Изностойкий наплавленный металл

Особенности строения и свойства износостойких наплавленных слое в.

Наплавка рабочих поверхностей изделий твердосплавными покрытиями разного состава и строения производится, как правило, в целях повышения сопротивляемости абразивному изнашиванию. Наносят такие покрытия чаще всего методами ручной и механизированной дуговой, плазменно-дуговой и, реже, газо-плазменной наплавкой. Твердосплавные покрытия обычно представляют собой высокоуглеродистые сплавы на основе железа, по составу и строению они близки к инструментальным сталям и чугунам. Реже применяют материалы с невысоким содержанием углерода 0,4-0,7%.

В последние годы в целях повышения износостойкости стали применять сплавы на николевой основе для поверхностного армирования методами плазменного и газоплазменного напыления.

Условия воздействия на металл абразивной среды и разрушение его металлической поверхности предопределяют необходимый состав, микростроение, фазовое состояние и свойства наплавленного металла. В зависимости от размеров и свойств абразивных частиц, а также характера воздействия абразива на поверхность металла (трение по монолитному абразиву, трение по сыпучему абразиву, ударно-абразивное изнашивание и др) разрушение металла может быть связано с внедрением в него абразива и последующим процессом микрорезания или процессом деформирования, наклепа и разрушения наклепанного металла. Многократное воздействие на поверхность абразива способно вызвать усталостное разрушение.

Для противодействия такому воздействию абразивной среды металл должен иметь твердую составляющую, например, карбиды, бориды, карбобориды, карбонитриды, интерметаллиды, а в ряде случаев эти функции в определенной степени может выполнять мартенсит. Твердые частицы карбидов и других соединений должны прочно удерживаться матрицей – основой металла. Однако, матрица должна не только хорошо удерживать твердые частицы, но и вносить свой вклад в обеспечение противодействия абразиву и повышения износостойкости. Такую функцию может выполнять мартенсит. В свою очередь, свойства мартенситной матрицы будут зависеть от содержания углерода. Низкоуглеродистый мартенсит имеет пониженную износостойкость, но благодаря боле высокой по сравнению с высокоуглеродистым мартенситом вязкости будет лучше удерживать включения твердых частиц. Тем самым обеспечивать сопротивление ударным нагрузкам, характерным при ударно-абразивном изнашивании. С другой стороны, с повышением углерода в мартенсите, будет повышаться износостойкость при трении.

После высокого отпуска закаленных сталей структурное состояние их характеризуется ферритной матрицей и карбидами. Повышение содержания углерода в стали в этом случае является показателем увеличения количества карбидной фазы. Износостойкость ферритной матрицы существенно ниже, чем мартенситной, особенно при ударно-абразивном изнашивании, где большое значение имеет сопротивление материала ударному внедрению в металл абразива. Увеличение количества карбидов более эффективно влияет на износостойкость при трении по абразиву и менее эффективно при ударно-абразивном изнашивании.

Кроме мартенсита и феррита, матрицами износостойкого наплавленнного металла могут быть аустенит и ледебурит. Аустенитная матрица имеет ряд преимуществ перед ферритной. Прежде всего аустенит характеризуется более высокими вязкостью и прочностью, чем феррит. С одной стороны, это способствует улучшению удержания твердых частиц карбидов и других выделений, а с другой – общему повышению износостойкости, особенно при ударно-абразивном изнашивании. Кроме того, аустенит может быть полностью или частично нестабильным и претерпевать превращение в мартенсит при пластической деформации, сопровождающей процесс изнашивания, что приведет к дополнительному повышению износостойкости как при трении по абразиву, особенно при повышенном давлении на абразив, так и при ударно-абразивном изнашивании.

Для износостойкого наплавленного металла особенно благоприятно, когда при изнашивании имеющийся в матрице аустенит частично сохраняется, а частично превращается в мартенсит (30-50%). Это позволяет при сохранении вязкости сплава повысить его износостойкость.

Ледебурит может быть матрицей в высокоуглеродистом легированном наплавленном металле. Назвать ледебурит матрицей можно условно, так как он содержит значительное количество феррита, мартенсита или аустенита.

Таким образом, по структурно-фазовому составу они могут быть (рис. 33):

Мартенситными (М);

Мартенсито-карбидными (М+К);

Феррито-карбидными (Ф+К);

Аустенито-карбидными (А+К);

Ледебуритно-карбидными (Л+К);

Со смешанными матрицами, состоящими из М+А; М+Ф; А+Л;М+Л.

