CC BY
8
СВАРКА, РОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ / WELDING, RELATED PROCESSES AND _TECHNOLOGIES_
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.122.13
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В НАПЛАВЛЕННОМ МЕТАЛЛЕ СИСТЕМЫ FE-C-CR-NI-MN-MO-
TI-NB НА ЕГО СТРУКТУРУ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
Научная статья
Прияткин Д.В.1' *, Артемьев А.А.2, Лысак В.И.3
1 ORCID : 0000-0003-0001-8019;
2 ORCID : 0000-0001-6616-0427;
3 ORCID : 0000-0003-3066-058X;
1 2' 3 Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Российская Федерация
* Корреспондирующий автор (priyatkin.dv[at]mail.ru)
Аннотация
В работе показана актуальность разработки новых наплавочных сплавов для упрочнения деталей оборудования, работающего в условиях газоабразивного изнашивания. Выполнены методом сканирующей электронной микроскопии металлографические исследования сплава. Исследовано влияние углерода на структуру, твердость и стойкость к газоабразивному изнашиванию при температуре 600°С наплавленных сплавов системы легирования Fe - C - Cr - Ni -Mn - Mo - Ti - Nb. Выполнены исследования характера формирования микроструктуры сплавов в процессе электродуговой наплавки порошковыми проволоками в защитном газе. Выявлены особенности трансформации упрочняющих фаз при различных соотношениях в металле карбидообразующих элементов и углерода.
Ключевые слова: электродуговая наплавка, наплавленный металл, структура, высокотемпературный износ, газоабразивный износ, упрочняющие фазы.
INFLUENCE OF CARBON CONTENT IN WELD METAL OF FE-C-CR-NI-MN-MO-TI-NB SYSTEM ON ITS
STRUCTURE AND DURABILITY
Research article
Priyatkin D.V.1' *, Artemev A.A.2, Lysak V.I.3
1 ORCID : 0000-0003-0001-8019;
2 ORCID : 0000-0001-6616-0427;
3 ORCID : 0000-0003-3066-058X;
1 2' 3 Volgograd State Technical University, Volgograd, Russian Federation
* Corresponding author (priyatkin.dv[at]mail.ru)
Abstract
The paper presents the relevance of developing new welding alloys for hardening parts of equipment operating in gas abrasion. Metallographic research of the alloy by scanning electron microscopy has been carried out. The influence of carbon on the structure, hardness and resistance to gas abrasion at temperature 600°С of weld alloys of the alloying system Fe - C - Cr - Ni - Mn - Mo - Ti - Nb. The nature of alloys microstructure formation during arc surfacing with flux-cored wires in shielding gas has been studied. The specific features of strengthening phases transformation at different ratios of carbide-forming elements and carbon in the metal have been revealed.
Keywords: arc surfacing, weld metal, structure, high-temperature durability, gas abrasion durability, strengthening phases.
Введение
Преждевременное разрушение рабочих лопаток тягодутьевых машин и вентиляторов, деталей пневмотранспорта, газопромыслового и другого промышленного оборудования под воздействием абразивных частиц, содержащихся в транспортируемом газе, влечет за собой длительные нежелательные простои оборудования, сопровождающиеся значительными экономическими потерями [1], [2], [3], [5].
Газоабразивное изнашивание является сложным процессом, зависящим не только от температуры рабочей поверхности деталей, но и от множества других факторов:
= /О; П; d; КТ;Кф; v; а\ (1)
где т - продолжительность изнашивания, с; П - концентрация абразивных частиц в газе, м-3; d - средний размер частиц, мкм; Кт - коэффициент твердости, равный отношению твердости изнашиваемого материала к твердости абразивных частиц; Кф - коэффициент, характеризующий форму частиц; и - скорость абразивных частиц в момент удара о поверхность детали, м/с; а - угол наклона вектора скорости частицы к изнашиваемой поверхности (угол атаки), °; х - коэффициент, характеризующий снижение механических свойств материала в результате разупрочняющего физико-химического действия среды [4], [6], [7]. Обязательным следствием непрерывного воздействия газоабразивной струи на рабочую поверхность детали является формирование на ней микрорельефа с которого происходит отделение мельчайших частиц, что и приводит к образованию дефектов на изнашиваемой поверхности.
