Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние структурно-фазовых параметров на износостойкость наплавочных материалов 12
1.1. Изнашивание и износостойкость материалов 12
1.2. Назначение и характеристика состава наплавленных материалов 17
1.3. Повышение износостойкости методами термической и химико-термической обработки 23
1.4. Влияние легирования наплавленного металла на состояние его карбидной фазы и износостойкость
1.5. Выбор материалов и методов получения оптимальных структурно - фазовых параметров
1.6. Структурно-фазовые превращения при трении и их влияние на износостойкость 50
Глава 2. Материалы и методика исследования 66
2.1. Исследуемые материалы 66
2.2. Качественная и количественная оптическая металлография 67
2.2.1. Качественная оптическая металлография 67
2.2.2. Количественная оптическая металлография 68
2.3. Просвечивающая и растровая электронная микроскопия 69
2.4. Рентгеноструктурный анализ 71
2.5. Микрорентгеноспектральный анализ 72
2.6. Разработка испытательной установки на трение вращения 73
2.7 Испытания образцов наплавленного металла на твёрдость, микротвердость и износостоикость(є) 76
Глава 3. Исследования структурно - фазовых превращений по сечению многослойных наплавочных материалов с феррито-перлитной и аустенитно-мартенситной структурами 80
3.1. Исследования исходного состояния металла основы из стали 45
3.1.1 Металлографические исследования 80
3.1.2.Рентгеноструктурные исследования 82
3.1.3. Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии 85
3.1.4. Исследования микротвердости и износостойкости 89
3.2. Исследования слоев наплавочных материалов с феррито-перлитной структурой, полученных под флюсом ФЦ-16 93
3.2.1. Металлографические исследования наплавочных материалов, полученных под флюсом ФЦ-16 93
3.2.2.Рентгеноструктурные исследования наплавочных материалов, полученных под флюсом ФЦ-16 97
3.2.3. Исследования наплавочных материалов, полученных под флюсом ФЦ-16, методом просвечивающей электронной микроскопии 99
3.2.4. Исследования распределения легирующих элементов в наплавках, полученных под флюсом ФЦ-16
3.2.5. Исследования микротвердости и износостойкости наплавок, полученных под флюсом ФЦ-16
3.3. Исследования наплавочных материалов с аустенитно-мартенситнои структурой, полученных под флюсом ФК-45
3.3.1. Металлографические исследования наплавочных материалов, полученных под флюсом ФК-45
3.3.2. Рентгеноструктурные исследования наплавочных материалов, полученных под флюсом ФК-45 121
3.3.3. Исследования распределения легирующих элементов в наплавках, полученных под флюсом ФК-45 127
3.3.4. Исследования микротвердости и износостойкости наплавок, полученных под флюсом ФК-45 132
3.4. Сравнение результатов исследований наплавочных материалов, полученных под флюсами ФЦ-16 и ФК-45 136
Глава 4. Исследования и оптимизация количества структурных и фазовых составляющих в наплавочных материалах с аустенитно - мартенситно - ледебуритной структурами 141
4.1. Результаты химического анализа опытных наплавленных материалов 141
4.2. Результаты испытаний опытных наплавок на твёрдость, микротвердость и износостойкость 142
4.3. Рентгеноструктурный фазовый анализ опытных наплавленных материалов 149
Глава 5. Исследования и оптимизация морфологии распределения карбидов и карбидосодержащих фаз в наплавочных материалах с аустенитно — мартенситно - ледебуритной структурами 161
5.1. Исследование опытных наплавленных материалов методом просвечивающей электронной микроскопии 161
5.2. Металлографические исследования опытных наплавленных материалов 173
5.3. Принципиальная схема структурно-фазового состояния наплавочных материалов 180
Выводы 186
Литература 189
Приложение 1 202
Приложение 2 203
Приложение 3 206
Приложение 4 208
Приложение 5 209
- Назначение и характеристика состава наплавленных материалов
- Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии
- Результаты испытаний опытных наплавок на твёрдость, микротвердость и износостойкость
- Исследование опытных наплавленных материалов методом просвечивающей электронной микроскопии
Введение к работе
Актуальность работы.
