CC BY
20
ние испытании на сопротивление разрушению при статических и циклических нагру-жениях.
Литература
1. Димет. Применение технологии и оборудования: [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.dimet-r.narod.ru.
2. Далецкий В. А., Бунтов В. Н., Легецкин Ю. А.
Увеличение ресурса машин технологическими методами. М.: Машиностроение, 1978. 215 с.
3. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. 327с.
4. Карпец А. К., Белоусов В. И., Мальцев В. И. Упрочнение деталей авиационных конструкций ППД. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1995. 79 с.
5. Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1985. 519 с.
6. Архипов В. Е., Лондарский А. Ф.. Москвитин Г. В.
и др. Использование газодинамических установок для поверхностной пластической деформации // Заводская лаборатория. 2010. № 4. С. 45-51.
УДК 669:539.2: 621.791.9
Особенности строения наплавочных материалов для рабочих лопаток смесителей
М. А. Скотникова, Г. В. Цветкова, Ю. М. Белов, Н. А. Крылов
Введение
Известно, что примерно 85 % отказов машин и механизмов происходит из-за износа их деталеИ и узлов. Для решения задач увеличения срока службы деталеИ машин используют различные способы поверхностного упрочнения, в частности многослоИные наплавки. Последние нашли широкое применение в производстве разнообразных изделиИ — от крупногабаритных, таких как валки прокатных станов, штампы, до мелких деталеИ типа рабочих лопаток смесителеИ.
В процессе дробления, гранулирования, приготовления различных асфальтобетонных и битумоминеральных смесеИ происходит интенсивное абразивное изнашивание рабочих лопаток смесителеИ, срок службы которых составляет менее двух месяцев, тогда как другие детали смесителеИ приходится менять в три раза реже, что снижает технико-экономические показатели производства [1]. Согласно классификации Международного института сварки, применение наплавок из износостоИких хромистых сталеИ системы Fе—С—Сr—Mn—Si—Ni—W—Mo с повышенным содержанием углерода является одним из весьма эффективных способов повышения
сопротивления абразивному изнашиванию на рабочих лопатках смесителеИ [2]. В условиях абразивного изнашивания наилучшую стоИ-кость имеют многослоИные наплавки с карбидным упрочнением. Однако существенным недостатком высоколегированных наплавочных материалов является снижение их вяз-копластических и прочностных своИств из-за структурноИ неоднородности по сечению наплавки, наличия избыточноИ карбидноИ фазы и появления трещин как в самом процессе наплавки, так и при последующеИ эксплуатации детали [3-5].
Цель настоящеИ работы заключалась в изучении закономерностеИ структурных и фазовых превращениИ в многослоИных наплавочных материалах для повышения износостоИ-кости деталеИ машин.
Результаты механических испытаний
металла лопаток
Материалом для исследования явились 8 опытных износостоИких наплавок, обладающих аустенитно-мартенситноИ структуроИ и различным количеством упрочняющих фаз, которые наносились на сталь 45 с помощью
Химический состав исследованных материалов наплавок
Таблица 1
Легирующий элемент Номер наплавки
1 2 3 4 5 6 7 8
С 0,80 1,80 0,90 1,70 0,80 1,50 0,80 1,60
в! 0,70 0,70 0,70 0,70 0,70 0,70 0,70 0,70
Мп 0,70 0,80 0,90 0,70 0,50 0,80 0,70 0,90
Сг 7,10 6,70 6,60 6,30 10,00 10,40 9,60 10,30
ЫЬ 2,00 0,50 2,20 0,40 0,50 1,80 0,40 2,40
Мо 7,80 4,40 4,40 7,30 7,60 4,50 4,30 7,70
V 2,70 2,60 1,10 1,00 1,20 1,10 1,60 2,70
В 0,05 0,25 0,25 0,05 0,25 0,05 0,05 0,32
Суммарное содержание легирующих элементов 21,80 17,50 16,80 18,10 21,30 20,80 18,10 26,30
Отношение суммарного содержания легирующих элементов к содержанию углерода 27,30 9,70 18,70 10,70 26,60 13,90 22,60 16,40
электродов типа УОНИ 13 под опытными флюсами с восемью различными химическими составами системы Ее—С—Сг—ЫЬ—Мо— V—В——Мп, химический состав которых приведен в табл. 1.
