Модифікування мікроструктури наплавлених шарів на основі порошкового дроту ПДCr10B4 із додаванням Al, Mg Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 98 Похмурська Г.В,* Студент М. М,** Войтович А. А.* * Національний університет “ Львівська політехніка”, ** Фізико - механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, Україна E-mail: student-m-m@ipm.lviv.ua МОДИФІКУВАННЯ МІКРОСТРУКТУРИ НАПЛАВЛЕНИХ ШАРІВ НА ОСНОВІ ПОРОШКОВОГО ДРОТУ ПДCr10B4 ІЗ ДОДАВАННЯМ AL, MG УДК 621.891 Наплавочні матеріали системи Fe–Cr–B–C широко використовують для відновлення та зміцнення деталей машин. Особливість даного матеріалу є задовільна зносостійкість за умов абразивного зношування. Однак присутність ударних навантажень негативно впливає на довговічність наплавлених шарів, оскільки мікроструктура складається з крупнозернистих голкових твердих фаз, що служать концентраторами для створення мікротріщин. Відомо, що формування округлених зміцнювальних фаз зменшує концентрацію напружень у наплавленому шарі і як наслідок підвищує зносостійкість. У роботі досліджено наплавлені шари з порошкового дроту ПД Cr5B3 до якого у шихту були введені добавки порошків ПА та ПАМ. Встановлено, що додатки ПА та ПАМ впливають на мікроструктуру, округлюючи дендритні осі, при цьому зростає ударна зносостійкість наплавленого шару. Ключові слова: дендритні осі, ударні навантаження, мікроструктура, мікротвердість, зносостійкість. Вступ Для відновлення зношених поверхонь широкого використання набули порошкові матеріали сис- теми Fe–Cr–B–C [2]. Фазовий склад наплавленого шару системи Fe–Cr–B–C складається із: Fe/Cr карбідів твердістю до 900 НV, а також, карбоборидів FeCrB твердістю до 1300 HV та евтектичної матриці з твердістю до 700 HV [3]. Наплавлені шари із матеріалу Fe–Cr–B–C продовжують термін експлуатації у декілька разів за умов абразивного зношування. Недоліком зносостійкого матеріалу є дендритні осі, що зумовлюють розтріскування при ударних навантаженнях. Мікроструктура втрачає здатність протидіяти зношуванню та швидко руйнується за рахунок утворення мікротріщин [5]. Відомі спроби округлення графіту у високоміцних чавунах, де як модифікатор застосовували Mg2Si, котрий по- зитивно впливає на округлення графітних пластинок [6]. Проте даний модифікатор є важкодоступний та вартісний, тому, метою даної роботи є дослідження впливу алюмінієво – магнієвого порошку ПАМ – (Al 60 %, Mg 40 %) та алюмінієвого порошку ПА (Al 99,99) на мікроструктуру наплавлених шарів з по- рошкового дроту ПД Сr5B3. Методики досліджень Наплавлення виконано у флюсі ОСЦ 45м, автоматичною головкою АБС порошковими дротами ПД Сr5B3, ПД Cr5B3Al2, ПД Cr5B3AlMg (табл. 1) діаметр ПД 1,6 mm, матеріал оболонки сталь 08кп, коефіцієнтом заповнення 18 %. Таблиця 1 Хімічний склад шихти ПД Хімічні слементи, % ПД Сr B Mg Al Fe Cr5B3 5 2,7 - - решта Cr5B3Al2 5 2,5 - 2 решта Cr5B3AlMg 5 2,53 1 1 решта Для формування наплавлених шарів використано зварювальний генератор постійного струму ПСО 500. Зварювальний струм 160 - 180 А, напруга 28 - 30 В. Швидкість подачі зварювального дроту Vдр 142 m/h, швидкість зварювання Vзв 13 m/h. Мікроструктуру наплавлених шарів досліджено на попе- речному мікрошліфі із використанням електронного мікроскопа EVO 40 XVP. Вимірювання твердості виконано на мікротвердомірі ПМТ-3 з вагою наважки 200 g. Зносостійкість наплавлених шарів досліджено за різних умов зношування. Абразивне зношуван- ня незакріпленим абразивом оцінювали згідно ГОСТ 23.208-79 (рис. 1). Просушений кварцовий пісок з розміром часточок 200 ... 