CC BY
51
УДК 62179192 Е. Н. ЕРЕМИН
А. С. ЛОСЕВ А. Е. МАТАЛАСОВА С. А. БОРОДИХИН И. А. ПОНОМАРЕВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ВЛИЯНИЕ КАРБИДА БОРА НА СВОЙСТВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩЕЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ
Проанализированы преимущества и недостатки хромоникелевых сталей, используемых для наплавки покрытий уплотнительных поверхностей запорной трубопроводной арматуры. На основе этого предложен новый состав порошковой проволоки, обеспечивающий после наплавки металл системы легирования Сг-№-Мо-Мп^-ЫЬ-Н-В. Представлены структура и свойства такого металла. Установлено, что предложенная порошковая проволока обеспечивает комплексное упрочнение матрицы наплавленного покрытия карбоборидными и интерметаллидными фазами, что позволяет существенно повысить работоспособность и надежность узлов запорной арматуры, работающих на истирание в контакте с агрессивными средами.
Ключевые слова: запорная арматура, хромоникелевая сталь, карбид бора, наплавка, порошковая проволока, структура, твердость, износостойкость. Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17-19-01224!.
Введение. Значительная потребность нефте- типов 08Х17Н8С6Г [2, 5]. Наплавленный такими ма-
химических предприятий в запорной арматуре териалами металл имеет высокую стойкость против
и высокий уровень цен на данные виды изделия об- коррозионного и эрозионного износа и сохраняет
условливают необходимость увеличения их факти- свои характеристики в течение длительного срока
ческого срока службы и длительности межремонт- эксплуатации. Однако для предотвращения рас-
ного периода. трескивания покрытий при наплавке необходимо
Как показывают экономические расчеты, эф- применять высокотемпературный подогрев дета-
фективность ремонта единицы отказавшего запор- лей. Температура подогрева при наплавке Сг-№-81-
ного устройства на специализированном ремонтном сталями с твердостью 40 — 50 ИЯС достигает 500 °С
предприятии в среднем не превышает 60 % стоимо- и выше, что делает процесс весьма трудоемким. сти нового изделия. Наиболее перспективно повы- В результате кристаллизации хромоникель-
шение уровня рентабельности ремонта увеличени- кремнистых сталей формируется двухфазная
ем длительности межремонтного периода за счет структура с различным соотношением 5/у-фаз [8].
соответствующего роста эксплуатационной стой- При этом 5-феррит является метастабильной фазой
кости отремонтированного запорного устройства и при определенных условиях происходит ее распад
по сравнению со стойкостью нового серийного [1]. с образованием а-фазы по схеме б^а^у [9]. Склон- |
Опыт эксплуатации запорной арматуры пока- ность таких сталей к сигматизации и термическому И
зывает, что ее надежность и долговечность в зна- упрочнению при длительной эксплуатации армату- р
чительной мере зависят от работоспособности ры с температурой среды 425 — 550 ° С может при-
уплотнительных поверхностей деталей, для обеспе- вести к растрескиванию сплава непосредственно
чения которой их обычно наплавляют специальны- на действующем энергообъекте и вызвать аварий-
ми сталями и сплавами [2]. Широкое применение ную ситуацию. для наплавки нашли наплавочные материалы на ос- Твердость наплавочных Сг-№-81-сталей опре- |
нове аустенитно-ферритных дисперсионно-тверде- деляется содержанием в их составе легирующих >
ющих Сг-№-81 сталей [3 — 7]. элементов — кремния и хрома, количеством фер-
Чаще всего для наплавки таких деталей реко- ритной фазы и степенью ее распада при нагреве.
мендуется использовать наплавочные материалы Повышение стабильности 5-феррита и подавление
Химические составы исследуемых порошковых проволок
Таблица 1
Составы Количественный состав порошковой проволоки, %
Cr Ni Mn FeNb Mo FeTi FeSi B4C Fe порошок
Исследуемые 1 12,0 1,0 1,0 0,5 2,0 1,0 0,5 0,3 26,3
2 14,0 2,0 2,0 1,0 3,0 1,5 1 0,6 19,5
3 16,0 3,0 2,5 1,5 4,0 2,3 1,5 0,8 12,5
4 18,0 4,0 3,0 2,0 5,0 3,0 2 1,0 5,7
5 18,5 4,5 3,2 2,5 5,5 3,5 2,5 1,2 1,9
Известный 6 18,5 9 1,5 - - 1,3 7,5 - 8,6
Таблица 2
Результаты дюрометрических исследований металла покрытий
Составы Твердость наплавленного металла Относительная износостойкость
после наплавки после старения
HRC HV HRC HV
Исследуемые 1 32 332...355 38 390.413 1,64
2 25 257...271 40 418.446 2,37
3 25,5 268.286 42,5 451.473 2,49
4 29 305.327 44 467.506 2,52
5 31 304.346 43 465.481 2,41
Известный 6 30 290.320 39 400.425 1,06
процесса образования а-фазы в таких сталях достигается подбором определенного соотношения феррито- и аустенизирующих элементов, входящих в их состав. В то же время большое количество запорной арматуры используется в системах добычи, транспорта и хранения газа и нефти при нормальных температурах эксплуатации. В этих случаях большими возможностями обладают хромоникеле-вые коррозионно-стойкие стали с твердыми высокопрочными частицами, в том числе и а-фазы, армирующими матрицу.
