Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором
Исследовано влияние легирования серой и фосфором на структуру и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС. Установлено, что фосфор растворяется и упрочняет мартенситную составляющую структуры наплавленного металла, а сера образует с другими легирующими элементами сульфиды и оксисульфиды. Показа...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100943 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором / И.А. Рябцев, Я.П. Черняк, И.И. Рябцев, В.А. Жданов, И.Л. Богайчук // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 24-28. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859666781731291136 |
|---|---|
| author | Рябцев, И.А. Черняк, Я.П. Рябцев, И.И. Жданов, В.А. Богайчук, И.Л. |
| author_facet | Рябцев, И.А. Черняк, Я.П. Рябцев, И.И. Жданов, В.А. Богайчук, И.Л. |
| citation_txt | Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором / И.А. Рябцев, Я.П. Черняк, И.И. Рябцев, В.А. Жданов, И.Л. Богайчук // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 24-28. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Исследовано влияние легирования серой и фосфором на структуру и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС. Установлено, что фосфор растворяется и упрочняет мартенситную составляющую структуры наплавленного металла, а сера образует с другими легирующими элементами сульфиды и оксисульфиды. Показано, что наиболее благоприятное сочетание износостойкости деталей пары трения обеспечивает наплавленный металл 20Х5М2ФС, легированный 0,21 мас. % S и 0,56 мас. % P.
The effect of alloying with sulphur and phosphorus on structure and wear resistance of deposited metal 20Kh5M2FS was investigated. It was proved that phosphorus dissolves to harden the martensitic component of structure of the deposited metal, whereas sulphur forms sulphides and oxy-sulphides with other alloying elements. It is shown that the most favourable combination of wear resistance of friction pair components is provided by deposited metal 20Kh5M2FS alloyed with 0.21 wt.% S and 0.56 wt.% P.
|
| first_indexed | 2025-11-30T11:31:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.92.048
СТРУКТУРА И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ НАПЛАВЛЕННОГО
МЕТАЛЛА 20Х5М2ФС, ЛЕГИРОВАННОГО
СЕРОЙ И ФОСФОРОМ
И. А. РЯБЦЕВ, Я. П. ЧЕРНЯК, И. И. РЯБЦЕВ, кандидаты техн. наук,
В. А. ЖДАНОВ, И. Л. БОГАЙЧУК, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Исследовано влияние легирования серой и фосфором на структуру и износостойкость наплавленного металла
20Х5М2ФС. Установлено, что фосфор растворяется и упрочняет мартенситную составляющую структуры наплав-
ленного металла, а сера образует с другими легирующими элементами сульфиды и оксисульфиды. Показано, что
наиболее благоприятное сочетание износостойкости деталей пары трения обеспечивает наплавленный металл
20Х5М2ФС, легированный 0,21 мас. % S и 0,56 мас. % P.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая наплавка, среднелегиро-
ванный наплавленный металл, микроструктура, фосфор и
сера в стали, износостойкость, сульфиды, фосфиды
Фосфор и сера по отдельности могут с успехом
использоваться в качестве легирующих элементов
в наплавочных материалах различного назначения
[1–5]. При этом фосфор положительно влияет на
износостойкость наплавленного металла в резуль-
тате упрочнения матрицы, а также образования
включений фосфидов некоторых легирующих
элементов [6]. В отличие от фосфора сера не рас-
творяется в железе [7], а образует в наплавленном
металле сульфиды и оксисульфиды, которые мо-
гут играть роль «твердой смазки» и препятство-
вать его изнашиванию за счет схватывания по-
верхностей трения [5].
Настоящая работа посвящена исследованию
влияния совместного легирования серой и фос-
фором на структуру и износостойкость наплав-
ленного металла 20Х5М2ФС. Для экспериментов
изготовлено восемь опытных порошковых про-
волок ПП-Нп-20Х5М2ФС-оп диаметром 2 мм с
различным содержанием серы и фосфора. На оди-
наковых режимах (ток 250…270 А; напряжение
24…26 В; скорость наплавки 28 м/ч) под флюсом
АН-26П наплавляли образцы с целью определе-
ния химического состава и твердости наплавлен-
ного металла (табл. 1), а также его структуры
(рис. 1) и износостойкости. При этом содержание
серы и фосфора в наплавленном металле изме-
нялось в пределах соответственно 0,02…1,40 и
0,06…0,97 мас. %.
