Исследование физико-механических свойств и структуры наплавленного металла после различных технологических режимов нанесения покрытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время проблема срока службы деталей машин и агрегатов, их долговечности и надежности приобрела весьма большое значение. Срок службы быстроизнашивающихся деталей определяет рентабельность многих дорогостоящих машин. Незапланированные остановки оборудования для замены изношенных деталей новыми приводят к существенным потерям материалов, труда, финансовых ресурсов, связанных со снижением качества продукции, нарушением ритмичности процесса производства, необходимостью в специальном ремонтном персонале. Все это является причиной колоссальных непроизводственных затрат, которые снижают эффективность народного хозяйства. Современные тенденции интенсификации производственных процессов, увеличения рабочих давлений, скоростей, температуры приводят к ускорению изнашивания деталей, и в сочетании с необходимостью автоматизации производства, делают проблему повышения долговечности быстроизнашиваемых узлов машин ещё более острой.

Только четкие представления о свойствах, контролирующих способность сталей и сплавов к сопротивлению их рабочего слоя разрушению в процессе изнашивания, помогут сформулировать требования к износостойким материалам и выработать конкретные меры, обеспечивающие работоспособность деталей и увеличение срока их службы. По результатам исследования износостойкости материалов в технической литературе имеется много публикаций. В большинстве из них содержатся сведения о конкретных материалах, изучаемых в конкретных условиях эксплуатации. Поэтому публикуемые данные, справедливые только для ограниченных обстоятельств, оказываются часто противоречивы. Одни и те же сплавы, проявляющие высокую износостойкость в одних условиях, оказывают слабую сопротивляемость изнашиванию в других.

Попытки создать износостойкий материал без одновременного учёта всех параметров характеристики изнашивающей среды и внешних условий изнашивания в лучшем случае дают частное решение, пригодное только для одной конкретной детали. Это обстоятельство является причиной больших расхождений в оценке износостойкости практически одинаковых по составу и свойствам материалов, исследованных независимыми авторами, применительно к разным деталям.

Применение износостойких твёрдосплавных покрытий (наплавок) из высокоуглеродистых сплавов на основе железа, по составу близких к инструментальным сталям, является одним из весьма эффективных способов повышения сопротивления абразивному изнашиванию на рабочих трущихся поверхностях изделий. Однако, вопросы целесообразного выбора наплавочных материалов в зависимости от условий службы деталей, как и вопросы технологических методов наплавки, не получили ещё достаточного освещения. Наплавочных сплавов известно очень много, и представляет практический интерес сопоставление их свойств при одинаковых условиях испытания на абразивное изнашивание, которое является главным фактором ограничивавшим сроки службы машин различного назначения.

Стойкость в работе, успешность и эффективность применения твердосплавного покрытия определяются его химическим составом и структурой. Получить наплавочные материалы, наиболее рациональные по этим двум параметрам и весьма экономичные по использованию легирующих элементов, можно на основании систематических исследований влияния химического состава и структурного состояния сплава на свойства наплавленного металла и, прежде всего, на его сопротивление абразивному изнашиванию. Изучение влияния легирования на свойства наплавленного металла не даёт нужного эффекта, если в качестве основного фактора связи между составом и свойствами не будет принято структурное и фазовое состояние сплава. Сопротивление абразивному изнашиванию определяется состоянием, природой и свойствами двух основных составляющих любого сплава: наиболее твёрдой составляющей - карбидами (их составом, кристаллическим строением, твёрдостью и др.), и основой сплава - матрицей, в которой эти карбиды расположены (её составом, кристаллическим строением, отклонением от равновесного состояния и пр.). Исследование связи этих двух составляющих с легированием наплавленного металла, а также влияние каждой из них на сопротивление абразивному изнашиванию позволяет определить условия рационального легирования износостойких покрытий различного назначения.

Анализ работ показал, что оптимальные служебные характеристики лопаток асфальтосмесителей (высокая износостойкость в сочетании с необходимой эксплуатационной приемлемостью) обеспечиваются при наплавке рабочей поверхности лопатки порошковыми проволоками и наплавочными электродами, содержащими в своём составе в определённых соотношениях углерод, хром, бор, кремний и ванадий.

На основе научных результатов разработаны новые износостойкие сплавы, технология и режимы их нанесения, обеспечивающие более высокую работоспособность рабочих органов оборудования по сравнению со стандартными сплавами, ранее применявшимися для изготовления этих деталей. Разработки существенно повышают эффективность, надёжность и ресурс работы оборудования.

Поэтому данная работа была посвящена исследованию физико-механических свойств и структуры наплавленного металла после различных технологических режимов нанесения покрытия.

1. Повышение износостойкости наплавочных материалов за счет их структурно- фазового состояния

1.1 Изнашивание

Процесс изнашивания охватывает совокупность сложных явлений, происходящих при взаимодействии поверхностных слоев металла с изнашивающей средой в определенных условиях температуры и давления. Все компоненты этого процесса, включающие и металл, и изнашивающую среду, и внешние условия, при которых изнашивание осуществляется, взаимно связаны и каждый из них оказывает определенное влияние на конечный результат - процесс изнашивания и величину износа. Поэтому весьма важно найти пути оптимизации этих параметров, обеспечивающих применительно к процессу изнашивания получение наименьшей величины износа и, следовательно, увеличение срока службы, как отдельных деталей, так и машин и аппаратов в целом.

Наиболее полно проблема изнашивания металлов и сплавов может быть решена при её использовании в комплексе, включающем:

1) Характеристику изнашивающей среды;

2) Внешние условия изнашивания давление, температура, характер силового и коррозионного воздействия;

3) Состав, структура и свойства изнашиваемого материала.

