С-81-Мп-Сг-№-Мо типа А и В по классификации МИС [7]. В настоящее время в нашей стране широко используются порошковые проволоки такой системы фирмы DRATEC (Германия) марки DT-SG 600 F и порошковые проволоки фирмы ESAB марок ОК ТиЬ1^иг 15.52, ОК ТиЬ1^иг 58 О/О М.
Настоящая работа продолжает начатые исследования по созданию новых составов порошковых проволок, работающих в условиях абразивного износа в горнорудной промышленности [8 - 10], в частности, изучение влияния использования вольфрама и хрома при изготовлении опытных образцов проволоки системы Ре-С-81-Мп-Мо-№-У-Со на степень износа и твердость наплавленного слоя.
Проволоку изготавливали на лабораторной машине. Диаметр изготовленной проволоки составил 5 мм, оболочка выполнена из стальной (марки Ст3) ленты. В качестве наполнителя использовали соответствующие порошкообразные материалы: порошок железа марки
ПЖВ1 по ГОСТ 9849-86, порошок ферросилиция марки ФС 75 по ГОСТ 1415-93, 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 феррованадия марки ФВ50У 0,6 по ГОСТ 27130-94, порошок кобальта ПК-1У по ГОСТ 9721-79. Также использовали порошок со следующим составом компонентов: 21 - 46,23 % Al2O3; 18 -27 % F; 8 - 15 % Na2O; 0,4 - 6,0 % K2O; 0,7 -2,3 % CaO; 0,5 - 2,48 % Si2O; 2,1 - 3,27 % Fe2O3; 12,5 - 30,2 % Собщ; 0,07 - 0,9 % MnO; 0,06 - 0,9 % MgO; 0,09 - 0,19 % S; 0,1 -0,18 % P.
Наплавку изготовленной проволокой проводили под флюсом АН-26С на пластины из стали марки Ст3 в шесть слоев (для исключения перемешивания наплавляемого металла с подложкой) при помощи сварочного трактора ASAW-1250 с режимом наплавки I = 450 A, U = 30 B, V = 10 см/мин. Далее пластины разрезались на соответствующие образцы для испытаний. Химический состав исследуемых наплавленных образцов определяли по ГОСТ 10543-98 рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре XRF-1800 и атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-71. Твердость изучаемых образцов измерялась с помощью твердомера МЕТ-ДУ. Металлографический анализ с целью определения степени влияния изменения химического состава на параметры микроструктуры проводили с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51 в светлом поле при диапазоне увеличений в 100 -1000 крат после травления в спиртовом растворе азотной кислоты. Величину зерна определяли по ГОСТ 5639-82 при увеличении в 100 раз. Размер игл мартенсита определяли по ГОСТ 8233-56 при увеличении в 1000 раз. Результаты перечисленных выше исследований приведены в табл. 1. Исследование образцов, вырезанных в продольном направлении наплавленного слоя, на наличие неметаллических включений
Т а б л и ц а 1
Химический состав, содержание водорода и твердость наплавленных слоев
Номер образца Массовая доля элементов % К, см 3/100 г Твердость образцов НШО
С Si Mn & м Mo В V Со W Al Си Т1 S Р
1 Г9 0,19 0,77 0,61 4,17 0,34 0,38 0,01 0,02 0,05 0,002 0,01 0,07 0,02 0,054 0,024 2,4 44,5
2 Г10 0,19 0,63 0,65 4,06 0,30 0,38 0,01 0,03 0,06 0,001 0,01 0,08 0,03 0,056 0,019 1,7 43
3 Г11 0,20 0,59 0,61 4,12 0,30 0,38 0,01 0,02 0,12 0,001 0,02 0,06 0,04 0,049 0,019 1,9 46
4 Г12 0,20 0,64 0,6 4,03 0,30 0,39 0,01 0,03 0,20 0,002 0,01 0,08 0,03 0,058 0,021 2,0 30
5 Г13 0,20 0,59 0,56 0,01 0,30 0,33 0,01 0,01 0,05 7,74 0,01 0,1 0,02 0,072 0,017 1,8 22
6 Г14 0,20 0,55 0,49 0,01 0,26 0,34 0,01 0,01 0,07 7,42 0,02 0,09 0,02 0,048 0,014 2,0 25
