CC BY
91
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. № 15
УДК 669.018: 620.178.167.001.5
Малинов В.Л.*
НАПЛАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАСТАБПЛЬНОГО АУСТЕНИТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Обобщены результаты исследований по разработке экономнолегированных наплавочных материалов, обеспечивающих повышение долговечности деталей машин, за счет получения в структуре наплавленного металла метастабилъного аустенита, претерпевающего деформационные превращения.
Одним из главных направлений создания материалов в XXI веке является получение у них метастабильной структуры, способной адаптироваться к условиям внешнего воздействия при эксплуатации за счет самоорганизации, что позволяет существенно повысить долговечность деталей, инструмента и эффективно решать проблему ресурсосбережения [1].
Их разновидностью являются наплавочные материалы, обеспечивающие получение в структуре наряду с другими фазами метастабильного аустенита, способного при нагружении претерпевать мартенситные превращения.
Впервые идея создания таких материалов была высказана в середине 50-х годов в работах И.Н. Багачева и Р.И. Минца [2, 3], а первые наплавочные материалы этого типа созданы под руководством М.И. Разикова. Им и его сотрудниками были разработаны электроды УПИ 30ХЮГ 10 и порошковая проволока 1Ü1-30X11Г12Т [4]. Однако эти материалы имеют ограниченное применение. Наряду с высокими эксплуатационными свойствами, им присущ ряд недостатков. К ним относятся: трудная обрабатываемость резанием наплавленного металла резанием, его недостаточная коррозионная стойкость и сопротивление абразивному изнашиванию. Указанные причины ограничивают применение ранее разработанных наплавочных материалов.
В данной работе обобщены результаты исследований по созданию более технологичных наплавочных материалов, в том числе, обладающих повышенной абразивной стойкостью. Определены направления дальнейших исследований и показаны примеры технических решений, которые могут быть широко использованы в промышленности Украины для повышения долговечности быстроизнашивающихся деталей машин.
В работе [5] приведены данные о порошковой ленте ПЛ-Нп-15Х13АГ10МФС (ПЛН-4), которая показала высокую эффективность при наплавке деталей работающих в условиях контактного нагружения. Она была внедрена для восстановления крановых колес, плунжеров гидропрессов и цапф сталеразливочных ковшей. Наплавленный этой лентой металл имеет улучшенную обрабатываемость резанием, что достигнуто снижением содержания углерода и повышением стабильности аустенита по отношению к деформационному мартенситному превращению за счет увеличения степени легирования хромом и марганцем.
Показано, что термообработка, включающая низкотемпературный отжиг при 600-650 °С, обычно проводимая после наплавки для снятия внутренних напряжений, уменьшает стабильность аустенита к деформационному мартенситному превращению, и за счет этого повышает износостойкость на 30-40 % при трении скольжения и качения [6] .
Известно, что наиболее однородные свойства наплавленного металла удается получить при использовании электродной проволоки сплошного сечения. В связи с этим была разработана проволока Нп-14Х14Г12Ф 0 4 мм [7]. Автором проведены исследования свойств металла, наплавленного этой проволокой под флюсами Ан-348 и АН-26. Наплавку выполняли на режимах: сварочный ток 450-500 А, напряжение дуги 30-32 В, скорость наплавки 25-35 м/ч. Механические свойства наплавленного металла приведены в табл. 1.
ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
Таблица 1 - Механические свойства металла, наплавленного 11п-14Х 14Г12Ф
Марка флюса Механические свойства
Предел текучести, Сто 2, МПа Предел прочности, ств, Мпа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % Твердость, НВ
АН-348 580 770 6,5 9,8 350
АН-26 330 680 14,5 22,0 260
Испытания на износ проводились в условиях сухого трения на машине МИ-] М по схеме колодка-ролик. Ролик диаметром 46 мм и толщиной 10 мм изготавливался из стали 50 твердостью 320 НВ. Испытуемые образцы наплавленного металла имели размеры 10x10x25 мм. Скорость вращения ролика составляла 425 об/мин, скорость скольжения - 0,98 м/с, нагрузка -100 МПа. Эталоном сравнения служила отожженная сталь 50. Результаты определения относительной износостойкости после испытания в течение 15 мин. представлены на рис. 1. Для сравнения приводятся также данные относительной износостойкости металла, наплавленного проволоками Св-08Г2С и св-ЗОХГСА под флюсом Л11-348.