1000 µm безперервно подавали у зону контакту гумового диску і зразка. Швидкість обертання диску становила 25 (m/s), а сила його притискання до зразка 2,4 kN. Для Модифікування мікроструктури наплавлених шарів на основі порошкового дроту ПДCr10B4 із додаванням Al, Mg Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 99 оцінювання зношування закріпленим абразивом (рис. 2) використали абразивний круг СМ-2 на керамічній зв’язці. Лінійна швидкість тертя при цьому становила 0,4 m/s, навантаження в зоні лінійного контакту 1,5 kN. Ударне зношування (рис. 3) оцінили за сили удару 12 KJ кулькою Ø25 mm зі сталі ШХ 15, яка падла на досліджувану поверхню з частотою 40 s‒1. Тривалість експерименту 3600 s. Втрату маси зразків визначали з точністю до 2 × 10‒4 g на електронній вазі. Зносостійкість при сухому терті на повітрі та у середовищі емульсолу проведено на установці реверсивного руху при навантаженні 300 g, та час експеременту 2 h. Форму перерізу доріжок тертя визначено на профілометрі DEKTAK II. Рис. 1 – Принципова схема установки для дослідження абразивного зношування: 1 – гумовий диск; 2 – пісок; 3 – ємність для збирання абразиву; 4 – зразок. Рис. 2 – Принципова схема установки для дослідження зношування зразків жорстко закріпленим абразивом: 1 – зразок; 2 – абразивний круг Рис. 3 – Принципова схема установки для дослідження ударного зношування зразків: 1 – основа; 2–зразок; 3 – індентор; 4 – наважка; 5 – коромисло; 6 – ексцентрик; h – віддаль від зразка 10 mm Обговорення результатів Мікроструктура наплавлених шарів ПД Cr5B3 (рис. 4, а) складається із дендритних осей, розміри досягають по ширенні від 10 до 15 µm за довжиною від 100 до 700 µm. Вміст тугоплавких елементів в них, становить Сr до 13 mass%. Можна припустити, що це карбобориди. Матриця наплавлених шарів містить заліза Fe до 93 mass% і Сr на рівні до 3 mass %. Середній вміст,(спектр 1) Елемент Ваговий % B 10,7 Si 0,5 Cr 6,4 Fe 82,1 Всього 100,0 Спектр 2 Елемент Ваговий % B 14,0 Cr 13,3 Fe 81,5 Всього 100,0 Спектр 3 Елемент Ваговий % Al 0,2 Si 0,2 Cr 8,5 Fe 90,6 Всього 100,0 Спектр 4 Елемент Ваговий % Al 0,2 Si 0,9 Cr 3,2 Fe 95,4 Всього 100,0 а Модифікування мікроструктури наплавлених шарів на основі порошкового дроту ПДCr10B4 із додаванням Al, Mg Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 100 Cпектр 1 Елемент Ваговий % B 6,0 Al 1,6 Si 1,9 Cr 3,4 Mn 2,8 Fe 84,0 Всього 100,0 Cпектр 2 Елемент Ваговий % Al 1,3 Cr 6,0 Mn 3,9 Fe 88,7 Всього 100,0 Cпектр 3 Елемент Ваговий % Al 2,2 Si 2,6 Cr 3,1 Mn 2,8 Fe 89,1 Всього 100,0 Cпектр 4 Елемент Ваговий % Al 2,0 Si 2,4 Cr 3,3 Mn 3,0 Fe 89,0 Всього 100,0 Cпектр 5 Елемент Ваговий % Si 1,5 Cr 6,8 Mn 4,5 Fe 87,0 Всього 100,0 б Спектр 1 Елемент Ваговий % B 8,3 Si 3,4 Cr 4,5 Mn 5,6 Fe 79,0 Всього 100,0 Спектр 2 Елемент Ваговий % Si 4,5 Cr 3,7 Mn 4,9 Fe 86,7 Всього 100,0 Спектр 3 Елемент Ваговий % Si 3,6 Cr 5,3 Mn 7,2 Fe 83,7 Всього 100,0 Спектр 4 Елемент Ваговий % Si 4,7 Cr 4,0 Mn 4,9 Fe 86,2 Всього 100,0 Спектр 5 Елемент Ваговий % O 0,8 Al 2,7 Si 4,1 Cr 3,7 Mn 7,7 Fe 80,8 