Распределение микротвердости и структуры по слою теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного многослойной плазменной наплавкой в среде азота | Известия вузов. Физика. 2021. № 7. DOI: 10.17223/00213411/64/7/75

Распределение микротвердости и структуры по слою теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного многослойной плазменной наплавкой в среде азота

Исследованы распределения микротвердости и структуры по толщине и поверхности наплавленного слоя из теплостойкого сплава типа стали Р2М8Ю, сформированного плазменной наплавкой в защитно-легирующей среде азота. Установлено, что технология наплавки и наплавочный материал позволяют получить качественный наплавленный сплав без трещин, пор, шлаковых включений и дефектов макро- и микроструктуры. Определено, что наплавленный материал представляет собой перлитные зерна, по границам и стыкам зерен располагаются карбонитриды на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена, алюминия (Ме6 NC и AlN).

Distribution on microhardness, chemical composition and structure over a layer of heat-resistant highyardness alloy form.pdf Введение К основным требованиям, предъявляемым к рабочим валкам холодной прокатки, следует отнести высокую и равномерную твердость поверхности бочек (95-102 HSh), плавный переход от закаленного слоя к внутренней области валка, отсутствие металлургических дефектов и дефектов макро- и микроструктуры [1, 2]. Комплекс этих высоких требований относится, преимущественно, к активному слою валков, так как свойства сердцевины валка не оказывают решающего влияния на его эксплуатационные характеристики. Поэтому оптимальным является наплавленный валок, у которого только активный слой выполнен из теплостойких сталей (типа сталей Р18, Р6М5, Р2М8), а сердцевина валка - из высокопрочной конструкционной стали (типа стали 30ХГСА) [3-5]. Предотвращение образования холодных трещин, характерных для наплавки теплостойких сталей, в разработанных способах многослойной наплавки основано на применении эффекта сверхпластичности [6-9]. Изготовление плазменной наплавкой теплостойкими сталями высокой твердости в азотсодержащей среде рабочих валков позволило получить активный слой в закаленном состоянии без трещин, с низким уровнем остаточных напряжений и обеспечить его высокую и достаточно равномерную макротвердость HRC 62-64 после трех-четырехкратного высокотемпературного отпуска при 560-580 °С [10]. Твердость бочек и шеек рабочих валков холодной прокатки (длина бочки 315 мм, диаметр 100 мм) проверяли при помощи склероскопа Шора. Твердость бочек наплавленных валков на 5-8 единиц HSh выше твердости применяемых на заводе закаленных валков и достигала 100-102 HSh. Разброс по твердости не превышал 2-4 HSh. Наружные и внутренние дефекты наплавки (поры, трещины и шлаковые включения) при визуальном осмотре валков и ультразвуковой и магнитной дефектоскопии не обнаружены. Качество наплавленной поверхности удовлетворительное. Несмотря на широко развивающиеся методы упрочнения поверхности с использованием различных видов покрытий, например электровзрывного напыления [11, 12], в настоящее время нет данных об однородности структуры и свойств поверхностного слоя теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного плазменной наплавкой в защитно-легирующей среде азота и термообработкой в виде высокотемпературного отпуска. Отсутствует ясная физическая картина наблюдаемой неоднородности макро- и микротвердости наплавленного сплава. В связи с этим цель настоящей работы - определение распределения микротвердости и структуры по толщине и поверхности теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного многослойной плазменной наплавкой в среде азота и термообработкой в виде высокотемпературного отпуска. Материал и методика Исследовалось структурно-фазовое состояние наплавленных теплостойких сталей высокой твердости типа Р2М9, дополнительно легированных алюминием и азотом, следующего химического состава, мас. %: 0.86 С, 4.8 Cr, 2.50 W, 9.40 Mo, 0.50 V, 0.85 Al, 0.08 N, остальное - железо. В качестве основы использован прокат из низколегированной стали 30ХГСА, обладающей высокими механическими свойствами (0.3 С, 0.9-1.1 Cr, 0.8-1.1 Мn и 0.9-1.2 Si (мас. %)). Плазменную наплавку осуществляли на установке для плазменной наплавки тел вращения по термическому циклу с низкотемпературным предварительным и сопутствующим подогревом, временным снижением температуры подогрева и выдержкой при этой температуре [10]. Валки наплавляли плазменной дугой с подачей в сварочную ванну нетоковедущей присадочной порошковой проволоки ПП-Р2М9Ю. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон, защитного газа - азот. Заготовку с припусками под наплавку 5-10 мм на сторону устанавливали в центрах наплавочной установки, предварительно подогрев до 230 °С. Затем проводили наплавку первого слоя. После наплавки первого слоя охлаждали шейки валка холодной водой с расходом до 2 л/мин. Таким же образом осуществляли пяти- или шестислойную наплавку по режиму: Iсв = = 150-160 А, Uд = 50-55 В, скорость vн = 18 м/ч, скорость подачи проволоки vп.