CC BY
37
УДК 621.791.927
ВЛИЯНИЕ СХЕМЫ НАЛОЖЕНИЯ ВАЛИКОВ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКЕ СТАЛИ Р6М5 НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО СЛОЯ
А.А. Хайдарова, А.Н. Хамматов, А.С. Зяблов Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
В работе показано, что при многослойной плазменной наплавке порошка на основе стали Р6М5 в результате термоциклирования происходит формирование мартенсита отпуска в первых слоях, что приводит к снижению среднего уровня микротвердости на 100...200 HV.
Ключевые слова:
Плазменная порошковая наплавка, быстрорежущая сталь, мартенсит, эвтектические карбиды, микротвердость.
Введение
Исследованию структуры и свойств инструментальных сталей типа Р6М5, Р18, Р12 и других посвящено большое количество работ [1-6]. Интерес к быстрорежущим сталям вызван высоким уровнем эксплуатационных и технологических свойств металла при небольшом суммарном содержании легирующих элементов. Высокая прочность и износостойкость обуславливают их применение в качестве материала упрочняющих покрытий для деталей механизмов и машин, работающих в тяжелона-груженных условиях [5-9]. В качестве методов нанесения покрытий на основе быстрорежущих сталей широко применяют вакуумную электронно-лучевую [6, 7] и плазменную порошковую [8, 9] наплавки, которые за счет высокой концентрации ввода энергии обеспечивают высокие скорости охлаждения наплавленного металла и малую долю участия основного металла в упрочняющем слое.
Влияние режимов и схем наложения валиков при электронно-лучевой наплавке на структуру и свойства сталей на основе Р6М5 хорошо изучено [7], тогда как эти же вопросы при плазменной наплавке в литературе недостаточно освещены. Поэтому целью данной работы является исследование структуры и микротвердости стали Р6М5, наплавленной плаз-менно-порошковым методом при различных схемах наложения валиков.
Методика и материалы исследования
Плазменно-порошковую наплавку порошка стали Р6М5 с гранулометрическим составом 100.350 мкм производили с использованием установки УПН-303УХЛ4, серийно выпускавшейся ВНИИЭСО. Расход транспортирующего и защитного газа составлял 10. 16 л/мин, расход плазмообразующего газа - 2 л/мин.
Хайдарова Анна Александровна, доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: [email protected] Область научных интересов: наплавка упрочняющих покрытий, соединение разнородных материалов. Хамматов Александр На-ильевич, аспирант кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail:
[email protected]. Область научных интересов: зона термического влияния при сварке и наплавке. Зяблов Антон Сергеевич, магистрант кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail:
zyablov_anton@mail. ru
Область научных интересов: методы сварки с концентрированным вводом энергии.
В качестве защитного и плазмообразующего газа использовался аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-79 (99,993 %). Расход порошка составлял 1,9 кг/ч. Наплавка производилась при силе тока (7н) 200 А и скорости (Ун) 6 м/ч. Указанные параметры режима наплавки показали наилучшие результаты с точки зрения формирования структуры и свойств наплавленного металла в работе [10] при выполнении ниточных валиков. Порошок наплавляли на пластины из стали 20 толщиной 10 мм по схемам, представленным на рис. 1.
№3
№4
Рис. 1. Схемы наложения валиков при плазменно-порошковой наплавке
Структурные исследования проводили в поперечном сечении наплавленных образцов, как указано на рис. 1, и в продольном сечении, как указано на рис. 2.
№3
Рис. 2.Продольное сечение наплавленных слоев
№4
Исследования макро- и микроструктуры производили методами оптической (ОМ) и растровой электронной (РЭМ) микроскопии. Травление осуществляли двумя химическими реагентами. Для обнаружения сетки эвтектических карбидов образцы окунались в реактив Кз[Fe(CN)6]:КОН:Н2О = 1:1:10 с выдержкой от 1,5 до 10 мин, а для выявления игл мартенсита - в реактив HNOз:C2H5OH = 1:20.
Микротвердость по толщине наплавленного металла измеряли на приборе ИУ^-1000 с шагом по глубине 100 мкм при нагрузке 2 Н.
Результаты эксперимента
Высота слоя, наплавленного при последовательном наложении трех узких валиков (~ 5,2 мм), в 2,5 раза превышает высоту слоя, полученного при введении поперечных колебаний (~ 2,0 мм). Это связно с одинаковым объемом порошка, усваиваемым одним узким валиком в первом случае и широким валиком во втором случае. При наложении второго слоя при наплавке по схеме № 2 наблюдается прирост толщины покрытия на ~ 2 мм, а при наплавке по схеме № 4 - на ~ 1 мм. Введение поперечных колебаний способствует сниже-
нию глубины проплавления в 1,5 раза по сравнению с наплавкой узкими валиками, что связано со снижением концентрации тепловложения на 1 мм2 площади наплавляемого металла.
При анализе макроструктуры наплавленного металла выявлены несплавления с основным металлом (рис. 3) в местах перекрытия валиков. Так как перед наплавкой тщательно зачищались пластины и каждый предыдущий слой перед нанесением последующего, причиной возникновения подобных дефектов может быть несоответствие скорости наплавки и силы тока. Режим, показавший наилучшие результаты при плазменной порошковой наплавке ниточных валиков в работе [10], при многопроходной наплавке требует дополнительной отработки. При выполнении наплавленного слоя по схемам № 3 и 4 подобных дефектов не обнаружено.
Рис. 3. Макроструктура наплавленного металла
Микроструктура наплавленного металла имеет дендритное строение с четко выраженной сеткой скелетообразных карбидов по границам зерен аустенитно -мартенситной матрицы (рис. 3). Как показывают многочисленные исследования [2, 3], карбидная фаза представлена первичными и вторичными карбидами типа М 6С. Расстояние между эвтектикой независимо от режима наплавки находится в пределах 13.17 мкм.
Рис. 4. Микроструктура наплавленного металлам - ОМ;б- РЭМ
При многослойной наплавке объемная доля выделившихся карбидов (ш) изменяется от слоя к слою. Ранее наплавленные слои, подвергавшиеся повторному термическому воздействию, содержат в 1,5.2,0 раза меньше эвтектических выделений и обладают большей травимостью в реактиве HNO3 : ^^ОН (рис. 5). Согласно данным [11], наибольшую тра-вимость имеет мартенсит отпуска, что вызвано дисперсными выделениями карбида и сни-
жением внутренних напряжений. Иглы мартенсита закалки имеют светлую окраску, а мартенсита отпуска - темную.
При многопроходной наплавке наблюдаемая неравномерность травления мартенсита в ранее наплавленных слоях (рис. 5, макроструктура по линии участков 1-5) обусловлена неравномерным их прогревом в процессе термоциклирования (последующего наложения валиков), что приводит к формированию как мартенсита отпуска, так и мартенсита закалки. Однако температура повторного нагрева под закалку в таких участках значительно ниже, чем при наплавке последнего прохода (рис. 5, участок 6). Это формирует менее легированный ^-твердый раствор и, следовательно, менее легированный мартенсит, что обеспечивает его большую травимость.
Рис.5. Микроструктура отдельных участков слоя, наплавленного по схеме № 1
Неравномерная травимость отдельных участков также наблюдается в продольном сечении наплавленного металла (рис. 6, а). При этом в образцах, выполненных по схемам № 3 и 4, в результате колебаний формируется полосчатая структура (рис. 6, б). Ширина полос со структурой, характерной для мартенсита закалки, составляет 300...350 мкм, мартенсита отпуска - 2700.2750 мкм.
Рис. 6. Микроструктура наплавленного металла по схемам № 3 (а) и № 4 (б) в зонах 1, 2, 3, 4
Такое формирование структуры способствует неравномерному распределению микротвердости по ширине наплавки (рис. 7). Участки, подвергавшиеся повторному нагреву из-за формирования мартенсита отпуска (1 и 4 на рис. 6), имеют уровень твердости на 80.90 НУ ниже по сравнению с уровнем твердости участков металла со структурой мартенсита закалки (2 и 3 на рис. 6).
