автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Рентгеноспектральный электронно-зондовый микроанализ состава фаз износостойких наплавок, полученных с применением материалов СВС-технологии

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ТЕШШОШИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

- цшшшш -

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. Я £ / и г

СТАРЧЕККО Талана Георгиевна

УДК: 669.14:539.4+543.422.8

РЕНГГЕНОСПЕКТРАЛЬНЬЙ ЬТЕКТРОКНС-ЗОНДОЗЫИ МИКРОАНАЛИЗ СОСТАВА ФАЗ ИЗНОСОСТОЙКИХ НАПЛАВОК, ПОЛУЧЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕРИАЛОВ СЗС-7ЕШ0Л0Ш1

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая.

обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ь'.осквз - 1993 г.

Работа выполнена в Научно-производственном объединения по технологии машиностроения "ЦШИТММ".

Научные руководители - доктор технических наук,

профессор Потапов H.H.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Баткрев В.А. Официальные оппоненты - доктор технических наук. Лауреат

Государственной премии СССР, профессор 1!асленков С.Б.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Луканский И.Б. Ведущее предприятие - Московский Опытны" сварочный завод

Защита состоится " <Ui-£lst 1293 года в " часов на заседании специализированного совета Д 145.03.01 в Научно-производственном объединении по технологии машиностроения "ЦНЖГМАП" по адресу: 109083, г.ЫоскБа, Шарикоподшипниковская ул., д.4.

С диссертацией кояно ознакомиться в научно-технической библиотеке ЦКЭТМАШ.

Телефон для справок - 275-85-33

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 145.03.01

доктор технических наук И.В.Валисовский

ДСП от 14.04.93г. Заказ 2 Тираж 100 экз.

Группа э ле кт рогр.ииКШ ЩИИТМАШ Шарикоподшипниковская, 4.

- 3 - .

Актуальность работы. Землеройные и горнодобыващие машины и оборудование часто выходят из строя из-за интенсивного абразивно-ударного изнашивания деталей и узлоь, особенно в условиях сурового климата Севера и Сиблрз. Аналогичные проблемы возникав и при эксплуатации почвообрабативапцей а сельскохозяйственной техники.

Поэтому позкпеняе работоспособности деталей и узлов указанного оборудования является важнейшей научно-технической задачей.

Не менее важной задачей является таггае увеличение сроков службы трубопрессового инструмента, работающего в условиях износа при высоких температурах.

Все эти вопросы мояно объединить в одну проблем, решаемую путем упрочнения поверхностей деталей этих машин и оборудования специальными метода!,и. Одним пз самых эффективных способов повышения долговечности быстроизнашивающихся деталей является упрочнение га рабочих поверхностей путем нанесения износостойкой наплавки.

Наиболее высоких параметров свойств износостойких наплавок удается достигнуть в случае применения в качестве упрочняющей компоненты порошковых материалов, полученных по технологии, использующей процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (CEC). Однако механизм и закономерности такого упрочнения в настоя-цее время еце недостаточно изучены, что затрудняет поиск оптимальных вариантов выбора материалов и технологии наплавки.

Наиболее эффективным методом изучения фор.! присутствия элементов, входящих в состав различных материалов, в том числе пзносостой-jmx наплавок, является рентгеноспектральный микроанализ (РСМД). Однако применение этого метода как к указанным материалам, так л ко многим другим требует проведения специальных методических исследований и разработок, которые позволят обеспечить достоверность получаемой информации.

Цель работы состоит

- в получении зависимостей состава фаз в наплавленном металле от состава и структуры исходных материалов, используемых при раз-

личных методах наплавки износостойких покрытий;

- в разработке пакета методик количественного РСМД гетерофаз- и ных СВС-материалов и износостойких наплавок, обеспечивающих наибольшую точность в надежность получаемой информации. Это позволит найти оптимальные условия получения высоких параметров износостойкости исследуемых материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- в методической части: )

1) подготовка образцов исходных СВС-материалов и износостой- ; ких наплавок для проведения РСМД;

2) с помощь» модельных образцов, изготовленных методом порошковое металлургии, оценить величину ошибок, возникающих при проведении количественного РСМД состава фаз различного размере в наплавленном металле;

3) разработать пакет программ количественного РСМД состава матрицы и фаз разного размера при различном их содержании в наплавленном металле;

- в прикладной части:

1) методом РСЦА провести исследования состава микрообъемов наплавленных материалов (всех фаз, присутствующих в износостойкой наплавке);

2) на основании проведенных исследований установить закономерности изменения состава и сформулировать механизм образования упрочняющих фаз износостойких наплавок, полученных с использованием СВС-материалов, в зависимости от способа их получения. Это позволит уточнить состав и структуру износостойкого наплавленного металла, я на основании этого оптимизировать (совместно с разработчиками) составы наплавочных материалов для нанесения износостойких покрытий. 1

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана оригинальная методика получения модельных образцов системы Ре-Ж с фиксированным содержанием карбидной фазц сао-

собом порошковой металлургии, исключающая влияние диффузионных процессов на изменение состава исходных компонентов;

- для двух типов микроанализаторов различной конструкции с помощью изготовленных модельных образцов системы Ге-ТсС при различном содержании карбидной фазы определены систематические погрешности, , возникающие при проведении количественного РСМА как материала матрицу, так и карбидной фазы;

