Применение композиционных механически легированных порошковых материалов при дуговой наплавке

УДК 621.791

, ,

Применение композиционных механически легированных

порошковых материалов при дуговой наплавке

Представлены результаты исследований по применению механически легированных порошковых компонентов в качестве наплавочных материалов при дуговой наплавке.

Ключевые слова: дуговая наплавка, композиционные наплавочные материалы, мелкодисперсные частицы металла, порошковые материалы, механическое легирование.

Постоянно развивающиеся технологии получения порошковых компонентов открывают новые возможности их применения в сварочных и наплавочных материалах, а также значительно расширяют возможности использования существующих способов дуговой наплавки и сварки.

Порошкообразные наполнители, полученные традиционными методами, широко применяются при изготовлении порошковых проволок, наплавочных паст, а также в качестве добавок к порошковым флюсам и в покрытия электродов [1; 2]. В основном они выступают в качестве легирующих и модифицирующих добавок при дуговой сварке
и наплавке.

На сегодняшний день практически исчерпаны все возможности увеличения прочности и износостойкости наплавленного металла. Дополнительные возможности появляются при создании новых композиционных порошков, подвергнутых модификации перед добавлением в наплавочные материалы [3]. Данный метод заключается в интенсивном смешивании порошков в энергонапряженных мельницах [4-9] и позволяет получать композиции без существенных ограничений по составу и числу компонентов.

Широкое применение получили технологии создания новых композиционных порошковых материалов методом механического легирования, для которого характерны температуры, не превышающие линии солидуса [4; 7; 10], когда материал находится в твердой фазе. Исследований, показывающих, как ведут себя такие порошки при температуре, превышающей температуру их плавления, крайне мало.

Теория сварочных процессов достаточно подробно описывает происходящие процессы плавления и кристаллизации компонентов, входящих в состав наплавочных материалов, а также получаемые свойства наплавленного металла [11]. Однако практическое применение в сварочных технологиях порошков, полученных при помощи механического легирования, - малоизученный процесс. Не выявлены закономерности нахождения таких порошков при температурах выше линии солидуса, скорости их плавления, а также условия, необходимые для полного или частичного расплавления.

Для проведения металлографических исследований использовался сканирующий микроскоп TESCAN-LSH с приставкой для энергодисперсионного микроанализа INCA-ENERGY и оптический микроскоп Metam PB-21.

Исходными компонентами для получения композиционного порошка были феррокремний ФС75 (ГОСТ 1415-93), ферромарганец ФМн88А (ГОСТ 4755-91), феррохром (ГОСТ 4757-91), железный порошок (ГОСТ9849-86). Размеры частиц всех исходных порошков находились в диапазоне от 63 до 500 мкм.

Композиционный порошок получали в механореакторе гирационного типа [4; 12]
с водоохлаждаемыми цилиндрическими помольными камерами объемом 1 дм3 каждая. Радиус колебаний помольных камер устанавливался съемным эксцентриком. В качестве размалывающих тел выступали стальные шары твердостью 62 НRC.

С целью устранения налипания порошка на стенки камеры механореактора и улучшения процесса измельчения частиц порошка добавляли стеариновую кислоту в количестве до 1% по массе. Адсорбируясь поверхностью кристаллического материала, она уменьшает свободную поверхностную энергию и, как следствие, снижает работу, необходимую для разрушения частиц металла.

Перед проведением наплавочных работ исходные и синтезированные порошки смешивали с силикатным клеем и в виде пасты наносили на пластины толщиной 5 мм из стали 09Г2С. После этого переплавляли пасту с основным металлом при помощи аргонодуговой наплавки. Данный процесс осуществляли на постоянном токе при следующих режимах:
Iсв = 110-120 А, Uд = 10-11 В, Vн = 7 м/ч, расход защитного газа - 15 л/мин. В качестве источника питания использовали универсальный сварочный инвертор Kemppi PS-5000.

