CC BY
2
Litvinov Artem Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University (KubSTU),
Buzko Vladimir Yuryevich, candidate of chemical sciences, docent, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University (KubSTU),
Chukarin Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Railway Engineering (RSUPS)
УДК 621.793.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-361-362
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ХРОМА ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬХОЗМАШИН
А.В. Ишков, М.В. Полковникова, В.Н. Маликов, А.О. Катасонов, С.А. Войнаш, В.А. Марков, Р.Р. Загидуллин
Предложен наплавочный материал Fe-Si-Cr-Cu-C-B экономно легированный хромом для упрочнения деталей сельхозмашин методом индукционной наплавки, который способен заменить широко используемые в настоящее время материалы: сормайт № 1,2, ПГ-УС25/27 и аналогичные им. Содержание хрома в новом материале составляет 4.3 %, что в 3-8 раз меньше аналогов. Новый материал получен металлургическим методом, исследованы его фазовый, химический состав и свойства. Главной фазой сплава является ферросилид FeSi n, по границам зерен которого выделяется карбидная фаза - мелкие частицы карбидов Cr2C3, Cr7C3 правильной и игольчатой формы, а также крупные частицы специальных карбидов хрома (Cr,Fe)C3, (Cr,Fe)23Ce. По относительному содержанию, карбиды в новом материале можно условно расположить в следующий ряд: (Cr,Fe)23Ce > (Cr,Fe)7C3 > CrC3 > Cr2C3.
Ключевые слова: индукционная наплавка, хром, упрочнение, карбиды, сельхозмашины.
В современном машиностроении для поверхностного упрочнения деталей сельскохозяйственных машин, выполненных из конструкционных и легированных сталей, широко применяют различные методы создания износостойких покрытий из функциональных материалов: порошковые покрытия, керамика и термостойкие полимеры, одно и многокомпонентные металлические и композиционные гальванические покрытия, твердосплавные покрытия и пр. [1]. Для продления срока службы и сохранения параметров этих деталей их поверхность упрочняют покрытиями высокохромистых чугунов-сплавов и композиционных материалов систем Fe-Cr-C, Ni-Cr-C и др., формируемых, как правило, высокопроизводительным методом индукционной наплавки или напылением [2]. Тем не менее, износостойкость этих материалов, в отдельных случаях (молотки дробилок, ножи измельчителей, лемехи плугов и др.) может оказаться недостаточной [3].
В настоящее время, уже получен ряд новых наплавочных материалов, удовлетворяющих как современным требованиям переработки сельскохозяйственной продукции, так и индукционной наплавки, которые имеют комплекс новых физико-механических свойств. Традиционно новые материалы для индукционной наплавки получают металлургическими методами, создавая материал нужного состава, или используя специальные модификаторы
[4].
Процессы наплавки из-за различий величин вложений тепла и свойств электродных материалов оказывают специфическое влияние на свойства покрытий [3,6-7]. В работе [3] проводилось исследование влияния добавления меди в металл в атмосфере сверхчистого титана. Сплавы переправлялись 4 раза для повышения однородности материала. Установлено значительное ухудшение пластичности металла при несущественном повышении твердости. В [6,7] авторами исследованы высокоэнтропийные сплавы, имеющие в своем составе более 5 элементов в практически равных отношениях. Установлено, что структура такого сплава напрямую влияет на его механические свойства.
Также установлено, что снижение свойств наплавленного металла, как правило, происходит из-за дефектов, которые могут возникнуть в процессе наплавки. Это может приводить к ускоренному разрушению наплавленных покрытий. Современные способы наплавки позволяют регламентировать скорость охлаждения материала наносимых покрытий и управлять процессами их плавления и кристаллизации, формированием структуры и повышением физико-механических свойств [3,6].
Новые материалы можно получать и по инновационным, совмещенным технологиям. Тогда материал образуется непосредственно на поверхности детали, in site, в результате протекания управляемых физических и химических процессов [5]. Например, такими новыми материалами являются разработанные авторами боридные покрытия, получаемые при ТВЧ-нагреве стальных деталей в специальных борирующих смесях, на основе В4С и флюса П-0,66 [6].