- разработан пакет програ?®1 проведения количественного РСМД матрицы и упрочняющих фаз гетерофазных износостойких материалов;

- найдены закономерности изменения состава и предложен механизм образования упрочшахаос фаз в износостойких гетерофазных наплавках изнапиващихся деталей в зависимости от особенностей состава и структуры исходных СВС-материалов, а также от способа получения износостойких наплавленных материалов. При этом показано значение защитной оболочки вокруг карбидных частиц исходных СВС-материалов и ее роль

в процессе перехода карбидных частиц из электродного покрытия (или шихты порошковой проволоки, флюса) в наплавленный металл.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Комплекс разработанных методик мпкрозондовых исследований материалов гетерофазных износостойких наплавок используется при работе на приборе "КАЖБАКСЧИКг'ОЦЕГ в лаборатории рентгеновского анализа отдела физико-химических исследований металлов НПО ЩБЫТМАШ

а успешно применен в процессе разработки наплавочных материалов (электродов, порошковых проволок, флюсов), содеркащих упрочняющую фазу П.С ПЛЕ (ТО, для детального изучения состава и структуры износостойких наплавок. В дальнейшем эти методики могут быть использо-заны для исследования практически любого гетерофазного материала.

2. Газработанны;: пакет программ проведения количественного РСГ.1А гетерофазных материалов внедрен в аналитической лаборатории института "Г.ША-^ЧАЗоОЛОТС".

3. На основании проведенных исследований совместно с разработ-гиками наплавочных материалов оптимизированы состав покрытия элект-

родов, шихты порошковой проволоки и состав керамического флюса, которые нашли применение на предприятиях страны. Получен значительный экономический эффект от внедрения этих материалов.

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертации и результаты исследований предложены и обсуадены на научно-технической конференции стран-членов СЭВ "Современное оборудование и технологические процессы для восстав новления и упрочнения деталей машин" (г.Пятигорск, 1988 г.), на научно-техническом семинаре "Ресурсосберегающие прогрессивные технологии в сварочном производстве для машиностроительного комплекса" (г.Москва, 1989 г.), на Международном совещании координационного центра по сварке по теме 29 "Исследования и разработка флюсов и проволок массового назначения для механизированной сварки новых конструкционных сталей" (Берлин, февраль 1939 г.).

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в шести печатных работах, в том числе получено одно авторское свидетельство.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературных источников из 133 наименований. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 42 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности работы и освещены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ свойств износостойких наплавочных материалов, применяемых для повышения работоспособности деталей машин, эксплуатирующихся в условиях абразивно-ударного изнашивания, а также износа при высоких температурах.

При электродуговой наплавке покрытыми электродами деталей, работающих в условиях интенсивного абразивно-ударного изнашивания, наилучшим комплексом свойств обладают электрода марок ЦН-16, ВСН-6, ОЗН-7. На определенном этапе данные электроды удовлетворяли требо-

ваниям, предъявляемым промышленностью. Однако непрерывно увеличивающиеся мощности машин и механизмов ставят новые задачи в области повышения износостойкости наплавочных материалов.

Для защиты деталей от абразивного изнашивания при динамических нагрузках наиболее перспективными представляются сплавы со структурой, состоящей из прочной и вязкой матрицы с равномерно распределен- ' ными твердыми фаземи различной дисперсности, например, карбидными фазами.

Применительно к задачам настоящей работы из всех известных кар- ( бидных соединений металлов оптимальным сочетание;» свойств обладает карбид титана, имеющий наиболее высокую твердость а термодинамическую устойчивость. Относительно низкая плотность карбида титана также является важным положительным качеством данного соединения, поскольку в структуре наплавленного металла карбид с меньшей плотно/

стью будет занимать больший объем. Поэтому, чем ниже плотность карбида, тем меньше его нужно вводить з наплавленный металл (по массе) для обеспечения одного и того же удельного объема карбидной фазы в сплаве.

Кроме того,-экзотермический эффект реакций с титаном при протекании СВС-процесса также один из наиболее высоких. К тому же, по сравнению с другими высокотвердйми соединениями, титановые значительно дешевле,

Однако, несмотря на отмеченные высокие свойства карбида титана, последний редко применяется в качестве основной упрочняющей фазы в известных износостойких наплавочных материалах. Это объясняется тем, что титан имеет высокое сродство х кислороду, а это неизбежно приводит к его значительным потерям из-за интенсивного окисления в процессе наплавки при традиционно применяемом раздельном способе легирования титаном и углеродом. В свою очередь, зто не позволяет получить необходимое количество карбида титана в структуре наплавленного металла, а значит добиться высоких характеристик износостойкости наплавленного металла.

- а -

Существенно более перспективным представляется легирование наплавленного металла готовыми соединениями карбида титана (комплексное легирование), которое позволяет получить большее содержание ка{ бида титана в структуре сплава и, таким образом, повысить износостойкость наплавленного металла.

Для дополнительной защиты карбида титана от непосредственного воздействия высоких температур сварочной дуга с целью обеспечения наиболее полного его перехода из покрытия электрода в наплавленный металл осуществлено плакирование применяемых частиц карблда титана защитной оболочкой из железа. Выбор железа в качестве защитной оболочки обусловлен тем, что оно имеет значительно меньшее сродство к углероду, чем титан и, кроме того, железо является основой выбранной системы сплава.

