УДК 625.08

ТВЕРДОСТЬ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Копенов Бахтияр Темербекович – КазАТК им М.Тынышбева, Алматы, РК

Экспериментально установлено, что режим наплавки существенно не влияет на изменение значений твердости наплавленного металла. Установлено, что твердость нанесенного металла при многоэлектродной наплавке выше, чем при одноэлектродной. При этом распределение ее с поверхности вглубь и по ширине наплавленного металла более равномерно, чем при одноэлектродной. Разброс твердости при многоэлектродной наплавке не превышает HV20-30, а при одноэлектродной составляет HV40-60. Это объясняется тем, что при многоэлектродной наплавке достигается большая стабильность химического состава, чем при одноэлектродной /1/.

Микроструктура стали Ст.3 состоит из мелких зерен перлита и феррита с размером соответствующим 8 баллу.

Микроструктура образцов из сталей Ст.25Л и Ст.35ГЛ (основной металл звена гусеницы экскаватора Э-652) представляет собой крупные зерна перлита и феррита с неравномерным распределением, характерным для литых сталей.

Микроструктура образцов из стали Ст.45 состоит из сорбитообразного перлита и сетки феррита, расположенной по границам зерен. Размер действительного зерна феррита соответствует 4 баллу по ГОСТу 5639-65.

Микроструктура опорного катка экскаватора Э-652, изготавливаемого из стали Ст.45 характерна для прокатной стали и состоит из зерен перлита и вытянутых зерен феррита. Размер зерна феррита соответствует 7 баллу.

Структура металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-У25XI7T-0, подобна белому доэвтектическому чугуну и состоит из зерен аустенита дендритной формы и ледебуритной эвтектики. Эвтектика содержит продукты распада аустенита и карбидную фазу, состоящую из железнохромистых карбидов. В соответствии с уровнем легирования наплавленного металла (Cr/C>5) в аустените преобладают карбиды хрома типа Cr23 C6. В матрице наплавки имеются также карбиды титана. Микротвердость аустенита составляет Hм395, а карбидов хрома – в пределах I200-I400. Граница сплавления наплавленного металла порошковой проволокой ПП-У25XI7T-0 со сталями принятых образцов и деталей резко выражена. Это объясняется высоким содержанием углерода в наплавленном металле.

Структура металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-ГI3H4-0 состоит из аустенита. Микротвердость аустенита составляет 260МПа. Структура металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-ТН250 состоит из зерен феррита и перлита. Зерна феррита содержат дисперсные карбиды титана вследствие чего микротвердость феррита выше, чем в малоуглеродистых сталях и составляет 2I0 МПа. Структура металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-ТН500 представляет собой троостит с включениями хрома по границам зерен. Микротвердость троостита 645 МПа. Для всех исследованных микроструктур характерно, что зерна структурных составляющих как наплавленного, так и основного металла по краям валика мельче, чем в его средней части. Это обусловлено интенсивным теплоотводом по краям сварочной ванны при наплавке. Полученные микроструктуры наплавленного металла порошковыми проволоками ПП-У25XI7T-0, ПП-ГI3H4-0, ПП-ТН250 и ПП-ТН500 при многоэлектродной наплавке подобны микроструктурам, полученным другими авторами при одноэлектродной наплавке указанными порошковыми проволоками. Сравнение полученных микроструктур наплавленного металла показало, что микроструктура первого слоя при многоэлектродной наплавке тождественна структуре 3-4 слоя, получаемого при одноэлектродной наплавке.

Изучалось влияние режима наплавки на структуру: наплавленного металла, зоны сплавления и основного металла в зоне термического влияния. Остальные параметры режима наплавки поддерживались постоянными: n=4, Ug=28-32в, Vн=8,6 м/час, δ=35 мм /2/.

Выявлено, что при многоэлектродной наплавке на низких значениях сварочного тока J≤400а в наплавленном металле преобладают зерна легированного аустенита, имеющие преимущественно дендритную ориентацию; в зоне сплавления наблюдаются мартенситные участки, проникающие в отдельных местах в наплавленный металл. Микротвердость мартенсита 740-780 МПа.