Основой этих материалов является эвтектика Fe-B-FeBn, которая может содержать включения различных упрочняющих фаз: бориды легирующих металлов, входящих в сталь (Cr, W, V и др.), либо вещества, отвечающие технологическим требованиям индукционной наплавки, например, интерметаллиды систем Fe-Al, Ni-Al [7].
К таким новым материалам можно отнести и составы, содержащие как упрочняющие фазы, стехиометри-ческие соединения, образующиеся в системе Fe-Si, реализованной в доступном промышленном материале - ферро-силиде FeSin (чугун марки ФС-17).
Целью настоящей работы является исследование возможности получения нового материала для индукционной наплавки, системы Fe-Si-Cr-Cu-C-B, металлургическим методом, а также исследование структуры и свойств покрытий на его основе, полученных индукционной наплавкой.
Материалы и методы. Для получения износостойкого сплава системы Fe-Si-Cr-Cu-C-B металлургическим методом использовали смесь двух чугунов: специального, кислотостойкого - ферросилида, марки ФС-17, и износостойкого, высокохромистого, марки Сормайт № 1 (по-русски), а также электротехнической меди, марки М1, взятых в соотношениях, мас. %:
Ферросилид ФС-17 60...70,
Сормайт № 1 25.20,
Медь М1 15.10.
Все компоненты сплава загружали в завалку шихты, и помещали в кислый (кварцевый) керамический тигель, марки Fornax-Т®, объемом 110 мл. Навески ингредиентов, из расчета на 50 гр. Готового сплава, засыпали в следующей последовательности и состоянии: чугун ФС-17 - в виде кусков, размером 3.5 мм; чугун Сормайт № 1 в виде кусков, размером 3.5 мм; медь М1 в виде отрезков медной проволоки, диаметром 0,5.1 мм, длиной 3.5 мм. Кроме того, в тигель помещали также борирующую шихту, содержащую, мас. %: 80.85 B4C и 20.15 флюса П-0,66. Затем, сверх завалки, в тигель добавляли 2.3 гр. Графита, марки ГЛС-1 и 3.5 гр. Смеси жженной извести и мела (1:1), после чего содержимое тигля перемешивали, слегка встряхивая и постукивая, а затем полученную шихту покрывали слоем из смеси порошков безводной буры и сварочного флюса АН-348А(М), толщиной 1.2 см, организуя пробку, необходимую для очистки поверхности шихтовых материалов от окислов, раскисления ванны расплавленного металла, наведения шлака и предохранения готового сплава от окисления кислородом воздуха и азотирования.
Тигель помещали в вертикальный индуктор, выполненный из медной трубки, с D = 10 мм, термоизолированный асбестом, и подключенный к промышленной ТВЧ-установке ЭЛСИТ-45-75/100, и осуществляли плавку при следующих параметрах: ток индуктора I = 50.75 %, частота f = 45.50 кГц, время t = 80.120 с, с двумя остановами при 60 и 80 с, для наведения и снятия (слива) шлака через боковое отверстие тигля. Плавку завершали по успокоению кипения металла в тигле, и прекращению выделения газов (исчезновение зеленоватого факела меди и искр).
Готовый жидкий сплав быстро выливали вместе со шлаком в ведро с горячей водой (85.95 С°), и, после остывания, извлекали со дна в виде корольков, капель и шариков, предварительно снимая шлак с поверхности воды шумовкой и декантируя воду. После чего готовый сплав промывали водой, затем спиртом и ацетоном и сушили на воздухе. Сплав не притягивается магнитом. Выход готового износостойкого сплава (по материальному балансу исходных металлических компонентов плавки) составил 95.98 %.
