3. Композищйш наплавочш матер1али

Наплавлення - це нанесения за допомогою зварки шару металу на поверхню виробу. При вщновленш, ремонт! наплавлення виконують приблизио тим же металом, з якого виготовлений BHpi6, проте таке рпнення не завжди доцшьно. 1нод1 при виготовленш нових деталей (i нав1ть при ремонт^ доцшьшше на поверхш отримати метал, вщмйший вщ металу деталь ДШсно, у ряд1 випадив умови експлуатацп поверхневих inapiB значно вщр^зняються вщ умов експлуатацп Bcie'i решти матер1алу виробу.

Так, наприклад, якхцо деталь (вир^б) повинна визначати загальну м1цн1сть, яка залежить вщ властивостей металу i його перетину, то поверхнев'1 шари часто додатково повинш працювати на абразивний або ибразивно-ударний зное (направляйте станин, зуби ковнйв землерийних зиарядь, жолоби вашв канатно-пщйомних пристроТв i iH.). Умови робота можуть ускладнюватися пщвищеною температурою, ерозшно-корозШною aieio навколишнього середовища (морськоТ води, р1зних реагентов в х1м1чних ниробництвах i iH.). Як приклад можна вказати клапапи двигушв, поверхн! ущшьнювач1в засувок, поверхш вашв гарячого плющения i т.п. 1нод1 таю riorani i вироби цшком виготовляють з металу, який забезпечуе i вимоги до експлуаташйно1 надШносп робота його поверхонь. Проте це не завжди якнайкраще i, як правило, не економ1чне рипення. Часто виявляеться доцшьшше весь enpi6 виготовляти з бшып дешевого i достатньо нрацездатного металу для конкретних умов експлуатацп i лише на моверхнях, що працюють в особливих умовах, мати необхщний по товпдаш тар шшого MaTepiany.

Гнодд це досягаеться застосуванням б1метал1в (низько вуглецева сталь + короз1йностШка сталь; сталь + титан i iH.), а також поверхневим змщненням (поверхневим гаруванням, електроюкровою обробкою i iH.), нанесениям гонких поверхневих inapiB (метал!защею, напилюванням i ih.) або тплавленням inapip. значно!' товщини на поверхню. У виготовленш нових

вИроб1в в цшях забезпечення належних властивостей конкретних поверхонь зричайно застосовують вщносно проста сташ (наприклад, низько вуглецевО, а на робоч1 поверхш наплавляють, наприклад, бронзу, замшюючи тим самим цглком бронзову деталь, кислотостсйку сталь (для роботи в умовах дн в1дпов1дного xiMiHHO агресивного середовища) або MaTepian, добре працюючий на стирання (за наявност! тертя i3 зносом) i т.п.

Taid шари можна наносити на зовшшш noecpxHi деталей (наприклад, взли, рейков1 хрестовини i ш.) або внутршш поверхш - звичайно ц^ыйндрових вироб1в (корпуси xiMiqifflx i енергетичних peaicropiB, усггаткування х1м1чних виробництв i ih.

Наплавлення здШснюють нанесениям розплавленого метану на поверхню виробу, fiarpiiy до оплавления або до температури надШного 31У*очування рщким наплавленим металом. Наплавлений шар утворюе одне цЬ-ле з основним металом (металевий зв'язок). При цьому, як правило (oicpiM д^лких випадгав ремонтного наплавлення, вживаного для вщновлення псэчаткових posMipie деталей), Х1м1чний склад наплавленого шару може зя"ачно вщр1знятися вад складу основного метану. Товщина наплавленого м^талу, утвореного одним або деюлькома шарами, може бути р1зною: 0,5 ... 10» мм i бшьш.

