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).

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.

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.

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.

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.

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.