CC BY
50
МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ. НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.791.92
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ ИЗ ХРОМИСТОЙ СТАЛИ, ЛЕГИРОВАННОЙ КАРБИДОМ БОРА
Е. Н. Еремин1, А. С. Лосев1, С. А. Бородихин1, А.Е. Маталасова1, И. А. Пономарев1, К. Е. Ивлев2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Омский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-180-185
Аннотация - Изучена проблема повышения износостойкости покрытий на деталях широкого круга назначения, полученных наплавкой порошковыми проволоками системы Fe-5Cr. Показано, что незначительная износостойкость таких сталей в условиях трения металла о металл обусловлена относительно невысокой их твёрдостью и отсутствием в них упрочняющих фаз. Исследовано влияние карбида бора на структуру и свойства хромистой стали, полученной наплавкой. Установлено, что использование высокохромистой порошковой проволоки, легированной карбидом бора, обеспечивает получение наплавленного металла композиционного типа, основой дисперсного упрочнения которого является карбоборид хрома. Наплавленный металл с такой структурой обладает высокой твердостью 55...58 HRC и износостойкостью и может использоваться для наплавки упрочняющих коррозионных покрытий.
Ключевые слова: наплавка, покрытия, хромистая сталь, карбид бора, структура, твердость, износостойкость.
I. Введение
Значительная номенклатура деталей различных производств изготавливается из хромистой стали, сочетающей в себе достаточно высокую прочность и коррозионную стойкость [1]. Перспективно их использование в качестве наплавочных материалов для получения износостойких покрытий на детали широкого круга назначения. Увеличение срока службы деталей, наплавленных такими сталями, обеспечивает значительный экономический эффект. Поэтому разработка новых составов износостойких покрытий является актуальной задачей.
II. Постановка задачи
Основой подавляющего большинства хромистых сталей является система Fe - Cr. Именно на этой основе разработаны сплошные стальные и порошковые наплавочные проволоки, содержащие 13 - 17 % хрома [2-4].
В то же время износостойкость таких сталей в условиях трения металла о металл незначительна. Это объясняется относительно невысокой твёрдостью таких сталей и отсутствием в них упрочняющих фаз.
Исходя из этого, задачей работы является получение покрытий из хромистой стали с упрочняющими фазами высокой твердости.
III. Теория
Одним из направлений улучшения свойств наплавленного металла является дисперсионное упрочнение за счет введения в него боридных соединений [5-10]. Особые перспективы открывает легирование наплавленного металла карбидом бора [7, 8, 11, 12]. Вместе с тем особенности применения карбида бора при наплавке хромистой стали порошковой проволокой изучены ещё недостаточно.
В связи с этим в работе исследовано влияние карбида бора на структуру и свойства хромистой стали, полученной наплавкой.
IV. Результаты экспериментов и обсуждение
В качестве объекта исследования была выбрана хромистая сталь 10Х15, полученная наплавкой порошковой проволокой, в состав которой дополнительно введено 2 % карбида бора. Для сравнения исследовали аналогичную сталь без боридов.
Наплавку осуществляли на пластины из стали Ст3 размером 200*50*10 мм опытными порошковыми проволоками диаметром 2,4 мм в аргоне в три слоя. Режим наплавки: сила тока 230 А; напряжение 24 В; скорость наплавки 20 м/ч. Исследовался металл в состоянии после наплавки.
Металлографические исследования наплавленного металла проводили на оптическом микроскопе AXIO Observer A1m (Carl Zeiss). Микроструктура выявлялась химическим травлением в реактиве состава: CuSO4 - 4 г; HCl - 20 мл; H2O - 20 мл.
Электронно-микроскопические исследования проводили на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6610-LV с приставкой Inca-350 энергодисперсионного анализа (ЭДА).
Дюрометрические исследования проводили на образцах из металла после наплавки c помощью твердомеров ТК-2 по методу Роквелла и Shimadzu HMV-2 по методу Виккерса.
