автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура, состав и служебные свойства двухслойных покрытий на основе порошков Н73Х16СРЗ и ПГ-С27, нанесенных плазменной наплавкой

^ л

На правах рукописи

У I

ТРЕКМН Григорий Евгеньевич

СТРУКТУРА, СОСТАВ И СЛУЖЕБНЫЕ СВОЙСТВА ДВУХСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВ Н73Х16СЗРЗ и ПГ - С27, НАНЕСЕННЫХ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКОЙ

Специальность 05.16.01 - Металловедение к тершческая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург 1997

Работа выполнена на кафедре термообработки и физики металлов Уральского государственного технического университета.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Фарбер В.М. доктор технических наук, профессор Филиппов М.А.; кандидат технических наук ст.научн.сотр. Косицын С.В. ГПО "Уралвагонзавод"

Защита диссертации состоится 22 декабря 1997 г. в 15 ч 00 мин на заседании диссертационного совета К.063.14.02 при Уральском государственном техническом университете (3-й учебный корпус, ауд. Мт - 421).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ - УПЙ.

Ваш отзыв в одном экземпляре, скрепленный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, УГТУ, ученому секретарю института, телефон 44 - 85 - 74.

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.14.02, доцент, канд.техн.наук ,< Ю.Н. Логинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_темы. Ужесточение условий эксплуатации, возросшие в новыГэкономических-условияхтребования к долговечности и надежности технологического оборудования диктуют необходимость восстановления и повышения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей, деталей машин и механизмов.

Одним из ведущих способов восстановления и повышения служебных свойств рабочего слоя прокатных валков, ножниц горячей резки и т.п., работающих в условиях горячего износа, является плазменно порошковая наплавка сплавами систем легирования N1 - Сг - - В - С и Ре - Сг - С. Основным недостатком плазменно - порошковой наплавки этими сплавами, значительно сужающим область применения, является высокая склонность покрытий к образованию трещин при их нанесении. Отсюда вытекает необходимость отыскания закономерностей образования трещин в наплавленном металле, влияния на этот процесс состава и структуры наносимого слоя, целенаправленно регулируемых параметрами наплавки. Важным моментом является структура и состав области вблизи линии сплавления, свойства которой влияют на напряженное состояние покрытия. Решение перечисленных выше вопросов является актуальной проблемой и представляет большой научный и практический интерес.

Иель__работы. На основе детального исследования структуры, фазового, химического составов, твердости и горячей износостойкости рабочих слоев, полученных плазменной наплавкой порошками типа НТЗХ16СЗРЗ и ПГ - С27, отыскать параметры наплавки, обеспечивающие формирование рабочего слоя с высокими служебными характеристикам!. Поставленная цель достигалась решением следующих задач: 1. Исследовать влияние основных параметров плазменно порошковой наплавки: тока, расхода порошка, температуры

предварительного подогрева на структуру, фазовый и химический составы одно- и двухслойных покрытий на основе порошков К73Х16СЗРЗ и ПГ - С27.

2. Установить взаимосвязь структуры и состава покрытия с формирующимся уровнем твердости и характером ее распределения по глубине наплавленного слоя.

3. Изучить закономерности образования горячих и холодных трещин в образцах, наплавленных по различным режимам.

4. Отыскать структуру, фазовый и химический составы покрытий, обладающих высокими характеристиками трещино- и износостойкости при циклических теплосменах, и разработать на этой основе рекомендации по оптимальным режимам наплавки.

Научная_новизна._работы состоит в изучении структуры фазового и химического составов одно- и двухслойных покрытий на основе порошков Н73Х16СЗРЗ и ПГ - С2Т, формирующихся при различных режимах плазменной наплавки. Показана возможность целенаправленного регулирования в широких пределах параметрами плазменной наплавки (силой тока, расходом порошка, температурой предварительного подогрева) структуры, химического и фазового составов покрытий.

Прослежена взаимосвязь между составом, структурой и твердостью наплавленного слоя, а также с его склонностью к образованию трещин при наплавке и в процессе горячего износа.

Разработан перспективный способ многослойной наплавки присадочными износостойкими порошками на железоуглеродистую основу изделий.

Установлено, что благодаря рационально подобранным режимам наплавки удается значительно повысить трещино- и износостойкость покрытий, особенно двухслойных.

Практическая. ценность. Разработаны рекомендации по режимам двухслойной плазменно - порошковой наплавки, обеспечивающим высокие

эксплуатационные характеристики рабочего слоя изделий, работающих в услових.горячего. износа_и циклических тешюсмен. На основе данных рекомендаций подобраны режимы упрочнения поверхности роликов методом двухслойной плазменной наплавки самофлюсуюшимися сплавами. Внедрение этой технологии на Нишетагильском металлургическом комбинате позволило увеличить срок эксплуатации рожков рабочего рольганга стана 650 в 1.8 - 1.9 раза по сравнению с неупрочненными роликами.

