ПОРОШКОВЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ И НАПЫЛЕНИЯ
POWDER OF IRON-BASED ALLOY FOR WEAR-RESISTANT SURFACING AND SPUTTERING

Изобретение относится к области газотермического нанесения износостойкого и коррозионно-стойкого покрытия методами дуговой, лазерной, плазменной или электронно-лучевой наплавки, а также высокоскоростного, детонационного, плазменного или газопламенного напыления.
Известен материал [RU №2322335, МПК B23K 35/32, 26.06.2006], предназначенный для восстановления и увеличения срока службы изношенных деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа. Состав предлагаемого материала включает: углерод - 0,9-1,0%, марганец 20%, молибден 4,0%, ванадий 4,0% и частицы упрочнителя, в качестве которых могут использоваться карбид титана или карбид ванадия. Совмещение операций электронно-лучевой наплавки и старения приводит к мультимодальному распределению упрочняющей фазы в объеме упрочненного слоя. Это обеспечивает высокую пластичность и ударно-абразивную износостойкость наплавленного покрытия.
К недостаткам предложенного материала относится сложная и дорогостоящая технология изготовления, включающая операции смешения порошков исходных компонентов, спекания, последующего дробления полученных спеков и рассев их на фракции. Кроме того, неравномерное распределения компонентов при рассеве, связанное с невозможностью получения однородного расплава при спекании, приводит к непостоянству химического состава композиционного материала, поступающего в сварочную ванну при наплавке, и, как следствие, неоднородному по химическому составу и свойствам наплавленному покрытию.
Также известен наплавочный порошок на основе железа [А.с. СССР №469563, B23K 35/30 - прототип], содержащий углерод, кремний, марганец, хром, бор, алюминий, который путем наплавки или напыления позволяет получать износо- и коррозионно-стойкие покрытия на стальных деталях. Однако, как показал производственный опыт, в ряде случаев, например при наплавке деталей, подвергаемых при эксплуатации наряду с абразивным и ударному воздействию, происходит преждевременное хрупкое разрушение наплавленного покрытия путем образования микросколов и выкрашивания. Также при наплавке указанным порошком трудно обеспечить стабильное качество и постоянные свойства формируемых покрытий, т.к. большой допустимый разброс в содержании углерода и хрома обеспечивают формирование структуры как доэвтектического, так и заэвтектического типа, что не позволяет обеспечить стабильные значения твердости и износостойкости. Кроме того, наличие бора обеспечивает образование твердых боридов хрома и железа, что в условиях ударного нагружения приводит к их хрупкому разрушению и выкрашиванию, а следственно - разрушению наплавленного слоя.
Технической задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение уровня ударно-абразивной износостойкости, а также стабилизация значений твердости наплавленного покрытия.
Поставленная задача решается тем, что в наплавочный порошок на основе железа введены ванадий в количестве 3,0-4,5% и барий в количестве 0,02-0,12%, а также исключен из состава бор. Таким образом, порошковый сплав на основе железа содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод 2,9-3,3
Кремний 0,4-1,0
Марганец 0,4-1,2
Хром 17-21
Алюминий 0,15-1,2
Сера не более 0,06
Фосфор не более 0,07
Ванадий 3-4,5
Барий 0,02-0,12
Железо остальное
При этом структура наплавленного металла представляет собой мелкодисперсный тройной эвтектический композит аустенита, карбида хрома и карбида ванадия, а также округлых карбидов типа (V, Cr)C. Такая структура имеет веерообразное строение с направлением роста главных осей карбидной фазы перпендикулярно подложке.
3
7
3
7
3
Известно [Емелюшин А.Н., Мирзаева Н.М., Мирзаев Д.А. Влияние ориентировки и дисперсности карбидов на изосостойкость литого инструмента из хромистых чугунов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1983. №4. С. 72-75], что на абразивную износостойкость высокоуглеродистых хромистых сплавов, при прочих равных условиях, значительное влияние оказывает ориентировка карбидной фазы. При перпендикулярной ориентации главных осей карбидов по отношению к направлению действия абразивных частиц износостойкость оказывается выше, чем при ином расположении карбидов. Благодаря наличию в составе предлагаемого наплавочного порошка хрома, ванадия и углерода в заданном соотношении при наплавке формируется инвертированная структура покрытия, в результате чего хрупкие карбиды типа FeC замещаются более твердыми и прочными карбидами типа MC. А одновременное воздействие бария, находящегося в составе присадочного порошка, приводит к модифицирующему воздействию, выражающемуся в резком измельчении и диспергировании структуры, а также большем переохлаждении карбидной фазы по сравнению с металлической основой. Это приводит к ориентации дисперсных эвтектических карбидов типа МС в направлении теплоотвода, т.е. перпендикулярно наплавляемой подложке. В результате формируются покрытия с твердостью не менее 55 HRC, обладающие высокой стойкостью к абразивному и ударно-абразивному изнашиванию.