Эффективность легирования хромистой стали карбидом бора убедительно проявляется при сопоставлении твёрдости наплавленного металла. Результаты распределения твёрдости по высоте наплавленного валика приведены на рис. 1.
HRC
65,0
55,0 45,0 35,0 25,0 15,0 5,0
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ЮЬ"'ММ -ПП-10Х15+2%В4С — - —ПП-10Х15
Рис. 1. Зависимость величины твердости от расстояния от линии сплавления (0) при наплавке проволоками исследуемых составов
Анализируя полученные данные, можно отметить, что твёрдость для сравниваемых составов наплавленного металла практически равномерно распределяется по высоте покрытия, что, по-видимому, обусловлено неизменностью получаемой в нём структуры вследствие малой доли участия основного металла. Значения твёрдости для металла с бором стабильны и находятся в пределах 55...58 HRC и существенно превосходят твёрдость металла без бора, находящейся в пределах 35.38 ЖС.
Для выявления причин установленных различий проведены металлографические исследования.
Они показали, что наплавленный металл без бора имеет ферритно-мартенситную структуру (рис. 2, а). По границам зерен наблюдается значительные выделения 5-феррита (рис. 2, б).
Рис. 2. Микроструктура металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-10Х15
Результаты исследования микротвердости структурных составляющих металла без бора, приведённые на рис. 3, подтверждают наличие ферритно-мартенситной матрицы, 5-феррита и карбидов. Твердость матрицы невысока и составляет 408...429 НУ. Твердость 5-феррита ещё меньше - 358...376 НУ, а карбидов -551...609 НУ.
№ укола Твердость, НУ0>01* И НУ0,05
1 408
2* 376
3* 358
4* 551
5 429
6* 609
Рис. 3. Области замеров и значения микротвердости структурных составляющих металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-10Х15
Результаты качественного энергодисперсионного анализа (ЭДА), выполненного методом растровой электронной микроскопиии такого металла, приведены на рис. 4.
а)
б)
Рис. 4. Результаты сканирования структуры наплавленного покрытия, полученного порошковой проволокой ПП-10Х15: а) изображение сканируемой микроструктуры; б) концентрационные спектрограммы распределения элементов вдоль линии сканирования
Полученные данные показывают, что основой упрочнения такого металла являются карбиды хрома. Введение в наплавленный металл карбида бора приводит к образованию композиционной структуры (рис. 5). Она имеет выраженный дендритный характер. По границам дендритных ячеек располагается грубая эвтектика. В мартенсиной матрице наблюдается большое количество выделений упрочняющих фаз.
Рис. 5. Микроструктура металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-10Х15+2%В4С
Результаты исследования микротвердости структурных составляющих такого наплавленного металла показаны на рис. 6.
№ укола Твердость, НУо,05
1 499
2 859
3 924
4 532
5 603
6 891
Рис. 6. Области замеров и значения микротвердости структурных составляющих металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-10Х15+2%В4С
Установлено, что твердость матрицы находится в пределах 499.603 НУ. Наблюдается большое количество эвтектики. Твердость выделившихся упрочняющих фаз значительно повышается и находится в пределах 859.924 НУ. Таким образом, микротвердость составляющих такого наплавленного металла значительно превосходит микротвердость составляющих металла без боридов.
Результаты химического состава областей сканирования наплавленного покрытия порошковой проволоки ПП-10Х15+2%В4С, полученные методом ЭДА, приведены на рис. 7.
б)
Рис. 7. Результаты сканирования структуры наплавленного покрытия, полученного порошковой проволокой III 1-10Х15+2%>В4С: а) изображение сканируемой микроструктуры; б) концентрационные спектрограммы распределения элементов вдоль линии сканирования
Как видно из результатов сканирования, основной упрочняющей фазой такого металла является карбоборид хрома. Образование такой упрочняющей фазы с высокой твердостью обеспечивают повышенную износостойкость наплавленного металла.
