Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 53 Андрущенко М.И., Осипов М.Ю., Куликовский Р.А., Капустян А.Е., Магда Е.С. Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье, Украина E-mail: mosipov61@ukr.net МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНОЛОГИЯ И СПЕЦИАЛЬНАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШТАМПОВ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПОЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОГНЕУПОРОВ ЧАСТЬ 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ИЗНАШИВАНИЯ ШТАМПОВ И ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА, НАПЛАВЛЕННОГО СТАНДАРТНЫМИ ЭЛЕКТРОДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ УДК 621.791.927.5:669.15 Проведен анализ конструкции, схемы работы, условий изнашивания штампов для прессования полых ци- линдрических огнеупоров и сформулированы предъявляемые к ним требования. Показано, что кроме достаточно вы- сокой износостойкости кромок штампов, их рабочая поверхность должна сопротивляться шаржированию огнеупор- ной массой, а уровень пластичности и вязкости металла кромок должен исключать скалывание их фрагментов в про- цессе эксплуатации. Структура металла, наплавленного предварительно выбранными для лабораторных испытаний электрод- ными материалами (девятнадцать типов), изменялась от ферритной до заэвтектической с большим количеством уп- рочняющих фаз (до 50 %), твердость которых достигала 20 ГПа. В соответствии с последней классификацией напла- вочных материалов Международного института сварки, рассматриваемые материалы относятся к десяти из шестна- дцати структурных групп, - М1, М2, М3, М4. МК1, А1, А2, А3, АЗК и АЭК. Лабораторные испытания на сопротивляемость абразивному изнашиванию, показали, что износостойкость в пределах исследованного ряда материалов отличается в 25 раз. Ключевые слова: штамп, структура, абразивное изнашивание, условия изнашивания, наплавленный металл, скорость охлаждения, феррит, мартенсит, аустенит, износостойкость, микро- твердость. Введение До настоящего времени одной из проблем производства огнеупоров является низкий срок служ- бы штампов пресс - форм для прессования полых цилиндрических изделий. При прессовании шамотных изделий износ рабочих кромок штампов в зависимости от приме- няемых материалов, способов их упрочнения и структурного состояния достигает предельно допустимо- го значения через 1 - 8 смен работы штампа, а при изготовлении огнеупоров с повышенным содержани- ем глинозема в течение 0,5 - 3 смен. Это приводит к снижению технико-экономических показателей про- изводства, обусловленному значительными простоями оборудования и дополнительными затратами на изготовление новых и замену изношенных деталей. Поэтому проблема срока службы штампов, способов их восстановления по-прежнему остается актуальной. Несмотря на ее остроту, на многих предприятиях штампы используются однократно, или восстанавливаются дуговой наплавкой электродами, обеспечивающими наплавленный металл с феррит- ной или низкоуглеродистой аустенитной структурой, обладающими низким уровнем износостойкости. Редко учитываются характер и механизм изнашивания, особенности эксплуатации деталей и предъяв- ляемые к ним требования. Кроме того наплавка производится без применения специальной оснастки, ко- торая способствовала бы формированию оптимальных геометрических параметров наплавленного вали- ка и однородности его структуры по всему периметру штампа. В процессе наплавки происходит чрез- мерный нагрев рабочей поверхности штампа, приводящий к снижению сопротивляемости шаржирова- нию огнеупорной массой околошовной зоны. Цель работы Целью первой части работы было анализ схемы эксплуатации, условий изнашивания штампов, предъявляемых к ним требований, предварительный выбор материалов для наплавки кромок штампов и лабораторные испытания наплавленного металла на износостойкость на стенде, имитирующем условия изнашивания деталей прессовой оснастки для изготовления огнеупоров. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 54 Анализ схемы работы, условий изнашивания штампов и предъявляемых к ним требований Известно, что износостойкость, в отличие от многих других параметров, является не свойством материалов, а характеризует систему "материал - деталь - условия изнашивания". Важнейшей характери- стикой такой системы является отношение твердости абразива к твердости материала На / Нм [1]. При этом важна не исходная микротвердость материалов Нм, а твердость, поверхности трения приобретенная в процессе изнашивания Нптм [2]. Известно [3, 4, 5, 6], что один из самых эффективных механизмов са- моупрочнения рабочей поверхности деталей – образование мартенсита деформации, и другие сопровож- дающие этот процесс явления (выделение мелкодисперсных карбидов по плоскостям скольжений, релак- сация напряжений и др.). В то же время одни и те же материалы, подверженные, воздействию неодина- ковыми по составу и свойствам абразивными массами, работающие при разных