CC BY
75
_дгггтг^|гттнг.п /07
-1 (7а), 201а/ vf
mm
АТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621 .762 Поступила 09.01.2014
в. г. ЩЕРБАКОВ, БНТУ
снижение температуры плавления диффузионно-легированных сплавов для индукционной наплавки
В работе исследовано влияние предварительной высокотемпературной обработки на структурообразование диффузионно-легированных отходов высокохромистой чугунной дроби. Выявлены изменения микроструктуры, микротвердости и химического состава отходов дроби после высокотемпературной обработки. Предложена предварительная ресурсо-и энергосберегающая технология обработки диффузионно-легированной дроби для индукционной наплавки.
Influence ofpreliminary high-temperature processing on structure formation of the diffusion- alloyed waste of high-phosphorus cast iron shot is investigated. Changes of microstructure, microhardness and chemical composition of the shot waste after high-temperature processing are revealed. The preliminary resource-and energy saving technology of the diffusion- alloyed shot for induction deposit welding is offered.
Введение
В настоящее время определенное распространение получили диффузионно-легированные (ДЛ) сплавы для получения защитных покрытий [1-3] . Использование дисперсных стальных, чугунных отходов является перспективным при разработке ДЛ сплавов . Разработаны различные композиционные покрытия после лазерной обработки [4] . Успешно используются покрытия, полученные магнитно-электрическим упрочнением [5] . Разработаны поверхностно-легированные проволоки для наплавки быстроизнашиваемых деталей машин [6] . Традиционно для получения защитных покрытий из ДЛ сплавов значительное внимание уделяется высокотемпературным способам их нанесения (электродуговая, электроискровая, лазерная наплавка, электроискровое упрочнение, плазменное напыление и др . ) . Металлические отходы на железной основе для производства ДЛ сплавов для индукционной наплавки используются значительно реже [1, 3] . Как правило, при упрочнении и восстановлении деталей индукционной наплавкой используют наплавочные порошки типа У30Х28Н4С4 (сормайт № 1), У45Х35ГЗР2С (ФБХ-6-2), сплавы на основе кобальта, вольфрама и никеля и др . [7] . Полученные износостойкие покрытия из указанных сплавов на рабочих органах почвообрабатывающих машин (РОПМ) относительно дорогие, а сплавы на основе кобальта, вольфрама и никеля, кроме высокой стоимости, имеют избыточные экс-
плуатационные свойства Поэтому для индукционной наплавки на РОПМ с обеспечением эксплуатационных характеристик наплавленного слоя предложено использовать более дешевый наплавочный ДЛ сплав, полученный из отходов чугунной дроби [1,3,8] . Наличие тугоплавкой боридной оболочки на каждой частице отрицательно сказывается на расплавлении при индукционной наплавке Для повышения качества наплавленного слоя и снижения термического воздействия на подложку применяют циклический нагрев и (или) добавляют в шихту специальные легкоплавкие флюсы Данные меры негативно сказываются как на продолжительности процесса наплавки, так и на качестве получаемых защитных покрытий, а также себестоимости готовой продукции . Таким образом, актуальными являются вопросы, связанные с повышением технологических свойств ДЛ сплавов для индукционной наплавки
Цель работы заключалась в изучении путей снижения температуры плавления борированного порошка ИЧХ28Н2 предварительной кратковременной высокотемпературной обработкой для улучшения его наплавляемости при индукционной наплавке на РОПМ
Материалы и методика исследований
Исходным материалом являлись дискретные отходы высокохромистого чугуна ИЧХ28Н2 (ГОСТ 11547-75) после электроэрозионной обработки от-
98/1 (74)
iimmrniittrrrfi
(74), 2014-
ливок . Гранулометрический состав определяли ситовым методом по ГОСТ 18318-78 . Толщину борид-ных слоев, особенности структуры и морфологию исследовали с помощью металлографических микроскопов МИМ-7, ММУ-3У42, МИ-1, Planar 1M . Микродюрометрические исследования проводили на приборе ПМТ-3 согласно ГОСТ 2999-75 . Химический состав борированной дроби оценивали ми-крорентгеноспектральным анализом на сканирующем электронном микроскопе VEGA II LMU с микроанализатором INCA energy 350 (фирма Oxford Instruments, Англия) . ДЛ дроби проводили во вращающейся электрической печи [9] . Насыщающая смесь - карбид бора с активатором, температура - 950 °С, время обработки - 1 ч . Сепарацию осуществляли ситовым способом Обработку ДЛ дроби проводили на плазменной установке УПУ-3Д (параметры оплавления: сила тока I = 330-350 А, напряжение U = 75 В, газ-азот), установке для дуговой сварки в среде аргона с вольфрамовым электродом (параметры: сила тока I = 33-35 А, напряжение U = 22-25 В), а также на разработанной установке для обработки металлического порошка [10] .