7 Г15 0,20 0,58 0,52 0,01 0,28 0,34 0,01 0,01 0,07 7,55 0,05 0,09 0,03 0,038 0,014 1,7 21
8 Г16 0,21 0,55 0,52 0,01 0,27 0,35 0,01 0,02 0,06 7,65 0,05 0,08 0,02 0,036 0,017 1,9 25
Т а б л и ц а 2
Характеристики неметаллических включений и структуры исследуемых образцов
Номер Загрязненность неметаллическими включениями, балл Величина зерна
образца силикаты недеформирующиеся оксиды точечные аустенита, номер
1Г9 1б, 2а 1а 7, 6
2Г10 2б, 1б, 2а, 3а 1а, 2а 6, 7
3Г11 1б, 2б,2а, 3а 1 а, 2а 6, 7
4Г12 1б, 2б, 3а 1 а, 2а 7, 6
5Г13 1б, 2б, 2, 5а 1а 5, 6
6Г14 1б, 2б, 4б 1а 6
7Г15 1б, 2б, 3б 1а 5
8Г16 2б, 4б 1а, 2а 6
осуществляли в соответствии с ГОСТ 1778-70 при увеличении в 100 крат, результаты приведены в табл. 2.
Металлографический анализ показал, что микроструктура образцов с использованием хрома при их изготовлении (образцы №№ 1Г9 - 4Г12) (рис. 1, а - г) представляет собой мартенсит в первичных зернах аустенита, по границам которых находятся незамкнутые тонкие прослойки, предположительно состоящие из 5-феррита. По телу и границам зерен распределены точечные дисперсные включения. В структуре образцов №№ 1Г9, 3Г11 и 4Г12 наблюдается крупноигольчатый мартенсит (балл 7) с размером игл 3 - 14, 8 - 12 и 3 - 11 мкм соответственно. В структуре образца № 2Г10 присутствует мелкоигольчатый и средне-игольчатый мартенсит (балл 4, 5). Размер игл мартенсита в этом случае составляет 3 - 6 мкм.
Величина бывшего зерна аустенита в структуре образцов №№ 1Г9 - 4Г12 по шкале зернистости соответствует № 7, 6 и № 6, 7 (табл. 2).
При использовании вольфрама (образцы №№ 5Г13 - 8Г16) наплавленный слой имеет феррито-перлитную структуру. По телу зерен и по ферриту распределены точечные включения (рис. 1, д - з). Величина бывшего зерна аустенита соответствует № 6 и № 5, 6 (табл. 2).
В результате оценки загрязненности наплавленного слоя неметаллическими включениями установлено присутствие оксидных неметаллических включений, в частности силикатов недеформирующихся и оксидов точечных (табл. 2).
Установлено, что изменения микроструктуры при варьировании химического состава порошковой проволоки системы Fe - С - Si - Мп - Мо - № - V - Со оказывают влияние на свойства наплавленного металла. Так, твердость наплавленного металла с мартенситной структурой, полученной при введении хрома в шихту порошковой проволоки, составляет 30 -46 HRC (табл. 1, рис. 2). Высокая твердость наплавленного слоя приводит к образованию трещин на поверхности слоя, что оказывает негативное влияние на работу деталей, работающих в условиях ударного износа, сопровождающегося вибрационным воздействием.
Значения твердости наплавленного слоя с феррито-перлитной структурой, обеспеченной использованием вольфрама, ниже (21 - 25 HRC) (табл. 1, рис. 3). Таким образом, наибольшее упрочнение наплавленного слоя наблюдается при мартенситной структуре, по сравнению с феррито-перлитной, что согласуется с литературными данными [11].
Важно отметить, что твердость наплавленного слоя увеличивается при уменьшении размера бывшего зерна аустенита. В результате использования хрома наплавленный металл имеет меньший размер бывшего зерна аустени-та (№ 7, 6 и № 6, 7) и более высокие значения твердости, чем при введении в состав шихты порошковой проволоки вольфрама (размер первичного зерна аустенита № 6 и № 5, 6).
