CC BY
28
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 4 (30), 2019 УДК 669.018.25:519.237
Н.А. Козырев, А.Р. Михно, А.А. Усольцев, Р.Е. Крюков, С.С. Кашин Сибирский государственный индустриальный университет
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО СЛОЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ МАРКИ 25Х5ФМС, СОДЕРЖАЩЕЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНО УГЛЕРОДФТОРСОДЕРЖАЩУЮ ДОБАВКУ
Улучшение качества наплавленного с помощью электродуговой наплавки слоя деталей металлургического оборудования, работающих в условиях ударно-абразивного износа, является важнейшим резервом увеличения объема производства продукции и экономии металла за счет продления срока службы оборудования [1 - 8]. Разработка новых материалов, значительно повышающих износостойкость таких деталей, и использование технологии их восстановления -важные и актуальные задачи [8 - 13]. Одним из актуальных вопросов при разработке нового наплавочного материала является выбор системы легирования сплава [14 - 20]. При этом следует учитывать условия работы деталей, стоимость наплавочного материала, результаты испытаний различных материалов в лабораторных и производственных условиях, а также вид и твердость различных фаз, износостойкость и т.д. Благодаря оптимально подобранному способу легирования наплавленные покрытия обладают высокими твердостью, абразивной и ударно-абразивной износостойкостью.
В настоящее время для легирования материалов, используемых в условиях абразивного износа, в основном используются наплавочные материалы (сплавы на железоуглеродистой основе), содержащие хром, марганец, никель. В сочетании с перечисленными элементами в наплавочные материалы также вводят карбидо-образующие элементы: вольфрам, ванадий, титан, молибден. Широкое распространение для
наплавки слоев на изделия, подвергающиеся абразивному износу, получили наплавочные проволоки систем Fe - C - Si - Мп - Сг - № -Мо типа А и В по классификации МИС.
С целью изучения влияния изменения количества углеродфторсодержащего материала на качество наплавленного металла изготовили серию образцов порошковой проволоки типа ПП-Нп-25Х5ФМС. Составы шихты порошковых проволок с учетом используемых порошков приведены в табл. 1. В составе шихты изменяли количество введенного углеродфторсодержаще-го материала (пыли газоочистки производства алюминия). При этом в качестве образца сравнения был использован образец, в шихту которого добавлен аморфный углерод (образец 401).
В лабораторных условиях исследования проводили по определенной схеме. Для изготовления порошковой проволоки марки 25Х5ФМС по ГОСТ 26101 - 84 взвешивали в соответствии с рассчитанными данными (табл. 1) все элементы. Взвешивание проводили на электронных весах марки SHIMADZU модели АиХ120. Далее осуществляли сушку порошков в печи в течение часа при температуре 200 °С. Затем просушенные порошки перемешивали в смесителе СМ-2744 в течение часа. Изготовление проволоки проводили на лабораторной машине. Диаметр изготовленной проволоки составил 6 мм, оболочка выполнена из ленты Ст3. В качестве наполнителя использовали порошкообразные материалы: порошок железа марки ПЖВ1 по
Т а б л и ц а 1
Расчетный химический состав опытной проволоки типа 25Х5ФМС
Образец Количество порошка*, г
углеродсодержа-щего компонента ферросиликохро-ма FeSiCr15 ферромарганца ФМн78А ферросилиция ФС75 феррованадия ФВ40У 0,6 ферромолибдена ФМо60
401 34,2 59 9 17,3 6 14
402 11,6 59 9 17,3 6 14
405 30,0 59 9 17,3 6 14
406 37,5 59 9 17,3 6 14
407 45,0 59 9 17,3 6 14
*Остальное - порошок железа.
Т а б л и ц а 2
Химический состав наплавленного металла
Доля элементов, % (по массе)
Образец С 81 Мп Р 8 Сг N1 Си Мо V А1 Со №
401 0,30 1,37 1,44 0,012 0,023 5,66 0,06 0,04 0,89 0,37 0,026 0,02 0,003
402 0,36 1,36 1,49 0,015 0,023 5,12 0,06 0,04 1,05 0,34 0,010 0,03 0,004
405 0,38 1,57 1,77 0,010 0,022 5,54 0,07 0,05 1,09 0,38 0,030 0,03 0,007
406 0,44 1,75 1,72 0,017 0,022 5,38 0,07 0,05 1,03 0,45 0,030 0,03 0,008
407 0,45 2,00 1,90 0,019 0,022 5,28 0,08 0,08 1,04 0,46 0,025 0,03 0,010
ГОСТ 9849 - 86; порошок кремния ФС75 по ГОСТ 1415 - 93; порошок марганца ФМн78А по ГОСТ 4755 - 91; порошок хрома FeSiCr15 по ГОСТ 11861 - 91; порошок ванадия ФВ40У по ГОСТ 27130 - 94; молибден Фмо60 по ГОСТ 4759 - 91; углеродфторсодержащий материал следующего химического состава: 21 - 46 % АЬОз; 18 - 27 % Б; 8 - 15 % №2О; 0,4 - 6,0 % К2О; 0,7 - 2,3 % СаО; 0,5 - 2,5 % 8102; 2,1 - 3,3 % Бе2О3; 12,5 - 30,2 % Собщ; 0,07 - 0,90 % МпО; 0,06 - 0,90 % МеО; 0,09 - 0,19 % 8; 0,10 - 0,18 % Р, аморфный графит ГЛС-1 (ГОСТ 17022 - 81). Наплавку образцов осуществляли сварочным трактором ASAW-1250 с использованием изготовленной порошковой проволоки на пластины стали марки 09Г2С.