В этой же главе на основании литературных данных рассмотрены условия работы, основные причины и характер износа трубопрессозого инструмента. В процессе выдавливания слитка и прошивания его иглой прессовый инструмент подвергается комплексное воздействию силовых нагрузок, тепловых напряжений, трения и окисления поверхности. При этом основной причиной выхода из строя инструмента является смятие его поверхности из-за недостаточной теплостойкости применяемых для его изготовления сплавов.

Проведен анализ свойств наплавочных материалов, применяемых для упрочнения инструмента горячего деформирования.

Оптимизация состава керамического флюса (предложенного разработчиками наплавочных материалов) мя наплавки лентой, обеспечивающего получение экономнолегированного сплава, не уступающего по свойствам сплаву марки ЗХ2ВЗ, явилась одним из путей решения поставленной проблемы.

Как показали предварительные исследования, повышение теплостойкости достигается в случае введения в наплавленный металл через керамический флюс карбида титана и комплексных карбидов на его основе, таких как ЪС-КЖ-ЖьЪС-ИоС. Указанные карбида были г.алучены

- 3 -

методом СВС-технологии.

По сравнению с применяемыми ранее металлургическими методами, СЗС-технология получения карбидов обладает рядом существенных преимуществ, основный из которых для решения поставленной задачи являются следущие:

- возможность производить карбиды высокого качестза, т.е. без значительного отклонения от стехиометрии получаемых карбидов;

- возможность изготовления слоянкх, комплексных карбидов с заданным соотнопестем карбидообрззующих элементов, а такне карбидов, находящихся в защитной оболочке необходимой толщины;

- высокая производительность и относительная простота используемого оборудования, обуславливающие низкую стоимость получаемых карбидов.

Для понимания процесса образования упрочняющей карбидной фазы и нахождения оптимальных вариантов по выбору материалов и технологии нанесения наплавок необходимо обладать обшрнсй цнфорицией об их составе и структуре. Это особенно ваяно в данном случае, поскольку износостойкие наплавки, как правило, являются многокомпонентными и гетерофазными материалами.

Дано обоснование выбора метода РСМД как оптимального при изучении состава гетерофазных наплавочных материалов в зависимости от состава и количества введенных карбидов, а также от способа легирования при получении износостойкой наплавки.

Анализируя факторы, снижающие локальность анализа и обуславливайте возникновение систематической погрешности при проведении количественного РИДА, необходимо выделить следующие:

- флуоресцентное возбундение аналитических линий одних элементов характеристически.? излучением других, имеющихся в соседней точке, а такке тормозным излучением;

- диффузное размытие электронного зонда;

- возбуждение рентгеновского и&Яучения многократно отраженными ; электронами, т.е. рассеянными на отдельных деталях конструкции эле-

ктронно-оптической систеш и камеры образцов.

Достаточно слоеной является задача проведения количественного РСМА гетерофазных материалов, т.к. в данном случае не нэг^т быть использованы схемы и методики расчета систематических погрешностей РСМА, разработанные для гетерогенных материалов с учетом границы раздела гетероструктур. Поскольку в случае анализа гетерофазного материала мы имеем дело не с одной, а с множеством гетерограниц в материале матрицы, количественный учет эффектов вблизи гетерограницы весьма затруднен.

Наиболее существенные ошибки количественного РСМА будут возникать при исследовании гетерофазного материала, когда содержания определяемого элемента в разных фазах будут существенно различаться. Величина ошибки будет зависеть также и от количественного соотношения между этими фазами. В данном случае необходимо проводить на специально изготовленных модельных образцах экспериментальные исследования указанных эффектов, вносящих погрешности в результаты количественного РС1.1А гетерофазных материалов.

I

Дано обоснование выбора метода порошковой металлургии как опти-' мального способа изготовления модельных образцов для проведения методических микрозондовых исследований с указанной целью. Рассмотрены . основные положения технологии получения методом порошковой металлур- ■ гии абразивно-металлических композиций, к которым относится система * железо-карбид титана.

0

Вторая глава посвящена описанию материалов, методов исследования и оборудования, используемых в эксперименте. ::<

Дано описание СВС-технологии получения карбида титана и комплексного титано-вольфрамового карбида, покрытых защитной оболочкой из железа, в реакторе открытого типа. .

Применительно к рассматриваемым методам наплавки (электродуговой метод наплавки покрытыми электродами, электродуговой метод нап- 1 лавки порошковой проволокой и метод автоматической наплавки под ке- ) рамическим флюсом) указаны их особенности, а также режимы получения '

износостойких покрытий с использованием СВС-материалов в составе пшхты. Свойства наплавленного металла комплексно оценивали по показа-, телям относительной износостойкости, ударной вязкости, твердости, ' теплостойкости и разгаростойкости, которые зависят от структуры и химического состава сплавов.

; Коэффициент относительной износостойкости определяли на усовершенствованной установке при трении о закрепленный абразив, воспроиз- ' зодяшей условия испытаний на машине "Х-4Б". г

Ударную вязкость оценивали на модернизированном наятниковом копре МК-1-0,5.

Стойкость сплавов в условиях абразивно-ударного изнашивания определяли на центробеяном ускорителе ЦУК-ЗМ в потоке механически ускоренных абразивных частиц, позволяющем имитировать реальныа услоЕпя эксплуатации деталей размольного оборудования.