Основные положения,„выносимые.на._задгту:

1. Результаты комплексных исследований структуры химического и фазового составов, свойств наплавленных одно- и двухслойных композиций из порошков Н73Х16СЗРЗ, ПГ - С27.

2. Корреляционные соотношения между параметрами плазменно -порошковой наплавки, структурой, составом и твердостью покрытий, а также склонностью к образованию в них трещи г процессе наплавки и горячего износа, с циклическими теплосменамк.

3. Режимы, приводящие к формированию состава и структуры рабочего слоя, обеспечивающего повышенный срок эксплуатации изделия.

Апробация„работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Российской конференции "Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин" (Москва, 1994); Международной конференции "Технология ремонта машз и механизмов", (Киев, 1994); Всероссийской конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка - 95" (Пермь, 1995); на научно -технической конференции "Современные аспекты металлургии, получения ¡1 обработки металлических материалов", посвященной 75 - летию образования металлургического факультета УГТУ (Екатеринбург, 1995) и на 13-й Уральской школе металловедов - термистов (Киров, 1996).

-б-

Публикации. Основные положения работы отражены в 12 публикациях и защищены патентом Российской Федерации.

Объем.работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы составляет 234 страницы, включая 102 рисунка, 30 таблиц. Список литературы содержит 54 наименования отечественных и зарубежных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, выбор объектов исследования, сформулирована цель работы, обоснованы основные положения, выносимые на защиту, охарактеризована новизна и практическая значимость результатов.

В_первой.главе дан критический анализ имеющейся информации о формировании покрытий из самофлюсующихся сплавов при плазменно -порошковой наплавке. Рассмотрены вопросы фазового состава, структуры и служебных свойств рабочего слоя. Особое внимание уделено вопросам образования трещин при наплавке покрытия и в процессе эксплуатации. На основе анализа отечественной и зарубежной литературы прослежено, как трещинообразование связано с фазовым составом и структурой покрытия, с технологическими факторами.

Для получения слоя, минимально поврежденного трещинами, предложено формировать двухслойное покрытие с относительно пластичным подслоем, который формируется за счет подмешивания материала подложки в наплавленный слой. Подслой должен снизить градиент химического состава и, следовательно, перепад физических свойств в покрытии, что приведет к снижению растягивающих

напряжений, распределению их на более широкую зону. Это потребовало исследований связи режимов нанесения покрытия с формирующимися структурой, составом и служебными свойства?®.

Во,второй,главе описаны материалы и методики исследования. Химический состав наплавляемых порошков и основного металла приведен в табл.1 и 2.

Таблица 1

Химический состав наплавочных порошков, масс. %

^рс^к 31 I ш. ¿»л В V ?е

ПГ-С27 3.9 26 1.5 1.7 1.1 - 0.3 осн.

ЕГЗХ16СЗРЗ 0.8 16 3.2 осн. - 2.6 - ■с К

Таблица 2

Химический состав основного металла, масс. %

Сталь и и Мп 31 Сг | Мс N1 ! У 1

Ст 03 кп 0.14- 0^22 0.300.60 - _ 1 _ .. 1.. 1

15 0.120.19 0.350.65 0.170.37 _ - _

45 0.420.50 0.500.8 0.170.37 - - _

5ХНМ 0.500.60 0.500.8 0.100.40 0.500.80 0.150.30 1.401.8 -

4Х5ФМС 0.320.40 0.200.50 0.901.20 4.50-! 1.205.50 \ 1.50 ; о.зо- " | 0.50

Для наплавки образцов применялась серийная установка УИН - 303. Структура и свойства наплавленного слоя изучались после рззличннх режимов наплавки и термоциклического воздействия при испытаниях на горячий износ (табл. 3). Использование в различных сочетаниях сила тока (I) и температуры предварительного подогрева (Тп), расхода

порошка (q) позволило в широких пределах регулировать величину тепловложения, следовательно, температуру и величину сварочной ванны, длительность пребывания в жидком состоянии и скорость охлаждения наплавленного металла. При наплавке однопроходных валиков предварительный подогрев осуществляли в печи, при наплавке двухлроходных валиков использовался нагрев от наплавки подслоя. В обоих случаях температура контролировалась термопарой.

Микроструктуру и химический состав наплавленного металла исследовали методами оптической металлографии на микроскопе "Neophot-2", химический состав и распределение элементов по сечению с помощью микрорентгеноспектрального анализатора JSXT - 733 "Syper probe". Дифрактограммы для рентгеноструктурного и фазового анализа получали на установке "ДРОН - 3" в СиКа и СоКа - излучении. Микротвердость изучали на приборе ПМТ- 3.

Оценка износостойкости при циклических теплосменах производилась по методике МЭС им. Е.О.Патона. С этой целью при участии автора в Нижнетагильском институте УГТУ - УПМ была изготовлена установка, позволяющая испытывать наплавленный слой на истирание по схеме вал -колодка при температурах 500 - 700 °С, приближенных к условиям эксплуатации инструмента горячего деформирования.Установка была усовершенствована применением электронагревательного элемента взамен газового пламени в базовой методике, что позволило более точно регулировать температуру испытаний.

