CC BY
122
УДК 669.018:620.178.167.001.5
НАПЛАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОБРАБОТКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗА СЧЕТ МЕТАСТАБИЛЬНОГО АУСТЕНИТА
В.Л. Малинов, доцент, к.т.н., ПГТУ, г. Мариуполь
Аннотация. Обобщены данные по разработке новых экономичных наплавочных материалов, а также упрочняющих технологий, обеспечивающих повышение износостойкости за счет получения в структуре наплавленного металла метастабильного аустенита. Показана эффективность сочетания электродуговой наплавки экономичными материалами с последующей термической и химико-термической обработками.
Ключевые слова: наплавка, износостойкость, метастабильный аустенит, термическая обработка, химико-термическая обработка.
Введение
Во многих случаях восстановление деталей машин и инструмента, а также повышение их долговечности достигается электродуговой наплавкой с использованием материалов, содержащих дорогие легирующие элементы, что обуславливает их высокую стоимость. В связи с этим необходим поиск решений, позволяющих удешевить наплавочные материалы при обеспечении их высокой эффективности.
Анализ публикаций
В работе [1] предложен принцип, в соответствии с которым в структуре сплавов наряду с другими составляющими получают мета-стабильный аустенит, превращающийся при охлаждении на воздухе и/или при нагруже-нии в процессе испытаний механических свойств и эксплуатации в мартенсит (эффект самозакалки). При этом важно управлять структурой и развитием мартенситных превращений, оптимизируя их применительно к конкретным условиям. Впервые идея создания метастабильных аустенитных сталей высказана в работах [2, 3] и реализована для создания кавитационностойких сталей Первые наплавочные материалы этого типа были созданы под руководством М.И. Разикова. К ним относятся электроды УПИ 30Х10Г10 и
порошковая проволока ПП-20Х10Г10Т [4]. Их широкому применению препятствует трудная обрабатываемость резанием наплавленного металла.
Цель и постановка задачи
Цель работы - создание экономичных наплавочных материалов и режимов термической и химико-термической обработок, обеспечивающих в наплавленном металле различных структурных классов, получение метаста-бильного аустенита. За счет этого при экономном легировании (основными элементами являются Мп, Сг, 81, Т1) достигаются высокие эксплуатационные свойства и хорошая технологичность.
Экономнолегированные наплавочные
материалы и упрочняющие обработки
Представляет интерес группа новых экономичных наплавочных материалов, обеспечивающих получение в наплавленном металле бейнитно-аустенитной структуры [5]. Наплавленный металл с этой структурой имеет более высокую износостойкость, чем при наплавке широко применяемой порошковой проволокой ПП-Нп-18Х 1Г1М, содержащей дорогой молибден. Это обусловлено присутствием в структуре наряду с бейнитом и карбидами метастабильного остаточного аустенита.
Перспективна разработка экономнолегиро-ванных технологичных наплавочных материалов, обеспечивающих получение в марганцевом и хромомарганцевом наплавленном металле структуры низкоуглеродистого мартенсита - (эффект самозакалки при охлаждении). Они могут быть дополнительно легированы в небольших количествах Т1, V (а при крайней необходимости Мо до 0,5 %) для получения мелкозернистой структуры и повышения износостойкости за счет образования карбидов высокой твердости. Особенностью низкоуглеродистого марганцевого наплавленного металла мартенситного класса является то, что при нагреве и выдержке в межкритическом интервале температур при 600 - 650 °С (такой режим обычно применяется для снятия внутренних напряжений после наплавки) образуется метастабильный аустенит. Это является следствием перераспределения углерода, марганца и других элементов между а- и у-фазами, и обогащения ими последней. Важно подчеркнуть, что при этом, несмотря на снижение твердости наплавленного металла, абразивная износостойкость возрастает более чем в 1,3 раза, что является следствием реализации деформационного мартенситного превращения в процессе изнашивания. Наплавленный металл со структурой низкоуглеродистого хро-момарганцевого мартенсита по разгаро-, коррозионной и износостойкости не уступает хромоникелевым аналогам. Получение в нём 10 - 20 % аустенита повышает сопротивление образованию трещин при наплавке, а также износостойкость [5].
Наиболее существенный экономический эффект может быть получен за счет замены хромоникелевых наплавочных материалов (Св-06Х18Н10Т и др.) хромомарганцевыми, обеспечивающими получение в наплавленном металле метастабильного аустенита.
В работе [6] изучалось влияние отпуска в интервале 250 - 600 °С (выдержка 1 ч) на абразивную износостойкость металла, наплавленного малоуглеродистой хромомар-ганцевой аустенитной проволокой Нп-14Х14Г12Ф. Было установлено, что нагрев в интервале температур 250 - 450 °С вследствие стабилизации аустенита снижает абразивную, но повышает ударно-абразивную износостойкость наплавленного металла. Напротив, нагрев при 650 °С, дестабилизируя аустенит по отношению к динами-
ческому мартенситному превращению, повышает абразивную и снижает ударно-абразивную износостойкость.
