Изучение структуры и свойств вольфрамсодержащего наплавленного слоя

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (23), 2018 УДК 621.791:624

Н.А. Козырев, Н.В. Кибко, В.М. Шурупов, Р.Е. Крюков, А.А. Уманский Сибирский государственный индустриальный университет

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ВОЛЬФРАМСОДЕРЖАЩЕГО НАПЛАВЛЕННОГО СЛОЯ

Для ремонтных операций широкое распространение при наплавке получили порошковые проволоки различного химического состава [1 - 7]. Особая роль отводится наплавочным материалам, обладающим наивысшей износостойкостью - вольфрамсодержащим порошковым проволокам, в которых используют восстановленный вольфрам в виде ферросплавов, лигатур и металлического порошка различной степени чистоты [8 - 11]. В работах [12 - 14] проведено изучение возможности восстановления вольфрама при наплавке порошковыми вольфрамсодержащими проволоками.

В настоящей работе изучали влияние замены в порошковой проволоке порошкообразного вольфрама на оксид вольфрама и углерод-содержащий восстановитель на микроструктуру и микротвердость структурных составляющих наплавленного слоя.

Исследовали две партии образцов: I - порошковые вольфрамсодержащие проволоки, типа Н по классификации МИС (образцы 1 и 2), II типа Е (образцы 3 и 4). В состав шихты проволоки вводили порошок вольфрама (образцы 1 и 3) и оксид вольфрама с углеродсо-держащим восстановителем (образцы 2 и 4).

В качестве наполнителя использовали порошки: кремния КР-1 по ГОСТ 2169 - 69, марганца МР-0 по ГОСТ 6008 - 82, хрома ПХА-1М по ТУ 14-1-1474 - 75, ванадия ВЭЛ-1 по ТУ 48-0533 - 71, никеля ПНК-1л5 по ГОСТ 9722 - 97, алюминия ПАП-1 по ГОСТ 5494 -95, железного порошка ПЖВ-1 по ГОСТ 9849 - 86, вольфрама ПВТ по ТУ 48-19-72 - 92. В качестве оксида вольфрама использовали вольфрамовый концентрат марки КШ-4 по ГОСТ 213 - 83 производства ОАО «Горнорудная компания «АИР», а в качестве углеродсо-держащего восстановителя - пыль газоочистки алюминиевого производства, содержащую 21 -43,27 % Al2Oз; 18 - 27 % F; 8 - 13 % Na2O; 0,4 -

6.0 % К2О; 0,7 - 2,1 % CaO; 0,5 - 2,48 % SiO2;

2.1 - 2,3 % Fe2Oз; 12,5 - 28,2 % О^; 0,03 - 0,90 % МпО; 0,04 - 0,90 % МеО; 0,09 - 0,46 % S; 0,10 - 0,18 % Р (по массе). Химический состав наплавленных с использованием порошковых проволок слоев приведен в табл. 1.

Химический состав наплавленного металла определяли рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF-1800 и атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-71.

Металлографический анализ наплавленного слоя проводили с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51 с автоматическим структурным анализатором «EPIQUANT» в светлом поле при увеличении 100 и 500 после травления в спиртовом растворе азотной кислоты. Величину зерна определяли по ГОСТ 5639 - 82 при увеличении 100 методом сравнения с эталонными шкалами. Исследования продольных образцов наплавленного слоя на наличие неметаллических включений осуществляли в соответствии с ГОСТ 1778 - 70 (при увеличении 100) методом сравнения с эталонными шкалами.

Микротвердость структурных составляющих определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 9450 - 76 с использованием цифрового микротвердомера модели HVS-1000 с автоматической поворотной головкой и цифровым отображением данных. Для каждого образца проводили 10 измерений микротвердости. Расчет твердости по Виккерсу, отображение значения на экране компьютера и сохранение изображения с отпечатком выполнялись автоматически с помощью подключенной CCD-камеры к компьютеру с платой видеозахвата и соответствующим программным обеспечением анализа изображений.

Металлографический анализ образцов 1 и 2 (партия I) показал, что микроструктура наплавленного слоя представляет собой игольчатый бейнит и аустенит остаточный или феррит и перлит (рис. 1, а - г).

