Structure and wear resistance of carbide-containing multilayer coating after oxyacetylene welding

Full Text

Введение Долговечность изделий во многом определяется износостойкостью их рабочих поверхностей различных элементов, которая часто обеспечивается определенными физико-химическими методами обработки поверхности [1 - 4]. В частности, в буровых долотах ресурс их эксплуатации во многом определяется износостойкостью зубцов, для повышения которой часто используется наплавка твёрдыми и сверхтвёрдыми сплавами из порошковых и прутковых материалов. Ниже изложены результаты исследований и испытаний образцов, полученных ацетиленокислородной наплавкой карбидосодержащего гибкого прутка (шнура) (состав: 60% карбида вольфрама и 40% никеля с добавками хрома, кремния), порошка (состав: 80% карбида вольфрама и 20% никеля с добавками хрома, кремния). Наплавка проводилась с подслоем и без подслоя никеля. Методики эксперимента Наплавка осуществлялась на образцы цилиндрической и прямоугольной формы толщиной 15 мм из стали 19ХГНМА (19ХН3МА-В). Использование литых твердых сплавов в качестве износостойких покрытий, полученных ацетиленокислородной наплавкой, позволяло решать вопросы наплавки на детали сложной формы и сохранять свойства наплавляемого материала в исходном состоянии. Целесообразность применения покрытий из карбидосодержащих материалов обусловлена их высокой твердостью, сопротивляемостью абразивному износу и теплопроводностью, обеспечивающей быстрый отвод тепла вглубь материала заготовки в процессе наплавки и эксплуатации детали. Для установления влияния различных факторов на свойства наплавленных материалов наплавка производилась по различным схемам: 1) без подслоя никеля наплавлялся компактный материал в виде гибкого прутка (шнура) из композиционного материала 60WС40Ni (образцы №№ 1, 2, 9, 10); 2) без подслоя никеля наплавлялся компактный материал в виде гибкого прутка (шнура) из композиционного материала 60WС40Ni с последующей наплавкой композиционного порошкового материала 80WС20Ni (образцы №№ 7, 8); 3) с подслоем из порошкового никеля и компактного материала в виде гибкого прутка (шнура) из композиционного материала 60WС40Ni (образцы №№ 3, 4); 4) с подслоем из порошкового никеля, компактного материала в виде гибкого прутка (шнура) из композиционного материала 60WС40Ni с последующей наплавкой композиционного порошкового материала 80WС20Ni (образцы № 5, 6). В работе проведены оптические исследования микроструктуры; измерения микротвердости; рентгеноспектральный микроанализ наплавленных материалов; проведены локальные испытания на абразивный износ по методикам, изложенным в работах [5-9]. Результаты исследований и их анализ Исследования микроструктуры наплавленных зон На рисунке 1 представлена исходная микроструктура наплавляемого гибкого прутка. Рисунок 1. Микроструктура наплавляемого гибкого прутка состава 60WC40Ni (х800) Исследования микроструктуры позволили установить форму и размеры карбидов для различных условий наплавки (рисунки 2, 3 и 4). Измерения микротвердости показали, что при наплавке гибким прутком (шнуром) без подслоя никеля микротвердость никелевой связки изменяется в пределах 350 - 650 кг/мм2, а карбидов вольфрама прутка - 1350 - 2450 кг/мм2 (образец № 1). При наплавке шнура с подслоем никеля микротвердость никелевого подслоя составляла 165 - 245 кг/мм2, никелевой связки шнура - в пределах 412 - 732 кг/мм2, а карбидов вольфрама шнура - 1144 - 1648 кг/мм2 (образец № 3). При наплавке шнуром с порошком и подслоем никеля микротвердость никелевой связки изменяется в пределах 447 - 730 кг/мм2, а карбидов вольфрама 1523 - 2128 кг/мм2 (образец № 5). а) б) в) Рисунок 2. Микроструктура