Известно, что примерно 85% отказов машин и механизмов происходит из-за износа их деталей и узлов. Для решения задач увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения, в частности многослойные наплавки, нашедшие широкое применение в производстве разнообразных изделий - от крупногабаритных, таких как валки прокатных станов, штампы, до мелких деталей типа рабочих лопаток смесителей.
В процессе дробления, гранулирования, приготовления различных асфальтобетонных и битумоминеральных смесей, происходит интенсивное абразивное изнашивание рабочих лопаток смесителей, срок службы которых составляет менее 2 месяцев, тогда как другие детали смесителей приходится менять в 3 раза реже, что снижает технико-экономические показатели производства.
Согласно классификации международного института сварки, применение наплавок из износостойких хромистых сталей системы Fe-C-Cr-Mn—Si-Ni-W-Mo с повышенным содержанием углерода, является одним из весьма эффективных способов повышения сопротивления абразивному изнашиванию на рабочих лопатках смесителей. Наилучшую стойкость в условиях абразивного изнашивания имеют многослойные наплавки с карбидным упрочнением. Однако существенным недостатком высоколегированных наплавочных материалов является снижение их вязко-пластических и прочностных свойств из-за структурной неоднородности по сечению наплавки, наличия избыточной карбидной фазы и появления трещин, как в самом процессе наплавки, так и при последующей эксплуатации детали.
Анализ литературных данных показал, что способность металла к сопротивлению абразивному изнашиванию зависит не только от типа и количества карбидов или боридов, но и от способности основы прочно удерживать твёрдые включения. Так, при неблагоприятной структуре, сплавы с большим количеством упрочняющей фазы могут оказаться весьма мало износостойкими вследствие как их недостаточной твёрдости, так и чрезмерной хрупкости металлической матрицы. При отсутствии достаточной связи на границе раздела фаз, происходит выкрашивание твёрдых включений. Однако в литературе пока ещё не получили достаточного освещения работы, касающиеся вопросов комплексного исследования структурно-фазовых превращений в многослойных наплавочных материалах на всех структурных уровнях.
Поэтому, работа по установлению закономерностей структурных и фазовых превращений и их влияния на повышение износостойкости многослойных наплавочных материалов и увеличения срока службы рабочих лопаток смесителей, является, безусловно, актуальной.
Цель работы и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в изучении на различных структурно-масштабных уровнях закономерностей структурных и фазовых превращений в объеме многослойных наплавочных материалов для повышения износостойкости деталей машин.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать методику триботехнических испытаний материалов, которая позво
лит получить достоверные результаты;
провести исследования влияния размера зерна, степени легирования матрицы и
количества упрочняющих фаз на износостойкость наплавочных материалов, на
ходящихся в феррито-перлитном и аустенитно-мартенситном состояниях;
провести исследование фазового состава и морфологии распределения карбидов и карбидосодержащих фаз.
установить качественные и количественные закономерности изменения параметров структурно-фазового состояния, как в материале основы, так и во всех последующих наплавочных слоях на различных расстояниях от линии сплавления;
сделать научно-обоснованный выбор оптимального состояния наплавочного мате-
риала поверхностного слоя, обеспечивающего максимальную износостойкость рабочих лопаток смесителей;
разработать испытательную центробежную установку (ИЦУ), имитирующую
ударное воздействие гранитными частицами и позволяющую исследовать струк
турные и фазовые превращения в наплавочных материалах рабочих лопаток сме
сителей на этапе их эксплуатации.
Научная новизна.
При помощи метода просвечивающей электронной микроскопии впервые обна
ружено закономерное изменение структурно-фазового состояния и свойств мате
риала в наплавочных слоях по толщине многослойных наплавок. Показано, что
вблизи линии сплавления со стороны материала основы в структуре формируются
значительные термические напряжения, достигается максимальная твёрдость и
пересыщение легирующими элементами. Во втором наплавочном слое происхо
дит максимальное разупрочнение материала, присутствуют все признаки зоны
термического влияния. В четвёртом поверхностном слое происходит повторное
упрочнение материала за счёт формирования ячеистых дислокационных структур
Установлено, что износостойкость наплавочных материалов увеличивается по ме-
ре возрастания зернограничного, твёрдорастворного и дисперсионного упрочнения матрицы с предпочтительным вкладом последнего.