пр = 60 м/ч, смещение с зенита - 10-12 мм, длина дуги lд = 20 мм, расход азота Qзащ = 20-22 л/мин, расход аргона Qплазм = 6-8 л/мин, диаметр проволоки - 3.7 мм. После окончания наплавки заготовку охлаждали на воздухе. Наружные и внутренние дефекты наплавки (поры, трещины и шлаковые включения) при визуальном осмотре валков и ультразвуковой и магнитной дефектоскопии не обнаружены. Качество наплавленной поверхности удовлетворительное. Из наплавленного сплава образцы вырезали электроискровой резкой, половину образцов подвергали термической обработке в виде высокотемпературного отпуска. Режимы обработки выбирали по рекомендациям для близких по составу кованых сталей Р2М9 (температура нагрева 560- 580 °С, время выдержки 1 ч, количество отпусков 4) [10]. Образцы, подлежащие исследованию, разрезали на электроискровом станке на ряд параллельных пластинок толщиной 0.25-0.30 мм (измерения проводили микрометром с точностью 0.01 мкм). При этом резку образцов осуществляли на мягком режиме, который не вносил в материал искажений и дополнительных дефектов. Образцы вырезали в направлении, параллельном направлению поверхности образцов, из зон поверхности, центральной части наплавки, зоны сплавления наплавленного металла с основным металлом со стороны наплавленного металла и зоны сплавления наплавленного металла с основным металлом со стороны основного металла. Дальнейшую подготовку поверхности образцов проводили в несколько этапов. Сначала образцы выравнивали на мелкой наждачной бумаге и алмазной пасте, а после этого электролитическим способом стравливали деформированный слой и сглаживали поверхность. Для электрополировки использовали электролит следующего состава: 80 мл H3PO4 + 6 г Cr2O3 + 14 мл H2O. Режим процесса электрополировки: напряжение на электродах 40-60 В, плотность тока 0.4-0.8 А/см2. Травление поверхности образцов осуществляли в 2%-м растворе азотной кислоты. Исследования наплавленного сплава проводили по четырем зонам: 1 - зона сплавления основного металла с наплавленным со стороны основного металла; 2 - зона сплавления основного металла с наплавленным со стороны наплавки; 3 - центральная часть наплавки; 4 - поверхность. Полученные образцы исследовали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) и микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на приборе Leo EVO 50XVP («Карл Цейс», Германия). Испытания на микротвердость проводили на микротвердомере HVS-1000A методом Виккерса. Индентором служила четырехгранная алмазная пирамидка, нагрузка на которую составляла 100 г. В ходе исследований поперечных шлифов наносили по пять дорожек уколов в направлении от поверхности покрытия вглубь к основному металлу. Расстояние между уколами составляло 200 мкм. При испытании измеряли длину диагонали отпечатка и подсчитывали численное значение микротвердости как частное от деления приложенной нагрузки P (кг) на боковую поверхность полученного отпечатка F (мм2). По результатам измерений вычисляли среднее значение микротвердости и дисперсию. Результаты и их обсуждение На рис. 1 показано распределение микротвердости на поверхности и в центральной части наплавленного слоя в состоянии после плазменной наплавки (а) и наплавки с высокотемпературным отпуском (б). Для каждой из исследованных зон наплавленного слоя определены среднее значение микротвердости и величина дисперсии. Твердомер HVS-1000A позволяет автоматически проводить испытания с изображением величины твердости на дисплее и печатью данных на принтере. Точность измерения ±0.2 мкм. а б Рис. 1. Распределение микротвердости на поверхности и в центральной части наплавленного слоя в состоянии после плазменной наплавки (а) и наплавки с высокотемпературным отпуском (б) Как видно из приведенных данных, распределение микротвердости во всех исследованных зонах наплавленного слоя отличается неравномерностью. Неравномерность микротвердости можно объяснить разбавлением высоколегированного наплавленного металла низколегированным металлом основы в процессе многослойной наплавки по винтовой линии. Достоинством плазменной наплавки нетоковедущей порошковой проволокой является малая глубина проплавления основного металла (около 0.5 мм), которая существенно снижает степень разбавления наплавленного металла основным. При этом доля основного металла в наплавленном не превышает 10%, что позволяет получать наплавленный металл заданного химического состава уже во втором слое. В связи с этим обстоятельством микротвердость металла в средней части наплавки и на поверхности (четвертый и пятый слои наплавленного металла) составляет в состоянии после наплавки 4.112 и 5.153 ГПа. Высокотемпературный отпуск, проведенный в соответствии с известными рекомендациями для теплостойких сталей высокой твердости [10], приводит к превращению остаточного аустенита и выделению карбидов и карбонитридов. Микротвердость при этом увеличилась до 5.689 и 6.468 ГПа, возрастая от микротвердости основы до микротвердости поверхностного слоя. Неравномерность распределения микротвердости можно объяснить, если учесть, что измерение микротвердости позволяет оценить свойства отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не усредненные характеристики как при измерении макротвердости). Метод измерения микротвердости дает возможность