Разгаростойкость металла, полученного методом наплавки под флюсами при раздельном и комплексном способах легирования, оценивали по количеству циклов нагрева и оглавления образцов до появления первых трещин на поверхности наплавленного слоя. Для этих яе типов сплавов ¡' оценку на теплостойкость проводили путем определения твердости в зависимости от температуры отпуска и длительности нагрева при заданной ■ температуре.

Высокоте1.шературную твердость измеряли на приборе ТШ-2.

Предложен способ подготовки исходных СВС-мзтерпалов и износостойких наплавок, полученных с их применением, для проведения структурных и фазовых исследований. Данный способ подготовки образцов позволяет получить хорошую поверхность шлифа я исключить дополнительные ошибки, связанные с внедрением частиц абразивного материала в поверхностный слой образца.

Состав и структуру исходных СВС-материалов и наплавленного металла определяли метода:« химического, металлографического, рентге-носпектрального и рентгеноструктурного анализов. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе "НЕО£ОТ-2П. Твер-

дость наплавленного металла определялась на приборе Роквелла, микротвердость - на установке ПМГ-З.

Общий состав наплавленного металла определялся методом хиютеского анализа, а также методом рентгенофлуоресцентного анализа на установке /?RL -72000.

Фазовый анализ материала наплавок определяли методом рентгенострук-турного анализа электролитически выделенных осадков на рентгеновской установке УРС-^0 по методу порошков.

Содержание элементов в микрообъемах материала наплавок исследовали методом электроннозондового рентгеноспектрального микроанализа с помощь' микроанализаторов "Ui-АбЫС "КАМЕЕАНС-ШС" и "КАМЕБАКС-иСПСРОШГ французской фирмы "КАМЕКА".

Третья глава посвящена методическим исследованиям влияния гетеро-фазности анализируемых материалов на точность количественного РСМД, выполненным на специально изготовленных модельних образцах.

Оценивая вклад эффектов флуоресценции, многократного отражения и диффузного размытия электронного зонда в суммарную величину систематической погрешности при проведении количественного микрозондового анализа в двухфазной системе Fb~TlC , показано, что ошибки за счет эффектов флуоресценции и размытия электронного зонда практически не выходят за пределы точности измерений. Основной вклад в суммарную величину систематической погрешности вносит эффект многократного отражения электронов.

Расчетным путем определить величину возникающих при этом систематических ошибок не представлялось возможным. Поэтому потребовались измерения на специальных модельных образцах, аналогичных по структуре и составу наплавленному металлу, но с заранее известным составом присутствующих в них фаз.

Модельные образцы представляли собой железную матрицу с расположенными в ней частицами фазы 71С , полученной методом СВС-технологии. Содержание карбидной фазы в матрице изменялось от 0,1% об. до 40% об.

Проведенные ранее исследования показали, что исходный порошок карбида титана не содержит железо, а порошок железа, в свою очередь, не содержит титан.

Разработанная методика изготовления модельных образдоз методом кем-4 сактирования порошковых смесей при температурах около 600°С, при которых^ не происходит растворение карбидной фазы и взаимной диффузии компонентов, обеспечила получение образцов с низкой остаточной пористостью (не более 2+б£ в зависимости от состава компактируемой смеси).

Выбранное для исследования модельные образцы имели широкий набор как по размерам карбидных включений, так и по их содержанию (объемной доле) в образце. Это позволило полностью охватить все наиболее часто встречающиеся в практике варианты возможных сочетаний размеров анализируемых включений и их количества в исследуемом образце рассматриваемой системы.

С помощью изготовленных модельных образцов проведены экспериментальные исследования по определению и сопоставлению величины системати- ' ческой погрешности при млнрозондовом анализе, выполняемом на двух микроанализаторах различной конструкции: "М^-46НС и "КАМЕБАК&-ЩЩРОШМ'*.

, *

Зафиксированные значения содержания железа во включениях карбида титана, а также Титана в железной матрице модельных образцов а будут соответствовать систематической ошибке анализа. ^

Полученные с помощью микроанализзторов "Ы$-462>ЬС" и "КАМНБАлС-МИ-КРОЗЕГ Записи спектральной линии в частицах карбида титана разного 1 размера Показывают, что при заданном содержании карбидной фазы величина систематической погрешности уменьшается с увеличением размера анализируемых карбидных частиц.

Показано, что величина погрешности зависит также и от содержания карбидной фаза з образце, уменьшаясь с ее увеличением (рис.1).

3 результате обобщения данных, полученных на модельных образцах, оказалось возможным определить на только величину систематической погрешности для каждого из рассматриваемых случаев, но и выявить основной источник этой погрешности - доминирующее влияние на систематическую зшибку эффекта многократного отражения электронов от деталей ко.ч. '

дат прибора.

С целью получения объективных данных, гарантирующих достоверность 7случайного результата по определения содержания титана в матрице, бы-

. ... - ... .. . да разработана специальная методика, позволяющая на основе наборе измерений в большом числе точек, найти функцию распределения (гистограмму) до содержанию титана в матрице. Построение гистограммы производится на принтере. *

Основная разработанная программа измерений, имеюцая название "RMtf*, необходимые к ней подпрограммы, а также имеющаяся для управления прибором библиотека подпрограмм составлены на языке "Фортран—!".