Исследование
оплавленной ДЛ дроби ИЧХ28Н2
Оплавление ДЛ дроби из высокохромистого чугуна ИЧХ28Н2 фракцией 100-200 мкм в плазмотроне УПУ-3Д изменяет микротвердость по сечению порошинки В поверхностном слое наблюдается резкое снижение значений микротвердости с 10000-12000 до 7000-9000 МПа, а в ядре - незначительное повышение с 4000-4500 до 50005500 МПа Происходит частичное оплавление бо-ридного слоя в системе FeB-Fe2B и образование определенного количества эвтектики, что обеспечивает снижение микротвердости в приповерхностном слое частицы [11] . Микроструктура оплав-
ленной ДЛ дроби по слоям представляет собой следующее: стекловидный фрагментарный слой оксида бора на поверхности дроби; высокобори-стая эвтектика, полученная вследствие оплавления боридного слоя на поверхности частицы; далее частично сохранившийся боридный слой; низкобо-ристая эвтектика, полученная при контактном эвтектическом плавлении боридного слоя и чугунного ядра и в центре ядро белого чугуна [11] .
Исходя из анализа поверхности ликвидус части системы Fe-B-C, построенной различными исследователями [2], можно полагать, что оплавление ДЛ дроби в плазмотроне приводит к контактному эвтектическому плавлению тугоплавкой боридной оболочки и образованию эвтектического сплава с температурой плавления порядка 1000-1100 °С . Аналогичные результаты были получены при оплавлении на установке дуговой сварки в среде аргона с вольфрамовым электродом [11, 12] .
Исследование оплавляемости на установке УПУ-3Д и установке для дуговой сварки в среде аргона с вольфрамовым электродом позволило разработать экспериментальную установку для предварительной высокотемпературной обработки ДЛ сплава из отходов чугунной дроби для индукционной наплавки, на которой были проведены дальнейшие исследования [11] . После обработки в экспериментальной установке произошло полное расплавление ДЛ дроби с последующей кристаллизацией и образованием эвтектического сплава (рис . 1) . Существенные изменения произошли в микродю-рометрической картине чугунных частиц (рис 2) Тугоплавкие боридные слои FeB и Fe2B, образовавшиеся на поверхности дроби в процессе диффузионного легирования, полностью расплавились Пористость в диффузионном слое при этом существенно снизилась Из композиционной структуры (чугунное ядро и боридная оболочка),
Рис . 1 . Микроструктура диффузионно-легированной чугунной дроби ИЧХ28Н2: а - исходная ДЛ дробь;
б - ДЛ дробь после оплавления
¡тгте/оо
1(74), 2014/
Рис . 2 . Распределение среднего значения микротвердости по сечению ДЛ дроби ИЧХ28Н2: а - исходная ДЛ дробь;
б - ДЛ дробь после оплавления
Распределение ^ и N1 в ДЛ дроби до и после оплавления
Спектр (см . рис . 1) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
До Сг 14,33 15,03 12,98 15,35 9,65 17,84 19,58 23,46 19,47
№ 0,10 0,21 0,21 0,17 1,20 0,25 0,19 0,21 0,23
После Сг 9,63 6,10 6,87 8,18 6,79 6,31 6,85 12,47 14,99
№ 0,31 0,36 0,29 0,29 0,30 0,33 0,33 0,29 0,20
Спектр (см. рис . 1) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18)
До Сг 18,00 20,72 12,51 3,32 8,84 14,93 11,4 12,86 17,93
№ 0,44 0,17 0,32 0,96 1,25 0,29 0,12 0,01 0,11
После Сг 5,69 11, 37 17,03 10,17 16,74 20,68 9, 32 16,24 5,99
№ 0,32 0,22 0,19 0,34 0,24 0,10 0,19 0,02 0,40
образованной после диффузионного легирования, микроструктура дроби после оплавления трансформировалась в эвтектический сплав . Произошло изменение распределения среднего значения микротвердости от центра к краю ДЛ дроби до и после обработки . Микротвердость в приповерхностных слоях снижается с 10000-12000 до 7000-9000 МПа, в центральной части ДЛ дроби - с 6000-8000 до 5000-7000 МПа . Образование эвтектического сплава изменило распределение легирующих элементов по сечению диффузионно-легированной частицы (см . таблицу) . Традиционно легирующие элементы оттесняются в глубь частицы растущим диффузионным слоем [1-3] . Аналогичная картина была обнаружена для ДЛ частиц до оплавления Минимальное содержание Сг составляет 3,44%, максимальное - 24,14, среднее - 15,46% . Минимальное содержание № 0,02%, максимальное -1,35, среднее - 0,37% После обработки произошла гомогенизация химического состава Минимальное значение Сг в ДЛ дроби после обработки составляет 5,69%, максимальное - 20,68, среднее -10,65% . Минимальное значение № в ДЛ дроби после обработки составляет 0,03%, максимальное -0,40, среднее - 0,26% . Повышенное содержание Сг
и № на границе диффузионный слой-металлическая основа и в ядре обусловлено диффузией элементов к центру порошинки в процессе насыщения бором . Равномерное распределение Сг и № по сечению дроби после высокотемпературной обработки подтверждает полное расплавление дроби с последующей кристаллизацией . Снижение среднего значения Сг и № в обработанной ДЛ дроби после оплавления обусловлено частичным выгоранием легирующих элементов при расплавлении чугунной дроби в окислительной атмосфере
Выводы
Установлено, что кратковременное высокотемпературное воздействие с оплавлением диффузионно-легированной дроби ИЧХ28Н2 позволяет получить из композиционного порошка, содержащего тугоплавкую боридную оболочку, эвтектический гомогенный сплав с меньшей температурой плавления, что повлияет на технологические и эксплуатационные свойства получаемых индукционной наплавкой защитных покрытий Снижение температуры плавления ДЛ дроби ИЧХ28Н2 позволит повысить качество получаемого индукционной наплавкой защитного по-
1 1 (74), 2014-
крытия, а, следовательно, и его эксплуатационные свойства.