Измерение ширины раскрытия трещин в наплавленных валиках проводилось на верхней поверхности валика; морфология трещин изучалась на продольных шлифах. Для интенсификации трещинообразования применялась наплавка жестко закрепленных на массивном основании пластин. В этих условиях напряжения от усадки наплавленного металла не имели возможность релаксировать за счет

йзученные режимы наплавки

Таблица 3

№ п/п № СЛ. Порошок Ток наплавки, 1.А Расход порошка, о,кг/ч Температура подогрева, ф СП

1 НТЗХ16СЗРЗ 200 1.0 20

.2 1 Н73Х16СЗРЗ - - 200" 2Уб 20

1 К73Х16СЗРЗ 200 | 1.4 400

4. 1 Н73Х16СЗРЗ 250 ! 1.0 i 20

0 (_ Н73Х16СЗРЗ юо ! 1.о ¿.'и

с и 1 Н73Х16СЗРЗ 250 1.0 -

2 Н7ЭХ16СЗРЗ 200 1 1.0

6 1 Н73Х16СЗРЗ 250 1.0 20

2 Н73Х16СЗРЗ 100 1.0 250

1 Н73Х16СЗРЗ 250 1.0 20

2 Н73Х16СЗРЗ 200 1.0 250

8 1 Н73Х16СЗРЗ 120 3.7 20

9 1 Н73Х16СЗРЗ 240 3.7 20

10 Н73Х16СЗРЗ 120 3.7 100

л 12 1 Н73Х16С'3?3 120 ! 3.7 ! 300

1 1 ПГ-С27 1 200 | 1.7 20

13 1 ПГ-С27 300 | 1.7 О А ¿.и

14 1 ПГ-С27 150 1.7 400

15 1 ПГ-С27 250 1.7 400

15 1 ПГ-С27 300 1.7 400

17 1 ПГ-С27 300 1.7 20

2 ПГ-С27 150 1.7 200

18 1 ПГ-С27 300 1.7 | 20

2 ПГ-С27 100 <.7 I 20 •

19 1 ПГ-С27 300 1.7 20

2 ПГ-С27 200 1.7 20

деформации основного металла, что приводило . к максимальному образованию трещин в наплавленном слое. Автором произведены проектирование, расчет и изготовление приспособления для наплавки жестко закрепленных пластин, отличающегося от аналогов расширенными возможностями благодаря применению механического крепления пластины.

Экспериментальные данные обрабатывались с помощью статистического анализа на IBM 486/DX2 с применением пакета прикладных программ "Statgraphix".

В_третьей_главе ("Исследование фазового, химического состава и структуры покрытий H73X16C3P3 и ПГ - С27") описаны исследования структуры, химического и фазового состава одно- и двухпроходных покрытий, нанесенных наплавкой по различным режимам.

Установлено, что слой, наплавленный порошком H73X16C3P3, представляет собой многофазную систему, состоящую из матрицы с ГЦК решеткой, карбоборидов типа М (С,В), M„(C,BL, М (С,В) и звтектик

w ( w a J f

на их основе. В покрытии, наплавленном порошком IF - G27, матрица в виде у и а - твердых растворов железа содержит карбиды МЭС, М?С3, М2зС7 и эвтектики на их основе. Варьирование тепловложения при плазменной наплавке приводит к существенному изменению структуры наплавленного слоя, причем наиболее сильное изменение структуры наблюдается в первом слое покрытия из - за значительного изменения химического состава наплавленного металла.

Влияние на структуру наплавленного слоя оказывает также форма проплавления, обуславливающая направление теплоотвода в процессе охлаждения сварочной ванны. Этот фактор наряду со значительным изменением скорости охлаждения приводит к образованию структурных зон е наплавленном валике, аналогичных зонам кристаллизации слитка в изложнице. Наиболее дисперсная структура образуется вблизи линии сплавления и в приповерхностной области валика, где сильный

теплоотвод приводит к наибольшим скоростям кристаллизации. Частицы крупных карбоборидов наблюдаются в середине валика, затвердевающей последней с минимальными скоростями охлаждения. При повышении тепловлсжения возрастает проплавление, что приводит к переходу., к.

дендритной" структуре валика. В первой зоне крупные дендрите ориентируются по направлению тешюотвода вглубь основного металла, их длинные оси располагаются близко перпендикулярно к линии сплавления. Аналогично в наружной (3 - и) зоне оси дендрнтов стремятся ориентироваться перпендикулярно поверхности валика, через которую также происходит теплоотвод. Мекду этими зеками в середине валика располагается зона 2 хаотически ориентированных мелких дендритов.