температурах, давлениях и др. проявляют различную способность к самоупрочнению поверхности трения и сопротивляемости из- нашиванию. Кроме того, на выбор материалов, структурного состояния, способов управления структу- рой могут оказывать характер и допустимая величина износа, требования к уровню вязкости и пластич- ности и др. В зависимости от условий работы возможны изменения уровней износостойкости в пределах определенного ряда материалов, вплоть до полной инверсии (перестановки). В связи с этим, очевидно, что определение основных параметров эксплуатации деталей, характера изнашивания и предъявляемых к ним требований, является одним из основных условий обоснованного выбора материалов и их структур- ного состояния. В различных отраслях промышленности много видов изделий изготавливают методом полусухо- го прессования, в том числе и многочисленные полые цилиндрические огнеупоры. Этот способ заключается в том, что порошкообразная масса засыпается в полость пресс - формы и затем сжимается при высоких давлениях до размеров готового изделия. Типичными представителями таких изделий являются огнеупоры для сифон- ной разливки стали в изложницы и стопорные приспособления раздаточных и разливочных ковшей. Они представляют собой цилиндры высотой 200 - 400 мм, диаметром 130 - 350 мм со сквозным отверстием внутри диаметром 60 - 150 мм с криволинейными торцами. Изготовление этих огнеупоров произ- водится в пресс - форме (рис. 1), которая состо- ит из массивного корпуса с одним, или двумя сквозными окнами, облицованными сменными гильзами. Прессование осуществляется посред- ством верхнего и нижнего штампов, закреплен- ных на подвижных штамподержателях. Форми- рование внутреннего отверстия осуществляется при помощи штыря, закрепленного на нижнем штамподержателе. Изготовление изделия производится следующим образом. Когда верхний штамп на- ходится над пресс - формой, а нижний в край- нем нижнем положении, производится засыпка порошкообразной огнеупорной массы в окно пресс - формы до уровня верхней поверхности верхней крышки. Затем осуществляется двухстороннее сжатие массы до размеров прессуемого изделия по высоте. После этого изделие выталкивается из пресс - формы, и штампы возвращаются в исходное положение. Процесс повторяется многократно до тех пор, пока износ гильзы, штыря или штампов не достигнет предельно допустимой величины, что вызывает необходимость замены изношенной детали. Типичная конструкция штампов (рис. 2) включает две рабочие кромки – наружную и внутрен- нюю и прессующую поверхность относительно сложной конфигурации, которая формирует торцевые грани прессуемого изделия. Условия эксплуатации штампа в пресс-форме предъявляют неодинаковые требования к различным его частям. Поверхности, формирующие нижнюю и верхнюю части огнеупор- ного изделия, испытывают в основном нормальные давления, вызываемые прессуемой массой, что при- водит к вдавливанию абразивных частиц, шаржированию и налипанию, но, при этом, практически ис- ключается изнашивание этой части деталей. Рис. 1 – Схема ячейки пресс - формы для прессования полых цилиндрических изделий Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 55 Рис. 2 – Штамп для прессования цилиндрических пустотелых огнеупорных изделий В наиболее жёстких условиях эксплуатируется рабочая кромка, которая, испытывая тангенци- альные напряжения, вызванными абразивными зернами, попадающими в зазор между штампом и гиль- зой, или штырем интенсивно изнашивается. Допустимый износ не должен превышать 0,8 - 1,0 мм непо- средственно на ребре кромки и 0,3 - 0,5 мм на грани кромки (рис. 3). В противном случае на кромке из- делия возникают "заусеницы", что является браковочным признаком. Рис. 3 – Характер изнашивания рабочей кромки штампов Рис. 4 – Плотность распределения микротвердостизерен шамота Сопротивляемость изнашиванию и шаржированию зависит в основном от трех параметров экс- плуатации деталей: микротвердости зерен огнеупорной массы, ее давления и температуры поверхности штампа. Замеры микротвердости зерен шамота показали, что она изменяется в широких пределах по за- кону распределения, близком к нормальному (рис. 4). Выборка составляла более 100 штук зерен. Среднее давление абразивной массы на рабочую поверхность штампов изменяется в пределах 75  25 МПа в зависимости от вида прессуемых изделий и количества окон в пресс-форме. Давление, возникающее при воздействии абразива на рабочую кромку в зазоре между штампом и гильзой, опреде- лить сложно. Однако, судя по характеру изнашиваемой поверхности рабочей кромки (риски, царапины), можно предположить, что давление достаточное для создания напряжений в месте контакта единичного зерна с поверхностью, превышающих предел текучести и в некоторых случаях предел прочности метал- ла науглероженных слоев цементованной стали 20Х из которой изготавливают новые штампы. Темпера- тура, рабочих кромок достигает 80 - 120 °С. Исходя из условий работы штампов, можно сформулировать следующие основные требования, предъявляемые