CC BY
28
МЕЖФАЗНЫЕ СЛОИ И ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В НИХ
УДК 621.791.92: 669.245.539.53
СТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ МАТЕРИАЛОВ, НАПЛАВЛЕННЫХ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ СТАЛИ 30ХН2МФА
С. Д. СОЛОВЬЕВ
Ижевский государственный технический университет, Ижевск, Россия
АННОТАЦИЯ. Приведены результаты исследования структуры и твердости, наплавленных на сталь 30ХН2МФА материалов различных систем легирования при комнатной и повышенных температурах. Показано, что их свойства не уступают свойствам серийно выпускаемых наплавочных жаропрочных сплавов.
ВВЕДЕНИЕ
В современной технике интенсивному износу внутренней поверхности подвержена большая группа стальных конструкций цилиндрических деталей, работающих в условиях низких и высоких скоростей трения [1], под воздействием агрессивных сред, повышенной температуры и давления. К ним, например, относятся: цилиндры балансиров ходовой части гусеничных машин; цилиндры литьевых машин, подающие пластическую массу при температурах 300-350°С; корпуса буровых и погружных насосов; втулки багерных и сетевых насосов теплоэнергетических агрегатов и другие. Увеличение в стали содержания дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов с целью сохранения ее твердости при высоких температурах эксплуатации не всегда приводит к желаемому результату [2].
Одним из эффективных путей решения проблемы повышения ресурса эксплуатации перечисленных выше деталей является изготовление и использование биметаллических конструкций. В них сочетаются свойства, которые нельзя получить в одном отдельно взятом металле или сплаве, а их использование дает и значительную экономию дорогостоящих и дефицитных металлов [2].
Конструктивно полые биметаллические цилиндрические изделия состоят из оболочки (обычно из низколегированных сталей), которая является несущим элементом конструкции, обеспечивающим необходимую поперечную прочность при эксплуатации, а ее внутренняя поверхность облицована рабочим слоем из материала, обладающего требуемым комплексом физико-механических свойств (рис.1). При этом важной характеристикой металла рабочего слоя является сохранение твердости при повышен
Рис.1. Поперечное сечение биметаллической цилиндрической детали: 1- оболочка; 2- рабочий слой
ных температурах. В свою очередь твердость и ее изменение при нагреве детали определяется структурным и фазовым состоянием самого материала.
Работа посвящена изучению структуры и горячей твердости некоторых сплавов, наплавленных электродуговым центробежным способом на внутреннюю поверхность оболочек из стали 30ХН2МФА ГОСТ 4345-71.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Цилиндрические биметаллические образцы длиной 300 мм получали по методике работы [3] наплавкой порошковых составов, соответствующих сплавам: ЭП131 и ЭП720 на основе кобальта системы легирования Со-Сг-М-УУ [4]; твердому сплаву ВК20 на основе карбида вольфрама, обладающего по расчетам работы [1] высокой износостойкостью в условиях высокоскоростного трения по сравнению со сталью; жаростойкому [5] и достаточно жаропрочному [6] интерметаллидному соединению ШгА1\ тугоплавким металлам - хрому и молибдену. Режимы наплавки и геометрические параметры полученных биметаллов приведены в таблице 1.
Из наплавленных слоев вырезались образцы диаметром 10 мм и высотой 5 мм, на которых проводили измерения твердости при 20°С и повышенных температурах по методу Виккерса на установке АВК-НР в среде аргона при нагрузке 100Н (НУюо) алмазным индентором. Скорость нагрева составляла 10°С/мин с выдержкой образцов при температуре испытаний 30 мин, а индентора перед вдавливанием - 5 мин. Время вдавливания индентора при измерениях составляло 1 минуту. После охлаждения образцов до комнатной температуры вновь измерялась твердость с целью определения измене-
Таблица 1. Режимы наплавки и геометрические характеристики полученных биметаллов
Материал слоя Геометрические характеристики Режимы наплавки
оболочки мм слоя, X мм толщина слоя, мм мощность электродуги <3, Вт скорость электрода V, хЮ"4 м/с погонная энергия, Втх/м2 х 105
ВК20 51x30 30x27,8 1,1 3360 0,8 38,18
Мо 50x30 30x28 1 2720 0,8 34
Сг 53x35 35x32 1,5 3900 1,2 21,7
