CC BY
105
УДК 669.018 : 620.178167.001.5
В. Л. МАЛИНОВ (Приазовский государственный технический университет, Мариуполь)
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МЕТАСТАБИЛЬНОГО АУСТЕНИТНОГО ХРОМОМАРГАНЦЕВОГО НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
В работе показано, что за счет применения рациональных режимов отпуска, поверхностной пластической деформации, цементации с последующей нормализацией, может быть существенно повышена износостойкость при сухом трении металла со структурой метастабильного аустенита, полученного наплавкой проволокой ПП-Нп 14Х12Г12СТ.
Ключевые слова: режим отпуска, деформация, метастабильный аустенит, цементация, нормализация, структура
Постановка проблемы
Ресурсосбережение является одной из главных задач, решаемых на предприятиях. Это обусловлено постоянно растущими ценами на железорудное сырье, другие материалы и, как следствие, на металл. Электродуговая наплавка является одним из наиболее широко применяемых в промышленности способов восстановления деталей, и инструментов. Современные наплавочные материалы зачастую не обеспечивают долговечности, а также в ряде случаев содержат в своем составе большое количество дорогих легирующих элементов (никеля, молибдена, вольфрама и др.). В результате ремонт оборудования требует больших затрат и их снижение является актуальной проблемой.
Перспективным направлением решения этой задачи является создание на Бе-Сг-Мп-С основе наплавочных материалов, а также повышение свойств наплавленного металла с применением термической, химико-термической и деформационно-термической обработок. При этом эффект достигается за счет получения в сплавах, наряду с другими составляющими метастабиль-ного аустенита, превращающегося в мартенсит при нагружении в процессе эксплуатации.
Анализ последних исследований и публикаций
На развитие мартенситных превращений расходуется значительная часть энергии внешнего воздействия и, соответственно, ее меньшая доля идет на разрушение. При этом важно управлять структурой и развитием мартенсит-ных превращений, оптимизируя их применительно к конкретным условиям [1, 2]. Впервые идея создания метастабильных аустенитных сталей высказана в работах И. Н. Богачева и Р. И. Минца в середине 50-х годов прошлого века и реализована ими для создания кавитаци-
онностойких сталей [3, 4]. Первые наплавочные материалы этого типа были созданы под руководством М. И. Разикова. К ним относятся электроды УПИ 30Х10Г10 и порошковая проволока ПП-20Х10Г10Т [5]. Их широкому применению препятствовала трудная обрабатываемость резанием наплавленного металла. Это обусловило необходимость разработки наплавочного материала, обеспечивающего достаточную износостойкость и лучшую обрабатываемость резанием. Последнее может быть достигнуто за счет снижения в наплавленном металле содержания углерода, сильно упрочняющего аустенит и мартенсит деформации, образующийся при нагружении. В связи с уменьшением содержания углерода для повышения износостойкости целесообразно было легировать наплавленный металл кремнием и титаном - для получения мелкозернистой структуры и армирования аустенита карбидами. С учетом этого, для повышения долговечности быстроизнашивающихся деталей машин и механизмов, работающих в условиях сухого трения и контактного нагружения, разработана порошковая проволока ПП-Нп 14Х12Г12СТ [6], позволяющая получить в наплавленном металле структуру малоуглеродистого хромомар-ганцевого метастабильного аустенита, превращающегося при трении в мартенсит.
Цель статьи
Показать новые возможности повышения износостойкости за счет наплавки деталей порошковой проволокой ПП-Нп 14Х12Г12СТ, в сочетании с последующими различными упрочняющими обработками.
Изложение основного материала
Во многих случаях для наплавки деталей работающих в условиях сухого трения и кон© Малинов В. Л., 2011
тактного нагружения в настоящее время используют проволоки ПП-Нп 18Х1Г1М или Нп-30ХГСА, которые не позволяют получить высокую износостойкость наплавленного металла. Это обусловлено тем, что после низкотемпературного отжига проводимого с нагревом 550600 оС для снятия напряжений после наплавки, в структуре наплавленного металла преобладает ферритная составляющая, имеющая низкое сопротивление разрушению.
