201110_PSpaw.pdf 4 Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Valerii .D. Kuzniecow P.W. Popowicz Problemy regeneracyjnego napawania stali średnio- i wysokowęglowych Problems of restoration medium and high-carbon  steels by hard-facing Prof. dr hab. inż. W.D. Kuzniecow, inż. P.W. Popo- wicz – Politechnika Kijowska, Ukraina. Streszczenie Rozpatrzono zagadnienia odporności na zużycie w warunkach tarcia metal-metal warstw napawanych na podłoże wysokowęglowe. Wykazano, ze korelacja między twardością i odpornością na zużycie występu- je nie we wszystkich stalach węglowych i austenitycz- nych materiałów. Stwierdzono, że materiały austenitycz- ne pod względem odporności na zużycie przewyższają węglowe i są bardziej odpowiednie przy regeneracji po- wierzchni tarcia także pod względem technologii. Abstract The technological peculiarities of restoration high car- bon materials by hard-facing are marked. The compara- tive tests of the resistance wear in conditions under fric- tion metal on metal are given. It is shown, that austenitic compositions are more preferable for restoration of high carbon materials. Wstęp Stal konstrukcyjna węglowa o duzej wytrzymało- ści, odporności na zużycie, wysokej właściwości sprę- żystej gatunków 60, 60G, 65, 65G, 70, 70G, 75, 80 i 85 jest stosowana po hartowaniu i odpuszczaniu do wytwarzania części pracujących w warunkach tar- cia i oddziaływania wysokich obciążeń statycznych i wibracyjnych (tarcze sprzęgłowe, mimośrody, wrze- ciona, walce, obręcze kół wagonów tramwajowych, koła suwnicowe, zawory wylotowe kompresorów), a także zużycia ściernego i obciążeń udarowych (czę- ści układów napędowych i kruszarek, zęby bron, pługi, noże). Podstawowym składnikiem stopowym, określają- cym strukturę, właściwości i przeznaczenie tych sta- li jest węgiel. Zwiększenie zawartości węgla zapewnia szczególne właściwości materiałom, łącząc wysoką wytrzymałość, twardość i odporność na zużycie. Wła- śnie dlatego wysokowęglowe stale (o zawartości węgla ≥ 0,5%) są najbardziej rozpowszechnione w budowie maszyn, transporcie, narzędziowniach, tłocznictwie i innych gałęziach przemysłu. Regeneracja zużytych powierzchni części maszyn i konstrukcji ze stali wysokowęglowych napotyka znaczne trudności. Przy oddziaływaniu źródła cie- pła podczas napawania regeneracyjnego powierzch- ni zachodzą przemiany polimorficzne z powstawaniem struktur martenzytycznych. Tworzeniu takich struktur towarzyszą zmiany objętościowe w materiale i w na- stępstwie naprężenia strukturalne, które sumują się z naprężeniami cieplnymi powstającymi wskutek od- działywania spawalniczego źródła ciepła. Zwiększo- ny poziom naprężeń jest podstawową przyczyną po- wstawania pęknięć zimnych w różnych strefach war- stwy napawanej i podłoża. Podstawową metodą zapobiegania pęknięciom zimnym jest podgrzewanie wstępne lub podgrzewanie w czasie spawania, ponieważ zmniejszenie prędkości stygnięcia pozwala na uzyskanie mniej twardych struk- tur przejściowych bainitu, sorbitu, troostytu. Przy regeneracji części maszyn i konstrukcji ze sta- li wysokowęglowych można wykorzystać zalecenia lite- raturowe. W pracy [1] na podstawie analizy dokumen- tu II-1303-96 (IIE-221-96) Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa System klasyfikacji stopów do napawa- nia utwardzającego podano zalecenia dotyczące wy- boru materiałów na