Присадка ванадия приводит к формированию тройной аустенито-хромо-ванадиевой эвтектики в структуре взамен хромо-аустенитной эвтектики. Это способствует повышению ударной стойкости за счет диспергирования карбидной фазы эвтектики. Кроме того, совместное действие хрома в количестве более 17% и ванадия приводит к инверсии структуры, заключающейся в полном исчезновении избыточных карбидов цементитного типа и появлении взамен их карбидов типа (V, Cr)C. Это также повышает уровень ударной и ударно-абразивной износостойкости покрытий, т.к. указанные карбиды обладают более высокой твердостью по сравнению с карбидами цементитного типа и округлой формой, что и обеспечивает высокую ударостойкость таких покрытий.
Присадка в состав бария приводит к снижению пористости покрытий и улучшению их служебных свойств, а также более равномерному распределению твердости в наплавленном металле за счет гомогенизации и измельчения структуры. Совместное действие бария и ванадия в сплаве приводит к надежному обеспечению высокой плотности наплавленного металла и стабильным значениям твердости, износостойкости и служебных свойств.
Исключение бора из состава материала обеспечивает отсутствие в структуре хрупких боридов хрома и железа, склонных к выкрашиванию.
Наличие в составе порошка алюминия в количестве 0,15-1,2% приводит к снижению порообразования при наплавке за счет повышения жидкотекучести наплавленного металла, а также снижения сродства с кислородом, вследствие чего металл, находящийся в сварочной ванне, претерпевает меньшее окисление.
Для достижения наивысших свойств покрытий рекомендуется использовать такие способы нанесения, которые обеспечивают минимальное термическое воздействие на металл основы, а также незначительную глубину зоны проплавления, например плазменно-порошковую наплавку или лазерную наплавку.
В качестве примера практического использования порошкового сплава предлагаемого состава можно привести восстановление штоков гидроцилиндров малого диаметра, изготавливаемых из стали марки 50.
Процесс плазменно-порошковой наплавки штоков осуществлялся в следующей последовательности:
- зачистка изношенной поверхности штоков на токарном станке грубой обдиркой для устранения остатков гальванического покрытия, следов механического износа и загрязнений, а также для создания развитой поверхности контакта подложки и наплавленного слоя с целью повышения адгезии;
- плазменно-порошковая наплавка двудуговым плазмотроном собственной конструкции покрытия толщиной 2-3 мм по винтовой линии в четыре захода. В качестве плазмообразующего, транспортирующего и защитного газа использовался аргон;
- охлаждение наплавленного штока до комнатной температуры на спокойном воздухе;
- наплавка второго слоя толщиной 2-3 мм по винтовой линии в четыре захода;
- охлаждение до комнатной температуры на спокойном воздухе;
- предварительная механическая обработка точением на токарном станке;
- окончательная механическая обработка в размер шлифованием;
- визуальный контроль на наличие дефектов.
При использовании предлагаемого порошка возможно проводить механическую обработку наплавленного покрытия резанием без опасности разрушения покрытия. Для этого возможно использовать резцы из сверхтвердых материалов типа алмаз или кубический нитрид бора (KNB).
Плазменно-порошковая наплавка проводилась с использованием заявляемого порошкового материала, при этом режим наплавки был подобран таким образом, чтобы обеспечить минимальное термическое воздействие на ранее нанесенные валики. Для этого применяли двухслойную наплавку по винтовой линии с шагом в четыре ширины валика. Такой режим наплавки обеспечивает необходимую термическую историю, при которой проводится однократный кратковременный отпуск наплавленного металла при температуре 400°C. Это обеспечивает снижение остаточных напряжений и повышение ударостойкости наплавленного металла. Восстановление штоков гидроцилиндров предложенным составом обеспечило получение бездефектных покрытий толщиной до 4 мм, обладающих твердостью 55-63 HRC и абразивной стойкостью, превосходящей стойкость новых штоков в 1,3-1,5 раза.
Таким образом, можно сделать вывод, что заявляемый порошковый сплав на основе железа решает поставленную техническую задачу и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.