з
и А
и 2,5 О х >5
£ 2
•Е ............>Х>Х>
с >*>*>*■'> V,',','
4) __,',',',', \\\\>
£ о,5------—
о >'>'>■>. ;%<!<;.; *«•«*«*«* >х>м;>
о ','.',',> >»:%■ Хч-м
| о —, 1Ш , „
СВ-08Г2С Св-ЗОХГСА Сталь 50 Нп-14Х14Г12Ф Нп-14Х14Г12Ф
+ АН-348 + АН-348 + АН-348 + АН-26
Рис. 1 - Относительная износостойкость наплавленного металла
В металле, наплавленном проволокой 11п-14Х 14Г12Ф под флюсом АН-26, количество мартенсита в структуре увеличивалось от ~5 % в состоянии после наплавки, до ~60 % на поверхности износа. При использовании АН-348 после наплавки количество мартенсита было ~30 %, а после износа оно возрастало до -70 %.
Более высокая износостойкость наплавленного металла в первом случае объясняется оптимальной интенсивностью деформационного мартенситного превращения, обеспечивающего не только требуемое упрочнение поверхности, но и одновременную релаксацию напряжений, что позволяет большую долю внешнего воздействия расходовать на реализацию превращения, а не на разрушение.
На основании полученных данных сделан вывод о том, что использование для наплавки флюса АН-26 является более целесообразным, чем АН-348, так как обеспечивает более высокий уровень механических свойств и износостойкости наплавленного металла, а также лучшую отделимость шлаковой корки.
В работе [8] приведены данные о наплавочном материале 11;II1-6 (ПЛ-Нп-20Г15САФ). Он наиболее экономичен по сравнению с рассмотренными выше на Не-( г-Мп-С основе. Также, как и они, ПЛН-6 обеспечивает получение в наплавленном металле структуры метастабильного
аустенита. Сравнительные испытания в условиях трения качения и трения скольжения показали, что по износостойкости металл, наплавленный лентой ПЛН-6, также как и ПЛН-4 и Нп-14Х14Г12Ф, значительно превосходит металл, наплавленный Св-ЗОХГСА.
В предыдущих случаях рассматривалось применение хромарганцовистых наплавочных материалов для деталей, работающих при нормальной температуре. Вместе с тем в ряде работ показана целесообразность использования таких материалов и в случае повышенных температур эксплуатации. Предложено применять порошковую проволоку ПП-35ЖН (10Х13Г12АФСЮР) для увеличения эксплуатационной стойкости валков пилигримовых станов [9], работающих при температурах 700-800 °С. Анализ их эксплуатационной стойкости показал, что она в 1,40-1,65 раза выше, чем при серийно применяемой наплавке проволокой Св-08Х21Н10Г6. Это объясняется более высокой способностью к упрочнению металла, наплавленного ПП-35ЖН, и его динамическим старением в процессе эксплуатации с выделением дисперсных карбидов и карбонитридов.
Важным направлением, позволяющим реализовать в полной мере преимущества структур с метастабильным аустенитом, является восстановление и упрочнение деталей, подвергающихся износу в сочетании с сильными ударами. Данные условия работы характерны для треф валков и муфт прокатных станов, крестовин железнодорожных и трамвайных путей, деталей автосцепки ж.д. вагонов, молотков, ковшей драг, зубьев землеройных машин и др.
В настоящее время наиболее широко для работы в этих условиях применяются литые детали из стали 110Г13Л. Повышенная износостойкость стали 110Г13Л реализуется при больших статических и динамических нагрузках, вызывающих ее сильный наклеп, но при отсутствии такого нагружения поверхностный слой деталей не упрочняется и изнашивается абразивом подобно углеродистой стали.
Наплавка обычно выполняется для ремонта изношенных литых деталей, что позволяет продлить срок их службы и получить значительный экономический эффект. Однако получение наплавленного металла, соответствующего по составу стали 110Г13Л связано с серьезными технологическими трудностями, так как она склонна к охрупчиванию при перегреве и медленном охлаждении. Эффективным приемом, позволяющим повысить трещиностойкость наплавленного металла, является уменьшение в нем содержания углерода. Сохранение высокой износостойкости при этом обеспечивается за счет реализации деформационного мартенситного превращения при оптимальной интенсивности его развития.
С учетом этого авторами работы [10] предложен наплавочный материал 70Г7Х4Н2М. При его использовании аустенит, получаемый в структуре наплавленного металла, является метастабильным. Исследование рентгенографическим методом изношенной поверхности показало, что в исходной аустенитной структуре образуется до 20 % мартенсита деформации. Использование проволоки 70Г7Х4Н2М для электрошлаковой наплавки черпаков драг обеспечило повышение их долговечность на 20 % по сравнению со сталью 1 ЮГ 13Л.