podstawie klasyfikacji ich składu chemicznego i mikrostruktury. Wydzielono podstawo- we grupy strukturalne i wprowadzono ich oznaczenia, 5Przegląd sPawalnictwa 10/2011 w szczególności: ferryt umocniony fazą wtórną – FWt; martenzyt M1, M2, M3, M4 w zależności od zawarto- ści węgla i dodatków stopowych; martenzyt umocnio- ny węglikami MK1, MK2, MEK, MOK; austenit typu A1 (Cr, Ni); austenit + ferryt typu AF; austenit manganowy typu A2; austenit chromowo-manganowy A3; austenit umocniony węglikami A2K, A3K, AOK, AEK, AKK [1]. W tablicy I przytoczono wyciąg z charakterystyka- mi grup strukturalnych, które są zalecane do napawa- nia warstw odpornych na zużycie ścierne dla warun- ków obciążeń udarowych i tarcia metal-metal. Dane w tablicy I świadczą o tym, że możliwy skład chemiczny stopów wymienionych grup strukturalnych ma stosunkowo szeroki zakres zmian. Nie pozwala to na jednoznaczne określenie składu chemicznego na- wet dla wyodrębnionej grupy strukturalnej. Można także przy ich regeneracji skorzystać z zale- ceń normy EN 14700 Materiały dodatkowe do spawa- nia – Materiały dodatkowe do napawania utwardzają- cego, która dotyczy napawania powierzchni elementów nowych oraz naprawy metodą napawania elementów, które powinny charakteryzować się odpornością na od- działywanie mechaniczne, chemiczne, cieplne lub ich łączny wplyw [2]. Norma określa wymagania dotyczą- ce klasyfikacji materiałów do napawania na podstawie składu chemicznego stopiwa, a także zawiera dane do- tyczące właściwości stopów różnych typów, ich struk- tury i twardości oraz zalecenia dotyczące stosowania. Brak jednolitych metod badania odporności na zu- życie nie pozwala obecnie na przedstawienie właści- wości określonych w tej normie (mechanicznych, ciepl- nych itd.) za pomocą kryteriów ilościowych. W związ- ku z tym w odniesieniu do zużycia w warunkach tar- cia metal-metal oraz innych rodzajów zużycia aktual- ne jest gromadzenie eksperymentalnych danych w ra- mach składów chemicznych stopów, które są zalecane dla danego rodzaju zużycia. Celem pracy jest ocena odporności na zużycie materiałów do napawania zalecanych ze względu na skład chemiczny i strukturę do pracy w warunkach tar- cia metal-metal. Według [1, 2] stosunkowo wysoką odporność na zu- życie w warunkach tarcia metal-metal przy występowa- niu obciążeń zapewniają materiały o matrycy martenzy- tycznej, umocnionej węglikami, a także z metastabilną strukturą austenitu manganowego i chromowo-manga- nowego, skłonnego do umocnienia odkształceniowego i utwardzenia wskutek przemian fazowych. Otrzymanie takich struktur, szczególnie przy regene- racyjnym napawaniu zużytych powierzchni, zależy nie tylko od składu chemicznego materiałów dodatkowych do napawania, ale także od warunków chłodzenia. Ten czynnik uwzględniano podczas badań, stosując do napa- wania zarówno elektrody otulone, jak i druty proszkowe. Przebieg i wyniki badań Struktury martenzytyczne i austenityczne otrzymy- wano przez dobór materiałów dodatkowych do napa- wania i energii liniowej napawania. Przy napawaniu kompozycji austenitycznych stosowano zalecenia za- warte w pracy [3]. Skład chemiczny doświadczalnych napoin podano w tablicy II. Badania odporności na zużycie przeprowadzano na urządzeniu do badania ścieralności M-22 wg schema- tu wał–klocek. Zastosowano próbki o długości 20 mm i szerokości 10 mm z