Попытки создать износостойкий материал без одновременного учёта всех параметров характеристики изнашивающей среды и внешних условий изнашивания в лучшем случае дают частное решение, пригодное только для одной конкретной детали. Это обстоятельство является причиной больших расхождений в оценке износостойкости практически одинаковых по составу и свойствам материалов, исследованных независимыми авторами, применительно к разным деталям.

Повышение износостойкости деталей машин возможно на основе достоверной информации о механизме разрушения металлов абразивными телами, знания процессов, происходящих в изнашиваемом слое под воздействием абразивов.

Изучение характера этих процессов и оценка их удельного вклада в сопротивляемость изнашиванию позволяет определить те свойства сплава, которые в набольшей мере контролируют его способность противостоять разрушению при взаимодействии с абразивами и сформулировать требования к составу и структуре износостойкого материала.

За последние годы знания о природе и особенностях механизма изнашивания материалов значительно расширились благодаря применению при исследовании совершенных методик и средств изучения изменений, происходящих в поверхностных слоях изнашиваемого материала, установлению связи между характером взаимодействия твердых тел в зоне контакта и реальным строением поверхностного слоя металла. В любом случае при всех условиях процесс изнашивания осуществляется в соответствии с фундаментальными законами природы, в частности законом сохранения энергии. Для того, чтобы отделить от монолитной детали некоторый микро или макро объем нужно затратить энергию, по крайней мере, равную величине энергии, необходимой для образования двух новых поверхностей соответствующей площади. Изменение внутренней энергии изнашиваемого материала равно величине энергии новых поверхностей, образующихся при разрушении, и энергии, аккумулируемой в металле в виде скрытой энергии деформации при взаимодействии с изнашивающей средой. При этом происходит разрыв межатомных связей, приводящий к отделению одной части кристаллической решётки от другой и образованию новых поверхностей. Эти явления требуют для своего осуществления определённых энергических затрат и могут осуществляться, если металлу сообщено необходимое её количество.

1.2 Виды изнашивания

Изнашивание - основной фактор, ограничивающий срок службы оборудования, работающего в самых различных условиях. Начиная с 1939 года, предложено несколько классификаций видов изнашивания, в каждой из которых абразивное изнашивание выделено в особый вид, имеющий чётко выраженные признаки. Классификация изнашивания может быть произведена по признакам, относящимся к условиям службы деталей или к результату изнашивания-износу или же к явлениям и закономерностям в процессе изнашивания. Типовые условия службы деталей машин, работающих на изнашивание, в классификации, предложенной М.М. Хрущевым, включают в себя:

1) вид тела, изнашивающего деталь;

2) вид трения;

3) вид изнашивания.

Стандартной терминологии в области трения и изнашивания пока нет. Хрущевым М.М. и Бабичевым М.А. в работе [1] предложены следующие определения:

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности материала и его остаточной деформации.

Износ - результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации металла.

Линейный износ - износ, определяемый по уменьшению размера по нормали к поверхности трения.

Скорость изнашивания - отношение величины износа ко времени, в течении которого он возник.

Интенсивность изнашивания - отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объёму выполненной работы.

Относительная износостойкость(е) - безразмерный показатель, характеризующий соотношение абсолютных величин износа двух материалов, из которых один принят за эталон.

Обычно вид изнашивания определяется условиями службы деталей. Однако в ряде случаев одним и тем же внешним условиям эксплуатации могут соответствовать различные виды изнашивания.

По признаку основных явлений, обусловливающих эффект изнашивания, различные его виды можно объединить в следующие три главные группы: механический, молекулярно-механический и коррозионно-механический.

Основную группу механического вида изнашивания составляет абразивное изнашивание, т.е. изнашивание поверхности детали в результате режущего или царапающего действия твёрдых частиц. Механизм этого вида изнашивания заключается в удалении материала с изнашиваемой поверхности либо в виде очень мелкой стружки, либо фрагментов металла выдавленного предварительно по сторонам пластически деформированной царапины, либо в виде дисперсных частиц, хрупко отделяющихся при однократном или многократном воздействии.

Абразивное изнашивание характерно для очень большого числа машин и механизмов, работающих в самых разнообразных условиях, когда рабочие органы оборудования непосредственно соприкасаются добываемыми, транспортируемыми и перерабатываемыми горными породами, режут грунт или почву, а также в случаях, когда твердые частицы, увлекаемые потоком воды, воздуха, газов со значительной скоростью ударяются о металлические детали.

Абразивный износ выделяется в самостоятельный вид и характеризуется как наиболее интенсивный процесс разрушения материалов. [1]

Особенность абразивного изнашивания состоит в том, что прямое разрушение поверхностного слоя металла в каждый данный момент времени составляет незначительную часть от числа контактов абразивных тел с рабочей поверхностью детали. Результат взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью сопровождается сопутствующими процессами - выделением тепла, увеличением плотности дислокаций в рабочем слое, структурными превращениями и т. п..

Усталостное изнашивание осуществляется при повторных достаточно высоких напряжениях испытываемых одним и тем же объёмом материала поверхности, особенно при чередовании знака напряжения. В результате в нём возникают микротрещины, приводящие к местному поверхностному разрушению, выкрашиванию в виде ямок. Этот вид изнашивания проявляется только через некоторый период работы детали. К этому виду изнашивания приводит и малоцикловая усталость, возникающая при повторных пластических деформациях одних и тех же объёмов металла.

Основным видом молекулярно-механического изнашивания является адгезионное изнашивание, заключающееся в "схватывании" металлов при трении в результате переноса металла с одной на другую и вырывания частиц с поверхности одной детали и налипания или наволакивания их на сопряжённую. Это обычно приводит к появлению на поверхности рисок и задиров, заеданию сопряжённых деталей, сопровождаемому повреждением поверхности. В этих случаях проявляется молекулярное взаимодействие между тесно сближенными поверхностями деталей. Необходимое условие для схватывания - это приведение в непосредственное соприкосновение "ювелирных" поверхностей, которые возникают в процессе совместного пластического деформирования.