наплавленного материала (образец № 2, без подслоя никеля - шнур): а - верх зоны наплавки; б - середина зоны наплавки; в - низ зоны наплавки (зона сплавления), (х105) а) б) в) Рисунок 3. Микроструктура наплавленного материала (образец № 4, подслой никеля+шнур): а - верх зоны наплавки; б - середина зоны наплавки; в - низ зоны наплавки (зона сплавления) (х105) а) б) в) Рисунок 4. Микроструктура наплавленного материала (образец № 5, подслой никеля +шнур + порошок): а - верх зоны наплавки; б - середина зоны наплавки; в - низ зоны наплавки (зона сплавления) (х105) Для образца № 7 (наплавка шнуром и порошковым материалом без подслоя никеля) микротвердость карбидов вольфрама наплавленного шнура составляла 1144 - 2708 кг/мм2, а карбидов вольфрама наплавленного порошка - в пределах 2128 - 2575 кг/мм2. На образце № 9 (наплавка гибким прутком без подслоя никеля) наблюдался минимальный разброс значений микротвердости. При этом в структуре наплавленного слоя преобладали карбиды сферической формы с микротвердостью 1523 - 1648 кг/мм2 и незначительное количество карбидов неправильной формы твердостью в пределах 1400 - 1715 кг/мм2. Результаты проведения элементного микроанализа На рисунке 5 показаны области образца № 7 (наплавка без подслоя шнуром (60WC 40Ni) + порошок (80WC 20Ni)), в которых проводился элементный микроанализ. Рисунок 5. Структура и схема элементного микроанализа зон наплавки образца без подслоя никеля: 003 - зона материала матрицы; 004 - зона дна наплавленной ванны из гибкого шнура; 005 - зона наплавленного шнура; 006 - зона наплавленного порошка Таблица 1 Элементный состав различных зон наплавки, %mass Элементный микроанализ (таблица 1) показал: состав материала матрицы (зона 3) практически соответствует составу материала заготовки 19ХН3МА-В. В зоне 4, у дна ванны расплава, наблюдаются крупные карбиды размерами 400-600 мкм. При этом в местах осаждения крупных карбидов глубина проплавления подложки наибольшая и составляла 0,1 - 0,2 мм. При этом в наплавленном слое наблюдается значительное количество железа до 6,15%, что указывает на восходящую диффузию его из материала заготовки. К середине зоны наплавки (зоны 5, 6) по ее высоте процентное содержание железа уменьшается, однако остается достаточно высоким (5,15%), что может существенно повлиять на свойства наплавленного материала. На рисунке 6 показаны зоны 7 элементного анализа подслоя никеля образца № 5 (наплавка с подслоем Ni + шнур 60WC 40Ni + порошок 80WC 20Ni). Рисунок 6. Элементный анализ подслоя никеля (образец № 5) Таблица 2 Элементный состав подслоя никеля, %mass Анализ элементного состава подслоя никеля показывает низкое содержание в нем железа, что указывает на отсутствие его активной диффузии из материала заготовки. Микроструктура и зона элементного анализа наплавленного прутка состава 60WC 40Ni (зона 11), а также наплавленного порошкового карбида вольфрама состава 80WC20Ni (зона 12) образца № 5 представлены на рисунке 7. Рисунок 7. Микроструктура наплавленного гибкого прутка 60WC 40Ni (зона 11) и наплавленного порошкового карбида вольфрама 80WC20Ni (зона 12) образца № 5 Результаты элементного анализа зон 11 (60WC 40Ni) и 12 (80WC20Ni) образца № 5, наплавленного с подслоем никеля представлены в таблице 3. Таблица 3 Элементный состав наплавленного 60WC 40Ni и 80WC20Ni, mass% Из таблицы 3 видно, что процентное содержание железа остается на уровне его содержания в исходном материале, то есть подслой никеля препятствует его восходящей диффузии из материала заготовки. В связующем никеле установлено наличие хрома порядка 5% и кремния до 5%. В работе проведен сравнительный анализ микроструктуры и элементного состава наплавленных карбидов