CC BY
9ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 620.179:621.791.927.5
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
СТРУКТУРА И МИКРОТВЕРДОСТЬ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ, НАПЛАВЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ МЕТОДОМ НА СТАЛЬ С МАРТЕНСИТНОЙ СТРУКТУРОЙ*
С.В. РАЙКОВ, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник Е.С. ВАЩУК, канд. техн. наук, ст. преподаватель Т.Ю. КОБЗАРЕВА, аспирант Е.А. БУДОВСКИХ, доктор техн. наук, профессор В.Е. ГРОМОВ, доктор физ.-мат. наук, профессор (СибГИУ, г. Новокузнецк)
Поступила 24 мая 2013 Рецензирование 10 июля 2013 Принята к печати 15 июля 2013
Райков С.В. - 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Сибирский государственный индустриальный университет, e-mail: budovskih_ea@physics.sibsiu.ru
Методами световой микроскопии исследованы покрытия, наплавленные различными марками порошковых проволок на закаленную сталь Hardox 400 с мартенситной структурой. Покрытия толщиной 5 мм характеризуются слоистым строением. Поверхностный, приповерхностный и промежуточные слои покрытий имеют дендритную структуру. Между осями дендритов выявляются зернистые включения карбидов и боридов железа и ниобия с микротвердостью 1500 HV. Микротвердость покрытий, наплавленных проволоками EnDOtec DO*33 и SK A 70-G 2, содержащими карбиды и бо-риды ниобия, увеличивается до двух раз по сравнению с основным материалом и достигает 900 HV. Микротвердость покрытий, наплавленных проволокой EnDOtec D0*30, не содержащей ниобий, составляет 700 HV.
Ключевые слова: сталь Hardox 400, покрытия, электродуговая наплавка, структурно-фазовые состояния, микротвердость.
Введение
риалов. За счет содержащихся в порошковой прово-
Для защиты металлов и сплавов от изнашивания, локе добавок легирующих элементов обеспечивается
коррозии, высокотемпературного окисления и дру- надежная защита расплавленного металла от воздей-
гих внешних воздействий используются плазменные ствия воздуха и высокие механические свойства по-
[1-5], лазерные [6, 7], электронно-лучевые [8-10] и крытий.
другие методы нанесения покрытий с высоким уров- Цель настоящей работы - изучение структуры
нем требуемых свойств. Однако, как правило, они и распределения микротвердости по глубине изно-
не позволяют обеспечить износостойкость поверх- состойких покрытий, наплавленных электродуго-
ностей ковшей экскаваторов, кузовов самосвалов и вым методом на мартенситную сталь для защиты
других деталей и конструкций при интенсивных на- от абразивного изнашивания в условиях ударных
грузках. Одним из простых и эффективных методов нагрузок. повышения их прочности и долговечности является
электр°дуговая наплавка пор°шковой проволокой [4, Материалы и методы исследования 11], которая применяется на предприятиях всех отраслей промышленности для защиты от разрушения В качестве материала исследования применяли деталей и узлов, в частности, от абразивного изна- сталь Hardox 400, химический состав которой пришивания, для предэксплуатационного упрочнения и веден в табл. 1. Твердость стали в закаленном состоя-изготовления биметаллических (двухслойных) мате- нии составляет 370 HB.
: Работа выполнена при поддержке госзадания Минобрнауки № 2.4807.2011.
Химический состав стали На^ох 400
Химический элемент С 81 Мп Р N В 8 Мо Бе
Содержание, % 0,18 0,70 1,60 0,01 0,004 0,025 0,01 0,25 Ост.
Таблица 1 вый раствор азотной кислоты. Время травления составляло 20 с. Измерения микротвердости проводили на приборе ИУ8-1000Л.
Результаты и обсуждение
Таблица 2
Химический состав проволоки БпБ01ес Б0*30
Химический элемент С 81 Мп Р N1 В Бе
Содержание, % 0,50 0,40 1,40 0,02 0,01 3,70 Остальное
Таблица 3 Химический состав проволоки ЕпБ01ес Б0*33
Химический элемент С 81 Мп Р Сг № Бе
Содержание, % 2,06 0,65 2,51 0,03 13,48 6,36 Остальное
Таблица 4 Химический состав проволоки 8К А 70-0
Химический элемент С 81 Мп Сг № В Бе
Содержание, % 2,60 0,60 1,70 14,80 4,70 2,20 Остальное
Наплавку осуществляли порошковыми проволоками - БпБ01ес Б0*30 (проволока 1), БпБ01ес Б0*33 (проволока 2) и 8К Л 70-0 (проволока 3) (табл. 2-4) диаметром 1,6 мм. Твердость слоев наплавки согласно спецификации проволок составляет 67, 68 и 67 ИЯС соответственно. Наплавку проводили в среде защитного газа состава Лг 82 %, С02 18 % при сварочном токе 250... 300 Л и напряжением на дуге 30.35 В.