Заметно, что применение режима наплавки с поперечными колебаниями в один слой способствует повышению среднего уровня микротвердости металла до 992 НУ с одновременным увеличением разброса значений (рис. 7, б) по сравнению с наплавкой в один слой тремя узкими валиками (рис. 7, а).
600-
—1-'-1-'-1-'-г
40 80 ХхЮ1, мкм
1-1-1-1-Г
40 80 ХхЮ1, мкм
б
Рис. 7. Распределение микротвердости по ширине слоя металла, наплавленного по схемам № 3 (а) и № 4 (б)
а
Общий уровень микротвердости металла снижается на 120 НУ при двухслойной наплавке узкими валиками (рис. 8, схема № 2) и на 230НУ при двухслойной наплавке с поперечными колебаниями (рис. 8, схема № 4) по сравнению с наплавкой в один слой по схемам № 1 и 3 соответственно.
НУ "
ср
800-
40000 1 2 3 4 схема Рис. 8. Гистограмма среднего уровня твердости наплавленного металла
г-Ьп Г-Н —=Е—
—1— —1—
Повышение среднего уровня микротвердости металла, наплавленного в один слой с поперечными колебаниями, связано с малым объемом ванны расплава, что способствует более быстрому теплоотводу в основной металл и окружающую атмосферу по сравнению с другими схемами наплавки и формированию большего количества мартенсита закалки.
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что при необходимости получения упрочненного слоя требуемой толщины и ширины выбор схемы наплавки будет иметь значение, так как термоциклирование в процессе последовательного наложения узких валиков способствует наибольшему отпуску упрочненного слоя и снижению его уровня твердости. В случае если будет необходимо в упрочненном слое получить
высокие показатели твердости, предпочтительнее использовать схему наплавки с поперечными колебаниями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кремнев Л.С., Онегина А.К., Виноградова Л.А. Особенности превращений, структуры и свойств молибденовых быстрорежущих сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - 12. - С. 13-18.
2. Хараев Ю.П., Власова О.А и др. Особенности формирования карбидной фазы литой быстрорежущей стали // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2007. - Т. 4. - № 1. - С. 129-131.
3. Володин В.Л., Абалакин В.Н., Гайдук В.В., Володин Т.В., Роккель В.Р. Исследование влияния импульсных поверхностных воздействий на структуру и свойства стали Р6М5 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - Т. 2. - № 3. - С. 78-80.
4. Fu-sheng Pan, Wei-qing Wang, Ai-tao Tang, Li-zhi Wu, Ting-ting Liu, Ren-ju Cheng. Phase transformation refinement of coarse primary carbides in M2 high speed steel // Progress in Natural Science: Materials International - 2011. - V. 21. - Iss. 2. - P. 180-186.
5. Garza-Montes-de-Oca N.F., Rainforth W.M. Wear mechanisms experienced by a work roll grade high speed steel under different environmental conditions // Wear. - 2009. - V. 267. - Iss. 1-4. - Р. 441-448.
6. Прибытков Г.А., Храмогин М.Н. Электронно-лучевая наплавка покрытий порошками быстрорежущей стали // Физика и химия обработки материалов. - 2005. - № 4. - С. 63-66.
7. Гнюсов С.Ф., Будницкий А.Д., Голковский М.Г. Влияние числа проходов электронного пучка на структурно-фазовое состояние покрытий на основе быстрорежущей стали // Сварочное производство. - 2012. - № 9. - С. 3-11.
8. Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменно-порошковая наплавка режущего инструмента // Сварочное производство. - 2008. - № 11. - С. 28-31.
9. Bourithis L., Papadimitriou G.D. Synthesizing a class "M" high speed steel on the surface of a plain steel using the plasma transferred arc (PTA) alloying technique: microstructure and wear properties // Materials Science and Engineering: A. - 2003. - V. 361. - Iss. 1-2. - P. 165-172.
10. Хайдарова (Романова) А. А., Дегтерев А.С. Структура и свойства покрытий на основе стали Р6М5, полученных способом плазменной порошковой наплавки // Известия ТПУ. - 2012.- Т. 320.-№ 2.- C. 95-99.
Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания Министерства образования и науки РФ на проведение научно-исследовательских работ ТПУ № 8.3664.2011.
Поступила 01.07.2013 г.