вольфрама после АКН, а также микроструктуры и элементного состава карбидов вольфрама порошка MicroMelt NT-60 после плазменной наплавки. На рисунке 8 представлены микроструктуры карбидов вольфрама после АКН и плазменной наплавки. а) б) в) Рисунок 8. Микроструктура карбида вольфрама: а) после АКН, б) после плазменной наплавки, в) при токе плазменной дуги 85А; б) зона сплавления; в) середина наплавленного валика При ацетиленокислородной наплавке наблюдается небольшой перегрев внешнего контура карбида вольфрама. В то же время после плазменной наплавки происходит сильный перегрев карбидов вольфрама, приводящий к изменению их микроструктуры и частичному растворению в связующем никеле. Результаты элементного анализа состава карбидов вольфрама после АКН представлены в таблице 4. Таблица 4 Элементный состав наплавленного карбида вольфрама после АКН, %mass В состав карбида вольфрама входят в основном вольфрам и углерод. Результаты элементного микроанализа карбидов вольфрама в различных зонах после плазменной наплавки приведены в таблице 5. Таблица 5 Элементный состав наплавленных карбидов вольфрама MicroMelt NT-60 после плазменной наплавки при токе плазменной дуги 85А, %mass В состав карбида вольфрама зоны № 20 (рисунок 8б), находящегося непосредственно около зоны сплавления (дно ванны расплава), наряду с вольфрамом и углеродом входит значительное количество железа - 7,09% и кремния 3,8%. В состав карбида вольфрама зоны № 19 (рисунрок 8б), удаленного от зоны сплавления (дна ванны расплава), наряду с вольфрамом и углеродом входит незначительное количество железа - 1,34% и кремния 4,72%. Перегретый карбид вольфрама зоны №16 (рисунок 8в), расположенный ближе к поверхности валика, содержит высокое количество никеля - 17,35%, железа 18,77%, то есть в перегретых карбидах вольфрама происходит интенсивное растворение материала связки и железа. Поэтому можно предположить, что свойства таких карбидов вольфрама будут существенно отличаться от свойств исходных карбидов. Испытания на абразивный износ Сравнительные результаты испытаний на износ при АКН и плазменной наплавки представлены в таблице 6. Величина износа существенным образом зависит от формы направленных карбидов вольфрама. Округлая форма уменьшает величину износа, что может быть обусловлено проскальзыванием частиц абразива (порошок алмаза 2 - 3 мкм) по поверхности карбидных частиц наплавленных материалов; сферические карбиды вольфрама, как правило, имеют меньше микротрещин и меньшую величину внутренних напряжений. Сравнительный анализ износа с плазменной наплавкой показывает, что при АКН наплавке износ наплавленного материала ниже. На рисунках 9 и 10 приведены диаграммы испытания образцов № 8 и № 9. Диаграмма износа образца № 8 (рисунок 9), в котором сформирована микроструктура карбидной фазы угольчатой неправильной формы, имеет вид чередующихся всплесков различной амплитуды. При этом износ в течение пяти минут трения возрастал, затем резко падал и имел форму с меньшей частотой всплесков и далее продолжал расти. Наличие чередующихся всплесков на диаграмме износа (момента трения) может быть обусловлено вначале упругим торможением алмазных частиц (2 - 4 мкм) на неровностях карбидов вольфрама неправильной формы (рост амплитуды момента трения) с последующим вырыванием частиц карбидов вольфрама или проскальзыванием алмазных частиц (уменьшение амплитуды момента трения). Таблица 6 Сравнительные результаты испытаний на износ наплавленных шнура (60Wc40Ni) и порошка (80Wc20Ni) при АКН и CARPENTER MicroMelt NT-60 при плазменной наплавке Рисунок 9. Диаграмма испытаний на износ образца № 8 Диаграмма износа (момента трения) образца № 9 (рисунок 10), в котором сформирована