CC BY
30
УДК 621.791.92
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ КАРБИДОВ ВОЛЬФРАМА НА СВОЙСТВА И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ С ПОДСЛОЕМ НИКЕЛЯ
© 2016 А.А. Паркин, С.С. Жаткин, А.Б. Сёмин
Самарский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 20.09.2016
Работа посвящена исследованию структуры, механических свойств и износостойкости многослойного покрытия, сформированного ацетиленокислородной наплавкой из карбидосодержащх гибкого шнура, порошкового материала с подслоем и без подслоя никеля. Установлены зависимости изменения величины износа от структуры наплавленного материала и условий наплавки. Ключевые слова: наплавка, порошковый материал, никель, микроанализ, образец, структура.
Долговечность изделий во многом определяется износостойкостью рабочих поверхностей различных элементов узлов, в частности, в буровых долотах ресурс их эксплуатации во многом определяется износостойкостью зубцов. Одним из эффективных методов ее повышения является наплавка твёрдыми и сверхтвёрдыми сплавами. В качестве наплавляемого материала используются порошковые и прутковые материалы.
В данной работе изложены результаты исследований и испытаний образцов, полученных ацетиленокислородной наплавкой карбидосо-держащего прутка: состава 60% карбида вольфрама - 40% никеля с добавками хрома, кремния; порошка состава 80% карбида вольфрама - 20% никеля с подслоем и без подслоя никеля. Аце-тиленокислородная наплавка осуществлялась на цилиндрические и прямоугольные образцы толщиной 15 мм из стали 19ХГНМА (19ХН3МА-В).
Целесообразность применения карбидосо-держащих покрытий обусловлена их высокой твердостью, сопротивляемостью абразивному износу и теплопроводностью, обеспечивающей быстрый отводу тепла вглубь материала заготовки в процессе наплавки и детали в процессе эксплуатации.
Для исследования влияния различных факторов на свойства покрытий наплавка проводилась по различным схемам: 1 - без подслоя никеля наплавлялся компактный материал в виде гибкого прутка (шнура) из композиционного материала 60W040M (образцы №№ 1, 2, 9, 10); 2 - без подслоя никеля наплавлялся тот же компактный материал, но с последующей наплавкой композиционного порошка 80WС20Ni (образцы №№ 7, 8); 3 - также как в схеме 1, но с подслоем из
Паркин Анатолий Алексеевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии». E-mail: laser@samgtu.ru Жаткин Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» . E-mail: laser@samgtu.ru, sergejat@mail.ru Сёмин Александр Борисович, инженер ОАО «Волгабурмаш».
порошкового никеля (образцы №№ 3, 4); 4 - аналогично схеме 2, но с подслоем из порошкового никеля (образцы №№ 5, 6).
В работе проведены исследования микроструктуры; измерения микротвердости; рент-геноспектральный микроанализ наплавленных материалов; проведены локальные испытания на абразивный износ. Исследование микроструктуры позволили установить форму и размеры карбидов для различных условий наплавки.
Из рис. 1 видно, что после наплавки гибкого прутка (шнура) без подслоя никеля формируется карбидосодержащий наплавленный слой с карбидами различной формы у дна зоны расплава с глубиной проплавления заготовки не больше 0,05мм.
Использование подслоя из никеля толщиной до 1 мм (рис. 2) увеличило глубину проплавления материала заготовки до 0,1-0,2 мм, исключило оседание карбидов вольфрама непосредственно до поверхности материала заготовки.
При наплавке трехслойного покрытия, рис. 3: подслой никеля + слой 60WС40Ni (гибкий пруток + слой наплавленного порошка 80WС20M) в поверхностном слое наплавленного материала формируется композиционное мелкозернистое покрытие с равномерным распределением карбидов вольфрама.
При трехслойной наплавке глубина проплав-ления материала заготовки уменьшается.
РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО МИКРОАНАЛИЗА
На рис. 4 - 5 показаны различные области образца №7 (наплавка без подслоя, шнуром (60WC40Ni+порошок 80WC20Ni), в которых проводился элементный микроанализ. В таблице 1 представлены результаты элементного микроанализа в различных зонах наплавки.
Результаты исследования микроанализа представлены в табл. 1.
