Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали

Представлены результаты исследований структуры и износостойкости наплавленного порошковыми лентами металла, имеющего химический состав типа низкоуглеродистых сталей с различным содержанием марганца. Исследована возможность повышения износостойкости наплавленного металла за счет последующих термиче...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автор:	Малинов, В.Л.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Сварочному Факультету ПГТУ – 40
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102872
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали / В.Л. Малинов // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 15-19. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102872
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1028722016-06-14T03:03:40Z Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали Малинов, В.Л. Сварочному Факультету ПГТУ – 40 Представлены результаты исследований структуры и износостойкости наплавленного порошковыми лентами металла, имеющего химический состав типа низкоуглеродистых сталей с различным содержанием марганца. Исследована возможность повышения износостойкости наплавленного металла за счет последующих термической и химико-термической обработок. Показано, что при достижении оптимального количества метастабильного аустенита в структуре повышается износостойкость наплавленного металла. The paper gives the results of investigation of structure and wear resistance of metal deposited with flux-cored strips, ensuring production of low-carbon steels with different manganese content in the deposited layer. Possibility of improvement of deposited metal wear resistance at the expense of postweld heat and chemico-thermal treatment is studied. It is shown that achievement of optimum quantity of metastable austenite in the structure leads to an increase of deposited metal wear resistance. 2011 Article Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали / В.Л. Малинов // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 15-19. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102872 621.791.92.042-418. ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Сварочному Факультету ПГТУ – 40 Сварочному Факультету ПГТУ – 40
spellingShingle	Сварочному Факультету ПГТУ – 40 Сварочному Факультету ПГТУ – 40 Малинов, В.Л. Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали Автоматическая сварка
description	Представлены результаты исследований структуры и износостойкости наплавленного порошковыми лентами металла, имеющего химический состав типа низкоуглеродистых сталей с различным содержанием марганца. Исследована возможность повышения износостойкости наплавленного металла за счет последующих термической и химико-термической обработок. Показано, что при достижении оптимального количества метастабильного аустенита в структуре повышается износостойкость наплавленного металла.
format	Article
author	Малинов, В.Л.
author_facet	Малинов, В.Л.
author_sort	Малинов, В.Л.
title	Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
title_short	Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
title_full	Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
title_fullStr	Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
title_full_unstemmed	Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
title_sort	влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Сварочному Факультету ПГТУ – 40
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102872
citation_txt	Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали / В.Л. Малинов // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 15-19. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT malinovvl vliâniemargancanastrukturuiiznosostojkostʹnaplavlennogometallatipanizkouglerodistojstali
first_indexed	2025-07-07T12:58:31Z
last_indexed	2025-07-07T12:58:31Z
_version_	1836993071731965952