walcowym rowkiem w postaci segmentu o promieniu 20 mm i cięciwie 20 mm. Jako przeciwpróbkę wykorzystano tarczę o średnicy 40 mm, wykonaną ze stali 75 o twardości 300÷350 HB. Warunki badań: nacisk na próbkę р = 0,5 ± 0,1 MPa; prędkość tarcia v = 3 ± 0,25 m/s; temperatura badań Т = 60 ± 20оC; czas trwania badania t = 1 h. Tablica I. Podstawowe charakterystyki i obszar zastosowań materiałów do napawania Table I. Basic characteristics and applications of materials for hard-facing Wskaźnik Grupa strukturalna materiałów do napawania MK1 А2 А3 А2K, А3K Skład chemiczny, % (0,5÷1,5)%C, Cr+W+Mo- +V(Co) = 7÷16% (0,7÷1,2)%C, Mn+Cr+Ni = 13÷25%; zwykle 12÷14% (Mn+Cr) i lub Ni (0,5÷0,7)%C, Mn+Cr = 25÷35% (0,9÷1,7)%C, Mn+Cr+N = 15÷30% Mikrostruktura martenzyt z siatką węgli- ków po napawaniu, możli- wa niewielka ilość austenitu szczątkowego austenit lub austenit umocniony węglikami, obróbka cieplna pro- wadzi do kruchości austenit, obróbka ciepl- na niepożądana austenit z węglikami o dużym stopniu rozproszenia Twardość 55÷62 HRC po napawa- niu, odpuszczanie w 750°С w ciągu 4,5 h obniża twar- dość ok. 200 HB po napawaniu ok. 200 HB po napawaniu 250÷300 НВ po napa- waniu, podczas pracy następuje umocnienie do 45 HRC Odporność na udary wysoka wysoka wysoka wysoka Odporność na tarcie metal-metal wysoka wysoka wysoka wysoka Obszar zastosowań warzędzia do pracy na gorą- co (Т ≤500°С): noże do cię- cia drutu, narzędzie skrawa- jące itd. napawanie elementów pracu- jących w warunkach tarcia me- tal-metal lub zużycia ścierne- go w połączeniu z obciążeniem udarowym elementy pracujące w warunkach wysokich obciążeń udarowych i tarcia metal-metal. elementy pracujące w warunkach wysokich obciążeń udarowych w połączeniu ze zuży- ciem ściernym dużymi cząsteczkami 6 Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Próbki ważono przed i po badaniu na wadze labo- ratoryjnej z dokładnością 0,0001 g. Zużycie wagowe określano jako różnicę masy (Δm) próbki przed próbą tarcia i po badaniu. Równolegle mierzono twardość jako jeden ze wskaźników stosowanych w dokumenta- cji technicznej regeneracji, jakościowo charakteryzują- cy odporność na zużycie. Badaniom poddano otrzymane metastabilne struk- tury austenityczne, struktury sorbitu hartowania i drob- noiglastego martenzytu w matrycy austenitycznej, a także martenzytu. Wyniki badań napawanych próbek przytoczono w tablicy III. Wyniki badań wykazały, że bezpośrednia zależność między twardością i odpornością na zużycie występuje nie we wszystkich przypadkach, zarówno dla kompo- zycji węglowych, jak i austenitycznych. Przykładowo struktura martenzytyczno-bainityczna ma mniejszą odporność na zużycie (Δm = 0,08 g) przy podwyższonej twardości (42 HRC) względem podłoża (32 HRC). Austenityczna struktura z twardą składową (austenit + sorbit hartowania) przy takich samych warto- ściach twardości (42 HRC), jak i struktura martenzytycz- no-bainityczna, ma odporność na zużycie (Δ m = 0,11 g), bliską wysokowęglowemu podłożu (Δm = 0,12 g). Austenityczne kompozycje z twardą składową (au- stenit + drobnoiglasty martenzyt) w porównaniu z pod- łożem wysokowęglowym przy praktycznie jednakowej twardości (31÷32 HRC) mogą mieć pięciokrotnie wyższą odporność na zużycie (Δm = 0,022 g) i odwrotnie, przy większej twardości (austenit + sorbit hartowania) – od- porność na zużycie praktycznie jednakową z