Содержание
Перейти к:
Металлографические исследования сплава системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2026-3-258-264
Аннотация
В условиях НПЦ «Сварочные процессы и технологии» Сибирского государственного индустриального университета проведена наплавка разработанных порошковых проволок системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni методом автоматической дуговой сварки под слоем флюса. Атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-1 и рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF-1800 определен химический состав образцов наплавленных покрытий. Результаты исследований указывают на возможность получения покрытий, состоящих из 60 – 70 % железа и 30 – 40 % легирующих элементов. С использованием металлографического микроскопа МЕТАМ РВ-34 и программного комплекса NEXSYS ImageExpert проведены микроструктурные исследования образцов. В наплавленных образцах встречаются оксиды точечные балла 2а, силикаты недеформирующиеся балла 4а и 4б. По сравнению с подложкой (сталью 09Г2С) полученные наплавленные слои образцов заметно чище, однако образец К4 имеет меньшую загрязненность. Микроструктура первых наплавленных слоев представлена игольчатым мартенситом, что подтверждается результатами измерения микротвердости. Последующие слои наплавленных образцов представлены аустенитной кристаллической структурой. Причем структура имеет вытянутое (дендритное) строение, что присуще структурам, полученным методом дуговой наплавки. С помощью микротвердомера HVS-1000 по Микро-Виккерсу ГОСТ 9450 – 76 проведены исследования распределения микротвердости. Результаты указывают на получение сплава с твердостью, немного выше чем у используемой подложки, при этом стоит отметить, что в наплавленном слое присутствуют зоны с повышенной в два раза твердостью. Чаще всего повышение твердости наблюдается на первых наплавленных слоях.
Ключевые слова
порошковая проволока,
электродуговая наплавка,
неметаллические включения,
микроструктура,
микротвердость,
химический состав
Для цитирования:
Крюков Р.Е., Коновалов С.В., Михно А.Р., Панченко И.А. Металлографические исследования сплава системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2026;69(3):258-264. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2026-3-258-264
For citation:
Kryukov R.E., Konovalov S.V., Mikhno A.R., Panchenko I.A. Metallographic studies of the alloy of Co – Cr – Fe – Mn – Ni system. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2026;69(3):258-264. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2026-3-258-264
Введение
Уже на протяжении больше полувека с момента разработки первой порошковой проволоки используется технология сварки и наплавки металлических изделий высоколегированными сварочными материалами [1 – 3]. Наиболее распространенные наплавочные материалы – порошковые проволоки на железоуглеродистой основе, дополнительно содержащие различные тугоплавкие элементы (хром, вольфрам, молибден, титан, бор и др.) [4 – 6]. Использование таких материалов при проведении наплавочных работ позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства и надежность изделий (прочность, твердость, пластичность, износостойкость и т. д.) [7; 8], а также снизить стоимость изготовления этих изделий за счет применения вторичных компонентов в шихте порошковых проволок [9; 10].
В условиях высокоэнергетического воздействия электрической дуги, температуры столба которой могут достигать 6200 К, в металле неразъемных соединений (основа – восстанавливаемая изношенная поверхность и электродуговое покрытие) протекает комплекс сложных взаимосвязанных физических, физико-химических и теплофизических явлений и процессов. Эти процессы сопровождаются изменением агрегатного состояния, микро- и макроструктуры, дислокационной субструктуры, химического и фазового составов основы и покрытия и определяют формирование комплекса свойств [11 – 13].
За счет применения легирующих компонентов в составе шихты порошковой проволоки возможно изменение химического состава наплавленного покрытия и, как следствие, изменение механических свойств изделий [14; 15].
Например, молибденовые стали в смеси с рядом других легирующих материалов способствуют получению высокотвердого покрытия, применение которого возможно при изготовлении быстрорежущих изделий [16; 17].
Хромистые стали с содержанием хрома свыше 12 % являются коррозионностойкими и жаропрочными при температурах до 600 °С. В зависимости от соотношения содержания в них углерода и хрома эти стали имеют различное структурное состояние: феррит, мартенсит, феррито-мартенсит. Хромистые стали используются для наплавки деталей различного назначения: плунжеры гидропрессов, прокатные валки, штампы, пускорегулирующая арматура [18; 19].
В зависимости от содержания легирующих элементов различное применение находят аустенитные стали. Нестабильные аустенитные стали применяются для наплавки деталей, испытывающих интенсивные ударно-динамические нагрузки, которые приводят к распаду аустенита и повышению твердости [20 – 22].