fulltext	УДК 621.791.92.042-418 ВЛИЯНИЕ МАРГАНЦА НА СТРУКТУРУ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ТИПА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В. Л. МАЛИНОВ, канд. техн. наук (Приазов. гос. техн. ун-т, г. Мариуполь) Представлены результаты исследований структуры и износостойкости наплавленного порошковыми лентами металла, имеющего химический состав типа низкоуглеродистых сталей с различным содержанием марганца. Исследована возможность повышения износостойкости наплавленного металла за счет последующих термической и химико- термической обработок. Показано, что при достижении оптимального количества метастабильного аустенита в структуре повышается износостойкость наплавленного металла. К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая наплавка, порошковые ленты, наплавленный металл, структура, мартенсит, аус- тенит, бейнит, упрочнение, отпуск, цементация Особенности применения в промышленности ма- териалов, обеспечивающих получение в наплав- ленном металле метастабильного аустенита и ха- рактеризующегося динамическим деформацион- ным мартенситным превращением (ДДМП), опи- саны в работе [1]. Там же отмечено, что их раз- работке в настоящее время уделяется недостаточно внимания. Известные аустенитные наплавочные ма- териалы типа стали 110Г13Л, содержащие повы- шенное количество марганца и углерода, а также хромомарганцевые типа ПП-Нп-25Х10Г10Т, недос- таточно технологичны, поскольку наплавленный ими металл трудно обрабатывается резанием [2]. В ряде случаев в таких материалах используются дорогие легирующие элементы. Поэтому по- прежнему актуальной является задача создания более экономнолегированных наплавочных мате- риалов, что может быть достигнуто путем полу- чения в наплавленном металле не аустенитной, а многофазной структуры, в которой аустенит присутствует наряду с другими составляющими (мартенситом, карбидами, карбонитридами и др.). При этом важно иметь метастабильную самот- рансформирующуюся при нагружении структуру, в которой протекают различные структурные и фазовые превращения, вызывающие не только уп- рочнение, но и релаксацию микронапряжений. В частности, такой структурой может быть метас- табильный аустенит, претерпевающий ДДМП [3, 4]. Наряду с ними могут реализоваться динами- ческие процессы двойникования, старения, изме- нения плотности дислокаций, диспергирования структуры и др. Применительно к деталям, подвергающимся механическому изнашиванию (различные направ- ляющие, валы, ролики, втулки, крановые колеса и др.), перспективны наплавочные материалы, обеспечивающие получение низкоуглеродистого наплавленного металла на Fe–Mn–C основе мар- тенситного, мартенситно-аустенитного и аусте- нитно-мартенситного классов, а также повышение свойств наплавленного металла в результате тер- мической и химико-термической обработок. Из шихты, в состав которой вводили различное количество марганца металлического и железного порошка, а также небольшое количество ферро- титана для измельчения зерна в структуре нап- лавленного металла, изготовляли однозамковые порошковые ленты размером 10×3 мм с коэффи- циентом заполнения 48…50 %. В качестве сталь- ной оболочки использовали холоднокатаную лен- ту из стали 08кп. Наплавку проводили в три слоя под флюсом АН-26 на пластину толщиной 30 мм из стали ВСт3сп на следующем режиме: сила тока 450…500 А, напряжение 30…32 В, скорость нап- лавки 25 м/ч, без предварительного подогрева. Пос- ледующие наплавочные валики выполняли после остывания до температуры не выше 250 °С. Отпуск образцов, вырезанных из наплавлен- ного металла, проводили при температурах 450, 550, 650 и 750 °С с выдержкой 1 ч и последу- ющим охлаждением на воздухе. Осуществляли также цементацию образцов в твердом карбюри- заторе при температуре 950 °С в течение 10 ч. После этого часть образцов подвергали отпуску при 650 °С. Химический состав металла, наплав- ленного опытными порошковыми лентами, при- веден в табл. 1 (S, P ≤ 0,03 %). Проводили дурометрические и металлографи- ческие исследования. Фазовый состав изучали рентгеновским методом с использованием диф- рактометра «ДРОН-4». Микроструктура наплавленного металла, со- держащего 5 и 8 % Mn (без термической обра- ботки), является мартенситной (рис. 1, а). При- сутствие феррита в структуре наплавленного ме- © В. Л. Малинов, 2011 8/2011 15 талла не обнаружено, что согласуется с данными работы [5], где указано, что в Fe–Mn сталях, со- держащих более 5 % Mn, бездиффузионное мар- тенситное γ→α-превращение наблюдается при обычных скоростях охлаждения на воздухе. При этом область α-мартенстита распространяется до 8 % Mn, а увеличение содержания марганца при- водит к снижению температурных интервалов γ→α-превращений. Наиболее высокая твердость наплавленного металла наблюдается при 10 и 12 % Mn, что обусловлено большим упрочнением α-мартенсита по сравнению с содержанием 5 % Mn. При увеличении содержания марганца до 14 % в структуре наплавленного металла наряду с α-мартенситом появляется ε-мартенсит (около 20 %) и аустенит (около 50 %) (рис. 1, б), име- ющие