к этим деталям: - должны обладать высокой сопротивляемостью абразивному изнашиванию рабочих кромок и шаржированию огнеупорной массой прессующей поверхности; Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 56 - должен обеспечиваться достаточный уровень вязкости и пластичности кромок, исключающих их скалывание в процессе эксплуатации; - процесс восстановления наплавкой не должен приводить к существенному снижению сопро- тивляемости шаржированию рабочей поверхности штампов. Методика испытаний Основным условием выбора методики испытаний на износостойкость было обеспечение иден- тичности результатов производственных и лабораторных исследований. Испытания проводили на лабораторном стенде по методике, обеспечивающей полноту фазовых превращений [7], степень упрочнения поверхности трения, и ряд относительной износостойкости стан- дартных сталей типа 20Х (цементированной) и 140Х12 в различном структурном состоянии, изученных ранее в производственных условиях. Изнашивание образца размером 10 × 30 × 90 мм на стенде осуществляется столбом абразивной массы при общем давлении 5 МПа. В качестве абразива использовали шамот фракции 0,63 - 1,0 мм. Интенсивность изнашивания определяли по потере массы образцов за один ход с точностью до 1 × 10-4 г. Количество ходов за один цикл испытаний между взвешиваниями выбирали таким образом, чтобы потеря массы при этом составляла не менее 0,0080 г. За показатель износостойкости принимали среднее значение результатов за 4 - 5 циклов испытаний каждого образца. При этом погрешность при определении износостойкости не превышает 4,5 % при надежности 0,9. Степень упрочнения в результате воздействия абразива оценивали по микротвердости рабочей поверхности с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н. Выбор материалов для наплавки штампов Выбор материалов осуществляли в два этапа. На первом – на основе результатов испытаний на лабораторном стенде, имитирующем условия изнашивания деталей. На втором этапе – путем испытаний штампов, наплавленных некоторыми из выбранных материалов в производственных условиях. Известно, что существуют два основных материаловедческих пути повышения сопротивляемо- сти сталей и сплавов абразивному изнашиванию. Первый – увеличение в сплаве количества упрочняю- щей фазы до необходимых и возможных для данных условий работы пределов, оптимизация ее по типу, морфологии, характеру распределения в матрице. Второй – поиск наилучшей, для конкретных условий изнашивания, металлической матрицы. Оба эти направления, при решении задачи повышения износо- стойкости, как правило, разрабатываются одновременно. При этом изменение свойств и упрочняющей фазы, и матрицы осуществляется варьированием химического состава материалов, способами и парамет- рами процесса их получения, а также термообработкой. К настоящему времени предложено много материалов в качестве износостойких, в том числе и электродов и проволок, для наплавки деталей. Естественно предположить, что обеспечение одного из основных требований к технологическому процессу восстановления штампов пресс - форм – увеличение износостойкости при достаточной эксплуатационной надежности можно за счет выбора наиболее прием- лемых, из числа стандартных, промышленно-выпускаемых материалов. Другие же требования (сохране- ние сопротивляемости налипанию, обеспечение необходимой структуры при наплавке различных по массе штампов) можно было бы удовлетворить в результате разработки оптимальной технологии (ис- пользование приспособления для формирования шва и ускоренного теплоотвода, оптимизация парамет- ров режимов наплавки, определенная последовательность наложения валиков и др.). Возможна также последующая модификация рабочих поверхностей наплавленных кромок путем плазменной или химико- термической обработки [5, 8, 9]. Можно предположить, что выбор стандартных материалов не должен представлять сложности, поскольку в литературе приводится много сведений о назначении и свойствах наплавочных материалов. Перечень современных материалов для наплавки отечественного и зарубежного производства, в том числе и сертифицированных в Украине, включает сотни марок покрытых электродов и порошковых про- волок [8, 9, 10]. Среди них большой ряд материалов, которые рекомендуются для работы в условиях аб- разивного изнашивания как износостойкие. Вместе с тем, если судить по химическому составу наплав- ленного металла, и основываться на результатах исследований, проведенных ранее [7], можно заклю- чить, что по уровню износостойкости в условиях работы деталей пресс-форм огнеупорного производства следует ожидать существенного различия этих материалов. Это не позволяло на основе только литера- турных данных выбрать наиболее приемлемые из известных материалов применительно к конкретным условиям изнашивания. Поэтому, как ранее [10], так и в рамках данной работы были проведены испыта- ния ряда металлов, наплавленных стандартными электродами и проволоками применительно к условиям работы штампов пресс - форм. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 57 При выборе электродов и проволок для испытаний основывались как на литературных данных [11, 12, 13 и др.], так и исходили из практики восстановления штампов, сложившейся в огнеупорном производстве. Кроме наплавочных электродов, предназначенных для повышения износостойкости, ис- пытывали металл, наплавленный сварочными электродами типа АНО-4 и ЦЛ11. Очевидно, что материа- лы такого типа не могут обеспечить требуемую износостойкость штампов, но в то же время они очень часто применяются в огнеупорном производстве для их восстановления, поскольку обеспечивают доста- точно высокую эксплуатационную надежность. Поэтому сравнительная оценка их сопротивляемости из- нашиванию так же представляла интерес (табл.). Таблица Марки электродных материалов, тип наплавленного металла и его свойства Микротвердость Н0,5, ГПа Электрод, группа Марка наплавочного материала Тип наплавленного металла Твердость HRC до изнашивания после изнашивания 1 АНО-4 сталь 10 150НВ- 2,5 4,6 2 ЦЛ11 08Х19Н10Г2Б 200НВ 2,6 6,5 ОМГ-Н 65Х11Н3 27-29 6,0 10,1 ПП-АН105 90Г13Н4 16-20 5,0 8,5 3 ЦНИИН–4 60Х14Г14Н3Т 16-20 3,2 7,0 ОЗН-300М 15ГЗС1 21-23 4,8 7,5 4 ОЗН-400М 17Г4С1 23-24 5,2 8,0 ПП-АН106 14Х13 47-50 5,5 9,0 ОЗШ-3 37Х9С2 56-58 7,9 9,1 ЭН-60М 70ХЗСМТ 58-60 8,2 9,7 ОЗШ-7 40Х11СЗМ 57-61 7,8 10,0 5 13КН-ЛИВТ 80Х4С 47-51 7,5 10,0 ПП-АН103 200Х12ВФ 49-52 5,9 11,4 ПП-АН104 200Х12М 48-51 5,9 11,3 6 ПП-АН125 200Х15С1ГРТ 50-58 8,7 10,8 ЭН-ИТС-01 35ОХ33В 54-56 8,5 10,9 Т-590 330Х25Г2С2Р 55-58 8,7 10,9 ЭНУ-2 350Х15Г3Р1 55-57 8,9 12,4 7 ПП-АН170 80Х20Р3Т 58-67 9,2 12,5 Следует отметить, что рекомендуемая технология наплавки некотор ы м и стандартными элект- родами предусматривает предварительный, подогрев деталей [11], наплавку образцов и штампов в дан- ном случае производили без подогрева, что было связано с необходимостью сохранения сопротивляемо- сти рабочей поверхности штампов шаржированию огнеупорной массой. Образцы наплавляли в 2 … 3 слоя с таким расчетом, чтобы испытанию на износостойкость подвергался слой, в формировании которо- го металл подложки (сталь 20Х) участия не принимал. Структура наплавленного металла выбранными электродными материалами изменяется в широ- ком диапазоне. При этом четкого разграничения материалов на группы однотипные по структуре, произ- вести практически невозможно, поскольку многие электроды обеспечивают наплавленный металл, включающий несколько структурных составляющих. Условно материалы по типу наплавленного металла и структуре можно разделить на семь групп (первую и вторую представляют по одному типу электрода): 1 – низкоуглеродистые нелегированные материалы с ферритной или феррито - перлитной струк- турой; 2 – низкоуглеродистые высоколегированные со структурой стабильного аустенита; 3 – средне- и высокоуглеродистые, высоколегированные со структурой стабильного и неста- бильного аустенита; 4 – среднеуглеродистые, среднелегированные со структурой, включающей низкоуглеродистый мартенсит и бейнит; 5 – металл средне и высокоуглеродистый с преимущественно мартенситной структурой, в неко- торых материалах при небольшом количестве карбидов; 6 – металл доэвтектического состава с преимущественно аустенитной матрицей или аустенито- мартенситной матрицей, удерживающей 10 - 25 % карбидов (CrFe)7C3; 7 – металл заэвтектического состава, включающий большое количество карбидов или карбобори- дов (до 50 - 60 %), находящихся в мартенсито-аустенитной матрице с содержанием аустенита от 0 до 55 %. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 58 В соответствии с последней классификацией наплавочных материалов Международного инсти- тута сварки по химическому составу и структуре [14] рассматриваемые материалы относятся к десяти из шестнадцати структурных групп (рис. 5). Рис. 5 – Положение испытуемых материалов на структурной диаграмме Международного института сварки: ФВт – Феррит, упрочненный вторичной фазой; М1 – Мартенсит тип I (низкоуглеродистый низколегированный сплав); М2 – Мартенсит тип II (высокоуглеродистый низколегированный сплав); М3 – Мартенсит тип III (низкоуглеродистый высоколегированный сплав); М4 – Мартенсит тип IV (среднеуглеродистый высоколегированный сплав); МК1 – Мартенсит, упрочненный карбидами типа I; МК2 – Мартенсит, упрочненный карбидами внедрения; МЭК – Мартенсит, упрочненный карбидами эвтектики; МОК – Мартенсит, упрочненный основными карбидами; А1 – АФ – Аустенит типа I (Cr, Ni) + аустенит + феррит; А2 – Аустенит марганцевый тип II (высокоуглеродистый среднелегированный сплав); А3 – Аустенит хромомарганцевый тип I (среднеуглеродистый высоколегированный сплав); А2К, А3К – Аустенит типа II и III, упрочненный карбидами; АОК – Аустенит, упрочненный основными карбидами; АЭК – Аустенит, упрочненный карбидами эвтектики; АКК – Аустенит, упрочненный основными карбидами, суперкарбидами и карбидами эвтектики В результате испытаний установлено, что наибольшей интенсивностью изнашиванию (рис. 6) то есть наименьшей