Наплавку опытных образцов проводили в шесть слоев под флюсом АН-26 на пластину толщиной 30 мм из стали ВСтЗсп. Режим наплавки: сила тока I = 350-400 А, напряжение и = 35-40 В, скорость наплавки V = 40...45 м/ч. Фазовый состав наплавленного металла определялся методом рентгеноструктурного анализа. Износостойкость определялась на опытных образцах размером 10х10х25 мм, вырезанных из наплавленного металла. Испытания износостойкости при сухом трении проводились по схеме колодка-ролик на установке М1-М. Ролик изготавливался из рельсовой стали М76 и термообрабатывался на твердость 320 НВ.
Изучалось влияние на износостойкость металла, наплавленного ПП-Нп 14Х12Г12СТ, температуры отпуска при температурах 250, 450 и 650 оС (выдержка 1 ч), холодной поверхностной пластической деформации и цементации. Эталоном сравнения служил металл, полученный наплавкой широко применяемой для восстановления крановых колес порошковой проволокой ПП-Нп 18Х1Г1М, после отжига при 600 оС, имеющий твердость 260 НВ.
Установлено, что наплавленный металл без последующей термообработки в 3,5 раза превосходит по износостойкости эталон (рис. 1).
Отпуск образцов, наплавленных ПП-Нп 14Х12Г12СТ, на 250 и 450 оС снизил их относительную износостойкость до в = 3,1 и 2,9, соответственно, а нагрев на 650 оС напротив, повысил до в = 4,5. Определение методом рент-геноструктурного анализа количества мартенсита, образовавшегося на изнашиваемой поверхности, позволило объяснить наблюдаемую закономерность. Снижение износостойкости после отпуска при 250 и особенно 450 оС обусловлено стабилизацией аустенита по отношению к динамическому деформационному мар-тенситному превращению. Отпуск при 650 оС напротив, активизирует это превращение. Данный вывод подтверждают следующие данные.
В наплавленном металле, не подвергнутом термообработке, количество образовавшегося мартенсита деформации составляет 15 %. Отпуск
при 250 и 450 оС, соответственно, снижает его количество до 12 % и 9 %, а отпуск при 650 оС увеличивает количество мартенсита деформации до 25 %. Важно подчеркнуть, что после наплавки обычно проводят отпуск при 600.650 оС для снятия внутренних напряжений в деталях и наплавленном слое, и именно этот режим обеспечивает наибольшую износостойкость при наплавке ПП-Нп 14Х12Г12СТ ( рис. 1). Данные лабораторных исследований, показавшие высокую износостойкость металла, наплавленного ПП-Нп 14Х12Г12СТ, подтверждены промышленными испытаниями на ОАО«ММК им. Ильича» крановых колес, долговечность которых в 5 раз превысила серийные, восстановленные проволокой ПП-Нп 18Х1Г1М.
т, ос
И ПП-Нп 14Х12Г12СТ □ ПП-Нп 18Х1Г1М
Рис. 1. Относительная износостойкость наплавленного металла после отпуска 1 ч при различных температурах
Твердость металла, наплавленного ПП-Нп 14Х12Г12СТ, не превышает 280 НВ. В ряде случаев она не достаточна, т. к. возможно изменение размеров деталей из-за смятия. Известен способ упрочнения деталей поверхностной пластической деформацией (ППД), которая осуществляется обкаткой роликом или обдувкой изделия стальной или чугунной дробью или др. [7]. Для получения различного количества мартенсита в поверхностном слое наплавленного металла осуществлялась ППД обкаткой роликом поверхности наплавленного металла на строгальном станке. Степень деформации варьировалась усилием прижатия ролика и/или количеством проходов. При этом изменялось количество мартенсита деформации, образующегося в поверхностном слое наплавленного металла, его твердость и износостойкость (табл. 1). Количество мартенсита деформации (магнитной фазы) контролировалось в процессе ППД с помощью ферритометра ФА-1М по величине тока отрыва.