Предложен эффективный технологический подход, позволяющий кратковременным высоко-
температурным воздействием влиять на структу-рообразование и технологические свойства ДЛ сплава из отходов дроби ИЧХ28Н2 для индукционной наплавки
Литература
I.П а н т е л е е н к о Ф .И . Самофлюсующиеся диффузионно-легированные порошки на железной основе и защитные покрытия на них . Мн . : УП «Технопринт», 2001.
2 .В о р о ш н и н Л. Г , П а н т е л е е н к о Ф .И . , К о н с т а н т и н о в В . М. Теория и практика получения защитных покрытий с помощью ХТО . 2-е изд . , перераб . и доп . Минск: ФТИ; Новополоцк: ПГУ, 2001.
3 .К о н с т а н т и н о в В . М . Диффузионно-легированные сплавы для защитных покрытий: дис . ... д-ра техн . наук . Минск, 2008 .
4 . Лазерная обработка износостойких газотермических композиционных покрытий / О . Г. Девойно, А . С . Калиниченко, М. А . Кардопалова. Минск: БНТУ, 2011.
5 . П а н т е л е е н к о Е . Ф . Самофлюсующиеся композиционные порошки из борированных отходов стальной и чугунной дроби для магнитно-электрического упрочнения и восстановления деталей машин: автореф . дис . ... канд . техн . наук . Минск, 2009 .
6 . Д а ш к е в и ч В .Г. Поверхностно-легированная стальная проволока для наплавки деталей машин, работающих в условиях абразивного изнашивания: автореф . ... канд . техн . наук . Минск, 2009 .
7 . Восстановление деталей машин: Справочник / Ф . И . Пантелеенко [и др . ]; под общ . ред . В . П . Иванова. М. : Машиностроение, 2003
8 . Индукционная наплавка твердых сплавов / В . Н . Ткачев [и др . ]; под общ . ред . В . Н . Ткачева. М. : Машиностроение, 1970 .
9 . Вращающаяся электрическая печь для химико-термической обработки сыпучего материала: пат. 15412 Респ . Беларусь; МПК7 F27B 7/14 / В . М. Константинов, О . П. Штемпель, В . Г. Щербаков; заяв . Бел. нац. техн. ун-т. - № а 20091415; заявл . 05 . 10 .09; опубл . 28 .02 .12 // Афщыйны бюл. / Нац. центр штэлектуал. уласнасцi. 2012 . № 1. С . 143 .
10 . Заявка № и20130804 от 08 .10 .2013 на выдачу патента РБ на полезную модель «Установка для обработки металлического порошка» / В М Константинов, В Г Дашкевич, В Г Щербаков
II.Щ е р б а к о в В .Г. Анализ путей снижения температуры плавления диффузионно-легированных наплавочных порошков // Инженерия поверхностного слоя деталей машин: Материалы II Междунар . науч. -практ. конф . Минск, 2010 г. БНТУ Минск, 2010 .С . 119-120 .
12 . Щ е р б а к о в В .Г. , Ч у г а е в П .С . Влияние кратковременного высокотемпературного воздействия и предварительного диффузионного легирования на температуру плавления сплавов на железной и медной основах / В . Г Щербаков, П . С . Чу-гаев // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка: материалы 10-й Междунар . науч . -техн . конф . Минск, 12-14 сент. 2012 г. Минск: Беларуская навука, 2012 .