№3А1 57x35 35x31 2 4000 0,8 24,4
ЭП131 63x31,5 31,5x28,6 1,45 4000 2,2 12,5
ЭП720 50x22 22x16,8 2,6 5070 2,2 7
Примечание: £> и с/ - наружный и внутренний диаметры оболочки; и с/„ - наружный и внутренний диаметры наплавленного слоя; защитный газ - аргон с расходом 1,4 10"' м3/с; угловая скорость вращения оболочки - 118 1/с
ний в свойствах под действием цикла нагрев-охлаждение. На каждом образце при температурах нагрева до 500°С с шагом через 100°С, а после - через 50°С, было сделано по три отпечатка и по ним вычислена средняя твердость. Микротвердость при статическом вдавливании и царапании, значения которой могут служить оценочной характеристикой износостойкости материала микрорезу [7], определяли на ПМТ-3 при комнатной температуре и нагрузке на инденторе 1Н (НУ]) и 2Н (НУ2) соответственно. Структура наплавленных слоев выявлялась травлением шлифов в реактиве №19 состава 1 «царская водка» [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Металлографические исследования (рис.2) показали, что структура ВК20 формируется как механическая смесь карбидных частиц вольфрама в кобальто-железной матрице (рис.2.а). Приграничный к стали слой толщиной 700-800 мкм содержит мелкие угловатые карбиды размером 6-10 мкм с отдельными более крупными. В остальной части слоя размер карбидов составляет 20-30 мкм. При этом распределение микротвердости по сечению слоя (рис.3.а) неравномерное по сравнению с другими наплавленными слоями, а ее величина достигает 1200 НУ. Самое низкое значение микротвердости от-
Рис.2. Микроструктура наплавленных слоев: а - ВК20; б - молибдена; в -кобальтового сплава; г - №зА1; (хЮО)
Рис.3. Распределение микротвердости в образцах при статическом вдавливании индентора (а) и царапании (б)
мечено в слоях хрома. Это обусловлено литой дендритной структурой слоя, аналогичной по своему строению структуре слоя молибдена (рис.2.б). При этом в них обнаружены трещины, обусловленные формированием сетки карбидов по границам зерен. Микроструктура сплавов Со-Сг-№-№ после наплавки представляет собой твердый однофазный раствор легирующих элементов в ГЦК решетке кобальта с величиной зерна, соответствующей 1-2 баллам по шкале ГОСТ 5639-82 (рис.2.в). Границы зерен при этом четкие, хорошо выявляемые при длительном травлении, особенно в зоне соединения со сталью, где их травимость повышена по сравнению с остальной частью слоя. Аналогичную крупнозернистую структуру имеют и слои из ЩА1 (рис.2.г), а проведенный их рентгенофазовый анализ подтвердил, что они соответствуют стехиометриче-скому составу данного интерметаллидного соединения никеля с алюминием. При этом микротвердость данных слоев выше на 150-200 единиц НУ микротвердости слоев ЭП131 и молибдена (рис.3.а).
Результаты измерений микротвердости при царапании (рис.3.б) не выявили изменений в поведении материалов наплавленных слоев. Наибольшими значениями обладает слой из ВК20-ДО 1800-2000 НУ, наименьшими - слой хрома-550-600 НУ. ЭП131 и ШуА1 занимают промежуточное между ними положение с величиной микротвердости 900-1000 и 1200-1250 НУ соответственно. При этом микротвердость у N¿^1 на 200 -250 единиц выше, чем у ЭП131.
Термический цикл наплавки приводит к изменениям в структуре стали, обусловленных ее нагревом выше точки Асз и последующей скоростью охлаждения. Наибольшие значения температуры и скорости охлаждения выявлены в зоне соединения у границы с наплавленным слоем и связаны с неравномерностью нагрева оболочки, как по длине, так и по поперечному сечению [11,12]. Проведенные исследования показали (рис.3.а и 4), что степень изменений в структуре стали определяется погонной энергией процесса наплавки (табл.1). Это отчетливо проявляется в увеличении ее микротвердости при увеличении погонной энергии процесса, которая была максимальной при наплавке ВК20 (табл.1). При ней в стали из исходной сорбитной структуры (рис.4.а) формируется бейнитно-мартенситная структура (рис.4.б) с твердостью 368-400 НУюо. Снижение погонной энергии (табл.1) приводит к формированию в стали нижнего (рис.4.в) (наплавка сплавов ЭП) и зеренного бейнита (рис.4.г) (наплавка Ш$А1 и СУ) с твердостью 289-303 НУюо и 219-230 НУюо соответственно. При этом граница сплавления представляет собой четкую, достаточно ровную линию (рис.2.г и 4.в).