сопротивляемостью этому процессу, обладает металл, наплавленный электродами типа АНО-4. Низкое содержание углерода и легирующих элементов обусловливает ферритную структуру на- плавки с низкой исходной микротвердостью – 2,5 ГПа. В процессе изнашивания, в результате механиче- ского наклепа, твердость поверхности трения незначительно увеличивается (до 4,6 ГПа). Однако отно- шение На / Нптм сохраняется высоким (около 3), что обусловливает значительную долю микрорезания в процессе изнашивания и, в результате этого, низкую износостойкость. Более высокой сопротивляемостью изнашиванию благодаря высокому уровню легирования и повышенному содержанию углерода обладает металл, наплавленный электродом ЦЛ-11. В данном слу- чае аустенит из-за высокой стабильности, обусловленной низким уровнем температуры начала мартен- ситного превращения Мн, не способен к превращениям в мартенсит деформации в процессе изнашива- ния. Однако благодаря твердорастворному упрочнению за счет легирования и механическому наклепу, микротвердость поверхности трения все же значительно выше (до 6,5 ГПа), чем металла наплавленного электродами типа АНО-4, что и обеспечивает в 1,5 раза более высокую износостойкость материалов это- го типа по сравнению с ферритными. Материалы четвертой группы со структурой, сочетающей низкоуглеродистый мартенсит и бей- нит, по той же причине превышают по износостойкости металл наплавленный электродами ЦЛ-11 в пол- тора раза, и в два по отношению к ферритным не легированным материалам. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 59 Заметные различия в износостойкости наблюдаются между материалами третьей группы, со- держащих 100 % высокоуглеродистого аустенита. Если сопротивляемость изнашиванию металла, на- плавленного электродами ЦНИИН–4, находится на уровне материалов третьей группы, то металл, на- плавленный электродами ОМГ-Н, превышает его в 2,5 раза. Сплав, полученный наплавкой проволокой ПП-АН105, по этому показателю находится на промежуточно уровне. Это, очевидно, связано с тем, что металл наплавок ЦНИИ-4 и ПП-АН105 чрезмерно стабилен по отношению к γ→α - превращениям. В результате рентгеноструктурного анализа в поверхности трения этих материалов мартенсита деформа- ции не обнаружено, а прирост микротвердости в результате механического наклепа не достаточно высок (7,5 - 8 ГПа). Более высокий уровень износостойкости металла, наплавленного электродами ОМГ-Н, по- видимому, обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, аустенит в данном случае относительно не стабилен, в поверхности трения в процессе изнашивания образовалось 15 - 20 % мартенсита. Это заметно меньше оптимального количества (40 - 50 %) [6], но достаточно для того, чтобы способствовать приросту микротвердости до 10,1 ГПа, а износостойкости в 1,5 - 2,5 раза по сравнению с материалами с полностью стабильным аустенитом. Во-вторых, в этом металле аустенит является преимущественно хромистым, а не марганцевым. По данным работы [15], положительное влияние марганца на способность к упрочнению сталей с оста- точным метастабильным аустенитом ниже, чем хрома. Это связано с тем, что прочность мартенсита де- формации зависит не только от содержания в нем углерода, но также и от величины энергии связи между дислокациями и атомами углерода в аустените. Чем больше энергия связи между дислокациями и атома- ми примесей внедрения (углерода, азота и др.), тем выше уровень закрепления дислокаций в мартенсите (при данном содержании углерода) и, следовательно, выше эффективная прочность рассматриваемой фа- зы. Марганец снижает энергию связи дислокаций с атомами углерода α-фазы [15] в отличие от хрома, повышающего этот показатель [16]. Поэтому хромистые или хромомарганцевые метастабильные аусте- нитные стали при одинаковом количестве углерода обладают более высокой износостойкостью, чем мар- ганцевые. Микротвердость поверхности трения некоторых материалов пятой группы с преимущественно мартенситной структурой (ОЗШ-7, 13КН-ЛИВТ) достигает того же уровня (10 ГПа), что и металла 65Х11Н3 наплавленного электродами ОМГ-Н, однако износостойкость при этом в 1,3 ниже. Это связано с тем, что, во-первых, прирост микротвердости в мартенситных материалах достигается только за счет механического наклепа, поэтому механизм релаксации напряжений и другие положительные явления, которые сопровождают процесс образования мартенсита деформации, не работают. Во-вторых, в упроч- ненном слое, в данном случае, отсутствует пластичная составляющая – аустенит, поэтому работа, кото- рая идет на разрушение микрообъёмов поверхности меньше, чем в металле с остаточным аустенитом и некоторым количеством мартенсита деформации. Рис. 6 – Относительная износостойкость наплавленного металла Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 60 Сопротивляемость изнашиванию слоя, наплавленного электродными материалами шестой груп- пы, в два раза выше, чем наиболее износостойкого металла из четвертой группы (65Х11Н3). В данном случае положительную