CC BY
38
УДК 621.791.75
Б. В. Ефременко, канд. техн. наук А. Г. Белик, д-р техн. наук С. Л. Макуров Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРУ ПОКРЫТИЯ ИЗ
Сг-М-Б! ЧУГУНА
Описаны характерные особенности микроструктуры покрытия, наплавленного Сг-Ы1-Б1 чугуном «Сормайт» в магнитном поле. Установлено, что наложение магнитного поля с индукцией 28 мТпозволяет диспергировать первичную структуру покрытия за счет уменьшения размеров дендритов, эвтектических колоний, карбидов М7С. Также повышается устойчивость аустенита к эвтектоидному превращению, что проявляется в уменьшении объемной доли троостита в металлической матрице.
Ключевые слова: наплавка, магнитное поле, карбиды, аустенит, троостит.
Введение
Применение магнитного поля (МП) при дуговой сварке и наплавке известно достаточно давно; например, оно описано в классических работах [1-3]. Магнитное поле позволяет перемещать и даже вращать дугу относительно шва (наплавки), что дает возможность управлять процессами наплавки, величиной зоны перегрева, формой наплавленного валика и другими параметрами [2, 3]. Кроме того, наложение МП на зону сварки (наплавки) повышает металлургическое качество (плотность) металла шва (наплавленного слоя). В работах [4, 5], отмечено снижение глубины проплавления основного металла и увеличение скорости расплавления электродной проволоки под воздействием МП. Имеются данные об измельчении структуры металла шва при сварке дугой, колеблющейся в поперечном магнитном поле [6]. Известно применение наплавки в магнитном поле для восстановления изношенных деталей [7, 8]. Несмотря на большое количество опубликованных материалов, влияние МП на фазово-структур-ное состояние слоев, формируемых электродуговой наплавкой, остается недостаточно изученным. Особенно это касается покрытий триботехнического назначения, состоящих из большого количества упрочняющих твердых фаз (карбидов, боридов, нитридов, и проч.). Данные покрытия по химическому составу и структуре соответствуют высоколегированным белым чугу-нам, содержащим в структуре с карбидные (боридные) эвтектики. Наложение магнитного поля может влиять на кристаллизацию эвтектики, предопределяя ее строение и свойства.
Целью данной работы являлось исследование влияние продольного магнитного поля на микроструктуру и свойства широко применяемого в промышленности наплавочного материала «Сормайт», соответствующего по своему химическому составу высокохромистому чугуну.
Материал и методики исследований
Материалом исследований служило покрытие «Сормайт», полученное электродуговой наплавкой порошковой лентой ПЛАН-101 (табл. 1) на поверхность листа толщиной 30 мм из стали 09Г2С (ГОСТ 5520).
Таблица 1 - Номинальный химический состав порошковой ленты ПЛАН 101
Содержание, масс. %
С Сг Мп N1
3,0 25,0 2,0 3,0 3,0
Наплавка проводилась при следующих параметрах: ток дуги - 700±50 А, напряжение - 32±2 В, вылет - 50 мм, скорость наплавки - 32 м/ч, скорость подачи - 41 м/ч. Наплавку осуществляли на механизированном автомате АД-1004 с источником питания ВДУ -1200. Контрольный образец (№ 1) наплавляли без наложения магнитного поля, опытный образец (№ 2) - при наложении продольного магнитного поля индукцией 28 мТ. Магнитное поле получали с помощью водоохлаждаемого соленоида (200 витков, сечение провода - 9 мм2), по которому пропускали ток силой 10 А и частотой 50 Гц. Индукцию магнитного поля замеряли теслометром 43205. Сечение наплавленного валика представлено на рис. 1.
4й:
22 23 2к 25
Рис. 1. Наплавленный валик в сечении
© Б. В. Ефременко, А. Г. Белик, С. Л. Макуров, 2016 28
СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1
Наплавленные образцы остывали на спокойном воздухе, после чего их разрезали абразивным кругом с водяным охлаждением для получения сечения валика, перпендикулярного направлению наплавки. После шлифовки и полировки по стандартной методике поверхность шлифов подвергали длительному травлению при комнатной температуре в спиртовом 4 %-ном растворе азотной кислоты. Микроструктуру исследовали с применением оптического микроскопа Nikon Eclipse M200 и электронного сканирующего микроскопа (СЭМ) JSM-6510 LV Объемную долю карбидов подсчитывали по электронным изображениям микроструктуры с применением компьютерной программы PixelAnalizer, разработанной на кафедре металловедения и термической обработки ПГТУ Микротвердость структурных составляющих замеряли с помощью твердомера FM-300 (Future-Tech) при нагрузке 50 г. с усред-
нением значений 5-7 замеров, выполненных в определенной области образца.