podłożem. Chromowo-niklowo-manganowa kompozycja ma dwu- krotnie wyższą odporność na zużycie (Δm = 0,065 g), niż wysokomanganowa (Δm = 0,11 g), przy praktycz- nie nieznacznej jednakowej twardości początkowej (13÷15) НRC. Stwierdzone właściwości metastabilnych struktur austenitycznych mogą być wynikiem tego, że w przy- jętych warunkach badań odporności na zużycie kom- pozycje chromowo-niklowo-manganowa i chromowo- manganowa wykazują skłonność do umocnienia od- kształceniowego i utwardzenia wskutek przemian fa- zowych. Kompozycja manganowa w tych warunkach takiej skłonności nie wykazuje i otrzymane wyniki od- zwierciedlają wartości odporności na zużycie w stanie wyjściowym po napawaniu. Na rysunku 1 przedstawiono niektóre z badanych struktur typu martenzytycznego i austenitycznego. Struktura sorbitu hartowania (rys. 1a) odpowia- da materiałowi podłoża (stal R75 w stanie dostawy). Struktura przedstawiona na rysunku 1b stanowi kom- pozycję bainityczno-martenzytyczną (tabl. II, stopiwo 30). Struktura pokazana na rysunku 1c to chromowo-man- ganowy austenit (tabl. II, stopiwo 7). Struktura przed- stawiona na rysunku 1d stanowi drobnoiglasty mar- tenzyt w matrycy austenitycznej. Struktury martenzytyczne pod względem twardo- ści i odporności na zużycie mają wyższe wskaźniki niż wysokowęglowe podłoże, jednak przy napawaniu ta- kiej kompozycji w ściegach pojawiają się pęknięcia, w związku z czym niemożliwe jest ich stosowanie bez podgrzewania wstępnego. Przy napawaniu kompozycji austenitycznych nie obserwuje się powstawania pęknięć w ściegach i stre- fie przyspoinowej. Wyniki badań odporności na zużycie potwierdza- ne są danymi analizy fraktogramów powierzchni tar- cia (rys. 2). Dla metastabilnego austenitu powierzch- nia tarcia ma jednorodną mikrogeometrię powierzch- ni bez śladów wykruszania i charakterystycznej struk- tury bruzdowej powstającej w wyniku plastycznego od- suwania materiału z powierzchni tarcia przez cząstki ścierające. Tablica II. Skład chemiczny stopiwa Table II. Chemical composition of weld metal N r st op iw a Zawartość pierwiastków, % wag. C Cr Mn Ni Si Mo V Ti Cu - 0,7 0,05 0,89 0,04 0,25 - - - - 30 0,5 1,1 0,8 1,7 0,43 0,5 - 0,4 - 10 0,62 20,8 9 2 0,55 0,5 - - 0,17 23 0,27 4,5 5 - 0,2 - - 0,08 26 0,5 0,2 11 0,08 0,8 0,3 - - - 9 0,22 13 5,8 6 0,6 1,4 0,4 - 0,9 7 0.11 11 10 0,8 Tablica III. Wyniki badań napawanych kompozycji Table III. Examination results of material compositions hard-facing Nr stopiwa Struktura Twardość, HRC przeciwciało/próbka Zużycie, Δm, g 24 podłoże – sorbit 30 / 32 0,12 30 martenzyt + bainit 30 / 42 0,08 23 austenit + sorbit hartowania 30 / 42 0,11 10 austenit + marten- zyt drobnoiglasty 30 / 31 0,022 7 austenit chromo- wo-manganowy 30 / 28 0,05 9 austenit chromo- wo-niklowo-man- ganowy 30 / 15 0,065 26 austenit wysoko- manganowy 30 / 13 0,11 Rys. 1. Mikrostruktury podłoża i napawanych kompozycji (300x) Fig. 1. Microstructures of substrat and metal compositions hard-facing (300x) a) b) c) d) 7Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Charakterystyczną cechą morfologiczną powierzch- ni tarcia matrycy austenitycznej ze składnikiem twar- dym jest występowanie bruzd, których wymiary geome- tryczne zmieniają się w szerokim zakresie, co świad- czy o niejednorodności struktury i odpowiednio o od- porności na zużycie strukturalnych składowych kompo- zycji