В. Б.
Литвиненко-Арьков, Г. Н. Соколов, А. В. Букин
Волгоградский
государственный технический университет, Россия
Влияние нанопорошка карбонитрида титана на структуру и свойства
термостойкого наплавленного металла
Жаропрочные сплавы на основе железа, использующиеся
для наплавки инструмента, испытывающего циклическое температурно-силовое
воздействие, преимущественно имеют структуру легированного мартенсита с
равномерно распределенной упрочняющей фазой [1]. Невысокая пластичность при
рабочих температурах такого типа наплавленного металла обуславливает в ряде
случаев его недостаточную стойкость к термической усталости. Более высокой
стойкостью к образованию трещин термической усталости обладают сплавы с аустенитно-мартенситной
структурой [2].
Необходимые значения жаропрочности и стойкости
к термической усталости наплавленного металла можно обеспечить при увеличении
содержания в его матрице дисперсной фазы и модифицировании структуры [3].
Целью исследования является установление
влияния тугоплавкого нанопорошка карбонитрида TiCN, введенного в состав наполнителя порошковых проволок,
на структуру и свойства аустенитно-мартенситного наплавленного металла.
В качестве базового химического состава
экспериментальных образцов наплавленных сплавов использовали сталь 10Х15Н4АМ3
(ВНС-5, ЭП310), легированную азотом и обладающую высокими прочностью и
вязкостью, а также низкой чувствительностью к концентраторам напряжений.
Для наплавки изготавливали порошковые
проволоки с диаметром 2,6 мм и коэффициентом заполнения шихтой 46-47 %. Для
легирования наплавленного металла азотом в шихту проволок вводили порошок
азотированного хрома (ТУ 0840-024-21600649-2009), содержащего до 16 масс.%
азота.
С целью равномерного распределения
наночастиц TiCN в шихте проволоки использовали
композиционный микропорошок, изготовленный в ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН [4]. Он
состоял из частиц никеля размером 40-60 мкм в количестве 70 % (масс.) с
внедренными в них наночастицами TiCN с размером
менее 100 нм в количестве 30 % (масс.).
Наплавку экспериментальных образцов
металла на пластины из стали ст3пс производили дуговым способом колеблющимся
электродом в среде аргона при следующих параметрах режима: сварочный ток
(постоянный, полярность
обратная) – 220-250 А, напряжение на дуге – 25-27 В, скорость поперечных перемещений
электрода – 4,2 см/с, размах колебаний электрода – 25-30 мм, скорость наплавки
– 0,2-0,3 см/с, вылет электрода – 35…40 мм, расход аргона – 15…18 л/мин.
Получали бездефектный наплавленный металл
толщиной 4-5 мм с долей участия металла основы 32-35%, содержащий, масс.%:
углерод 0,15…0,20; хром 14,5…15,0; никель 4,0…4,5; молибден 2,5…2,8; титан
0,01…0,12; азот 0,16…0,18.
Стойкость наплавленного металла к
пластической деформации при высоких (до 950 ˚C) температурах оценивали по результатам склерометрических
испытаний образцов, нагретых проходящим током в атмосфере аргона. Критерием
стойкости металла к деформированию служила величина I, обратная объему металла, выдавленного из трека индентором
Роквелла при скрайбировании полированной поверхности на участке длиной 10 мм [5].
Измерение профиля каждого трека производили в пяти сечениях с использованием
сканирующего зондового микроскопа Solver Pro.
Металлографические исследования
производили методами дюрометрии и микроскопии с использованием светового микроскопа
Axiovert 40MAT. Химический
состав наплавленного металла контролировали оптико-эмиссионным спектрометром PMI-Master
Pro.
Установлено,
что при содержании частиц TiCN в проволоках свыше 0,2 масс.% реализуется эффект модифицирования
структуры наплавленного металла, выраженный в резком уменьшении среднего
размера зерна в 2-2,5 раза (рис. 1, а,
б). Можно предположить, что частицы
карбонитрида титана, обладающие высокой термодинамической стабильностью,
подвергаясь незначительному растворению в металлическом расплаве, переходят в
сварочную ванну, воздействуя на кинетику кристаллизации наплавленного металла
(рис. 1 и 2).
Рис. 1 – Микроструктуры
наплавленного металла 650×: а –
в исходном состоянии; б – при 0,4 масс.% TiCN; в – при
содержании в проволоке порошков титана, графита и азотированного хрома в
эквивалентном для получения TiCN соотношении.