Световую микроскопию поперечных шлифов осуществляли с использованием прибора 0Ншри8 0X51. Для травления покрытий использовали 3 %-й спирто-
Световая микроскопия поперечных шлифов покрытий показала, что толщина наплавленных слоев достигает 5,0.5,5 мм. По глубине покрытий выделяются 4 слоя (рис. 1), которые отличаются друг от друга контрастом травления, поверхностный 1, приповерхностный 2, промежуточный 3 и с тонкой прослойкой 4 на границе с основой. Их толщина составляет 3,5.4,0, 0,25.0,40, 0,25 и 0,01 мм соответственно. В зоне термического влияния, располагающейся ниже покрытия, также выделяется тонкий слой 5 толщиной 0,04 мм (рис. 1, 2). Общая толщина зоны термического влияния составляет 4 мм.
В структуре слоя 1 выделяются ден-дриты с осями второго порядка (рис. 3). Среднее значение расстояния между ними составляет 3 мкм. Расстояние между осями дендритов первого порядка составляет 20 мкм. Между ними наблюдаются кристаллические включения размерами от 2 до 16 мкм. Исходя из спецификации наплавленной проволоки можно считать, что кристаллические включения являются карбидами или боридами железа и ниобия. В слое 1 выявляются продольные и поперечные трещины, что говорит о его хрупкости, обусловленной наличием карбидов и боридов. Микротвердость включений составляет 1500 НУ. Слой 1 плавно переходит в слой 2 (рис. 1), который характеризуется скоплением включений боридов и карбидов, характерные размеры которых достигают 6 мкм. В слое 2
1
2
1
2
3 3
1=4 5 мкм
Рис. 1. Слоистая структура покрытия, наплавленного проволокой 3
Рис. 2. Структура покрытия на границе с зоной термического влияния, наплавленного проволокой 2
МАТЕРИАЛОВЕ,
Рис. 3. Дендритная структура слоя 1 (а) и зернистые включения между
осями дендритов (б)
Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине наплавленых покрытий: проволока 1; проволоки 2, 3
формируется мелкодисперсная структура с размерами зерен около 3 мкм (рис. 1, б). В слое 3, имеющем мелкодисперсную структуру, выделяются дендриты с осями второго порядка, среднее расстояние между которыми составляет 5 мкм. Расстояние между осями дендритов первого порядка составляет 15... 50 мкм. В слоях 2 и 3 также наблюдаются включения карбидов и боридов. В слое 3 карбиды и бориды располагаются между осями дендритов второго порядка (рис. 1, б). Отношение плотностей распределения карбидов и боридов в слоях 1-3 равно 1:3:7 соответственно, что говорит об увеличении плотности распределения боридов и карбидов железа и ниобия по глубине. Зона термического влияния имеет закалочную структуру с кристаллами мартенсита пакетного и пластинчатого типа (рис. 2) и характеризуется наличием пористости.
Микротвердость наплавленных покрытий остается неизменной по всей глубине до 3,7.4,0 мм (рис. 4). В случае наплавки проволокой 1 среднее значение микротвердости упрочненного слоя составляет 700 НУ, что в 2-3 раза больше микротвердости основного материала. Уровень микротвердости покрытий, наплавленных проволоками 2 и 3, составляет 900 НУ, что в 3 раза больше микротвердости основного материала. Различия в уровне микротвердости покрытий могут быть обусловлены
содержанием карбидов и боридов ниобия в порошковых проволоках. Опыт показывает, что покрытия, наплавленные проволокой 3, обладают наибольшей износостойкостью.
Выводы
При наплавке стали НаМох 400 различными марками порошковых проволок формируются покрытия со слоистой структурой общей толщиной около 5 мм. Поверхностный, приповерхностный, промежуточные слои покрытий имеют дендритную структуру, между осями которых наблюдаются зернистые включения боридов и карбидов железа и ниобия с микротвердостью 1500 НУ. Микротвердость покрытий, наплавленных проволоками ЕпБОгес Б0*33 и 8К А 70-0 2, содержащие карбиды и бориды ниобия, составляет 900 НУ, а проволокой Еп-БОгес Б0*30 - 700 НУ.
Список литературы
1. Тюрин Ю.М., Жадкевич М.Л. Плазменные упрочняющие технологии. - Киев: Наукова Думка, 2008. -266 с.
2. Погребняк А.Н., Тюрин Ю.Н. Модификация свойств материалов и осаждение покрытий с помощью плазменных струй // Успехи физических наук. - 2005. -175. - № 5. - С. 515-544.
3. Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е. Формирование структуры, фазового состава и свойств элек-троэрозионностойких покрытий, полученных методом электровзрывного напыления // Заготовительные производства в машиностроении. - 2013. - № 1. - С. 36-43.
4. Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии. Сварка, нанесение покрытий, упрочнение. - М.: Машиностроение, 2008. - 406 с.
5. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов: учебник / В.А. Грибков, Ф.И. Григорьев, Б. А. Калин и др. - М.: Круглый год, 2001. - 528 с.
6. Астапчик С.А., Голубев В.С., Маслаков А.Г. Лазерные технологии в машиностроении и металлообработке. - Минск: Белорусская наука, 2008. - 251 с.
7. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технические процессы лазерной обработки. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. - 664 с.
8. Электронно-лучевая наплавка износостойких и коррозионно-стойких покрытий на низкоуглеродистую сталь / И.М. Полетика, С.А. Макаров, М.В. Тетюцкая, Т. А. Крылова // Известия Томского политехнического университетата. - 2012. - Т. 321. № 2. - С. 86-89.
9. Белюк С.И., Самарцев В.П., Гальченко Н.К., Дампилон Б.В., Раскошный С.Ю., Колесникова К.А.
Электронно-лучевая наплавка в черной металлургии // Физическая мезомеханика. - 2006. - Т. 9. - Спец. выпуск. - С.157-160.
10. Буйносов А.П. Наплавка гребней бандажей промышленных электровозов без выкатки колесных пар
// Вестник транспорта Поволжья. - 2012. - № 4. -С. 3-11.
11. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / пер. с япон. В.П. Попова; под ред. В.С. Степина, Н.Г. Шестеркина. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.
Obrabotka metallov
N 3 (60), July-September 2013, Pages 80-83
Structure and microhardness wear resistant coatings welding by the electric arc method on martensitic steel
S.V. Raykov, E.S. Vaschuk, T.Yu. Kobzareva, E.A. Budovskikh, V.E. Gromov
Siberian State Industrial University, Kirov st., 42,
Novokuznetsk, 654007, Russia
E-mail: budovskih_ea@physics.sibsiu.ru
Abstract
Coatings fused by different grades of cored wires on quenched steel Hardox 400 with martensitic structure are studied by light microscopy. Coatings with a thickness more than 5 mm are characterized by a layered structure. The surface, subsurface and intermediate layers of the coatings have a dendritic structure. Between dendritic branches granular inclusions of carbides and iron and niobium borides with microhardness 1500 HV are revealed. Microhardness of the coatings fused by EnDOtec DO * 33 and SK A 70-G 2 wires, containing niobium carbides and borides, increases increase by a factor of two in comparison with the base material and reaches 900 HV. Microhardness of the coatings fused by EnDOtec DO * 30 wire, that doesn't contain niobium, is 700 HV.
Keywords: Steel Hardox 400; Coatings; Electric arc welding; Structural-phase states; Microhardness.
References
1. Tjurin Ju.M., Zhadkevich M.L. Plazmennye uprochnjajushhie tehnologii (Plasma hardening technology). Kiev, «Nau-kova Dumka», 2008. 266 p.
2. Pogrebnjak A.N., Tjurin Ju.N. Uspehi fizicheskih nauk, 2005, vol. 175, no. 5, pp. 515-544.
3. Romanov D.A., Budovskih E.A., Gromov V.E. Zagotovitel'nyeproizvodstva v mashinostroenii, 2013, no. 1, pp. 36-43.
4. Sosnin N.A., Ermakov S.A., Topoljanskij P.A. Plazmennye tehnologii. Svarka, nanesenie pokrytij, uprochnenie (Plasma technologies. Welding, coating, hardening). Moscow, Mashinostroenie, 2008. 406 p.
5. Gribkov V.A., Grigor'ev F.I., Kalin B.A., Jakushin V.L. Perspektivnye radiacionno-puchkovye tehnologii obrabotki materialov: Uchebnik (Prospective radiation beam-material processing technologies: Textbook). Moscow, Kruglyj god, 2001. 528 p.
6. Astapchik S.A., Golubev V.S., Maslakov A.G. Lazernye tehnologii v mashinostroenii i metalloobrabotke (Laser technologies in mechanical engineering and metal working). Minsk, Belorusskaja nauka, 2008. 251 p.
7. Grigor'janc A.G., Shiganov I.N., Misjurov A.I. Tehnicheskie processy la-zernoj obrabotki (Technical Processes laser treatment). Moscow, Вauman Moscow State Technical University, 2006. 664 p.
8. Poletika I.M., Makarov S.A., Tetjuckaja M.V., Krylova T.A. Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universitetata, 2012, vol. 321, no. 2, pp. 86-89.
9. Beljuk S.I., Samarcev V.P., Gal'chenko N.K., Dampilon B.V., Raskoshnyj S.Ju., Kolesnikova K.A. Fizicheskaja me-zomehanika, 2006, vol. 9, special issue, pp. 157-160.
10. Bujnosov A.P. Vestnik transporta Povolzh'ja, 2012, no. 4, pp. 3-11.
11. Hasui A., Morigaki O. Naplavka i napylenie (Building-up and spraying). Translated from Japanese: Popova V.P.; Edited Stepina V.S., Shesterkina N.G. Moscow, Mashinostroenie, 1985. 240 p.