получить обоснованные представления о свойствах материалов в локальных микрообъемах образцов. Поэтому наблюдаемая неоднородность микротвердости свидетельствует о сложном структурно-фазовом состоянии наплавленного металла, что связано со сложным термическим циклом нагрева и охлаждения многослойной плазменной наплавки цилиндрической заготовки по винтовой линии. При такой схеме наплавки каждый предыдущий слой перемешивается с металлом наплавляемого слоя, а наплавляемый валик перекрывается с предварительно наплавленным валиком. При этом перекрытие валиков может составлять до одной трети от ширины наплавленного валика. Как показали исследования, полностью устранить неоднородность микротвердости термической обработкой (высокотемпературным отпуском) не удается. Частично эта проблема может быть решена с помощью ультразвуковой упрочняющей обработки, а также нанесением на поверхность электровзрывных покрытий [10]. Применение метода растровой электронной микроскопии подтвердило это предположение. Исследования структурно-фазового состояния наплавленного металла и прилегающего объема основного материала, выполненные методом РЭМ, проводили на травленых шлифах в четырех зонах (поверхность, центральная часть наплавки, зоны сплавления наплавленного металла с основным металлом со стороны наплавленного металла и со стороны основного металла). На рис. 2 и 3 показаны структуры травленых шлифов. Как видно, кристаллизация наплавленного материала приводит к формированию структуры, которую по морфологическому признаку в любом из четырех исследованных участков можно условно разделить на несколько характерных областей, отличающихся формой, размерами и расположением ферритных и перлитных зерен. Рис. 2. Структура поверхности наплавленного слоя после наплавки (цементит показан светлыми стрелками, зерна перлита - черными) На рис. 2 наблюдается явно выраженная ориентированная дендритная структура. Основная часть поверхности материала представляет собой перлитные зерна. В стыках и по границам зерен располагаются карбонитриды на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена, алюминия (Ме6 NC и AlN). Другие три части наплавленного металла существенно не отличаются от морфологии поверхности. Необходимо отметить, что в этих образцах ориентированность дендритной структуры менее выражена. Что касается наплавленного металла с высокотемпературным отпуском, то здесь картина несколько другая. Ориентированная дендритная структура практически не просматривается (рис. 3). Видны более четкие границы перлитных зерен. Проведенные в работе [13] исследования структурно-фазового состояния теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного многослойной плазменной наплавкой в среде азота и термообработкой в виде высокотемпературного отпуска, позволили установить, что в наплавленном металле основными фазами являются твердый раствор α-железа и карбонитриды на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена, алюминия (Ме6 NC и AlN) [14, 15]. Для сварных соединений и наплавленного металла особый интерес представляет зона сплавления основного низколегированного металла с наплавленным высоколегированным металлом, так как в этой зоне наиболее часто образуются дефекты наплавки (трещины, поры, шлаковые включения) и дефекты структуры. Рис. 3. Структура поверхности наплавленного слоя после наплавки и высокотемпературного отпуска (цементит указан светлыми стрелками, зерна перлита - черными) Как видно на рис. 3 и 4, многослойная плазменная наплавка в защитно-легирующей среде азота теплостойкими сталями высокой твердости позволяет получать качественный наплавленный слой без трещин, пор и дефектов макро- и микроструктуры (таких, как кристаллизационные трещины, изменения химического состава, крупное зерно). Рис. 4. Структура зоны сплавления основного металла с наплавленным металлом Рис. 5. Распределение железа, хрома, молибдена и вольфрама в характеристическом рентгеновском излучении Исследования, проведенные методом МРСА, показали (рис. 5), что на поверхности наплавленного слоя присутствующие элементы (углерод, азот, алюминий, кремний, ванадий, хром, железо, молибден) распределены равномерно. Количество легирующих добавок (хрома, молибдена, ванадия, алюминия, азота), определенных методом МРСА в работе [13], колеблется около значения для исходной стали Р2М9Ю для всех образцов этой серии. Заключение Проведены исследования распределения микротвердости и структуры по толщине и поверхности наплавленного слоя из теплостойкого сплава типа стали Р2М8Ю, сформированного плазменной наплавкой в защитно-легирующей среде азота. В результате установлено, что технология наплавки и наплавочный материал позволяют получить качественный наплавленный сплав без трещин, пор, шлаковых включений и дефектов макро- и микроструктуры. Определено, что наплавленный материал представляет собой перлитные зерна, по границам и стыкам зерен располагаются карбонитриды на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена, алюминия (Ме6 NC и AlN). Высокотемпературный отпуск наплавленного сплава приводит к устранению дендритной структуры и увеличению микротвердости поверхностного слоя до средних значений 5.7-6.5 ГПа.