Полученные наплавки обладали высокой суммарной концентрацией карбидообразую-щих легирующих элементов в твердом растворе по сравнению с содержанием углерода, что обеспечивало высокое твердораствор-ное упрочнение наплавочных материалов.
Из полученных наплавок изготавливали стандартные образцы для испытаний на абразивное изнашивание. Критерием оценки относительной износостойкости ? являлось отношение весового износа эталона, которым являлась сталь 45, к весовому износу исследованных наплавочных материалов.
Таблица 2
Свойства исследованныгх материалов наплавок
Номер наплавки Размер зерна D3, мкм Макротвердость, HRC Микротвердость Н50 Относительная износостойкость, е
1 16 27,5 3600 0,63
4 50 50,0 10 640 1,18
7 50 47,0 12 140 1,43
3 30 60,0 8440 1,88
6 40 33,5 7450 3,30
5 30 55,0 12 500 3,44
2 15 58,0 7740 3,66
8 10 61,0 7540 5,89
Износостойкость восьми наплавленных материалов изменялась в широком интервале от 0,63 до 5,89. Полученные структуры имели размер зерен D3 = 10?50 мкм, при твердости металла, достигающей 26-61 HRC и (3600-12 500) Н50. В табл. 2, 3 и на рис. 1, 2, 4, 5 наплавки расположены в порядке возрастания их относительной износостойкости ?, которая сравнивалась с твердостью и размером зерна Dз. Наблюдалось немонотонное, ступенчатое возрастание сопротивления изнашиванию образцов наплавок 1, 4, 7, 3 (I ступень), 6, 5, 2 (II ступень), 8 (III ступень).
Рентгеноструктурные исследования наплавочных материалов
При проведении наплавочных работ все легирующие элементы с различными коэффициентами перехода попадали в наплавленный металл, данный факт определял фазовый и химический состав, структуру и свойства металла. Идентификацию фазового состава наплавок проводили с помощью рент-геноструктурного анализа на дифрактометре Ко1аАех японской корпорации Ш^аки с использованием картотеки ^РБв и персональной ЭВМ.
Во всех исследованных наплавках основными фазовыми составляющими были мартенсит и остаточный аустенит (табл. 3). Кроме того, присутствовали упрочняющие фазы в виде боридов (СгВ2, СгВ) и карбидов (ЫЬС, V2С, Сг2С, Ее2С, Сг7С3. Сг23С6), карбобо-
Фазовый состав исследованных наплавочных материалов
Таблица 3
Содержание, %
Наплавка аустенита упрочняющей фазы Карбиды, интерметаллиды Карбобориды Бориды
1 10 5 ЫЬС, У2С Сг7ВС4 —
4 23 1,4 — Сг7ВС4 —
7 20 1Д — Сг7ВС4 —
3 26 16 ыьс — СгВ2
6 62 9 ЫЬС, Ре2С, (Сг, Ре)7С3 — —
5 48 23 ЫЬС; Сг2С — СгВ, СгВ2
2 47 6 У2С, Ре2С, (Сг, Ре)7С3 — —
8 38 30 ЫЬС, У2С, Сг23С6, (Сг, Ре, Мо)7С3, МРеУ — СгВ, СгВ2
рида (Сг7ВС4) и интерметаллида ^еУ) в зависимости от соотношения содержания кар-бидообразующих легирующих элементов и углерода. Полученные структуры восьми наплавок содержали 10-62 % аустенита, 2985 % мартенсита и 1-30 % упрочняющих фаз. На рис. 1, 2 наплавки расположены в порядке возрастания их относительноИ из-носостоИкости е, которая сравнивалась с размером зерна Д3, количеством мартенситноИ, аустенитноИ и упрочняющих фаз.
Как показано на рис. 1, относительная из-носостоИкость наплавок возрастала по мере уменьшения размера первичных аустенитных зерен Д3, что обеспечивало зернограничное уп-
6
5
4
3
2
1
0
Рис. 1. Диаметр зерна./ исследованных наплавок по мере возрастания их относительной износостойкости е 2
рочнение наплавочных материалов. На рис. 2 относительная износостоИкость наплавочных материалов возрастала по мере уменьшения количества мартенсита, а также увеличения содержания аустенита и упрочняющих фаз. Однако только оптимальное соотношение количества мартенситноИ аустенитноИ и упрочняющих фаз обеспечивает максимальную износостоИкость наплавочных материалов, которая возникает, если их доли примерно равны. Относительная износостоИкость наплавочных материалов возрастала по мере возрастания содержания количества упрочняющих фаз, что обеспечивало дисперсионное упрочнение наплавочных материалов (см. рис. 2).