Для работы в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания обычно применяются наплавочные материалы, обеспечивающие получение в структуре наплавленного слоя значительного количества твердых фаз (карбидов, боридов и др.). Однако увеличение их количества сверх оптимального приводит к охрупчиванию и быстрому разрушению рабочей поверхности. При этом важное значение имеет структура металлической матрицы сплавов. В литературе приводятся противоречивые данные о роли аустенита в ней. Одной из причин этого является то, что в большинстве случаев не учитываются условия нагружения. И.В. Петровым [7] предложено для характеристики различных условий изнашивания использовать коэффициент динамичности (Кд), определяемый как отношение твердости образца из стали 110Г13Л после изнашивания в данных условиях к его исходной твердости. Эта сталь накапливает энергию внешнего воздействия, упрочняясь при этом, а уровень ее упрочнения позволяет судить об интегральной интенсивности ударно-абразивного воздействия. С учетом Кд проведено изучение абразивной и ударно-абразивной износостойкости наплавленного металла систем Ре-Сг-Мп-С и Ре-Сг-Мп^-С с различными соотношениями упрочняющих фаз и мета-стабильного аустенита в структуре [8]. При малых коэффициентах динамичности (Кд = 1,2 - 1,4) наибольшая износостойкость достигается в наплавленном металле следующего химического состава: 2,4 - 2,7 % С, ~ 12 % Сг, 2 - 3 % Мп. Структура наплавленного металла преимущественно мартенсит-но-карбидная, количество остаточного ау-стенита составляет 30 - 40 %. В данных условиях изнашивания легирование наплавленного металла ванадием в количестве до 3 % при содержании углерода 2,5 - 3,0 % повышает износостойкость на 10-15 %. При больших Кд (3,5) оптимальным является содержание легирующих элементов: 1,0 - 1,7 % С, 5 - 6 % Мп, ~ 12 % Сг. Структура преимущественно аустенитная при суммарном количестве мартенсита и карбидов в структуре не более 30 %. В качестве материала для использования в широком диапазоне значений Кд предложена порошковая лента ПЛ-Нп-200Х12Г5.
Наплавка высокоуглеродистыми материалами требует подогрева, однако и это не всегда предотвращает образование трещин, являющихся очагами разрушения. Эффективным технологическим приемом, позволяющим избежать этого, является наплавка низкоуглеродистыми легированными сталями с их последующей химико-термической обработкой [9]. Это позволяет восстановить геометрические размеры изношенных деталей без образования трещин. Обработка резанием в этом случае не представляет затруднений. Заключительными операциями могут быть цементация и, при необходимости, термическая обработка. Наиболее высокая абразивная износостойкость обеспечивается в том случае, когда в структуре наряду с мартенситом и карбидами присутствует 40 - 50 % ме-тастабильного аустенита. Аналогичный результат достигается и в случае, когда получена полностью структура метастабиль-ного аустенита, армированного карбидами, интенсивно превращающегося при изнашивании в мартенсит (прирост мартенсита деформации 40 - 50 %). В условиях интенсивного ударно-абразивного воздействия стабильность аустенита должна быть повышенной, а прирост мартенсита деформации не должен превышать 15 - 20 %.
Выводы
1. Показана целесообразность использования безникелевых наплавочных материалов на марганцевой и хромомарганцевой основах.
2. В структуре наплавленного металла необходимо получать наряду с другими составляющими метастабильный аустенит, количество и степень стабильности которого должны регулироваться с учетом условий нагружения.
3. Показана эффективность использования низкоуглеродистых материалов, обладающих хорошей технологичностью при наплавке и обработке резанием, подвергаемых последующей термической или химико-термической обработке для повышения износостойкости. При этом в структуре рабочего слоя деталей и инструмента, упрочненных этим способом, также необходимо иметь оптимальное количество остаточного метаста-бильного аустенита.
Литература
1. Малинов Л.С. Разработка экономнолеги-
рованных высокопрочных сталей и способов упрочнения с использованием принципа регулирования мартенситных превращений. Дис. ... докт. техн. наук: 05.16.01. - Екатеринбург, 1992. - 381 с.
2. Богачев И.Н., Минц Р.И. Повышение кави-
тационной стойкости деталей машин. -М.: Машиностроение, 1964. - 143 с.
3. Богачев И.Н., Минц Р.И. Кавитационные
разрушения и кавитационностойкие сплавы. - М.: Металлургия, 1972. -179 с.
4. Разиков М.И., Мельниченко С.Л., Ильин В.П.
Сварка и наплавка кавитационной стали марки 30Х10Г10. - М: НИИМАШ, 1964.
- 35 с.
5. Малинов Л.С., Малинов В.Л. Марганец-
содержащие наплавочные материалы // Автоматическая сварка. - 2001. - № 8. -С. 34 - 36.
6. Малинов В.Л. Экономнолегированные
электродные материалы, обеспечивающие в наплавленном металле деформационное упрочнение при эксплуатации // Автоматическая сварка. - 2006. - № 8.
- С. 29 - 32.
7. Петров И.В. Исследование износостойко-
сти наплавочных материалов при абразивном износе и динамических нагрузках: Дис. ... канд. техн. наук: 05.16.01. -М., 1965. - 152 с.
8. Малинов В. Л. Разработка экономнолеги-
рованных наплавочных материалов для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания: Дис. ... канд. техн. наук: 05.16.01. - Мариуполь, 2000.
- 135 с.
9. Малшов Л.С., Малшов В.Л. Патент иА
63462 А Украна, С 21 Д 1/2. Спосб змщнення / № 2343704; Заявл. 22.04.2003; Опубл. 15.01.2004, Бюл. № 1.
Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 26 июля 2009 г.