роль оказывают три фактора. Во-первых, часть аустенита металлической матри- цы в процессе изнашивания также превращается в мартенсит деформации. Во-вторых, исходное содер- жание углерода в аустените заметно выше, чем в наплавке 65Х11Н3. Это вытекает из несложного анали- за горизонтальных разрезов диаграмм системы Fe-C-Cr при температурах 1000 - 1150 °С. Ранее было показано [7, 17], что именно углерод в наибольшей мере положительно влияет на микротвердость поверхности трения (в данном случае она достигает 11,4 ГПа) и, соответственно, на из- носостойкость. В-третьих, структура данных материалов включает 10 - 25 % карбидов (CrFe)7C3, твер- дость которых составляет 14 - 15 ГПа, что соизмеримо с максимальной твердостью зерен шамота. Следует отметить, что сопротивляемость изнашиванию материалов этого же химического соста- ва (стали ледебуритного класса типа Х12), но в кованном или прокатанном состоянии, существенно вы- ше, чем в наплавленном виде. Очевидно, что в наплавленном металле негативно сказывается неоднород- ность структуры, как в макрообъемах наплавленного слоя, так и на микроуровне. Вместе с тем, как пока- зал опыт, изготовление штампов полностью из инструментальных сталей не рационально, как с точки зрения себестоимости, так и, практически невозможно по условиям эксплуатационной надежности. Существенное повышение износостойкости происходит при наплавке материалами заэвтектиче- ского состава (седьмая группа). В данном случае структура наплавленного металла включает большое количество упрочняющих фаз (до 50 - 60 %). Микротвердость некоторых из ее составляющих, в частно- сти карбоборидов, достигает 20 ГПа. В отличие от материалов предыдущей группы, в которых сущест- венное долевое участие в сопротивляемость изнашиванию вносят и металлическая матрица и карбиды, в этих сплавах определяющий вклад принадлежит упрочняющим фазам, особенно в металле 80Х20Р3Т, а роль металлической матрицы – надежно удерживать частицы твердых фаз от выкрашивания при воздей- ствии абразива. В целом, в пределах всего ряда рассмотренных материалов, если даже не принимать во внимание два типа сварочных электродов, износостойкость отличается на порядок. И все же если учесть, что низ- коуглеродистые материалы широко применяются в практике для наплавки штампов благодаря эксплуа- тационной надежности наплавленного металла, то различия в износостойкости по отношению к ним со- ставляют до 25 раз. Таким образом, на основании результатов лабораторных испытаний можно предположить, что восстановление или упрочнение новых штампов с точки зрения влияния на их износостойкость, целесо- образно проводить доэвтектическими или заэвтектическими материалами. Однако установить насколько такой подход может соответствовать другим требованиям, предъявляемым к этим деталям можно путем испытаний наплавленных штампов в производственных условиях. Эти вопросы будут рассмотрены во второй части работы. Выводы 1. Анализ конструкции штампов, схемы их эксплуатации, характера и условий изнашивания ра- бочих кромок (свойства абразива, давление, температура, скорость трения) показал, что кроме сопротив- ляемости изнашиванию, штампы должны сопротивляться шаржированию огнеупорной массой, а рабочие кромки должны характеризоваться уровнем пластичности, исключающим скалывание ее фрагментов в процессе эксплуатации. 2. Структура металла наплавленного предварительно выбранными электродными материалами (девятнадцать типов), изменялась от ферритной до заэвтектической с большим количеством упрочняю- щих фаз (до 50 %), твердостью до 20 ГПа. В соответствии с последней классификацией наплавочных ма- териалов Международного института сварки по химическому составу и структуре выбранные материалы относятся к десяти структурным группам из шестнадцати. 3. Проведенные лабораторные испытания наплавленного металла на сопротивляемость абразив- ному изнашиванию показали, что износостойкость в пределах ряда испытанных материалов изменяется до 25 раз. При этом она не зависит от исходной твердости, но коррелирует с микротвердостью поверхно- сти трения, приобретенной в процессе изнашивания. Наибольший прирост микротвердости (4,1 ГПа), на- блюдается на рабочей поверхности слоя наплавленного металлом типа 65Х11Н3, благодаря образованию 15 - 20 % мартенсита деформации. При сопоставимых уровнях микротвердости более высокой износо- стойкостью характеризуются материалы, в структуре которых, наряду с мартенситом деформации, при- сутствует сравнительно пластичная аустенитная составляющая. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 61 Литература 1. Хрущов М.М. Абразивное изнашивание / М.М. Хрущов, М.А. Бабичев – М.: Наука, 1970. – 251 с. 2. Андрущенко М.И. Прогнозирование механизма и интенсивности изнашивания на основе оценки соотношения твердостей абразива и изнашиваемого материала / М.И. Андрущенко, Р.А. Кули- ковский, М.Н. Брыков, Д.М. Андрущенко // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2009. – №1. – С. 6-12. 3. Попов В.