микроструктура карбидной фазы сферической правильной формы различных размеров, имеет практически гладкую форму с уменьшающейся амплитудой в течение первых пяти минут трения. При дальнейшем времени испытаний появляются отдельные всплески различной амплитуды. Рисунок 10. Диаграмма испытаний на износ образца № 9 Гладкая форма диаграммы износа и меньшая его величина (почти в два раза) могут указывать на проскальзывание частиц алмаза размером 2 - 4 мкм по округлой поверхности карбидов вольфрама сферической формы. Анализ формирования дефектов наплавки В образцах, наплавленных без подслоя никеля, наблюдаются дефекты неравномерной упаковки карбидов вольфрама и отдельных пор небольшого размера, рисунок 11. Дефекты в виде крупных пор размером до 4 мм образуются в образцах, наплавленных с подслоем никеля толщиной до 1мм, то есть наличие свободного никеля способствует образованию пор. В образцах с подслоем никеля толщиной менее 0,5 мм образуются мелкие поры, рисунок 13. Дефектность наплавленной поверхности существенно зависит от состава и дисперсности наплавляемого карбидного материала. На рисунке 14 показана структура наплавленной поверхности образцов, соответственно, шнуром состава 60WC 40Ni и порошком состава 80WC20Ni. Рисунок 11. Структура образца № 1: наплавка шнуром состава 60WC 40Ni без подслоя никеля Рисунок 12. Структура образца № 3: наплавка шнуром состава 60WC 40Ni с подслоем никеля толщиной до 1 мм При наплавке мелкозернистого порошка состава 80WC20Ni формируется гладкая поверхность, после наплавки гибкого прутка образуется пористая поверхность с глубиной пор до 0,5 мм. Рисунок 13. Структура и дефектность образца № 4: наплавка с подслоем Ni + шнур 60WC 40Ni а) б) Рисунок 14. Общий вид поверхности наплавленных образцов: а - наплавка порошка, б - наплавка шнура Неровность поверхности наплавки образцов значительно выше при наплавке с подслоем никеля. Выводы На основе проведенных исследований по наплавке карбидосодержащего гибкого прутка 60WC 40Ni и порошкового материала 80WC20Ni установлено: 1. Структура с крупными глобулярными карбидами обладает большей износостойкостью с минимальным разбросом значений микротвердости, однако наблюдается склонность к образованию дефектов. 2. Образование зоны сплавления и ее глубина в значительной степени зависят от наличия подслоя никеля и процесса реализации технологии наплавки. Наплавка с подслоем никеля обеспечивает большую глубину сплавления и, соответственно, более высокую адгезию наплавленного материала к заготовке. По результатам исследований рекомендуемая толщина подслоя никеля должна составлять 0,3 - 0,5 мм. В этом случае обеспечивается высокая адгезия наплавленного покрытия, достаточная глубина проплавления заготовки и меньшая вероятность образования дефектов в зоне наплавки. 3. При наплавке с подслоем никеля наблюдается образование дефектов в виде крупных пор. 4. При наплавке с применением карбидосодержащего порошка на наплавленный гибкий пруток поверхность валика формируется бездефектной, более равномерной и однородной. 5. Технология ручной ацетилено-кислородной наплавки дает возможность получить немодифицированные карбиды вольфрама с повышенной износостойкостью, не уступающей плазменной наплавке и обеспечивает процесс наплавки на изделия сложного профиля.

About the authors

A. A. Parkin

Samara State Technical University

Email: laser@samgtu.ru
Ph.D., Prof.; 8 (846) 332-42-27

S. S. Zhatkin

Samara State Technical University

Email: sergejat@mail.ru
Ph.D.; 8 (846) 332-42-27

E. A. Minakov

Samara State Technical University

Email: goodspik@yandex.ru
8 (846) 332-42-27

A. B. Semin

JSC "VOLGABURMASH"

8 (846) 220-89-38

References

Supplementary files