18 декабря 2016г.
Ключевые слова: дуговая наплавка, алюминий, сплавы железо-алюминий, аустенитная сталь, интерметаллиды, износостойкость, твердость
Аннотация: Представлены результаты исследований процессов аргонодуговой наплавки сплавов системы железо-алюминий на аустенитные стали. Установлено влияние режимов наплавки на химический состав, структуру и свойства наплавленного металла.
Введение
Интерметаллидные сплавы на основе системы железо-алюминий имеют высокую твердость [1], износостойкость, жаростойкость [2] и могут применяться для наплавки стальных изделий из углеродистых сталей [3,4], работающих при повышенных температурах в условиях абразивного износа. Для изделий из высоколегированных хромоникелевых сталей, работающих в условиях абразивного износа, наплавка покрытий на основе алюминидов железа позволит так же повысить срок их эксплуатации.
Методика проведения эксперимента
Наплавку интерметаллидных покрытий системы железо-алюминий на образцы из высоколегированных хромоникелевых сталей производили на постоянном токе прямой полярности с использованием вольфрамового электрода. Ток дуги при этом составлял I=270А, напряжение на дуге - U=15 В. Скорость подачи присадочной проволоки изменялась в пределах от 0,5 до 2 м/мин. Скорость наплавки при этом оставалась постоянной (0,15 м/мин). Варьирование скоростью подачи присадочной проволоки позволяло формировать наплавленные слои с различным содержанием алюминия и кремния. Для наплавки применялась сварочная проволока Св-АК5. Диаметр присадочных проволок dп/п = 1,2 мм. Присадочная проволока подавалась в хвостовую часть сварочной ванны для уменьшения разбрызгивания и снижения угара алюминия [3]. Наплавка проводилась на пластины из стали 12Х18Н9Т толщиной 14мм. В качестве защитной среды использовали аргон высокой чистоты, расход защитного газа составлял 10-12 л/мин.
Качество наплавленного покрытия определяли методами ВИК, оценивая при этом качество поверхности, стабильность геометрических характеристик наплавляемого валика по всей длине, наличие трещин. Геометрические параметры наплавленных валиков в поперечном сечении измеряли, используя программу Universal Desktop Ruler.
Исследование химического состава наплавленного металла проводились методами растровой электронной микроскопии на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS, Германия) с блоками рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского волнового спектрометра INCA Wave-500.
Твердость наплавленных покрытий определялась по методу Роквелла с применением стационарного универсального твердомера HBRV-187.5.
Износостойкость образцов при абразивном изнашивании определялась при трении о закрепленные абразивные частицы и оценивалась относительной износостойкостью:
ε = Δlэ/Δlм
где Δlэ — линейный износ эталона;
Δlм — линейный износ испытуемого материала.
В качестве эталонов использовали сталь 12Х18Н9Т.
Результаты и обсуждение экспериментов
Исследования показали, что в выбранном диапазоне режимов формируются валики со стабильными геометрическими параметрами. На валиках наплавленных со скоростями 1,5 и 2м/мин наблюдались поперечные трещины.
Геометрические характеристики валиков при заданных режимах изменялись в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1 – Геометрические параметры наплавленных валиков
|
№
|
Скорость подачи
присадочной проволоки, (м/мин)
|
Высота
усиления, (мм)
|
Ширина, (мм)
|
Глубина проплавления,
(мм)
|
|
1
|
0,5
|
0,5
|
13,5
|
3,4
|
|
2
|
1
|
0,8
|
12,5
|
2,4
|
|
3
|
1,5
|
1,5
|
12,1
|
2
|
|
4
|
2
|
2,1
|
10,4
|
1,8
|
Увеличение скорости подачи присадочной проволоки способствовало увеличению высоты валика, снижению ширины валика и глубины проплавления (рис.1).
Рисунок 1 – Зависимость геометрических параметров наплавленных валиков от скорости подачи присадочной проволоки: l - зависимость ширины валика от скорости подачи присадочных проволок; h- зависимость величины усиления валика от скорости подачи присадочных проволок; e- зависимость глубины проплавления от скорости подачи присадочных проволок.