При наплавке порошком Н73Х16СЗРЗ на малом тепловложении карбобориды М2з(С,В)? выделяются в виде кубически ограненных частиц размерами, не превышающими 10 мкм. Карбобориды М7(С,В)з имеют форму Еестигрзнных призм длиной 30 и шириной 3 мкм, также имеется дисперсная (менее 2 мкм) вырожденная эвтектика у + М (С,5). Увеличение тепловлозкения приводит к росту размеров структурных составляющих, появлению розеток эвтектики у + М (С,3)„. Наплавка на максимальном тепловложении приводит к формированию структуры, характерней для доэвтектических сплавов, в виде дендритов у -твердого раствора с дисперсной эвтектикой цементитного типа в междендрятном пространстве вследствие увеличения содержания железа и снижения количества никеля, хрома, кремния в наплавленном слое.

Структура второго слоя при наплавке порошком НТЗИбСЗРЗ на первый слой, имеющий доэвтектическую дендритную структуру, слабо чувствительна к изменению тегоговложения: перехода к доэвтектической структуре не наблюдается. Однако возможность регулирования.твердости покрытия сохраняется за счет небольшого разбавления металла второго

слоя железок и соответственно изменения размеров к объемной доли кабоборидных фаз. Так, с ростом силы тока от 120 до 24-0 А средняя микротвердость второго слоя снижается от 6146 до 5292 МПе, в твердость с 52 до 4? ННС.

Сопоставление результатов, полученных при локальном рентгеноепектралъноы исследовании, с данными рентгекоструктурного анализа, морфологии и характера травленая образующихся в наплавленном металле частиц вторых фаз позволило однозначно их идентифицировать (табл. 4). Установлено, что в покрытиях, наплавленных порошком НТЗХ16СЗРЗ на больших теилоБложетях, формирование дендритно - ячеистой структуры с эвтектикой у + М (С.В) в метдзндритном пространстве происходит, когда концентрация железа достигает 27 - 30 ат. %. Состав карбидных ламелей в звтектике может

Таблица 4

Содержание химический элементов в фазах покрытия, полученного наплавкой порошка Н75Х16СЗРЗ по режму 1

Структур- |

нн6 со- !

ставлявшие1

Содержание элементов, ат.%

Сг

Бе

N1

31

Фаза

172.1-79.

2.3-3.1 | 1.3-2.5

0.02-0.05 !£, (СВ)

I 23 6

¡68.6-75.4

-7.(

11.7

0.1-0.4 | М 7(СВ)3 |

| 4.3-4.8 I 6.4-7.9 | 75.3-79.8

0.7-1.7 | 7 + М3(СВ) |

! 7.6-9.9 I 11.О-13.4; 72.8-77.5 1.1-3.0

•Р-Р- !

быть описан Формулой (Ш.„ „,?е„ „,Сг„ „)„(С,В), тогда как

и.-» С . о ^ . 3 ^

содержание элементов в матрице близко к следующему: N1 - 60 ат. %, ?е - 30 ат. %, Сг - 10 ат. %. Нарбобориды на основе хрома не образуются, а возрастание содержания железа в наплавленном слое

сопровождается ростом концентраций в карбобориде цементитного

гипа

одновременно келеза и хрома при снижении концентрации никеля (табл.5).

Таблица 5

Состав карбсбсрндов це^ентнтнсго типа в покрытиях на основе порошка Н^ЗХ^бСЗРЗ, наплавленных по различна

■ Pr^ZCvI ! Доля участия 1Л ■ Состав карбсборидев |

! 1 ! 5 !3,Gro 10)Э(С,Б) |

• ! 2 1 12 1 <N10 «•?в0 Гт' > '-*1 1

! ....... ! 30 r-Jf-f 4 ° , Cr i 1С ,'i; 1 3 0 3.203 ;

Исследование распределения химических элементов по толщине покрытия, наплавленного порошком H73X16C3P3 по рекшу 4 (см.табл.3),

показало, что их содержание з пзрвсм слое изменяется в пределах:

С;:1 :0-20 ат.%, Ж 32 - 5z 23 - 3? ат.;-, S: 2 Ул

до j.7 ат.й. А во г торсу слое Cr 15-30 а?.?., rli * 70 Fe а -Оатл, £1 ¿.с - 5 ат.'-?, кп до О.-7 ат.;?. Сд&довг.дельно, ra^fii'ifCKiiz состав вдор^гс елся "j^sck к л^^еско^у о:-ноплазляеу.одо вследствие окс&нлруыдего денстзся ло-слсл. С

ростом тэшювлозкения щи наплавке обнаружено падение градиента

основном концентрируется в карйобсрддаА, а hüksjü - в MsipsiVr, sc л содержание по толщине покрытгя колеблется в противсфазе. В переходной soss гегз::*.' и зтссы?," слоем градиент концентрации элементов гораздо кеные, чек на линии сплавляя ссг.св:-:сю :; наплавленного металлов.