При наплавке в качестве флюса был использован шлак производства силикомарганца. Химический состав используемого флюса: 0,720 % БеО; 7,940 % МпО; 32,000 % СаО; 42,900 % 81О2; 7,880 % А12О3; 5,810 % МеО; 0,360 % Ш2О; 0,260 % К2О; 0,200 % 8; 0,010 % Р; 0,004 % 2пО; 0,036 % Сг2О; 0,420 % Б; 0,110 % ВаО; 0,060 % 8гО; 0,080 % ТЮ2 (по массе).
Наплавку проводили в пять слоев при следующем режиме: сила тока 600 А; скорость наплавки 15 м/ч; напряжение 32 В. Для проведения шлифовки образцов была принята многокруговая методика шлифования (согласно ГОСТ 23505 - 79). Образцы с наплавленым слоем проволокой ПП-Нп-25Х5ФМС с угле-родфторсодержащей добавкой полировали на шлифовальном станке FORCIPOL 2 с применением шлифовальной шкурки с различным размером зерна покрытия (Р400, Р600, Р800, Р1500, Р2000, Р2500); после этого образцы полировали на войлочном покрытии, обрабатыва-
емом в процессе полировки 2 %-ным хромсо-держащим раствором.
Химический состав наплавленного металла (табл. 2) определяли рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре ХЯР-1800 и атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-71. Полученный химический состав шлаковых корок приведен в табл. 3.
Металлографические исследования микрошлифов осуществляли с помощью оптического микроскопа OLYMPUSGX-51 в светлом поле (диапазон увеличений 100 - 1000) после травления поверхности образцов в 4 %-ном растворе азотной кислоты. Величину зерна определяли по ГОСТ 5639 - 82 (увеличение 500). Исследования наплавленного слоя образцов на наличие неметаллических включений проводили по ГОСТ 1778 - 70. Полированную поверхность изучали с помощью металлографического микроскопа Ла-боМет-1И (увеличение 100).
Металлографические исследования показали, что микроструктура наплавленного порошковой проволокой марки 25Х5ФМС слоя (рис. 1) имеет феррито-перлитную структуру (65 % перлита, 35 % феррита), а именно, перлитные колонии, по краям которых расположены области структурно-свободного феррита. По всему шлифу расположено большое количество карбидов. Исходя из химического состава проволоки, можно сделать вывод, что это карбиды хрома. Карбидная сетка однородная (исходя из данных ГОСТ 8233 - 56). По ГОСТ 1778 - 70 установлено, что образцы 402, 405, 406, 407 по шкале неметаллических включений (рис. 2) имеют балл загрязнения оксидами точечными 4а, образец 401 по шкале неметаллических включений имеет балл загрязнения оксидами точечными 3а.
Т а б л и ц а 3
Результаты рентгеноспектрального анализа шлаков
Доля элементов, % (по массе)
Образец БеО МпО СаО 8Ю2 А12О3 МяО №2О К2О 8 Р W03 гпО Б
401 3,79 6,69 27,68 45,32 7,35 7,24 0,43 Отс. 0,17 0,013 0,028 0,007 0,95
402 1,95 6,87 29,11 44,88 8,02 7,58 0,43 Отс. 0,16 0,011 0,031 0,006 0,88
405 2,14 6,62 28,07 46,59 10,08 3,01 0,67 0,39 0,27 0,012 0,012 0,004 1,03
406 2,02 6,53 27,45 45,08 10,29 2,72 0,70 0,37 0,26 0,011 0,071 0,005 1,16
407 2,30 6,54 27,73 45,60 10,06 2,80 0,62 0,33 0,26 0,011 0,030 0,003 0,96
а
^ . щ Щ
""^жгпт
Г 100 мкм
г .- IV?
