Новые процессы и материалы для наплавки термо- и износостойких сплавов

При исследовании технологических способов электрошлако вой наплавки применяли методы физического и математи ческого моделирования протекающих электромагнитных и других физикохимических процессов. Структуру, микроморфологию и элементный состав наплавленного металла изучали с помощью оптической (цифровой микроскоп Axiovert 40 MAT), электронной (растровый двулучевой электронный микроскоп Quanta 3D FEG) и атомносиловой (сканирующий зондовый микроскоп Solver PROM) микроскопии. Микрорентгеноспектральный анализ проводили с помощью энергодисперсионного спектрометра (Genesis EDAX) в режиме использования сигналов вторичных электронов и электронов обратного рассеяния. Рентгеноструктурный анализ фазового состава металла проводили в медном излучении на дифрактометре ДРОН3М.
30 марта 2020

Г.Н. Соколов, д-р техн. наук, И.В. Зорин, А.А. Артемьев, кандидаты техн. наук, Государственный технический университет (Волгоград)

На нашем сайте вы можете купить печи для электродов по выгодным ценам. Мы являемся официальным представителем Mathey Dearman Inc. в России. Получить консультацию по ассортименту и условиям поставки можно по телефону (8452) 66-22-80 или оставив заявку на сайте.

При исследовании технологических способов электрошлако вой наплавки применяли методы физического и математи ческого моделирования протекающих электромагнитных и других физикохимических процессов. Структуру, микроморфологию и элементный состав наплавленного металла изучали с помощью оптической (цифровой микроскоп Axiovert 40 MAT), электронной (растровый двулучевой электронный микроскоп Quanta 3D FEG) и атомносиловой (сканирующий зондовый микроскоп Solver PROM) микроскопии. Микрорентгеноспектральный анализ проводили с помощью энергодисперсионного спектрометра (Genesis EDAX) в режиме использования сигналов вторичных электронов и электронов обратного рассеяния. Рентгеноструктурный анализ фазового состава металла проводили в медном излучении на дифрактометре ДРОН3М.

Рис. 1. Склерометр: 1 - герметичный корпус; 2 - привод каретки; 3 - основание; 4 - каретка; 5 - электро- и теплоизолирующая панель; 6 - токопровод; 7 - нагрузка на индентор; 8 - кронштейн; 9 - индентор; 10 - образец наплавленного металла

Рис. 2. Схема ЭШН: 1 - полный графитовый электрод; 2 - токоподводящая секция; 3 - изолятор в технологическом режиме; 4 - шлаковая ванна; 5 - электроизолирующий слойЖ 6 - формирующая секция; 7 - ванна расплавленного металла; 8 - изделие; 9 - термопара; 10 - графитовая футеровка; 11 - композиционная проволока

Рис. 3. Распределение полей потенциала (а) и тока (б) при двухконтурной схеме питания шлаковой ванны постоянным током: 1 -полый электрод; 2 - токоподводящая секция; 3 - изолятор; 4 - формирующая секция; 5 - изделие (сплошная - линиинапряжения, штриховая - линии тока); А - потоки шлакового расплава, инициируемые электрическим полем токоподводящей секции и полого электрода; В - направление гидравлического подпора; С - потоки тепловой конвекции

Рис. 4. Микроструктура металла на основе алюминида никеля, наплавленного электрошлаковым способом в ТПК (а) и автоматической дуговой наплавкой в аргоне (б)

Рис. 5. Зависимость показателя износостойкости наплавленного металла k от температуры T испытаний

Рис. 6. Схема ЭШН в горизонтальном положении плоских поверхностей изделий (а) и макросечение наплавленного металла (б): 1 - водоохлаждаемый кристаллизатор; 2 - два полых графитовых электрода, расположенных перпендикулярно к сечению шлаковой ванны; 3 - присадочная ПП; 4 - изделие; 5 - шлаковая ванна; 6 - металическая ванна; 7 - наплавленный металл

Износостойкость наплавленного металла при нормальной и высоких температурах оценивали по результатам склерометрических испытаний на разработанном склерометре (Пат. РФ 87018), (рис. 1). Нагрузка на алмазные инденторы Роквелла и Виккерса составляла 4,5 Н. Топографию полученных на наплавленном металле треков от индентора анализировали по их двух- и трехмерным изображениям, а также по профилограммам сечений треков, используя компьютерную программу Image Analysis. Критерием износостойкости k при постоянной нормальной нагрузке на индентор может служить показатель, обратно пропорциональный полному объему Vд деформированного индентором металла на участке длиной 10 мм: k=10³/Vд.