Найдено, что изменения содержания иэйнзоксх ьле^ентов по толщине первого слоя покрытия на основе порошка Ш? - G2T находятся в

пределах: Сг 17 - 19 ат. %, Ре 77 - 79 ат. %, Si 1.6 - 2.2 ат. %, Мп 0.8 - 1 ат. %; тогда как состав второго слоя близок к составу наплавляемого порошка: Сг 22 -30 ат. %, Ре 61 - 70 ат. %, Si 2.9 -- 3.6 ат. %, Мп 0.8 - 1.2 ат. %. Структура области, прилегающей к линии сплавления, претерпевает значительные изменения с ростом тепловложения. На малом тепловложении - это узкая (20 мкм) зона, состоящая из тонких прослоек сверхдисперсной эвтектики и толстоветвистых дендритов. С ростом тепловложения толщина прослоек увеличивается и достигает 400 мкм на максимальном тепловложении. Возрастают и размеры структурных составляющих, длина утолщенных дендритов достигает 60 - 120 мкм, а карбидных пластин в эвтектической прослойке 40 - 90 мкм.

Для формирования свойств наплавленных слоев важно, что увеличение ширины переходной области вблизи линий сплавления при повышении тепловложения приводит к уменьшению градиентов концентраций Сг, Pe, Ni, Si. Столь же типично для обоих наплавляемых порошков, что перепады концентрации химических элементов на линии сплавления 2 между первым и вторым слоями всегда меньше, чем на линии сплавления 1 между первым слоем и основным металлом. Изменение химического состава структурно реализуется двумя механизмами: образованием дендритов переменного состава и изменением объемной доли карбидной фазы. При переходе от основного металла к наплавленному ведущим является первый механизм, а при меньшей разнице химических составов на линии сплавления первого и второго слоев наблюдаются оба механизма.

Таким образом, имеется возможность путем подбора величины тепловложения при наплавке, состава слоев уменьшить градиент концентрации химических элементов на линиях сплавления и тем самым сглаживать перепады структуры и свойств, что благоприятно для

снижения внутренних напряжений и склонности к образованию трещин.

В_четвертой._главе ("Свойства покрытий наплавленных по различным режимам") рассмотрена связь между тепловложением и твердостью слоев, наплавленных""поро1Ж5Ш"Н73Х1бСЗРЗ и ПГ - С27. - ______ ____________

При однопроходной наплавке никелевого сплава на низких тепловложениях не происходит проплавления подложки, поэтому твердость покрытия составляет 50 - 60 НЕС. Интервал значений шкротвердости составляет 4584 - 6286 МПа, что обусловлено значительной долей карбоборидов в структуре этих образцов. Падение максимального значения микротвердости с 8363 до 6313 .МПа свидетельствует об увеличении объемной доли эвтектик в структуре образцов с ростом тепловложения.

При увеличении тепловложения твердость покрытия падает с 53 до 29 ШС благодаря подмешиванию в него основного металла. При этом уменьшается разброс значений микротвердости и ее максимальное значение. Наиболее сильным фактором, влияющим на изменение твердости и шкротвердости, является сила тока.

При наплавке двухпроходных покрытий порошком Н73Х16СЗРЗ данная тенденция сохраняется, хотя рост содержания железа во втором слое не столь значительный, чем в первом, так как первый слой беден железом. Твердость наружного слоя уменьшается с 52 до 47 НЙС при увеличении, тепловложения в том не диапазоне. При максимальном тепловложении происходит переплавление обоих слоев и формирование однослойного покрытия с твердостью 42 - 46 НИС.

При наплавке второго слоя с малым тепловложением порошком ПГ -С27 покрытие имеет максимальную для исследованных образцов твердость (50 - 60 НЕС) и среднюю микротвердость (7068 - 7969 МПа), большой разброс значений микротвердости (4587 - 7420 МПа), что связано с образованием фаз с весьма различной твердостью. Основным фактором,

влияющим на твердость данного покрытия, является температура предварительного подогрева: при Тяод_ = 200 °С твердость составляет 51 - 53 HRC, при 1ПЛП = 20 °С она повышается до 5S - 60 HRC.

пид.

Изменение силы тока в пределах от 150 до 300 А слабо влияет на твердость наружного слоя двухпроходного покрытия. Смягчающее действие от наплавки второго слоя на первый (с 52 - 54 до 44 HRC) становится заметным при максимальном тепловложении во второй слой.

Микроскопическим исследованием обнаружено, что в области, прилегающей к поверхности валика, трещина имеет широкий участок (а 0.1 - 0.3 мм), со смятыми каплями и пленками затвердевшей жидкости. Это позволило предположить, что широкий участок трещины является ликвационной полостью, котороя кристаллизуется в последнюю очередь и раскрывается, будучи в жидком состоянии. В средней части валика трешина имеет толщину 0.02 - 0.06 мм и слабо ветвится. Очевидно, это участок хрупкого разрушения наплавленного металла. В области, прилегающей к линии сплавления, трещина, как правило, упирается в неметаллическое включение, находящееся на незначительном расстоянии (* 0.05 мм) под линией сплавления.