Структура наплавленного металла
20Х5М2ФС, не легированного серой и фосфором
(образец № 1, табл. 1), состоит из мартенсита,
остаточного аустенита и карбидов. Имеется также
небольшая объемная доля неметаллических вклю-
чений, идентифицированных как оксиды и сили-
каты (рис. 1, а). Микротвердость мартенсита
HV 0,5 3860…3620 МПа, остаточного аустенита
HV 0,5 2320…2460 МПа.
Возрастание массовой доли серы до 0,24
мас. % (образец № 2, табл. 1; рис. 1, б), а затем
до 1,40 % (образец № 3, табл. 1; рис. 1, в) на
структуру наплавленного металла практически не
влияет, однако значительно увеличивает содер-
жание в ней неметаллических включений за счет
образования сульфидов и оксисульфидов.
Легирование наплавленного металла
20Х5М2ФС фосфором (0,50 мас. %) в образце № 4
(табл. 1) приводит к возрастанию в структуре нап-
лавленного металла остаточного аустенита
(рис. 1, г). Микротвердость мартенсита увеличи-
вается до HV 0,5 4120…5490 МПа, по-видимому,
за счет растворения в нем фосфора, в то время
как микротвердость аустенита остается на том же
уровне — HV 0,5 2320…2570 МПа. Обнаружены
неметаллические включения — оксиды и сили-
каты.
© И. А. Рябцев, Я. П. Черняк, И. И. Рябцев, В. А. Жданов, И. Л. Богайчук, 2009
Т а б л и ц а 1. Химический состав (мас. %) и твердость
HRC наплавленного металла типа 20Х5М2ФС, легиро-
ванного серой и фосфором
№
образца S P Остальные
элементы HRC
1 0,02 0,06
0,18…0,22 C
4,8…5,2 Cr
1,8…2,2 Мо
0,3…0,5 V
37...38
2 0,24 0,06 34...36
3 1,40 0,06 32...34
4 0,04 0,50 34...36
5 0,21 0,56 32...34
6 0,04 0,97 35...37
7 0,18 0,83 34...36
8 1,30 0,90 34...36
24 10/2009
Введение в состав наплавленного металла
20Х5М2ФС 0,21 мас. % S (образец № 5, табл. 1)
при содержании фосфора 0,56 мас. % приводит
к увеличению объемной доли неметаллических
включений, среди которых есть сульфиды и ок-
сисульфиды. Основные структурные составляю-
щие наплавленного металла — это мартенсит и
остаточный аустенит (рис. 1, д), микротвердость
которых остается на уровне микротвердости об-
разца № 4.
В случае увеличения массовой доли фосфора
до 0,97 % при стандартном содержании серы
0,04 мас. % (образец № 6, табл. 1) в структуре
наплавленного металла появляется много светлых
участков, свидетельствующих о худшей трави-
мости (рис. 1, е) что, по-видимому, связано с уве-
личением коррозионной стойкости наплавленного
металла при легировании его значительной мас-
совой долей фосфора [8]. Микротвердость мар-
тенсита составляет HV 0,5 4730…5490 МПа, а ос-
таточного аустенита — HV 0,5 2570…3050 МПа.
При содержании фосфора 0,83 мас. % и серы
0,18 мас. % (образец № 7, табл. 1) наплавленный
металл имеет ячеистую структуру (рис. 1, ж).
Микротвердость мартенсита снижается до HV 0,5
3620…4120 МПа, а микротвердость остаточного
аустенита остается на прежнем уровне HV 0,5
2830…3060 МПа. В структуре наплавленного ме-
талла присутствуют также сульфиды и оксисуль-
фиды.
О повышении массовой доли серы до 1,30 %
при практически неизменном содержании фосфора
(образец № 8, табл. 1) в структуре наплавленного
металла образуются крупные включения сульфидов
и оксисульфидов (рис. 1, з).