Целью настоящей работы являются изготовление и металлографические исследования металлического слоя, наплавленного порошковой проволокой системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni.
Материалы и методы исследования
Расчет компонентов шихтовых материалов разрабатываемой порошковой проволоки проводился по методике, представленной в работе [23]. В качестве используемых материалов для изготовления порошковой проволоки использовали металлические порошкообразные материалы: ПХ-1С (по ТУ 14-1-1474 – 75), МР-0 (по ГОСТ 6008 – 82), ПК-1у (по ГОСТ 9721 – 79), ПНК 1Л5 (по ГОСТ 9722 – 97). В качестве оболочки порошковой проволоки использована лента толщиной 0,5 мм шириной 15 мм из нержавеющей стали AISI 304. Изготовление порошковой проволоки производилось на лабораторной установке НПЦ «Сварочные процессы и технологии» СибГИУ. Диаметр изготавливаемой проволоки 4 мм.
Наплавку изготовленной проволоки осуществляли в несколько проходов (4 – 5) на подложку из конструкционной низколегированной стали 09Г2С с использованием сварочного трактора AOTAI ASAW-1250 под сварочным флюсом АН-348А. Использовался следующий (ранее подобранный) режим наплавки: ток 420 А; напряжение 38 В; скорость наплавки 15 см/мин.
Для подготовки изготовленных образцов к исследованию использовался ленточнопильный станок REALREZ M51 и шлифовально-полировальный станок MODUL MP-1000.
Определение химического состава наплавленных покрытий проводилось с использованием оборудования ЦКП «Материаловедение» СибГИУ, атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-71 и рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF-1800.
Металлографические исследования проводились с использованием металлографического микроскопа МЕТАМ РВ-34 и программного комплекса NEXSYS ImageExpert. Оценку неметаллических включений наплавленных слоев осуществляли согласно методике, указанной в ГОСТ 1778 – 2022, при увеличении 100×. Изучение микроструктуры проводилось при увеличении 100×, 400×, 1000×.
Замеры микротвердости исследуемых образцов проводились с использованием микротвердомера HVS-1000 по Микро-Виккерсу (ГОСТ 9450 – 76) путем вдавливания алмазной пирамидки. Испытательная нагрузка 9,8 Н, длительность приложения нагрузки 10 с.
Результаты и их обсуждение
Для проведения исследований путем многопроходной наплавки изготовлены образцы (рис. 1), отличающиеся между собой концентрацией легирующих элементов в порошковой проволоке (табл. 1).
Рис. 1. Характерный вид наплавленных образцов:
Таблица 1. Составы шихты порошковой проволоки
| |||||||||||||||||||
Результаты химического анализа наплавленного слоя приведены в табл. 2. По полученным данным определено, что наплавленный металл состоит из 60 – 70 % железа и 30 – 40 % легирующих элементов.
Таблица 2. Химический состав наплавленных образцов
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Загрязненность наплавленного слоя (рис. 2) изучали по торцу наплавленного образца. Согласно шкалам сравнения (ГОСТ 1778 – 2022) в наплавленных образцах встречаются оксиды точечные, балл 2а, силикаты недеформирующиеся, балл 4а и 4б. Определено, что образец К4 имеет меньшую загрязненность, чем образец К3, однако по сравнению с подложкой (сталью 09Г2С) полученные наплавленные слои образцов заметно чище.
Рис. 2. Загрязненность образцов К3 (а) и К4 (б) неметаллическими включениями |
На рис. 3 представлена схема расположения точек замера микротвердости образцов.
Результаты измерения микротвердости (табл. 3) указывают на то, что микротвердость наплавленных порошковыми проволоками системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni слоев немного выше, чем микротвердость используемой подложки. При этом стоит отметить, что в наплавленном слое присутствуют зоны с повышенной в два раза микротвердостью. Чаще всего повышение микротвердости наблюдается на первых наплавленных слоях.
Рис. 3. Схема расположения точек измерения микротвердости
Таблица 3. Результаты измерения микротвердости (HV) наплавленных образцов
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Анализ микроструктуры (рис. 4) проводился после травления наплавленных образцов царской водкой. Результаты проведенного анализа указывают на то, что подложка имеет феррито-перлитную структуру. На первых слоях наплавленного слоя встречается игольчатый мартенсит, что подтверждено результатами измерения микротвердости. Последующие слои наплавленных образцов представлены аустенитной кристаллической структурой. Причем структура имеет вытянутое (дендритное) строение, что присуще структурам образцов, полученных методом дуговой наплавки.