Твердость наплавленного слоя измеряли по методу Роквелла на твердомере ТР 5006-02 при предварительной испытательной нагрузке 98 Н и общей нагрузке 1471 Н.

При проведении исследований по определению влияния мелкодисперсных композиционных порошковых материалов, полученных методом механического легирования, на механические свойства наплавленного металла было решено разрабатывать наплавочную пасту. Данный выбор обусловлен тем, что изготовление пасты, состоящей из металлического порошка и связующего материала, позволяет быстро и в достаточных объемах получать образцы, разнообразные по химическому составу. Такой подход позволил оперативно провести экспериментальную часть работы.

Для проведения исследований по аргонодуговой наплавке с использованием наплавочной пасты была подготовлена смесь порошков железа и ферросплавов (рис.1). Для обеспечения равномерного перемешивания компонентов шихты их смешивали в смесителе «пьяная бочка» в течение 2,5 ч при частоте вращения 12 об/мин.

Для выявления отличительных свойств шва, получаемого при использовании композиционных материалов, были изготовлены две партии наплавочной пасты. Шихта пасты первой партии представляла собой механическую смесь компонентов в исходном состоянии, не подвергающихся никакому виду обработки. Шихта пасты второй партии представляла собой многокомпонентные мелкодисперсные композиционные гранулы, полученные методом механического легирования в механореакторе гирационного типа. Размеры гранул после обработки находились в интервале от 4 до 20 мкм.

Соотношение исходных компонентов в шихте обоих вариантов: FeCr - 5%; FeMn - 0,9%; FeSi - 1,5%; Fe - 91,7%. В качестве связующего компонента применяли силикатный клей.

Перед применением шихту просушивали в течение двух часов при температуре
80-100 оС. Поверхность изделия зачищали наждачной бумагой. Пасту приготовляли непосредственно перед процессом нанесения, который осуществлялся при температуре
15-25 оС и нормальной влажности воздуха. Толщина наносимого слоя пасты варьировалась от 0,4 до 2 мм, ширина - от 5 до 7 мм.

В процессе наплавки нанесенная на поверхность изделия паста вспучивалась, в отдельных случаях вплоть до полного отделения. Получить качественный наплавленный слой с равномерной выпуклостью не удавалось. Горение дуги было неустойчивым со значительным разбрызгиванием пасты, которая успела расплавиться. Прокалка пасты при температуре 160-180 оС перед наплавкой позволила устранить данный недостаток и получить наплавочную пасту, устойчивую к интенсивному нагреву теплом горящей дуги. Нанесенный слой пасты не менял своих габаритных размеров и не отделялся от поверхности изделия. Шов формировался ровный, без шлаковой корки, с шириной 6-7 мм, глубиной проплавления до 1,5 мм, высотой выпуклости до 1 мм.

При наплавке клей полностью выгорал, не оказывая влияния на химический состав наплавленного металла. Количество силикатного клея в пасте определялось экспериментально. Оптимальным является соотношение 20% клея и 80% металлического порошка. Добавление в пасту менее 18% клея приводит к слабому сцеплению частиц порошка между собой и с поверхностью изделия. Превышение 23% клея приводит к высокой жидкотекучести пасты и сложности её нанесения на поверхности изделия требуемой высоты.

Измерение твердости показало, что первый вариант пасты обеспечивал твердость 52-55 HRC, второй вариант - 56-61 HRC. Разница составила в среднем 10% (благодаря модификации и структурным изменениям металла наплавленного слоя).

Металлографические исследования структуры металла наплавленных швов при увеличении х250 на оптическом микроскопе не выявили принципиальных отличий в структуре металла, наблюдалась схожесть между собой формы и размеров зерен двух наплавленных швов.