Для наплавки объектов, работающих при температурах 1000–1200°С, эффективны жаропрочные сплавы с матрицей на основе алюминида никеля Ni3Al, которые применяют в авиакосмической промышленности как конструкционный материал для изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Для получения сплавов подобного типа в виде наплавленного электрошлаковым способом металла разработаны порошковая (Пат. РФ 2254219) и композиционная (Пат. РФ 2274536) проволоки.

Новые, обладающие более широкими технологическими преимуществами процессы ЭШН в токоподводящем кристаллизаторе, реализуются при включении токоподводящей секции кристаллизатора и вводимого в шлаковую ванну второго неплавящегося графитового электрода, имеющего на рабочем торце сферическую полость, в двухконтурную схему электропитания шлаковой ванны постоянным током (Пат. РФ 2232669) (рис. 2).

Устойчивый электрошлаковый процесс, равномерное и качественное формирование наплавленного металла обеспечиваются при оптимальном соотношении силы тока с полого электрода и секции кристаллизатора. Это позволяет получить в шлаке под полым электродом высокотемпературную область с максимальной температурой до 3500°С, что дает возможность быстро и качественно расплавлять композиционную проволоку и другие наплавочные материалы, содержащие разнородные по физикохимическим свойствам металлические компоненты. При взаимодействии электромагнитных и тепловых полей от двух источников теплоты в шлаковой ванне образуется торообразный быстродвижущийся высокотемпературный поток. Это способствует увеличению по сравнению с обычным процессом ЭШН времени пребывания металлических капель в шлаковой ванне и повышает вероятность приближения системы «шлак—металл» к равновесному состоянию, при котором металлургические реакции доходят до конца.

При анализе модели движения шлака с каплями металла установлено, что во вращающихся вокруг оси электрода двух торообразных потоках шлака формируется небольшая по величине результирующая сила, которая, влияя на движение шлака, позволяет увеличить время жизни металлических капель, что повышает эффективность их металлургической обработки (рис. 3). С учетом квадратичной зависимости от скорости течения шлакового расплава расчетное значение давления, оказываемого потоком шлака на поверхность металлического расплава, становится почти в десять раз меньше по сравнению со значением при ЭШН проволочным электродом. В результате формируется плоская межфазная поверхность на границе «шлак—металл» без образования на ней характерного для традиционных способов ЭШС и ЭШН кратера, влияющего на качество наплавленного металла.

Другим способом получения направленно ориентированного наплавленного металла на основе легированного алюминида никеля является дуговая наплавка в аргоне с использованием композиционной электродной проволоки. Микроструктура наплавленного металла показана на рис. 4. Наполнитель такой проволоки содержит разнородные компоненты и порошки металлов, равномерно распределенные по поперечному сечению проволоки, что обеспечивает стабильное существование дуги. Конфигурирование расчетного состава композиционной проволоки осуществляли путем варьирования способов введения исходных компонентов в состав проволоки с помощью разработанной программы AlMe-Wire-Lab (А. с. 2010616144 РФ). Расчет производили исходя из требуемой массы проволоки заданного диаметра и площади поперечного сечения для типа жаропрочного наплавленного металла с химическим составом, % по массе: 0,2–0,4 C; 3,0–3,2 W; 2,5–3,0 Mo; 1,8–2,0 Zr; 4,1–4,4 Cr; 1,8–2,0 Ta; 10,5–11,2 Al; Ni — остальное.

Анализ результатов склерометрических испытаний показывает, что наибольшим значением показателя износостойкости k обладают сплавы на основе никеля и алюминида никеля Ni3Al (рис. 5), что можно объяснить повышенными значениями их термостабильности и сопротивления термосиловому воздействию.

Гетерогенная структура сплава 80Х4Н74Ю10М3В3Ц2 состоит из пластичной матрицы на основе ϒ–Ni3Al, ϒ-фазы и карбидов, равномерно распределенных в ней, что обусловливает превосходное сопротивление наплавленного металла деформированию при повышенных температурах — до 1200°С.

ЭШН с использованием горизонтальной схемы обеспечивает качественное формирование наплавленного металла с небольшой долей участия в нем металла изделия, что позволяет получить прогнозируемые сварочно-технологические и эксплуатационные свойства покрытия уже в первом слое наплавки.

