Формирование структуры и свойств при плазменной наплавке износостойких покрытий на медь и высокоуглеродистую, марганцовистую стали – часть 2

Металлургия      Постоянная ссылка | Все категории

При проведении комплексного исследования состава, структуры и механических свойств после плазменной наплавки хромомарганцового порошкового сплава 65Х25Г13Н3 на рельсовую сталь и сталь Гатфильда использовали следующие методы.

Химический состав определяли спектральным методом на приборе SPEKTRO «LAB S».

Твердость по глубине наплавленного слоя определялась по методу Роквелла шариком при нагрузке 100 кг в соответствии методикой ГОСТ 9013.

Испытания на растяжения проводили на универсальной испытательной машине «ИНСТРОН» с записью диаграмм растяжения. Скорость деформации составляла 1 х 10-3 сек-1.

Испытания на ударную вязкость проводили при комнатной температуре +20 оС на образцах основного металла и наплавленного металла размером 10х8х55 мм с круглым надрезом вырезанных на расстоянии 0 мм и 10 мм от границы наплавки.

Испытания на статический изгиб также осуществляли на универсальной испытательной машине «ИНСТРОН» при скорости нагружения 0,2 см/мин. с записью диаграммы нагрузка-деформация. Испытания проводили на образцах с круглым надрезом, а также на образцах без надреза. По результатам испытаний оценивали работу разрушения и ее составляющие – работу зарождения и распространения трещин.

Рентгеносъемки образцов наплавки на рельсовую сталь и сталь 110Г13 проводили на дифрактометре ДРОН-3 в Fe-излучении на продольном и поперечном шлифах в направлении по глубине наплавки на расстоянии — 3 мм, 7 мм, 15 мм, 19 мм, 22 мм от верхнего края шлифа, что означало соответствующее расстояние от поверхности наплавки. В том числе рентгенографировался участок границы границы наплавки.

Дифрактограммы записывали в Fe-излучении в области углов 2q Вульфа-Бреггов 2q=44-136о. Щели гониометра 1х0,5 мм. Угловая скорость перемещения счетчика импульсов 1о/мин. Фазовый состав определяли по межплоскостным расстояниям d. Напряженное состояние – по ширине интерференционных линий аустенита (311) и (111).

Фрактографические исследования изломов образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе «HORIBA» с микроанализатором «Link QX 2000».

Третья глава посвящена разработке конструкции плазмотрона (рис.1) с внешним электродом. Основное отличие его от существующих состоит в том, что он имеет расширяющееся сопло, в то время как существующие плазмотроны имеют цилиндрический канал выходного электрода. Предпосылкой создания расширяющего канала сопла послужило то, что в цилиндрическом канале образуется местное обжатие дуги, приводящее к ее неустойчивости.

Были проведены исследования на экспериментальной установке и сняты вольт-амперные характеристики плазматрона с различной геометрией сопла, его установкой относительно изделия и вариацией расхода аргона. Они позволили выбрать следующие оптимальные параметры плазматрона: угол раскрытия плазмотрона a = 60, длина сопла 8мм, расстояние между торцом сопла и изделием 10 мм, расход газа 1 м3/ч.


Рис. 1. Схема плазмотрона с внешним электродом.

Таким образом была разработана конструкция плазмотрона с внешним электродом, обеспечивающая его надежную работу, повышенную долговечность и широкий диапазон параметров регулирования. Все дальнейшие наплавки проводились с использованием данной конструкции плазмотрона.

В четвертой главе представлены разработки технологии и комплексного исследования химического и фазового составов, микроструктуры и механических свойств жароизносостойкого хромоникелевого покрытия (ПР – НХ15СР2) толщиной 5 мм на медную основу.

