Влияние химического состава присадочного материала на формирование сварного соединения при плазменной наплавке серого чугуна сплавами на никелевой основе

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.791.927.55

Л.Б. Леонтьев

ЛЕОНТЬЕВ ЛЕВ БОРИСОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: Leontyev.l.b@yandex.ru

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

ПРИСАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА НА ФОРМИРОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКЕ СЕРОГО ЧУГУНА СПЛАВАМИ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

Рассмотрено влияние содержания железа в присадочном материале на никелевой основе на физико-механические и металлографические свойства сварных соединений при плазменной наплавке на постоянном токе прямой полярности. Установлена оптимальная область содержания железа в никелевом сплаве, обеспечивающая минимальные величины глубины проплавления чугуна, ширины ледебуритной зоны. Определено влияние содержания железа на геометрические параметры наплавленного валика и твердость наплавленного сплава.

Ключевые слова: плазменная наплавка, серый чугун, никель, железо, медь, ледебурит, глубина проплавления.

The effect of the chemical composition of the filler material on the formation of welded joint when grey cast iron is overlaid with alloys based on nickel. Lev B. Leontyev, School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

The paper is concerned with the effect which the iron present in the filler material based on nickel has on the physico-mechanical and metallographic properties of welded joints in the course of plasma overlaying with DC of straight polarity. The optimum content of iron in the nickel alloy has been established which provides minimum values of the depth of the penetration of cast iron and the width of the ledeburitic zone. The effect which the content of iron has on the geometrical parameters of weld bead and the hardness of alloy has been established as well.

Key words: plasma overlaying, cast iron, nickel, iron, copper, ledebour, depth of penetration.

В современном судовом машиностроении чугун - один из основных конструкционных материалов, поэтому восстановление чугунных деталей судового оборудования является одной из важнейших задач судоремонтного производства. Из чугуна изготавливают сложные, тяжело нагруженные, дорогостоящие базовые детали судового оборудования, от качества ремонта которых зависит работоспособность узла или оборудования в целом.

Основные причины отказов чугунных деталей: коррозионно-эрозионный и кавитаци-онный износы, работа детали в условиях различного вида изнашивания и одновременного действия статических и циклических нагрузок [6].

© Леонтьев Л.Б., 2013

Одним из основных материалов, применяемых для холодной сварки и наплавки чугуна, являются сплавы на никелевой основе, которые не закаливаются в условиях сварочных процессов и обладают высокой механической прочностью.

Для наплавки никелевых сплавов на чугун необходим способ, обеспечивающий минимальное проплавление основного металла, чтобы избежать значительных участков ледебурита в зоне сплавления и качественное сварное соединение. Наиболее перспективным способом сварки при использовании в качестве присадочного материала порошкового материала является плазменная наплавка.

Химический состав присадочного материала для плазменной наплавки чугуна разрабатывали с целью получения пластичного наплавленного металла и высококачественного сварного соединения при минимальном содержании в нем никеля.

Обеспечение заданной пластичности металла шва для избежания трещин в сварном соединении достигается:

1) выбором состава наплавочного материала с меньшим пределом текучести по сравнению с прочностью основного материала;

2) выбором метода и режимов наплавки, обеспечивающих минимальное проплавление основного металла и его перемешивание с наплавляемым, для уменьшения количества углерода и вредных примесей (кремния, фосфора и т. д.) в наплавленном металле.

Избежать попадания элементов основного металла в наплавленный практически невозможно, поэтому в качестве присадочного материала чаще всего применяют металлы и сплавы, не образующие карбидов с углеродом (медь, никель) [5, 7].

Никель влияет на распад цементита с образованием графитовой эвтектики и вызывает образование аустенитной структуры наплавленного металла, снижает степень нестабильности структуры сварного соединения, существенно уменьшает количество образующегося ледебурита (размер участков отбела) в зоне сплавления [1, 5].

При наплавке высоконикелевыми материалами создаются благоприятные условия для диффузии никеля в зону неполного расплавления вследствие как большего градиента концентрации этого элемента, так и несколько большего коэффициента диффузии в жидком расплаве по сравнению с другими элементами [7].

Качество соединений существенно зависит от химического состава наплавочного материала. Лучшие результаты отмечены при наплавке сплавами на основе железа и никеля [2].