Исследованиями
структур показано, что повышенное (более 0,5 масс.%) содержание нанодисперсного
порошка TiCN в шихте проволоки приводит к формированию в
модифицированной структуре наплавленного металла сравнительно крупных (до 2
мкм) включений карбонитрида титана. Такие включения имеют естественную природу и
их происхождение обусловлено расплавлением наиболее мелких (менее 30 нм) частиц
нанодисперсного порошка, температура плавления которых может быть менее 2400˚C [6]. Этот процесс вероятно протекает на
стадии плавления и переноса электродного металла, когда температура капель
достигает 2500 ˚C.
Известно,
что наличие в структуре металла крупных (более 2 мкм) включений карбонитрида
титана, может рассматриваться как формирование концентраторов напряжений существенно
снижающих его усталостную прочность. Поэтому содержание исходного нанодисперсного
порошка в шихте проволоки следует ограничивать в пределах 0,5 масс.%.
Склерометрические испытания образцов в диапазоне температур 750-950
˚С показали, что металл, наплавленный проволоками, содержащими нанодисперсный
порошок карбонитрида титана, обладает повышенным сопротивлением к пластической
деформации. Причем с увеличением содержания нанодисперсного порошка в проволоке
это сопротивление возрастает, что обусловлено ростом количества дисперсной
нитридной фазы и измельчением зерна (рис. 3, кривые 1, 2 и 3). При увеличении
количества нанодисперсных частиц в проволоке более 0,5 масс.% наблюдается снижение
сопротивления высокотемпературному деформированию наплавленного металла (рис.
3, кривая 4), что может быть вызвано чрезмерным укрупнением части карбонитридов
и снижением их вклада в дисперсионное упрочнение матрицы.
а б
Рис. 2 – Зависимость
среднего размера зерна от содержания нанопорошка TiCN (а)
и смеси порошков Ti+N+C в стехиометрическом соотношении (б) в шихте проволоки.
Рис. 3 – Зависимость показателя сопротивления
наплавленного металла пластической деформации I от температуры испытаний: 1 – исходный состав наплавленного
металла без наночастиц TiCN; 2, 3, 4 – 0,2, 0,4 и 0,6 масс.% нанопорошка TiCN в наплавочных проволоках соответственно;
5 – сплав DualHard W/A DN-S (03Х13Н5К2АМВФСГ); 6 – сталь 20ХН4ФА.
Выводы: Установлено,
что при введении 0,2-0,5 масс.%
нанопорошка TiCN в шихту порошковых проволок,
происходит 2-2,5 кратное измельчение зерна наплавленного металла. Содержание в
наплавленном металле нано- и микродисперсных частиц TiCN обеспечивает его повышенную стойкость к пластическому
деформированию при высоких (750-950˚C) температурах.
Литература:
1. Соколов, Г. Н. Наплавка износостойких сплавов на прессовые штампы и инструмент для горячего деформирования сталей: монография / Г. Н. Соколов, В. И. Лысак; ВолгГТУ. – Волгоград, 2005. – 284 с.
2. Микаэлян, Г. С. Порошковая проволока для наплавки металла с повышенным сопротивлением усталости / Г. С. Микаэлян, В. Г. Васильев, Т. А. Корниенко // Оборудование и материалы для наплавки: Сб. науч. тр. – Киев: ИЭС им. Е. О. Патона. – 1990. – 124 с.
3. Артемьев, А. А. Влияние микрочастиц диборида титана и наночастиц карбонитрида титана на структуру и свойства наплавленного металла / А. А. Артемьев, Г. Н. Соколов, В. И. Лысак // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2011. – № 12. – С. 32-37.
4. Самохин, А. В. Плазмохимические процессы создания нанодисперсных порошковых материалов / А. В. Самохин, Н. В. Алексеев, Ю. В. Цветков // Химия высоких энергий. – 2006. – Т. 40. – №. 2. – С. 120-126.
5. Лебедев, Е. И. Исследование высокотемпературных
свойств наплавленного металла методом склерометрии / Е. И. Лебедев, Г. Н.
Соколов, И. В. Зорин, В. И. Лысак, С. Н. Цурихин // Упрочняющие технологии и
покрытия. – 2006. – № 1. – С. 40-44.
6. Григоров, И. Г. О зависимости температуры плавления нанодисперсного карбонитрида титана от радиуса частиц / И. Г. Григоров, Ю. Г. Зайнулин // Преспективные материалы. – 2007. – № 6. – С. 60-63.
Работа
выполнена при финансовой поддержке государственного контракта Минобрнауки №
16.740.11.0017.