сШ
•ч-
ж
■
Рис. 1. Микроструктура стали 25Х5ФМС образцов 401, 402, 405, 406 и 407(а - д) соответственно
Измерение твердости исследуемых образцов выполняли по методу Роквелла в соответствии с требованиями ГОСТ 9013 - 59 (табл. 4). Скорость истирания наплавленного слоя опытных образцов определяли путем проведения испытаний на износ на машине 2070 СМТ-1 по схеме диск - колодка со следующими параметрами: диапазон измерения частоты вращения вала нижнего образца (диапазон А) 75 - 750 мин диапазон измерения момента трения (диапазон I) 1 - 10 Н м (табл. 5).
б
50 мкм | |
50 мкм
д • ' . . ■
. * , 50 мкм 1
Рис. 2. Неметаллические включения в образцах 401, 402, 405, 406 и 407 стали 25Х5ФМС (а - д) соответственно
Построены зависимости твердости HRC (рис. 3) и истирания образцов (рис. 4) от содержания углерода в наплавленных слоях, а также зависимость скорости истирания от твердости образцов (рис. 5).
Выводы. Использование углеродфторсодер-жащей добавки в составе порошковой проволоки вместо аморфного графита способствует увеличению твердости и износостойкости. Увеличение концентрации углеродфторсодержащей добавки обеспечивает существенное повышение твердости образцов и уменьшение скорости истирания.
в
г
Т а б л и ц а 4
Результаты замеров HRC__
Образец Твердость HRC замера Среднее значение HRC
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
401 51,6 59,4 57,3 57,8 54,9 55,6 49,2 56,2 58,8 56,9 55,77
402 70,2 59,2 64,0 60,6 57,5 64,1 58,2 52,8 64,8 61,3 61,27
405 70,1 67,6 73,5 70,7 74,8 69,1 65,6 68,5 65,9 71,6 68,94
406 78,2 70,2 72,0 69,4 72,8 73,5 71,6 72,3 71,5 74,1 73,36
407 77,3 75 75,6 77,1 74,6 76,8 84,3 80,5 79,5 77,9 77,56
Добавление в состав порошковой проволоки III 1-Нп-25Х5ФМС углеродфторсодержащей добавки (пыли отходов производства алюминия) увеличивает твердость и износостойкость образцов, однако не решает проблемы неметаллических включений, так как класс загрязнения поверхности образцов с углеродфторсодержа-щей добавкой в составе по сравнению с графитом вырос на один пункт (с 3а до 4а по ГОСТ 1778 - 70).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Уманский А.А., Козырев Н.А., Титов Д.А. Экспериментальные исследования влияния состава порошковых проволок систем легирования C - Si - Cr - V - Mo и C - Si - Mn -- Cr - W - V на структуру наплавленного слоя прокатных валков // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2016. № 4. С. 74 - 78.
2. Козырев Н.А., Крюков Р.Е., Федотов Е.Е., Непомнящих А.С. Порошковая проволока на основе пыли газоочистки силикомарганца. -В кн.: Металлургия: технологии, инновации, качество. Металлургия - 2017. Труды XX Международной научно-практической конференции, 15 - 16 ноября 2017 г. Ч. 1. - Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2017. С. 336 - 339.
3. Козырев Н.А., Крюков Р.Е., Непомнящих А.С., Усольцев А.А., Попова М.В. Разработка новых порошковых проволок для наплавки. Порошковая проволока на основе пыли газоочистки силикомарганца. - В кн.: Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2018. № 9. С. 101 - 106.
4. Бишоков Р.В., Мельников П.В., Гежа В В. Влияние химического состава металла шва, выполненного механизированной сваркой порошковой проволокой, на его структуру и механические свойства // Вопросы материаловедения. 2005. № 1 (41) С. 30 - 37.
5. Рыбин В.А., Иванов В.А. Исследования влияния конструктивных особенностей химического состава наполнителя, порошковых проволок на режимы электродуговой сварки // Экспозиция Нефть Газ. 2013. № 7 (32). С. 63 - 66.
6. Брот К.А., Сорвачев И.А., Семичева Л.Г. Преимущества и недостатки механизированной сварки порошковой проволоки // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2014. Т. 1. № 10. С. 95 - 96.
7. Грищенко Л.В., Шарапов М.Г., Бишоков Р.В. Разработка и внедрение в судостроение порошковой проволоки малого диаметра для сварки низколегированных сталей // Судостроение. 1999. № 4 (725). С. 57 - 58.
Т а б л и ц а 5
Результаты испытаний на истирание_
Масса образца, г
Образец V, об/мин F, Н т, час n до истирания после истирания ДГ, г ДГ/n, г/об
401 20 30 4 3694 100,9136 99,9705 0,9431 2,5530-10-4
402 20 30 4 4120 63,0023 62,0132 0,9891 2,4007 10-4
405 20 30 4 4500 105,3891 104,4902 0,8988 1,9973 • 10-4
406 20 30 4 3700 97,9529 97,3048 0,6481 1,751610-4
407 20 30 4 3710 84,6780 84,0459 0,6321 1,7037 10-4
П р и м е ч а н и е. V - скорость; Е- нагрузка; т - время истирания; п - число оборотов; ДГ - разница массы
до и после истирания.