Отличие проявилось в ширине наплавленного шва, которая составила 6 и 7 мм для первого и второго вариантов наплавочной пасты соответственно. Также было определено увеличение зоны термического влияния на 2-3 мм. В первом случае она составила 10,5-11 мм, во втором - 13-14 мм. На наш взгляд, применение мелкодисперсных механически легированных порошков приводит к интенсивным экзотермическим реакциям в столбе дуги и жидкой сварочной ванне.

Существенное отличие в структуре металла было выявлено по границам зерен при рассмотрении образцов металла с увеличением х3000 на электронном сканирующем микроскопе. Результаты данных исследований структуры наплавленного шва показали, что при использовании первого варианта пасты (шов №1) размер зерна составил 10-18 мкм, а при наплавке со вторым вариантом пасты (шов №2мкм. При исследовании микроструктуры (рис. 2) отчетливо видна разница в структуре границ зерна. В шве №2 появилась более раздробленная структура с меньшим количеством крупных однородных образований, ширина участка границ зерна увеличилась в 1,5- 2 раза и достигла 5 мкм.

а)	б)
Рис. 2. Микроструктура наплавленного шва, выполненного: а - с металлическим порошком без механического легирования; б - с металлическим порошком, подвергнутым механическому легированию

Исследования химического состава наплавленного шва, проведенные при помощи спектрального анализа, позволили установить среднее содержание легирующих элементов. В первом шве Si - 1,1%, Cr – 2,5%, Mn – 1,4%, остальное - железо. Во втором шве
Si – 0,95%, Cr – 0,8%, Mn – 1,3%, остальное - железо.

При определении химического состава по границам зёрен в обоих швах (в наиболее крупных образованиях, расположенных по границам зерен) наблюдалось резкое увеличение содержания Si и Cr по отношению к телу зерна. Четкой закономерности установить не удалось. В отдельных случаях содержание Si и Cr было в 2-5 раз больше. Отличия по содержанию Mn не установлено.

Таким образом, применение механического легирования к шихтовым материалам, используемым при изготовлении наплавочных паст, позволило повысить твердость наплавленного слоя и повлиять на процессы структурообразования по границам зерен, приводящие к измельчению структуры.

Список литературы

1. Походня, и разработка ИЭС им. в области электродуговой сварки и наплавки порошковой проволоки / , , // Автоматическая сварка№12. - С. 34-42.

2. Куликов, и оборудование сварки плавлением и термической резки: учеб. пособие /
. - Минск: Экоперспектива, 20с.

3. Якубович, механически легированных порошков в качестве легирующих добавок при дуговой наплавке / // Материалы Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии». - Могилев, 2010. - С. 267.

4. Ловшенко, механически легированные материалы на основе металлов / , , . - Могилев: БРУ, 20с.

5. Пат. 1909781 ФРГ, МКИ В 22 1/00. Metallpulver und Verfahren zu seiner Herstellung / Benjamin J. S. (ФРГ).- заявл. 01.03.68; опубл. 07.06.71.

6. Benjamin, J. S. Mechanical alloying / J. S. Benjamin // Scientific American№5. - Р.40-48.

7.Фудзивара, М. Тенденции в разработке дисперсно-упрочненных оксидами сплавов на основе Fe / М. Фудзивара // Metals and TechnolVol.62. - №5. - С.16-20.

8. Размол порошковых компонентов карбидостали и их смеси в аттриторе / [и др.] // Порошковая металлургия№5-6. - С. 5-11.

9. Перспективные технологии / под ред. . - Витебск: ВГТУ, 2011. – 599 с.

10. Кузнецов, и наноматериалы в сварочном производстве / , // Сварочное производство№12. - С. 23-26.

11. Теория сварочных процессов: учеб. для вузов / , , ; под ред. . - М.: Изд-во МГТУ им. , 20с.

12. Ловшенко, и технологические основы создания порошковых механически легированных алюминиевых и медных материалов: автореф. дис. … д-ра техн. наук / . – Минск, 1998. – 44 с.

Материал поступил в редколлегию 19.04.12.