На характер формирования продуктов износа значительное влияние оказывает угол атаки поверхности газоабразивной струей. Так, при малых углах от 0 до 30°, характерных для условий работы лопаток дымососов и тягодутьевых машин, удаление частиц происходит главным образом за счет царапания и микрорезания, что обусловливает низкую износостойкость пластичных материалов в данных условиях. При этом для хрупких материалов минимальная износостойкость наблюдается при увеличении угла атаки до 90°, что сопровождается появлением на изношенной поверхности извилистых трещин, следов отрыва и выкрашивания, свидетельствующих о преобладающей роли в механизме изнашивания процессов многократной пластической деформации [4], [6], [8], [10].
Поскольку электродуговая наплавка быстроизнашивающихся поверхностей деталей износостойкими сплавами -один из наиболее эффективных способов проведения ремонтно-восстановительных работ, отечественные и зарубежные производители (ПОЛЕМА, Интерпро, ESAB, Welding Alloys, Lincoln Electric и др.) предлагают широкий ассортимент порошковых проволок, которые обеспечивают получение абразивостойких сплавов различных систем легирования: Fe-C-Cr-B, Fe-C-Cr-Nb-Mo-V-W, Fe-C-Cr-Nb-B, Fe-C-Cr-Nb-Mo-Mn-Si-W-B, Fe-C-Cr-Ni-Mn-Si-B-Zr, Fe-C-Cr-Ni-Si-Mn-Ti и др. Содержание легирующих элементов в данных наплавочных материалах колеблется в широких диапазонах: 0,12-5,5% С, 6-40% Cr, до 40% Ni, до 10% Mo, до 10% Nb, до 6% V, до 10% W, до 5% B [11]. Большое разнообразие сплавов для работы в условиях газоабразивного изнашивания свидетельствует об отсутствии единого подхода к формированию оптимального структурно-фазового состава наплавленного металла. Таким образом, создание новых экономнолегированных гетерофазных сплавов, обладающих повышенной стойкостью к газоабразивному изнашиванию, является актуальной задачей.
Цель работы - исследование влияния содержания углерода в составе опытного наплавочного сплава системы Fe-C-Cr-Ni-Mn-Mo-Ti-Nb на формирование его структурно-фазового состава, а также стойкость в условиях газоабразивного изнашивания при температуре 600°С.
Методы и принципы исследования
Электродуговую наплавку выполняли с использованием автоматической сварочной головки ESAB A2S Mini Master, запитанной от источника сварочного тока LAF-1001. Наплавку производили на пластины из стали СтЗсп в среде аргона. В качестве электродных использовали экспериментальные порошковые проволоки диаметром 2,8 мм, обеспечивающие получение наплавленного металла следующего химического состава (масс. %): Cr 13,5...15; Mn 5,7...6,0; Ni 6,0.6,2; Mo 3,0.3,15; Ti 2,0.2,15; Nb 2,0.2,1; остальное Fe. Содержание углерода в сплавах составляло 1,2; 2,1 и 2,8 масс. %. Режим наплавки: 1св = 280.290 А; U = 25.26 В; Ун = 24 см/мин; Q = 15.17 л/мин.
Прогнозирование структурно-фазового состава сплавов выполняли по диаграмме Данильченко Б. В. [12]. Микроструктуру наплавленного металла исследовали на электронном растровом микроскопе Versa 3D с системой энергодисперсионной спектроскопии. Определение химического состава наплавленного металла проводили оптико-эмиссионным анализатором PMI Maser Pro. Рентгенофазовый анализ проводили на рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Advance Есо. Фазы идентифицировали с использованием базы данных ICDD PDF-2 (2016). Для измерения твердости использовали твердомер TIME Group Inc. TH-500.
Исследование газоабразивного изнашивания наплавленного металла проводили на лабораторной установке согласно методике, изложенной в работе [13]. На поверхность разогретого проходящим током до 600 °С образца наплавленного металла воздействовали разогретой газоабразивной струей в течение 120 с. Абразивом служил кварцевый песок размером 40.250 мкм. Давление подачи газоабразивного потока составляло р = 3 атм, угол атаки поверхности образца 30°. Контроль температуры поверхности образца осуществляли термопарой ВР5/20, передающей показания на экран персонального компьютера посредством аналого-цифрового преобразователя ЛА-20 USB. Измерение потери массы испытанных образцов выполняли на аналитических весах VIBRA HT-124RCE с точностью до 0,1 мг.