Показано, что высокую износостойкость в условиях контактно-ударного нагружения можно обеспечить при использовании порошковой проволоки ПП-30Х8Г8СТ [11]. В структуре наплавленного металла наряду с аустенитом содержится 20-30 % мартенсита. Внедрение данной проволоки на Каменск-Уральском заводе ОЦМ показало, что долговечность наплавленных деталей увеличилась в 2-7 раз (шпиндели прокатных станов, ролики правильных машин, крестовины пересечения трамвайных путей и др.).
Для работы в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания применяются обычно наплавочные материалы, обеспечивающие получение в структуре наплавленного слоя значительного количества твердых фаз (карбидов, боридов и др.). Однако их присутствие, хотя и является необходимым, но недостаточным условием высокой износостойкости. Увеличение их количества сверх оптимального для данных условий изнашивания, приводит к охрупчиванию и быстрому разрушению рабочей поверхности.
При этом важную роль играет структура металлической матрицы сплавов, в частности присутствие остаточного аустенита. В литературе приводятся противоречивые данные относительно его оптимального содержания. Одной из причин этого является то, что в подавляющем большинстве случаев при разработке износостойких сплавов, используется лишь качественная оценка условий, в которых они эксплуатируются. Это затрудняет рациональный выбор наплавочного материала для конкретных условий работы.
И.В. Петровым [12] предложено, для характеристики различных условий изнашивания использовать коэффициент динамичности (Кд), определяемый как отношение твердости образца из стали 110Г13Л после изнашивания в данных условиях к его исходной твердости. Сталь 110Г13Л накапливает энергию внешнего воздействия, упрочняясь при этом, а уровень ее упрочнения позволяет судить об интегральной интенсивности ударно-абразивного воздействия.
С учетом Кд проведено изучение абразивной и ударно-абразивной износостойкости наплавленного металла систем Бе-Сг-Мп-С и Бе-Сг-Мп-У-С с различными соотношениями упрочняющих фаз и метастабильного аустенита в структуре [13]. Исследования выполнялись методом планирования эксперимента для различных значений Кд в интервале от 1,2 до 3,5, что соответствует условиям испытаний, варьируемым от абразивного изнашивания практически без ударов, до изнашивания с очень интенсивной ударной нагрузкой. Содержание легирующих элементов в наплавленном металле изменялось в следующих пределах: углерод 1... 3 %, хром 6... 12 %, марганец 2...6 %. Также изучались свойства наплавленного металла дополнительно легированного ванадием в количестве ~3 %. В результате были получены регрессионные зависимости ударно-абразивной износостойкости (в) от химического состава наплавленного металла:
Е(кд=1,2) = 0,98 + 0,68-С + 0,087-Мп - 0,027-Сг + 0,021-С-Сг -
- 0,2-С2 - 0,017-Мп2, (1) в(Кд=1)4) = 0,93 + 0,6-С + 0,11-Мп - 0,018-Сг + 0,017-С-Сг -
- 0,18-С2 - 0,019-Мп2, (2) ескд=1,т) = 1Д7 + 0,41-С + 0,044-Мп -0,018-Сг + 0,017-С-Сг +
+ 0,025-С-Мп - 0,16-С2 - 0,015-Мп2, (3)
е(кд=2,о) = 1,19 + 0,36-С + 0,023-Мп - 0,015-Сг + 0,017-С-Сг +
+ 0,037-С-Мп - 0,18-С2 - 0,012-Мп2, (4)
е(кд=з,5) = 0,77 + 0,866-С + 0,002-Мп - 0,014-Сг + 0,031-С-Мп +
+ 0,01-Сг-Мп-0,34-С2-0,017-Мп2, (5)
При малых коэффициентах динамичности (Кд = 1,2... 1,4) наибольшая износостойкость была получена в наплавленном металле следующего химического состава: 2...2,5 % С, ~12 % Сг, 2...3 % Мп. Его твердость составляла 45...50 НЯС. Структура наплавленного металла преимущественно мартенситно-карбидная, количество остаточного аустенита составляет 256-30 %. В данных условиях ударно-абразивного воздействия легирование наплавленного металла ванадием в количестве до 3 % при одновременном увеличении содержания углерода до 2,5... 3,0 % повышает износостойкость на 10... 15 %.
С увеличением интенсивности ударно-абразивного воздействия, и, соответственно, ростом Кд в наплавленном металле следует уменьшать содержание углерода и увеличивать количество марганца. Так при Кд = 3,5 оптимальным является следующее содержание легирующих элементов: 1,0... 1,7 % С, 5...6 % Мп, ~12 % Сг. Твердость наплавленного металла ~ 40 НЯС. Структура преимущественно аустенитная, при суммарном количестве мартенсита и карбидов в структуре менее 40 %. В данных условиях ударно-абразивного воздействия легирование ванадием неэффективно, поскольку не обеспечивает увеличения износостойкости.