Рис. 4. Микроструктура образцов К3 (а) и К4 (б) |
Выводы
Проведенные исследования подтвердили принципиальную возможность формирования порошковыми проволоками системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni покрытий с содержанием железа 60 – 70 % и суммарной долей легирующих элементов 30 – 40 %.
Оценка неметаллических включений показала, что в наплавленных образцах наблюдаются точечные оксиды (балл 2а) и недеформирующиеся силикаты (балл 4а и 4б). Образец К4 характеризуется меньшей загрязненностью по сравнению с К3, при этом слои наплавленных образцов имеют существенно более высокую чистоту, чем подложка из стали 09Г2С.
Микротвердость наплавленного металла незначительно превышает микротвердость подложки. В структуре выявлены локальные зоны (преимущественно в первых слоях), где микротвердость возрастает вдвое, что связано с формированием игольчатого мартенсита.
Микроструктурный анализ показал, что начальные слои наплавки содержат игольчатый мартенсит, тогда как последующие слои имеют аустенитную кристаллическую решётку с вытянутой дендритной морфологией, характерной для дуговой наплавки.
Список литературы
1. Михайлицын С.В., Зверева И.Н., Шекшеев М.А. Сварочные и наплавочные материалы. Москва: Инфра-Инженерия; 2020:228.
2. Износостойкие наплавки: свойства, структура и фазовый состав / С.В. Райков, В.Е. Громов, Р.Е. Крюков, А.С. Князев. Новокузнецк: Полиграфист; 2024:179.
3. Barinov S.V., Zagorodskikh B.P., Simdyankin A.A. A study of the wear resistance of parts with an inhomogeneous friction surface. Journal of Friction and Wear. 2003;24(5):568–572.
4. Козырев Н.А., Шурупов В.М., Кушнаренко Н.Н., Козырева О.Е., Титов Д.А. Использование вольфрамсодержащих руд при наплавке. Известия вузов. Черная металлургия. 2015;58(8):567–571. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2015-8-567-571
5. Kumar V.A., Murty S.V.S.N., Gupta R.K., Rao A.G., Prasad M.J.N.V. Effect of boron on microstructure evolution and hot tensile deformation behavior of Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2020;831:154672. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154672
6. Artem’ev A.A., Sokolov G.N., Zorin I.V., Dubtsov Yu.N., Antonov A.A., Lysak V.I. Formation of structure in clad abrasion-resistant alloys of the Fe – Cr – C – Mo – Ni – Ti – B system under the effect of ultrafine particles of titanium nitride. Metal Science and Heat Treatment. 2020;61(11-12): 724–730. https://doi.org/10.1007/s11041-020-00490-8
7. Winkelmann H., Badisch E., Varga M., Danninger H. Wear mechanisms at high temperatures. Part 3: Changes of the wear mechanism in the continuous impact abrasion test with increasing testing temperature. Tribology Letters. 2010;37(2):419–429. https://doi.org/10.1007/s11249-009-9534-3
8. Kolokolov E.I., Pirozhkov R.V., Tomilin S.A. Applicability of 110G13P type powder steel for production of consolidation details of high parameters power fittings. In the World of Scientific Discoveries, Series B. 2014;2(2):29–35.
9. Козырев Н.А., Титов Д.А., Старовацкая С.Н., Шурупов В.М., Горюшкин В.Ф. Изучение влияния введения в шихту для производства порошковой проволоки системы C – Si – Мn – Сr – W – V углеродфторсодержащей добавки и никеля. Известия вузов. Черная металлургия. 2014;57(6):31–33. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2014-6-31-33
10. Козырев Н.А., Крюков Р.Е., Шурупов В.М., Кибко Н.В., Бащенко Л.П. Изучение процесса восстановления вольфрама из оксида при наплавке порошковыми проволоками. Известия вузов. Черная металлургия. 2019;62(3): 215–221. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-3-215-221
11. Tseng S.F., Hung T.Y., Chang C.M. Mechanical and microstructural properties of additively manufactured Ti–6Al–4V stents with CO2 laser postannealing treatment. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022;119(9-10):6571–6581. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08381-9
12. Григоренко Г.М., Коржик В.Н., Адеева Л.И., Туник А.Ю., Степанюк С.Н., Карпец М.В., Дорошенко Л.К., Лютик Н.П., Чайка А.А. Особенности металлургических процессов при плазменно-дуговом напылении покрытий, полученных из порошковой проволоки со стальной оболочкой и наполнителями В4С и B4C+ZrO2 . Вестник Приазовского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2016;(32):125–137.