Всього 100,0 Спектр 6 Елемент Ваговий % Si 4,7 Cr 3,4 Mn 5,9 Fe 85,8 Всього 100,0 в Рис. 4 – Мікроструктура наплавлених шарів : а – наплавлені шари із ПД Cr5B3; б – наплавлені шари із ПД Cr5B3Al2; в – наплавлені шари із ПД Cr5B3AlMg Модифікування мікроструктури наплавлених шарів на основі порошкового дроту ПДCr10B4 із додаванням Al, Mg Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 101 Виявлено, що додаткове легування порошком ПА, ПАМ шихти ПД впливає на мікроструктуру. Мікроструктура наплавлених шарів з ПД Cr5B3Al2 (рис. 4, б) та ПД Cr5B3AlMg (рис. 4, в) є видозмінена порівняно із мікроструктурою наплавлених шарів вище вказаних. Видовжений характер дендритних осей змінюється на округлий, відбувається подрібнення, розміри включень зменшуються та становлять від 10 до 5 мкм за довжиною та шириною. Це зумовлено збільшенням температури зварювальної ванни, за рахунок проходження екзотермічної реакцій. Однак це призводить до розчинення Cr у усередненому спектрі 3,1 - 5,3 mass% у двох наплавлених шарах. Недоліком мікроструктури наплав- лених шарів сформованих із ПД Cr5B3Al2 є висока пористість. Встановлено, що у наплавлених шарах з ПД Cr5B3AlМg є дрібнодисперсні фази із складним хімічним складом Fe(Cr Mn)Si, що виділенні чорними включеннями. Мікротвердість наплавлених шарів ПД Сr5B3 є на рівні 700 HV. В інших наплавлених шарах з ПД Cr5B3Al2 мікротвердість підвищується до 780 HV. Проте зменшується у наплавлених шарах ПД Cr10B3AlMg до 700 HV. Зносостійкість наплавлених шарів (табл. 2) за умов зношування закріпленим абразивом є най- нижча у наплавлених шарах з ПДCr5B4Al2, втрата маси становить 0,31 g. Встановлено, що зносостійкість наплавлених шарів із ПДCr5B3AlMg в 1,5 рази більша ніж ПДCr5B3. Таблиця. 2 Втрата маси наплавлених шарів, г Матеріал ПДCr10B3 ПДCr10B3Al2 ПДCr10B3AlMg Закріпленим абразивом 0,05 0,31 0,032 Не закріпленим абразивом 0,02 0,01 0,02 Ударне зношування 0,0094 0,0048 0,0025 Однак за умов зношування не закріпленим абразивом зносостійкість наплавлених шарів із ПДCr5B3Al2 є найвищою, втрата маси 0,01 g. Інші наплавлені шари ПДCr5B3, ПДCr5B3AlMg мають рівні втрати маси 0,02 g. При ударному зношуванні втрата маси є найнижчою у наплавлених шарах з ПДCr5B3AlM g 0,0025 g, це 3,5 рази вища зносостійкість порівняно з наплавленими шарами ПДCr5B3. Представлено морфологію поверхні (рис. 5) досліджених наплавлених шарів після ударного зношування. а б в Рис. 5 – Морфологія поверхні після ударного зношування: а – наплавлені шари із ПДCr5B3; б – наплавлені шари із ПДCr5B3Al2; в – наплавлені шари із ПДCr5B3AlMg а б Рис. 6 –Морфологія моверхні після ударного зношвання: а – наплавлені шари із ПДCr5B3Al2; б – наплавлені шари із ПДCr5B3AlMg Модифікування мікроструктури наплавлених шарів на основі порошкового дроту ПДCr10B4 із додаванням Al, Mg Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 102 Наплавлені шари із ПДCr5B3(рис. 5, а) руйнуються крихко, оскільки тверді включення карбоборидів за умов ударного зношування розтріскуються та викришуються. Це також підтверджується найбільшою втратою маси 0,0094г. Інші наплавлені шари з дротів ПДCr5B3Al2 ПДCr5B3AlMg, (рис. 5, б, в) відповідно, руйнуються пластично. У місці де досягнуто наклепу поверхневому шарі без можливості подальшого пластичного де- формування відбувається