Натекая на оплавленную поверхность, сварочная ванна дополнительно оплавляет матрицу в межграфитных микрообъемах и частично разрушает графитные включения. Однако большая доля объема графитных включений остается в гнездах матрицы, препятствуя смачиванию поверхности. Дальнейшее протекание процесса формирования соединения зависит главным образом от состава сварочной ванны, определяющего характер взаимодействия металла с графитом на возникающей межфазной поверхности [2].

Жидкий никель способен растворить значительное количество углерода, который при охлаждении выделяется, как правило, в виде графита. Однако этого недостаточно для качественного сплавления при сварке чугуна. Полезной легирующей добавкой является железо, в количестве 25-50% существенно повышающее растворимость углерода в сварочной ванне [3]. Композиция никеля с железом с содержанием 35-65% № характеризуется благоприятным сочетанием наименьшей величины зерна с минимальной усадкой, пониженной склонностью к транскристаллизации, более высокой степенью графитизации. В качестве основы химического состава металла шва для сварки чугуна без подогрева рекомендуется содержание никеля 3565% и железа 25-55%. Под влиянием железа улучшаются технологические свойства никелевого сплава и увеличивается его стойкость против кристаллизационных трещин [4].

При разработке состава присадочного материала учитывался переход элементов 81, Р, 8 из чугуна в наплавляемый металл и их влияние на свойства сплава на никелевой основе. Сера и фосфор ограниченно растворимы в никеле и, вследствие проявления эффекта адсорбционного понижения пластичности и прочности, резко снижают деформационную способ-

ность никеля и его сплавов и, соответственно, повышают их склонность к образованию кристаллизационных трещин [4, 5].

Для определения рационального содержания железа в присадочном материале на никелевой основе были исследованы физико-механические и металлографические свойства сварных соединений с различным содержанием железа, а также дополнительным легированием сплава медью. Наплавку осуществляли на постоянном токе прямой полярности. Параметры режима наплавки:

сила тока, А 150-160;

расход плазмообразующего газа, л/мин 3-4; расход защитного газа (аргона), л/мин 10-12 скорость наплавки, м/с 1,0-1,8;

амплитуда колебаний плазмотрона, мм 12-20; частота колебаний плазмотрона, Гц 0,5-0,7.

Температура плавления присадочного железоникелевого сплава выше температуры плавления чугуна, поэтому при плазменной наплавке основной металл будет обязательно расплавляться. В этом случае соединение наплавляемого и основного металлов происходит в результате образования общей сварочной ванны и ее последующей кристаллизации.

Изменение массовой доли железа в никелевом сплаве влияет на смачивание чугуна жидким присадочным материалом, размеры и форму наплавляемого валика, физико-механические свойства и металлографические особенности сварного соединения. По мере увеличения содержания железа в присадочном материале ПГ-10Н-04 от 0,5 до 30% смачивание чугуна жидким сплавом улучшается (рис. 1): уменьшаются краевой угол смачивания и высота валика и возрастает ширина валика (параметры валика приведены на рис. 2).

В,мм ТН;

14 -- 4,5

13 -- 4,0

12 —3,5

11 -3,0

10 -- 2,5

9 -2,0

0°

70 60

50 40 30 20

10

20

30

40

50

Ре,%

Рис. 1. Зависимость ширины Н, высоты валика В и угла смачивания 0 при плазменной наплавке от количества железа в присадочном материале на никелевой основе: 1 — ширина валика; 2 — высота валика; 3 — краевой угол смачивания

0

Дальнейшее увеличение массовой доли железа до 50-60% лишь приводит к уменьшению высоты валика. При содержании железа менее 20% валик получается высоким и узким, поэтому наплавка широких слоев затруднительна из-за неудовлетворительного формирования последующего валика и его сплавления с предыдущим. Требуемое качество наплавленного слоя в этом случае можно обеспечить только наплавкой на повышенном токе, что приводит к резкому увеличению глубины проплавления чугуна и ширины ледебуритной зоны.

Глубина проплавления чугуна (рис. 3) резко уменьшается при увеличении массовой доли железа в присадочном материале до 10-18%, что объясняется улучшением смачивания,

увеличением скорости растекания наплавляемого сплава по поверхности чугуна и отсутствием непосредственного воздействия плазменной дуги на основной металл (между дугой и основным металлом находится жидкий присадочный металл, который и предохраняет чугун от воздействия дуги). Дальнейшее увеличение содержания железа практически не оказывает влияния на глубину проплавления чугуна.