К разновидности такого вида изнашивания относят и схватывание при нагреве поверхностных участков трущихся тел, что происходит в процессе трения с большими скоростями и значительными удельными давлениями. При этом изнашивание осуществляется за счёт образования металлических связей между трущимися деталями, приведёнными в достаточно тесное соприкосновение до сферы действия межатомных сил. Для этого участки поверхности должны быть, как и в случае "чисто адгезионного" изнашивания, свободны от разного рода плёнок, оксидов и адсорбированных веществ.

Коррозионно-механическое изнашивание - это механическое изнашивание, осложнённое явлениями коррозии. Поверхность металла, вступая во взаимодействие с кислородом воздуха, образует оксидную плёнку, которая в силу её неметаллической природы не способна к схватыванию и в начальный момент изолирует поверхности сопряжённых деталей от тесного соприкосновения. При трении оксидные плёнки постепенно истираются или, отрываясь, удаляются с поверхности контакта. Затем такая плёнка образуется вновь, снова разрушается при трении и таким образом изнашивание представляет собой удаление непрерывно возобновляющихся оксидных плёнок.

Усиление изнашивания при трении происходит в случае наличия агрессивных сред.

Фреттинг - коррозия - особый вид изнашивания мест сопряжённых деталей, находящихся под нагрузкой, возникающей при очень малых повторных относительных перемещений (например, при продольных вибрациях).

Кавитационное изнашивание происходит в потоке жидкости, движущейся с переменной скоростью в закрытом канале, в участках сильно пониженного давления, например, при обтекании препятствий, когда возникают при некоторых условиях местные разрывы сплошности с образованием каверн. Попадая с потоком в область более высокого давления, каверны захлопываются и, если это происходит у поверхности детали, жидкость с большой скоростью ударяется в стенку. Многократные повторные удары жидкости по одному и тому же участку металла (каверны возникают и захлопываются периодически, иногда с большой частотой) приводят через некоторое время к его местному разрушению, образованию углублений.

На практике редко встречаются случаи изнашивания по какому-либо одному из видов, или по другим вариантам классификации, известным из литературы [2, 3]. Обычно изнашивание осуществляется в сложных реальных условиях и по любой из известных классификаций может быть отнесено к нескольким из выделенных видов.

1.3 Износостойкая наплавка

Наиболее универсальным, экономичным и широко применяемым в народном хозяйстве средством восстановления и изготовления деталей машин и механизмов, придания им специальных качеств, способствующих росту износостойкости, является наплавка. Этот процесс представляет собой нанесение на специально подготовленную поверхность изготовляемых или ремонтируемых деталей расплавленного присадочного металла, образующего с поверхностными слоями основного металла сплав с высокими механическими и служебными свойствами. Потребность в наплавочных материалах в качестве покрытий рабочих поверхностей быстроизнашиваемых деталей при их изготовлении, восстановлении и ремонте нарастает с каждым годом во всех областях промышленности.

Наплавка стала наиболее важным и эффективным способом борьбы с износом. Особенно широко наплавка применяется при ремонте и упрочнении новых деталей металлургического оборудования (засыпные аппараты доменных печей, катки мостовых кранов, рабочие органы дробилок, пескометов, валки горячей прокатки, штампы и др.) сельскохозяйственной техники (лемеха плугов, диски борон, лапы культиваторов), дорожных и строительных машин (зубья и ковши экскаваторов, деталей бульдозеров, грейдеров, лопатки и брони асфальтосмесителей и др.) в кирпичном, стекольном, керамическом производствах, изготовление огнеупорных изделий (прессформы, рабочие детали брикетных прессов), рудомелющие агрегаты, на железнодорожном транспорте (колесные пары электровозов и тяговых агрегатов, автосцепок и др.), лесопильной промышленности (зубья рамных пил, коросниматели, машины для приготовления щепы), рабочие поверхности ходовой части машин гусеничного хода, в автомобильном транспорте (клапаны двигателей внутреннего сгорания), в буровой технике (узлы и детали бурильного оборудования и инструмента, шарошки буровых долот, поршневые буровые насосы, трубные системы, по которым прокачивают жидкость или газ с абразивом) и многое другое в иных отраслях народного хозяйства [4].

Масса сплава, наносимого в процессе наплавки, обычно невелика и составляет 2-6 % массы самой детали, что определяет высокую экономическую эффективность наплавки. Наплавка позволяет повысить износостойкость детали в зависимости от наплавочного сплава и условий эксплуатации в 2-10 раз, а в некоторых случаях и более, сэкономить тысячи тонн стали (часто высоколегированной) снизить трудовые затраты и простои при ремонте оборудования. Задача повышения износостойкости и срока службы деталей машин методом наплавки износостойких покрытий стала насущной для современной техники [5].

Чаще всего наплавку применяют как восстановительную операцию начальных формы и размеров детали. Наплавочным материалом может быть как материал упрочняемой детали, так и иной с более высокими механическими и физико-химическими характеристиками. Развитие этого метода упрочнения сводится к поиску более износостойких материалов, чем материал упрочняемой детали. В качестве наплавочных материалов обычно используют легированную сталь. Главные факторы, регламентирующие износостойкость: химический состав наплавленного материала, возможность последующего дополнительного упрочнения, структурная устойчивость наплавленного слоя в условиях температурного воздействия при изнашивании.

Для однотипных условий изнашивания иногда применяют различные наплавочные материалы, поскольку достаточно обоснованных критериев их выбора пока нет [4]. Поэтому наплавочные сплавы выбирают не под определённый вид изнашивания, а под конкретную деталь конкретной машины или оборудования.

