Перспективные направления в повышении износостойкости материалов

Наплавочные материалы

Первые наплавочные материалы, обеспечившие получение в наплавленном металле метастабильного аустенита, созданы под руководством М.И. Разикова на основе кавитацонностойкой стали 30Х10Г10, предложенной И.Н. Богачевым и Р.И. Минцем. Были разработаны электроды УПИ 30Х10Г10 и порошковая проволока ПП-30Х11Г12Т. Наряду с высокими эксплуатационными свойствами, им присущ ряд недостатков: трудная обрабатываемость резанием наплавленного металла, недостаточная коррозионная стойкость и сопротивление абразивному изнашиванию, что ограничивает применение этих наплавочных материалов.

В данной работе обобщены результаты исследований по созданию более технологичных наплавочных материалов, в том числе обладающих повышенной абразивной стойкостью. В ПГТУ разработана порошковая лента ПЛ-Нп-15Х13АГ10МФС, которая показала высокую эффективность при наплавке деталей, работающих в условиях контактного нагружения. Она была внедрена для восстановления крановых колес, плунжеров гидропрессов и цапф сталеразливочных ковшей. Наплавленный этой лентой металл имеет улучшенную обрабатываемость резанием, что достигнуто снижением содержания углерода и повышением стабильности аустенита по отношению к деформационному мартенситному превращению за счет увеличения степени легирования хромом и марганцем. Показано, что термообработка, включающая низкотемпературный отжиг при 600-650 ^оС, обычно проводимая после наплавки для снятия внутренних напряжений, уменьшает стабильность аустенита к деформационному мартенситному превращению, и за счет этого повышает износостойкость на 30-40 % при трении скольжения и качения.

Известно, что наиболее однородные свойства наплавленного металла удается получить при использовании электродной проволоки сплошного сечения. В связи с этим в совместной работе кафедры материаловедения ПГТУ с институтом «УКРНИИСПЕЦСТАЛЬ» была разработана проволока Нп-14Х14Г12Ф Ш 4 мм. Проведены исследования свойств металла, наплавленного этой проволокой под флюсами Ан-348 и АН-26. Наплавку выполняли на режимах: сварочный ток 450-500 А, напряжение дуги 30-32 В, скорость наплавки 25-35 м/ч. Химический состав и механические свойства наплавленного металла приведены в табл. 7 и 8.

Испытания на износ проводились в условиях сухого трения на машине МИ-1М по схеме колодкаролик. Ролик 46 мм и толщиной 10 мм изготавливался из стали 50 твердостью 320 НВ. Испытуемые образцы наплавленного металла имели размеры 10 х 10 х 25 мм. Скорость вращения ролика составляла 425 об/мин, скорость скольжения - 0,98 м/с, нагрузка - 100 МПа. Эталоном сравнения служила отожженная сталь 50. Результаты определения относительной износостойкости после испытания в течение 15 мин представлены на рис. 3.

Таблица 7. Химический состав металла, наплавленного Нп-14Х14Г12Ф

Таблица 8. Механические свойства металла, наплавленного Нп-14Х14Г12Ф

Рисунок 3. Относительная износостойкость металла, наплавленного различными материалами

Детали, наплавленные проволокой Нп-14Х14Г12Ф под флюсом АН-26, количество мартенсита в структуре увеличилось с 5 (состояние после наплавки) до 60 % на (поверхности износа). При использовании АН-348 после наплавки количество мартенсита было ~ 30 %, а после износа оно возрастало до ~ 70 %. Более высокая износостойкость наплавленного металла в первом случае объясняется оптимальной интенсивностью деформационного мартенситного превращения, обеспечивающего не только требуемое упрочнение поверхности, но и одновременную релаксацию напряжений, что позволяет большую долю внешнего воздействия расходовать на реализацию превращения, а не на разрушение. Использование для наплавки флюса АН-26 является более целесообразным, чем АН-348, так как обеспечивает более высокий уровень механических свойств (табл. 7.8) и износостойкости наплавленного металла, а также лучшую отделяемость шлаковой корки.