Выполненными ранее исследованиями установлено, что введение в экономнолегированную мар-тенситно-стареющую сталь боридных соединений обеспечивает получение композиционной структуры, обладающей повышенными эксплуатационными характеристиками [10, 11].
В связи с изложенным исследовали влияние бо-ридных соединений на структуру и эксплуатационные свойства хромоникелевой стали, легированной молибденом, кремнием, марганцем, ниобием и бором.
Объекты и методы исследований. В работе исследовали металл системы Сг-№-Мо-Мп-81-НЪ-Т1-В, полученный наплавкой порошковой проволокой, в состав которой дополнительно введен карбид бора (табл. 1). Для сравнения производили также наплавку известной порошковой проволокой ПП-АН133 (10Х17Н9С5ГТ) [12].
Наплавку осуществляли на пластины из стали Ст3 размером 200x50x10 мм опытными порошковыми проволоками диаметром 2,4 мм. В качестве оболочки проволоки использовали стальную ленту марки 08кп размером 15x0,8 мм по ГОСТ 503-81. Режим наплавки: сила тока 230 А; напряжение 24 В; скорость наплавки 20 м/ч. Наплавленный металл исследовался в исходном состоянии и после старения при температуре 500 °С в течение 2 — 6 часов.
Металлографические исследования наплавленного металла проводили на оптическом микроскопе AXIO Observer Aim (Carl Zeiss). Микроструктура выявлялась химическим травлением в реактиве состава: CuSO4 — 4 г; HCl — 20 мл; H2O — 20 мл.
Электронно-микроскопические исследования осуществляли на фольгах с использованием просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100 «JEOL» с энергодисперсионным анализатором Inca-250.
Дюрометрические исследования проводили на образцах из наплавленного металла после наплавки и старения: твердость по Роквеллу измеряли на приборе ТК-2; твердость по Виккерсу измеряли на приборе Shimadzu HMV-2 при нагрузка Р = 1,96 Н.
Испытания на износостойкость проводились при трении о не жестко закрепленные абразивные частицы. В качестве эталонных образцов применя-
а) б)
Рис. 1. Структура материала наплавленного покрытия, полученного порошковой проволокой состава 4: микроструктура (а); тонкая структура (б)
лись образцы из стали 20Х13 в закаленном состоянии.
Результаты и обсуждение. Установлено, что металл наплавленных покрытий однороден, макропоры и трещины отсутствуют. Распределение легирующих элементов между структурными составляющими матрицы равномерно. В этих условиях химический состав покрытий незначительно (не более чем на 10 % от содержания легирующего компонента) отклоняется от состава порошковых проволок.
Результаты дюрометрических исследований и испытаний на износостойкость металла покрытий, полученных изучаемыми порошковыми проволоками, сведены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, наилучшими свойствами обладает металл покрытия, полученного порошковой проволокой состава 4. Он превосходит металл, полученный известной проволокой, по твердости в 1,4—1,7 раза и по износостойкости в 2,4 раза.
Как показали металлографические исследования, такой металл имеет структуру, характерную для композитов (рис. 1). Данная структура состоит из пересыщенного легирующими элементами твердого раствора с мартенситной матрицей и эвтектической составляющей (Мо, Сг, Бе, ЫЪ)2Б в виде
участков по границам бывших зерен аустенита. Мелкодисперсная эвтектика отличается высокой твердостью, обусловленной содержанием большего количества боридов. По мере увеличения концентрации бора растет и количество эвтектической составляющей, которая образует сплошной прочный каркас (рис. 1а). Кроме того, из-за значительного содержания феррито-образующих элементов в наплавленном металле в процессе кристаллизации образуется метастабильный 5-феррит в виде раз-ноориентированных прослоек между рейками мартенсита (рис. 1 б).
При старении такого наплавленного металла при 500 °С в течение 2 часов метастабильный 5-феррит претерпевает распад с образованием о-фазы. Как правило, этот процесс протекает на межфазных границах. На рис. 2 показано наличие выделений о-фазы после старения.