Установлено оптимальное количественное соотношение мартенситной, аустенит-ной, и упрочняющей фаз, обеспечивающих максимальную износостойкость наплавок, которое достигается при относительно равном их соотношении.
Показано, что износостойкость наплавочных материалов определяется не только количеством и размером структурных и фазовых составляющих, но и их морфологией распределения. Максимальной износостойкостью обладают мелкие зёрена с твёрдой мартенсито - карбидной структурой, оконтурованные мягкой аустенитно - ледебуритной карбидосодержащей оторочкой.
В результате проведенных исследований получены новые технические решения, подтвержденные патентом РФ.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученный комплекс результатов исследования структурных и фазовых превращений и физико-механических свойств наплавочных материалов различного структурного типа по-
зволил дать рекомендации для повышения износостойкости поверхности рабочих лопаток смесителей.
Результаты работы были использованы на предприятиях ОАО "ЛМЗ", ООО "Орис - ММ", 000 "Альянс".
Результаты работы нашли отражение в разработке методических указаний в рамках проводимых преподавателями лабораторных работ по дисциплине «Методы триботехнических испытаний», в разработке учебного пособия.
Результаты работы нашли отражение при чтении автором лекций по дисциплинам «Основы теории трения» и «Физико-химические процессы при трении».
Достоверность результатов обеспечивается использованием фундаментальных положений физики твёрдого тела, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных), сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 11 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на: 1 и 2 Собрании металловедов России, Пенза, 1993, 1994; Международной конференции «Технология-94», СПб., 1994; 8-ой Международной конференции «Пленки и покрытия», СПб., 2007; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», Самара, 2007; World Conference Friction, Wear and Wear Protection (DGM), German, held in Aachen, April 9-11, 2008; Ha XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, СГТУ, 2009; II Международном семинаре «Техника и технология трибологических исследований», Иваново, ИГУ, 2009; World Conference "4 th World Tribology Congress" (WTC IV) Japan, Kioto, September 6-11,2009; на ХХ-ых «Петербургских чтениях по проблемам прочности», СПб., 2010; 49 международная конференция Актуальные проблемы прочности, Киев, Украина, 2010; на научно-технических семинарах кафедры «Триботехника» ПИМаш 2006-2010г.г.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 21 печатных работах, в том числе в 3-х статьях, в изданиях, входящих в список ВАК РФ. Библиографический список основных работ приведён в конце автореферата.
Диссертационная работа была выполнена автором: - в рамках Гранта РФФИ № 05-08-65442 (2005-2008 гг.); - в рамках целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" № 2.1.2/1147 (2009-2010 гг.) (н.р. проф. М.А. Скотникова).
Струїстура и объем работы Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 144 наименований и приложения, изложена на 210 страницах, включая: 17 - таблицы, 97 рисунка.
Назначение и характеристика состава наплавленных материалов
Покрытия рабочих поверхностей деталей машин, изготовляемых обычно из конструкционных сталей слоем специального сплава, более износостойкого, чем основной материал детали, получило широкое применение в разных областях машиностроения. Такое покрытие осуществляется разными способами, сводящимися к расплавлению металла покрытия. Как материалы покрытия, так и процесс его нанесения называется наплавкой.
Покрытия методом наплавки можно применить для повышения износостойкости деталей, работающих при обычной и при высокой температурах, а также в агрессивной среде. В соответствии с практическим опытом, подтверждающим общую тенденцию материалов повышать абразивную износостойкость с увеличением твёрдости, такие наплавки получили название "твёрдые наплавки".