Основные результаты
По результатам выполненных металлографических исследований (рис. 1) установлено, что структура наплавленного металла с содержанием углерода 1,2 и 2,1 (масс. %) эвтектическая с равномерно распределенными по всему объему металла дисперсными упрочняющими фазами.
а бе
Рисунок 1 - СЭМ изображение микроструктуры наплавленных сплавов, содержащих 1,2 (а), 2,1 (б) и 2,8 (в) масс. %
углерода
DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2022.122.13.1
При повышении концентрации углерода в металле до 2,8 % структура трансформируется в заэвтектическую с выделением первичных тонкопластинчатых карбидов. Дюрометрические исследования металла, наплавленного опытными порошковыми проволоками позволили установить, что максимальная твердость 53 HRC достигается в сплаве, содержащем 2,8 % С.
На основании проведенного рентгенофазового анализа (рис. 2) установлено, что упрочняющая фаза, представленная дисперсными карбидами МохС, (Т^№э,Мо)хС, а также железохромистыми карбидами ^е,Сг)хСу, закреплены в твердом растворе на основе Y-Fe. Это должно способствовать обеспечению повышенной износостойкости сплавов, поскольку, как известно [14], материалы с данной фазой обладают высокой пластичностью, низкой чувствительностью к скорости деформации и способны надежно удерживать упрочняющие твердые фазы.
МохС (1гМ>,Мо)хС (Те,Сг)хСу у-Ре
Структурные составляющие
Рисунок 2 - Содержание структурных составляющих в наплавленном металле DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2022.122.13.2
По мере увеличения содержания углерода в металле происходит шестикратное увеличение объемной доли карбидов ^е,Сг)хСу, достигающей 60 об.%, а содержание карбидов МохС и (Т^Ь,Мо)хС при этом почти не изменяется и составляет около 10 об.%.
Исследования износостойкости металла, наплавленного опытными и промышленным сплавом, на стойкость к высокотемпературному газоабразивному изнашиванию (рис. 3) показали, что минимальной скоростью износа, обладает опытный сплав с содержанием углерода 2,8 % С, превосходя более легированный и дорогостоящий зарубежный аналог.
0,5 х
ПП-Нп 120Х14Г6Н6МЗТ2Б2 ПП-Нп 210Х14Г6Н6МЗТ2Б2 ПП-Нп 280Х14Г6Н6МЗТ2Б2 ЕвАВ ОК \Veartrode 65 Т
(600Х23ГС2Б7М7ФВ2)
Исследуемые сплавы
Рисунок 3 - Сравнение износостойкости экспериментальных и промышленного сплавов DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2022.122.13.3
Повышенный уровень свойств достигается формированием в наплавленном металле значительной объемной доли железохромистых карбидов, располагающихся в прочном и пластичном легированном аустените, упрочненном мелкодисперсной фазой, представленной монокарбидами молибдена, а также высокотвердыми комплексными карбидами (Т^№э,Мо)хСу, которые способствуют перераспределению напряжений в поверхностных слоях металла, возникающих под высокоскоростным воздействием абразивных частиц.
Анализ изношенной поверхности сплава, содержащего 1,2 масс. % углерода, показал (рис. 4), что под воздействием газоабразивного потока на ней формируются микрорельеф, представляющий собой неровности в виде многочисленных лунок гораздо меньшего размера, чем используемые абразивные частицы.
' Й- > iff
ж УЩЩ:
•р ',< % % } Л
* ЯЯЬЩк. У М-
'if
%'' -Ш.; 4. v3 Л г*
^У СЖ .hi
лжл
,* v
✓I:.,*'
'-Si?.
. - < •
HV
rjfc_-пъ/. сип det mode _ mag □ pressure ■ГТУ. i, ."■■■'■ I V 1 WD tilt
4.0 пА ETD SE 300 х 8.61e-4 Pa 10.0 mm 0°
VSTU Versa 3D
Рисунок 4 - Поверхность наплавленного металла после испытания на газоабразивное изнашивание при температуре
600°С (стрелкой показано направление газоабразивного потока) DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2022.122.13.4
При этом на поверхности отсутствуют микротрещины, что свидетельствует о достаточном запасе пластичности сплава. Также было установлено, что в процессе изнашивания происходит интенсивная пластическая деформация твердого раствора, сосредоточенная в поверхностных слоях наплавленного материала толщиной не более 5 мкм.