1нтенсивний зное деталей устаткування при i'x високотемпературнШ ек сплуатаци л1мпуе термш служби крупних металурпйних агрегапв, що вигг магае пошуку нових наплавочних MaTepianiB, здатних протистояти bit: сокотемпературному зносу, осюльки змщнення деталей вщомими легтованими сплавами не вщповщае сучасним вимогам. flo6pi результата по»казали композицШш матер1али на р^зних основах, таю як релгг, ВК 8, pi3Hi ка^эбобориди вольфраму i хрому. Проте штенсивна розчиншеть твердих ча»стинок в матрищ одних композищйних матер‘ал1в, висока трудом!спасть от^римання i вартють шших примусили дослщниюв проводите пошук бе^звольфрамових MaTepianiB i3 спечених твердих сплав1в на ocHoei карбадв i ка!Дрбон придав титана з р1‘зними бар'ерними покритгями. Таю матер1али за^Зсзпечують мшмальну розчиншеть i добру змочуемють твердих частинок, п!л=двищують мщшеть Тх зчеплення з матрицею при електрошлакових тезе*£нолопях отримання композищйних MaTepianiB, а отже, гарантують високу знс=эсост1йюсть в умовах високотемпературного зносу.

Розроблено cepira композищйних MaTepianiB на основ! спечених тв^^рдих cimaBie ТН 20 i КНТ 16, основу яких складають карбщ TiC i карэзбоштрид (TiC)N. Таю MaTepiam були в и кор и стан i для зм1цнення деталей мет~талургШного устаткування, ям швидко зношуються, що працюють в уме? овах високотемпературних виддв зносу, де традицШш наплавлювальш ма*~гер{али не показали достатным зносостшкосп. У нових композищйних M3'*~TepianiB зносостШкгсть в 6-8 раз1в, a TepMiH служби наплавлених деталей з нн>сх - в 3-5 pa3ie вище, шж у тих, що використовуються рашше.

Вивченню властивостей нових композищйних матер1ал1в i cnoco6ie нат*песення бар'ерних покритав методом електрошлакових технолопй зм1*шцнення деталей металурпйного устаткування присвячено цей роздш.

Рис. 1.2. «Кшьцева структура» спеченого твердого сплаву ТН 20

Твердий сплав типу ТН 20 (TiC-Mo2C-Ni) теля списания приймае "кшьцеву структуру”: серцевина складасться з карбщу титана TiC, середня зона - з твердого розчину (Ti, Мо)С з невеликою гальюстю шкелю, зовшшня зона - з никельмошбденового твердого розчину. Така структура завдяки зовншнШ шкелев1й оболонщ сприяе зниженню реакщйноУ здатност! сплаву ТН 20, шдвшценню його змочуваносп металами групи залпа, що створюе передумови до збшылення жаромщносп i зносостшкосп композицШного матер!алу при високотемпературних видах зносу.

Спечен! тверд1 сгшави володйоть вельми щнним поеднанням високих мщшсних властивостей з високою ударною в'язкютю: ix твердють HRA 86-92, мкротвердють Н_й = 19,5 - 22,0 Гпа, модуль пружносп 445 Гпа, меж1 мщност! а_еж = 6,0 Гпа, = 12 - 2,5 Гпа, а, = 0,5 о-_тг, ударна в'язысть 0,8 - 1,2 Мдж/м^г. Здатшсть спечених твердих сплав1в збер1гати в значн1й Mipi вказаш властивост! при шдвищених температурах е надзвичайно важливою i'x характеристикою. Спечеш тверд1 сплави вельми cTiftici до дн кислот i лупв, деяш сплави пом1тно не окислюються на noeiTpi навлть при температурах 600-800 °С, що вельми цшно при високотемпературних способах наплавлення i експлуатац11. М1цн1сть зчеплення твердих частинок з матрицею забезпечу високу зносостшкють композицШного матер1алу (тверд1 частинки не вириваються i не фарбуються з тша матрищ при абразивнШ дп), досягаеться регулюванням npouecie взаемодп на поверхн1 роздшу тверда частинка - матриця. У раз! невеликого розчинення твердих частинок в матрищ на поверхш роздшу не повинне утворюватися нових фаз, схильних до крихкосп, причому товщина nepexiflHoi' зони повинна бути мМмальною. Повшстю уникнути взаемодп практично не вдаеться, проте регулювати цей процес пропонуеться двома шляхами: тдбором компонент композицШного матер1алу, не розчинних або допустимо розчинних один в одному, i анесенням захисного (бар'ерного) покриття на тверд1 частинки. Перший cnoci6 мае ряд серйозних недолшв, особливо в частин1 отримання достатньо

15

зносостШкоУ i жаром щноТ матрищ; другий представлясться бшыи прийиятним, оскшьки бар'ерне покритгя, що наноситься, o6epirae тверду частинку вщ neperpiey i окисления i служить перешкодою для взаемодц з перегр1тим рщким металом, сприяе легуванню матриш i покращуе змочуванють твердих частинок сплавом-зв'язкою.