В ПГТУ разработана наплавочная порошковая лента ПЛ-Нп-20Г15САФ. Она более экономична по сравнению с рассмотренными выше на Fe-Сr-Mn-C основе. Так же, как и они, ПЛ-Нп-20Г15САФ обеспечивает получение в наплавленном металле структуры метастабильного аустенита. Сравнительные испытания в условиях трения качения и трения скольжения показали, что по износостойкости металл, наплавленный лентой ПЛ-Нп-20Г15САФ, значительно превосходит 30ХГСА. ПЛ-Нп-20Г15САФ показала высокую эффективность при наплавке крановых колес. Учитывая, что стоимость ванадия в последнее время сильно возросла разработана порошковая лента ПЛ-Нп-14Х13Г12СТ. Износостойкость металла, наплавленного ей, такая же, как при использовании рассмотренных выше порошковых лент, содержащих ванадий.

Промышленностью выпускаются различные варианты наплавочных материалов с эффектом самозакалки, близких по составу к ранее разработанным: проволоки сплошного сечения - Нп-30Х10Г10Т (ГОСТ 10543-82), НП-25Х10Г10Т (ТУ 433-142-71); порошковые проволоки - ПП-Нп-12Х12Г12СФ (ПП-35НЖ ГОСТ 26101-84); ПП-Нп-20Х9Г9Т (ПП-ЗСМ-110), Нп-20Х10Г10Т (ВЕЛТЕК-Н285), ПП-Нп-25Х10Г10Т (ПП-ПМ31), ПП-Нп-20Х12Г12М3 (ПП-АН 167), ПП-Нп-12Х12Г12АФСЮР (ПП-ЗСМ-131), Нп-30Г14Х14НМФ (ВЕЛТЕК-Н230); порошковая лента - ПЛ-Нп-20Х10Г10Т (ПЛ-АН 184).

Важным направлением, позволяющим реализовать в полной мере преимущества структур с метастабильным аустенитом, является восстановление и упрочнение деталей, подвергающихся износу в сочетании с сильными ударами. Данные условия работы характерны для треф валков и муфт прокатных станов, крестовин железнодорожных и трамвайных путей, деталей автосцепки вагонов, молотков, ковшей драг, зубьев землеройных машин и др. Наиболее широко для работы в этих условиях применяются литые детали из стали 110Г13Л. Ее повышенная износостойкость реализуется при больших статических и динамических нагрузках, вызывающих сильный наклеп. При отсутствии такого нагружения поверхностный слой деталей не упрочняется и изнашивается абразивом подобно углеродистой стали. Наплавка обычно выполняется для ремонта изношенных литых деталей, что позволяет продлить срок их службы и получить значительный экономический эффект. Однако, получение наплавленного металла, соответствующего по составу стали 110Г13Л, связано с серьезными технологическими трудностями, так как она склонна к охрупчиванию при перегреве или медленном охлаждении. Эффективным приемом, позволяющим повысить трещиностойкость наплавленного металла, является уменьшение в нем содержания углерода. Сохранение высокой износостойкости при этом обеспечивается за счет реализации деформационного мартенситного превращения при оптимальной интенсивности его развития.

В ДонНТУ разработан наплавочный материал 70Г7Х4Н2М. При его использовании получаемый в структуре наплавленного металла аустенит метастабилен. Исследование рентгенографическим методом изношенной поверхности показало, что в исходной аустенитной структуре образуется до 20 % мартенсита деформации. Использование 70Г7Х4Н2М для электрошлаковой наплавки черпаков драг обеспечило повышение их долговечность на 20 % по сравнению со сталью 110Г13Л.

В УПИ разработана порошковая проволока ПП-Нп-30Х8Г8СТ, обеспечивающая высокую износостойкость в условиях контактно-ударного нагружения. В структуре наплавленного металла наряду с метастабильным аустенитом содержится 20-30 % мартенсита. Внедрение данной проволоки на Каменск-Уральском заводе ОЦМ позволило повысить долговечность наплавленных деталей в 2-7 раз (шпиндели прокатных станов, ролики правильных машин, крестовины пересечения трамвайных путей и др.).