Наиболее часто наплавочные материалы классифицируют по использовании их в той или иной отрасли промышленности или по химическому составу наплавляемого металла [13, 14]. Во многих случаях наплавляемые детали машин и конструкции, а также различный инструмент испытывают при эксплуатации не только на абразивное изнашивание, но и ударные нагрузки, поэтому целесообразно классифицировать наплавочные материалы с учётом способности противостоять не только абразивному износу, но и ударным нагрузкам [15,16,17].
В связи с этим все наплавочные материалы можно разделить на 5 основных групп [18,19]:
1) для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания без ударных нагрузок;
2) для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания с незначительными ударными нагрузками;
3) для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания со значительной ударной нагрузкой;
4) для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания с очень сильной ударной нагрузкой;
5) для деталей, работающих в условиях гидроабразивного изнашивания.
В США было принято деление наплавочных материалов на 4 группы по химическому составу:
1) малолегированные на железной основе (от 2 до 12 % легирующих элементов);
2) высоколегированные на железной основе (от 12% до 50% легирующих элементов);
3) материалы на основе никеля и кобальта;
4) материалы, содержащие, в основном, карбиды вольфрама (75% и более).
Наиболее широкое применение в промышленности находят сплавы 1 группы. Сплавы третьей группы применяют в условиях сопротивления изнашиванию при высокой температуре и действии агрессивных сред. Наиболее износостойкие материалы входят в третью и четвёртую группы [20,21].
Наиболее распространённые износостойкие наплавочные материалы включают в себя: аустенитные высокомарганцовистые стали, хромистые стали, карбидные стали класса быстрорежущих, высокохромистые чугуны; хромо-вольфрамовые теплостойкие стали, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом, никелевые сплавы с хромом и бором, никелевые сплавы с молибденом, карбидные спечённые сплавы и т.д. [22,23]. Система легирования наплавочных материалов охватывает большой перечень сочетаний: Fe-C-Cr; Fe-C-Mn; Fe-C-W; Fe-C-Cr-Mn; Fe-C-Cr-B; Fe-C-Cr-Ni; Fe-C-Mo; Fe-C-Cr-Mo; Fe-C-Cr-W; Fe-C-Cr-W-V; Fe-C-Cr-W-B и т.д. Основные структурные составляющие таких сплавов после наплавки: мартенсит (58...60 HRC); аустенит (35...40 HRC); перлит (50 HRC); аустенит и ледебурит (40...50 HRC); ледебурит и карбиды (60... 63 HRC); сорбит (50... 52 HRC) и т.д. Количество углерода и легирующих элементов в наплавочных сплавах обычно колеблется в широких пределах: С - от 0,3 до 4,8 %; Сг - от 2 до 30 %; Мп - от 0,5 до 15 %; W - от 1 до 18 % ; В - от 0,1 до 6 %. Самыми распространёнными системами легирования наплавочных материалов (на железной основе) являются системы Cr-W-V; Сг-Мп; Cr-Ni. Наиболее распространёнными элементами для легирования являются Сг, Мп, В.
Углерод как легирующий элемент входит во все износостойкие сплавы на основе железа. За рубежом для борьбы с абразивным изнашиванием применятся сплавы на железной, никелевой и кобальтовой основе [24,25].
Для сплавов на железной основе такие легирующие элементы, как С, Сг, Мп, применяются при всех видах абразивного изнашивания: при абразивном изнашивании без ударных нагрузок; при абразивном изнашивании с незначительной ударной нагрузкой; при абразивном изнашивании и очень сильными ударными нагрузками. Кроме вышеперечисленных легирующих элементов для сплавов, работающих в условиях первого вида абразивного изнашивания, используется V, для второго- Мп, В, Се; для третьего вида - V, Мп, Се, В; для четвёртого вида, кроме С, Сг, Мп, Ni, используется ещё и Со [26].
Наиболее удобна классификация по химическому составу, предложенная Международным институтом сварки (см. таблицу 1.1) [16].