90
§ 70
в" ё
§ 60 ^
к ё
а, 50 а
*
I 40
и
К
^
ё 30
® ё
0
Рис. 2. Количество мартенсита 1, аустенита 2 и упрочняющих фаз 3 исследованных наплавок по мере возрастания их износостойкости
х 10 мкм
Номер наплавки
Номер наплавки
Таким образом, показано, что износостойкость наплавочных материалов возрастает за счет увеличения твердорастворного, дисперсионного и зернограничного упрочнения материала, то есть за счет увеличения следующих показателей:
• суммарная концентрация карбидообра-зующих легирующих элементов в твердом растворе;
• количество карбидов и карбидосодержа-щих фаз;
• прочностные и вязкопластические свойства (за счет уменьшения размера зерен).
Установлено оптимальное структурно-фазовое состояние наплавочных материалов. Содержание мартенсита 30-40 %, аустенита 35-40 % и упрочняющих фаз 25-30 % в наплавочном материале обеспечивало закрепление максимального количества частиц упрочняющих фаз и достижение максимальной относительной износостойкости е = 5,89 и твердости НИС 61 наплавочных материалов.
Металлографические исследования наплавочных материалов
Для исследования и оптимизации морфологии распределения карбидов и карбидосо-держащих фаз вдоль границ и в теле зерен по мере увеличения износостойкости наплавочных материалов проводили исследования с помощью просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-200 (производственное объединение «Электрон», Украина) методом одноступенчатых угольных реплик и на опти-
ческом микроскопе ММР-4 (ОАО «ЛОМО», Россия).
Каждая обнаруженная фаза имела свои морфологические признаки: карбид ЫЬС во всех сплавах (образцы наплавок 1, 3, 6, 5, 8) входил в состав эвтектики (аустенит + ЫЬС), располагающейся обычно вдоль границ зерен (рис. 3, а). Карбиды хрома (Сг, Ее^Сз прямоугольной неправильной формы (образцы 6, 8) (рис. 5, б) и карбобориды Сг7ВС4 (образцы 1, 4, 7) (см. рис. 3, в), располагались в аусте-нитной составляющей, которая формировалась в виде окантовки зерен со структурой мартенсита. Мелкие, трудно растворимые частицы фазы внедрения карбида V2С округлой формы (наплавки 1,2,8) выделялись, как правило, внутри зерен и обеспечивали измельчение первичных зерен аустенита (рис. 3, г). Частицы боридов СгВ и СгВ2 располагались вдоль границ зерен и вблизи эвтектики (аустенит + ЫЬС) в наплавках 3, 5, 8 (рис. 3, д). Трудно обнаруживаемые когерентные е-карби-ды ЕезС наблюдались в мартенситной структуре в виде высокодисперсных частиц (наплавки 6, 2) (рис. 3, е). Оказалось, что по мере увеличения износостойкости наплавок е в теле зерна и особенно по его границам увеличивается число вторичных фаз и их размер, усложняется конфигурация.
Образцы наплавки 1 обладали самой низкой износостойкостью (е = 0,63). В их ферри-токарбидной структуре практически отсутствовала аустенитная составляющая и мелкие округлые частицы фаз легко выкрашивались из мартенситной основы при абразивном изнашивании, из-за чего снижалась работоспо-
Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения упрочняющих фаз в исследованных наплавках: а — №С; б — (Сг, Ге^Сз; в — СГ7ВС4; г — V2С; д — СгВ; е — Ге2С. х9000
Рис. 4. Структура исследованных номеров наплавок 1(a), 4(6), 7(e), 3(г), 6(d), 5(e), 2(ж), 8(з) по мере возрастания их износостойкости 8. х 1000
собность материала (рис. 4, а). В структуре образцов наплавок 4, 7, 3, соответствующих I ступени повышения износостоИкости (е = = 1,18 ^ 1,88), по границам мартенситных зерен образовывались островки аустенитноИ или аустенитно-ледебуритноИ составляющеИ в котороИ надежно заклинивались и поэтому не выкрашивались, а истирались крупные частицы Сг7ВС4 и СгВ2 (рис. 4, б—г). У образцов наплавок 6, 5, 2, соответствующих II ступени повышения износостоИкости (е = 3,30 ^ ^ 3,66), сформировалась качественно новая структура. По границам твердых зерен с мар-тенситно-карбидноИ структуроИ (М + Ме2С) появилась сплошная окантовка из мягкого остаточного аустенита, которыИ обладал высокими вязкопластическими своИствами и прочно удерживал твердые частицы (Сг, Fе)7Сз и
NbC, в результате чего наплавки имели высокую износостойкость (рис. 4, д—ж).