Применение наплавочных процессов позволяет многократно восстанавливать изношенные детали оборудования, металлорежущий и штамповый инструмент, а также создавать новые биметаллические конструкции с требуемыми технологическими и эксплутационными свойствами, которые во много раз повышают ресурс работы изделий, значительно сокращают расход конструкционных и легированных инструментальных сталей и снижают трудоёмкость их изготовления. Благодаря этому удаётся достичь многократной экономии материальных, сырьевых, трудовых, топливно-энергетических и финансовых ресурсов за счёт существенного увеличения долговечности быстроизнашиваемых деталей, сокращения расходов на закупку запасных частей и "омертвления" по этой причине части оборотных средств [6].

1.4 Назначение, характеристика состава и микроструктура наплавленного металла

Обычно наплавочные материалы различают по химическому составу и использованию их в той или иной отрасли промышленности. В США [7] наплавочные материалы разделяют в зависимости от химического состава на четыре группы:

1) малолегированные на железной основе (от 2 до 12 % легирующих элементов);

2) высоколегированные на железной основе (от 12 до 50 % легирующих элементов);

3) материалы на основе никеля и кобальта;

4) материалы, содержащие в основном карбиды вольфрама (75 % и выше).

Таблица 1.1 -- Классификация, химический состав и твердость наплавленного металла на основе железа

Наиболее распространённые износостойкие наплавочные материалы включают в себя: аустенитные высокомарганцовистые стали, хромистые стали, карбидные стали класса быстрорежущих, высокохромистые чугуны; хромовольфрамовые теплостойкие стали, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом, никелевые сплавы с хромом и бором, никелевые сплавы с молибденом, карбидные спечённые сплавы и т.д. [8, 4]. Система легирования наплавочных материалов охватывает большой перечень сочетаний: Fе-С-Сr; Fе-С-Мn; Fе-С-W; Fе-С-Сr-Мn; Fе-С-Сr-В; Fе-С-Сr-Ni; Fе-С-Мо; Fе-С-Сr-Мо; Fе-С-Сr-W; Fе-С-Сr-W-V; Fе-С-Сr-W-В и т.д.

Основные структурные составляющие таких сплавов после наплавки: мартенсит (58...60 НRС); аустенит (35...40 НRС); перлит (50 НRС); аустенит и ледебурит (40...50 НRС); ледебурит и карбиды (60... 63 НRС); сорбит (50... 52 НRС) и т.д. Количество углерода и легирующих элементов в наплавочных сплавах обычно колеблется в широких пределах: С- от 0,3 до 4,8 %; Сr - от 2 до 30 %; Мn - от 0,5 до 15 %; W - от 1 до 18 % ; В - от 0,1 до 6 %.

Износостойкость наплавочных материалов существенным образом зависит от типа и количества карбидной фазы в сплавах. Карбиды способствуют также сохранению устойчивости начальной структуры сплава при эксплуатации, осложненной повышенной температурой. Чаще всего упрочняющая фаза в наплавочных сплавах содержит карбиды: Fе₃С; Мn₃С; Сr₇С₃; W₂С; WС; VС; ТiС; В₄С, Мо₂С, и др., а также карбобориды, нитриды, железа и легирующих элементов.

В дорожном строительстве для приготовления битумоминеральных смесей широко используются двухвалковые смесители периодического действия. К одной из наиболее быстроизнашивающихся деталей смесителя относятся лопатки роторов. Исследования [4] показали, что большей износостойкостью в условиях работы лопаток асфальтосмесителей обладают сплавы, имеющие упрочняющую фазу в виде боридных игл.

Величина износа возрастает по мере уменьшения размеров первичных карбидов и увеличения расстояния между ними [9]. Микролегирование и модифицирование при электрошлаковой наплавке обеспечило высокие механические свойства, горячую твёрдость, износостойкость и термическую выносливость металла типа 100ХНМ и 100СХНМ [10].

Для стабилизации твёрдого раствора и изменения карбидной эвтектики наплавленный металл модифицировали феррониобием ФН-1. Структура металла приобрела мелкозернистое строение с мелко раздробленной карбидной эвтектикой, что исключило появление трещин в наплавленном металле [11].

Авторами [12] была поставлена задача - разработать на основе системы легирования Fе-С-Сr-В-Si, не содержащей дорогих легирующих элементов, сплав для защиты ковшей элеваторов. В процессе работы было проведено большое количество лабораторных испытаний различных сплавов (табл.1.2).

Относительную износостойкость определяли как отношение:

, где

L0 - линейный износ образца, мм;

Lэm - линейный износ эталона, мм;

Таблица 1.2 - Относительная износостойкость испытанных материалов

Линейный износ L0, Lэm определяли как среднее арифметическое значение, полученное из 8-10 измерений на рабочей кромке каждого натурного образца. В качестве эталона использовался ковш, изготовленный из стали 45 в отожженном состоянии.

Наплавленный металл, как правило, макронеоднороден, что проявляется в неравномерности его изнашивания в процессе эксплуатации. Исследованию макронеоднородности наплавленного металла посвящалось много работ, в которых использовались спектральный анализ (фрактографический и фотоэлектрический), микрорентгеноспектральный, химический и другие методы анализа металлов [13-16]. Износ поверхностного слоя происходит неравномерно. Причиной этого служит наличие участков наплавленного металла с различной структурой и твёрдостью. Существенно снизить степень неоднородности наплавленного слоя по твёрдости можно посредством предварительного подогрева до температуры, близкой (или несколько превышающей температуру начала мартенситного превращения). В этом случае аустенитная структура сохраняется практически во всём наплавленном слое и последующее превращение происходит более замедленно, что способствует и более равномерному структурообразованию и распределению твёрдости [17]. Неравномерность химического состава наплавленного металла несколько усиливает избирательность процесса изнашивания особенно при взаимодействии с незакреплёнными абразивами, например в условиях работы асфальтосмесителей.