Измерения твердости при температурах до 850°С (рис.5 и табл.2) показали значительное разупрочнение слоя ВК20. Его твердость уменьшается с 627НУюо в 4 раза и при 850°С составляет 155 НУюо- При этой температуре наибольшей твердостью из исследованных наплавленных материалов обладает М'зА1 - 180 НУюо- Наиболее медленное разупрочнение при нагреве до 700°С происходит в слое хрома. С дальнейшим повышением температуры его твердость интенсивно снижается. При 850°С у материалов МзА1 и хрома значения твердости близки. Отмечается повышение твердости в слоях ЭП
Рис.4. Микроструктура стали в исходном состоянии (а) и после наплавки в зоне соединения: с ВК20 (б); с ЭП131 (в); с №зА1 (г) (х400)
Рис.5. Твердость наплавленных материалов (а) и серийных по данным [9,10] жаропрочных сплавов (б) при повышенных температурах
и ЩА1 при температуре нагрева 550-650°С. Очевидно, это связано с дисперсионным механизмом упрочнения данных сплавов. При этом твердость сплавов ЭП после 650°С остается практически на одном уровне, а у ЭП720 наблюдается ее увеличение. Анализ изменения твердости с повышением температуры показал, что меньше всего уменьшается твердость у сплавов ЭП720 и ЭП131 - на 97 и 121 НУ 100 соответственно. На рисунке 5.6 для сравнения приведены данные о горячей твердости некоторых серийно применяемых жаропрочных материалов. Их сопоставление показало, что при 800°С исследованные наплавленные слои несколько уступают по твердости серийному сплаву ВЖ101 (ЭП199) на основе никеля и превосходят остальные, особенно ВХН1 и кобальтовый стеллит ВЗК.
После охлаждения наибольшее уменьшение твердости произошло в слоях ВК20 и хрома (табл.2). У остальных материалов твердость практически не изменилась, а у ЭП720 даже стала на 8 единиц НУ выше по сравнению с исходным значением. Высокая горячая твердость наплавленных слоев ЭП131 и ЭП720 определяется в основном упрочнением твердого раствора на основе кобальта хромом и вольфрамом [4,6], а ШуА1 - за счет свойств самого соединения, т.к. данный интерметаллид является упрочняющей фазой в дисперсионно-твердеющих сплавах [6].
Таблица 2. Твердость наплавленных слоев и серийных наплавочных жаропрочных сплавов
Материал слоя Твердость HV при 20° С до проведения нагрева Твердость HV при 850° С (800° С) Твердость HV при 20° С после проведения нагрева Изменение твердости Д
ВК20 627 155(176) 526 -101
ЭП131 289 168 (165) 280 -9
ЭП720 208 111 (118) 216 +8
Хром ВХ2К 394 178 (235) 336 -58
Niy4l 389 180(188) 381 -8
Молибден 353 - - -
Кобальтовый стеллит ВЗК [9] 458 (135) — —
ВХН1 [9] 356 (85) - -
Х25Н40В6 [9] 360 (150) - -
ЭП199 [10] 300 (225) - -
ЭИ437Б [10] 280 (150) - -
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, результаты исследований показали перспективность изготовления цилиндрических деталей биметаллическими с наплавкой слоев из кобальтовых сплавов
системы легирования Co-Cr-Ni-W и NiyAl
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балакин В.А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения. М.: Машиностроение, 1980. -136с.
2. Производство биметаллических труб и прутков. Под ред. Остренко В.Я. М.: Металлургия, 1986. -240с.
3. Соловьев С.Д., Морева И.Е. Центробежная наплавка заготовок / Пути снижения трудоемкости обработки полых осе симметричных деталей. Тезисы докладов отраслевой конференции. Ижевск: Изд-во ИМИ, 1984.-С.29.
4. Сорокин Л.И., Лазько В.Е., Ковальчук В.Г. Свойства жаропрочного кобальтового наплавленного металла различных систем легирования // Автоматическая сварка, 1982. -№1.- С.48-51.
5. Коломыцев П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. М.: Металлургия, 1979.-272с.
6. Симе Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. Перевод с англ. Под ред. Е.М. Савицкого. М.: Металлургия, 1976.-568с.
7. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976.-175с.
8. Коваленко B.C. Металлографические реактивы: Справочник. М.: Наука, 1970.-133с.
9. Людвиг Ю.И., Маркин Ю.В., Каленский В.К., Фрумин И.И. Горячая твердость жаропрочных сплавов // Автоматическая сварка, 1969.-№1.-С.69-70.
10. Маркин Ю.В., Фрумин И.И. Жаропрочные сплавы для армирования фаски клапана двигателя внутреннего сгорания // Автоматическая сварка, 1972.-№11.-С.49-51.
11. Соловьев С.Д., Соловьева Т.А. Математическое моделирование теплового процесса центробежной электродуговой наплавки / Методы вычислительного эксперимента в инженерной практике. Выпуск 2 .- Ижевск: ИМИ, 1992.-С. 72-82.
12. Соловьев С.Д. Исследование теплового состояния цилиндра при центробежной наплавке на его внутреннюю поверхность слоя металла // Вестник ИжГТУ, 2004.-№2.-С.26-31.
SUMMARY. The rezults of research of structure and hardness overlied on steel 30XH2MOA of materials of various systems are given at room and raised temperatures. Is shown, that their properties do not concede to properties serially let out overlied heat resisting alloys.