Выяснено влияние режимов наплавки на размеры концентраторов в виде полостей, кристаллизующихся в последнюю очередь. С ростом тепловложения глубина полости увеличивается вплоть до всей высоты валика в средней его части. При высокой хрупкости заэвтектического наплавленного металла даже самая маленькая полость превосходит размер критического зародыша хрупкой трещины. Поэтому определяющий факторами в трещинообразовании выступают: величина растягивающих напряжений, возникающих в покрытии, и способность наплавленного металла релаксировать напряжения. Релаксационная способность наплавленного металла зависит от объемной доли пластичных фаз (матричного v - твердого раствора), которая увеличивается по мере

возрастания тепловложения. Рост тепловложения снижает также уровень растягивающих напряжений, особенно за счет предварительного подогрева. Совместное влияние этих двух факторов обеспечивает уменьшение числа лолоотёй, "траясфоршфзпсвщея в трещины- при наплавке -на больших тешювлокениях, вплоть до их исчезновения.

Условия наплавки изменяют износостойкость нэнлавлекного слоя (табл. б).

Потери массы образцов, вырезанных из покрытия Н73Х16СЗРЗ,

при испытаниях на горячий износ

Режим № Ток наплавки, 1.А Температут подогрева, т - ло 1П0Д' Потеш массы ойразца, И, г

8 120 20 1.39

9 240 20 0.69

10 120 100 I 1.36 1

11 120 | 300 ! 0.«

Наплавленный металл с заэвтектической структурой при горячем износе мало чувствителен к исходной (после наплавки) твердости образцов. Образцы с высокой исходной твердостью <больше - 45 НПО разупрочняются в ходе теплосмен и горячего износа при 700 сС за счет растворения дисперсных карбоборидов и имеют максимальную потерю веса. Образцы с твердостью менее а 45 ШС упрочняются в процессе таких испытаний благодаря выделению дисперсных вторичных карбоборидов, что способствует поваленной износостойкости этих образцов в условиях микрорезания.

Разработаны рекомендации по режимам двухслойной плазменно -порошковой наплавки, обеспечивающим высокие эксплуатационные характеристики рабочего слоя изделий, работающих в услових горячего

износа и циклических теплосмен. На основе данных рекомендаций подобраны режимы упрочнения поверхности роликов методом двухслойной плазменной наплавки самофлюсующимися сплавами. Внедрение этой технологии на Нижнетагильском металлургическом комбинате позволило увеличить срок эксплуатации роликов рабочего рольганга стана 650 в 1.8 - 1.9 раза по сравнению с неупрочненными роликами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате комплексного исследования показана возможность целенаправленного регулирования состава, структуры и эксплуатационных свойств двухслойных покрытий на основе порошков Н73Х16СЗРЗ и ПГ - С27 путем подбора параметров плазменной наплавки: тока,расхода порошка и температуры предварительного подогрева.

2. Установлено, что в покрытии, наплавленном порошком Н73Х16СЗРЗ, наряду с матрицей на основе никеля с ГЦК решеткой присутствуют карбобориды: ромбический МЭ(С,В), гексагональный М (С,В) . кубический М (С,В) . а также Оориды Сг В и Сг В„ с ОЦТ

7 3 23 6 2 5 3

решеткой. Количество карбоборидов М7(С,В)3 и М23(С,В)6 и боридов максимально в металле, наплавленном на малом тепловложении, а также втором слое покрытия, когда обогащение наплавленного слоя железом из подложки мало.

В обоих слоях покрытий, наплавленных порошком ПГ - С27, часть матричного у - твердого раствора на основе железа претерпевает превращение ? ^ а, причем тем более глубокое, чем меньше тепловлозкение при наплавке. Понижению стабильности матричного у -твердого раствора способствует обеднение его по хрому и углероду (а^ снижается с 0.3625 до 0.3599 нм) при выделении карбидов МзС, М7Сз,

М2зСй' этом количество _ Фазы во втором слое достигает 30 % при 13 - 16 % в первом. В первом слое при наплавке на малом

тепловложении и во втором слое покрытия количество карбидов максимально.-Изменение"тепловложения- при-наплавке - второго^ слоя__не влияет существенно на состав и количество обоих матричных твердых растворов.

3. При повышении силы тока наплавки (от 120 до 240 А) структура исследованных покрытий меняется от заевтектической к доэвтектической. В покрытиях с низким проплавлением подложки и без него имеются по сечению две структурные зоны. Первая от линии сплавления зона содержит относительно дисперсные частицы вторых фаз (размером до 3 мкм). Во второй зоне формируются кубические частицы М23(С,В)6 размерами до 43 мкм, частицы М?(С,В)эпризматической формы длиной 40 - 200 мкм и эвтектические колонии 7 + размером

50 - 140 мкм. В сплаве на основе порошка ПГ - С27 вторая зона содесжит крупные карбиды М„С до 400 мкм в длину и эвтектические колонии 7 + М?С размером 40 - 850 мкм. С ростом тепловложения ширина второй зоны (крупных структурных составляющих) увеличивается з 1.5-4 раза.