Для условий эксплуатации нефтепромыслового оборудования наиболее пригодны стали аустенитно-мартенситного класса с метастабильным аустенитом. Мартенситное превращение в процессе пластической деформации метастабильного аустенита вызывает дополнительное упрочнение металла [18]. Наиболее широкое применение в промышленности находят электроды, системы легирования углерод-хром-бор обеспечивающие получение в структуре наплавленного металла значительное количество упрочняющей фазы, содержащий бор в карбидах или боридах [8]: Т 590 с 1,5...4,0% углерода, 18,0... 27,0% хрома и 0,5... 1,5% бора; структура наплавленного ими металла, состоит из ледебурита и остаточного аустенита упрочнённых первичными карбидами Ме₇С₃ и боридами Сr₂(В;С).

Для деталей, работающих в условиях абразивного износа при нормальных температурах рекомендуется наплавленный материал следующего состава: С 2,25...4,5%; Si 0,2...0,4%; Мn 0,50...6,0%; Сr 24,0...35,0%, обладающий твёрдостью от 48 до 60 НRС и использующийся для наплавки деталей сельскохозяйственных машин, транспортёров, дробильно-размольного оборудования, бункеров, труб и пневмотранспорта, фрез глинофрезерных машин, валков углеогибочных станов.

Для деталей, эксплуатирующихся в условиях абразивного износа при повышенных температурах используется наплавленный металл состава в зависимости от рабочей температуры. Высокоуглеродистые и высокохромистые сплавы применяются для наплавки деталей, работающих при температуре до 500°С.

Для работы при температурах до 600°С рекомендуется высокоуглеродистый и хромовольфрамовый сплав типа Х10В14, содержащий 3,5...4,0% С; 9...10% Сr; около 14% W. Механическая обработка такого сплава очень затруднена. Поэтому для работы при этой температуре детали, подлежащие механической обработке рекомендуется изготавливать из стали типа 3Х2В8 и Р18 [19]. Детали, подверженные абразивному износу при температурах до 800°С рекомендуется наплавлять твёрдыми сплавами типа стеллитов на основе кобальта (35...55%), содержащие углерод (1...4%), хром (15...45%), вольфрам (10..25%). Аустенитная структура таких сплавов упрочнена карбидами [20]. Стеллиты обладают значительной износостойкостью и прочностью, хорошим сопротивлением коррозии, эрозии и окалино-образованию при значительных температурах.

В композиционных материалах для наплавки деталей узлов трения, работающих на воздухе при температуре 20...1000°С, целесообразно применение карбидов Cr2C2 и ТiС.

В карбидах Сr₃С₂ растворяется 2...2,5% титана, что не снижает их микротвёрдость. Карбид Сr₃С₂ содержит углерода 39..40% ат (12,9... 13,3 мас.%). При увеличении углерода в карбидной составляющей с 12,4 до 13,2% мас.% происходит качественное изменение состава карбидов Сr₂С₂ и Сr₇С₃ до смеси Сr₃С₂ и графита [21].

Существенно отметить, что карбид титана ТiС - сильно затрудняет рост зерна в сплаве, дополнительно способствует увеличению сопротивляемости разрушению рабочей поверхности детали при абразивном воздействии. Сопротивление изнашиванию зависит от отношения в карбиде содержания легирующего элемента к углероду. Износостойкость тем выше, чем больше это соотношение [8]. При отношении титана к углероду ТiС =4 весь титан и углерод связаны в карбид ТiС, который не переходит в твёрдьй раствор; при ТiС >4 избыток титана переходит в раствор, при этом количество карбидов меньше и твёрдость сплава после закалки меньше, чем в первом случае. При ТiС <4, избыток углерода переходит в раствор, а при закалке при температуре выше 1200°С и часть карбида титана также может переходить в раствор.

Таблица 1.3 - Типы и свойства различных карбидов

1.5 Условия изнашивания

В процессе взаимодействия абразивных тел с поверхностью детали работа упругой деформации в местах каждого единичного контакта полностью переходит в теплоту. Хотя контактная температура в локальных объемах может достигать значительных величин, теплота быстро отводится в холодные объемы металла и изнашивающей среды в соответствии с их теплопроводностью. Температура нагрева рабочей поверхности оказывает весьма важное влияние на износостойкость металлов и сплавов. Так например, термическая обработка, закалка высокохромистых сталей типа Х12 с высоких температур, обуславливает получение в структуре большого количества остаточного аустенита (80%). Известно, что остаточный аустенит такого типа в сталях под воздействием внешней нагрузки может превращаться в мартенсит деформации [22]. Характер зависимости мартенсита деформации при изменении напряжений иллюстрируется (рис.1.1). При этом существует некоторая минимальная величина напряжений - Gm, с которой начинается образование мартенсита деформации. Изучение влияния температуры изнашиваемой детали на сопротивление сплавов воздействию изнашивающих сред посвящено достаточно много работ [23,24-32].

Рисунок 1.1 - Мартенситная кривая, характеризующая образование мартенсита деформации

Исследовались как случаи общего нагрева деталей до различных рабочих температур, при которых происходит изнашивание, так и локального нагрева в результате контактного взаимодействия изнашиваемой поверхности с отдельным абразивным зерном. Как показано в исследованиях [23,24] износ деталей при нагреве до температуры начала мартенситных превращений существенно различен. У сталей со стабильной структурой, не чувствительной к упрочнению в процессе изнашивания и сталей с нестабильной структурой, в которой происходят структурные превращения под воздействием абразивных тел.

Установлено, что упрочнение, полнота протекания превращений и износостойкость сплавов с остаточным метастабильным аустенитом в большей мере зависят от температуры испытаний. Так при увеличении температуры от комнатной до 250°С величина удельного износа возрастает в два раза (рис.1.2).

