Исследование свойств наплавленного металла типа мартенситностареющих сталей
Кондратьев И.А. к.т.н., Черняк Я.П. мл.н.с., Новикова Д.П. к.т.н.
Ключевые слова: наплавка, мартенситностареющие стали, порошковая проволока, штампы, жаропрочность, жаростойкость.
Для износостойкой наплавки инструмента, работающего в контакте с горячим металлом, с успехом могут быть применены мартенситностареющие стали. Применение этих сталей в качестве наплавленного металла имеет следующие преимущества перед металлом мартенситного класса: сравнительно невысокая исходная твёрдость позволяет производить обработку наплавленных поверхностей резанием, что особенно важно для инструмента сложной формы; простота термической обработки.
Как известно, упрочнение мартенситностареющих сталей происходит по нескольким механизмам: образование твердого раствора замещения, сдвигового (мартенситного) механизма альфа - гамма превращения и распада пересыщенного твердого раствора (мартенсита), сопровождающегося образованием сегрегаций и (или) дисперсных частиц интерметаллидных фаз [1, 2]. Для получения наивысших значений прочности и твердости обычно используют высоконикелевую сталь, легированную большим количеством молибдена и кобальта. Например, стали, содержащие около 15 % Со и 10 % Мо, имеют твёрдость порядка 60 HRC. Для наплавки подобных сталей (Н8М11К10СТ, Н12М8К8С2Т и др.) под слоем флюса разработано несколько марок порошковой проволоки [3, 4]. Однако очень высокая стоимость и дефицитность легирующих элементов ограничивает возможности широкого применения подобных сталей в целях упрочнения различных деталей и инструмента. Следует также учесть, что высокая степень легирования высокопрочных мартенситностареющих сталей (свыше 30…35 %) практически не позволяет изготовить порошковую проволоку для наплавки таких сталей, особенно самозащитную, а тем более малого диаметра.
В связи с изложенным, заслуживает внимания так называемые экономнолегированные мартенситностареющие стали [2]. К ним относится группа конструкционных и инструментальных сталей, которые могут использоваться для изготовления штамповой оснастки. Эти стали должны обладать высокой жаропрочностью, теплостойкостью и термостойкостью. С целью обеспечения этих свойств они должны иметь в своем составе Ni, Mo, Ti, Al и другие легирующие элементы, содержание которых должно обеспечивать снижение температуры альфа - гамма превращения и образование мартенсита замещения и упрочняющих фаз. Наличие в стали Mo, Ti, W обеспечивает повышенную жаропрочность и достаточную теплостойкость, а сильные нитридо- и карбидообразующие элементы препятствуют выделению карбидов молибдена. При введении малых добавок кремния в никелевую сталь уменьшается растворимость молибдена и титана, что несколько увеличивает эффект дисперсионного твердения.
Следует отметить, что в таких сталях для снижения температуры начала мартенситного превращения и упрочнения мартенсита после закалки целесообразно использовать углерод, содержание которого может составить 0,06…0,10 %. Возможность повышения содержания углерода в стали до 0,10 % весьма важна при создании порошковых наплавочных проволок, в производстве которых используются стальная лента и углеродсодержащие ферросплавы.
Для выбора оптимального состава наплавленного металла было изготовлено 11 вариантов самозащитной порошковой проволоки, обеспечивающей получение металла типа, мартенситностареющих сталей различных систем легирования. Наплавка проволокой 2,0 мм осуществлялась на режиме: Iн=240-260 А; Uд=24-25 В. Наплавленный металл по видам легирования может быть разделен на несколько групп. Металл № 1-3 представляет собой наиболее распространенную никельхромомолибденовую сталь, номера 4-6 – безникелевую сталь, 7-11 – сталь с частичной заменой никеля марганцем.
Все варианты порошковой проволоки обладают хорошими сварочно-технологическими свойствами. Формирование наплавленного металла, отделимость шлаковой корки хорошее (газошлаковая система проволок – основного типа). Однако, при многочисленной наплавке на жесткий (массивный) образец выяснилось, что в безникелевом металле (4-6) и в металле с 2 % Ni (7) образуются мелкие трещины. При наплавке остальных вариантов металла каких-либо дефектов не выявлено.
При выборе оптимального состава наплавленного металла исходили из следующего: твёрдость металла после наплавки не должна превышать 30 HRC, а после старения должна быть на уровне 50 HRC. Этим требованиям в наибольшей мере отвечает никельмарганцевый металл (8, 9), дополнительно легированный кремнием, который несколько усиливает эффект дисперсионного твердения. По степени легирования он белее экономичен, чем известные мартенситностареющие стали, содержащие 12…18 % Ni и по несколько процентов молибдена, кобальта, вольфрама и др. элементов. Из этих двух составов металла (8 и 9) предпочтение следует отдать металлу типа Н8Г5СМТЮ имеющему после наплавки твёрдость 30 HRC, что позволяет без затруднений проводить отработку резанием. Исходя из этого, указанный тип металла и был принят за основу при разработке самозащитной порошковой проволоки и технологии наплавки слоя экономнолегированной мартенситностареющей стали.