Рис 1.3. Макроструктура композицШного матер1алу з осадженим на поверхш твердих частин бромом, що дифундуе i3 сплавом-зв'язкою

Бар'ерним покритгям може служити боридний шар, що утворився, на поверхн1 спечених твердих частинок в результат! дифузА в них бору. Освгга i зростання бориду по дифузШному мехашзму вщбувасться в!дпов1Дно до законом1рностями реактивнШ дифузи, характерною особливютю яко'1 е стрибкопод1бна змша концептрашТ бору по товщиш дифузШного шару. На поверхн1 при перевищенш меж1 розчинноеп бору в титанi з'являеться фаза TiCB i утворюсться нова М1жфазна межа, що представляе собою карбоборвд титану. На рисунку 1.3 приведена мжроструктура композищйного материалу ТН 20 + 55Х16Н75СЗРЗ, вщомого як сплав ПГ-СРЗ - колмоной, отриманого електрошлаковим наплавленням по шару шихти (колмоной Mi стать 3,2 % В). При витримщ концентрация бору на noeepxHi прагне граничних зиачень, яи визначаються умовами р1вноваги поверхш з насиченим середовищем, а вмют бору в карбоборилд титана i 6-твердому розчиш на меж1 розд1лу в 1зотерм1чних умовах залишаеться незм!нним. В цих умовах штенсившсть зростання бориду на меж! роздшу визначаеться швидкостями дифуз1'1 бору в його гратах, в «-твердому розчиш i його поверхневою конпентращею. При механтй ди фу з i йн о - к р и стал i зац i'i формування борированого шару необхщне створення умов утворення рщкокристал1чного стану при стввщношенш фаз, що забезпечують збереження форми детал( i шорсткосп оброблюваиих поверхонь, причому кшыисть рщко1 фази звичайно не перевищуе 30 %. Твердою фазою можуть бути або дшянки матричного твердого розчину, або тверд1 складорл композицШного матер!алу, що не розплавилися. Температурн1 i концентращйш умови юнування щеТ р1вноваги визначаються складами шихти для отримання такого матерiaiiy i вживаного флюсу. Звичайно для здшснення борирування в шихту вводиться борвмюний сплав- зв'язка, наприклад 55Х16Н75СЗРЗ, або до складу флюсу додаються бура i борна кислота. Введения в шихту або додавання до складу флюсу борвмюних компонент приводить до утворення карбоборид1в на поверхш твердих частинок. 3 рисунка 1.4 видно, що на поверхш карбвдв е чтса смужка борированого шару, яка завдяки пшвищенш мкротвердосп сприятливо впливае на знососпймсть при високотемпературному газоабразивному 3Hoci.

Рис 1.4. Мйсроструктура композицШного материалу з борированим шаром, отриманий способом електрошлакового наплавлення з добавлениям до шлаку

бури i борно1 кислоти

Структура борированого шару, що утворюеться, е окремими включениями бориду pi3HOi дисперсносп, розподшеними в пор1вняно м'якому твердому розчиш. На твердих частниках, наприклад карбшах титана, процес борировання здшснюеться замщенням атомами бору атом1в вуглецю з утворенням або бориду титана TiB, або не стехюметричного складу карбобориду титана (TiC_xB_y). TaKi структури називають псевдоевтектичнимя на В1дм1ну вщ евтектичних структур, отриманих при сплав1 шару або при оплавленш композищйних електролггичних покритпв. Псевдоевтектичш структури характеризуются малою крихмстю i високою мкротвердютю, що сприятливо позначасться на зносоеийкоеп при високотемпературному абразивному 3Hoci. KpiM того, шо утворюеться на поверхш твердих частинок бар'ерне покритгя з борированого шару перешкоджае подальшому розчиненню частинок в матриц! композицШного матер!алу, оскшьки запобпае взаемшй дифузп i мйраци рщкого розплаву з матриц! в тверд! частинки. Таким чином, як видно з приведеного огляду po6iT i проведених досл1джень, формування днфузшного боридного шару i його властивост1 багато в чому залежать вщ складу вживаного рщкого середовища - розплаву. При цьому найбшыдий штерес представляють розплави, яи можуть одночасно бути середовищем не тшьки насичуючоГ, але i нагр)ваючоТ, наприклад шлакова ванна з борвмюними шгред1ентами. Накопичений експериментальний матер1ал дозволяе сформулювати внмоги до такого середовища:

висока насичуюча здатшсть при поверхневому змщненш; xiMi4Ha нейтральнють до композицШного Maxepiany, що нагр^ваеться;

вщсутшсть окисления i зневуглецювання поверхш твердих

частинок;

мшмальна взаемод1я з розплавленим шлаком при електрошлаковому наплавленш;

плавна змша в'язкосп i3 змшою температури; забезпечення добро‘1 змочуваност! твердих частинок матрицею i металом, що залнваеться, при отриманш армованих в1дливань;

коефпцент теплового розширення MaTepiaray покриття повинен забезпечувати мЬималып залишков! i терм1чш мпсронапруги на меж! взаемодп тверда частинка-матриця;

економ1чшсть середовищ борировання, що використовуються, i еколопчна чистота.

Бшьшосп перерахованих вимог задовольняють синтетичш шлаки АН-ШТ1 i АН-ШТ2.1нтервали робочих температур шлагав 900-1100 °С, при цьому IX в'язысть не перевищувала 8 П. Шлаки добре змочують поверхню спечених твердих сплав1в, на поверхш повшстю вщсутнШ окислений i зневуглецьований шари, при обробщ цими шлаками не вщбуваеться збщнення поверхневих niapiB твердих частинок легуючими металами.

Проведений анал1з лггературних джерел i додатюж дослщження автора uiei' роботи дозволяють найв!ропдншшм рахувати наступний мехашзм утворення бар'ерного покриття на твердих частниках, насич них атомами бору при електрол!з1 бури:

1. терм1чна дисощащя тетраборату натрпо:

Na₂B_A0₁ -> Na₂B₂0₄ + В₂О_г;

2. електролггична дисоц!ащя моноборату натрпо:

Na₂B₂O_s -> 2Na* + B₂Ol~\

3. видшення натрпо на катодг.

Na* +e-*Na',

4. втрата заряду борвмюних aHioHiB на анод1

В,04 В₂0₃+—О, + 2в;

5. взаемод1я металевого натрпо з розплавом:

В₂О_г + 7.Na —ь Nd₂0+В_гО_г;

В_гО_г+ 2Na-> Na₂0 + 2ВО;

6. вщновлення на катод1 субоксцщв бору:

В¹* + 2е —> В;

7. втрата заряду aHioHiB кисню на анод:

О²' О+ 2е.

З приведеної схеми видно, що натрієво-термічне відновлення оксиду бору в шлаковій ванні при електрошлаковому наплавленні композиційного матеріалу відбувається згідно із законом діючих мас тільки у разі борировання при високій густині струму, коли в прикатодном просторі є надмірна кількість натрію. Переміщення бору в основному здійснюється іонами В, які на поверхні металу або твердих частинок відновлюються до В₂0₂. Субоксид бору диспропорціонує з утворенням адсорбційного бору. Утворення борированого шару на поверхні карбідів приводить до збільшення мікротвердості межі розділу тверда частинка-матриця до 29-32 Гпа, підвищенню міцності зчеплення до 780 МПа унаслідок поліпшення змочуючої здатності бору, що володіє самофлюсуючими властивостями; все це веде до підвищення зносостійкості композиційних матеріалів, схильних високотемпературним видам зносу.