Для различных вариантов интенсивности ударно-абразивного изнашивания, характеризуемых Кд, были разработаны следующие наплавочные материалы: ПЛ-Нп-230Х12Г2 и ПЛ-Нп-250Х10Г4ФЗ при Кд = 1,2...1,4; ПЛ-Нп-200Х12Г2 при Кд = 1,7...2,0; ПЛ-Нп-160Х12Г5 и ПЛ-Нп-100Х6Г4 при Кд = 3,5; а также ПЛ-Нп-200Х12Г5 для более широкого диапазона Кд = 1,4... 3,5.
Наплавку, разработанными порошковыми лентами сечением 18x4 мм, проводят под флюсом АН-26 на режимах: сила тока I = 600-700 А, напряжение II = 28-32 В, скорость наплавки V = 35-40 м/ч. Указанные ленты отличаются хорошими наплавочно-технологическими характеристиками
После наплавки структура и фазовый состав могут отличаться от оптимальных (в частности для обеспечения технологичности). В этом случае, эффективным способом их регулирования является нормализация, а ее режимы должны выбираться с учетом интенсивности ударно-абразивного воздействия (Кд).
Изучалось влияние температуры нагрева при нормализации, которая варьировалась от 800 до 1100 °С (время выдержки 20 мин.), на свойства металла, наплавленного порошковыми лентами ПЛ-Нп-200Х12Г5 и ПЛ-Нп-250Х10Г4ФЗ. Было показано, что с увеличением интенсивности ударно-абразивного воздействия и, соответственно, Кд, необходимо использовать более высокие температуры нагрева при нормализации с целью увеличения количества аустенита в структуре, а также степени его стабильности, за счет дополнительного легирования при растворении части карбидов. В условиях абразивного изнашивания с малой интенсивностью ударного воздействия (Кд = 1,2... 1,4) повышение износостойкости наплавленного металла обеспечивает нормализация со сравнительно невысоких температур (-800 °С). Получаемая при этом структура является преимущественно мартенситно-карбидной, а количество аустенита составляет 20-30 %. Наплавленный металл, содержащий ванадий, при изнашивании в этих условиях обладает более высокой (15-20 %) износостойкостью. При большой интенсивности ударного воздействия (Кд = 2,0... 3,5) наиболее высокую износостойкость обеспечивает нормализация с высоких температур (-1100 °С). При этом в структуре преобладает аустенит (> 70 %), который имеет повышенную стабильность по отношению к деформационному мартенситному превращению. С увеличением количества мартенсита и карбидов в структуре при данных условиях испытаний износостойкость снижается. При Кд = 3,5 после нормализации металл, наплавленный ПЛ-Нп-250Х10Г4ФЗ, имеет примерно такую же ударно-абразивную износостойкость, как наплавленный ПЛ-Нп-200Х12Г5 - не содержащий ванадий.
При наплавке высокоуглеродистых износостойких сплавов обычно имеет место образование трещин. Эффективным технологическим приемом, позволяющим избежать этого, и вместе с тем получить метастабильный аустенит с различным количеством упрочняющих фаз в наплавленном металле, является наплавка низкоуглеродистыми легированными сплавами с их химико-термической обработкой (цементация, азотирование и др.) и последующей термической обработкой, предложенная в работе [14]. Использование этого приема позволяет восстановить наплавкой геометрические размеры изношенных деталей, изготовленных из металла с ограниченной свариваемостью, без образования трещин. При необходимости после ХТО и термообработки может проводиться шлифование.
При абразивном изнашивании наплавленного металла типа 3 0Х ЮГ 10 наибольшая износостойкость получена поле цементации и закалки с 1000 °С. Этому соответствовало получение в структуре наряду с мартенситом и карбидами метастабильного аустенита (>50 %), интенсивно превращающегося в мартенсит под воздействием абразивных частиц. При этом прирост мартенсита деформации составлял - 40 %. Положительный эффект в увеличении износостойкости оказывает и динамическое старение, с выделением карбидов на изнашиваемой поверхности.
Выводы
1. Использование материалов на Бе-Сг-Мп-С и Бе-Мп-С основе позволяет в структуре наплавленного материала получать наряду с другими составляющими метастабильный аустенит, способный претерпевать деформационное мартенситное превращение при нагружении. Это открывает большие возможности в создании новых эффективных экономнолегированных наплавочных материалов, существенно повышающих долговечность деталей машин.