Для работы в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания применяются обычно наплавочные материалы, обеспечивающие получение в структуре наплавленного слоя значительного количества твердых фаз (карбидов, боридов и др.). Однако их присутствие, хотя и является необходимым, но недостаточным условием высокой износостойкости. Увеличение их количества сверх оптимального для данных условий изнашивания приводит к охрупчиванию и быстрому разрушению рабочей поверхности. При этом важную роль играет структура металлической матрицы сплавов, в частности, присутствие аустенита. В литературе приводятся противоречивые данные относительно его оптимального содержания. Одной из причин этого является то, что в подавляющем большинстве случаев при разработке износостойких сплавов используется лишь качественная оценка условий, в которых они эксплуатируются. Это затрудняет рациональный выбор наплавочного материала для конкретных условий работы. И.В. Петровым предложено для характеристики различных условий изнашивания использовать коэффициент динамичности (Кд). В ПГТУ с учетом Кд изучена износостойкость наплавленного металла систем Fe-Cr-Mn-C и Fe-Cr-Mn-V-C с различными соотношениями упрочняющих фаз и метастабильного аустенита в структуре. Исследования выполнялись методом планирования эксперимента для различных значений Кд в интервале от 1,2 до 3,5, что соответствует условиям испытаний, варьируемым от абразивного изнашивания практически без ударов, до изнашивания с очень интенсивной ударной нагрузкой. Содержание легирующих элементов в наплавленном металле изменялось в следующих пределах: углерод 1-3 %, хром 6-12 %, марганец 2-6 %. Также изучались свойства наплавленного металла, дополнительно легированного ванадием в количестве ~ 3 %. При малых коэффициентах динамичности (Кд = 1,2-1,4) наибольшая износостойкость была получена в наплавленном металле следующего химического состава: 2-2,5 % С, ~ 12 % Cr, 2-3 % Mn. Его твердость составляла 45-50 HRC. Структура наплавленного металла преимущественно мартенситно-карбидная, количество остаточного аустенита составляет 25-30 %. В данных условиях ударно-абразивного воздействия легирование наплавленного металла ванадием в количестве до 3 % при одновременном увеличении содержания углерода до 2,5-3,0 % повышает износостойкость на 10-15 %. С увеличением интенсивности ударно-абразивного воздействия, и ростом Кд в наплавленном металле следует уменьшать содержание углерода и увеличивать количество марганца. Так при Кд = 3,5 оптимальным является следующее содержание легирующих элементов: 1,0-1,7 % С, 5-6 % Mn, ~ 12 % Cr. Твердость наплавленного металла ~ 40 HRC. Структура преимущественно аустенитная при суммарном количестве мартенсита и карбидов менее 40 %. В данных условиях ударно-абразивного воздействия легирование ванадием не эффективно, поскольку не обеспечивает увеличения износостойкости.

Для различных вариантов интенсивности ударно-абразивного изнашивания, характеризуемых Кд, были разработаны порошковые ленты: ПЛ-Нп-230Х12Г2 и ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3 при Кд = 1,2-1,4; ПЛ-Нп-200Х12Г2 при Кд = 1,7-2,0; ПЛ-Нп-160Х12Г5 и ПЛ-Нп-100Х6Г4 при Кд = 3,5; а также ПЛ-Нп-200Х12Г5 для более широкого диапазона Кд = 1,4-3,5. Наплавку, разработанными порошковыми лентами сечением 18 х 4 мм, проводят под флюсом АН-26 на режимах: сила тока I = 600-700 А, напряжение U = 28-32 В, скорость наплавки V = 35-40 м/ч. Указанные ленты отличаются хорошими наплавочно-технологическими характеристиками. Порошковая лента ПЛ-Нп-160Х12Г5 прошла промышленное опробование и была внедрена для восстановления плит щековых дробилок, что позволило повысить долговечность деталей в 1,5 раза по сравнению с изготовленными из стали 110Г13Л.