В результате оценки загрязненности неметаллическими включениями наплавленного слоя установлено присутствие оксидных неметаллических включений, в частности силикатов недеформирующихся и оксидов точечных (рис. 2, табл. 2).

Т а б л и ц а 1

Химический состав наплавленного металла

Содержание элемента, %

Проба C Si Mn & № ТС W V Mo Al № ее S P

1 0,08 0,31 1,21 0,10 0,46 0,16 0,003 6,07 0,11 0,07 0,023 0,010 0,001 0,054 0,007

2 0,08 0,32 1,60 0,13 4,52 0,19 0,009 11,21 0,38 3,78 0,022 0,010 0,002 0,052 0,007

3 0,10 0,69 0,67 5,14 0,25 0,06 0,007 3,41 0,17 0,01 0,041 0,010 0,001 0,051 0,007

4 0,09 0,39 0,55 3,99 0,21 0,07 0,002 3,32 0,09 0,01 0,021 0,013 0,001 0,083 0,008

Рис. 1. Микроструктура наплавленного слоя образца 1

а

100 мкм

б

100 мкм

в

100 мкм

г

100 мкм

Рис. 2. Характер неметаллических включений в наплавленном слое образцов 1 - 4

Средняя микротвердость структурных составляющих наплавленного металла находится в пределах 464 - 474 НУ (табл. 2, рис. 3).

При использовании в шихте проволоки порошка вольфрама (образец 1) металл наплавленного слоя имеет феррито-перлитную структуру (рис. 1, а, б). Величина бывшего зерна

аустенита по шкале зернистости соответствует № 3, 4 (табл. 2). Средняя микротвердость наплавленного металла составляет 464 НУ (рис. 3, табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Характеристики структуры, неметаллических включений и микротвердость наплавленного слоя

Загрязненность неметаллическими вклю-

Образец чениями, балл Величина бывшего НУ

силикаты недеформи-рующиеся оксиды точеные зерна аустенита, номер

1 2б, 1б, 3б 1а, 2а 3, 4 464

2 1б, 2б, 3б 1а 7 474

3 1б, 2б, 2а 1а 5 793

4 2б, 1б, 2а 1а 5, 6 920

Использование вольфрамового концентрата вместо порошка вольфрама при изготовлении проволоки приводит к следующим изменени-

ям: наплавленный металл имеет феррито-перлитную структуру, обладающую гораздо меньшей величиной первичного зерна аустени-

та. Величина бывшего зерна аустенита по шкале зернистости соответствует № 7 (рис. 1, в, г). Средняя микротвердость перлита в микроструктуре наплавленного металла составляет 474 НУ (рис. 3, табл. 2). Использование вольфрамового концентрата вместо порошка вольфрама уменьшает загрязненность наплавленного металла оксидами точечными (табл. 2).

В результате металлографических исследований образцов 3 и 4 (партия II) определено, что микроструктура наплавленного слоя представляет собой крупноигольчатый мартенсит и аустенит остаточный (рис. 1, д - з). При изучении характера загрязненности наплавленного

Рис. 3. Микротвердость наплавленного слоя

слоя неметаллическими включениями установлено присутствие в нем силикатов неде-формирующихся и оксидов точечных (рис. 2, табл. 2). Средняя микротвердость мартенсита в структуре наплавленного металла находится в пределах 793 - 920 HV (рис. 3, табл. 2).

После введения в состав шихты проволоки порошка вольфрама в структуре наплавленного слоя (образец 3) присутствует мартенсит с размером игл до 16 мкм (балл 8) (рис. 1, д, е). Величина бывшего зерна аустенита по шкале зернистости соответствует № 5 (табл. 2). Средняя микротвердость мартенсита в структуре наплавленного слоя составляет 793 HV (рис. 3, табл. 2).