Образование мартенсита объясняется высокой скоростью охлаждения при наплавке на низких значениях сварочного тока: структура основного металла в зоне термического влияния значительно науглерожена и состоит из сорбитообразного перлита глубиною до 5,5 мм в средней части валика с постепенным переходом к исходной феррито-перлитной структуре основного металла. Вследствие образования в зоне сплавления хрупких закалочных структур в науглероженной зоне основного металла появляются трещины. Глубина науглероженной зоны по краям валика составляет 0,2-0,3 мм, что на 90-95% меньше, чем в средней части.

Науглероживание основного металла происходит, очевидно, в твердом состоянии при температуре выше Ас3, когда основной и наплавленный металл имеют аустенитную структуру. В этом состоянии благодаря высокой скорости диффузии углерода может происходить некоторое выравнивание его концентрации в аустените основного металла и наплавки. Так как углерода в аустените наплавленного металла содержится больше, чем в основном металле, диффузия идет из наплавленного металла в основной тем быстрее, чем больше разница в концентрациях углерода.

С увеличением сварочного тока до 500-540 ампер зерна легированного аустенита становятся крупнее и не имеют ярко выраженного дендритного строения, характерного для малых токов. Науглероженность зоны термического влияния значительно меньше. У границы сплавления на глубине I,0-I,5 мм структура основного металла состоит из сорбитообразного перлита и крупной разорванной сетки феррита. Размер действительного зерна феррита соответствует I баллу. По мере удаления от границы сплавления количество феррита увеличивается, а размер зерна уменьшается до 7-3 балла. На границе сплавления образуется аустенитная полоска размером 0,035 мм с микротвердостью 38I МПа и отдельные мартенситные участки.

При сварочном токе свыше 620 ампер по всей границе сплавления наблюдается узкая нетравящаяся мартенситная полоска с микротвердостью 7I7 МПа. Появление мартенситной полосы, по-видимому, вызвано обеднением металла легирующими элементами за счет разбавления и перехода в основной металл. Структура основного металла в зоне термического влияния аналогична предыдущему режиму (J=500-540ампер).

Наличие узкой мартенситной полосы является крайне неблагоприятным, так как снижается прочность сцепления наплавленного металла с основным, что может привести к отслаиванию покрытия.Отмеченное явление (наличие мартенситных участков) не наблюдается при наплавке порошковой проволокой ПП-У25XI7T-0 на стали Ст.3 и Ст.25Л.

Очевидно, что на границе сплавления наплавленного и основного металла образуется аустенитная полоса с микротвердостью Нм380. Ширина полосы зависит от режима наплавки. Так, при режиме: n=5, J=700-720a, Ug=36-38в ширина аустенитной полосы равна 0,025 мм; при n=4, J=540-560aмпер, Ug=30-34в – 0,075 мм. При наплавке на сталь Ст.3 в зоне оплавления при указанном режиме имеется участок перегрева основного металла, незначительная науглероженная зона и ориентация зерен феррита по видманштемту. При наплавке на сталь Ст.25Л в зоне сплавления образуется игольчатый перлит и сетки феррита с размером зерна соответствуют I баллу. Влияние тока на структуру металла исследовалось также для порошковой проволоки ПП-ТН250. При повышение сварочного тока до 700 ампер выявляется резкая граница сплавления наплавленного металла с основным. В наплавленном металле вблизи границы сплавления, причем неблагоприятные структуры отсутствуют. Микротвердость легированного феррита составляет также 200-210 МПа.

При повышении сварочного тока до 700 а выявляется резкая граница сплавления наплавленного металла с основным .

В наплавленном металле вблизи границы сплавления образуется игольчатая мартенситная структура с микротвердостью 412 МПа, причем иглы мартенсита распространяются вглубь наплавленного металла. По мере удаления от границы сплавления структура наплавленного металла представляет собой основную феррито-перлитную структуру. Основной металл у границы сплавления имеет видманштеттовую ориентацию.

Влияние напряжения на дуге на структуру металла исследовалось при наплавке порошковой проволокой ПП-ТН250 на сталь Ст.3.

При этом другие параметры были следующие: τ =500-540 а, Vн=8,6 м/час, δ= 35мм α =45°, n=4.

