Влияние защитной среды на свойства высокохромистого наплавленного металла, предназначенного для покрытий запорной арматуры Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.92

Е. Н. ЕРЕМИН А. С. ЛОСЕВ С. А. БОРОДИХИН А. Е. МАТАЛАСОВА Д. О. МАШАНОВА

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ЗАЩИТНОЙ СРЕДЫ НА СВОЙСТВА ВЫСОКОХРОМИСТОГО НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ПОКРЫТИЙ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ

В работе приведены результаты исследований структуры и твердости металла при наплавке сплошной проволокой 20Х13 в различных защитных газовых средах. Установлено, что при наплавке в азотсодержащей защитной среде обеспечивается получение высокохромистого металла со стабильной структурой и свойствами в отличие от наплавки в широко применяемой газовой смеси Дг + CO2.

Ключевые слова: защитные газы, наплавленный металл, твердость, нитриды, запорная арматура.

Актуальной проблемой на сегодняшний день является повышение межремонтного ресурса работы уплотнительных поверхностей запорной арматуры, поскольку изнашивание ее рабочих частей существенно влияет на работоспособность и безопасную эксплуатацию трубопроводов в целом [1].

Ведущее место при восстановлении и упрочнении деталей запорной арматуры занимает наплавка в среде защитных газов. Этот процесс наплавки является универсальным и позволяет получать огромное разнообразие поверхностных слоев, которые обладают специальными свойствами, такими как стойкость к истиранию, коррозии и эрозии [2, 3].

В соответствии с условиями работы твердость наплавленного металла уплотнительных поверхностей задвижек должна быть не менее 400 НУ и обладать достаточной коррозионной стойкостью. Таким требованиям отвечает металл, полученный сплошной проволокой Св-20Х13 при наплавке в среде защитных газов [4]. В качестве защитной среды при наплавке чаще всего используют смесь из аргона и углекислого газа. Однако качество формирования покрытий и стабильность распределения твердости металла, наплавленного в данной среде, обеспечиваются не всегда. Известно, что легирование азотом позволяет значительно повысить эти характеристики для высокохромистых сталей [5]. Введение азота из газовой фазы может положительно сказаться на эксплуатационных свойствах наплавленного металла. В то же время особенности использования азота при наплавке высоколегированных сталей изучены недостаточно.

В связи с вышеизложенным в работе проведены исследования структуры и твердости наплавленного металла, полученного проволокой 20Х13

в азотсодержащих защитных средах, в сравнении с защитной смесью аргона и углекислого газа.

Наплавку производили сплошной проволокой диаметром 1,6 мм в 2 слоя на пластины из стали Ст3 размером 200 х 50 х 10 мм. В качестве защиты использовались газы: 100 % азот; смесь 80 % азота и 20 % углекислого газа; 80 % азота и 20 % аргона и 80 % аргона и 20 % углекислого газа. Наплавка осуществлялась на режиме: сила тока 190 — 210 А; напряжение дуги 20 — 22 В; скорость наплавки 27 м/ч; скорость подачи проволоки 140 м/ч; расход защитного газа 8 л/мин.

Металлографические исследования наплавленного металла проводили на оптическом микроскопе Carl Zeiss AxioObserver A1m с использованием программной системы анализа фрагментов микроструктур Siams 700. Микроструктура выявлялась химическим травлением в реактивах составов: CuSO4 — 4 г; HCl — 20 мл; H2O — 20 мл и 4 %-м раствором азотной кислоты. Дюрометрические испытания проводили с помощью твердомера Shimadzu HMV-2 (нагрузка Р = 1,96 H, шаг 100 мкм).

Методом математической статистики произведена сравнительная оценка распределения твердости по поверхности верхнего наплавленного слоя протяженностью 100—110 мм высокохромистой проволокой Св-20Х13. Критериями оценки являлись среднеквадратичное отклонение а и коэффициент

вариации и = — ■ 100 (В

среднее значение твердо-

сти), меньшие значения которых соответствуют наплавленному металлу с более стабильной твердостью.

Установлено (табл. 1), что более стабильная твердость наплавленного металла обеспечивается в чистом азоте и смеси азота и аргона.

о

го

Таблица 1

Статистическая обработка результатов измерения твердости по длине наплавленной поверхности

проволокой Св-20Х13

Газ Количество измерений Среднее значение твердости, НУ Среднее отклонение твердости Коэффициент вариации

N (80 %)+С02 (20 %) 202 447,7 48,01 10,7

N (80 %)+Аг (20 %) 207 616,2 55,60 9,0

N (100 %) 215 647,2 39,77 6,1

Аг (80 %)+С02 (20 %) 209 497,6 71,9 14,45

Н\/ 750

650

550

450

350

3 г~ л _ /чу /V. У\

/УГ ✓ "V * •

* »,,* * V V .у./ •л ./ V > Л у.

/V' ~ V

7 ММ

Рис. 1. Распределение микротвердости по сечению наплавленного слоя, полученного проволокой Св-20Х13 в защитных газах:

1 — N2 (80 %) + С02 (20 %); 2 — N2 (80 %) + Aг (20 %);

3 — N (100 %); 4 — Лт (80 %) + С02 (20 %)

Результаты дюрометрических исследований высокохромистого наплавленного металла в различных защитных средах приведены на рис. 1. Установлено, что при двухслойной наплавке в различных комбинациях защитных газов среднее значение твердости варьируется от 450 до 650 НУ. Высокие значения стабильности твердости достигаются в азотсодержащих защитных средах. При наплавке в чистом азоте и смеси азота и аргона наблюдаются наилучшие показатели средней твердости металла: соответственно 620 — 670 НУ и 590 — 640 НУ. При наплавке в смеси ^ + С02 достигаются невысокие значения средней твердости металла, которые колеблются в пределах 420 — 470 НУ. При наплавке в смеси аргона и углекислого газа происходит разброс твердости между наплавленными слоями и составляет 130 НУ.