Использование вольфрамового концентрата вместо порошка вольфрама при изготовлении проволоки способствует незначительному измельчению игл мартенсита и уменьшению величины первичного зерна аустенита (образец 4). В этом случае в структуре наплавленного слоя присутствует мартенсит с размером игл до 12 - 16 мкм (балл 7, 8), а величина бывшего зерна аустенита соответствует № 5, 6 (рис. 1, ж, з). При этом введение вольфрамового концентрата в состав шихты проволоки обеспечивает повышение микротвердости мартенсита до 920 HV (на 14 %) (рис. 3, табл. 2).

Использование вольфрамового концентрата вместо порошка вольфрама практически не оказывает влияния на степень загрязненности наплавленного слоя неметаллическими включениями (рис. 2, табл. 2).

Выводы. Изучено влияние введения в состав порошковой проволоки вольфрама и вольфрамового концентрата на микроструктуру и микротвердость структурных составляющих наплавленного ею слоя. При введении вольфрамового концентрата отмечено значительное уменьшение величины бывшего зерна аустенита в структуре наплавленного слоя порошковой вольфрамсодержащей проволокой типа Н. Использование вольфрамового концентрата обеспечивает незначительное измельчение игл мартенсита и уменьшение величины первичного зерна аустенита в структуре наплавленного слоя порошковой вольфрам-содержащей проволокой типа Е и повышение микротвердости мартенсита на 14 %. Исследован характер неметаллических включений в наплавленном слое. Показано, что использование вольфрамового концентрата не повышает загрязненность наплавленного металла неметаллическими включениями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. KirchgaBner M., Badisch E., Franek F. Behaviour of iron-based hardfacing alloys under abrasion and impact // Wear Journal. 2008. Vol. 265. P. 772 - 779.

2. Wang Q., Li X. Effects of Nb, V, and W on microstructure and abrasion resistance of Fe -

Cr - C hardfacing alloys // Welding. 2010. Vol. 89. P. 133 - 139.

3. Metlitskii V.A. Flux-cored wires for arc welding and surfacing of cast iron // Welding International. 2008. Vol. 22. P. 796 - 800.

4. Kejzar R., Grum J. Hardfacing of Wear-Resistant Deposits by MAG Welding with a Flux-Cored Wire Having Graphite in Its Filling // Welding International. 2005. Vol. 20. P. 961 - 976.

5. Li. R., He D.Y., Zhou Z., Wang Z.J., Song X.Y. Wear and high temperature oxidation behavior of wire arc sprayed iron based coatings // Surface Engineering. 2014. Vol. 30. P. 784 - 790.

6. Liu D.S., Liu R.P., Wei Y.H. Influence of tungsten on microstructure and wear resistance of iron base hardfacing alloy // Materials Science and Technology. 2013. Vol. 30. P. 316 - 322.

7. Lim S.C., Gupta M., Goh Y.S., Seow K.C. Wear resistant WC - Co composite hard coatings // Surface Engineering. 1997. Vol. 13. P. 247 - 250.

8. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. - М.: Металлургия, 1976. - 560 с.

9. Пацекин В.П., Рахимов К.З. Производство порошковой проволоки. - М.: Металлургия, 1979. - 80 с.

10. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. -М.: Металлургия, 1975. - 584 с.

11. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б.Е. Патона. - М.: Металлургия, 1974. - 768 с.

12. Козырев Н.А., Шурупов В.М., Кушнаренко Н.Н., Козырева О.Е., Титов Д.А. Исследование возможности использования воль-фрамсодержащих руд и их производных при наплавке стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 8. С. 567 - 571.

13. Козырев Н.А., Бендре Ю.В., Горюшкин

B.Ф., Шурупов В.М., Козырева О.Е. Термодинамика реакций восстановления WO3 углеродом // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2016. № 2 (16). С. 15 - 17.

14. Козырев Н.А., Кибко Н.В., Уманский А.А., Титов Д.А., Бащенко Л.П. Совершенствование состава порошковых проволок системы C - Si - Мп - Сг - W - V с целью повышения качества и эксплуатационных характеристик наплавленного слоя // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 11.

C.806 - 813.

© 2018 г. Н.А. Козырев, Н.В. Кибко, В.М. Шурупов, Р.Е. Крюков, А.А. Уманский Поступила 01 февраля 2018 г.