100
80
U 60 ^ 40 20 0
0,29 0,34 0,39 0,44 0,49 Содержание С, %
Рис. 3. Зависимость твердости (HRC) от содержания углерода (С) в наплавленном металле
8. Дзудза М.В., Лушников В.М. Экспериментальные исследования эксплуатационных свойств у различных типов порошковой проволоки // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. № 10. С. 20.
9. Козырев Н.А., Усольцев А.А., Крюков Р.Е., Гусев А.И., Осетковский И.В. Эксплуатационные показатели новых порошковых проволок системы Fe - C - Mn - Cr - Ni - Mo // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2019. Т. 75. № 7. С. 860 - 868.
10. Гусев А.И., Крюков Р.Е., Козырев НА. Разработка новых порошковых проволок для наплавки. Порошковая проволока для наплавки деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа. - В кн.: Металлургия XXI столетия глазами молодых. Материалы IV Международной научно -практической конференции молодых ученых и студентов: сборник докладов, 23 - 24 мая 2018 г. - Донецк, 2018. С. 296 - 299.
11. Козырев Н.А., Крюков Р.Е., Михно А.Р., Усольцев А.А., Попова М.В. Порошковая проволока на основе пыли газоочистки си-ликомарганца для повышения износостойкости рештаков скребковых конвейеров // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2019. № 5. С. 217 - 221.
12. Гусев А.И., Козырев Н.А., Усольцев А.А., Крюков Р.Е., Михно А.Р. Разработка порошковой проволоки для наплавки горнорудного оборудования, работающего в условиях ударно-абразивного износа // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2018. № 4. С. 282 - 287.
13. Козырев Н.А., Осетковский И.В., Козырева О.А. Изучение свойств наплавленного метал-
3,0 ^ 2,5
^ 2,0 Vb
^ 1,5 ^ 1,0 <3 0,5 0
0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Содержание С, %
Рис. 4. Зависимость скорости истирания (ДГ/и) от содержания углерода (С) в наплавленном металле
ла систем Mn - Mo - V - B и Cr - Mn - Mo - V порошковыми проволоками. - В кн.: Обработка материалов: современные проблемы и пути решения. Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Юр-гинский технологический институт. - Томск: изд. Томского политехнического университета, 2015. С. 95 - 100.
14. Козырев Н.А., Гусев А.И., Крюков Р.Е., Усольцев А.А., Бащенко Л.П. Разработка новых порошковых проволок для наплавки деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2018. Вып. 7 (1423). С. 70 - 77.
15. Gusev A.I., Kozyrev N.A., Usoltsev A.A., Kryukov R.E., Mikhno A.R. Development of a flux-cored wire for surfacing mining equipment operating in the conditions of shock-abrasive wear // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 206. No. article. 012034. P. 1 - 6.
90 80 70 r 60 ^ 50 ^ 40 30 20 10 0
1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 ДГ/и, г/(об-10-4)
Рис. 5. Зависимость скорости истирания (ДГ/и) от твердости образцов (HRC)
16. Gusev A.I., Kozyrev N.A., Osetkovskiy I.V., Usoltsev A.A. Developing new powder wire for surfacing details which works in the wear resis-tace conditions. - In: Materials and processing Technology. Materials science forum. 2018. Vol. 927. Р.126 - 133.
17. Kozyrev N.A., Osetkovskiy I.V., Kozyreva O.A., Zernin E.A., Kartsev D.S. Influence of filler metals in welding wires on the phase and chemical composition of weld metal // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 125. Р. 1 - 7.
18. Осетковский И.В., Корнев Е.С., Корнева А.В., Козырев Н.А., Крюков Р.Е. Применение многофакторного анализа при оценке степени износа металла, наплавленного порошко-
выми проволоками системы C - Si - Mn - Cr -- Ni - Mo - V с добавками кобальта и вольфрама. - В кн.: Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. Сб. научн. тр. Вып. 37. - Новокузнецк: изд. Сиб-ГИУ, 2016. С. 185 - 190.
19. Козырев Н.А., Кибко Н.В., Уманский А.А., Титов Д.А.. Улучшение структуры и свойств стали 35В9Х3СФ. - В кн.: Вестник РАЕН (Западно-Сибирское отделение). 2016. Вып. 19. С. 138 - 148.
© 2019 г. Н.А. Козырев, А.Р. Михно, А.А. Усольцев, Р.Е. Крюков, С.С. Кашин Поступила 19 ноября 2019 г.