Наплавочные материалы классифицируют по виду и общему количеству легирующих добавок. Низкоуглеродистые и низколегированные стали находят применение при ремонте и восстановлении различного рода роликов, колес электромостовых кранов, посадочных мест под подшипники осей и валов, а также для создания технологического подслоя при наплавке высокоизносостойких сплавов. Углеродистые низколегированные стали, содержащие более 0,4 % углерода и до 5 % легирующих добавок, применяют для наплавки износостойких штампов холодной и горячей штамповки, ножей грейдеров и бульдозеров, ножей бумагоделательных машин и других деталей. Твердость покрытий, полученных наплавкой таких сталей, колеблется в пределах 40...62HRC [21,22,26].
Также можно отметить, что Сг, Мп и Ni, являются наиболее распространенными элементами, применяемыми за рубежом для легирования наплавочных материалов, работающих в условиях абразивного изнашивания наплавленного металла, а поведение материалов в работе в значительной степени определяется микроструктурой.
Для восстановления износостойкой наплавки зубьев ковшей экскаваторов австралийские исследователи рекомендуют сложные сплавы на основе железа, содержащие 5 % С; 22 % Сг; 7 % Nb и 1,0% В, или 5% С; 6 % Сг; 7 % Ті;, а также карбиды вольфрама в матрице на основе никеля. Объём карбидной фазы в таких сплавах достигает 80%. Однако при этом, как сообщается в работе [27], была достигнута сопротивляемость абразивному изнашиванию в сочетании с высокой пластичностью и хорошей способностью противостоять ударным нагрузкам.
Высокомарганцевые аустенитные стали, содержащие 13 % марганца, отличаются высокой противоударной стойкостью и способностью наклёпываться, в результате чего твердость их поверхности возрастает до 450...500 НВ. Такие наплавки используются для создания износостойких и ударопрочных покрытий на деталях дробильно-размольного оборудования, железнодорожных крестовинах и т.п. [31].
Хромоникелевые аустенитные стали, легированные марганцем, приобретают высокую вязкость и склонность к наклепыванию поверхности. Наиболее эффективная область применения этих сталей - наплавка деталей, подверженных кавитационному износу: лопатки гидротурбин, плунжеры гидропрессов, рабочие детали насосов [31].
Хромистые стали отличаются сочетанием высокой коррозионной стойкости, прочности и износостойкости. Твердость наплавленных слоев колеблется в пределах 34...48 HRC. Эффективные области их применения - наплавка уплот-нительных поверхностей задвижек для газа и воды, плунжеров гидропрессов, штампов и др. [28]
Хромовольфрамовые и хромомолибденовые стали, обладающие высокой стойкостью к термической усталости и износу, применяют для наплавки валков горячей прокатки, штампов горячей штамповки и др. Твердость покрытий, наплавленных этими сталями, составляет 40...50 HRC [28].
Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии
Для изучения структурных составляющих исходного состояния металла основы из стали 45 были проведены электронномикроскопические исследования. На рисунке 3.6 приведены фотографии структуры исходного состояния металла основы из стали 45 при 16000(a), 24000(6) и 39000(a) увеличении. Было выявлено, что в основе из стали 45 присутствуют зёрна структурно-свободного феррита и колонии перлита размером 5-15 мкм с межпластинчатым расстоянием 0,08-0,14 мкм (см. рисунок 3.6 (а, б, в)).
Вблизи линии сплавления со стороны металла основы (жидко - фазного превращения) присутствовали мощные экстинкционные контура, что хорошо видно на рисунке 3.7(a), обусловленные действием полей термических напряжений, достигались минимальные значения дислокационной плотности 2-Ю , см "2. Происходило растворение пластин цементита, наблюдалось значительное повышение микротвёрдости светлой фазы до 5700 МПа, за счёт пересыщения его углеродом и кремнием до 0,1 и 0,2%, соответственно.
На рисунке 3.8 представлена панорама структуры в исходном металле основы из стали 45 вблизи линии сплавления при 16000 кратном увеличении. Здесь происходило формирование верхнего бейнита, который образуется в интервале температур 500-350 С и имеет вид «резаной соломы». В верхнем бей-ните карбидные частицы выделяются в виде изолированных узких полосок между пластинами феррита и внутри пластин. Подобная структура обеспечивает пониженную прочность в сочетании с невысокой пластичностью.