По разработанным программам на изготовленных модельных образцах с помощью прибора "КАМЕБАКС-ЬЯКРОЕИ" проведены микрозоядовые исследования с целью определения зависимости величины систематической погрешности от содержания карбидной фазы 71С в модельном образце. Построен график данной зависимости для широкого интервала содержания карбида титана в модельном образце.(рис.2). 5

Показано, что в начальной своей части полученная кривая близка к параболе. Величина систематической погрешности резко возрастает с уве- ( личением количества карбида титана в модельном образце при содержании j карбидной фазы от 0,1% об. до 20? об. Затем^ри увеличении содержания ! карбидной фазы в модельном образце от 20$ об. до 40% об.^величина систематической погрешности возрастает медленнее.

г

В четвертой главе приведены исследования строения, состава и свойств износостойких материалов, полученных различными методами наплавки с использованием материалов СВС-технологии. Предложен механизм образования упрочняющей фазы износостойких материалов, полученных различными методами наплавки с использованием СВС-карбидов в составе шихты., -. В работе была исследована структура используемых в шихте для получения износостойких наплавок материалов, полученных по технология СВС. | Изготовленные по данной технологии карбид титана и комплексный титано--вольфрамовый карбид в оболочке железа представляют собой конгломераты карбидных частиц. Отдельная карбидная частица представляет собой включение сферической (или близкой к сферической) формы, которое со всех сторон равномерно покрыто оболочкой из железа.

Установлено, что полученный карбид титана имеет стехиометрически? состав и не содержит элемент, представляющий его оболочку.

Рис.1. 1^я$пки зависимости величина систематической погрешности при проведении микрозондового анализа на приборах

1а) и КАМЕЬАКС-!£ШРОЫйГ (б) от размера вки>-чений карбидной фазы Тс С и ее содержания в модельном образце.

Рис.2. Зависимость величины систематической погрешности измерения содержания титана в матрице от количества карбида титана, содержащегося в модельном образце.

Показано, что увеличение толщины защитной оболочки вокруг применяемых карбидных частиц более 2+3 мкм нецелесообразно, поскольку не приводит к повышению коэффициента перехода карбидообразующих-элементов в наплавленный металл.

Для реализации необходимой структуры сплава применительно к конкретным ус.-сг>::.»м работы изнашивающихся детале/ на основании литературных данных, а т-.-кле предэаритачьных экспериментов были выбраны следующие системы легирования:

1) система Ге-С-Сг-11-Ут££ применительно к методам ручной электроду-гозой наплавке покрыться электрода:,® и электродуговой наплавке порошковой проволокой;

2) система Рв-С'Сг-Мо'У-Ц-Тй- применительно к методу автоматической наплавки под флюсом.

Преимущества легирования наплавленного металла готовыми карбидными соединениями в защитной оболочке из нелеза, полученными по СВС-техноло-гии, оценивали в сравнении с раздельным легированием, когда в состав ших ты карбидообразушие элементы входили в виде порошков или соответствующих ферросплавов.

В структуре материалов, полученных указанными методами наплавки, есть много общего. Так, матрица сплавов представляет собой мартенсит с остаточным а-устенитом.

Для первой системы легирова:шя при различных методах наплавки, но одинаковых способах введения карбидообразующих элементов мы получили совершенно аналогичные по структуре, составу и свойствам наплавленные материалы.

В исследованных сплавах данной системы легирования {Ге-С-Сг-Тс~У~£с) присутствуют карбидные фазы двух типов: ЫеС и Ые^. Установлено, что карбид типа МеС представляет собой титано-ванадиевый карбид (71,У)С. В центральной части мехосных участков дендритной структуры материала наплг вок расположена выделения дисперсной карбидной фазы эвтектического строс ния типа ЫвуСз. Как показали микрозондовые исследования, данная фаза пр£ дставляет собой карбид (РегСгУ Сд.

Однако, в зависимости от способа легирования, в структуре ыатериа-

лоэ наплавок данных типов есть и существенные различия. Так, пса раздельном способе легирования в структуре материалов наплавок наблвдзвтся

мелкие карбидные включения (1+7 гтаО. При этом объемное содержание фазы МеС в матрице наплавок невелико, около 7+82 об.

Для второй системы легирования (Л?-C'Cr-Mo-V-W-Ti~SL) при раздельное способе легирования пртсутствие карбидной фазы в материале наплавки не обнаружено. Все карбндообразующие элементы материала наплавят данного типа находятся в твердом растворе.

Указанная структура материала наплавок, полученных при раздельном способе легирования, не позволяет получать удовлетворительное сочетание механических свойств наплавленного материала.

При комплексном способе легирования готовша карбидными соединения-га в оболочке железа резко возрос коэффициент перехода карбидообразую-щих элементов из шихты в наплавленный металл. Значительно возросло количество карбидной фазы, изменилась структура и фора ее выделения в материале наплавки.

Так, для первой системы легирования, карбидные включения присутствуют в виде крупных дендритных кристаллов размером до 120+180 мкм, их содержание составляет около 152+182 об.

Измерения микротвердости структурных составляющих материала .наплавок показали, что при комплексном способе легирования высокие значения коэффициента относительной износостойкости и твердости наплавок определяются, в первую очередь, присутствием большого количества высокотвердого титано-ванэдневого карбида.