Рис. 2. Распределение твердости по глубине наплавленного хромоникелевого покрытия на медную основу

Экспериментальная наплавка медных образцов 350х350х40 проводилась с помощью плазмотрона с расширяющимся каналом. Медный образец укладывался в специальную изготовленную печь, где на дне располагались тэны. Процесс наплавки вели на предварительно разогретую медь до температуры 600 0С, расход порошка 0,3 г/сек, расход аргона 1 м3/ч, при силе тока 200 А и напряжении на дуге 40 В.

Исследование механических свойств, твердости (рис.2) и микротвердости в приграничной зоне приведены в табл.1., Показано, что твердость покрытия в 4 раза выше твердости медной основы, прочность покрытия в 2 раза выше, прочность сцепления покрытия с медной основой ниже прочности покрытия на срез и выше, чем прочность на срез медной основы. Такое изменение прочности на срез по сечению позволяет предположить, что разрушение покрытия или его сползание с медной стенки кристаллизатора в процессе его работы практически исключено. Износостойкость плазменного покрытия в 4-5 раз больше, чем медной основы.

Размытость по поперечному сечению и высокая твердость переходного слоя, а также высокая прочность сцепления покрытия с медной основой связаны с образованием слоя с мелкодисперсной структурой со стороны покрытия, а также взаимного внедрения участков медной основы и Ni-Cr сплава.

В результате плазменной наплавки в наплавленном слое возникают высокие внутренние микронапряжения, о чем свидетельствует большая размытость рентгеновской интерференционной линии (311). Причем в тонком поверхностном 15 мкм слое они наиболее высоки – ширина рентгеновской линии достигает 62 мрад. Высокий уровень остаточных микронапряжений в наплавленном металле, по-видимому, связан, с особенностями фазового состава образующегося в процессе охлаждения расплавленного металла на поверхности медной основы в результате протекания процессов взаимной диффузии химических элементов.

Таблица 1

Прочность и твердость хромоникелевого покрытия и металла медной основы

Металл

sсреза

HRВ

Н0,981

Н/мм2

Н/мм2

Покрытие (Cr – Ni)

550-600

280-370

73-81

3200-3550

575

310

75

3375

Граница

180-220

20-70

830-4500

200

45

2665

Основа (Сu)

225-235

135-180

<20

820-860

230

157

840

Общая панорама микроструктуры представлена на рис.3, видна четкая граница раздела Ni-Cr наплавки и меди.

Проведен-ный рентгено-структурный анализ фазового состава по сечению образца с наплавкой показал, что вблизи поверхности наплавки (~15мкм) выявлены два типа твердых растворов Ni-Cr и Ni-Cu. Присутствуют также нитриды хрома, которые, по-видимому, образуются в процесс кристаллизации наплавленного слоя.

Далее (~3,5 мм) вблизи границы наплавленного слоя и металла основы появляются окислы хрома и участки меди. Окислы хрома очевидно образуются при контакте расплавленного металла с воздухом.

 

 

Под наплавленным слоем (~6-8 мм) кроме медной основы выявлены окислы и немногочисленные нитриды хрома. Проникновение их в медную основу, очевидно, связано с перемешиванием жидкого расплава и расплавленных поверхностных слоев меди.

Для оценки интенсивности протекания диффузионных процессов проводили микрорентгеноструктурный анализ по поперечному сечению образца и были построены концентрационные зависимости химических компонентов сплава.

Наиболее интересным оказалось обнаруженное высокое содержание в наплавленном слое меди от 20% до 40%. При этом высокая концентрация меди наблюдается вблизи границы наплавленного слоя (примерно до 0,5 мм). Далее по сечению наплавки она практически не изменяется.

Спектральный анализ показал, что в процессе формирования наплавленного слоя кроме перемешивания расплава происходит окисление его компонентов, сродство к кислороду которых велико (кремний, железо), и взаимная их диффузия.