V. Выводы и заключение
Использование высокохромистой порошковой проволоки, легированной карбидом бора, обеспечивает получение наплавленного металла композиционного типа, основой дисперсного упрочнения которого является карбоборид хрома, обладающий высокой твердостью. Наплавленный металл с такой структурой обладает высокой износостойкостью и может использоваться для наплавки упрочняющих коррозионных покрытий.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-19-01224).
Список литературы
1. Шлямнев А. П. [и др.]. Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: справочник. М.: Проммет-сплав, 2008. 336 с.
2. Наплавочные материалы стран-членов СЭВ. Каталог. Киев; Москва: ВИНИТИ, 1979. 619 с.
3. Степин В. С., Старченко Е. Г. [и др.]. Современные наплавочные материалы для уплотнительных поверхностей арматуры АЭС и ТЭС // Арматуростроение. 2006. № 2. С. 55-56.
4. Юзвенко Ю. А., Кирелюк Г. А. Наплавка порошковой проволокой. М.: Машиностроение, 1975. 45 с.
5. Лякишев Н. П., Плипер Ю. Л., Лаппо С. И. Боросодержащие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1986. 192 с.
6. Артемьев А. А., Соколов Г. Н., Дубцов Ю. Н., Лысак В. И. Формирование композиционной структуры износостойкого наплавленного металла с боридным упрочнением // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. № 2. С. 44-48.
7. Eremin E. N. Using boride compounds in flux-cored wires for depositing maraging steel // Welding International. 2013, Vol. 27, no 2. P. 144-146.
8. Yeremin Ye. N., Losev A. S. Mechanical properties and thermal stability of a maraging steel with borides, deposited with a flux-cored wire // Welding International. 2014. Vol. 28, no. 6. P. 465-468.
9. Zhong L., Xiang C., Yan-xiang L., Kai-hua H. High boron iron-based alloy and its modification // J. of Iron and Steel Research, International. 2009. V. 16, no. 3. P. 37-42.
10. Raghavan V. B - Cr - Fe - Ti (Boron - Chromium - Iron - Titanium) // Journal of Phase Equlibria. 2003. V. 24, no. 5. P. 459-460.
11. Данькин А. А., Светлополянский В. И., Каледа В. Н. Электрошлаковая наплавка карбидов бора и кремния на стальные изделия // Сварочное производство. 1993. № 2. С. 8-10.
12. Шеенко И. Н., Гапонов О. П. Применение карбоборидных соединений в наплавочных материалах // Сварочное производство. 1969. № 5. С. 27-28.
УДК 620.178.1:539.533
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ РАЗРУШЕНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ
Е. Н. Еремин1, В. М. Юров2, С. А. Гученко2, В. Ч. Лауринас2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова, г. Караганда, Казахстан
БОГ: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-185-188
Аннотация - Предлагается экспериментально определять работу разрушения покрытия по их поверхностному натяжению. Поверхностное натяжение покрытия определяется по размерной зависимости его микротвердости. Сравнение работ разрушения многоэлементных покрытий с нитридными покрытиями показывает, что использование многоэлементных покрытий весьма перспективно для машиностроения.
Ключевые слова: поверхностное натяжение, покрытие, микротвердость, работа разрушения покрытия.
I. Введение
Уже в середине прошлого века стало ясно, что необходимо идти не по пути создания дорогих специальных сплавов для нужд многих отраслей промышленности, а разрабатывать технологии нанесения покрытий на уже известные стали и сплавы, которые обладали бы нужными технологическими свойствами. Это связано с тем, что 90% деталей механизмов и машин выходит из строя из-за поверхностного износа.
Появился большой поток публикаций на эту тему, из которых мы отметим лишь работы [1-6], где приведена более обширная библиография.
В последние годы получила развитие концепция высокоэнтропийных или многоэлементных сплавов и покрытий на их основе [7-11].
Стабильность структуры и состава, а также высокие эксплуатационные характеристики высокоэнтропийных систем создают весьма привлекательную возможность формирования на их основе покрытий с целью совершенствования характеристик поверхности или применения их в качестве защитных пленок, препятствующих попаданию вредных примесей в приповерхностные слои.
