Получение карбидосталей на основе быстрорежущей стали методом индукционной наплавки

Введение

В настоящее время все острее встает вопрос разработки новых как конструкционных, так и инструментальных материалов с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Актуальность этой задачи обусловлена исчерпанием возможности для совершенствования свойств известных материалов: износостойких [1 – 3] и инструментальных сталей (в том числе быстрорежущих), твердых сплавов и т. д. [4 – 6].

Карбидостали, состоящие из тугоплавких карбидов (чаще всего карбидов вольфрама и титана) и сталей, можно отнести к новому классу материалов с большими перспективами применения. По своим качествам карбидостали занимают промежуточное положение между твердыми сплавами и сталями и сочетают свойства обоих компонентов: и карбидного упрочнителя, и стальной матрицы [7 – 9].

Чаще всего карбидостали получают с использованием технологий порошковой металлургии: спеканием прессовок исходных материалов, пропиткой сталью карбидного каркаса, горячим прессованием порошков или горячей экструзией [7]. Эти процессы состоят из большого количества достаточно сложных технологических операций, что сужает возможности широкого практического получения и использования карбидосталей. Существуют и иные технологические решения, например, получение карбидосталей методами плазменной [10 – 13] или лазерной [14; 15] наплавки, однако при применении этих технологий (кроме высокой стоимости лазерной установки) существуют опасность распыления компонентов плазменной струей, расход дорогостоящего газа и т. п. Главным фактором, сдерживающим широкое распространение карбидосталей, является технология их получения традиционными способами, которая требует сложного оборудования и длительного технологического цикла производства.

В настоящее время существует технология индукционной наплавки металлических слоев [16 – 20], которая базируется на использовании нагрева токами высокой частоты. В результате многофакторного воздействия электромагнитного поля на металлическую подложку, флюс и исходную шихту синтезируется многослойный композит, у которого на поверхности может быть сформирован слой, обладающий комплексом улучшенных свойств: износостойкостью, кислотоупорностью, жаростойкостью и т. д. Методика нанесения слоев характеризуется относительной дешевизной оборудования, простотой осуществления и скоротечностью процесса наплавки, частично совмещающейся, при необходимости, с термической обработкой наплавленного слоя.

Целью настоящей работы являлось исследование возможности получения карбидостали методом индукционной наплавки.

Задачи работы:

– подобрать благоприятные для индукционной наплавки составы наплавляемой шихты на основе быстрорежущей стали с добавками карбидов вольфрама и титана;

– предложить состав флюса для индукционной наплавки карбидостали;

– получить наплавленные слои карбидостали на основе быстрорежущей стали с упрочнением карбидами вольфрама и титана на стальных подложках;

– исследовать микроструктуру и свойства полученных образцов.

Материал и методы исследования

В качестве основного компонента шихты для получения наплавленных слоев выступала порошковая быстрорежущая сталь 10Р6М5. Для получения карбидостали порошковую сталь замешивали на органическом связующем с порошками карбидов вольфрама (WC) и титана (TiC) в различных соотношениях (5 – 20 мас. % от массы стали). Последняя величина понижена относительно традиционной технологии получения карбидостали, где количество упрочняющей фазы варьируется от 20 до 70 мас. % [7]. Это обусловлено технологическими особенностями индукционной наплавки, так как время, необходимое для формирования слоя, в данном случае существенно меньше, чем при традиционных технологиях, а, следовательно, и возможное время взаимодействия матрицы и упрочнителя так же сокращается. Поэтому для обеспечения эффективного взаимодействия компонентов карбидостали и для формирования удовлетворительной и бездефектной структуры повышенные количества упрочняющего компонента не вводились.

Важную роль при индукционной наплавке играет флюс, защищающий наплавляемый металл и поверхность стальной подложки от окисления кислородом воздуха [9]. В качестве флюса использовалась смесь порошковой плавленой буры, борной кислоты и добавок оксидов кремния, магния, кальция и натрия.

При подборе флюса учитывался фактор влияния магнитного поля, возникающего в зоне наплавки, на шихту. Одной из проблем получения карбидостали на основе быстрорежущей является ферромагнетизм порошковой стали, которая на начальном этапе нагрева (до перехода в парамагнитное состояние) активно взаимодействует с магнитным полем, создаваемым индукционной установкой в зоне наплавки. Для предотвращения перемещения порошковой шихты ее прессовали в брикеты. Кроме того, существенную роль играет флюс, выступая в определенном температурном диапазоне своеобразным «связующим» между частицами шихты в тот момент, когда флюс уже расплавился, а нагретая металлическая часть шихты еще нет.

Для прессовки брикетов наиболее эффективно показала себя поршневая система. Смешанные компоненты шихты укладывались в контейнер, предварительно смоченный пластификатором на основе органического соединения, который снижает фактор прилипания компонентов к стенкам контейнера и поршню. С помощью поршня происходило уплотнение образца. В процессе прессования могли выделяться излишки связующего и пластификатора. После уплотнения брикет просушивался в течение минимум 2 ч при температуре 80 °С.

В качестве подложек для наплавки служили пластины углеродистой конструкционной стали 45.