В

Рис. 2. Основные размеры наплавленного валика: В - ширина; к — глубина проплавления; 01? 02 — краевые углы смачивания

Рис. 3. Зависимость ширины зон чугуна, прилегающих к границе сплавления, от содержания железа в никелевом сплаве: 1 — ширина ЗТВ; 2 — ширина мартенситной зоны; 3 — глубина п р о п л а в л е н и я чугуна

Структура наплавленного металла зависит от массовой доли железа в присадочном материале и представляет собой:

а) при наплавке порошком ПГ-10Н-04

у + эвт(а+№3В) + железистые включения;

б) при содержании железа 10% в присадочном материале

у + эвт(а+№3В) + БегВ + железистые включения;

в) при содержании железа от 20 до 40 %

у + эвт(а+№3В) + БегВ + Бе№3 + железистые включения;

г) при содержании железа от 50 до 60%

а + у + эвт(а+Бе?В) + №3В + железистые включения, где у - твердый раствор Бе и Si в №; а - твердый раствор Si и № в Бе; эвт - эвтектика.

Кроме того, по мере увеличения массовой доли железа в присадочном материале количество и размер железистых включений в наплавленном металле возрастают. Железистые

включения имеют мартенситно-трооститную структуру с включениями остаточного аустени-та и цементита вторичного.

Твердость наплавленного металла (рис. 4) по мере увеличения массовой доли железа сначала плавно возрастает и достигает максимального значения, близкого к твердости чугуна при содержании 30% железа, затем снижается.

Непосредственно к наплавленному металлу прилегает зона сплавления. Структура зоны не зависит от химического состава присадочного материала в данном диапазоне содержания железа и состоит из зерен твердого раствора никеля и кремния в железе, ледебурита, мартенсита, аустенита остаточного, цементита вторичного и графита. Некоторое увеличение ширины ледебуритной полосы при увеличении массовой доли железа в присадочном материале происходит из-за возрастания содержания железа в зоне сплавления и насыщения его углеродом в результате растворения графита чугуна (рис. 5).

Рис. 4. Зависимость твердости наплавленного металла на никелевой основе от содержания железа в присадочном материале

Рис. 5. Зависимость ширины ледебуритной зоныот содержания железа в присадочном материале

Введение меди в количестве 4-5% в железоникелевый сплав [4] позволяет уменьшить количество ледебурита в зоне сплавления, поэтому медь является полезной легирующей добавкой.

Структура ЗТВ не зависит от массовой доли железа в присадочном материале и состоит из следующих структурных составляющих: мартенсита, троостита, сорбита, цементита вторичного, аустенита остаточного и графита пластинчатого. Полоса с мартенситной структурой, прилегающая непосредственно к ЗС, образуется во всех случаях наплавки.

Ширина ЗТВ и мартенситной полосы (рис. 3) увеличивается по мере возрастания массовой доли железа в присадочном материале вследствие увеличения температуры его плавления и тепловложения в основной металл.

Таким образом, оптимальное сочетание механических, технологических свойств и металлографических параметров обеспечивается при содержании в присадочном материале на никелевой основе от 20 до 40% железа и 4-5% меди.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богачев И.Н. Металлография чугуна. Свердловск: Изд-во черной и цветной металлургии, 1962. 392 с.

2. Грецкий Ю.Я. Образование соединения при дуговой сварке конструкционных чугунов. I. Роль графитной фазы основного металла // Автоматическая сварка. 1980. № 6. С. 1-4.

3. Грецкий Ю.Я. Образование соединения при дуговой сварке конструкционных чугунов. II. Условия качественного сплавления // Автоматическая сварка. 1980. № 8. С. 27-29.

4. Грецкий Ю.Я., Тихоновская Л.Д. Выбор рационального содержания никеля в швах сварных соединений чугуна // Автоматическая сварка. 1979. № 7. С. 35-38.

5. Иванов Б.Г., Журавицкий Ю.И., Левченков В.И. Сварка и резка чугуна. М.: Машиностроение, 1977. 208 с.

6. Леонтьев Л.Б. Технологическое обеспечение надежности судового оборудования. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2009. 544 с.

7. Стеренбоген Ю.А., Хорунов В.Ф., Грецкий Ю.А. Сварка и наплавка чугуна. Киев: Наукова думка, 1966. 210 с.