Таблица 1
Твердость и износостойкость металла, наплавленного 14Х12Г12СТ, при различных количествах магнитной фазы (мартенсита) после ППД
Характеристики Без ППД Варианты ППД
1 2 3 4 5 6
Ток отрыва, мА 210.230 240.260 270.290 300.320 330.350 360.380 390.410
Количество магнитной фазы, % 14.16 19.21 24.26 29.31 34.36 39.41 44.46
Твердость НВ 260.280 290.310 320.340 350.370 380.400 410.430 440.460
Относительная износостойкость 3,5 4,0 4,7 5,3 5,1 4,9 4,2
Установлено, что наибольшая износостойкость (в > 5), достигается после ППД, когда в структуре поверхностного слоя образуется оптимальное количество мартенсита (29... 36 %). При этом активизируется динамическое деформационное мартенситное превращение в процессе изнашивания (прирост мартенсита составляет 30.35 %). Твердость поверхностного слоя после проведения ППД повышается, что предупреждает изменение размеров деталей из-за смятия. Обычно при использовании ППД стремятся повысить твердость поверхности деталей до максимально возможного для материалов уровня. Однако применительно к наплавленному металлу со структурой метаста-бильного аустенита это недопустимо, поскольку приводит к образованию большого количества мартенсита уже после обработки и уменьшает его образование в процессе эксплуатации, что снижает износостойкость.
Эффективным способом повышения износостойкости, изученным в данной работе, является цементация. Следует отметить, что наплавка износостойкими высокоуглеродистыми
материалами требует подогрева деталей, однако и это не всегда предотвращает образование трещин. Эффективным технологическим приемом, является наплавка малоуглеродистыми вязкими аустенитными сплавами с последующей цементацией [8]. Это позволяет восстановить геометрические размеры изношенных деталей, гарантировано исключив образование трещин. Обработка резанием наплавленного металла в этом случае не представляет затруднений. После этого осуществляется цементация рабочего слоя и, при необходимости, термическая обработка.
Цементация опытных образцов металла, наплавленного ПП-Нп 14Х12Г12СТ, проводилась при 950 оС (8 ч) с последующей нормализацией, предусматривающей нагрев до температур 850, 950 и 1050 оС (выдержка 20 мин). Влияние цементации и последующей нормализации на свойства наплавленного металла приведены в табл. 2.
Таблица 2
Влияние цементации и последующей нормализации с различных температур на свойства металла, наплавленного ПП-Нп 14Х12Г12СТ
Температура нагрева, оС 850 950 1050
Количество аустенита, % 38.40 50.52 95.97
Прирост мартенсита деформации, % 20.22 28.30 18.20
Твердость, НВ 450.470 350.370 280.320
Относительная износостойкость, в 6,2 6,5 5,7
После нормализации в поверхностном слое образуется мартенситно-аустенитно-карбидная структура. Карбиды располагаются внутри зерен, а также в виде сетки по их границам. Переходный слой имеет аустенитную структуру с карбидной сеткой. Структура последующих слоев преимущественно аустенитная с небольшим количеством в- и а-фаз. Твердость поверхностного слоя снижается при увеличении температуры нормализации от 850 до 1050 оС из-за увеличения количества аустенита в струк-
туре. Наибольшую износостойкость (в = 6,5) при сухом трении имеют образцы металла, наплавленного предложенной порошковой проволокой, после цементации и нормализации с нагревом на 950 оС (табл. 2). Аналогичный результат получен и в случае, когда образцы наплавленного металла непосредственно после цементации охлаждались на воздухе. Полученные результаты показывают, что для достижения наиболее высокой износостойкости в условиях сухого трения не следует стремиться по-
лучить наиболее высокую твердость, как это обычно принято. Напротив, необходимо чтобы в структуре наряду с карбидами присутствовал метастабильный аустенит (~50 %), интенсивно превращающийся в мартенсит деформации в процессе нагружения.