Наплавка пластин (рис. 1) осуществлялась при помощи высокочастотной индукционной установки типа УВГ 2-25, с генератором ГНОМ-25М1 мощностью до 20 кВт и рабочей частотой генератора от 44 до 66 кГц. Использовался витковый индуктор с ферритным водоохлаждаемым сердечником. Для фиксации брикетов на первом этапе наплавки и предотвращения повреждения индуктора на наплавляемые брикеты укладывалась асбестовая прокладка (рис. 1).

Исследования микроструктуры образцов осуществляли на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer.D1 и электронном микроскопе Hitachi TM4000 с микроанализатором. Фазовый состав сплава определяли рентгеноструктурным методом на дифрактометре «Bruker» с использованием излучения меди. Твердость наплавленных слоев измеряли методом Роквелла.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследование микроструктуры полученных наплавленных слоев показало, что в целом структура соответствует характерным особенностям структуры литой быстрорежущей стали. Во всех образцах обнаружена ледебуритная эвтектика с различной морфологией, зависящей от состава и количества внесенных в шихту карбидов. Присутствует твердый раствор на основе аустенита, состав которого может варьироваться в широких пределах в зависимости от состава наплавляемого образца.

В случае наплавки быстрорежущей порошковой стали 10Р6М5 без добавок (рис. 2, а) наблюдается характерная для этой стали ячеистая структура, с небольшими по размеру включениями ледебуритной эвтектики с веерообразной морфологией. Внесение небольшого количества карбидов вольфрама приводит к их практически полному растворению в расплаве и кристаллизующаяся структура в целом походит на структуру быстрорежущей стали без наплавок (рис. 2, б), но с повышенным количеством ледебуритной эвтектики с веерообразной морфологией.

Дальнейшее повышение количества внесенных карбидов приводит к выделению из жидкости ледебуритной эвтектики с так называемой скелетной морфологией, характерной для высоковольфрамовой быстрорежущей стали типа Р18 (рис. 2, в). Это объясняется растворением внесенных карбидов в жидкой стали при наплавке. Но существует предел растворимости, который вызван не столько ограничениями, связанными с диаграммой состояния, сколько, по-видимому, недостатком времени из-за кратковременности процесса. В результате может быть зафиксирована структура, где наравне со скелетной эвтектикой наблюдаются и группы нерастворенных внесенных карбидов вольфрама характерной угловатой формы (рис. 2, г).

По данным рентгенофазового исследования в структуре наблюдаются аустенит, мартенсит, цементит и ледебурит с карбидами типов Fe₆W₆C, Fe₃W₃C. Кроме этого рентгенофазовое исследование показало наличие карбидных включений типов W₂С и WС, последний из них – это частично не растворившиеся в твердом растворе частицы внесенной в шихту карбидной фазы в образцах с относительно высоким содержанием внесенных карбидов.

Исследование твердости показало, что наплавленные образцы стали 10Р6М5 без упрочнителя характеризуются твердостью порядка 60 – 61 HRC, а образцы с добавками карбида вольфрама имеют твердость 61 – 63 HRC.

Получение карбидостали на основе быстрорежущей стали с упрочнителем в виде карбида титана (TiC) представляет большую сложность. Это вызвано характером смачиваемости сталью карбида титана, взаимным растворением связки и упрочнителя и др. [7]. Тем не менее, удалось получить слои карбидостали указанного состава, микроструктура которых представлена на рис. 3. Структура полученного слоя меняется в зависимости от состава карбидостали.

Так, при низком содержании карбида титана (рис. 3, а) в микроструктуре наблюдается ячеистая структура аустенита с сеткой карбидов. В аустените отчетливо виден мартенсит. Ледебурита скелетного типа не наблюдается. При повышении содержания карбида титана качество наплавки снижается, усиливается тенденция к порообразованию, а в микроструктуре наблюдаются включения ледебурита (рис. 3, б). Морфология ледебурита своеобразная – условная «арабская вязь». Указанные особенности, очевидно, вызваны способностью жидкой стали растворять в себе определенное количество внесенных карбидов и характером кристаллизации из жидкого состояния.

По данным рентгенофазового исследования в структуре наблюдаются аустенит, мартенсит, цементит и ледебурит с карбидами типов Fe₆W₆C, Fe₃W₃C. Кроме этого, наравне с карбидом титана TiC присутствуют карбидные включения типа W₂С.

Твердость образцов с добавками карбида титана варьируется от 59 до 63 HRC.

Выводы

Подобраны удовлетворяющие индукционной наплавке составы наплавляемой шихты на основе быстрорежущей стали 10Р6М5 с добавками до 20 мас. % карбидов вольфрама (WC) и титана (TiC). Разработан состав флюса для наплавки карбидостали, включающий буру и борную кислоту в качестве основы с добавками оксидов кремния, магния, кальция и натрия. Разработана технология и получены наплавленные слои карбидостали на основе быстрорежущей стали с упрочнением карбидами вольфрама и титана на стальных подложках из стали 45. Микроструктура полученных образцов характеризуется наличием аустенита, мартенсита, цементита и ряда специальных карбидов типа Me₆C, Мe₂С, МeС и др. Твердость карбидостали в наплавленном слое варьируется от 59 до 63 HRC в зависимости от состава исходной шихты.

Таким образом, показана возможность получения карбидостали на основе порошковой быстрорежущей стали 10Р6М5 с добавками карбидов вольфрама (WC) и титана (TiC) методом индукционной наплавки.