Показано таете, что присутствие в материале наплавок карбидной фазы эвтектического строения /типа (Ге.Гг.У)^/ не снижает общую твердость наплавленного металла и играет свою положительную роль в повышении износостойкости материалов наплавок данных типов.

Проведенное исследования показали, что п:и электродуговом методе наплавки покрытыми электродами и порошковой проволокой наилучшим комплексом свойств обладает наплавленный металл типа 250Х9Т6^3С, содержащий 2,3-2,52 С; 9,0-11,02 Сч; 5,0-8,0271; 3,0-4,02 V; 1,30-1,802

о,зо-о,ео£ мп.

Во второй системе легирования при комплексном способе легарования (по сравнению с раздельным) изменяется фазовый состав материала наплавки: отмечено присутствие комплексного карбида, в состав которого входят все карбидообразуюсие элементы данной композиции.

Установлено, что наибольший эффект повышения теплостойкости сплава 40X3Ü253TC, выбранного в качестве базового для второй системы легирования, при наплавке под керамическим флюсом достигается при введении в него комплексного карбида TiC~WC .

Методом микрозоядозого анализа по специально разработанным методикам и программам с учетом величины систематической погрешности анализа определены составы всех структурных составляющих материалов наплавок данных типов.

На основании полученных результатов можно утверждать, что матрица анализируемых материалов не содержит титан. Весь введенный в наплавку титан находится в связанном состоянии, в виде высокотвердых включений титано-ванадиезого или сложного комплексного карбида.

Структура материала наплавок, полученных при комплексном способе легирования, обеспечила наиболее оптимальное сочетание механических свойств по сравнении со сплавами, полученными при раздельном способе легирования.

Проведенные исследования позволили предложить механизм образования упрочняющих карбидных фаз износостойких материалов, полученных различными методами наплавки с использованием материалов СЗС-технологси в составе шихты.

В случае раздельного легирования имеет место прямой контакт основных карбидообразуюцих элементов и углерода с воздухом, т.е. со свободным кислородом и азотом.

При прохождении через высокотемпературную область сварочной дсги (*»ЗОСО°С) происходит их интенсивное взаимодействие с образованием окислов и нитридов, которые затем удаляются в шлак или улетучиваются, не сохраняясь в наплавленном металле. Введение в шихту готового карбида титана существенно снижает актизность взаимодействия этих элементов с вог

- 19 -

духом, поскольку они связаны в прочное соединение. Тс С.

Дополнительное уменьшение степени взаимодействия титана и углерода , с кислородом и азотом достигается созданием вокруг карбидных частиц защитной оболочки из железа. Такая защитная функция железа реализуется лгать благодаря кратковременности пребывания (десятые доли секунды) порошка карбида титана в высокотемпературной области сварочной дуга.

Не успев про взаимодействовать с кислородом и азотом зоздуха, карбидные частила попадают в жидкий металл наплавка, растворяясь в нем.

В жидком металле происходит частичное окисление углерода и титана кислородом, содержащимся в растворе. Однако содержание кислорода в жидком металле значительно ниже, чем в воздухе, поэтому потери титана и углерода на стадии окисления в жидком металле очень невелики, и это не приводит к существенному снижению коэффициентов перехода карбидообразуюцих элементов из шихты в материал наплавки.

Затем происходит процесс кристаллизации жидкого металла по классической схеме.

Поскольку в данной композиции титан имеет наибольшее сродство к уг- . лероду и температура образования фазы Т1С наибольшая, процесс кристаллизации начинается именно с образования частиц карбида титана.

Об этом свидетельствуют форма и характер расположения карбидных частиц в наплавленном материаче - частицы карбида кристаллизуются в виде крупных дендритов, являясь как бы арматурной сеткой для всего материала наплавки.

Состав электродного покрытия подбирался таким образом, чтобы весь титан был связан углеродом в высокопрочное карбидное соединение и не входил бы в состав твердого раствора (матрицы), поскольку даже малые содержания титана в твердом растворе вызывают охрупчивание матрицы, что крайне нежелательно для материалов, работающих в условиях абразивно-ударного изнашивания. Содержание же углерода в шихте, по отношению к содержанию титана, является избыточным.

В связи с этим, по мере охлаждения наплавочной ваккы, когда почти весь титан, находящийся з жидком металле, связан-углеродом в устойчивое соединение 71С , оставшийся углерод соединяется с ванадием.

Это приводит к образованию сложного титанэ-ванадиевого карбида ти-, па (71,У)С. Следует отметать, что карбид типа {71^)0 не является самостоятельной структурной составляющей материала наплавки данного типа, а образуется на периферийных участках дендритов карбида титана путем частичного замещения титана на ванадий. Такое замещение титана на ванадий в составе карбида типа МеС вполне возможно, поскольку известно, что карбид титана а карбид ванадия имеют неограниченную растЕзримость друг в друге. В этих же периферийных участках карбидных дендритов возможно также присутствие и другого карбидообразующего элемента данной системы -| - хрома, поскольку известно, что в карбиде типа (Т£,К)С может раство- | ряться значительное количество карбида хрома.