Заключение
Выявлено, что увеличение содержания углерода в наплавленном металле приводит к многократному росту в нем объемной доли железохромистых карбидов при практически неизменном содержании карбидов МохС и (Т^Ь,Мо)хС. Повышенная стойкость разработанных сплавов к газоабразивному изнашиванию, превосходящая показатель зарубежного аналога, достигается за счет образования композиционной эвтектической структуры, состоящей из легированного аустенита и упрочняющей фазы, представленной железохромистыми карбидами, защищающими матрицу от непосредственного контакта с газоабразивной струей, а также мелкодисперсными карбидами МохС и (Т^Ь,Мо)хС которые обеспечивают дополнительное упрочнение твердого раствора.
Финансирование
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-33-90168 и в рамках государственного задания № 0637-2020-0006. Конфликт интересов
Не указан.
Рецензия
Все статьи проходят рецензирование. Но рецензент или автор статьи предпочли не публиковать рецензию к этой статье в открытом доступе. Рецензия может быть предоставлена компетентным органам по запросу.
Funding
The reported study was funded by RFBR, project number 2033-90168 and project number 0637-2020-0006 (Minobrnauki of Russia).
Conflict of Interest
None declared.
Review
All articles are peer-reviewed. But the reviewer or the author of the article chose not to publish a review of this article in the public domain. The review can be provided to the competent authorities upon request.
Список литературы / References
1. Jindal C. Performance of hardfaced/heat treated materials under solid particle erosion: A systematic literature review / C. Jindal, B.S. Sidhu, P. Kumar et al. // Materials Today. - 2022. - Vol. 50. - Pt. 5. - P. 629-639. DOI:10.1016/j.matpr.2021.03.441.
2. Терещенко А.Ф. Исследование струйного износа наплавленного металла / А.Ф. Терещенко, В.П. Шимановский, Ю.А. Юзвенко // Автоматическая сварка. - 1966. - № 11. - С. 32-35.
3. Katsich C. Erosive wear of hardfaced Fe-Cr-C alloys at elevated temperature / C. Katsich, E. Badisch, M. Roy et al. // Wear. - 2009. - Vol. 267 (11). - Р. 1856-1864. - DOI:10.1016/j.wear.2009.03.004.
4. Manish R. Elevated temperature erosive wear of metallic materials / R. Manish // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - Vol. 39 (6). - Р. 101-124. - DOI:10.1088/0022-3727/39/6/R01.
5. Wu W. Study on ammonia gas high temperature corrosion coupled erosion wear characteristics of circulating fluidized bed boiler / W. Wu, B. Wei, G. Li et al. // Engineering Failure Analysis. - 2022. - Vol. 132 (105896). - DOI:10.1016/ j.engfailanal.2021.105896.
6. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию / М.М. Тененбаум. - Москва : Машиностроение, 1976. - 271 с.
7. Kleis I. Solid particle erosion: occurrence, prediction and control / I. Kleis, P. Kulu. - London : Springer, 2008. - 206 p.
- DOI:10.1007/978-1-84800-029-2.
8. Брук А.Д. Дымососы газоочистных сооружений / А.Д. Брук. - Москва : Машиностроение, 1984. - 144 с.
9. Javaheri V. Slurry erosion of steel-Review of tests, mechanisms and materials / V. Javaheri, D. Porter, V.T. Kuokkala // Wear. - 2018. - Vol. 408-409 - P. 248-273. - DOI:10.1016/ j.wear.2018.05.010.
10. Stachowiak G. Engineering tribology / G. Stachowiak, A.W. Batchelor.- Butterworth-Heinemann, 2013. - 852 p. -DOI:10.1016/C2011-0-07515-4.
11. Прияткин Д.В. Анализ наплавочных сплавов для работы в условиях газоабразивного изнашивания при повышенных температурах / Д.В. Прияткин, А.А. Артемьев, В.И. Лысак и др. // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2020. - №. 10. - С. 49-55.
12. Данильченко Б.В. Выбор износостойкого наплавленного металла для работы в условиях абразивного изнашивания / Б.В. Данильченко // Сварочное производство. - 1992. - № 5. - С. 31-33.