значительно меньшую твердость, что сни- жает твердость наплавленного металла. При содержании марганца 5, 8 и 14 % тре- щины в наплавленном металле отсутствовали. По- явление трещин в наплавленном металле, содер- жащем 10…12 % Mn, можно объяснить наиболее сильным упрочением α-мартенсита при очень низком уровне пластических свойств. Это обус- ловлено сильной локализацией связи между ато- мами кристаллической решетки железа из-за пе- рераспределения внешних электронов от атомов железа к атомам марганца [6]. Отсутствие трещин при увеличении содержания марганца до 14 % объясняется снижением степени упрочнения нап- лавленного металла и повышением его пластич- ности вследствие образования в структуре повы- шенного количества аустенита. Для дальнейших исследований из-за низкой трещиностойкости наплавленный металл, содержащий 10…12 % Mn, не использовали. Разрабатываемые порошковые ленты предназ- начены для восстановления и упрочнения деталей, подвергающихся изнашиванию при трении метал- ла по металлу, вместо широко применяемых нап- лавочных материалов, обеспечивающих получе- ние наплавленного металла типа низколегирован- ных сталей, например, Нп-30ХГСА и ПП-Нп- 18Х1Г1М, и в ряде случаев типа хромомарган- цевых аустенитных сталей, например, ПП-Нп 14Х12Г12СТ. Износостойкость деталей обычно оценивают по результатам испытаний, имитирующих взаи- модействие в условиях трения–скольжения и тре- ния–качения. Испытания в условиях трения–скольжения осуществляли по схеме колодка–ролик при сухом трении (износостойкость ε1). Скорость вращения ролика диаметром 70 мм из стали 55 с твердостью НRC 56 составляла 200 об/мин. Прижатие плос- кого образца осуществляли грузом 8 кг. В ходе предварительного этапа исследований провели сравнительные испытания на износостой- кость наплавленного металла различных струк- турных классов в условиях трения-качения по схе- ме ролик–ролик (давление 320 МПа, скорость вращения роликов 0,98 м/с, проскальзывание 0,09 м/с) и при динамическом воздействии потока дроби с различными углами атаки. Для второго вида испытаний изготовление образцов является существенно менее трудо- и материалоемким. При этом воздействие на поверхность плоского образца осуществляли дробью, транспортируемой потоком сжатого воздуха, при давлении в системе 5 атм. Диаметр сопла на выходе струи из сме- сителя составлял 16 мм. Длительность испытания образцов определяли расходом 20 кг дроби. Т а б л и ц а 1. Химический состав и свойства наплавлен- ного металла Содержание легирующих элементов, мас. % Твер- дость HRC Наличие трещинC Mn Si Ti 0,15 5,1 0,71 0,09 36 Нет 0,16 8,2 0,63 0,11 42 » 0,14 10,0 0,67 0,11 47 Да 0,15 12,2 0,61 0,08 45 » 0,16 14,1 0,68 0,12 34 Нет Рис. 1. Микроструктура (×500) наплавленного металла с со- держанием марганца 5 (а) и 14 % (б) 16 8/2011 При испытаниях в условиях трения-качения и при воздействии потока дроби происходит уста- лостное разрушение поверхностных объемов ме- талла при повторяющемся силовом воздействии. Изменение угла атаки дроби позволяет варьиро- вать условия разрушения. В ходе исследований близкие значения были получены при испытаниях по схеме ролик–ролик и при воздействии потока дроби с углом атаки 60°. Последнюю схему из- нашивания использовали в дальнейших исследо- ваниях (ε2). Результаты при испытаниях по схе- мам ролик–ролик и в потоке дроби выборочно перепроверяли на отдельных образцах наплавлен- ного металла. Значения износостойкости при ис- пытаниях по указанным схемам во всех случаях близки. В качестве эталона сравнения при определении относительной износостойкости использовали ме- талл, наплавленный широко применяемой порош- ковой проволокой ПП-18Х1Г1М, отпущенный при 600 °С на твердость НВ 280. Данные результатов исследования износостой- кости наплавленного металла, содержащего 5, 8 и 14 % Mn, без термической обработки и после отпуска при различных температурах, представ- лены на рис. 2. При сухом трении обнаруживается корреляция износостойкости наплавленного металла с его твердостью. Напротив, при испытаниях в потоке дроби наибольшую износостойкость имеет нап- лавленный металл с 14 % Mn с наименьшей твер- достью, что обусловлено, согласно данным рен- тгеновского анализа, превращением остаточного аустенита в мартенсит при изнашивании. При су- хом трении это превращение не получает замет- ного развития, по-видимому, из-за нагрева повер- хности выше температуры мартенситного прев- ращения [4]. По мере повышения температуры отпуска от 450 °С до Ac 1 износостойкость и