Таким образом, учитывая изложенный выше механизм образования упрочняющей карбидной фазы наплавленных износостойких материалов, можно сделать выводы о решающей роли использования именно высокопрочных соединений карбида титана или комплексного титано-вхтьфрамозого карбида и именно в защитной оболочке из железа для существенного повышения коз?- ■ фициекта перехода карбидообразующих элементов и углерода из электродного покрытия, шихты порошковой проволоки и керамического флюса в матери- |

I

ал наплавки. Коэффициент перехода карбидообразующих элементов и углеро- ' да в материал наплавки зависит, главным образом, от форлы присутствия их в пихте (метод раздельного легирования или комплексного легирования).

Механизм образования упрочняющей карбидной фазы износостойких материалов одинаков для всех рассмотренных здесь методов нанесения наплавки. Однако, в зависимости от конкретного назначения, тип материала наплавки • вносит соответствующие изменения в состав образовавшееся упрочняюще.: карбидной фазы по сравнению с составом исходного СЗС-карбида.

На основании предложенного механизма образования упрочняющей карбидной фазы износостойких материалов совместно с разработчиками наплавочных материалов оптимизированы составы шихты с применением СВС-карби-доз для различных методов наплавки. Разработанным наплавочным электродам присвоено марочное обозначение порошковой проволоке - обозначение ПП-Нп-ЦН-7-Т-С-2,Э, составу керамического флюса - марка аЦК-25.

Пятая глава посвящена вопросам внедрения результатов работы.

Разработаяный пакет программ колпчестзенного РСМА гетерофазных ма- ; тераалов внедрен в практику работы лаборатории рентгеновского анализа отдела физико-химических исследовании металлов НПО ЩЕСГПШ, а такжэ в аналитической лаборатории института "ЕИАЛМАЗЗОЛОТО".

Наплавка 'электродами ЦН-29 мелящих лопаток мельниц вентиляторов в условиях Турбостроительного завода в г.Сызране позволила в 3 раза продлить срок их службы по сравнении с ранее выпускаемыми. На ремонтно-тех-ническом предприятии в г.Подольске организован участок для упрочняющей наплавки режущих кромок почвообрабатывающих деталей (лемехов и дисков), что позволило увеличить их долговечность в 4-6 раз.

Внедрение керамического флюса марки ¿¡¡К-25 в ПО "Атоммаа" при наплавке оправки пресса 450 Мн показало, что разработанный флюс обеспечивает наплавле.чный металл высокого качестза.

Общий годовой экономический эффект от внедрения указанных разработок составил около 235 тыс.руб., а долевое участие настояцей работы . (~ 20£) - около 47 тыс.руб. (в ценах 1991 года). К

Об'лие выводы

1. На основании исследований структуры, состава и свойств матераа-лов, получе.чных различными методами наплавки при разных способах введения карбидообразуэдих элементов и углерода в наплавочную шихту, установлено, что использование СВС-карбидов в защитной оболочке (способ комплексного легирования) в составе покрытия электродов, шихта порошковой проволока и керамического флюса надежно обеспечивает получение из- ( нссостойких наплавок с высокими механическими характеристикам а слуяеб-нами свойствами: коэффициентом относительной износостойкости, ударной / вязкостью, твердостью, микротвердостью, теплостойкостью, разгвростой-костью. :

2. Предложен механизм образования упрочняэщей фазы износостойких материалов, получаемых различными методами наплавки с использованием ' продуктов СВС-технологки в электродном покрытии, шихте порошковой про- ^ волоки и керамическом флюсе. При этом показано значение защитной сболоч-.-ки из железа вокруг частиц карбида титана и комплексного титано-вольфра— нового карбида г ее роль в процессе перехода карбидных частиц из элеят- ?

- 22 - "

родного покрытая (иди пихты, флюса) и наплавленной ыеталл.

3. Определена величине систематической погрешности при провзденпи количественного РСМА состава фаз и матрацы износостойких наплавок для двух типов микроанализаторов различной конструкции "&$-46Ы.С" и "КА:ЛЕ-ЕАКС-11ХКРСБ1МП, для чего разработана методика изготовления специальных модельных образцов методом коглпактирозания из порошков при температурах около 600°С, при которых не происходит растворение карбидной фазы е взаимной диффузии компонентов. Данная кетодика обеспечивает получение образцов с низкой остаточной пористостью.

4. Разработан оригинальный пакет методик проведения количественного РСМД в полностью автоматизированном режиме на рентгеновском ыпкроана-

*

лизаторе "КА'^ЕБАКС-МИКРОБЫ" для гегеро*азннх износостойких наплазок. Это позволяет получить объективные данные о составе матрицы и упрочняющих фаз исследуемых гетерофазных материалов.

5. В.процессе разработки наплавочных электродов и порошковой проволоки определена оптимальная область состаза наплазочнък (.а те рис лоз системы легирования Ре~С-Сг-Тс~У-& : 2,3-2,552 масс.С; 9,0-11,0£ масс.Сч; 5,0-8,0? касс.71; 3,0-4,0^ масс.У ; 1,30-1,80^ масс.$1;0,30-0,60£ юссШ

Показано, что легирование карбидом титана (при оптимальном содержании 19,0-21,0? касс, в составе электродного покрытия и шихты порошковой проволоки) приводит к образованию в структуре наплавленного металла устойчивых высокотвердых, компактной формы карбидных включений (в количестве 15,0-18^ об.) и повышению износостойкости сплава.