відшарування від основи. Розглянувши наплавлені поверхні при більшому збільшені (рис. 6). а б в г д е Рис. 7 – Морфологія поверхні доріжок тертя: а - в – дослідження на повітря при сухому терті; г - е – дослідження у емульсолі; а, г – наплавлені шари з ПДCr5B3; б, д – наплавлені шари з ПДCr5B3Al2; в, е – наплавлені шари з ПДCr5B3AlMg а б в г д е Рис. 8 – Вигяд профілограми поперек наплавлених шарів: а - в – дослідження на повітря при сухому терті; г - е – дослідження у емульсолі; а, г – наплавлені шари з ПДCr5B3; б, д – наплавлені шари з ПДCr5B3Al2; в, е – наплавлені шари з ПДCr5B3AlMg Модифікування мікроструктури наплавлених шарів на основі порошкового дроту ПДCr10B4 із додаванням Al, Mg Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 103 Встановлено, що поверхня ПДCr5B3Al2 містить в собі крихкі складові, та має більш розвинуту шорстку поверхню (рис. 6, а). Проте наплавлена поверхня із ПДCr5B3AlMg (рис. 6, б) більш пластичною. Руйнування відбувається за умов викришування дрібних нанометричних включень Fe(Cr Mn)Si. Таблиця 3 Площа перерізу доріжок тертя, мкм2 Середовище ПДCr10B3AlMg ПДCr10B3Al2 ПДCr10B3AlMg Повітря 0,3 × 10-4 0,34 × 10-4 0,35 × 10-4 Емульсол 0,41 × 10-4 0,48 × 10-4 0,39 × 10-4 Досліджено зношування за умов руху керамічної кульки при сухому терті на повітрі та у середовищі емульсолу. Хімічний склад емульсолу (вихідний): аміни 15 - 20 %, жирні кислоти 25 - 35 %, Ж 12 10 - 20 %, олива мінеральна 30 - 49 %. З морфологія поверхні доріжок тертя (рис. 7, а - в) видно, що наплавлені шари з матеріалу ПДCr5B3 (рис. 7, а) є найменш пошкодженими, в той час, як поверхня на- плавлених шарів з ПД Cr5B3Al2 та ПД Cr5B3AlMg у місці контакту з кулькою є подряпана, присутні сліди пластичного руйнування. Коефіцієнт тертя при випробуванні на повітрі у всіх матеріалах був на рівні 0,1. Випробування у емульсолі показало, що спостерігається більше пошкодження наплавлених шарів (рис. 7, г - є). Це підтверджується профілографічними дослідженнями (рис. 8), площа перерізу доріжок тертя (табл. 3) при зношуванні у середовищі емульсол у всіх випадках є більша (рис. 8, г - є), ніж на повітрі (рис. 8, а - в). Це пов’язано з низько корозійною стійкість наплавлених шарів, оскільки екзотермічні реакції сприяли вигорянню Сr із наплавлених шарів. Висновки 1. Досліджено мікроструктуру наплавлених шарів із ПДСr5B3, ПДCr5B3Al2, ПДCr5B3AlMg, що наплавлені автоматичним методом під шаром флюсу ОСЦ45м. Наплавлені шари із ПДСr5B3 характери- зуються дендритною структурою з осями 1, 2 – ого порядку, мікроструктура складається із твердих бо- ридних та карбоборидних фаз заліза легованих хромом. 2. Відбувається модифікація мікроструктури при додаванні ПА, та порошку ПАМ у шихту ПДСr5B3 Пластинчасті осі 1, 2 - ого порядку змінюють геометрію, стають округлими. Добавка Al+Mg сприяють підвищенню гомогенності твердого розчину завдяки екзотермічним реакціям, що проходять під час наплавлення. 