твердость нап- лавленного металла, содержащего 5 и 8 % Mn, снижается из-за разупрочнения мартенсита. На- иболее высокая износостойкость такого наплав- ленного металла при различных видах изнаши- вания достигается нагревом в межкритическом интервале температур (МКИТ — Ac 1 < t < Ac 3 ). Для наплавленного металла с 5% Mn эта темпе- ратура соответствует 750, а с 8 % Mn — 650 °С. В МКИТ происходит перераспределение углерода и марганца между α- и γ-фазами и обогащение ими последней. В результате в наплавленном ме- талле наряду с мартенситом и небольшим коли- чеством карбидов образуется аустенит — 9 и 18 % соответственно при 5 и 8 % Mn, который метас- табилен и полностью превращается в мартенсит при нагружении. На рис. 3, а, б приведены данные для наплавленного металла с 8 % Mn. Кроме того, после нагрева и выдержки в МКИТ при охлаж- дении до комнатной температуры часть аустенита повторно превращается в мартенсит, имеющий вследствие повышенного содержания в нем уг- лерода и марганца более высокую твердость. Это, наряду с метастабильным аустенитом, и обуслов- ливает повышение износостойкости. Нагрев наплавленного металла, содержащего 14 % Mn, в температурном интервале 450…750 °С влияет на износостойкость неоднозначно. В том случае, когда происходит стабилизация аустенита по отношению к ДДМП (отпуск при 450 °С), наб- людается снижение износостойкости при сухом трении и ее увеличение при испытании в потоке дроби. При дестабилизации аустенита из-за вы- деления карбидов (отпуск при 550 и особенно при 650 °С), напротив, наблюдается повышение из- носостойкости при сухом трении и ее снижение при испытании в потоке дроби. Изменение фа- зового состава наплавленного металла подтвер- ждается дифрактограммами, приведенными на рис. 3, в, г. До изнашивания в структуре преоб- ладает аустенит, а после изнашивания — мар- тенсит, ε-фаза отсутствует. После отпуска при 750 °С структура и износостойкость близки к ис- ходному состоянию после наплавки. Известно, что повышение содержания углеро- да в сталях увеличивает их износостойкость. Од- нако при получении высокоуглеродистого наплав- ленного металла его механическая обработка зат- руднительна и часто образуются трещины. Эф- фективным технологическим приемом является наплавка низкоуглеродистыми сталями с их пос- ледующей цементацией [7]. Данные о влиянии цементации и отпуска при 650 °С на структуру и свойства наплавленного металла с различным содержанием марганца представлены в табл. 2. Рис. 2. Твердость, относительная износостойкость при сухом трении ε1 и при испытаниях в потоке дроби ε2 наплавленного металла без термической обработки и после отпуска 8/2011 17 Наиболее высокую износостойкость после це- ментации в условиях сухого трения имеет нап- лавленный металл, содержащий 5 % Mn. При этом в структуре наряду с мартенситом и кар- бидами имеется 35…40 % метастабильного аус- тенита. При увеличении содержания марганца до 8 и 14 % износостойкость наплавленного металла при сухом трении снижается из-за увеличения ко- личества аустенита в его структуре. Отпуск при 650 °С наплавленного металла с 5 % Mn приводит к уменьшению износостойкос- ти при сухом трении из-за разупрочнения мар- тенсита и распада остаточного аустенита. Нап- ротив, износостойкость в условиях сухого трения наплавленного металла, содержащего 8 и 14 % Mn, после отпуска при 650 °С повышается вслед- ствие активизации ДДМП в результате выделения карбидов из аустенита. При испытании в потоке дроби наиболее вы- сокая износостойкость получена после цементации наплавленного металла, содержащего 8 % Mn, име- ющего в структуре 75…80 % остаточного аусте- нита. Установлено, что отпуск по-разному влияет на износостойкость наплавленного металла в зависи- мости от содержания марганца при испытании в по- токе дроби. При содержании 5 и 8 % Mn, после отпуска при 650 °С она снижается, а при содержании 14 % Mn повышается. Это объясняется следующим. Отпуск при 650 °С сопровождается разупрочнением мартенсита и чрезмерной активизацией ДДМП при содержании 5 и 8 % Mn, когда стабильность аус- тенита мала, а это в свою очередь приводит к сни- Та б л и ц а 2. Свойства наплавленного металла после цементации и последующего отпуска Содержание Mn, % Обработка Фазовый состав* Твердость HRC Износостойкость ε1 ε2 5 Цементация 35...40 % А + (М + К) 48 7,2 3,7 То же + отпуск при 650 °С 20...25 % А + (Мотп + М + К) 36 5,5 2,9 8 Цементация 75...80 % А + (М + К) 39 6,4 5,8 То же + отпуск при 650 °С 50...55 % А + (Мотп + М + К) 41 6,9 5,3 14 