Как показала оценка коэффициента диффузии исходя из концентрационных профилей его величина изменяется от 10-4 до 10-6 см2/сек. Коэффициент диффузии, например, никеля в меди и меди в никеле составляют при 600-700оС 1,4х10-11 и 4,1х10-12 см2/сек соответственно. В тоже время, известно, что величины коэффициентов диффузии в жидком состоянии примерно одинаковы и составляют 10-4-10-5 см2/сек. Поэтому можно полагать, что наблюдаемый концентрационный профиль является следствием диффузии компонентов в жидком расплаве.

Таким образом, с учетом износостойкости покрытия, можно ожидать увеличения эксплуатационной стойкости кристаллизатора МНЛЗ в 4-5 раз.

В пятой главе проведен анализ накопленного опыта по производству наплавки на сталь Гатфильда, что позволило выбрать в качестве металла наплавки порошок 65Х25Г13Н3 соответствующий по химическому составу электродной проволоки марки ЦНИИН-4, предназначенной для наплавки железнодорожных крестовин; определены оптимальные режимы наплавки; разработана технология релаксационной обработки для снижения уровня остаточных напряжений в наплавленном слое; представлены механические свойства основного металла (ОМ), переходной зоны (границы) и наплавленного металла (НМ).

Серия экспериментов по наплавке позволила выбрать оптимальные режимы наплавки: сила тока 190 А – при наложении первого слоя (180 А – последующие слои, для уменьшения тепловложения); напряжение дуги – 40 В; расход порошка – 0,3 г/сек; продольная скорость перемещения плазмотрона Vпрод.=10 мм/мин; поперечная скорость перемещения плазмотрона Vпопер.=20 мм/мин; расстояние от среза сопла до изделия 10-14 мм; расход аргона – 1м3/ч.

При опробовании технологии плазменной наплавки на сталь Гатфильда столкнулись с высокими остаточными микронапряжениями в наплавленном слое, которые в свою очередь приводят к образованию микротрещин на границе раздела основного металла и наплавленного металла. Кроме того, была обнаружена трещина на поверхности области стыка наплавленного слоя и металла основы, т. е. в области окончания процесса наплавки, которая обладает рядом характерных особенностей:

· трещина интеркристаллитная;

· трещина пересекает наплавку, зону конвективного перемешивания жидкого расплава наплавки и металла основы, область внутреннего окисления металла основы и распространяется по границам литых кристаллитов металла основы;

· ширина русла трещины возрастает не от вершины к поверхности, как это должно было бы быть при зарождении трещины на поверхности и распространении ее внутрь металла, а наоборот, по мере углубления ее в металл основы;

· вблизи поверхности наплавки у русла трещины видны скопления неметаллических включений.

Исходя из перечисленных особенностей этой трещины можно предположить, что зарождение ее происходило не на поверхности наплавки, а внутри металла. Тогда один из наиболее вероятных механизмов возникновения трещины в конце наплавки можно представить следующим образом.

При не очень тщательной зачистке поверхности крестовины перед наплавкой, особенно в области, где процесс наплавки должен быть завершен, окалина может быть частично не снята.

Поскольку окислы Fе, Mn, Si, входящие в состав окалины металла основы, являются более тугоплавкими, то при оплавлении границ зерен литой структуры они могут препятствовать проникновению жидкого расплава наплавки вдоль границ, выходящих на поверхность металла основы. Это приводит к эффекту закупоривания границ зерен снаружи. Оплавленные же границы в результате усадочных процессов не залечиваются при быстром остывании (малая толщина жидкого расплава) и служат готовыми внутренними трещинами.

В пользу этого механизма свидетельствует то, что наблюдаемая трещина раскрыта в большей степени не у поверхности, а в конце, в толще металла основы. Создается впечатление, что границы зерен в результате оплавления раскрылись под поверхностью основного металла и вызвали долом более прочного наплавленного слоя под воздействием остаточных напряжений.