Учитывая, что наплавленный металл используется в работе чаще всего без термической обработки, его структурно-фазовое состояние и износостойкость определяются главным образом содержанием углерода и легирующих элементов.

Структурное состояние износостойкого наплавленного металла определяется его составом. Однако влияние может оказать и технология наплавки (тепловой режим процесса). Увеличение погонной энергии при наплавке, увеличение силы сварочного тока, уменьшение скорости перемещения наплавочного электрода приводит к увеличению длительности существования сварочной ванны и уменьшению скорости охлаждения металла. Такие условия приводят к увеличению размеров кристаллизующихся фаз, например первичных карбидов. В связи с этим условия ведения процесса наплавки должны быть жестко регламентированы во избежание ухудшения свойств наплавленного металла.

Рис. 33.Характерные микроструктуры износостойкого наплавленного металла

а) –мартенситно-карбидная; б)аустенитно-карбидная; в –ледебуритно-карбидная;

г) ледебуритно-аустенитная

Роль легирования износостойкого наплавленного металла.

Как уже было отмечено, износостойкий наплавленный металл является высокоуглеродистым. Введение в этот высокоуглеродистый сплав легирующих элементов оказывает двоякое действие. С одной стороны, карбидообразующие элементы участвуют в образовании карбидной и карбонитридной фазы. Ряд элементов образуют бориды, карбобориды. С другой стороны, легирующие элементы влияют на свойства матрицы. Так как элементы смещают все критические точки эвтектоидного и эвтектического превращения влево, тодаже при меньшей концентрации углерода возможно образование чугунов. Поэтому легирование может обеспечить получение мартенситной, аустенитной и ледебуритной матрицы.

Влияние легирующих элементов на износостойкость в результате изменения природы карбидной фазы или других твердых частиц связано с изменением их твердости и сопротивления разрушению.

Значение твердости карбидов для стойкости против изнашивания связано с условиями взаимодействия их с частицами абразива. Чем выше твердость карбидов, тем сильнее они будут противодействовать вдавливанию и соответственно будут менее глубокими царапины. В таблице приведены значения твердости различных соединений.

Таблица.7

соединение	Fe2C Cr2C2 WC W2C VC Mo2C TiC NbC CrB2
Твердость, МПа	10500 12500 17500 30000 21000 16000 32000 20500 18000
соединение	W2B5 VB2 Zr2B2 TiB2 B4C кварц корунд
Твердость, МПа	26600 20800 22500 33700 50000 10000 23000

При воздействии абразивных частиц на твердые составляющие сплавы (карбиды, бориды и др.) большое значение имеют свойства матрицы. С ростом прочности матрицы будут повышаться ее сопротивление изнашиванию при трении по абразиву. С другой стороны, чем прочнее матрица, тем сильнее будет сопротивляться вдавливанию карбида под действием давящих на него абразивных частиц. Такое значение матрицы будет возрастать с ростом давления абразива на поверхность металла.

Наиболее стойкими при отсутствии ударов являются спеченный карбид вольфрама (релит) и боросодержащие высокоуглеродистые сплавы.(120Х7В13Р).

Наилучшим образом сохраняют износостойкость при значительном повышении энергии удара вплоть до 24 КДж вольфрамсодержащие сплавы (13-15% W) с умеренным содержанием углерода (0,9-1,6%С). Безвольфрамовые сплавы с таким же содержанием углерода хуже сохраняют износостойкость при увеличении энергии удара.

Сплавы 320Х25С2ГР, 320Х23С2ГРТ, 320Х15Г3Р имеют ледебуритную матрицу, что является дополнительным объяснением их низкой ударостойкости и высокой износостойкости при отсутствии ударов. Наилучшую ударостойкость и износостойкость обеспечивает аустенитно-мартенситная матрица с карбидами вольфрама сплавов 30Х4В17Ф, 130Х14В13Ф2.

Помимо карбидообразующих элементов и бора, в износостойкий наплавленный металл вводят некарбидообразующие никель и кремний. Никель вводят обычно немного для повышения вязкости феррита или аустенита и повышения устойчивости матрицы против действия ударных нагрузок. Кремний в износостойком наплавленном металле упрочняет матрицу и тем самым позволяет повысить износостойкость сплава при отсутствии ударных нагрузок.

Дата добавления: 2014-01-07