stopiwa. Największy efekt wzrostu odporności na zużycie napawanego materiału w porównaniu z wysokowę- glowym podłożem obserwuje się w kompozycjach au- stenitu chromowo-manganowego i chromowo-niklo- wo-manganowego, a także austenitu z drobnoiglastym martenzytem, dzięki czemu są bardziej przydatne do regeneracji powierzchni elementów pracujących w wa- runkach tarcia ślizgowego i działania obciążeń. Dane te są zgodne z wynikami pracy [4] dotyczącej badań analogicznego materiału podstawowego i materiałów klasy ferrytycznej oraz austenitycznej. Otrzymane wyniki i wnioski zostały sprawdzone przy regeneracji rozjazdów (iglic) kolejowych. Miały one znaczne zużycie boczne (do 18 mm) i dużą ilość pęknięć zmęczeniowych, które usuwano za pomocą wycinania mechanicznego. Napawanie ściegów na iglicach prowadzono nano- sząc je kolejno od dolnej części główki szyny do po- wierzchni jezdnej. Uwzględniając zmienne rozmiary zużycia bocznego na wysokości główki szyny, pierw- sze ściegi napawano, stosując następujące parame- try: I = 350 A; U = 32 V; Vnap = 18 m/h; a przy układa- niu kolejnych ściegów parametry: I = 400 A; U = 34 V; Vnap = 18 m/h. W związku ze znaczną długością iglic (do 6 m) napawanie prowadzono odcinkami. Stosowa- no topnik AN-26P. Orientacyjny skład chemiczny stopi- wa: 13% Cr; 13% Mn; 2% Ni; 1% Mo; 1% V. Na rysunku 3a pokazano pierwszy napawany ścieg, a na rysunku 3b – proces napawania kolejnego ściegu. W napawanych bez podgrzewania wstępnego na wysokowęglowe podłoże ściegach o strukturze au- stenitu chromowo-manganowego nie występowa- ły pęknięcia ani w warstwie napawanej, ani w strefie wpływu ciepła. Napawane iglice zostały umieszczone na odcinku trasy kolejowej między stacjami Kijów – Browary. Rys. 2. Fraktogramy powierzchni tarcia: a) chromowo-manganowy austenit, b) sorbit hartowania w matrycy austenitycznej, pow. 100x Fig. 2. Fractograph of friction surfaces: a) chromium-manganese au- stenite b) sorbitol hardening austenitic matrix, magn. 100x Rys. 3. Napawanie: a) pierwszego ściegu, b) proces układania ko- lejnego ściegu Fig. 3. The view of first bead (a) and the process of second bead laying (b) Wnioski Metastabilne kompozycje austenityczne mają wyższą odporność na zużycie w porównaniu ze sta- lami wysokowęglowymi (w tym martenzytycznymi), Literatura [1] Мазель Ю.А., Кусков Ю.В., Полищук Г. Н.: Классификация сплавов на основе железа для восстановительной и упрочняющей наплавки. Сварочное производство. 1999. № 4, s. 35-38. [2] Рябцев И.А., Проценко Н.А.: Гармонизация стандартов на наплавочные материалы в соответствии с требованиями европейского стандарта EN 14700 «Сварочные материалы – Сварочные материалы для наплавки». Сварщик, 2007. № 5, s. 30-36. [3] Каленский В.К., Черняк Я.П., Васильев В.Г., Соломийчук Т.Г. Влияние погонной энергии на образование отколов в ЗТВ высокоуглеродистой стали М76 при наплавке аустенитными проволоками. Автоматическая сварка. 2001. №11, s. 11-14. [4] Черняк Я.П. Сравнительная оценка износостойкости электродных материалов, применяемых для восстановления трамвайных рельсов. Автоматическая сварка. 2007. № 12, s. 41-43. * W pracy brali udział dr inż. W.A. Makowiej, dr inż. S.M. Getma- niec i inż. D.W. Stiepanow. co stanowi o ich lepszej przydatności regeneracji po- wierzchni elementów pracujących w warunkach tar- cia i działania obciążeń. a) b) a) b)