С. Долговечность оборудования огнеупорного производства / В.С. Попов, Н.Н. Бры- ков, Н.С. Дмитриченко, П.Г. Приступа. – М.: Металлургия, 1978. – 232 с. 4. Malinov L.S. Increasing the Abrasive Wear Resistance of Low-Alloy Steel by Obtaining Residual Metastable Austenite in the Structure / L.S. Malinov, V.L. Malinov, D.V. Burova, and V.V. Anichenkov // Arti- cle Journal of Friction and Wear May 2015. – Volume 36. – Issue 3. – pp 237-240. 5. Чейлях Я.А. Повышение износостойкости наплавленного Fe - Cr - Mn-металла плазменной об- работкой с получением метастабильной структуры / Я.А. Чейлях, В.В. Чигарев, Г.В. Шейченко, А.П. Чейлях, В. Г. Ефременко, К. Шимидзу // Металлофизика и новейшие технологии. – 2013. – 35, № 8. – С. 1045-1060. 6. Андрущенко М.И. Способность к самоупрочнению поверхности трения в процессе абразивно- го изнашивания и износостойкость сталей в зависимости от содержания углерода и хрома / М.И. Андру- щенко, Р.А. Куликовский, М.Ю. Осипов, А.В. Холод, А.Е. Капустян // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2014. – №1. – С. 92-100. 7. Андрущенко М.И. Влияние углерода и хрома на способность к упрочнению и износостойкость беcкарбидных сталей в условиях абразивного изнашивания / М.И. Андрущенко, О.Э Рузов, Р.А. Куликовский, Н.Н. Брыков // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2003. – №2. – С. 112-116. 8. Андрущенко М.И. Упрочнение деталей наплавкой в сочетании с науглероживанием и терми- ческой обработкой / М.И. Андрущенко, А.В. Холод, М.Ю. Осипов, Д.В. Вовк // В кн. "Інноваційні ресур- созбережні матеріали та зміцнювальні технології". Матеріали Міжнародної науково-практичної конфе- ренції. – Маріуполь: ПДТУ. – 2012. – С. 214-215. 9. Каплун В.Г. Формирование покрытий на подшипниковой стали ШХ15 при ионно-плазменном азотировании и последующей закалке с отпуском / В.Г. Каплун, О.В. Зайцев, С.В. Иващук и др. // Ми- ТОМ. – 1990. – №9. – С. 10-14. 10. Андрущенко М.И. Способность к самоупрочнению поверхности трения и износостойкость наплавленного металла в условиях абразивного изнашивания / М.И. Андрущенко, Р.А. Куликовский, С.П. Бережный, О.Б. Сопильняк // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. – Запорожье, 2009. – №1. – С. 30-37. 11. Наплавочные материалы стран членов СЭВ // Киев – Москва. –1979. – 620 с. 12. Биковський О.Г. Довідник зварника / О.Г. Биковський, І.В. Піньковський // К.: Техніка. – 2002. – 336 с. 13. Проценко Н.А. Производители сварочных материалов, имеющие сертификат соответствия в системе УкрСепро, выданный НТЗ "Сепроз" (по состоянию на 01.07.2008) // Сварщик. – 2008. – № 4. – С. 59-61. 14. Мазель Ю.А. Классификация сплавов на основе железа для восстановительной и упрочняю- щей наплавки / Ю.А. Мазель, Ю.В. Кусков, Г.Н. Полищук // Сварочное производство. – 1999. – №4. – С. 35-38. 15. Коршунов Л.Г. Влияние марганца на износостойкость марганцовистых метастабильных ау- стенитных сталей / Л.Г. Коршунов, Н.Л. Черненко // Трение и износ. – 1984. – Т.V, №1. – С. 106-112. 16. Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали / В.Г. Гаврилюк – Киев: Наукова думка. – 1987. – 208 с. 17. Hesse О. Zur Festigkeit niedriglegierter Stähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt gegen abrasive Ver- schleiß / O. Hesse, J. Merker, M. Brykov, V. Efremenko // Tribologie + Schmierungstechnik. – 2013. – № 6. – S. 37-43. Поступила в редакцію 16.02.2016 Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 62 Andrushchenko M.І., Ph.D., Osіpov M.Y., Ph.D., Kulikovsky R.A., Ph.D., Kapustіan О.YЕ., Magda Е.S. Materi- als, technology and special equipment for strengthening and restoration of dies for pressing the hollow cylindrical re- fractory. Part 1. Analysis of wear conditions and dies metal durability studies, weld standard electrode materials. The analysis of the structure of the scheme, dies wear conditions for pressing the hollow cylindrical refractory products and defined requirements to them. It is shown that in addition to relatively high wear resistance of working edges of dies, they must resist the working surface caricaturing refractory mass and level of ductility and toughness of the metal shear- ing edges should exclude fragments thereof during operation. Conventionally, commercially available materials (stick electrodes and flux cored wires) selected for laboratory tests on the chemical composition and structure of the weld metal, are divided into seven groups (first and second group rep- resented by one electrode material, the other two - five): 1 – low-carbon materials doped with ferrite or ferrite-pearlite structure; 2 – low-carbon high-alloy with a structure of stable and unstable austenite; 3 – high-carbon, high-alloy with a stable austenite structure; 4 – medium-carbon, medium-doped structure consisting of low-carbon martensite and bainite; 5 – with a predominantly martensitic metal structure, in some cases, a small amount of carbides; 6 – Metal hypoeutectic composition with a predominantly