На рисунке 3.9 изображена панорама структуры исходного состояния металла основы из стали 45 вблизи линии сплавления при 24000 кратном увеличении. Наблюдаем перлитные колонии и светлую блестящую полосу структурно свободного феррита.
Результаты испытаний опытных наплавок на твёрдость, микротвердость и износостойкость
На рисунке 4.2 представлен эскиз образца для измерения твёрдости наплавленного металла. Твёрдость измерялась по Роквеллу (шкала С), на стандартных образцах размером 30x30x15 мм в пяти точках. Образцы наплавлялись в пять слоев. Места замера твёрдости представлены на рисунке 4.2. Результаты измерения твёрдости представлены в таблице 4.2 и на рисунке 4.3.
Из результатов, представленных в таблице 4.2, видно, что твёрдость наплавок изменяется от 27,5 HRC для наплавки №1 до 61HRC для наплавки №8. Микротвердость изменяется от 3600 МПа для наплавки №1 до 12500 МПа для наплавки №8.
Как видно из рисунка 4.3, максимальная твердость достигалась на наплавках №3 и №8 (60HRC и 61HRC соответственно). Минимальная твердость соответствовала наплавкам №1 и №6 (27,5HRC и 33,5HRC соответственно). Как видно на рисунке 4.3, отражающем результаты измерения твёрдости, для образцов 1, 4, 3 наблюдается нарастание твёрдости, за исключением 7 и 6 образцов, для которых твёрдость снижается на 14 и 24 единицы, т.е. на 23 и 40% соответственно. Из графиков твёрдости и износостойкости видно, что высокая твердость не всегда соответствует высокой износостойкости. Например, обладающая максимальной твердостью 60HRC, наплавка №3 имеет более низкую износостойкость по сравнению с такими менее твёрдыми наплавками, как №№ 5, 6, 7.
Ранее считалось, что твёрдость тождественна износостойкости. Поэтому при выборе наплавочного материала часто стремились к получению высокой твёрдости, считая, что чем выше твёрдость, тем износоустойчивее материал [16,50]. В настоящее время установлено, что только характер структуры, свойства структурных составляющих и твёрдость металла, рассматриваемые в совокупности, позволяют судить о действительном поведении наплавленного металла при том или ином виде абразивного изнашивания.
Как видно из рисунка 4.3, микротвердость изменяется от 3600 МПа для наплавки №1і до 12500 МПа для наплавки №8. Максимальная микротвердость Ни. была получена в наплавках №7 и №5 (12140 МПа и 12500 МПа соответственно). Минимальная микротвердость была получена в наплавке №1 (3600 МПа). Для1» наплавки №6 наблюдаются минимальная, твердость (33,5HRC) и микротвердость (7450МПа), близкая к минимальному значению. Видно, что для образцов 4,3,7,2,8 повышение макротвёрдости происходит при одновременном снижении-их микротвёрдости, что хорошо объясняется перераспределением легирующих элементов во время-карбидо- и боридообразования. В случае большого твёрдорастворного упрочнения матрицы (высокая микротвёрдость), карбиды и бориды не образуются (низкая макротвердость), и, напротив, в случае образования вторичных фаз (высокая макротвёрдость) и выхода легирующих элементов из твёрдого раствора, прочность (микротвёрдость) тела зерна (матрицы) снижается. Величина износостойкости, как правило, зависит от трех составляющих: твёрдости матрицы сплава; твёрдости упрочняющих матрицу частиц; прочности сцепления этих упрочняющих частиц в сплаве.
На наплавках 5 и 7 достигалась максимальная концентрация карбидооб-разующих легирующих элементов в твёрдом растворе, не связанных в карбиды (см. рисунок 4.4). На этих же наплавках достигалась и максимальная твёрдость, что обеспечивало твёрдорастворное упрочнение наплавочных материалов.