13. Артемьев А. А. Методика испытаний наплавленного металла на газоабразивное изнашивание / А. А. Артемьев, Г. Н. Соколов, И. В. Зорин и др. // Известия Волгоградского государственного технического университета. -2018. - № 3. - С. 112-116.
14. Эванс А. Эрозия / А. Эванс. - Москва : Мир, 1982. - 464 с.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Jindal C. Performance of hardfaced/heat treated materials under solid particle erosion: A systematic literature review / C. Jindal, B.S. Sidhu, P. Kumar et al. // Materials Today. - 2022. - Vol. 50. - Pt. 5. - P. 629-639. DOI:10.1016/j.matpr.2021.03.441.
2. Tereshhenko A.F. Issledovanie strujnogo iznosa naplavlennogo metalla [Investigation of jet wear of deposited metal] / A.F. Tereshhenko, V.P. Shimanovskij, Ju.A. Juzvenko // Avtomaticheskaja svarka [Automatic welding]. - 1966. - № 11. - P. 32-35. [in Russian]
3. Katsich C. Erosive wear of hardfaced Fe-Cr-C alloys at elevated temperature / C. Katsich, E. Badisch, M. Roy et al. // Wear. - 2009. - Vol. 267 (11). - Р. 1856-1864. - DOI:10.1016/j.wear.2009.03.004.
4. Manish R. Elevated temperature erosive wear of metallic materials / R. Manish // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - Vol. 39 (6). - Р. 101-124. - DOI:10.1088/0022-3727/39/6/R01.
5. Wu W. Study on ammonia gas high temperature corrosion coupled erosion wear characteristics of circulating fluidized bed boiler / W. Wu, B. Wei, G. Li et al. // Engineering Failure Analysis. - 2022. - Vol. 132 (105896). - DOI:10.1016/ j.engfailanal.2021.105896.
6. Tenenbaum M.M. Soprotivlenie abrazivnomu iznashivaniju [Resistance to abrasive wear] / M.M. Tenenbaum. -Moscow : Mashinostroenie, 1976. - 271 p. [in Russian]
7. Kleis I. Solid particle erosion: occurrence, prediction and control / I. Kleis, P. Kulu. - London : Springer, 2008. - 206 p.
- DOI:10.1007/978-1-84800-029-2.
8. Bruk A.D. Dymososy gazoochistnyh sooruzhenij [Smoke pumps of gas-cleaning facilities] / A.D. Bruk. - Moscow : Mashinostroenie, 1984. - 144 p. [in Russian]
9. Javaheri V. Slurry erosion of steel-Review of tests, mechanisms and materials / V. Javaheri, D. Porter, V.T. Kuokkala // Wear. - 2018. - Vol. 408-409 - P. 248-273. - D0I:10.1016/ j.wear.2018.05.010.
10. Stachowiak G. Engineering tribology / G. Stachowiak, A.W. Batchelor.- Butterworth-Heinemann, 2013. - 852 p. -D0I:10.1016/C2011-0-07515-4.
11. Prijatkin D.V. Analiz naplavochnyh splavov dlja raboty v uslovijah gazoabrazivnogo iznashivanija pri povyshennyh temperaturah [Analysis of surfacing alloys for operation under conditions of gas-abrasive wear at elevated temperatures] / D.V. Prijatkin, A.A. Artem'ev, V.I. Lysak et al. // Izvestija Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Proceedings of the Volgograd State Technical University]. - 2020. - №. 10. - P. 49-55. [in Russian]
12. Danil'chenko B.V. Vybor iznosostojkogo naplavlennogo metalla dlja raboty v uslovijah abrazivnogo iznashivanija [Selection of wear-resistant deposited metal for work in conditions of abrasive wear] / B.V. Danil'chenko // Svarochnoe proizvodstvo [Welding production]. - 1992. - № 5. - P. 31-33. [in Russian]
13. Artem'ev A. A. Metodika ispytanij naplavlennogo metalla na gazoabrazivnoe iznashivanie [Method of testing the deposited metal for gas-abrasive wear] / A. A. Artem'ev, G. N. Sokolov, I. V. Zorin et al. // Izvestija Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Proceedings of the Volgograd State Technical University]. - 2018. - № 3. - P. 112-116. [in Russian]
14. Jevans A. Jerozija [Erosion] / A. Jevans. - Moscow : Mir, 1982. - 464 p. [in Russian]