austenitic matrix or austenito-martensitic matrix, holding 10 - 25 % of carbides (CrFe)7C3; 7 – metal hypereutectic composition comprising a large amount of carbides or сarboborides (50 - 60 %), are in the martensitic-austenitic matrix with austenite content from 0 to 55 %. According to the latest classification of surfacing materials of the International Institute of welding the materials in question are ten of the sixteen structural groups, provided this classification - M1, M2, M3, M4, MK1, A1, A2, A3, ACP and AEC. Laboratory tests for abrasion resistance have shown that the wear resistance within the investigated range of mate- rials during the transition from the first to the seventh group is increased 25-fold. However, it does not depend on the initial hardness, but is correlated with the friction surface microhardness acquired during wear. The greatest increase in microhard- ness (4.1 GPa), is observed on the working surface of the layer of deposited metal type 65H11N3, due to the formation of 15- 20 % martensite deformation. At comparable levels microhardness higher wear resistance materials are characterized, the structure of which, along with deformation martensite, there is a relatively plastic austenitic component. Keywords: stamp, structure, abrasion, wear conditions, the weld metal cooling rate, ferrite, martensite, austenite, wear resis- tance, microhardness. References 1. Abrazivnoe iznashivanie. M.M. Hrushhov, M.A. Babichev. M. Nauka, 1970. 251 s. 2. Prognozirovanie mehanizma i intensivnosti iznashivanija na osnove ocenki sootnoshenija tverdostej abraziva i iznashivaemogo materiala. Problemi tribologії. 2009. №1. S. 6-12. 3. Dolgovechnost' oborudovanija ogneupornogo proizvodstva. M.: Metallurgija, 1978. 232 s. 4. Increasing the Abrasive Wear Resistance of Low-Alloy Steel by Obtaining Residual Metastable Aus- tenite in the Structure. L.S. Malinov, V.L. Malinov, D.V. Burova, and V.V. Anichenkov. Article Journal of Fric- tion and Wear May 2015. Volume 36. Issue 3. pp 237-240. 5. Povyshenie iznosostojkosti naplavlennogo Fe - Cr - Mn-metalla plazmennoj obrabotkoj s polucheniem metastabil'noj struktury. Ja.A. Chejljah, V.V. Chigarev, G.V. Shejchenko, A.P. Chejljah, V. G. Efremenko, K. Shimidzu. Metallofizika i novejshie tehnologii. 2013. 35, № 8. S. 1045-1060. 6. Sposobnost' k samouprochneniju poverhnosti trenija v processe abrazivnogo iznashivanija i iznosostojkost' stalej v zavisimosti ot soderzhanija ugleroda i hroma. M.I. Andrushhenko, R.A. Kulikovskij, M.Ju. Osipov, A.V. Holod, A.E. Kapustjan. Novі materіali і tehnologії v metalurgії ta mashinobuduvannі. 2014. №1. S. 92-100. 7. Vlijanie ugleroda i hroma na sposobnost' k uprochneniju i iznosostojkost' beckarbidnyh stalej v uslovijah abrazivnogo iznashivanija. M.I. Andrushhenko, O.Je Ruzov, R.A. Kulikovskij, N.N. Brykov. Problemi tribologії. 2003. №2. S. 112-116. 8. Uprochnenie detalej naplavkoj v sochetanii s nauglerozhivaniem i termicheskoj obrabotkoj. M.I. Andrushhenko, A.V. Holod, M.Ju. Osipov, D.V. Vovk. V kn. "Іnnovacіjnі resursozberezhnі materіali ta zmіcnjuval'nі tehnologії". Materіali Mіzhnarodnoї naukovo-praktichnoї konferencії. Marіupol': PDTU. 2012. S. 214-215. 9. Kaplun V.G. Formirovanie pokrytij na podshipnikovoj stali ShH15 pri ionno-plazmennom azotirovanii i posledujushhej zakalke s otpuskom. V.G. Kaplun, O.V. Zajcev, S.V. Ivashhuk i dr. MiTOM. 1990. №9. S. 10-14. 10. Andrushhenko M.I. Sposobnost' k samouprochneniju poverhnosti trenija i iznosostojkost' naplavlennogo metalla v uslovijah abrazivnogo iznashivanija. M.I. Andrushhenko, R.A. Kulikovskij, S.P. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования полых ... Часть 1 ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 63 Berezhnyj, O.B. Sopil'njak. Novye materialy i tehnologii v metallurgii i mashinostroenii. Zaporozh'e, 2009. №1. S. 30-37. 11. Naplavochnye materialy stran chlenov SjeV. Kiev – Moskva. 1979. 620 s. 12. Bikovs'kij O.G. Dovіdnik zvarnika. O.G. Bikovs'kij, І.V. Pіn'kovs'kij./ K.: Tehnіka. 2002. 336 s. 13. Procenko N.A. Proizvoditeli svarochnyh materialov, imejushhie sertifikat sootvetstvija v sisteme UkrSepro, vydannyj NTZ "Seproz" (po sostojaniju na 01.07.2008). Svarshhik. 2008. № 4. S. 59-61. 14. Mazel' Ju.A. Klassifikacija splavov na osnove zheleza dlja vosstanovitel'noj i uprochnjajushhej naplavki. Ju.A. Mazel', Ju.V. Kuskov, G.N. Polishhuk. Svarochnoe proizvodstvo. 1999. №4. S. 35-38. 15. Korshunov L.G. Vlijanie marganca na iznosostojkost' margancovistyh metastabil'nyh austenitnyh stalej. L.G. Korshunov, N.L. Chernenko. Trenie i iznos. 1984. T.V, №1. S. 106-112. 16. Gavriljuk V.G. Raspredelenie ugleroda v stali. V.G. Gavriljuk – Kiev Naukova dumka. 1987. 208 s. 17. Hesse О. Zur Festigkeit niedriglegierter Stähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt gegen abrasive Ver- schleiß. O. Hesse, J. Merker, M. Brykov, V. Efremenko. Tribologie + Schmierungstechnik. 2013. № 6. S. 37-43. _GoBack