Рисунок 1.2 - Изменение микротвердости (Н₅₀) и содержания остаточного аустенита (А) на рабочей поверхности стали Х12Ф1 в зависимости от температуры изнашивания

Максимальный уровень износостойкости метастабильных сплавов получен при испытании без подогрева, когда упрочнение стали происходит наиболее полно. Явление резкого снижения износостойкости сплавов со структурой остаточного аустенита при увеличении температуры очевидно связано со стабилизацией - фазы и снижением за счет этого упрочнения изнашиваемой поверхности (рис. 1.2, 1.3).

Рисунок 1.3 - Зависимость удельных износов (Дq) и относительной износостойкости (е) стали Х12Ф1 от температуры изнашивания

Для начала образования мартенсита необходимо разность свободных энергий , превышающая затраты на упругую деформацию Y и образование границ раздела S. Пластическая деформация повышает температуру мартенситной точки за счет снижения разности свободных энергий и поэтому превращения могут протекать во время деформации при комнатной температуре [33-42,43]. С повышением температуры изнашивания разность свободных энергий снижается, а устойчивость аустенита возрастает [43]. Рост температуры рабочей поверхности, при неизменных других параметрах изнашивания, повышает устойчивость аустенита и только треть его претерпевает превращения.

Анализ изменений тонкой структуры изношенной поверхности, характеризуемых расширением дифракционных линий, показал, что наиболее высокие степени искажений кристаллической решетки и изменений блочной структуры нестабильного сплава соответствует испытанию без подогрева (рис. 1.4). С ростом температуры испытаний наблюдается уменьшение ширины линий 211-мартенсита и 311-аустенита, которое не может быть связано с релаксацией напряжений второго рода и ростом блоков при температурах до 250°С [34]. Следовательно, высокий уровень микротвердости и искажений решеток и фаз является следствием образования в поверхностных слоях мартенсита деформации, который не просто наследует дефекты деформации аустенита, но и оказывает существенное влияние на состояние тонкой структуры за счет фазового наклепа [44]. С повышением температуры изнашивания возрастает стабильность аустенита и снижается количество мартенсита деформации и как следствие, уменьшается ширина дифракционных линий.

Рисунок 1.4 - Изменение ширины линии (211) б - фазы и аустенита на рабочей поверхности стали Х12Ф1 в зависимости от температуры изнашивания

Отсутствие фазовых превращений у сплава со стабильной структурой в процессе изнашивания при комнатной температуре вызывает незначительные изменения микротвердости и расширение линии (37), которые не изменяются с повышением температуры изнашивания до 250°С, и его износостойкость остается постоянной при изнашивании в диапазоне температур от комнатной до 250°С.

Таким образом, степень упрочнения сплавов с метастабильным аустенитом и их износостойкость по сравнению со стабильными структурами максимальны при изнашивании без подогрева и снижаются с ростом температуры испытаний.

В соответствии с [1] процесс образования мартенсита деформации сопровождается выделением карбидов в поверхностном слое на глубине до 16 мкм, приростом плотности дислокаций на глубине до 50 мкм и образованием остаточных напряжений в поверхности слоя 40 мкм. Эти структурные изменения требуют для своего осуществления значительных затрат энергии.

Одной из наиболее известных упрочняемых в процессе эксплуатации сталей является высокомарганцовистая сталь 110Г13Л, которая нашла широкое применение в различного рода установках для дробления горных пород, строительно-дорожном оборудовании, в механизмах по подготовке шихты в металлургическом и литейном производствах [20].

Упрочнение рабочей поверхности деталей, изготовленных из стали 110Г13Л, в процессе взаимодействия с изнашивающей средой обуславливает значительное повышение износостойкости и срока службы таких деталей, особенно, если рабочие нагрузки являются ударными. Так например, в рабочих слоях бронефутеровок шаровых мельниц изготовленных из нестабильной аустенитной стали образуется в процессе эксплуатации структура мартенсита деформации с твердостью НRС 50-60 на глубину до 2-3,5 мм при сохранении аустенитной структуры в основном сечении отливок. Прочный поверхностный слой обеспечивает высокую износостойкость при абразивном изнашивании, в результате чего долговечность бронеплит увеличивается более чем в 2 раза [45]. Однако не при всех условиях эксплуатации сталь 110Г13Л проявляет способность к упрочнению. Так известно, что сталь 110Г1ЗЛ не является износостойкой при нагреве в интервале температур 400-800°С. Например, в условиях ускоренного процесса производства цемента, применяемые футеровки и перегородки мельниц из стали 110Г13Л эксплуатирующиеся при температуре 180-450°С быстро выходят из строя.

Способность аустенита к превращению в мартенсит деформации зависит от его состава, характера и величины напряжений, создаваемых абразивными телами в локальных объемах поверхности при изнашивания. Мартенсит, в силу его строения и образования, характеризуется наличием большого числа микроскопических и субмикроскопических трещин, которые располагаются чаще всего в местах стыка мартенситных пластин [22].

В связи с этим сам мартенсит слабо сопротивляется разрушающему действию абразивных тел при изнашивании. Известно, что углерод снижает температуру начала превращения. На положении мартенситных точек он влияет гораздо интенсивнее, чем остальные легирующие элементы. Конец мартенситного превращения находится ниже 0?С уже при его содержании в стали выше 0,5-0,6 %. Повышение содержания углерода от 0,2% до 1,2% снижает точку начала мартенситных превращений с 400°С до 160°С, т.е. на 240°С. При введении 1%С, марганец на 45°С, Сr-35°С, V-30°С, Мо-25°С, Ni-26°С, W-10°С, Сu-7°С, Si-0°С, кобальт повышает мартенситную точку на 12°С, А1-18°С (рис.1.6) [22]. Чем больше содержание углерода в твердом растворе, тем эффективнее влияние легирующих элементов на положение мартенситной точки, которое определяется составом аустенита. Карбиды не оказывают влияния на температуру мартенситного превращения и характер мартенситной реакции [22].