2. Количество и степень стабильности аустенита необходимо регулировать с учетом исходных химического, фазового составов наплавленного металла и условий нагружения. При их оптимизации может быть получен наиболее высокий уровень износостойкости.
3. Повысить технологичность и коррозионную стойкость ранее разработанных наплавочных материалов типа 3 0Х ЮГ 10 можно за счет снижения в них содержания углерода и повышения хрома до 13-14 %
4. Наплавку марганцовистыми и хромо-марганцовистыми материалами следует проводить под флюсами, сохраняющими в наплавленном металле требуемое содержание марганца и других легирующих элементов.
5. Использование коэффициента динамичности (Кд) позволяет количественно оценить различные условия ударно-абразивного воздействия и отказаться от широко используемой качественной оценки, отличающейся большой неопределенностью, а также выбирать наиболее эффективные наплавочные материалы для конкретных условий эксплуатации.
6. С целью управления структурой и стабильностью аустенита в наплавленном металле может быть использована термическая и химико-термическая обработки.
Перечень ссылок
1. Лякишев Н.П. Новые направления в технологии получения материалов с заданными свойствами / Н.П. Лякишее // Металлы - 1992. - № 2. - С. 5-8.
2. Богачев И.Н. Повышение кавитационной стойкости деталей машин / И.Н. Богачев, Р.И. Минц. - М.: Машиностроение, 1964. - 143 с.
3. Богачев И.Н. Кавитационные разрушения и кавитационностойкие сплавы / И.Н. Богачев, Р.И. Минц. - М.: Металлургия, 1972. - 179 с.
4. Разиков М.И. Сварка и наплавка кавитационной стали марки 3 ОХ ЮГ 10 / М. И. Разиков, С.Л. Мельниченко, В.П. Ильин. - М: НИИМАШ, 1964. - 35 с.
5. Износостойкость дисперсионно-твердеющих сталей с нестабильным аустенитом / Л.С. Малинов, В.И. Коноп-Ляшко, В.Д. Панин и др. II Тез докл. II Всесоюзн. научн.-техн. конф. (июль, 1977) Прогрессивные методы сварки в тяжелом машиностроении и наплавки в черной металлургии. / Ждановский металлургический ин-т. - Жданов, 1977. - С. 22-24.
6. Малинов Л.С. Марганецсодержащие наплавочные материалы /Л.С. Малинов, В.Л. Малинов // Автоматическая сварка. - 2001. - № 8. - С. 30-32.
7. Патент UA 23408А Украша, MKI С 22 С 38/38. Склад дроту для зносостшко! наплавки / Л.С. Малтов, В.М. Полещук , ДО. Деркач и др.: - № 96072795; Заявл. 12.07.96; Опубл. 02.05.98, Бюл. №2.
8. Новый наплавочный материал системы C-Fe-Mn-V для повышения долговечности ходовых колес мостовых кранов / Л.С. Малинов, Е.Я. Харланова, A.A. Колечко и др. // Сварочное производство. - 1988. - № 9. - С. 18-20.
9. Порошковая проволока ПП-35ЖН для износостойкой наплавки валков пилигримовых станов /Л.С. Малинов, A.B. Ковалъчук, А.И. Олдаковский и др. // Тез докл. II Всесоюзн. научн.-техн. конф. (июль, 1977) Прогрессивные методы сварки в тяжелом машиностроении и наплавки в черной металлургии. / Ждановский металлургический ин-т. - Жданов, 1977. -С. 17-18.
10. Высокомарганцовистая сталь для электрошлаковой наплавки / В.П.. Пономаренко, А.Я. Шварцер, В.Н. Малъко и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. -1982. -№ 10.-С. 57-60.
11. Разиков Н.И. О выборе наплавочного материала, стойкого при кавитационно-ударном нагружении / Н.И. Разиков, Б.А. Кулешенко // Сварочное производство. - 1967. - № 7. - С. 10-12.
12. Петров И.В. Исследование износостойкости наплавочных материалов при абразивном износе и динамических нагрузка / И.В. Петров: Дис. ...канд. техн. наук. - Москва, 1965. -152 с.
13. Малинов В.Л. Разработка экономнолегированных наплавочных материалов для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания / B.JI Малинов: - Дис. ...канд. техн. наук. - Мариуполь, 2000. - 135 с.
14. Патент UA 63462 А Украша, С 21 Д 1/2. Cnoci6 змщнення / Л.С. Малтов, В.Л. Малтов № 2343704; Заявл. 22.04.2003; Опубл. 15.01.2004, Бюл. № 1.
Статья поступила 18.04.2005