Покрытия из нового материала получали индукционным методом, производя наплавку порошковой шихты на основе сплава системы Fe-Si-Cr-Cu-C-B и флюса П-0,66, взятых в соотношении, мас. %:
Сплав системы Fe-Si-Cr-Cu-C-B 80.85,
Флюс П-0,66 20.15.
Слой шихты, толщиной 2.3 мм, с дисперсностью ингредиентов менее 315 мкм, помещали на заготовки из стали 65Г, размером 20x30x5 мм, и осуществляли ТВЧ-нагрев и индукционную наплавку на том же высокочастотном оборудовании при следующих параметрах: ток индуктора I = 85.95 %, частота f = 70.75 кГц, время t = 90.120 с.
У полученных покрытий определяли: температуру плавления шихты (Pt-Rh-термопара, тип R); толщину покрытия (цифровой штангенциркуль); химический состав, рентгено-флюоресцентным методом (прибор X-MET 7500); микроструктуру (комплекс металлографического оборудования: отрезной станок MICRACUT-201, пресс METAPRESS-P, шлифовальная машина DIGIPREP, микроскоп CARL ZEISS AXIO OBSERVER-Z1M); цветное травление образцов для выявления карбидов (10 %-ый щелочной раствор гексацианоферрата (III) калия - реактив Мура-ками); травление покрытий 2.4 %-ый спиртовый раствор азотной кислоты; микротвердость (прибор MH-6).
Результаты и обсуждения. Полученные в работе составы износостойкого сплава приведены в табл. 1.
Таблица 1
Состав шихты для индукционной наплавки износостойкого сплава, и некоторые свойства упрочняющих покрытий из сплава системы ¥г-Б1-Ст-Си-С-В_
№ п.п. Содержание компонентов в шихте, мас. % Температура плавления HT, оС Толщина, мм Примечание (качественные характеристики)
Сплав Флюс
1. 88 12 1210.1220 1,7.2,0 удовлетворительные
2. 87 13 1200.1210 1,5.2,0
3. 85 15 1190.1200 1,0.1,5
4. 92 8 1250.1270 2,0.2,5 время наплавки увеличено на 10-15 %
5. 90 10 1220.1250 2,5.2,7
6. 83 17 1180.1190 1,0.1,2 низкая твердость
7. 81 19 1160.1180 1,0.1,2 низкая твердость, несплошности
Обоснование выбора материалов и состава, предлагаемого нового износостойкого сплава, для его последующей индукционной наплавки на упрочняемую деталь, базировалось на современных теоретических представлениях и передовом практическом опыте создания новых износостойких и наплавочных материалов.
Так например, использование в составе предлагаемого нового износостойкого сплава, экономно легирующего его элемента - хрома (вводимого в состав из Сормайта № 1), предполагает такое его содержание в сплаве и далее - в наплавленном слое, которое, в совокупности с углеродом, будет минимально необходимо и достаточно для того, чтобы в нем могли образовываться хромо-карбидные эвтектики типа А+К2, основными компонентами которых являются игольчатые карбиды хрома СГ7С3 и специальные карбиды (Сг^е)7Сз, которые образуются только при определенном весовом (атомном) соотношение углерода и хрома в материале (табл.2).
Таблица 2
Составы^нового и некоторых известных наплавочных материалов^__
Элемент Fe Сг Си Si № Мп С В
содержание, % мас. Остальное 4,3 8,5 15,3 1,3 2,2 2,5 5,5
Сормайт1 то же 25-31 - 2,8-4,2 3-5 1,5 2,5 -
Сормайт2 то же 13-17 - 1,5-2,2 1,3-2,1 1 3,3 -
ПГ-УС25 то же 38 - 2 1,4 <2,5 4,9
Такие карбиды и спецкарбиды обладают более высокими эксплуатационными свойствами (главным образом, твердостью и износостойкостью), чем высшие карбиды СпСз и карбиды в составе ледебуритной эвтектики, образующейся при индукционной наплавке большинства традиционных износостойких материалов - высоколегированных хромистых чугунов, твердых сплавов и псевдосплавов.