Экспериментальная часть и анализ полученных результатов
По своей структуре наплавленные покрытия относились к белым чугунам. Их основными структурно-фазовыми компонентами являлись аустенит и карбиды хрома М7С3. Наличие матричной фазы в виде ГЦК-твер-дого раствора было обусловлено гамма-стабилизиру-ющим влиянием никеля, а присутствие гексагональных карбидов М7С3- высокой концентрацией хрома в порошковой ленте. Распределение микроструктуры по толщине покрытия представлено на рис. 2. Сечение наплавки в направлении от границы сплавления к поверхности можно условно разделить на пять зон примерно одинаковой протяженности.
б
Рис. 2. Распределение микроструктуры по сечению наплавленного слоя: а - образец № 1; б - образец № 2
Рис. 3. Микроструктура образца № 1: а - граница сплавления с основой (зона 1); б - зона 2; в, г - зона 4
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2016
29
В контрольном образце (№ 1) на границе сплавления с основой присутствует так называемый «белый слой» (БС), состоящий из бескарбидной прослойки аус-тенита толщиной до 30 мкм, в пределах которой отмечается наличие трещин напряжения (рис. 3 а). «Белый слой» наплавки граничит с мартенситным слоем подложки, образовавшимся в результате насыщения основы легирующими элементами (Сг, N1, 81) из сварочной ванны. От аустенитного слоя в направлении поверхности располагаются вытянутые дендриты аустенита длиной 50.. .120 мкм, разграниченные участками «розеточ-ной» карбидной эвтектики «аустенит + Ме7С3».
В зоне 2 столбчатые дендриты сменяются разо-риентированными дендритами с поперечным сечением 9.21 мкм. Колонии карбидной эвтектики включают пластинчатые карбиды (Сг, Бе)7С3; в сечении шлифа эти карбиды имеют в длину до 40 мкм и в поперечном сечении - 0,5.2,5 мкм. Металлической матрицей является аустенит с микротвердостью 550600 НУ. Ближе к поверхности (зоны 3-5) в образце .№1 присутствуют ориентированные аустенитные дендри-ты, развитые до осей третьего порядка: их длина по оси первого порядка достигает 250 мкм, а поперечное сечение ветвей - 7.21 мкм.
Начиная с первого слоя в структуре покрытия появляются темные участки, как правило, располагающиеся внутри эвтектических колоний и окружающие эти колонии (рис. 3 в, г). По мере приближения к поверхности наплавки количество темных участков и занимаемая ими площадь возрастают. Известно, что в присутствии повышенного количества кремния даже в высокохромистом чугуне может выявляться графит, существенно снижающий абразивную и эрозионную износостойкость чугуна [9]. В то же время, подобную темную окраску имеет и троостит - тонкопластинчатый эвтектоид, образующийся в высоколегированных сплавах в ходе эвтектоидной реакции «аустенит ^ феррит + карбиды» [10]. Для идентификации темной структурной составляющей применили сканирующий электронный микроскоп, который выявил присутствие высокодисперсной феррито-карбидной смеси (троостита) с пластинами цементита толщиной 0,15.0,30 мкм (рис. 3 г). Согласно [9] присутствие перлитных структур нежелательно для сплавов, работающих в условиях интенсивного абразивного и эрозийного изнашивания.
Распределение микроструктурных зон по сечению образца № 2, наплавленного в МП, представлено на рис. 2 б. Сопоставление двух образцов № 1 и № 2 показывает, что наложение магнитного поля в процессе наплавки привело к существенным изменениям в микроструктуре наплавленного металла. Прежде всего, речь идет об уменьшении размеров дендритов и измельчении карбидов, входящих в состав карбидной эвтектики. Сама эвтектика приобрела более диспергированный характер, сформировавшись в веерообразные скопления карбидных волокон толщиной 0,3.0,6 мкм, вытянувшихся в направлении от основы к поверхности наплав-
ки. В длину эти колонии имеют 30.60 мкм, в поперечном сечении - 4.8 мкм (рис.4 а).
Шщмщмм
Г.У ^ ,
б
Рис.4. Микроструктура образца № 2: а - зона 3; б - зона 5
Можно предположить, что эффект диспергирования первичной структуры был вызван процессами электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне формирующегося валика. Это привело как к увеличению количества центров кристаллизации твердых фаз за счет снижения энергии зарождения критического зародыша, так и к дроблению кристаллов аустенита, растущих в направлении интенсивного теплоотвода - к границе сплавления с основой.