При більшості способів наплавлення відбувається істотне розчинення твердих частинок і збагачення матриці продуктами розчинення Ме’С, Me’ і С (тут Me’ - карбідо-утворювальний метал), що негативно позначається на зносостійкості композиційного матеріалу. Намічено декілька шляхів зменшення ступеня розчинення твердих частинок в матриці такого матеріалу, одним з яких є нанесення захисних покриттів. Досліджувалася ефективність дії захисного покриття на основі нікелю, нанесеного на тверді частинки методом осадження. Відзначено, що розчинення твердих частинок в матриці практично не відбувається, оскільки захисне покриття перешкоджає перегріву і окисленню твердих частинок при дії високих температур електричної дуги. Як покриття пропонується використовувати сплави на основі заліза, нікелю, кобальту. Проте застосування такого захисного покриття не приводить до підвищення зносостійкості композиційного матеріалу, оскільки воно розчиняється в матриці при наплавленні, що істотно знижує її мікротвердість і зменшує частку твердих частинок. Для зниження розчинності частинок твердого сплаву в сплаві-зв'язці, захисти від окислення, поліпшення змочуваності твердих частинок сплавом-зв'язкою проведені додаткові дослідження по нанесенню бар'єрних покриттів на твердосплавні частинки. При нанесенні покриттів за основу був прийнятий метод осадження солей.

В приготований розчин парамолібдата амонія 10-20 %-ої концентрації вводяться гранули спеченого твердого сплаву на основі карбіду або карбонітрида титану. Для підтримки заданої температури передбачена паралельна циркуляція води в паровій сорочці. В процесі випаровування води протягом 4-5 ч утворюється пересичений розчин, з якого випадає сіль парамолібденату амонію, що кристалізується на зернах твердого сплаву, як на центрах кристалізації. Парамолібдинат амонію обезводнюється (втрачає чотири молекули води) при температурі 90 - 110 °С, а продуктом, безпосередньо передуючим утворенню триоксиду молібдену, є безводний парамолбдинат амонію. Оболонка з тетрамолібдинату амонію, що утворилася, покриває частинки твердого сплаву.

Отримані твердосплавні порошки з покриттями з парамолібдата амонія піддавали відновленню-карбіднзації в струмі водню в печі з графітною трубою при 900 °С протягом 1 год. Тугоплавкі порошки з покриттям з карбіду Мо₂С змішували в млині об'ємом 4 л з порошком сплаву-зв'язки з компонентів Fe, Ni, Со або сплаву на їх основі протягом 24 год в

спиртному середовищі. Після змішування отриману пульпу висушували в дистиляторах і вводили в неї пластифікатор, в якості якого використовували 4-%-й розчин "СК" в бензині, потім суміш підсушували в паровій шафі, гранулювали і пресували під тиском 150-200 МПа. Спресовані штабики піддавали двохстадійному спіканню спочатку в струмі водню при температурі 500-600 °С, а потім у вакуумній печі ТВВ-5 при 1280-1450 °С.

На основі отриманих спечених твердих частинок з покриттям з карбіду Мо₂С розроблений новий композиційний матеріал. Компоненти узяті в наступному співвідношенні: 4,5 - 69,95 % металу-зв'язки з компонентів Fe, С, Ni або сплаву на їх основі, 0,05-0,5 % Nb, інше - тверді частинки карбонитрида титана TiC*N_y, покриті шаром карбіду молібдену Мо₂С.

При цьому вміст вуглецю в карбонітриді титану складає 14-20 %, азоту 0,25-4 %. В цілому це забезпечує високу міцність наплавлювального матеріалу на основі карбонітриду титану з підвищенням його зносостійкості за рахунок запобігання фарбування твердих частинок з композиційного матеріалу. Твердість HRA отриманого нового спеченого твердого сплаву не нижче 88-92.

Розроблений композиційний матеріал має межу міцності при вигині більше 1,6 ГПа, а коефіцієнт варіації по міцності нижче 4,3. Ці показники вище, ніж у відомих композиційних матеріалів прн однаковій кількості твердих частинок і сплаву-зв'язки, при збереженні високої твердості карбонітриду титану із захисним покриттям. Техніко-економічна ефективність нового композиційного матеріалу обумовлена двома чинниками: підвищення стабільності властивостей такого матеріалу приводить до значного зниження відсотка браку при отриманні твердих частинок, а підвищення міцності зчеплення твердих частинок з матрицею дозволяє використовувати наплавлюваний композиційний матеріал при роботі в більш жорстких умовах експлуатації з ударними навантаженнями.