В покрытиях, наплавленных с проплавлением подложки, обнаружено 3 зоны. В первой от линии сплавления зоне сплава на железной основе выявлены дендриты длиной 120 - 300 мкм, ориентированные перпендикулярно линии сплавления. Во второй зоне имеются хаотически ориентированные дендриты длиной 48 - 140 мкм. Третья зона состоит из тонких дендритов 100 - 300 мкм з длину с плохо развитыми осями второго порядка. Строение зон в валике сплава НТЗХ16СЗРЗ и размеры структурных составляющих примерно такие ке, как и в сплаве на железной основе. Это свидетельствует о том, что параметры наплавки и кристаллизации играют более существенную роль в структурообразовании

нанесэнных покрытий, чем их химический состав.

Пока не происходит проплавление подложки, структура второго слоя и тенденция ее изменения при варьировании параметров наплавки аналогичны тем, которые обнаружены для однопроходной наплавки. При частичном расплавлении подложки происходит увеличение зоны крупных первичных карбидов до 50 - 100 % от всей толщины покрытия. Это сопровождается увеличением размера и количества частиц вторых фаз.

4. Найдено, что доля участия основного металла в наплавленном (¥) практически пропорциональна величине тепловложения в сварочную ванну и может достигать 50 % при максимальном тепловлокении. Наиболее сильным фактором, влияющим на является сила тока, тогда как вклад температуры предварительного подогрева проявляется сравнительно слабо и только при ее росте свыше 200 °С.

Эта же тенденция сохраняется при наплавке второго слоя порошком ПГ - С27, тогда как в покрытиях на основе Н73Х16СЗРЗ с ростом тока наплавит (тепловложения) доля участия подложки не изменяется и даже понижается при ТП0!Г = 250 °С.

5. По данным локального рентгеноспектрального анализа параметр ¥ коррелирует с количеством атомов железа, перешедших в наплавленный слой. Степень обогащения наплавленного слоя атомами железа из подложки является основным параметром, контролирующим структуру и свойства наплавленного слоя. В никелевых покрытиях содержание железа может достигать в первом слое 35 %, тогда как во втором слое его содержание не превышает Ю %. При перешгавленш обоих слоев средняя концентрация железа в покрытии составляет 18 ат. %.

6. Распределение N1, Сг, Б1, В по глубине покрытий крайне неоднородно, что связано с проявлением дендритной ликвации и в значительно большей степени с образованием специальных карбоборидов. Локальным рентгеноспектральным анализом установлено, что состав

присутствующих карбоборидных фаз в сплаве HT3X16G3P3 при наплавке на малом тепловложенш ориентировочно может быть описан как

ÍCr* wa Ш 1 (Л ЕД и f("y Va f,J-¡ > fñ Я у£>ФТ)Т)ГТ1о

^ О . 95 ^0 . 03 0 . С2^ 23 ^ q л ^ О . аз^ О . 07 0 . 1J 7 ^ ^ 3 ' ü М -

содержится 88 ат. % N1, 8 ат. % ?е"Г~4~ "ат7 ~%""Сг"" и" большая-" часть атомов кремния. Увеличение тепловложения в наплавленный слой способствует снижению градиента концентрации Fe, Ni, Сг, Si благодаря возрастанию ширины переходной зоны. В наиболее неблагоприятных условиях наплавки (при малом телосложении) градиент концентраций элементов на границе сплавления с основным металлом составляет для железа 2.2 - 2.9 ат. %/мки, для никеля 1.5 -2.3 ат.%/мкм, для хрома 0.4 - 1.0 ат.%/мкм, для кремния 0.015 -1.500 ат.%/мкм.

Т. Максимальный уровень твердости в покрытиях на основе обоих порошков достигает порядка 60 HRC при формировании заэвтектической

структуры. С увеличениям глубины прославления твердость закономерно падает и при формировании дендритной структуры составляет 29 HRC для покрытия на никелевой основе и 44 KRC для покрытия на основе железа. Распределение микротвердости по глубине наплавленного слоя повторяет распределение хрома (никеля), так как обе характеристики отражают структурные неоднородности, связанные с дендритной ликвацией или с выделением крупных твердых частиц карбоборидных фаз.

3. Установлено, горячие трещины шириной SO - 240 мкм зарождаются при наплавке от ликвационных полостей, формиррщихся в твердо -жидком состоянии. Их длина достигает 90 - 360 мкм, что составляет часть высоты наплавленного валика, а иногда гопячие трещины проходят через весь наплавленный слой. Наибольшую склонность к образованию трещин проявляют покрытия, наплавленные на минимальном тепловложеши без проплавления основного металла. В этом случае среднее расстояние между трещинами составляет порядка 15 мм. При среднем тепловложении,

когда доля участия основного металла в наплавленном составляет ? а 4 - 6%, происходит резкое (почти в два раза) снижение количества трещин на единицу длины валика (среднее расстояние между трещинами составляет 26 мм). В условиях наплавки на максимальном тепловложении = 15 - 20 %) наплавленный металл с дендритной структурой не имеет трещин. При этом более эффективно - добиваться повышения тепловложения в наплавленный слой за счет увеличения температуры предварительного подогрева до 300 - 350 °С, чем роста тока наплавки.