Наряду с измельчением карбидов возросла объемная доля эвтектики, приблизившись в слоях с 3-го по 5-й к 100 %. Слой 3 фактически имеет эвтектическую структуру без дендритов первичного аустенита (данные о параметрах микроструктуры покрытия сведены в табл. 2). Еще одной отличительной особенностью наплавки в магнитном поле стало резкое уменьшение площади, занимаемой трооститом (рис. 4 б). Это указывает на повышенную устойчивость первородного аустенита к фазово-структурным превращениям в процессе охлаждения из жидкого состояния. Данный результат противоречит известному факту ускоряющего влияния МП на у^-а фазовое превращение в сплавах на основе железа как в мартенситном, так и перлитном (бейнитном) интервалах температур [11]. Объяснением тормозящего влияния МП в данном случае может быть более равномерное распределение легирующих элементов в объеме кристаллизующегося слоя под воздействием электромагнитного перемешивания, вызываемого действием вихревых индукционных токов. В результате уменьшается ликвационное расслоение кристаллизуемого металла и уменьшается разность в уровне легированности дендритных и междендритных областей (в которых при затвердевании формируются эвтектические колонии). Соответственно, аустенит, входящий в состав эвтектики, в меньшей степени превращается в троостит при охлаждении наплавленного
СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУИНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1
слоя. С другой стороны, по мере перемещения дуги (о, соответственно, и МП) по длине валика влияние МП на устойчивость аустенита в уже сформированном покрытии ослабевает: можно полагать, что к моменту снижения температуры в конкретном участке наплавки до 600-500 °С (интервал формирования троостита) данный участок уже находится вне зоны действия магнитного поля.
Как следует из таблицы 2, твердость аустенитных дендритов варьируется от 450 до 560 НУ. Эти значения превышают обычный для аустенита (200.400 НУ) уровень благодаря твердорастворному упрочнению вследствие растворения никеля, кремния и части хрома в решетке гамма-железа. Пониженная микротвердость аустенита на границе с основой обусловлена «разбавляющим» действием подложки, обогащенной легирующими элементами в зоне сплавления. Наложение МП практически не отразилось на микротвердости аусте-нита в покрытии. В то же время отмечен рост (на 20. 50 НУ) микротвердости карбидной эвтектики в образце № 2. Необходимо отметить в целом пониженную микротвердость эвтектики (540.650 НУ) в обоих образцах. Фактически, этот уровень сопоставим с твердостью аустенита, несмотря на присутствие в эвтектике твердых карбидов хрома (1300.1800 НУ [8]). Причиной, по всей видимости, является обеднение эвтектического аустенита углеродом и хромом, что резко уменьшило твердорастворную компоненту его прочности. Превращение эвтектического аустенита в троостит вызвало дополнительное снижение микротвердости, несмотря на высокодисперсное состояние карбидов, входящих в состав троостита. Таким образом, уменьшение объемной доли троостита в образце № 2 под действием магнитного поля положительно отразилось на средней твердости покрытия.
В целом, можно констатировать, что наложение магнитного поля оказало благоприятное влияние на структурное состояние покрытия «Сормайт» с точки зрения его дальнейшего использования в качестве износостойкого материала.
Выводы
1. Наплавленный слой «Сормайт», полученный электродуговой наплавкой порошковой лентой ПЛАН-101, представляет собой белый Сг-№-81 доэвтектический чугун с аустенитными дендритами и карбидной эвтектикой «аустенит+М7С3». По мере удаления от зоны сплавления матричная фаза эвтектических колоний становится аустенито-трооститной.
2. Наложение продольного магнитного поля индуктивностью 28 мТ на зону плавления порошковой ленты модифицирует первичную структуру наплавленного слоя. Это проявляется в измельчении эвтектических карбидов, уменьшении размеров аустенитных дендри-тов и эвтектических колоний, изменении строения эвтектики от «розеточной» до «веерной». При этом возрастает объемная доля карбидной эвтектики, приближая структуру к эвтектическому состоянию.
Наплавка в продольном магнитном поле повышает устойчивость аустенита к эвтектоидному превращению при послекристаллизационном охлаждении, что приводит к резкому уменьшению объемной доли троости-та в эвтектических колониях.
Список литературы
1. Поведение дуги и перенос электродного металла при сварке продольном магнитном поле / [В. Д. Кузнецов, И. В. Малинкин, В. В. Сыроватка и др.] // Сварочное производство. - 1972. - № 4. - С. 3-4.