Створення на основі проведених досліджень нових композиційних матеріалів і розробці способів електрошлаковій технології отримання таких матеріалів з бар'єрними покриттями дозволяють практично реалізувати ідею моделювання і прогнозування поведінки спечених твердих частинок в розплавах шлакової ванни і матриці. Використовуючи сформовані раціональні програми управління параметрами електрошлакової технології, можна регулювати фізико-механічні властивості поверхні розділу тверда частинка-матриця створених композиційних матеріалів. Дослідженнями макро- і мікроструктури, вимірюванням температурних деформацій і розрахунками напруг на межі розділу тверда частинка-матриця, мікрорентгеноспектральним і рентгеноструктурним аналізами, дослідженнями металографії взаємодії твердих частинок з матрицею і впливу ступеня розчинності частинок на характеристики міцності при високотемпературному зносі, а також натурними випробуваннями підтверджені високі властивості створених композиційних матеріалів з бар'єрними покриттями, отриманих способами електрошлакової технології для наплавлення деталей, що працюють при різних видах високотемпературного зносу.

Підвищення зносостійкості деталей з твердосплавними покриттями термічною обробкою

Багато працюючих в безпосередньому контакті з грунтом деталі сільськогосподарських машин піддаються наплавленню твердими сплавами. Це вимагає застосування достатньо складного технологічного устаткування, пов'язано з великою витратою литих твердих сплавів і флюсів. Більш раціонально одержувати такі деталі шляхом лиття по моделях, що газифікуються, з одночасним формуванням твердосплавного покриття. В цій роботі досліджуються структура і властивості отриманих литтям по моделях виробів, що газифікуються, із зносостійкими покриттями до і після термічної обробки. Технологія отримання виробів шляхом лиття по моделях, що газифікуються, включає виготовлення пінополістиролової моделі. На робочі поверхні пінополістиролової моделі наноситься рідка суспензія, що складається з порошку сормайта ПГ-С27 з добавками карбіду бору. Добавки карбіду бору В₄С різко збільшують зносостійкість. При виготовленні суспензії як зв'язку використовували пульвербакеліт і 4 %-й розчин полівинилбутираля в спирті, а порошок карбіду бору додавали в кількості 2,

4. і 6 %. Товщина шару обмазки h на пенополістиролової моделі складала 0,5, 1,0, 1,5 і 2,0 мм Після сушки покриття моделі формували в кварцовому піску і заливали рідким металом, відповідним по складу сталі 35ГЛ. При заливці відбувалося вигоряння пенополистироловой моделі і насичення поверхні відливання вуглецем до 0,7 % на глибину 0,25- 0,60 мм При контакті вставки з порошку сормайта з добавками карбіду бору з рідким металом відбувається утворення твердої скориночки відливання, розплавлення вставки, взаємодія рідкої фази вставки з матеріалом скориночки і після кристалізації освіта на поверхні структури білого високолегованого чавуну евтектичного або заевтекггоїдного станів. Перехід від зносостійкого покриття до основного металу достатньо різкий, хоча і є перехідні зони від заевтектичної частини до евтектичної, доевтектичної і до зони заевтектичної сталі. Наявність і товщина заевтектичної зони залежать від товщини покриття вставки на моделі, заевтектична зона максимальна при товщині покриття 2,0 мм.

Мікротвердість в межах товщини д твердосплавного покриття міняється в широких межах. Найвища мікротвердість у зразків, отриманих з товщиною шару обмазки на моделі 2,0 мм. У самої поверхні утворюється заевтектична структура з великою кількістю первинних карбідів хрому і бору з твердістю HV_m = 15300 МПа. В той же час мікротвердість перлітової евтектики складає 7300 МПа. На глибині 0,4-12 мм від поверхні залежно від товщини вставки вже спостерігається структура основного металу твердістю 2600 МПа.

На відлитих по моделях зразках з більш тонким твердосплавним покриттям максимальна твердість і глибина зносостійкого шару нижче, що пояснюється меншою глибиною заевтектичної зони і її відсутністю у разі товщини покриття 0,5 мм, а також меншою кількістю карбіду бору.