9. Наибольшей износостойкостью при 700 °С обладают покрытия, наплавленные на среднем и максимальном тепловложениях. Упрочнение таких покрытий обеспечивается выделением дисперсных карбоборидов (размером менее 0.2 мкм), а матрица с дендритной структурой способна релаксировать внутренние напряжения. Обнаружено, что зарождение трещин в процессе горячего износа происходит от рабочей поверхности валика на ликвационных участках, кристаллизующихся последними и обогащенными примесями и неметаллическими включениями. При достижении критического размера * 0.5 мм происходит быстрое распространение трещин на есю высоту валика.

Ю. Разработаны рекомендации по режимам двухслойной плазменно -порошковой наплавки, обеспечивающим высокие эксплуатационные характеристики рабочего слоя изделий, работающих в условиях горячего износа и теплосмен. На основе данных рекомендаций подобраны режимы упрочнения поверхности роликов методом двухслойной плазменной наплавки самофлюсующимися сплавами. Внедрение этой технологии на Нижнетагильском металлургическом комбинате позволило увеличить срок эксплуатации роликов рабочего рольганга стана 650 в 1.8 - 1.9 раза по сравнению с неупрочненными роликами.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Зашляпин М.Ю., Шевченко О.И., Трекин Г.Е. Влияние структуры,

фазового состава на служебные свойства рабочего слоя деталей при плазменно - порошковой наплавке" "сплава~К73Х1бСЗРЗ" "//Материалы конференции "Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин" Сборник 1. М.: ЦРДЗ, 1994. С. 84 - 37.

2. Трекин Г.Е., Шевченко О.И., Фарбер В.М. Разработка оптимальней технологии плазменно - порошковой наплавки H73X16C3P3 на основе изучения структуры и свойств покрытия //Тез. докл. конф. "Технология ремонта машин и механизмов''. Киев, 1994. С. 12.

3. Трекин Г.,Е., Кравченко Г.В. Трещиностойкссть сталей в условиях теплосмен //Там же. Киев, 1994. С. 47 - 48.

4. Шевченко О.И., Фарбер В.М., Трекин Г.Е. Влияние высокотемпературного нагреЕа на структуру покрытия H73X16C3P3, полученного плазменно - псрошкозой наплавкой //Известия вузов. Черная металлургия. 1994. » 10. С. 76 - 77.

5. Взаимосвязь структуры, фазового состава и служебных свойств рабочего слоя валков, полученного плазменно - порошковой наплавкой /Шевченко O.Ii., Фарбер В.М., Журавлев В.К., Давыдов В.К., Трекин Г.Е

//Известия вузов. Черная металлургия. 1995. № 8. с. 57-61.

6. Исследование структурных зон кристаллизации покрытия при плазменной наплавке /Трекин Г.Е., Шевченко O.Li., Бажова Т.Ю., ФарберВ.М

//Материалы Всероссийской научно - технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка - 95". Пермь, 1995. 4.1. С. 9S - ¡00.

7. Формирование и структура покрытия при двухслойной плазменной наплавке /Трекин Г.Е., Шевченко ü.M., Бажова Т.Ю., Фарбер В.М. //Там же. Пермь, 1995. 4.1. С. 137 - 141.

8. Трекин Г.Е., Бажова Т.Ю. Влияние режимов плазменной наплавки

на трещинообразование покрытия системы Ni-Cr-B-C-SI //Современше аспекты металлургии получения и обработки металлических материалов: Труды научно - технической конференции, посвященной 75 - летию образования металлургического факультета УГТУ. Екатеринбург, 1995. С. 72.

9. Трекин Г.Е., Шевченко О.М. Механизм образования трещин при наплавке сплавов типа Ni-Cr-B-C-Si //Там же. УГТУ. Екатеринбург, 1995. С. 73.

10. Пат. » 2069479. Способ многослойной наплавки присадочными изностойкими порошками на железоуглеродистую основу изделия /Фарбер]

Шевченко О.М., Трекин Г.Е., Суслова Л.Ю. № 94043883; Заявл. 20.11.96 Опубл. 20.07.97. Бюл. № 7.

11. Влияние легирования порошка и режимов наплавки на структуру плазменных покрытий системы Hi-Cr-B-C-Si /Шевченко О.И., Фарбер;

Трекин Г.Е., Грехова О.М. //Известия вузов. Черная металлургия. 1997. № 4. С. 47 - 49.

12. Шевченко О.И., Трекин Г.Е., Фарбер В.М. Распределение химических элементов в структурных составляющих покрытия при наплавке никелевого самофлюсующегося сплава //МиТОМ. 1997. №6. С. 5- 7.

Подписано в печать 20.11.97 Формат 60 х 84 1/16

Бумага типографская Плоская печать Усл. п.л.1,39

Уч.- изд.л. 1,09 Тираж ЮО Заказ 226 Бесплатно

Издательство УГТУ

620002, Екатеринбург, Мира, 19

УЩ УГТУ-УПИ. 620002, Екатеринбург, Мира, 17