3. Середня мікротвердість наплавлених шарів ПДCr5B3 становить 700 HV, з додаванням ПА підвищується до 780 HV, однак наплавлені шари є пористі. ІЗ додаванням алюмінієво – магнієвого по- рошку ПАМ твердість наплавлених шарів знижується до 700 НV. 4. Підвищується зносостійкість наплавлених шарів з ПДCr5B3AlMg у 1,5 рази за умов зношу- вання закріпленим абразивом та у 3,5 рази при зношуванні за умов ударних навантажень. Література 1. Добровольский А. Г. Абразивная износостойкость материалов / Добровольский А. Г., Коше- ленко П. И // Cправочное пособие. – К.: “Теника”, 1989. – 128 с. 2. Yuksel N. Wear behavior–hardness–microstructure relation of Fe–Cr–C and Fe–Cr–C–B based hardfacing alloys / Yuksel N., S_ahin S // Materials and Design 58 (2014) 491–498 3. Лившиц. Л. С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей) / Машиностроение, 1979. – 253 с. 4. Buchely M. The effect of microstructure on abrasive wear of hardfacing alloys / Buchely M, Gutierrez J, Leon L, Toro A // Wear – 2005. – №259 P. 52–61 5.M. Varga. Impact of microstructure on high temperature wear resistance / M. Varga, H. Winkelmann, E. Badisch // Procedia Engineering 10 (2011) 1291–1296. 6. А.Г. Панов. Влияние микроструктуры фсмг-модификаторов на кристаллизацию и микрострук- туру высокопрочных чугунов / А.Г. Панов // Металлургия и материаловедение № 1(2013) 209 – 219 7. C. Katsich. Erosive wear of hardfaced Fe–Cr–C alloys at elevated temperature / C. Katsich, E. Badisch, Manish Roy, G.R. Heath, F. Franek // Wear 267 (2009) 1856–1864 Надійшла в редакцію 16.09.2015 Модифікування мікроструктури наплавлених шарів на основі порошкового дроту ПДCr10B4 із додаванням Al, Mg Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 104 Pohmurska H.V. Student, M.M. , Voytivich A.A. Modification of microstructure weld layers based cored wire with addition Al, Mg. Surfacing materials system Fe–Cr–B–C are widely used for the restoration and strengthening of machine parts. The peculiarity of this material is satisfactory durability under conditions of abrasive wear. However, presence of shock adversely affects the durability clad layers as microstructure consisting of coarse solid phases are hubs to create microcracks. In work the deposited layers of powder wire PD Cr10B4 which were put in charge of powdered additives PA and AMP. Established that the application of PA and AMP affect the microstructure dendritic Rounding off axis. Key words: dendritic axes, shock loadings, microstructure, microhardness, wearproofness. References 1Dobrovolsky AG abrasive wear resistance of materials, Dobrovolsky A. G., and P. Koshelenko, Reference supplies. Tenika, 1989., 128 p. 2. Yuksel N. Wear behavior–hardness–microstructure relation of Fe–Cr–C and Fe–Cr–C–B based hardfacing alloys , Yuksel N., S_ahin S, Materials and Design 58 (2014), pp. 491–498 3. Livshits. LS Metallurgy Welding (welding of steels) , Mechanical Engineering, 1979. 253 p. 4. Buchely M. The effect of microstructure on abrasive wear of hardfacing alloys , Buchely M, Gutierrez J, Leon L, Toro A , Wear. 2005, No259, pp. 52–61 5.M. Varga. Impact of microstructure on high temperature wear resistance, M. Varga, H. Winkelmann, E. Badisch , Procedia Engineering 10 (2011) 1291–1296. 6. AG Panov. Effect of microstructure MgFeSi modifier on crystallization and microstructure of ductile iron , AG Panov, Metallurgy and Materials No 1 (2013), pp. 209 – 219. 7. C. Katsich. Erosive wear of hardfaced Fe–Cr–C alloys at elevated temperature , C. Katsich, E. Badisch, Manish Roy, G.R. Heath, F. Franek , Wear 267 (2009), pp. 1856–1864. _Ref378834011 _Ref378834043 _Toc378834133 _Toc378834134