ВЫВОДЫ
1. Формирование в наплавленном металле метастабильного аустенита при контролированном его превращении, открывает широкие возможности повышения долговечности деталей машин и инструментов.
2. Отпуск металла со структурами метаста-бильного аустенита, позволяет изменять износостойкость при сухом трении в широком диапазоне значений. Наибольшая износостойкость обеспечивается при температурах отпуска 600650 оС, за счет оптимального соотношения процессов выделения карбидов и деформационного мартенситного превращения.
3. Поверхностная пластическая деформация способствует приросту износостойкости металла после наплавления ПП-Нп 14Х12Г12СТ пропорционально количеству мартенсита. Максимальная твердость (350-400 НВ ) соответствует содержанию мартенсита на уровне 30-35 %.
4. Дополнительное изменение износостойкости металла после наплавления ПП-Нп 14Х12Г12СТ, может быть достигнуто цементацией с последующей нормализацией от 950 оС, когда в структуре кроме карбидо - мартенсит-
ной смеси, присутствует ~50 % остаточного
аустенита.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Малинов, Л. С. Экономнолегированные сплавы с мартенситными превращениями и упрочняющие технологии [Текст] / Л. С. Малинов, В. Л. Мали-нов. - Х. : ННЦ «ХФТИ», 2007. - 352 с.
2. Малинов, Л. С. Ресурсосберегающие экономно-легированные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие эффект самозакалки [Текст] / Л. С. Малинов, В. Л. Малинов. - Мариуполь : Рената, 2009. - 568 с.
3. Богачев, И. Н. Повышение кавитационной стойкости деталей машин [Текст] / И. Н. Богачев, Р. И. Минц. - М.: Машиностроение, 1964. - 143 с.
4. Богачев, И. Н. Кавитационные разрушения и кави-тационностойкие сплавы [Текст] / И. Н. Богачев, Р. И. Минц. - М. : Металлургия, 1972. - 179 с.
5. Разиков, М. И. Сварка и наплавка кавитацион-ной стали марки 30Х10Г10 [Текст] / М. И. Разиков, С. Л. Мельниченко, В. П. Ильин. - М. : НИИМАШ, 1964. - 35 с.
6. Патент иА № 84493, В23К 35/368. Порошковий дргг [Текст] / Л. С. Малшов, В. Л. Малшов ; опубл. 27.10.2008, Бюл. № 20.
7. Матерiалознавство [Текст] / С. С. Дяченко [та ш.]. - Х. : Вид-во ХНАДУ, 2007. - 440 с.
8. Патент ИА №63462, С21 Д1/2. Споаб змщнення [Текст] / Л. С. Малшов, В. Л. Малшов ; опубл. 15.01.2004, Бюл. № 1.
Поступила в редколлегию 03.11.2011.
Принята к печати 09.11.2011.
МАЛ1НОВ В. Л.
П1ДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 МЕТАСТАБ1ЛЬНОГО АУСТЕН1ТНОГО ХРОМОМАРГАНЦЕВОГО НАПЛАВЛЕНОГО МЕТАЛУ
У робот показано, що за рахунок використання рацюнальних режимiв вщпуску, поверхнево! пластично! деформацп, цементацп з наступною нормалiзацieю може бути суттево пвдвищена зносостшшсть при сухому терп металу 3i структурою метастабшьного аустенпу, отриманого наплавленням дротом ПП-Нп 14Х12Г12СТ.
Ключовi слова: режим ввдпуску, деформация, метастабшьний аустешт, цементащя, нормалiзацiя, структура
MALINOV. V.
THE INCREASED OF WEAR-RESISTANT METAL WITH STRUCTURE METASTABLE CROME-MANGANESE AFTER MELTING
In work is shown, that at the expense of application of rational modes tempering, superficial plastic deformation, cementation with the subsequent normalization, can be essentially increased wear resistance at dry friction of metal with structure metastable austenite, which received deposition by a wire ПП-Нп 14Х12Г12СТ.
Keywords: modes tempering, deformation, metastable austenite,cementation, normalization, structure