Следует также отметить, что при трении по абразиву аустенит может полностью или частично претерпевать превращение в мартенсит, это должно приводить к дополнительному повышению относительной износостойкости наплавленного материала. Образцы наплавки 8, соответствующей III ступени повышения износостойкости (е = 5,89), имели
Рис. 5. Схемы структурно-фазового состояния исследованных наплавок: а — наплавка 1:
— У2С; 2 — А + МэС; 3 — Сг7ВС4; б — наплавка 6:
— А + №С; 2 — (Сг,Ее)7С3; 3 — Ре2С; в — наплавка 4:
— Сг7ВС4;
г — наплавка 5:
— А + №С; 2 — Сг2С; 3 — СгВ, СгВ2; д — наплавка 7:
— Сг7ВС4;
е — наплавка 2:
— У2С; 2 — (Сг,Ее)7С3; 3 — Ре2С; ж — наплавка 3:
— А + №С; 2 — СгВ2; з — наплавка 8:
— У2С, Сг23С6; 2 — А + №С; 3 — (Сг,Ре,Мо)7С3; 4 — СгВ, СгВ2; 5 — ЕеУ; М — мартенсит; А — аустенит
структуру с мелкими зернами, окантованными аустенитно-ледебуритной составляющей с большим количеством карбидов, боридов, карбоборидов и интерметаллидов, обеспечивающих наибольшее сопротивление абразивному изнашиванию (рис. 4, з).
Таким образом впервые показано, что износостойкость наплавочных материалов повышается не только с увеличением общего количества, твердости и размеров частиц упрочняющих фаз, но и с формированием оптимальной морфологии распределения карбидов и карбидосодержащих фаз вдоль границ и в теле зерен. Оптимальными свойствами обладает структура из твердых мартенсит-ных зерен диаметром 10-15 мкм, упрочненных дисперсными карбидами типа МезС и оконтурованных мягкой аустенитно-ледебу-ритной оторочкой. Большинство высокопрочных карбидов и боридов хрома, ниобия и ванадия располагались в мягкой оторочке и не выкрашивались.
На основании проведенных исследований была разработана схема структурно-фазового состояния всех наплавочных материалов по мере возрастания их износостойкости в зависимости от размера зерен, количества карбидов и карбидосодержащих фаз, а так же от морфологии их распределения (рис. 5).
Таким образом, износостойкость наплавок определяется комплексом факторов: прочностью матрицы, твердостью, конфигурацией и
распределением упрочняющих фаз; прочностью сцепления матрицы с частицами. Наиболее высокое сопротивление изнашиванию достигается при определенном количественном и качественном структурно-фазовом состоянии наплавок, когда измельченные зерна с мартенситной структурой, упрочненные дисперсными карбидами типа МезС, окантованы пластичной аустенитной или аустенитно-ледебуритной карбидосодержащей фазой. При этом максимальная износостойкость достигается при относительно равном соотношении количества мартенситной, аустенитной и упрочняющей фаз.
Литература
1. Гордиенко В. Н., Попов С. Н. Износостойкие материалы для защиты лопаток асфальтосмесителей // Строительные и дорожные машины. 1988. № 8. С. 18-26.
2. Авт. свид. № 428886. Материал для наплавки / Ю. М. Белов, В. А. Красавчиков, П. И. Сморчков и др. 23.01.1974 г.
3. Скотникова М. А., Белов Ю. М., Сокирянский Л. Ф. и др. Механические свойства и структура наплавленного износостойкого металла. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1994. № 8. С. 20-23.
4. Лившиц Л.С., Гринберг Н. А., Куркумелли Э. Г. Основы легирования наплавленного металла. Абразивный износ. М.: Машиностроение, 1969. 186 с.
5. Хрущов М. М., Бабичев М. А., Козырев С. П. и др. Износостойкость и структура твердых наплавок. М.: Машиностроение, 1971. 93 с.