Количество образующего мартенсита деформации определяется кривой (рис.1.1) точка Gм которой характеризуют минимальную величину напряжений, вызывающих мартенситное превращения. Образование мартенсита деформации зависит от отношения температур мартенситного интервала и деформации (изнашивание). Степень мартенситного превращения уменьшается с повышением температуры деформации и, при некоторой температуре, деформация аустенита уже не сопровождается образованием мартенсита [22].

В случае, когда мы имеем дело с металлом, обладающим не стабильной структурой, способной к превращениям при изнашивании, то зависимость износостойкости от условий изнашивания (температуры и давления) будет значительно более сложной. Если рабочие температуры агрегата или локальная температура, возникающая в месте контакта в месте с абразивным зерном, ниже температуры мартенситных превращений (см. рис. 1.1 и 1.6), то в процессе эксплуатации под давлением абразивов возможны структурные превращения с образованием мартенсита деформации, приводящие к упрочнению рабочего слоя и износостойкость будет выше, чем у сплавов со стабильной структурой при таком же уровне легированности. Нагрев в процессе изнашивания сплава с нестабильной структурой до температуры выше температуры начала мартенситных превращений (см. рис. 1.5 и 1.6) приведет к обычным структурным превращениям аустенита в феррито-перлитную смесь, не сопровождающихся значительным упрочнением рабочего слоя. Износостойкость материала в этих условиях повышаться не будет.

Рисунок 1.5 - Влияние углерода на температуру начала (М) и конца (Мк) мартенситных превращений

а)

б)

Рисунок 1.6 - Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения в сталях с содержанием углерода 0,6 % (а) и 1,0 % (б)

Лопатки асфальтосмесителя работают в иных условиях температуры и давления. В результате на их рабочей поверхности упрочнения не происходит и износостойкость не увеличивается. В сплаве со стабильной структурой воздействие абразивных частиц при трении вызывает в тонких поверхностных слоях дробление и фрагментацию зерен, искажение кристаллической решетки и т. д., что приводит к упрочнению. Отсутствие в сплавах со стабильной структурой фазовых превращений приводит к тому, что степень упрочнения только за счет деформационного воздействия не достигает высоких значений.

Высокая микротвердость и износостойкость метастабильных аустенитных сплавов, в поверхностных слоях которых происходит глубокие деформационные превращения, являются следствием существенных изменений тонкой структуры, вызванных этими превращениями. С увеличением степени деформации аустенита происходит рост числа плоскостей скольжения, измельчение блоков и зерен. При этом полученные дефекты в процессе деформации аустенита переходят в мартенсит и существенно увеличивая его твердость. Кроме того, происходит дополнительное упрочнение и повышение плотности дислокаций за счет фазового наклепа [46, 47].

1.6 Влияние легирующих элементов на повышение износостойкости

Для увеличения сопротивляемости сплавов абразивному изнашиванию в различных условиях эксплуатации, легирование является одним из наиболее эффективных путей повышения работоспособности деталей и срока их службы. [2,48,49,50,51,52]. Основным легирующим элементом, который определяет износостойкость материала, является углерод. Влияние углерода на сопротивление металла изнашиванию существенно зависит от того, в каком виде он находится в сплаве, связан ли в специальные карбиды или растворён в твёрдом растворе [50,54,55]. Углерод является одним из главных компонентов влияющих на износостойкость сталей и сплавов, хотя в железе растворение его сопровождается уменьшением величины сил межатомной связи в феррите, аустените [20] и мартенсите [64]. С увеличением содержания углерода износ сталей уменьшается, однако только до эвтектоидной точки, дальнейшее его увеличение влечёт за собой снижение сопротивляемости металла абразивному воздействию за счёт ослабляющего влияния сетки карбидов. Высоколегированные, но малоуглеродистые стали обладают меньшей износостойкостью чем менее легированные но содержащие большее количество углерода. Влияние легирующих элементов на износостойкость определяется их взаимоотношением с углеродом. Целесообразность легирования износостойких сплавов во многом определяется содержанием в них углерода, в сочетании с которым эффективность влияния легирующих элементов существенно возрастает. Поэтому повышение концентрации углерода в легированных сплавах увеличивает их износостойкость, т.к. позволяет полнее реализовать возможности легирующих элементов.

С увеличением содержания углерода в стали, растёт коэффициент упрочнения аустенита при деформации, что обусловливается, выделением дисперсных карбидов из аустенита, протеканием процессов взаимодействия атомов углерода с дефектами кристаллического строения и изменением плотности и распределения дислокаций. При этом углерод сильно снижает мартенситную точку и при соответствующем его содержании обуславливает получение матрицы, способной при комнатной температуре к превращениям в процессе изнашивания, с образованием по плоскостям скольжения мелкодисперсных карбидов, что вызывает диссипацию энергии абразивных тел. Кроме того, эти карбиды увеличивают твёрдость и способствуют более равномерному распределению плотности дислокаций в изнашиваемом слое, что значительно повышает энергоёмкость металла, а, следовательно, и сопротивляемость сплавов изнашиванию абразивами.

Значительное повышение твёрдости и износостойкости можно достичь при легировании сплава бором [8,60,61,62]. Обычно бор вводится в конструкционные стали в очень небольших количествах для измельчения зерна и увеличения прокаливаемости. Растворимость бора 0,082% - в феррите, аустените - 0,021%, в карбидах - 40%. Бор образует очень твёрдые карбиды (микротвёрдость В4С - 49,5 ГПа) [20] бориды и карбобориды.