Выводы. Введение в систему Fe - С - Si -Мп - Мо - № - V - Со хрома и вольфрама раздельно друг от друга оказывает влияние на
Рис. 1. Микроструктура исследуемых образцов: а - № 1Г9; б - № 2Г10; в - № 3Г11; г - № 4Г12; д - № 5Г13; е - № 6Г14; ж - № 7Г15; з - № 8Г16
микроструктуру наплавленного слоя. Использование хрома обеспечивает получение мар-тенситной структуры наплавленного металла с тонкими прослойками 5-феррита, расположенными по границам первичных зерен аустени-
та. Выведение из состава шихты порошковой проволоки хрома и введение вольфрама способствует формированию феррито-перлитной структуры наплавленного слоя карбидными включениями вольфрама. Использование хро-
4,0 4,05 4,10 4,15
Содержание Cr, %
4,20
Рис. 2. Твердость образцов №№ 1Г9 - 4Г12
ма обеспечивает уменьшение бывшего зерна аустенита. Размер первичного зерна аустенита при использовании хрома соответствует № 7, 6 и № 6, 7, а при выведении хрома и введении вольфрама - № 6 и № 5, 6. Введение хрома в состав шихты порошковой проволоки обеспечивает получение более высоких значений твердости (30 - 46 HRC) наплавленного слоя, чем без хрома и при использовании вольфрама (21 - 25 HRC). Повышение твердости в результате введения хрома обусловлено формированием мартенситной структуры с меньшей величиной бывшего зерна аустенита (№ 7, 6 и № 6, 7) по сравнению со структурой феррита и перлита с величиной первичного зерна аустенита, соответствующей № 6 и № 5, 6.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kirchgaßner M., Badisch E., Franek F. Behaviour of iron-based hardfacing alloys under abrasion and impact // Wear Journal. 2008. Vol. 265. P. 772 - 779.
2. Azzoni M. Directions and developments in the types of hard phases to be applied in abrase deposits against abrasion // Weld. International. 2009. Vol. 23. P. 706 - 716.
3. Klimpel A., Dobrzanski L.A., Janicki D., Lisiecki A. Abrasion resistance of GMA metal cored wires surfaced deposits // Materials Processing Technology. 2005. Vol. 164 - 165. P.1056 - 1061.
4. Wang Q., Li X. Effects of Nb, V, and W on microstructure and abrasion resistance of Fe-Cr-C hardfacing alloys // Weld. International. 2010. Vol. 89. P. 133 - 139.
5. Metlitskii V.A. Flux-cored wires for arc welding and surfacing of cast iron // Weld. International. 2008. Vol. 22. P. 796 - 800.
6. Kejzar R., Grum J. Hardfacing of Wear-Resistant Deposits by MAG Welding with
7,4 7,5 7,6 7,7
Содержание W, %
7,8
Рис. 3. Твердость образцов №№ 5Г13 - 8Г16
a Flux-Cored Wire Having Graphite in Its Filling // Welding International. 2005. Vol. 20. P. 961 - 976.
7. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б.Е. Патона. - М.: Металлургия, 1974. - 768 с.
8. Гусев А.И., Осетковский И.В. Изучение свойств металла, наплавленного порошковой проволокой системы C - Mn - Si - Cr -V - Mo - Со // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении: Сб. тр. VII Всероссийской научно-практической конференции для студентов и учащейся молодежи. В 2-х томах. Т. 1. - Томск: изд. Томского политехнического университета, 2016. С. 91 - 94.
9. 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 150. 2016. Р. 1 - 9.
10. 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 // Вестник горнометаллургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2016. Вып. 36. С. 174 - 181.
11. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2013 - 528 с.
12. Шагарова О.Н. Характеристика структуры металлической матрицы и износостойкость поверхностей при микроударном воздействии // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Горная книга. 2006. № 4. С. 230 - 235.
© 2017 г. А.И. Гусев, Н.А. Козырев, Н.В. Кибко, Р.Е. Крюков, И.В. Осетковский Поступила 20 марта 2017 г.