После наплавки структура и фазовый состав могут отличаться от оптимальных (в частности, для обеспечения технологичности). В этом случае эффективным способом их регулирования является нормализация, а ее режимы должны выбираться с учетом интенсивности ударно-абразивного воздействия. Изучалось влияние температуры нагрева при нормализации, которая варьировалась от 800 до 1100 ^оС (время выдержки 20 мин.), на свойства металла, наплавленного порошковыми лентами ПЛ-Нп-200Х12Г5 и ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3. Было показано, что с увеличением интенсивности ударно-абразивного воздействия необходимо использовать более высокие температуры нагрева при нормализации с целью увеличения количества аустенита в структуре, а также степени его стабильности за счет дополнительного легирования при растворении части карбидов. В условиях абразивного изнашивания Кд = 1,2-1,4 повышение износостойкости наплавленного металла обеспечивает нормализация со сравнительно невысоких температур (~ 800 ^оС). При большой интенсивности ударного воздействия (Кд = 2,0-3,5) наиболее высокую износостойкость обеспечивает нормализация с высоких температур (~ 1100 ^оС). При этом в структуре преобладает аустенит (> 70 %), имеющий повышенную стабильность по отношению к деформационному мартенситному превращению. С увеличением количества мартенсита и карбидов в структуре при данных условиях испытаний износостойкость снижается. При Кд = 3,5 после нормализации металл, наплавленный ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3, имеет такую же ударно-абразивную износостойкость, как и наплавленный ПЛ-Нп-200Х12Г5, не содержащей ванадий. Использование нормализации затрудняется возможными поводками наплавленных деталей и окислением поверхностей при наличии посадочных мест, крепежных отверстий и т.д.

При наплавке высокоуглеродистых износостойких сплавов обычно имеет место образование трещин. Эффективным технологическим приемом, позволяющим избежать этого и вместе с тем получить метастабильный аустенит с различным количеством упрочняющих фаз в наплавленном металле, является наплавка низкоуглеродистыми легированными сплавами с их последующей химико-термической и термической обработкой. Использование этого приема позволяет восстановить наплавкой геометрические размеры изношенных деталей без образования трещин, а обработками - получить в структуре наплавленного металла метастабильный аустенит и реализовать эффект самозакалки при эксплуатации. При абразивном изнашивании наплавленного металла типа 30Х10Г10 наибольшая износостойкость получена поле цементации и закалки с 1000 ^оС. Этому соответствовало получение в структуре наряду с мартенситом и карбидами метастабильного аустенита (> 50 %), интенсивно превращающегося в мартенсит под воздействием абразивных частиц. При этом прирост мартенсита деформации составлял ~ 40 %. Положительный эффект в увеличении износостойкости оказывает и динамическое старение с выделением карбидов на изнашиваемой поверхности.

В Украинской иженерно-педагогической академии разработаны износостойкие наплавочные материалы с повышенной долей карбидов титана, обладающие высоким сопротивлением образованию холодных трещин при наплавке и технологичностью. Одним из примеров является порошковая проволока ПП-Нп-100Х8Г8Т4С2 (при соотношении Ti/C 4 титан связывает углерод в дисперсные карбиды TiC, равномерно распределенные в матрице). Структура наплавленного металла представляет собой низкоуглеродистый метастабильный хромомарганцевый аустенит, армированный карбидами титана.

Приведенные данные показывают большую эффективность применения наплавочных материалов, обеспечивающих эффект самозакалки, для повышения долговечности деталей машин, что является важным для решения проблемы ресурсосбережения.

Перспективные направления в создании износостойких материалов

Новым перспективным направлением является разработка высокопрочных низкоуглеродистых марганцовистых (4-12 % Mn) сталей, подвергаемых цементации. В этом случае структура метастабильного аустенита обеспечивается в поверхностном слое, сердцевина же имеет структуру мартенсита и остаточного аустенита. Примером таких сталей являются: 08ХГ4МФ, 10Х2Г7, 10Х2Г6ФТ, 08ХГ10Ф, 10Г12Ф. Они обладают высоким уровнем механических свойств сердцевины и повышенной износостойкостью при больших контактных нагрузках.