Параметр Номер зоны
«Белый слой» 1 2 3 4 5
Образец № 1 (контрольный)
Микротвердость эвтектики*, НУ - 563 605 565/475 595/505 565/529
Микротвердость дендритов*, НУ 475 491 555 578 563 532
Объемная доля эвтектики*, % 18 22 25 33 45 54
Объемная доля троостита*, % 0 5 12 15 23 35
Поперечное сечение дендритов, мкм 7.16 6.26 9.21 8.15 7.13 6.12
Поперечное сечение эвтектич. колоний, мкм 2.5 1.7 9.32 7.28 11.45 10.53
Толщина карбидов, мкм - 0,6.2,2 0,5.2,5 1,0.4,6 1,2.3,5 0,7.1,5
Образец № 2 (магнитное поле)
Микротвердость эвтектики*, НУ - 564 543 650 615 595/495
Микротвердость дендритов*, НУ 475 454 497 543 550 563
Объемная доля эвтектики*, % 22 35 61 95 75 80
Объемная доля троостита*, % 0 0 0 0 0 15
Поперечное сечение дендритов (оси первого порядка), мкм 5.13 2.7 1.5 - 2.5 1.4
Поперечное сечение эвтектич. колоний, мкм 1.5 5.17 2.5 2.6 5.17 4.10
Толщина карбидов, мкм - 0,5.1,1 0,3..0,7 0,3.0,6 0,3.0,8 0,5.1,0
Таблица 2 - Микроструктурное состояние и микротвердость покрытия (*- средние значения; в числителе и знаменателе - микротвердость эвтектики без троостита и с трооститом, соответственно
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2016
31
Магнитное управление формированием шва при автоматической сварке под флюсом / [Ю. Г. Гаген, И. В. Перун, С. Т. Добровольский и др.] // Автоматическая сварка. - 1975. - № 11. - С. 73-74.
Хасуи А. Наплавка и напыление // А. Хасуи, О. Мори-гаки. - М. : Машиностроение, 1985. - 239 с. Миронова М. В. Производительность расплавления ферромагнитных сварочных проволок при наплавке в продольном магнитном поле / М. В. Миронова // Захист металургшних машин вщ поломок : зб. наукових праць. -ПДТУ. - Марiуполь, 2012. - Вип.14. - С. 259-263. Миронова М. В. Влияние индукции продольного магнитного поля на проплавление основного металла при дуговой наплавке / Миронова М. В. // Вестник ПГТУ. -2012. - Вып. 25. - С. 141-146.
Измельчение структуры металла шва при сварке дугой, колеблющейся в поперечном магнитном поле / [А. М. Болдырев, Ю. С. Ткаченко, Н. П. Толоконников и др.] // Автоматическая сварка. - 1975. - № 7. - С. 70-71. Чигарев В. В. Влияние продольного магнитного поля на формирование наплавленного износостойкого слоя /
10.
11.
B. В. Чигарев, А. Г. Белик // Сварка и родственные процессы в промышленности (Доклады 2-го научно-технического семинара, 17 апреля 2007, г. Киев). — К. : Эко-технология. - 2007. - С. 56-59.
Акулович Л. М. Повышение качества покрытий при электромагнитной наплавке в постоянном магнитном поле / Л. М. Акулович, А. В. Миранович // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B, Промышленность. Прикладные науки. - 2008. - № 8. -
C. 58-65.
Laird G. Abrasive-Resistance Cast Iron Handbook // G. Laird, R. Gungdlach, K. Rohring. - The American Foundry Society. - 2000.
Kutz M. Handbook of Material Selection // M. Kutz. John Willey and Sons; 2002.
Калетина Ю. В. Влияние постоянного магнитного поля на кинетику гамма- альфа-превращения в сплавах с изотермическим типом мартенсита / Ю. В. Калетина, Е. А. Фокина, В. М. Счастливцев // Физика металлов и металловедение. - 2003. - Т. 96, № 6. - С. 38-45.
Одержано 28.04.2016
Сфременко Б.В., Бшик О.Г., Макуров С.Л. Структура i властивосп покриття з Cr-Ni-Si чавуну, нанесеного в магштному полi
Описано xapaKmepHi особливостi мтроструктури покриття, наплавленого Cr-Ni-Si чавуном « Сормайт» у магнiтному полi. Встановлено, що накладення магнiтного поля з шдукщею 28 мТ дозволяе диспергувати первинну структуру покриття зарахунок зменшення розмiрiв дендритiв, евтектичних колонш, карбiдiвМ?С. Також пiдвищуеmься стiйкiсть аустенiту до евтекто'1'дного перетворення, що проявляеться в зменшеннi об 'емно'1 частки трооститу в металевш маmрицi.
Ключовi слова: наплавка, магнimне поле, мiкроmвердiсmь, карбiди, аусmенim.
Efremenko B., Belik A., Makurov S. The structure and properties of Cr-Ni-Si cast iron coating deposited under magnetic field
The characteristics of the micro structure of the coating deposited with Cr-Ni-Si cast iron «Sormait» in the magnetic field are described. It is found that the application of a magnetic field with induction 28 mT allows dispersing the primary structure of the coating. It manifests in reducing the sizes of the austenitic dendrites, eutectic colonies and carbides M7C. Also the austenite stability to eutectoid transformation is increased, that is a decrease in the volume fraction of troostite structure in the metallic matrix.
Key words: hardfacing coating, magnetic field, microhardness, carbides, austenite.
9