В отдельных участках зоны термического влияния также образуется крупнозернистая структура.

Исследование влияния Uд на структуру металла исследовалось при наплавке порошковой проволокой ПП-ТН250 на сталь Ст.3. Скорость наплавки изменялась от 5,4 до 13,0 м/час. Изменение скорости наплавки не вызывает структурной неоднородности, наблюдается плавный переход от наплавленного металла к основному. Однако выявлено, что повышение Vн приводит к уменьшению зерен структурных составляющих. Износостойкость на изнашивание на машине НК подвергались образцы, изготовленные из металла, направленного порошковыми проволоками одно- и многоэлектродным способом. В качестве эталона (ξ=I) приняты образцы, изготовленные из оттоженой стали Ст.45 с твердостью HV 180. Из типичного характера износа поверхности эталонного образца видно, что поверхность шаржирована зернами абразива. На всей поверхности имеются следы вдавленных ямок. Риски, ориентированные вдоль направления трения, отсутствуют. На задней грани образца имеется наплыв, представляющий собой пластический деформированный металл.

Проволочными экспериментами установлено, что для испытанных наплавочных материалов наблюдается повышение относительной износостойкости при многоэлектродной наплавке на 10-15%. Это объясняется повышенным содержанием легирующих элементов в наплавленном металле при многоэлектродной наплавке и большей твердостью, чем при одноэлектродной.

Наибольшую относительную износостойкость (ξ=2,2 при n=4, ξ=1,8 при n=I) имеет металл, наплавленный порошковой проволокой ПП-ТН500. легирующие элементы порошковой проволоки выбраны в таком соотношении, что структура наплавленного металла имеет матрицу, состоящую из продуктов распада аустенита, и дисперсные карбиды хрома по границам зерен.

Как показали исследования, наплавленный металл с такой структурой отвечает требованиям, предъявленным к сплавам, обладающим повышенным сопротивлением абразивному износу.

Изучение изношенной поверхности образца, наплавленного ПП-ТН500, позволило обнаружить глубокие риски параллельные между собой и ориентированные в направлении трения.

Протяженность рисок равна ширине изнашиваемой поверхности. Появление рисок равно ширине изнашиваемой поверхности. Появление рисок обусловлено многократной пластической деформацией наплавленного слоя при контакте с абразивом. На поверхности видны также отдельные прерывистые углубления от внедрения зерен абразива и многочисленные тонкие царапины, ориентированные в направлении движения образца. Можно предположить, что процесс изнашивания характеризуется как пластическими деформациями, так и микрорезанием. Такой механизм износа обусловлен в значительной мере влиянием отношения твердости абразива к твердости испытуемого материала.

Металл, наплавленный порошковой проволокой ПП-У25XI7Т-0, также имеет высокую относительную износостойкость (ξ=1,8 при n=4 ξ=1,6 при n=1). Наплавленный металл является доэвтектическим сплавом, относящимся к системе легирования C-Cτ – Tί.

Высокое значение относительной износостойкости объясняется повышенным содержанием углерода (до 1,8%) и наличием карбидной фазы. Основываясь на результатах исследований, изложенных в работе /5/, можно предположить, что на износостойкость сплавов с высоким содержанием углерода и хрома, большее влияние оказывает углерод.

Относительная износостойкость металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-У26ХI7Т-0, определялась Ю.А.Юзвенко /4/ и В.М.Кражковым путем испытания на машине Х4-Б. Полученная величина ξ=2,2, выше в 1,2 раза, чем в наших опытах. Это различие обусловлено разным механизмом изнашивания на машинах НК и Х4-Б. меньшее значение ξ при испытании на машине НК, чем на Х4-Б было раннее установлено М.М.Хрущевым и М.А.Бабиченым при исследовании ряда структурно неоднородных наплавок.

На изношенной поверхности испытанного ПП-У25ХI7Т-0, имеются прерывистые риски, вмятины и неровности без четкой ориентации. на задней грани образца обнаружены незначительные заусенцы, представляющие собой деформированный металл, наплавленного порошковой проволокой ПП-ГI3Н4-0 (ξ=1,3 при n=4, ξ=1,15 при n=I), объясняется тем, что при испытании на машине НК отсутствуют ударные нагрузки и не реализуется эффект упрочения марганцовистого аустенита от наклепа.