В ряде случаев используют низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения: ТВЧ, плазменной, электронно-лучевой или лазерной обработки. Новым подходом является получение в их структуре метастабильного аустенита и реализация деформационных фазовых превращений в процессе изнашивания в поверхностном слое для повышения их износостойкости. В частности, это может быть реализовано цементацией и последующей закалкой с температур, обеспечивающих получение наряду с мартенситом и карбидами оптимального для конкретных условий изнашивания количества остаточного аустенита и степени его стабильности.

В износостойких чугунах часто используется два принципа:

1) Принцип Шарпи, согласно которому создается структура, в которой чередуется мягкая и твердая структурные составляющие. При этом твердые частицы должны быть отделены друг от друга мягкой фазой.

2) Принцип инверсии структуры термической обработкой, заключающийся в преобразовании в матричной фазе включений, а именно: в раздроблении розеток и сфероидов и получении изолированных частиц.

Инвертирование структуры можно производить нормализацией при 950-1150 С в зависимости от типа карбидной фазы. Структура чугунов после данной термообработки представляет собой мартенсит, специальные карбиды и остаточный аустенит. Чаще всего используются доэвтектические и эвтектические чугуны (2-3,8 % С), т.к. они менее хрупки. Инвертированная структура имеет место в чугунах, содержащих 2-2,4 % С, 6-7 %V. Учитывая высокую стоимость ванадия, его частично заменяют хромом. Дополнительно такие чугуны имеют полностью аустенитную, структуру, что достигается их дополнительным легированием 6-8 % Mn. Износостойкими являются также чугуны: ЧХ5, ЧХ15М2, 270Х21Н2, ЧХ15Г4ТЮ (разработан профессором, д.т.н. А.П. Чейляхом), ЧГ30С2. Их применяют для изготовления футеровочных плит, лопаток дробеметов, желобов рудных течек. Износостойкость их в 2-3 раза выше, чем из стали 110Г13Л. Важную роль в них играет получение в структуре оптимального для конкретных условий изнашивания количества и стабильности аустенита.

Необходимо отметить, что деформационные фазовые превращения в сталях и чугунах с метастабильным аустенитом должны регулироваться в зависимости от условий изнашивания.

Очень важным средством снижения износа трущихся поверхностей является использование смазки (жидкой, твердой и газообразной). Установлен эффект самовосстановления деталей за счет введения в смазку меди и ее солей, которые осаждаются на контактных поверхностях и обеспечивают процесс самовосстановления.

Вопросы для самопроверки

Что такое изнашивание, износ? Какие существуют виды и закономерности изнашивания?

Какие стали и чугуны применяются для работы в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания?

Какова роль метастабильного аустенита в повышении сопротивления изнашиванию?

Каковы современные направления в создании и термообработке износостойких материалов, а также в предотвращении износа взаимодействующих в парах трения материалов?

Перечень ссылок

износостойкий материал сплав металлоподобный

1. Малинов Л.С. Повышение износостойкости сталей и чугунов за счет получения в их структуре метастабильного аустенита и реализации эффекта самозакалки при нагружении / Л.С. Малинов // Металл и литье Украины. - 2004. - № 7. - С. 24-28.

2. Малинов Л.С. Повышение абразивной износостойкости цементированных сталей 18ХГТ и 12ХН3А / Л.С. Малинов, Е.Л. Малинова, Е.Я. Харланова // Металлы. - 1993. - № 2.- С. 108-111.

3. Чейлях А.П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А.П. Чейлях. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. - 212 с.

4. Малинов Л.С. Ресурсосберегающие экономнолегированные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие эффект самозакалки / Л.С. Малинов, В.Л. Малинов. - Мариуполь: Рената, 2009. - 568 с.

5. Материалы триботехнического назначения: учебное пособие / В.Г. Ефременко, Ю.Г. Чабак. - Мариуполь: ПГТУ, 2015. - 245 с.

6. Малинов Л.С. Инновационные экономнолегированные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие в структуре метастабильный аустенит самозакалку при охлаждении и/или нагружении: учебное пособие. / Л.С. Малинов, В.Л. Малинов. - Мариуполь: ПГТУ, 2014. - 157 с.

Размещено на Allbest.ru