4 ч J
" ч У
а б в
Рис. 1. Микроструктура образца №2 (без подслоя никеля - шнур 60ШС40№: а - верх зоны наплавки; б - середина зоны наплавки; в - низ зоны наплавки (зона сплавления)
ш
а б в
Рис. 2. Микроструктура образца №4 (подслой никеля+шнур 60ШС40Щ: а - верх зоны наплавки; б - середина зоны наплавки; в - низ зоны наплавки (зона сплавления)
Л® Л. Vs те Яш мъь
ш
штт
IH H ■
■
■
I
Г '
а б в
Рис. 3. Микроструктура образца №5 (подслой никеля +шнур 60ШС40№ + порошок 80ШС20№): а - верх зоны наплавки; б - середина зоны наплавки; в - низ зоны наплавки (зона сплавления)
Рис. 4. Структура и элементный микроанализ зон наплавки образца №7 без подслоя никеля: 004 - зона дна наплавленной ванны из гибкого шнура; 005 - зона наплавленного шнура;
006 - зона наплавленного порошка
Микроанализ показал, что в наплавленный материал происходит восходящая диффузия железа из материала матрицы с уменьшением массового процентного содержания к поверхностному слою.
При наплавке с подслоем никеля (рис. 5) процентное содержание железа уменьшается практически до исходного значения, то есть подслой препятствует проникновению железа в наплавляемый карбидосодержащий материал.
Рис 5. Структура и зона элементного анализа подслоя никеля
Таблица 1. Элементный микроанализ материала заготовки, наплавленного шнура и порошка
№ зоны C O Si Cr Fe Ni W Total
003 (заготовка) 1.82 0.44 0.03 2.42 92.83 1.62 0.85 100.00
004 3.41 1.03 8.41 0.93 6.15 7.42 72.64 100.00
005 2.43 0.59 8.08 1.66 5.64 11.27 70.33 100.00
006 2.50 0.97 7.33 2.87 5.15 24.42 56.49 100.00
Таблица 2. Элементный микроанализ материала подслоя наплавленного никеля
№ зоны C O Si Mn Cr ¥е Ni W Total
007 0.41 0.00 2.12 0.56 9.44 2.27 85.21 0.00 100.00
Из таблицы 2, видно, что в наплавленный подслой входят также хром и кремний. Микроанализ непосредственно карбидов показал, что они имеют практически исходный состав, то есть при температурах ацетиленокислордной наплавки, растворение связующего никеля и других элементов в них не происходит и, следовательно, на свойства карбидов не влияют. В то же время при плазменной наплавке в карбидах вольфрама наблюдается растворение железа и никеля. Результаты измерения микротвердости и ее разброса наплавленных материалов в зависимости от технологии наплавки представлены в табл. 3.
Наименьший разброс значений микротвердости наблюдается при наплавке с порошком карбида вольфрама. Наплавленный карбид вольфрама в виде шнура имеет наибольший разброс значений микротвердости относительно среднего значения. Невысокие значения разброса микротвердости относительно ее средней величины установлены также в зоне наплавки шнура при формировании сферической морфологии карбидов вольфрама.
Сравнительные результаты испытаний на износ при АКН и плазменной наплавке представлены в табл. 4.
Величина износа существенным образом зависит от формы направленных карбидов вольфрама. Округлая форма уменьшает величину износа, что может быть обусловлено проскальзыванием частиц абразива (порошок алмаза 2 -3 мкм) по поверхности карбидных частиц наплавленных материалов. Сравнительный анализ показывает, что при АКН наплавке износ наплавленного материала, содержащего одинаковое процентное карбидов вольфрама, ниже, чем при плазменной наплавке.
Диаграмма испытаний на износ образца №8
- наплавка без подслоя никеля шнуром (60WC 40№) + порошок (80WC 20№) показана на рис. 6.
Диаграмма испытаний на износ образца №9
- наплавка без подслоя никеля шнуром (60WC 40№) представлена на рис. 7.
АНАЛИЗ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ
На образцах с наплавленным шнуром 60WC 40№ без подслоя никеля (образцы №1; №2; №3; №9; №10), наблюдается тенденция к образованию крупных (до 4мм) дефектов в виде пор. Дефекты образуются в основном в области наплавки шнура и в подслое никеля (рис. 8 - 10).
Таблица 3. Результаты измерения микротвердости наплавленных материалов
в зависимости от вида наплавки
№ обр. Вид наплавляемого материала Микротвердость, кг/мм2 Размер карбидов вольфрама в зоне наплавки, мкм
1 Без подслоя никеля, шнур 60ШС40№ 1500±1000 40-100; 110-500; 700900
2 Без подслоя никеля, шнур 60ШС40№ 900±500 40-100; 150-450; 700900
3 Подслой никеля+шнур 60ШС40№ 1000±500 50-150; 170-500; 700900
4 Подслой никеля+шнур 60ШС40№ 800±400 60-100; 120-500
5 Подслой никеля+шнур 60ШС40№+порошок 80ШС20№ 1200±450 До 350 максимальные
6 Подслой никеля, шнур 60ШС40№+порошок 80ШС20№ 900±150 До 300 максимальные
7 Без подслоя никеля, шнур 60ШС40№+порошок 80ШС40№ 1500±400 До 250
9 Без подслоя никеля, шнур 60ШС40№ 1600±500 До 700, сферические карбиды
Таблица 4. Сравниетельные результаты испытаний на износ наплавленных шнура (60Wc40Ni) и порошка (80Wc20Ni) при АКН и CARPENTERMicro-MeltNT-60 при плазменной наплавке
№№ образца 8 9
Состав наплавленного материала Без подслоя никеля Без подслоя никеля,
ЖС60%+№40%(шнур) + ЖС60%+№40%(шнур)
ЖС80%+№20%(порошок)
Структурный Карбиды вольфрама средних Глобулярные карбиды
Фактор размеров (100-250 мкм) с вольфрама, размерами
равномерном распределением до 400 - 1100 мкм
Средняя величина износа, мкм, 22 *23 15*17
(за 600 секунд трения при размере
алмазного порошка 2-3 мкм и силе
нагрузке = 10 кгс).