Механические испытания на абразивный износ проводились на специальной установке, описание которой дано в разделе "Методика исследования и исследуемые материалы". Результаты, полученные в процессе испытаний (таблица 4.2), представлены на рисунках 4.5, 4.6 и расположены в порядке возрастания износостойкости в зависимости от порядкового номера сплава. Оценку износостойкости (є) производили относительно эталона, которым являлась сталь 45. Относительная износостойкость наплавочных материалов изменялась в широком интервале от 0,63 (для наплавки№1) до 5,89 (для наплавки №8). Следует отметить не монотонное, а ступенчатое возрастание износостойкости для образцов наплавок (1, 4, 3, 7- 1 ступень, 6, 5, 2 — 2ступень, 8 — Зступень), которое, вероятно, может быть обусловлено не только количественными, но и качественными изменениями в структуре исследованных наплавок. С помощью оптической металлографии были получены фотографии микроструктуры наплавочных материалов и определены средние размеры зёрен структуры наплавочных материалов. На рисунке 4.5 представлены результаты измерения среднего диаметра зерна (D3) по мере повышения износостойкости наплавок. Видно, что износостойкость наплавок возрастала по мере уменьшения размера первичных аустенитных зёрен (D3), что обеспечивало зернограничное упрочнение наплавочных материалов. Исключение составляла наплавка №1, которая имела феррито-карбидную структуру.
Таким образом, относительная износостойкость наплавок возрастала по мере уменьшения размера первичных аустенитных зёрен (D3), что обеспечивало зернограничное упрочнение наплавочных материалов, а также по мере увеличения концентрации карбидообразующих легирующих элементов в твёрдом растворе, не связанных в карбиды, что обеспечивало твёрдорастворное упрочнение наплавочных материалов.
Исследование опытных наплавленных материалов методом просвечивающей электронной микроскопии
Результаты, полученные в данной главе, были опубликованы автором в работах [132-144].
Для детального исследования и анализа морфологии и распределения фаз в структуре были выполнены электронно-микроскопические исследования. Электронно-микроскопические исследования проводились на электронном микроскопе ЭМ-200 при ускоряющем напряжении 75 кВ. Технология приготовления одноступенчатых угольных реплик соответствует стандартным методикам [87, 101, 102, 103,104, 106].
На рисунках 5.1 - 5.9 представлены электронно-микроскопические фотографии структур исследованных наплавочных материалов по мере возрастания их износостойкости. Анализ изображений позволил выявить морфологические признаки фаз, расшифрованных методом рентгеноструктурного анализа.
На приведённых снимках а-фаза железа (основная фазовая составляющая структуры исследованных наплавок) - светлая (рисунки 5.1, 5.8), а у-фаза (остаточный аустенит) — тёмная (рисунки 5.1, 5.5).
Карбид NbC (0,8 мкм) во всех исследованных наплавках входил в состав эвтектики с аустенитом (A+NbC), располагающейся вдоль границ зёрен (рисунки 5.1, 5.5).
Карбоборид СпВС4 , также залегал в аустенитной составляющей вдоль границ зёрен (рисунки 5.1, 5.2, 5.3). Частицы карбоборида имели размер 0,5 мкм.
Карбиды хрома (Cr,Fe)7C3 прямоугольной неправильной формы располагались обычно в аустенитной составляющей вдоль границ зерен (средний размер этих частиц 1,6 мкм). Карбиды хрома (Cr,Fe)7C3 представлены на рисунках 5.1,5.2,5.5,5.8.
Мелкие карбиды V2C и Сгс С (размером приблизительно 0,1 мкм) округлой формы в наплавках№ 1, 5, 8 располагались, обычно внутри зерна (рисунки 5.1, 5.5, 5.8). Крупные частицы боридов хрома СгВг , СгВ (размером около 4мкм) залегали вдоль границ зёрен и вблизи эвтектики (A+NbC)(cM. рисунки 5.4, 5.5).
Трудно обнаружимые когерентные є - карбиды Fe2C наблюдались в мартенситнои структуре наплавок и выглядели в виде высокодисперсных частиц. Причём, в образце 2 они располагались во всём зерне с мартенсит-ной структурой, а в образце 6 они были обнаружены только в отдельных микроучастках (см. рисунки 5.6, 5.8).