Таким образом, при получении нового наплавочного материала металлургическим способом, по сути, происходит разбавление сормайта № 1 ферросилидом и медью, поэтому содержание самого дорогого легирующего элемента в новом сплаве Сг - снижается, а также изменяется химический состав по другим элементам.
Как показали результаты химического анализа покрытия рентгено-флюоресцентным методом, после расплавления наплавочной шихты на упрочняемой поверхности стальной детали химический состав сплава содержит уже 7...10 % хрома и до 1,0...1,4 % углерода, а также остальные элементы (Сг, Си, №, Мп) что и обеспечивает получение специальных карбидов в наплавляемом износостойком слое и его функциональность (рис.1). При этом медь, специально вводимая в износостойкий сплав, и привносимый сормайтом никель, образуют новую немагнитную фазу - основу сплава, а также повышают ударную вязкость материала.
Из рис. 2 видно, что исходный сплав содержит 3 основные фазы. Главной фазой является ферросилид (серые области), который кристаллизуется в крупнозернистые игольчатые и пластинчатые структуры, по границам зерен которых выделяется карбидная фаза - мелкие частицы карбидов СГ2С3, СГ7С3 правильной и игольчатой формы, а также крупные частицы специальных карбидов хрома (Сг^е)7Сз, (Сг^е)23Сб, которые при травлении реактивом Му-раками окрашиваются в фиолетовый цвет.
При этом по соотношению упрочняющих (карбидных) фаз в материале преобладают крупные полигональные частицы и зародыши (Сг,Ре)2зСб, а также (Сг^е)7Сз игольчатой морфологии, в то время как мелкие частицы СГ2С3 равномерно распределены по границам зерен ферросидида.
По относительному содержанию, карбиды в новом материале можно условно расположить в следующий ряд: (Сг^е)2зСб > (Сг^е>Сз > СпСз > С2С3.
Боридная фаза представлена частицами также различной морфологии. Так, в центре крупных частиц карбидов и в ядрах их зародышей хорошо просматриваются пластинки сложных боридов ^е,Сг)пВ окрашенные по границам в фиолетовый цвет. А в объеме зерен наблюдаются мелкие включения боридов FeB, Fe2B, окрашенные в коричневый цвет. Кроме того, по всей площади материала с незначительной ликвацией по границам зерен видны очень мелкие каплевидные выделения меди, окрашенные в красный цвет.
Рис. 2. Микроструктура (200х) исходного сплава
Как следует из рис.3, при индукционной наплавке нового материала на сталь 65Г произошла определенная трансформация его структуры, вызванная расплавлением более легкоплавкого ферросилида, перекристаллизацией карбидов и образованием также легкоплавкой эвтектики Fe-B-FeBn.
368
В наплавленном слое прослеживаются несколько характерных зон (снизу-вверх): материал основы, в котором в результате термообработки (ТВЧ-нагрев-самозакалка-самоотпуск) сформировалась мелкодисперсная ферри-то-перлитная структура с включениями мартенсита; на границе раздела сталь б5Г-наплавленный материал видна аустенитная прослойка; далее следует собственно наплавленный слой, в котором формируется трехзонная макроструктура, в нижней части слоя наблюдаются дендритоподобные структуры с высокой упорядочностью, которые по результатам микрорентгеноспектрального анализа являются боридами (Fe,Cr)nB и карбоборидами переменного состава Fe(C,B)m, распределёнными в смешанной эвтектике Fe-B, Fe-Si; далее карбориды постепенно уменьшаются в размерах, теряют высокие порядки и начинается переходный слой, основу которого составляетпрактически чистая эвтектика Fe-Si; за ним следует поверхностный слой, содержащий мелкодисперсные карбиды СГ3С2, СГ7С3, (Cr,Fe)7C3 и специальные карбиды СГ23С6 , (Cr,Fe)23C6, распределённые в эвтектике Fe-Si которые при травлении данным реактивом окрашиваются.