13. Peleshenko S., Korzhyk V., Voitenko O., Khaskin V., Tkachuk V. Analysis of the current state of additive welding technologies for manufacturing volume metallic products (review). Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017;3(1(87)):42–52. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.99666
14. Sheksheev M.A., Shiriaeva E.N., Mikhailitsyn S.V. Investigation of the influence of ultrafine particles of refractory materials on the formation of the structure and properties of the deposited metal. AIP Conference Proceedings. 2022;2503(1):060007. https://doi.org/10.1063/5.0099350
15. Krokhalev A.V., Kharlamov V.O., Kuz’min S.V., Lysak V.I., Grinberg B.A. Fine structure of interphase boundaries in hard alloys of the chromium carbide–titanium system. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2016;57(5):504–508. https://doi.org/10.3103/S1067821216050096
16. Malushin N.N., Romanov D.A., Kovalev A.P., Osetkovskii V.L., Bashchenko L.P. Structural-phase state of a high-hardness heatresistant alloy formed by plasma cladding in a nitrogen atmosphere and high-temperature tempering. Russian Physics Journal. 2020;62(10):1865–1870. https://doi.org/10.1007/s11182-020-01917-8
17. Малушин Н.Н., Валуев Д.В. Плазменная наплавка и азотирование наплавленных деталей горно-металлургического комплекса. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012;(12):105–108.
18. Belkahla Y., Mazouzi A., Lebouachera S.El.I., Hassan A.J., Fides M., Hvizdoš P., Cheniti B., Miroud D. Rotary friction welded C45 to 16NiCr6 steel rods: statistical optimization coupled to mechanical and microstructure approaches. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021;116(7):2285-2298. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07597-z
19. Liu J.-Z., Zhang L.-J., Yang H.-X., Xie M.-X., Shang X.-T., Zhang J.- X. Enhancement of corrosion protection performance of SUS304/Q235B dissimilar metals lap joint through fiber laser. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018;96(1-4):789–802. https://doi.org/10.1007/s00170-018-1634-5
20. Zavdoveev A., Pozniakov V., Baudin T., Kim H.S., Klochkov I., Motrunich S., Heaton M., Aquier P., Rogante M., Denisenko A., Gajvoronskiy A., Skoryk M. Optimization of the pulsed arc welding parameters for wire arc additive manufacturing in austenitic steel applications. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022;119(7-8):5175–5193. https://doi.org/10.1007/s00170-022-08704-4
21. Yadaiah N., Bag S., Paul C.P., Kukreja L.M. Influence of self-protective atmosphere in fiber laser welding of austenitic stainless steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016;86(1-4):853–870. https://doi.org/10.1007/s00170-015-8194-8
22. Liu H.H., Wang L.B., Liu W.J., Li L.Y., Yue J.F. Influence of AC magnetic field on the cladding layer during the micro beam plasma welding of austenitic stainless steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018;97(9):3459–3468. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2182-8
23. Разработка технологии изготовления электродов и порошковых проволок для сварки и родственных процессов: учебно-методическое пособие / А.С. Табатчиков, Ю.С. Коробов, Н.М. Разиков, Л.А. Онищенко; под общ. ред. Ю.С. Коробова. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та; 2023:112.
Об авторах
Р. Е. Крюков
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия
Россия
Роман Евгеньевич Крюков, д.т.н., профессор кафедры механики и машиностроения
Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
С. В. Коновалов
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия
Россия
Сергей Валерьевич Коновалов, д.т.н., проректор по научной и инновационной деятельности
Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
А. Р. Михно
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия
Россия
Алексей Романович Михно, директор НПЦ «Сварочные процессы и технологии»
Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
И. А. Панченко
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия
Россия
Ирина Алексеевна Панченко, к.т.н., старший научный сотрудник управления научных исследований
Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
Рецензия
Для цитирования:
Крюков Р.Е., Коновалов С.В., Михно А.Р., Панченко И.А. Металлографические исследования сплава системы Co – Cr – Fe – Mn – Ni. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2026;69(3):258-264. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2026-3-258-264
For citation:
Kryukov R.E., Konovalov S.V., Mikhno A.R., Panchenko I.A. Metallographic studies of the alloy of Co – Cr – Fe – Mn – Ni system. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2026;69(3):258-264. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2026-3-258-264
Просмотров:
36
JATS XML
Послать статью по эл. почте 