Эти выделения представляют собой заостренные пластины размерами 300^550 нм. В процессе превращения происходят миграции границ, поэтому частицы о-фазы после термической обработки оказываются на границе а-фазы. Выявленная форма выделившейся фазы характерна для сдвигового превращения, поскольку требует минимум затраченной энергии, необходимой для деформации
матрицы. Одновременно с этим происходит упрочнение матрицы мелкодисперсными карбоборидны-ми и интерметаллидными фазами: (Сг, Мо, Бе, ЫЬ, Т1)23(С, В)6, (Бе, Сг, Б1)2(Мо, Т1) и (№, Бе)3Т1 (рис. 3), аналогичными полученным ранее в мартенситно-стареющих сталях [6, 7].
Дальнейшее старение наплавленного металла при 500 °С в течение 6 часов приводит к образованию чисто мартенситной структуры, вызывает рост частиц а-фазы и увеличение их объемной доли. В процессе роста пластины а-фазы удлиняются в результате продвижения первоначальной плоскости сдвига, достигая размеров до 1500 нм при этом сохраняя чечевицеобразную форму. Возникающие вокруг исходной пластинчатой частицы градиенты состава и деформации препятствуют ее сфероиди-зации.
Таким образом, высокую износостойкость металла исследуемых покрытий можно объяснить комплексным упрочнением мартенситной матрицы карбоборидными и интерметаллидными фазами.
Заключение. Введение карбида бора в состав порошковой проволоки на основе высокохромистой коррозионностойкой стали обеспечивает получение композиционной структуры металла покрытий, упрочненной карбоборидными и интерметаллидны-ми фазами и обусловливающей высокие показатели твердости и износостойкости. Применение данной проволоки в качестве наплавочного материала позволяет существенно повысить работоспособность и надежность узлов запорной арматуры, работающих на истирание в контакте с агрессивными средами.
Библиографический список
1. Карелин И. Н. Повышение долговечности запорной арматуры на предприятиях «Мострансгаз» // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1997. № 4. С. 38 — 40.
2. Лопухов Ю. И. Повышение эксплуатационных свойств трубопроводной арматуры дуговой наплавкой. Усть-Каменогорск: Изд-во ВКГТУ. 2002. 136 с.
3. Еремеев В. Б., Стреляный Ю. В. Выбор сплава для наплавки уплотнительных поверхностей трубопроводной арматуры // Автоматическая сварка. 1990. № 5. С. 49 — 52.
4. Еремеев В. Б., Стреляный Ю. В., Фрумин И. И. Разработка порошковой проволоки и ленты для наплавки трубопроводной арматуры // Теоретические и технологические
основы наплавки. Наплавочные материалы. Киев: Изд-во ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, 1978. С. 3-7.
5. Степин В. С., Старченко Е. Г., Волобуев Ю. С. [и др.]. Современные наплавочные материалы для уплотнительных поверхностей арматуры АЭС и ТЭС // Арматуростроение. 2006. № 2. С. 55-56.
6. Степин В. С., Старченко Е. Г., Андреев А. П. Применение дисперсионно-твердеющих Cr-Ni-Si сталей для элементов затворов и наплавки уплотнительных поверхностей арматуры ТЭС и АЭС // Арматуростроение. 2006. № 3. С. 66-69.
7. Рябцев И. А. Наплавочный сплав с повышенным эффектом вторичного твердения // Материаловедение. 2006. № 12. С. 37-41.
8. Багров В. А. Влияние способа износостойкой наплавки на распределение упрочняющей фазы в наплавленном металле // Автоматическая сварка. 2000. № 11. С. 44-47.
9. Колчин В. Г., Данилов В. Г. [и др.]. Особенности превращения S-феррита в двухфазной хромоникелевой стали // Известия АН СССР. Металлы. 1986. № 2. С. 109-111.
10. Yeremin Y. N., Losev A. S. Mechanical Properties and Thermal Stability a Maraging Steel With Borides, Deposited with a Flux-Cored Wire // Welding International. 2014. Vol. 28. Issue 6. P. 465-468. DOI: 10.1080/09507116.2013.840041.
11. Лосев А. С., Еремин Е. Н., Филиппов Ю. О. Исследование влияния боридов на упрочнение мартенситно-стареющей стали // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2010. № 2 (90). С. 131-134.
12. Юзвенко Ю. А. Порошковые проволоки для наплавки // Автоматическая сварка. 1972. № 5 (230). С. 67-70.
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение», директор машиностроительного института. ЛОСЕВ Александр Сергеевич, старший преподаватель кафедры «Машиностроение и материаловедение».
МАТАЛАСОВА Арина Евгеньевна, студентка гр. С-131 машиностроительного института. БОРОДИХИН Сергей Александрович, ассистент кафедры «Машиностроение и материаловедение». ПОНОМАРЕВ Иван Андреевич, студент гр. С-131 машиностроительного института. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 01.08.2017 г. © Е. Н. Еремин, А. С. Лосев, А. Е. Маталасова, С. А. Бородихин, И. А. Пономарев