Средняя величина износа при Ток дуги 70А - 31
плазменной наплавке Ток дуги 85 А - 37
САЯРЕМЕШст-МвНт-бО Ток дуги 100 А - 39
по трем зонам трения, мкм:
РомегСгарИ - 8-1.рдс
Рис. 6. Диаграмма износа образца №8 -наплавка без подслоя шнуром (60WC 40№) + порошок (80WC 20№)
PoweгGгaph - 9-1.рдс
Время От: 0 б До: 603,51 б Точки: 1-60352
Рис. 7. Диаграмма испытаний на износа образца №9 - наплавка без подслоя шнуром (60WC 40№)
Рис. 8. Образец №1 - наплавка шнуром - 60WC 40Ni без подслоя
Рис. 9. Образец №3 - наплавка шнуром (60WC 40Ni) с подслоем никеля
шШ^-Л*
шш-
, 'и -М^^т-Ш^ЛШ '
Рис. 10. Поверхность наплавленных образцов: а - наплавка на поверхности образца № 6 порошкового материала 80WC 20№; б - дефектная структура поверхности образца №9 наплавленного шнуром - 60WC 40№
ВЫВОДЫ
1. При наплавке шнуром, наблюдается образование дефектов в виде пор.
2. При наплавке с применением порошка, дефекты не наблюдаются, поверхность формируется более равномерной и однородной.
3. Образование зоны сплавления и ее глубины в значительной степени зависит от наличия подслоя и процесса реализации технологии наплавки.
4.Технология ацетиленокислородной наплавки дает возможность получить химически чистые карбиды с высокими эксплуатационными свойствами.
5.Структура с крупными глобулярными карбидами обладает большей износостойкостью с минимальным разбросом значений микротвердости, однако наблюдается склонность к образованию дефектов.
6. Величина износа во многом зависит от размеров карбидов и плотности их расположения.
7. Ацетиленокислородная наплавка имеет экономическое преимущество перед плазменной наплавки из-за низкой стоимости оборудования и самой технологии наплавки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Паркин А.А., Жаткин С.С., Минаков Е.А. Влияние структуры и свойств на износ покрытия Micro Melt NT-60 после плазменной порошковой наплавки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. №4(3). С. 847-852.
2. Исследование локального износа покрытий Micro Melt NT-60 и Stellite 190W, полученных плазменной порошковой наплавкой / Е.А. Минаков, С.С. Жаткин, А.А. Паркин, О. С. Фураев, В.Г. Климов // XII международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий
а
в промышленности и экономике». 8-10 декабря 2011 г. Санкт-Петербург, Россия. C. 254-259. 3. Паркин А.А., Жаткин С.С., Минаков Е.А. Оптими-
зация технологии плазменной наплавки порошковых материалов // Металлургия машиностроения.
2011. № 1. С. 44-49.
THE INFLUENCE OF DISPERSION OF TUNGSTEN CARBIDES ON THE PROPERTIES AND WEAR RESISTANCE OF MULTI-LAYERED GAS-THERMAL COVERINGS
WITH NICKEL UNDERLAYER
© 2016 A.A. Parkin, S.S. Zhatkin, A. B. Syomin
Samara State Technical University
The work deals with the research of the structure, mechanical properties and wear resistance of multi-layered covering formed by oxyacetylene cladding from carbide flexible wire, powder material with and without nickel underlayer. Dependence of change of size of wear on the structure of the built-up material and terms of cladding are established.
Keywords: cladding, tungsten carbide, microstructure, wear resistance, microanalysis.
Anatoly Parkin, Candidate of Technics, Professor at the Founding and High-Performance Processes Department. E-mail: laser@samgtu.ru
Sergey Zhatkin, Candidate of Technics, Associate Professor at the Founding and High-Performance Processes Department. E-mail: laser@samgtu.ru, sergejat@mail.ru Aleksandr Syomin, Engineer, "Volgaburmash".