На поверхности трения образцов имеются следы вдавливания, оттеснения, ямки и риски. Вдавливание и оттеснение обусловлены, видимо, пластической деформацией, а ямки и риски возникают соответственно от перекатывания и проскальзывания зерен абразива.

В предельно наклепанном состоянии твердость стали СТ.ГIЗЛ может увеличиться почти в 4 раза образующийся весьма твердый поверхностный слой хорошо сопротивляется истиранию, тогда как сохранившаяся вязкая аустенитная сердцевина успешно противостоит ударным нагрузкам. Поэтому, как показали исследования, аустенитная марганцовистая сталь может оказаться оптимальной для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания с нагрузками высокой динамичности. К числу таких деталей относятся, например зубья ковшей экскаватора.

Для образцов, наплавленных порошковыми проволоками ПП-ТН250 и ПП-ТН350, получены соответственно следующие значения относительной износостойкости: при n=4 ξ=1,2 и ξ=1,5; при n=I и ξ= 1,3. структура металла, наплавленного этими проволоками, феррито-перлитная. Однако при наплавке порошковой проволокой ПП-ТН350, имеющей в составе феррохром, наплавленный слой легируется хромом в количестве до 0,2-0,4% /9/.

Этим объясняется более высокая твердость и относительная износостойкость наплавки ПП-ТН350.

Вид износа образцов, наплавленных ПП-ТН250 и ПП-ТН350, примерно одинаков. На поверхности трения наблюдается отдельные не глубокие риски, равномерно расположенные по всей ширине, также ямки от многократной пластической деформации при внедрении абразива.

Анализ полученных результатов показывает, что на изношенной поверхности наплавленных образцов с твердостью более НV 350 имеются глубокие риски вдоль направления трения /3/. Приведенные результаты хорошо согласуются с исследованными М.М.Хрущевым и М.А.Габичевым /4/ закономерностями изнашивания при трении чистого железа (HV110) и стали XI2ФI (HV700) о прослойку кварцевого песка. Круглые кварцевые зерна частично шаржируют поверхность образцов, имеющих небольшую твердость (HV 350) или маржируют медь и изнашивают образцы, имеющие высокую твердость.

Результаты измерения относительной износостойкости и твердости наплавленного металла порошковыми проволоками свидетельствуют о том, что для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания с умеренными ударами, следует применять наплавку порошковыми проволоками ПП-У25XI7Т-0, ПП-ТН500 и ПП-ГIH4-0. Указанные порошковые проволоки целесообразно применять для наплавки следующих деталей строительных машин: звенья гусениц, опорные катки, поддерживающие ролики, ведущие и ведомые колеса гусеничного хода экскаваторов и бульдозеров, а также режущие элементы рабочего оборудования.

Как показано металлографическое исследование, при наплавке порошковой проволоки ПП-У25ХIТ-0 применение сварочного тока более 650а не желательно из-за появления хрупких структур в зоне сплавления /мартенситные полосы/.

Для наплавки деталей, требующих последующей механической обработки, следует применять порошковые проволоки ПП-ТН250 и ПП-ТН350. к числу таких деталей относятся, например ступицы ведущего колеса бульдозера Д-27I, ролики автокрана К-5I и другие детали.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волжин Г.Н., Ровках С.Е., Вердников В.Г. Восстановление изношенных деталей строительных машин, М., Стройиздат, 1968, 138 с.

2. Петров И.В., Домбровская И.К. Повышение долговечности рабочих органов дорожных машин наплавкой. М., “Транспорт”, 1970, 321 с.

3. Копенов Т.Ж. Исследование технологических параметров режима многоэлектродной наплавки применительно к восстановлению изношенных деталей строительных и дорожных машин. М., Кандидатская диссертация, 1971, 295 с.

4. Рейш А.К., Соколов А.В. Долговечность опорных элементов пневмоколесных экскаваторов. М., Стройиздат, 1976, 71с.

5. Рейш А.К. Повышение износостойкости строительных и дорожных машин. М.: Машиностроение, 1986, 184с.