Известно, что бор вызывает повышение твёрдости металла, главным образом за счёт интерметаллидов. Характерно, что исходная твёрдость сплавов, содержащих бор, сохраняется и при повышенных температурах. При содержании бора в наплавленном металле свыше 0,4-0,5% наблюдается резкое уменьшение ударной вязкости и работоспособности. Наличие бора в сталях, имеющих ферритную структуру, сопровождается уменьшением сил межатомных связей и вследствие этого некоторым ослаблением способности металла противостоять абразивному воздействию. Бор, при его содержании в сплаве 0,4-0,5%, заметно повышает износостойкость, но одновременно в 6-9 раз снижает ударную вязкость. На основе анализа влияния бора на строение и свойства износостойких сплавов в работе [8] указывается, что легирование хромистых, хромомарганцевых и хромовольфрамовых сплавов бором в количестве 0,15-0,25% нецелесообразно в связи со значительным уменьшением ударостойкости при относительно малом росте износостойкости. Бор при его большом содержании, достаточно широко используется для повышения износостойкости наплавленного металла. Легирование бором в количестве до 1% применяется в промышленных наплавочных сплавах БХ, КБХ, Н8, а также Т-590, ХР-19, Т-620, КБХ-45. Износостойкость наплавок согласно [8] повышается благодаря появлению твердых боридов и увеличению твердости хромистых карбидов.

Хром - один из базовых легирующих элементов, который широко используется в сплавах с углеродом и бором, существенным образом определяет их износостойкость [8,56,58,60]. Введение хрома в металл, обуславливает увеличение твердости карбидов типа Fе3С [65], повышает силы межатомных связей в кристаллической решётке карбидов [67], способствует образованию боридов, карбидов, карбоборидов [8,55,58,60,63,78,65-68].

Хром применяется для легирования большинства конструкционных, инструментальных, жаропрочных и других сталей и сплавов специального назначения. Известно, что хром, растворяясь в феррите до 30 % и аустените до 13 %, повышает прочностные свойства и твёрдость матрицы сплавов; увеличивает стойкость карбидов типа Fе3С, (в которых он может растворятся свыше 23 %) против коагуляции и задерживает процесс снижения механических свойств при нагреве. Он способствует уменьшению износа прокатных валков режущего инструмента и штампов [70]. Введение хрома в сталь повышает силы межатомных связей в кристаллической решётке карбидов и феррита, однако рост величины этих характеристик отмечается при увеличении содержания хрома только до 8%, а дальнейшее увеличение хрома (до 16 %) не приводит к усилению межатомных связей [64]. При содержании в стали более 1% С и 3,5% хрома образуется сложный карбид (Сг, Fе)7С3 тригональная решётка которого характеризуется параметрами а= 13,89 кХ, С= 4,53 кХ. Твердость такого карбида достигает 14,0 -18,0 ГПа. Железо может замещать в Ме7С3 до 40 % хрома, что влечёт за собой снижение твёрдости карбида. Ме7С3 может растворяться в аустените, однако, в меньшей степени, чем Fе3С. В стали, содержащей углерод (до 1 %), а также Мо или W наряду с Ме7С образуется Ме23С6 твёрдость которого составляет 1000 - 1100 НV. В Ме23С6 до 30 % хрома может замещаться железом, что сопровождается увеличением растворимости карбида в аустените при 950 - 1100°С. В стали типа Х12ВМБФР (0,25 % V, 0,37 % Nb) карбиды хрома типа Ме23С6 растворяются полностью при закалке с температуры 1050°С.

В твёрдом растворе наиболее распространенных наплавочных материалов находится до 50 % хрома от общего его содержания в сплаве. Таким образом, влияние хрома в износостойких материалах может проявляться как за счёт карбидов, так и за счёт изменения свойств матрицы.

По комплексу технико-экономических факторов, которые приобретает сплав, содержащий хром, он является основным легирующим элементом износостойких наплавочных материалов. С целью обеспечения в наплавленном металле благоприятной для повышения износостойкости карбидной фазы, количество хрома должно выбираться в соответствии с содержанием углерода из условия Сr/С > 2% ат. или Сr/С>9% по массе.

Хром способствует блокированию дислокаций, образующихся при мартенситных превращениях, т.к. образует на дислокациях прочные атмосферы из атомов углерода. Хром делает более дисперсными выделяющиеся карбиды, повышает предел прочности стали не только при испытании на растяжение, но и на изгиб и сжатие, а также увеличивает сопротивление различным видам изнашивания, однако по-разному в конкретных условиях.

Хром, стимулируя энергоёмкие процессы в сплавах при изнашивании, наиболее существенно влияет на износостойкость сплавов. Массовая доля хрома в металле определяется из отношения Сr/С, увеличение которого повышает сопротивляемость изнашиванию за счёт образования наиболее твёрдого карбида М₂₃С₆ [8, 68, 69, 70]. Однако по данным работ [64, 72], массовая доля хрома в сплаве более 15-20 % не приводит к повышению износостойкости.

Результаты исследований [8] показывают, что при массовой доле углерода больше 1,5 % и отношении В/С, равного 1,2 в наплавленном металле обычно образуется карбоборид М₂₃(СВ)₆, имеющий меньшую износостойкость, чем карбоборид М₂(ВС), который появляется при массовой доле бора более 2 %. Дальнейшее увеличение количества бора в металле приводит к образованию карбоборида М(ВС). При малой массовой доле бора (до 1,5 %) и высокой массовой доле углерода (около 2,1-2,6 %) преимущественно избыточной фазой является карбид М₇С₃ [8, 60, 69]. Наличие в основе сплава карбидов, боридов и др., обладающих высокой твёрдостью, которая равна или превышает твёрдость абразивных частиц, вносит определяющий вклад в повышение износостойкости материала [48, 67, 61, 66, 69]. Положительное влияние твёрдой фазы связано с полной или частичной потерей абразивными частицами режущих свойств. Кроме этого, вокруг карбидов возникает локальное поле напряжений, которое тормозит перемещение дислокаций, что увеличивает сопротивление пластической деформации и разрушению микрообъёмов металла [50, 65, 69].