Для снижения остаточных напряжений и устранения растрескивания воз-никла необходимость разработать технологию релаксационной обра-ботки. Исследования и отработка этой техноло-гии проводили на примере рельсовой стали. Были предпри-няты следующие техно-логические приемы: наплавка на рельсовую сталь в термоупрочнен-ном состоянии (закалка в масло 830 0С, 50 мин, отпуск 500 0С) с теплым ударным наклепом и без него, наплавка на отожженную рельсовую сталь (отжиг 850 0С, 2 часа, охлаждение с печью до 600 0С, далее на воздухе) с теплым ударным наклепом. Так же рассматривали влияние отпуска (450 0С) после каждой обработки.

Кроме того, эти исследования важны еще для оценки возможности осуществления наплавки высоколегированного сплава на простую углеродистую сталь и создания на этой основе экономнолегированной железнодорожной крестовины.

Показано, что отпуск не влияет на механические свойства. Ударный наклеп практически не изменяет механические свойства, но снижает суммарную работу зарождения и распространения трещины. Ударный наклеп уменьшает ширину рентгеновской линии (рис. 4) и увеличивает количество a – фазы в наплавленном металле (рис. 5). Причем наиболее низкий уровень остаточных микронапряжений достигается при наплавке на отожженную рельсовую сталь с ударным наклепом.

Можно полагать, что уменьшение ширины рентгеновской линии является следствием протекания релаксационных процессов в результате фазового g®a превращения.

Таким образом разработана технология релаксационной обработки, позволяющая уменьшить уровень остаточных напряжений за счет образования новой a – фазы и предотвратить образование дефектов типа трещин. Кроме того показана принципиальная возможность получения биметаллической крестовины путем наплавки износостойкого покрытия на рельсовую сталь. Разработанная технология применена для проведения восстановительного ремонта крестовин из стали Гатфильда.

Была проведена наплавка порошком 65Х25Г13НЗ на реальный образец, вырезанный из новой крестовины, в несколько слоев, с промежуточной абразивной зачисткой между слоями и теплым ударным наклепом каждого наплавленного слоя для снятия остаточных напряжений. При этом общая толщина наплавки составила 22 мм. С целью определения механических свойств ОМ, НМ и границы были проведены комплексные механические испытания образцов, вырезанных в продольных и в поперечных направлениях.

Измерения значений твердости HRC проводили на глубину наплавленного слоя до 20 мм и основного металла до 30 мм (рис.6). Как видно на глубине 30 мм ОМ твердость составляет 9-12 HRC. По мере приближения к границе твердость возрастает до 17-20 HRC на глубине ~ 2 мм. На границе уровень твердости резко возрастает и составляет 32-34 HRC. Далее в наплавленном металле от границы и до глубины 20 мм уровень твердости стабилен и составляет 32-35 HRC. Испытания на растяжение продольных образцов из НМ, границы и ОМ показали, что образец из НМ разрушился при нагрузке в 2 раза большей, чем образцы из ОМ и границы.

Исследования механических свойств показали, что наилучшими механическими свойствами обладает НМ (рис.7).

Ударная вязкость образцов НМ, непосредственно у границы и на расстоянии 10 мм, близка по значению: 8,7 Дж/см2 и 7,5 Дж/см2. Испытания ОМ дали прямо противоположные результаты. КСU образца, находящегося непосредственно у границы, составила 143 Дж/см2, а у образца, удаленного от границы на 10 мм, КСU=212 Дж/см2, что в 18-25 раз превышает значение КСU наплавленного металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подпись: d, %

 

Разрушающее напряжение для образцов из НМ непосредственно у границы и на расстоянии 10 мм, составляет 1612 и 1731 Н/мм2 соответственно, для образцов из ОМ оно в 1,4 раза ниже. Пластические же свойства образцов из ОМ в 11-14 раз выше, чем у НМ. Работа зарождения трещины Аз образцов НМ низкая, особенно у образца вблизи от границы -1,7 Дж/см2. Удаление от границы наплавки повышает работу зарождения трещины от 15,3 до 25,7 Дж/см2.

Металлургия      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника