Многоэлектродная наплавка

Особенности структуры наплавленного металла

Способы легирования наплавленного металла с по­мощью шихты, насыпаемой на поверхность изделия или вносимой в* слой флюса, позволяют получать самый дешевый наплавленный металл. При этом упрощается подготовка материала, не требуется организация спе­циальных производств за исключением размола или грануляции исходных материалов в крупку с размером гранул 0,15—0,4 мм.

Однако в современном машиностроении и ремонт­ном производстве эти способы, к сожалению* еще не­достаточно распространены. Одна из причин тому — отсутствие необходимых сведений о качестве получае­мого металла.

Качество наплавленного металла определяется структурой, степенью легирования и однородностью химического состава.

Степень легирования при использовании насыпной шихты высокая и составляет 50—55 % массы наплав­ленного металла. Однородность химического состава находится в более узких пределах, чем у таких же сплавов, полученных металлургическим путем. Струк­тура наплавленного металла тесно связана со сте­пенью легирования и однородностью химического со­става и может быть рассмотрена на примере сплавов: У55Х12Г10С, У40Х25Г2СНЗ, У45X25, У35Х25Г2СЗР2. Эти сплавы хорошо зарекомендовали себя при наплавке быстроизнашивающихся деталей, работающих в абра­зивных средах. Они относятся к сложным многокомпо­нентным системам. Опубликованные материалы об исследованиях тройных систем Fe—Сг—С позволяют высказать некоторые суждения о важнейших фазах этих сплавов, их взаимодействии и условиях образова­ния. Хром является в этой системе не только мощным карбидообразующим элементом, но и способствует образованию ферри і а. Ясно, что образование послед­него нежелательно, поэтому в сплавы добавляют никель и марганец.

Ь данной систем^ образуются следующие карбиды: Сг2зС6 — кубическии карбид хрома, в котором может растворяться 10—25% Fe, Ci7C3 — тригональный кар* бид хрома, в котором может быть растворено 30— 50 % Fe (при этом, как установили Б. А. Мовчан и JL А. Поздняк, с увеличением количества растворен­ного железа микротвердость тригонального карбида снижается); Fe3C — карбид цемеититного типа, в кото­ром растворяется до 20 % Сг.

Отличительной чертой строения карбидов хрома яв­ляется то, что атомы углерода в них образуют обособ­ленные структурные элементы-цепи, которые сущест­венно затрудняют деформирование кристаллической решетки. Важное свойство карбидов хрома — также способность растворять некоторые легирующие эле­менты, в результате чего свойства их могут в известных пределах изменяться.

Марганец и никель — основные компоненты твер­дою раствора в указанных системал косвенно влияют на карбидообразование. Они в противоположность хрому расширяют у-область и снижают температуру фазовых превращений. Содержание в железоуглероди­стых легированных хромом сплавах до 2,5 % Мп не оказывает влияния на структуру. Содержание до 5 % Мп и выше переводит зернистые карбиды в грубо­игольчатые. Твердость и хрупкость сплавов растут, первичные карбиды измельчаются.

Наши исследования, выполненные совместно с Е. JI. Шейнманом, показали, что в высокоуглероди­стых сплавах очень важное значение приобретает со­держание углерода. Его количественные изменения приводят к серьезным качественным изменениям свойств сплавов. Так, в сплавах железа, хрома, мар­ганца повышение содержания углерода до 4,5 % дает плавное и незначительное (примерно до 30%) увели­чение износостойкости. Повышение содержания угле-

Особенности структуры наплавленного металла

Рис. 13. Структурные зоны сплавов, наплавленных горизонтальным электрошлаковым способом:

с — У*0Х25Г2СНЗ: 6 — У4оХ25Г5С; в — У55ХІ2ГІ0С; Х75

рода в таких сплавах до 5 % и выше приводит к рез­кому (примерно в 2 раза) скачку износостойкости.

Среди известных способов широкослойной наплавки найдется мало способов, с помощью которых можно было бы получить в наплавленном слое содержание углерода, близкое к 5%, а уже тем белее превышаю­щее этот рубеж. Между тем многоэлектродная наплав­ка в сочетании со способом легирования через насып­ную шихту позволяет легко и стабильно получать указанные сплавы в достаточно широком диапазоне параметров режима.

После многоэлектродной наплавки микроструктура наплавленного металла и зоны термического влияния имеют специфическое строение. На типичных микро­структурах рассматриваемых сплавов и зоны термиче­ского влияния (рис. 13) можно различить шесть зон: заэвтектическую, эвтектическую, доэвтектическую, гра­ничную полоску, зону цементации и микроструктуру упрочняемой детали (табл. 7).

Заэвтектическая зона в зависимости от химического состава сплава имеет некоторые особенности строения.

Легирование только хромом (сплав У45Х25) ведет к появлению крупных первичных карбидов шестигран­ной формы, расположенных в карбидной эвтектике (рис. 14). Микроструктура карбидной эвтектики, пока-

Особенности структуры наплавленного металла

Особенности структуры наплавленного металла

Особенности структуры наплавленного металла

Рис. 14. Микроструктура сплава У45X25:

а — Х200; 6 — Х600

занная на рис. 15, состоит из карбидов и продуктов распада аустенита. Микротвердость карбидов II 000—12 900 МПа.

Особенности структуры наплавленного металла

Основу эвтектики составляют продукты распада аустенита, имеющие неоднородное строение. По грани­цам карбидов участки зерен продуктов распгда окра­шены ь темный цвет и по строению напоминают эвтек - тоид. В центральной части зерна структура имеет снетло-серый цвет и слоистое строение, напоминающее скорее мартенсит. Объяснить это можно тем, что во время охлаждения сплава из остаточного аустенита выделя­ются избыточные карбиды. В зонах, прилегающих к эвтек­тическому карбиду, этот про­цесс идет более интенсивно благодаря близости мощного центра кристаллизации выде­ляющихся избыточных карби­дов эвтектического типа. В ре­зультате распад обедненного аустенита успевает завер­шиться в этой зоне при высо­ких температурах. В цент­ральных участках зерна рас­пад аустенита протекает мед-

лрннрр ил чя птгл/тгтпи* «Рит Рис‘ 15* Микроструктура

леннее ИЬ-за отсутствия цент - карбидной эвтектики;

ров кристаллизации. Сравни - х!35С

Таблица 7. Краткая характеристика структурных зон наплавленной детали

о ____________

Сплав

1

Микроструктура

Микротвер­дость, МПа

T вердость HRC

Протяженность зоны в % от общей толщины наплав­ленного слоя

У40Х25Г2СНЗ

/. Заэвтектическая зона

Первичные карбиды шестиугольной и ромбической формы (крупные)

Карбидная эвтектика

Вокруг первичных карбидов участки структуоно-свобод - ного легированного: аустенита эвтектоида

І 5300 8240

5720

3220

56-60

95

У55Х12Г10С

Первичные карбиды шестиугольной и ромбической формы (крупные)

Карбидная эвтектика

Вокруг первичных карбидов легированный яустенит

18500

8240

7240

54-62

95

У 45X25

Первичные карбидь’ шестиугольной и ромбической формы (крупные)

Карбидная эвтектика

Эвтектоид вокруг первичных карбидов

18500

9480

4640

54—60

1

95

IL Эвтектическая зона

У40Х25Г2СНЗ

Мелкая карбидная эвтектика в виде колоний, между ко­торыми наблюдаются промежутки более грубого строения

8240

4

У55Х12П0С

Грубая карбидная эвтектика

Мелкая карбидная эвтектика в виде небольших островков

6420

7240

4,5

У45Х25

Карбидная эвтектика

6420—7240

4,5

III. До$втектическая зона

У40Х25Г2СНЗ

Незначительное количество дендритов твердого раствора (легированного аустенита) и карбидная эвтектика в меж - дендритном пространстве

5500

1

У55Х12Г10С

Дендриты т ердого раствора (легированного аустенита) с осями 1-го и 2-го порядков и карбидная эвтектика в междендритном пространстве

5140

0,5

У45Х25

Небольшое количество дендритов твердого раствора (ле­гированного аустенита), связанных с граничний плоской и расположенных в чарбидной эвтектике

5720 6240—7240

0,5

Рис. 16 Микроструктура сплава У40Х25Г2СНЗ:

а — х200: б — Х600

тел»но высокая скорость охлаждения приводит к фик­сации остаточного аустенита, поэтому структура цент­ральных участков зерна состоит из вторичных карби­дов и аустенитг.

Присадка в сплав до 5 % Мп (сплав У45Х25Г6) не вносит заметных изменений ни в структуру, ни в мик­ротвердость структурных составляющих. Замена мар­ганца никелем при содержании до 3 % Ni (сплав У40Х25Г2СНЗ) снижает микротвердость первичных карбидов с 18500 до 15300 МПа, Эвтектоид вокруг пер­вичных карбидов частично заменяется аустенитом. Аустенит эвтектики становится более устойчивым (рис. 16). Видимо, никель способствует перераспределе­нию углерода между твердым раствором и карбидами, увеличивая его содержание в твердом растворе и умень­шая содержание в карбидах.

Для выяснения металлической основы микрострук­тур различных зон сплава У40Х25Г2СН5, установлен­ных металлографическим анализом, применяли послой­ный рені геноструктурный фазовый анализ образцов.

Присадка бора в сплав У35Х25Г2СЗР2 (рис. 17) вызывает измельчение структуры и снижение микрс твердости первичных карбидов (15300—14300 МПа) Вокруг первичных карбидов в отличие от сплава У45Х25 появляется смешанная эвтекюидно-аустенктнля оторочка. Это свидетельствует о том, что бор подобно никелю приводит к перераспределению углерода между твердыми раствором и карбидами. Такой вывод согла­суется с исследованиями Н. Д. Тютевой, где показано, что при всех скоростях охлаждения от 0,2 до 300° С/с

Особенности структуры наплавленного металла

Рис. 17. Микроструктура сплава УЗБХ25Г2СЗР2; ХІ20 Рис. 18. Микроструктура сплава У35Х6Г5С2; Х200

Особенности структуры наплавленного металла

под влиянием бора наблюдается обеднение карбидов углеродом. В структуре сплава УЭ5Х25Г2СЗР2 наряду с карбидной эвтектикой появляются крупные включения эвтектоида.

Уменьшение количества хрома в сплаве до 6% и одновременное повышение содержания марганца до 5 % (сплав У35Х6Г5С2) приводит к уменьшению коли­чества первичных карбидов микротвердостью 18500 МПа, эвтектика становится грубой (рис. 18).

Повышение в таких сплавах содержания углерода с 3,5 % до 5,5 % действует аналогично увеличению хрома, т. е. вызывает увеличение количества первичных карбидов (рис. 19). Последнее обстоятельство сказы­вается на составе эвтектики, аустенит которой обед­няется легирующими элементами и распадается.

У всех рассматриваемых сплавов интересно строе­ние первичных карбидов, шестигранные иглы которых имеют в своей центральной части островки особого вещества.

Травление 5 %-ным раствором азотной кислоты и солянокислым раствором хлористого железа с много­кратным переполированием совместно с замером микро­твердости структур позволило установить, что данные

** А

Особенности структуры наплавленного металла

Рис. 19. Микроструктура сплава У55Х12Г10С:

а — Х200; б —- ХбОО

включения представляют собой два вида структур: легированный аустенит и гфодукты его распада (рис. 20), которые в процессе полирования крошатся, образуя в центральной части карбида темные пустоты, и, наоборот, аустенит хорошо удерживается в теле карбида.

Такая особенность поведения включений позволяет утверждать, что сочетание карбида с аустенитом более удачное (с ючки зрения их взаимной связи), чем кар­бида с продуктами распада аустенита. Наличие аусте - нитной структуры внутри карбида благоприятнее, так как при одной и гой же твердости аустенит менее хру­пок и лучше связан с карбидом.