Для выявления причин в различии значений и распределения микротвердости в наплавленном металле, полученном проволокой Св-20Х13, проведены металлографические исследования.

Данные исследования показали, что структура металла, наплавленного в смеси Аг + С02, имеет троосто-мартенситную структуру с различным количеством феррита и карбидов хрома в слоях валика (рис. 2а).

Присутствие в данной смеси большого количества аргона вызывает глубокое проплавление основного металла Ст3, а следовательно, и значительное перемешивание его с наплавленным металлом в первом слое. Все это приводит к увеличению фер-ритной составляющей в структуре наплавленного первого слоя по сравнению со вторым, что и подтверждается разницей значений твердости между слоями.

При наплавке в защитных средах азота и азота и аргона структура металла характеризуется образованием высокопрочной а'-фазы — азотированного высокохромистого мартенсита с избыточным выделением мелкодисперсных карбонитридных фаз (рис. 2б, 2в). Металл, наплавленный в смеси азота и углекислого газа, имеет структуру а'-фазы с протяженными включениями эвтектоидной фазы а + у' — азотистого феррита с неравномерно распределенными карбидами и нитридами железа и хрома (рис. 2г), что сказывается на низких показателях твердости.

Такие структурные различия наплавленного металла в азотсодержащих смесях объясняются тем, что при наличии СО2 капли высокохромистого металла при переходе с проволоки в ванну интенсивно окисляются, так как длительное время находятся в области высоких температур. Кроме этого, в столбе дуги под действием высокой температуры образуется окисел N0, растворяющийся в расплавленном металле более интенсивно в сравнении с азотом. При кристаллизации сварочной ванны, вследствие скачкообразного падения растворимости N0, из нее выделяется азот, при этом наплавленный металл интенсивнее азотируется с образованием эвтектических фаз [6].

При наплавке в безокислительной газовой смеси наличие высокой концентрации азота приводит к интенсивному азотированию металла на стадиях формирования капли и ее перехода в сварочную ванну, что обеспечивает более дисперсную и однородную структуру наплавленного металла с включениями нитридов хрома и железа.

Таким образом, наплавленный металл, полученный высокохромистой проволокой в смесях ^ + Аг

Рис. 2. Структура наплавленного металла сплошной проволокой 20Х13 в различных защитных средах в состоянии после наплавки: а — Аг (80 %) + С02 (20 %); б — N. (100 %); в — N. (80 %) + Аг (20 %); г — N. (80 %) + С02 (20 %)

и N2, обладает структурой азотированного мартенсита, упрочненного мелкодисперсными карбидами и нитридами хрома, что обеспечивает стабильные и высокие значения твердости по сечению покрытия. Применение данных газовых защит при восстановительной наплавке проволокой Св-20Х13 обеспечивает повышение твердости наплавленного слоя в 1,3 раза в сравнении с часто используемой смесью Ar+CO2, что позволяет существенно повысить надежность и эксплуатационные характеристики запорной арматуры без дополнительных технологических приемов и экономических затрат.

Библиографический список

1. Гошко, А. И. Арматура трубопроводная целевого назначения. Выбор. Эксплуатация. Ремонт / А. И. Гошко. — М. : Машиностроение, 2003. — 432 с.

2. Калашников, А. И. Восстановление и упрочнение деталей машин автоматической наплавкой в среде защитных газов / А. И. Калашников. — Саратов : Изд-во Саратовского ун-та, 1978. - 176 с.

3. Eremin E. N., Losev A. S. (2015). Wear resistance increase of pipeline valves by overlaying welding flux-cored wire. Procedia Engineering, (113), pp. 435-440.

4. Еремин, А. Е. Структура и свойства высокохромистого металла запорной арматуры, наплавленного серийно выпускаемыми сварочными проволоками / А. Е. Еремин Е. Н. Еремин, Ю. О. Филиппов [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2014. — № 1 (127). — С. 55-58.

5. Effect of N on microstructure and mechanical properties of 16Cr5Ni1Mo martensitic stainless steel / X. P. Ma [et al.] // Materials and Design. — 2012. — Vol. 34. — P. 74 — 81.

6. Шеенко, И. Н. Современные наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений / И. Н. Шеенко, В. Д. Ореш-кин, Ю. Д. Репкин. — Киев : Наукова думка, 1970. — 238 с.

ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор Машиностроительного института, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения, заведующий секцией «Оборудование и технология сварочного производства».

ЛОСЕВ Александр Сергеевич, старший преподаватель секции «Оборудование и технология сварочного производства» кафедры машиностроения и материаловедения.

БОРОДИХИН Сергей Александрович, ассистент секции «Оборудование и технология сварочного производства» кафедры машиностроения и материаловедения.

МАТАЛАСОВА Арина Евгеньевна, студентка гр. С-131 Машиностроительного института. МАШАНОВА Дарья Олеговна, студентка гр. М-133 Машиностроительного института. Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 05.04.2016 г. © Е. Н. Еремин, А. С. Лосев, С. А. Бородихин, А. Е. Маталасова, Д. О. Машанова

о

го