Для выбора оптимальной термической обработки наплавленного металла Н8Г5СМТЮ была исследована зависимость его твёрдости от температуры и продолжительности старения. Результаты представлены в табл.2.
Таблица 2.
Зависимость твёрдости металла, наплавленного проволокой типа Н8Г5СМТЮ, от температуры и продолжительности старения
Температура старения, 0С Продолжительность, ч Твёрдость, HRC
400 3 48…49
400 5 48…49
500 3 49…50
500 5 46…47
600 3 30…31
600 5 28…29
Оптимальным режимом старения наплавленного металла Н8Г5СМТЮ следует считать нагрев до 480…500 0С, выдержка 3 ч.
Была изучена и теплостойкость (стойкость против отпуска) металла Н8Г5СМТЮ, имея ввиду его применение при упрочнении инструмента для горячего деформирования. Результаты испытаний приведены на рис. 1 (продолжительность отпуска 2 ч.). По этому показателю наплавленный металл предлагаемого состава не уступает известной штамповой стали 5ХНМ.
Были проведены опыты по определению влияния отдельных технологических приемов при наплавке на исходную твёрдость металла Н8Г5СМТЮ, а также на эффект старения. Установлено, что предварительный подогрев (200…400 0С) наплавленного изделия никак не сказывается на исходной твёрдости наплавленного слоя и на твёрдости после старения. Не оказывает влияния на твёрдость металла Н8Г5СМТЮ и способ их охлаждения – замедленное (термостат, печь) или на открытом воздухе, а также способ наплавки (открытая дуга или под флюсом). Отмечено незначительное повышение исходной твердости (2…3 единицы по шкале Роквелла) наплавленного металла при наплавке с остыванием (до 20 0С) каждого предыдущего наплавленного слоя. При этом твёрдость после старения остается на прежнем уровне.
Рис. 1. Теплостойкость металла, наплавленного проволокой типа Н8Г5СМТЮ
Металлографические исследования показали, что после наплавки структура металла Н8Г5СМТЮ состоит из аустенита, феррита и небольших количеств мартенсита (рис. 2, а). После отпуска, при температуре 480 0С в течении 3 часов, структура наплавленного металла этого типа представляет собой мелорельефный пластинчатый мартенсит, присутствуют только мелкодисперсные карбидные частицы (рис. 2, б).
а б
Рис. 2. Структура металла, наплавленного проволокой Н8Г5СМТЮ после наплавки (а, х320) и старения при температуре 480 0С в течении 3 часов (б, х500).
На микроанализаторе Camebax SX50 исследовали состав матрицы и дисперсных включений в наплавленном металле (табл. 3), а также распределение легирующих элементов (рис. 3).
Таблица 3.
Химический состав матрицы и включений в наплавленном металле Н8Г5СМТЮ
Место анализа Массовая доля элементов, %
Fe Ni Mn Si Al Mo Ti
Матрица 84,92 7,21 4,35 1,29 0,79 0,70 0,78
Включение 63,15 5,09 2,87 0,80 0,65 0,68 26,75
Рис. 3. Распределение легирующих элементов в металле, наплавленном проволокой Н8Г5СМТЮ
Размер включений колеблется от 2 до 5 мкм. Что касается распределения легирующих элементов в наплавленном металле, то наиболее равномерно распределён алюминий, а титан в основном входит в состав карбидов.
Полученные исследования эффекта старения наплавленного металла типа мартенситностареющих сталей различных систем легирования позволили выбрать оптимальный состав – сталь типа Н8Г5СМТЮ. Причем, эти значения твёрдости не зависят от способа и температурного цикла наплавки. Экономнолегированный наплавленный металл обладает также достаточно высокими эксплуатационными свойствами, что позволяет рекомендовать его для упрочнения рабочих поверхностей сложной формы штампового инструмента.
Список литературы
1. Перкас М.Д., Кардомский В.М. Высокопрочные мартенситностареющие стали.–М.: Металлургия, 1971. –224 с.
2. Бирман С.Р. Экономнолегированные мартенситностареющие стали.–М.: Металлургия, 1974. –207 с.
3. Бармин Л.Н., Королев Н.В., Пряхин А.В. Свойства мартенситностареющих сплавов для наплавки инструмента горячего и холодного деформирования металла // Теоретические и технологические основы наплавки. Свойства и испытания наплавленного металла. – Киев: ИЭС им.Е.О.Патона, 1979. – С. 57-61.
4. Кальянов В.Н., Багров В.А. Мартенситностареющие стали для наплавки штампов // Сварочное производство, – 2003. – №2. – С. 35-37