Интересно отметить, что средняя микротвердость, измеренная в различных зонах полученного покрытия, оказалась примерно одинаковой и равной 830.920 HV100, доходя в зонах локализации боридов до 1040.1160 HV100, а карбидов - 2400.2450 HV100.
■ '. V Г':' . " Г V. .
Рис. 3. Микроструктура (200х) полученного материала, наплавленного на сталь 65Г
Заключение. Таким образом, металлургическим методом, удалось получить новый наплавочный материал системы Fe-Si-Cr-Cu-C-В для индукционной наплавки, путем совместного сплавления доступных, коммерческих материалов: ферросилида, сормайта № 1, меди, карбида бора и боратного флюса для индукционной наплавки.
Основой нового сплава являются фазы: ферросилида, карбидов и специальных карбидов хрома, а также различных боридов.
При индукционной наплавке нового сплава происходит трансформация его структуры с образованием трех зон с различной микротвердостью.
Благодарности. Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития университета на 2021-2030 годы в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», проект «Аппаратно-программный комплекс для исследования металлических изделий и деталей вихретоковым и лазер-но-акустическим методом».
Список литературы
1. Klebanov B M, Barlam D and Nystrom F E 2008 Machine elements: life and design, CRC Press, 2008.
2. Zum K and Eldis G 1980 Abrasive Wear of White Cast Irons Wear 64. P. 175-194.
3. Mehdi M A Sajjad J and Hassan A 2012 Journal of Iron and Steel Research International, 2012. 19(4). P. 434. Shchegolev A V, Aulov V F and Ishkov A V 2018 IOP Conference Series: Materials Science and Engineer-
012047.
5. Zhou Y.J., Zhang Y. Journal of Alloys and Compounds, 2008. 466 (1-2). P. 201-204.
6. Kishurov V.M., Ippolitov V.N., Kishurov M.V. Russian Engineering Research, 33(12). P. 727-730.
7. Ivanov D.A., Zasukhin O.N. Russian Metallurgy (Metally) 9 39-43.
Ишков Алексей Владимирович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный аграрный университет,
Полковникова Марина Викторовна, ассистент, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный аграрный университет,
Маликов Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Катасонов Александр Олегович, преподаватель, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, [email protected], Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Марков Виктор Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
369
50.
ing 441
Загидуллин Рамиль Равильевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Казань, Казанский федеральный университет
STRUCTURE AND PROPERTIES OF STRENGTHENING COATINGS FROM HARD ALLOYS WITH LOW CHROME
CONTENT FOR AGRICULTURAL MACHINERY PARTS
A.V. Ishkov, M.V. Polkovnikova, V.N. Malikov, A.O. Katasonov, S.A. Voinash, V.A. Markov, R.R. Zagidullin
A surfacing material Fe-Si-Cr-Cu-C-B economically alloyed with chromium has been proposed for strengthening parts of agricultural machines by induction surfacing, which can replace the currently widely used materials: sormite No. 1.2, PG-US25/27 and similar ones. The chromium content in the new material is 4.3%, which is 3-8 times less than analogues. The new material was obtained by metallurgical method, its phase, chemical composition and properties were studied. The main phase of the alloy is ferrosilide FeSin, along the grain boundaries of which a carbide phase is distinguished -small particles of Cr2C3, Cr7C3 carbides of regular and needle-shaped shape, as well as large particles of special chromium carbides (Cr,Fe)7C3, (Cr,Fe)23C6. In terms of relative content, carbides in the new material can be roughly arranged in the following series: (Cr,Fe)23C6 > (Cr,Fe)7C3 > Cr7C3 > Cr2C3.
Key words: induction surfacing, chromium, hardening, carbides, agricultural machines.
Ishkov Aleksey Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State Agrarian University,
Polkovnikova Marina Viktorovna, assistant, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State Agrarian
University,
Malikov Vladimir Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Katasonov Alexander Olegovich, teacher, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher, sergey_voi@mail. ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Markov Viktor Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University