Ключевые слова

плазменная наплавка, защитно-легирующая среда азота, теплостойкий металл, распределение, микротвердость, структура, дефекты наплавки и структуры

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Малушин Николай НиколаевичСибирский государственный индустриальный университетк.т.н., доцент СибГИУnmalushin@mail.ru
Романов Денис АнатольевичСибирский государственный индустриальный университетд.т.н., доцент каф. естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля СибГИУromanov_da@physics.sibsiu.ru
Ковалев Андрей ПетровичАО «ЕВРАЗ - Западно-Сибирский металлургический комбинат»инженер, начальник УОФ ЕВРАЗ ЗСМКnmalushin@mail.ru
Бащенко Людмила ПетровнаСибирский государственный индустриальный университетк.т.н., доцент каф. теплоэнергетики и экологии СибГИУluda.baschenko@gmail.com
Семин Александр ПетровичСибирский государственный индустриальный университетзав. каф. инженерных конструкций, строительных технологий и материалов СибГИУkafspun@sibsiu.ru
Громов Виктор ЕвгеньевичСибирский государственный индустриальный университетд.ф.-м.н., профессор, зав. каф. естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля СибГИУgromov@physics.sibsiu.ru
Всего: 6

Ссылки

Jeng Y.-R., Lee J.-T., Hwu Y.-J., et al. // Tribology Int. - 2020. - V. 148. - No. Art. 106321.
Yan J., Lai Q., Wang J., and Shen Y. // Scripta Mater. - 2020. - V. 182. - P. 104-108.
Rezaii A., Shafiei E., Ostovan F., and Daneshmanesh H. // J. Manufactur. Processes. - 2020. V. 54. - P. 54-69.
Mahmood M.A., Tsai T.-Y., Hwu Y.-J., et al. // J. Mater. Proc. Technol. - 2020. - V. 279. - No. Art. 116554.
Joshi A., Bhatt P.K., and Goyal R.K. // Int. J. Adv. Sci. Technol. - 2020. - V. 29. - No. 8s. - P. 1371- 1377.
Kumar A.V., Murty S.V.S.N., Gupta R.K., et al. // J. Alloys Compounds. - 2020. - V. 831. - No. Art. 154672.
Li J., Ren X., and Gao X. // Mater. Characterizat. - 2020. - V. 164. - No. Art. 110320.
Vávra T., Minárik P., Veselý J., and Král R. // Mater. Sci. Eng. A. - 2020. - V. 784. - No. Art. 139314.
Lee T.J. and Kim W.J. // J. Alloys Compounds. - 2020. - V. 817. - No. Art. 153298.
Малушин Н.Н., Валуев Д.В. Обеспечение качества деталей металлургического оборудования на всех этапах их жизненного цикла путем применения плазменной наплавки теплостойкими сталями высокой твердости. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 358 с.
Romanov D.A. // Mater. Res. Express. - 2020. - V. 7. - No. 4. - P. 045010.
Romanov D., Moskovskii S., Konovalov S., et al. // J. Mater. Res. Technol. - 2019. - V. 8 - No. 6. - P. 5515-5523.
Малушин Н.Н., Романов Д.А., Ковалев А.П. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 10. - С. 106-111.
Батаев В.А., Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 383 с.
Кульков С.Н., Гнюсов С.Ф. Карбидостали на основе карбидов титана и вольфрама / под ред. Е.Ф. Дударева. - Томск: Изд-во НТЛ, 2006. - 240 с.
 Распределение микротвердости и структуры по слою теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного многослойной плазменной наплавкой в среде азота | Известия вузов. Физика. 2021. № 7. DOI: 10.17223/00213411/64/7/75

Распределение микротвердости и структуры по слою теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного многослойной плазменной наплавкой в среде азота | Известия вузов. Физика. 2021. № 7. DOI: 10.17223/00213411/64/7/75