На рисунке 5.10 приведены электронномикроскопические изображения упрочняющих фаз в опытных наплавочных материалах. Каждая из обнаруженных фаз имела свои морфологические признаки: карбид NbC во всех сплавах (наплавки 1, 3, 6, 5, 8) входил в состав эвтектики (аустенит + NbC), располагающейся вдоль границ зерен, рисунок 5.10(a).
Карбиды хрома (Cr, Fe)7C3 прямоугольной неправильной формы (наплавки 6, 8) и карбобориды Сг7ВС4 (наплавки I, 4, 7) располагались в аустенитнои составляющей, которая формировалась в виде окантовки вокруг зерен со структурой мартенсита, рис.5.10(6, в).
Мелкие частицы фазы внедрения карбида V2C округлой формы (в наплавках 1, 2, 8) выделялись внутри зерен (см. рисунок 5.10(г)). Тугоплавкие карбиды ванадия V2C, являясь центрами кристаллизации, приводят к значительному измельчению аустенитных зёрен формированию более развитой оторочки из аустенита.
Присадка ванадия в пределах 1,0% приводит к образованию дисперсных, тугоплавких соединений (нитридов, карбонитридов), которые являются центрами кристаллизации металла. При этом существенно измельчается структура, устраняется дендритность.
Частицы боридов СгВ и СгВ2 располагались вдоль границ зерен и вблизи эвтектики (аустенит + NbC) (в наплавках 3, 5, 8), рисунок 5.10(д).
В наплавках № 2, 5, 6 был обнаружен метастабильный s- карбид, имеющий гексагональную решетку (вероятная формула Fe2C), пониженное, по сравнению с цементитом, содержание углерода (см. рисунок 5.10е). Карбид когерентен с мартенситом, выделяется в виде дисперсных пластин или стержней. С повышением температуры отпуска до 150С или увеличением продолжительности отпуска карбиды укрупняются, на межфазной границе накапливаются упругие напряжения, граница из когерентной может стать полукогерентной. В двойникованном высокоуглеродистом мартенсите одновременно с є-карбидом в интервале 100 - 200С образуется низкотемпературный цементит (г-карбид), отличающийся от стабильного цементита параметрами ромбической решетки (возможная формула Fe2C). Структуры обоих этих метастабильных карбидов очень близки, что затрудняет идентификацию их.
Оказалось, что по мере возрастания износостойкости наплавок (s) в теле зерна и по их границам растет число вторичных фаз, увеличивается их размер, усложняется конфигурация.
В химическом составе образцов наплавленного металла присутствуют такие сильные карбидообразующие элементы, как Сг и Мо, которые на равновесной диаграмме Fe-C сдвигают влево критическую точку Е. Поэтому в сплавах с содержанием углерода 0,8-1,8 % (при комнатной температуре) возможно образование карбидной эвтектики, состоящей из остаточного аустенита и карбида NbC. Это подтвердили результаты расшифровки рентгенограмм исследуемых образцов. Вдоль границ зёрен с мартенситной структурой мы видели остаточный аустенит и большое количество высокотвёрдых карбидов, боридов и кар-боборидов, а также интерметаллические включения.
Несмотря на то, что Мо является сильным карбидообразующим элементом, соединения с бором и углеродом (карбиды, бориды, карбобориды) образовались только на основе Cr, Nb, V, Fe, которые образовали карбиды- типа МС, М2С, М7Сз,М2зСб и ещё более твёрдые, по сравнению с ними бориды типа МВ,МВ2, карбоборид СпВС4 и интерметаллид FeV.
Все эти соединения резко повышали износостойкость исследованных наплавок. Причём, было замечено, что все бориды, карбиды, карбобориды и интерметаллиды, образовались только при максимальных концентрациях основных легирующих элементов (таблица 4.4). Высокие износостойкие свойства в материалах наплавок достигаются при формировании вокруг зёрен с мартен-ситной структурой сплошной оторочки из аустенита, при содержании её не менее 70%.
На основании проведённого структурно-фазового анализа была создана схема структурной морфологии и распределения фазовых выделений в исследованных наплавках.