6. Изучение структуры, состава (по разработанному комплексу методик РСМД) и свойств сплавов из выбранной оптимальной области составов износостойких- материалов, предложенных для наплавки покрытыми электродами и порошковой проволокой, показал, что микроструктура наплавленного металла представляет собой мартенситно-аустенитную матрицу с равномерно распределенной карбидной фазой двух типов: МеС и ^еуС^. Методом микрорентгено-спектреУ;.ьного анализа определены составы всех структурных составляющих А5е:сриалов наплавок данных типов.

7. Для упрочнения трубопрессового оборудования методом автоматической наплавки под флюсом в качестве базовой композиции теплостойкого эко-

я о> с-! ол е гпр о ва як о го материала эыбран сплав типа 40ХЗМ2йЯС системы Ре-Г-Сг-Ио-'/У-Тык., оЛг_адаггцй высокой разгаростойкостьв. Установлено, что повышение теплостойкости этого сплава обеспечивается применением комплексного титано-всльфрамового ОЗС-карбида в количестве ке менее Ъ% мзсс. во флззсе за счет образования большого количества карбидной фазы в нап-ла ал енком металле.

8. Исследование по разработанному комплексу методик состава и структуры сплава, а танке его свойств в оптимальной области легирования применительно к наплавке трубопрессового инструмента под керамическим флюсом показало, что микроструктура наплавленного металла пргдставляет собой мартенситно-аусте.читнуэ матрицу с равномерно распределенной карбидной фазой, содержащей все карбидообразувдяе элементы данной композиции. Методом злектроннозондового рентгеноспектрального микроанализа определе-. ны составы фаз материала наплавок данного типа. При зтом твердость наплавленного металла составляет 45 НКС.

9. На основании проведенных исследований совместно с разработчиками наплавочных гатериалоз

- оптимизирован состав покрытия электродов, получивших обозначение ЦН-29 (ТУ 24.II.003.88), и шихты порсшкозой проволоки, получившей обозначение 1Ш-Нп-ЦН-7-Т-С-2,9; наплааленный ими металл обладает оптикзлв-ньм сочетанием износостойкости, ударкоЗ вязкости и твердости: £ = 7,0-7,2; КС* = 5,8-6,0 Дя/см2; НЯС = 60-62;

- предложен состав керамического флюса, которому присвоена марка 311д-25 (ТУ 103.1459-87), для автоматической наплавки трдбопрессового инструмента. На состав этто флтса получено эвторсксо свидетельство на изобретение.

10. Комплекс разработанных методик гликрозондовнх исследований мате-г-злов, содержащих карбидную фазу, используется при работе па прчборе Ч^ЕИКС-ШИРОЕИ" в лабораторсш рентгеновского анализа отдела фпззко-■хикическпх исследований металлов НПО ЩИ1ПТШ1 и успепло применен в процессе разработки наплавочных материалов (электродов, порошковых прово-сск, флюсов), содержащих упрочаяюцуя фазуТЁ.С алл (/¿С-!'//1), дал деталь-:ого изучения состава я структура износостойких наплавок. 3 дальнейшем

эти методики moi^t быть использована для исследования практически любого гетерофазного материала.

V V

Разработанный пакет программ проведения РСЛА гетерофазных материалов внедрен в аналитической лаборатории института "ЕШАСЛАЗЗОЛСТО".

II. Разработанные с участием автора электроды марки Цй-29, порояко вая проволока марки Ш-Нп-Ш-7-Т-С-2, S и керамический флюс марки ФЦК-25 внедрены.на ряде предприятий страны. Это позволило в 3-6 раз увеличить срок службы наплавленных изделий.

Общий годовой экономический эффект от внедрения указанных разработок составил около 235 тыс.руб., а долевое участие настоящей работы (^20?) - около 47 тыс.руб. (в ценах 1991 года).

Список опубликованных работ по теме диссе^ацпи

1. Каковкин О.С., Дарахвелидзе Ю.Д., Старченко Г.Г. Особенности ле гарования наплавленного металла карбидом титана при электродуговой изно состойкой наплавке. Св&рочное производство, IS3S, й 5, с.41-42.

2. Каковкин О.С., Дарахвелидзе Ю.Д., СтарченкйхГ.Г., Караваева Е.А Легирование наплавленного металла карбидами титана, полученными методом СВС. Ы.: Препринт ЦВПЕГлАш, 1933, & I, II с.

3. Керамический флюс для износостойкой наплавки. / Пархоменко А.Г. Курланов С.А., Стеган B.C., Ефимов В.Л., Старченко Г.Г., Гетман В.Г. // Автор.снид.СССР й 1534903 323Х, 35/362 от 30.12.87.

4. Старченко Г.Г., Филатов В.М., Андреев В.А., Мальцев В.И., Сум-булов В.А. Особенности структуры износостойкого материала, полученного методом СВС-наплавки. // Труды ЦН^^-ТМАП, 1990, И 219, с.43-51.

5. Старченко Г.Г., Филатов З.М., Батырев З.А. Методика изготовлен-, модельных образцов для определения степени влилг-ля состаза и содерханш фаз в гетерофазных объектах на точность рентгеноспектрального микроанализа. // Труды Uj/aTUAÜ, 1990, if 219, с.62-67.

6. Цикунов Н.С., Федороза O.A., Крылова O.A., Старченко Г.Г. Применение метода интерференционных слоев для выявления структуры паяных соединений. //Труды ЦНЙ!Т;<1АШ, 19:-0, » 216, с.79-33.