Исследования химического состава наплавленного металла показали, что по сечению валика наблюдается неравномерное содержание алюминия, кремния и других легирующих элементов хромоникелевой стали. Степень неоднородности химического состава увеличивается по мере увеличение скорости подачи присадочной проволоки, что связано с увеличением весового расхода присадочной проволоки и, следовательно, с уменьшением длительности пребывания сварочной ванны в жидком состоянии и увеличением скорости охлаждения металла. Содержание алюминия и кремния уменьшается по высоте валика
и от центра к линии сплавления. Содержание железа
и легирующих элементов стали наоборот увеличивается по высоте валика и от центра к линии сплавления.
Содержание алюминия и кремния при увеличении скорости подачи проволоки увеличивалось вследствие увеличения весового расхода присадочной проволоки (рис.2)
Металлографический анализ наплавленных валиков показал, что структура металла
практически однородная и однофазная (рис.3). Размеры зерна наплавленного металла с увеличением скорости подачи присадочной проволоки уменьшаются (рис.3) вследствие повышения скорости охлаждения расплава при кристаллизации. На шлифах образцов наплавленных со скоростью подачи 1,5 и 2м/мин видны холодные трещины, особенно много трещин в последнем образце [рис.3]. Таким образом, с увеличением скорости подачи присадочной проволоки увеличивается склонность к образованию холодных трещин, что связано с увеличением содержания алюминия в наплавленном металле и с увеличением скорости охлаждения наплавленного металла.
Рисунок 2 – Зависимость содержания алюминия (1) и кремния (2) в наплавленном металле
Твердость наплавленного металла определяясь режимами наплавки и находилась в пределах от 19 до 59 HRC (табл.2, рис.4). С увеличением скорости подачи присадочной проволоки, твердость наплавленного металла увеличивалась, что являлось следствием увеличения содержания алюминия и кремния [3].
Таблица 2 – Механические и эксплуатационные свойства наплавленных валиков
|
№
|
Скорость
подачи присадочной
проволоки, (м/мин)
|
Твердость,
НRC
|
Относительная
износостойкость
|
|
1
|
0,5
|
39
|
1,9
|
|
2
|
1
|
46
|
3,6
|
|
3
|
1,5
|
50
|
4,6
|
|
4
|
2
|
56
|
1,5
|
Максимальное значение относительной износостойкости наблюдаются при содержании алюминия в области 15%, дальнейшее повышение содержания алюминия, несмотря на повышение твердости, снижает относительную износостойкость (табл.2, рис.4). Снижение относительной износостойкости при этом связано с охрупчиванием наплавленного металла и увеличением количества трещин в нем.
Выводы:
1. Исследования процесса аргонодуговой наплавки интерметаллидных сплавов на высоколегированные хромоникелевые стали с применением присадочной проволоки Св-АК5 в установленных диапазонах изменения режимов наплавки, показали что наплавленные валики имеют стабильные геометрические параметры, однородную и однофазную структуру. При скоростях подачи присадочной проволоки более 1,5 м/мин на поверхности валиков наблюдаются холодные трещины.
2. При повышении содержания алюминия и кремния повышается твердость наплавленного металле. Максимальные значения относительной износостойкости наблюдаются при содержании алюминия в пределах 15%.
Список литературы
1.
Павлова Т.С. Не упругость сплавов на основе интерметаллида Fe3Al: дис. канд. тех. наук: защищена 19.05.2008/ Т.С. Павлова. – Тула, 2008. - 130 с.
2.
Колачев Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов/ Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. – М.: МИСИС, 2005 – 432 с.
3.
Ковтунов, А.И. Аргонодуговая наплавка сплавами на основе системы железо-алюминий: монография/ А.И. Ковтунов.
– Тольятти: Изд-во ТГУ, 2014. – 140 с.
4.
Ковтунов А.И. Физико-химическая кинетика взаимодействия алюминия со сталью при формировании металла шва с заданными свойствами: дисс. док. тех. наук: защищена /А.И. Ковтунов – Тольятти, 2011. – 357 с.