/Г}

Рассматриваемые сплавы по строению эвтектиче­ской зоны можно разбить на две группы. Первая

Особенности структуры наплавленного металла

Рис. 20. Микроструктура центральной части первичного карбида: а — аустенит. Х600; б — продукты распада аустенита вокруг и внутри карбида и процесс распада внутри карбида. Х1000

группа — сплавы У40Х25Г2СНЗ, У45X25, У45Х25Г5, У35Х25Г2СЭР2, эвтектика которых состоит из мелко­зернистых скоплений с прослойками крупнозернистого строения. Структурный состав указанных разновидно­стей эвтектики: карбиды, незначительное количество

легированного аустенита и большое количество эвтек- тоида.

Вторая группа — сплавы У35Х6Г5С2, У55Х12Г10С,

строение эвтектической зоны которых отличается пре­обладанием грубой крупнозернистой эвтектики. Мелко­зернистые участки встречаются редко и малы по раз­мерам. Структурный состав эвтектики: карбиды, боль­шое количество остаточного аустенита и незначитель­ное количество ЗВТЄКТОИаЗ.

Как показал анализ, значительной разницы в микро - твердости эвтектик обеих групп сплавов нет. Однако, с точки зрения механических свойств, эвтектика второй группы, имея в своем составе большое количество вяз­кой аустенитной составляющей, должна быть лучше.

Изучение структур, приведенных на рис. 13, показы­вает, что в сплавах, богатых марганцем, доэвтектиче - ская зона просматривается плохо. В сплавах, бедных марганцем (до 5%), доэвтектическая зона ярко выра­жена и имеет большую протяженность.

Особый интерес вызывает светлая граничная по­лоска (рис. 21), которая для всех сплавов делится на две части. Верхняя, соприкасающаяся с наплавкой, представляет собой легированный аустениг с микро­твердостью 5120—5420 МПа. Нижняя, соприкасаю­щаяся с основным металлом, имеет структуру распада аустенита с микротвердостью 4800—5120 МПа. Микро­твердость частей полоски свидетельствует о высокой степени их легирования. На рис. 21 видно, что распад аустенита граничной полоски идет неравномерно по всей длине. В сплаве У40Х25Г2СНЗ есть участки, где граничная полоска насквозь состоит из структуры рас­пада. В сплаве У55Х12Г10С имеют место разрывы полоски эвтектикой.

Изучение зоны сплавления при малом увеличении (см. рис. 13) показывает, что такие явления наблю­даются на участках, бывших границами зерен основного металла. Это доказывает, что граничная полоска в про­цессе наплавки находится в твердом состоянии. Ибо только в этом случае возможны места с повышенной

Особенности структуры наплавленного металла

Рис. 21. Микроструктура граничной полоски сплавов (X45G):

а — У40Х25Г2СНЗ; б —У55ХІ2П0С

и пониженной скоростью диффузии без изменения местоположения отдельных участков металла. Следо­вательно, граничная полоска — продукт диффузионных процессов и ее размерами можно управлять, изменяя скорости охлаждения. На рис. 13 видно, чго изменение микротвердости в зоне сплавления изучаемых сплавов идет довольно плавно. Структуры, резко отличающиеся по микроъвердосги, отсутствуют.

Это послужило основанием для предположений о том, что твердый сплав, наплавленный многоэлектрод ным способом, должен прочно удерживаться на детали. Забегая несколько вперед, укажем, что во время про­мышленных испытаний деталей, наплавленных много­электродным способом, отколов слоя твердого сплава не наблюдалось.

Многоэлектродная наплавка

Перспективные области применения многоэлектродной наплавки

Рассмотрим некоторые технологические решения, опробованные на производстве, но пока не нашедшие серьезного применения, хотя они представляют боль­шой практический интерес. Для наплавки ударных элементов (бмл) углераз­мольных мельниц создана установка производитель­ностью 60 …

Получение биметалла

Многоэлектродная наплавка по производительности может успешно конкурировать с такими способами, как наплавка лентой, электрошлаковая наплавка электро­дом большого сечения и заливка жидким металлом. Причем по сравнению с последней многоэлектродный процесс обеспечивает …

Наплавка деталей горного оборудования

На горных предприятиях расходуется большое коли­чество зубьев ковшей экскаваторов. Зубья изготовляют из дорогой и дефицитной марганцевой стали 110Г13Л, отличающейся высокой ударной вязкостью и износо­стойкостью в наклепанном состоянии. Однако условия работы …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.