Новая технология ЭШН (Пат. РФ 2397851), в которой предусмотрено использование токоподводящего кристаллизатора (ТПК) и широкого спектра присадочных и электродных материалов, обеспечивает повышенное качество тонкого (от 3 мм) и широкого (до 60 мм) слоя наплавленного металла за счет управления тепловыми процессами, а также циркуляционными течениями в шлаковой ванне. В конструкции ТПК (Пат. РФ 82615) используется кольцеобразный диэлектрический элемент, расположенный в проточке формирующей секции, который влияет на характер растекания тока в шлаке с токоподводящей секции кристаллизатора (рис. 6, а). Данный прием позволяет переместить высокотемпературную область в шлаке, сформированную вблизи поверхности токоподводящей секции кристаллизатора, непосредственно к металлическому расплаву. Плотность тока в этой области в 2,5–3 раза выше, чем в остальном объеме шлака. Это приводит к повышению температуры расплава и уменьшению поверхностного натяжения на межфазных границах, а также способствует качественному формированию тонкого слоя наплавленного металла (рис. 6, б).

Результаты физического моделирования топологии полей тока и напряжения, а также распределения плотности тока в модельной среде показали, что для создания равномерно распределенного теплового поля в осевом сечении шлаковой ванны необходимо использовать два неплавящихся полых электрода, расположенных на расстоянии между их центрами, равном l = (1,7...2,5) dЭ. При этом вокруг электродов в электролите формируются частично перекрывающиеся зоны с повышенной плотностью тока, что способствует созданию в шлаковой ванне единой высокотемпературной области. В приэлектродном объеме шлака, ограниченном полусферой с диаметром (1,5...1,8)dЭ, обеспечиваются оптимальные условия для плавления электронейтральной подаваемой через полость электрода порошковой проволоки (ПП), которая с целью упрочнения наплавленного металла может содержать тугоплавкие твердые компоненты.

Исследовали возможность получения абразивостойкого наплавленного металла, армированного частицами диборида титана TiB2, а также ультрадисперсными карбонитридами TiCN, вводимыми в сварочную ванну через наполнитель ПП. Результаты металлографического анализа показали, что в структуре наплавленного металлаприсутствуют равномерно распределенные включения округлой формы с микротвердостью 33,5–35 ГПа, что соответствует микротвердости TiB2. Частицы диборида и карбонитрида титана служат центрами кристаллизации в матричном расплаве, вокруг которых образуются крупные первичные кристаллиты других боридов и карбоборидов (рис. 7, а). Распределение легирующих элементов в зоне взаимодействия частицы TiB2 с образовавшимся вокруг нее боридом (Fe,Cr)B (рис. 7, б, в) свидетельствует о протекании диффузионных процессов в переходной зоне протяженностью около 0,8 мкм с образованием прочной химической связи между этими боридами.

Установлено, что пребывание ультрадисперсных частиц TiCN в металлическом расплаве приводит к их частичному растворению и коагуляции с последующим образованием колоний укрупненных до 1–3 мкм частиц неправильной формы (рис. 8, а). В то же время в наплавленном металле содержатся включения размером от 15 до 50 нм, что косвенно может свидетельствовать о сохранении в нерастворенном виде некоторого количества наноразмерных частиц TiCN, служащих центрами кристаллизации для других тугоплавких соединений.

Склерометрические испытания наплавленного металла показали, что при скрайбировании поверхности микрошлифа упрочняющие частицы TiB2 оказывают существенное сопротивление его движению. При этом на поверхности упрочняющей частицы отсутствуют следы растрескивания и выкрашивания (рис. 8, в), что свидетельствует о достаточной прочности самой частицы и ее надежном закреплении в матрице сплава. В реальных условиях столкновение частиц TiB2 и абразива должно приводить к разрушению последнего вследствие его меньшей твердости.

Формирование сложной композиционной структуры с высокой объемной долей упрочняющих фаз способствует увеличению относительной износостойкости наплавленного металла по сравнению с износостойкостью стали 45 в отожженном состоянии до 12,5, а по сравнению с износостойкостью металла, наплавленного дуговым способом проволокой ПП–АН170М (ПП-Нп 150Х15Р3Т2), она повышается почти в пять раз. Результаты выполненных исследований легли в основу разработки состава ПП (Пат. РФ 2397851) для электрошлаковой наплавки деталей машин и инструмента абразивностойким сплавом системы легирования C-Cr-Ni-Ti-B.

Источник: Информационно-технический журнал "Сварщик", 2 (90) 2013