Цементация 95...97 % (А + К) 26 3,7 4,1 То же + отпуск при 650 °С 85...90 % А + (М + К) 35 4,8 4,6 * А — аустенит; К — карбиды; М — мартенсит; Мотп — отпущенный мартенсит. Рис. 3. Дифрактограммы наплавленного металла, содержащего 8 (а, б) и 14 % Mn (в, г) после отпуска при 650 °С до износа в потоке дроби (а, в) и после (б, г) 18 8/2011 жению износостойкости. При содержании марган- ца 14%, когда она повышена, активизация ДДМП напротив увеличивает износостойкость. Предложенный способ повышения износос- тойкости путем цементации низкоуглеродистого наплавленного металла, легированного марган- цем, во всех случаях предусматривает получение в структуре остаточного метастабильного аусте- нита наряду с мартенситом и карбидами. Это яв- ляется отличительным признаком, поскольку тра- диционно после цементации и последующей термообработки стремятся получить мартенсит- но-карбидную структуру, а остаточный аустенит рассматривается как нежелательная структурная составляющая, снижающая твердость и износос- тойкость. При этом важно учитывать, что наи- более высокая износостойкость достигается при оптимальной стабильности аустенита по отноше- нию ДДМП для конкретного вида нагружения или испытания. Высокая устойчивость переохлажденного аус- тенита наплавленного металла, содержащего не более 5 % Mn, по отношению к образованию фер- ритно-цементитной смеси позволяет отказаться от использования специальных закалочных сред, поскольку в процессе охлаждения на воздухе про- исходит самозакалка. Ценным при этом является отсутствие трещин, повышение износостойкости, упрощение технологии, экономичность и эколо- гичность технологического процесса. Выводы 1. Показана перспективность создания экономно- легированных низкоуглеродистых марганецсо- держащих наплавочных материалов, обеспечива- ющих получение в наплавленном металле мартен- ситной или мартенситно-аустенитной структуры. 2. Высокий отпуск, проводимый для снятия напряжений в наплавленном металле с мартен- ситной структурой, должен обеспечить получение определенного количества метастабильного аус- тенита, превращающегося при изнашивании в мартенсит. Для этого температура нагрева и вы- держки наплавленных деталей должна обеспечи- вать попадание в МКИТ. В случае преимущественно аустенитной струк- туры наплавленного металла отпуск должен ре- гулировать стабильность аустенита по отноше- нию к деформационному мартенситному превра- щению с учетом условий нагружения. 3. Для повышения износостойкости наплавлен- ного металла типа низкоуглеродистой стали, со- держащей не более 5 % Mn, предложено произ- водить его цементацию. 1. Малинов В. Л. Экономнолегированные электродные ма- териалы, обеспечивающие в наплавленном металле де- формационное упрочнение при эксплуатации // Автомат. сварка. — 2006. — № 8. — С. 29–32. 2. Опыт совместных работ ОАО «Запорожсталь» и ОП «Реммаш» в разработке и внедрении новых наплавочных материалов / В. В. Тарасенко, Г. В. Хоменко, В. И. Тита- ренко, А. В. Титаренко // Сб. тр. 2-й Науч.-практ. конф. «Модернизация и переоснащение предприятий. Эффек- тивные технологии ремонта и восстановления деталей». — Днепропетровск, 2006. — С. 39–43. 3. Богачев И. Н., Минц Р. И. Кавитационные разрушения и кавитационностойкие сплавы. — М.: Металлургия, 1972. — 179 с. 4. Малинов Л. С., Малинов В. Л. Экономнолегированные сплавы с мартенситными превращениями и упрочняю- щие технологии. — Харьков: ННЦ «ХФТИ», 2007. — 352 с. 5. Богачев И. Н., Еголаев В. Ф. Структура и свойства желе- зомарганцевых сплавов. — М.: Металлургия, 1973. — 295 с. 6. Литвинов В. С. Структура и стабильность фаз высокой контактной стойкости: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. — Свердловск: УПИ им. С. М. Кирова, 1979. — 40 с. 7. Пат. 63462 Україна, MKI С21 Д1/2. Спосіб зміцнення / Л. С. Малінов, В. Л. Малінов. — Заявл. 22.04.2003; Опубл. 15.01.2004, Бюл. № 1. The paper gives the results of investigation of structure and wear resistance of metal deposited with flux-cored strips, ensuring production of low-carbon steels with different manganese content in the deposited layer. Possibility of improvement of deposited metal wear resistance at the expense of postweld heat and chemico-thermal treatment is studied. It is shown that achievement of optimum quantity of metastable austenite in the structure leads to an increase of deposited metal wear resistance. Поступила в редакцию 13.06.2011 8/2011 19

Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали

Репозитарії

Схожі ресурси