Изучение возможности получения композиционного износостойкого покрытия системы Fe–SiC

Язык труда и переводы:
УДК:
621.791.92
Дата публикации:
19 мая 2022, 11:38
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Аннотация:
Рассмотрены возможности получения композиционного покрытия системы Fe–SiC методом дуговой наплавки порошковыми проволоками. Показаны схемы дуговой наплавки порошковой проволокой в среде защитных газов как с применением присадочной порошковой проволоки, так и без нее. В схеме с дополнительной присадкой присадочная проволока подается со стороны хвостовой части сварочной ванны. В качестве порошковой проволоки использовали проволоки, в состав шихты которых вводили карбид кремния. Сделан вывод, что в процессе наплавки карбид кремния разрушается, что приводит к легированию наплавленного металла кремнием и углеродом.
Ключевые слова:
наплавка, износостойкие покрытия, порошковая проволока, карбид кремния
Основной текст труда

В процессе работы различных деталей и изделий с абразивной средой возникает их непосредственное изнашивание, которое способствует снижению срока службы. Одним из способов увеличения рабочего ресурса оборудования, контактирующего с абразивной средой, является дуговая наплавка износостойких покрытий на рабочие части изделия. Структура таких покрытий представляет собой композиционную на основе железной матрицы, упрочненную тугоплавкими карбидами. Получение карбидов в составе наплавленного металла возможно двумя способами: непосредственным введением их в наплавленный металл в нерасплавленном виде — армированием (схема ex situ), либо их образованием в процессе легирования (схема in situ) [1, 2].

Одним из эффективных способов получения вышеупомянутых покрытий, как по первой схеме, так и по второй, является наплавка порошковыми проволоками в среде защитных газов. Причем, использование порошковых проволок возможно как электродных, так и в качестве присадочных [3].

Как было отмечено выше, наполнителем матрицы являются тугоплавкие карбиды. Наиболее распространенными из которых, для данных целей, являются карбиды хрома, ниобия, титана, ванадия и др. Однако, малоизученным в этом направлении является карбид кремния (SiC), который по своим показателям микротвердости и температуры плавления не уступает вышеупомянутым [1, 4].

Основной целью данной работы является изучение возможности получения износостойких композиционных покрытий на основе железной матрицы, упрочненных тугоплавкими карбидами кремния.

Исследования проводились с использованием экспериментальных порошковых проволок, в шихту которых вводили карбид кремния (проволоки ППН-21, ППН-22 и ППН-23). За базовый состав была выбрана проволока марки ППН-01, в состав шихты которой входили феррохром (ФХ850А по ГОСТ 4757), феррониобий (ФНб60 по ГОСТ 16773), ферробор (Фб-17 — по ГОСТ 14848) и графит (ГИИ-А по ТУ 1916-109-71–2000).

Отличие экспериментальных проволок от базовой заключается в частичной замене феррохрома на карбид кремния трех разных марок:

  • карбид кремния марки 64С М50 ГОСТ 26327–84, размером 40-50 мкм (ППН-21);
  • карбид кремния марки 53С 10 ГОСТ 26327–84, размером 100-125 мкм (ППН-22);
  • карбид кремния марки 53С 25 ГОСТ 26327–84, размером 250-315 мкм (ППН-23).

С использованием данных проволок были проведены пятислойные наплавки в смеси защитных газов (Ar 82 % + CO2 18 %) с колебаниями на токе 240–250 А, напряжением 30–32 В, расходом смеси 20 л/мин, амплитудой колебаний 18 мм, скоростью колебаний 60 колебаний/мин, задержкой на кромках 0,5 с.

Эксперименты выполнялись на установке для автоматической сварки в среде защитных газов фирмы Kemppi (источника питания PSS5000, механизма подачи FU30).

Данные проволоки были испытаны как электродные, так и в качестве дополнительной присадки, при электродной проволоке ППН-01.

При анализе микроструктуры наплавленного металла экспериментальными проволоками как электродных было замечено большое количество включений графита в верхних слоях наплавки всех трех образцов. Связано это как с высоким содержанием углерода в составе проволок, которое составляет 5,28–5,37 %, так и с высоким содержанием кремния, который является сильнейшим графитизатором [5]. Стоит отметить, что включений карбидов кремния обнаружено не было.

Анализируя капли, которые остались на торце электрода после наплавки, было установлено, что все компоненты шихты порошковой проволоки распадаются еще на стадии перехода в сварочную ванну.

При наплавке экспериментальных проволок в качестве дополнительной присадки, при электродной ППН-01 в микроструктуре покрытия удалось избежать образования графита за счет снижения концентрации углерода и кремния. Однако включений карбидов кремния также обнаружено не было.

Твердость наплавленного металла проволоками ППН-21, ППН-22 и ППН-23 в качестве электродных составила от 48 до 57 HRC в зависимости от применяемой проволоки: ППН-21 — 48 HRC, ППН-22 — 57 HRC, ППН-23 — 51 HRC. При наплавке экспериментальных проволок в качестве дополнительной присадки с электродной ППН-01 были получены следующие значения твердости: ППН-01+ППН-21 — 56 HRC, ППН-01+ППН-22 — 54 HRC, ППН-01+ППН-23 — 54 HRC. Твердость наплавленного металла базовой проволокой по схеме с дополнительной присадкой (ППН-01+ППН-01) составила 57 HRC.

Стоит отметить, что при измерении твердости металла, наплавленного экспериментальными проволоками в качестве электродных, возникали трудности с замерами в верхних слоях, поскольку образец крошился. Связано это с большой концентрацией графита, что является причиной повышенной хрупкости.

Сравнивая значения твердости, полученные при наплавках экспериментальных проволок с базовой, следует отметить, что замена феррохрома на карбид кремния незначительно снизила показатели твердости наплавленного металла. Причем расхождения в твердости металла, полученного при наплавке экспериментальными проволоками, связаны с различным содержанием углерода и кремния.

Полученные данные свидетельствуют о том, что карбид кремния проявляет нестабильность в условиях дуговой наплавки. Независимо от схемы введения карбид кремния разрушается еще на стадии перехода в сварочную ванну и легирует наплавленный металл кремнием и углеродом.

Применение карбида кремния в составе электродной или присадочной проволоки может быть использовано с целью легирования наплавленного металла кремнием и углеродом. Кремний может выступать в роли раскислителя и позволить предотвратить окисление других легирующих элементов. Однако следует учитывать, что кремний является сильным графитизатором и может привести к формированию графитовых включений.

Литература
  1. Лившиц, Л. С., Гринберг Н. А., Куркумелли Э. Г. Основы легирования наплавленного металла. Абразивный износ. Москва, Машиностроение, 1968, 186 с.
  2. Шиганов, И. Н. Овчинников В. В., Коберник Н. В. Композиционные материалы с металлической матрицей: сварные соединения и покрытия. Москва, Издательство «КноРус», 2021, 352 с.
  3. Соколов Г. Н., Дубцов Ю. Н., Зорин И. В., Артемьев А. А. Порошковые и композиционные проволоки для сварки и наплавки. Волгоград, ВолгГТУ, 2015, 128 с.
  4. Соколов Г. Н., Лысак В. И., Зорин И. В., Цурихин С. Н. Процессы электрошлаковой наплавки и наплавочные материалы. Волгоград, ВолгГТУ, 2010, 221 с.
  5. Акулов А. И., Бельчук Г. А., Демянцевич В. П. Технология и оборудование сварки плавлением. Москва, Машиностроение, 1977, 432 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.