Поскольку основное влияние на образование
неметаллических включений оказывает сера, ис-
следовали их распределение в наплавленном ме-
талле при различном содержании этого элемен-
та. Проводили исследования нетравленных по-
лированных шлифов на анализаторе «Omnimet»
(увеличение 600) при просмотре 100 полей зрения
(рис. 2, 3).
Как видно из рис. 3, с увеличением содержания
серы резко возрастают количество и размер неме-
таллических включений. Так, при 0,02 мас. % S мак-
симальный размер неметаллических включений
составляет 2,0 мкм (рис. 3, б), при 0,24 мас. % S
— 3,5 мкм (рис. 3, г), а при 1,40 мас. % S — 7,0 мкм
(рис. 3, е). Общая объемная доля неметаллических
Рис. 1. Микроструктура ( 500) наплав-
ленного металла типа 20Х5М2ФС при
различном содержании фосфора и серы,
мас. %: а — 0,06 P; 0,02 S; б — 0,06 P;
0,24 S; в — 0,06 P; 1,40 S; г — 0,50 P;
0,04 S; д — 0,56 P; 0,21 S; е — 0,97 P;
0,04 S; ж — 0,83 P; 0,18 S; з — 0,90 P;
1,30 S
10/2009 25
включений всех размеров увеличивается с 0,18
(0,02 мас. % S) до 4,01 % (1,40 мас. % S).
Микрорентгеноспектральный анализ наплав-
ленного металла 20Х5М2ФС показал, что суль-
фиды имеют сложный состав — содержат повы-
шенную массовую долю хрома, молибдена и мар-
ганца (табл. 2).
Рис. 2. Микроструктура ( 600) наплавленного металла 20Х5М2ФС c содержанием серы 0,02 (а); 0,24 (б); 1,4 (в) мас. %
(шлифы не травлены)
Рис. 3. Распределение по количеству K (а, в, д) и объемной доле C (б, г, е) неметаллических включений d в наплавленном
металле 20Х5М2ФС при содержании серы 0,02 (а, б); 0,24 (в, г); 1,40 мас. % (д, е)
26 10/2009
Исследовали износостойкость образцов нап-
лавленного металла 20Х5М2ФС с различным со-
держанием серы и фосфора при сухом трении ме-
талла по металлу при комнатной температуре по
схеме вал–плоскость (рис. 4). Образцы размером
3 15 25 мм вырезали из наплавленного металла
так, чтобы испытуемая плоскость попадала в вер-
хние слои наплавленного металла. Вал-контртело
диаметром 40 мм изготавливали из стали 45 и за-
каливали до твердости HRC 42. В процессе ис-
пытаний образец прижимался с определенным
усилием к контртелу плоскостью, которая имела
в плане размер 3 25 мм. В результате на испы-
туемой плоскости образуется лунка определенной
глубины, а на контртеле — дорожка. Выбран сле-
дующий режим испытаний: скорость скольжения
1 м/с; нагрузка 30 Н; частота вращения контртела
30 об/мин. Этот режим обеспечивает стабилиза-
цию триботехнических характеристик всех иссле-
дуемых образцов. Использование системы пози-
ционирования позволяло повторять испытания
каждого наплавленного образца не менее трех раз
на новом участке поверхности трения образца и
на новой дорожке трения контртела.
Как видно из приведенных данных, легирова-
ние только серой приводит к увеличению износа
образцов наплавленного металла с одновремен-
ным резким уменьшением износа контртела
(рис. 4, образцы № 1–3). Однако суммарный из-
нос пары трения остается достаточно высоким.
По-видимому, повышенный износ наплавленного
металла 20Х5М2ФС, легированного серой, объяс-
няется тем, что многочисленные сульфиды отно-
сительно крупных размеров в процессе изнаши-
вания легко выкрашиваются из матрицы наплав-
ленного металла. Эти сульфиды являются «твер-
дой смазкой», а также препятствуют схватыванию
поверхностей образца и контртела, в результате
чего его износ уменьшается.
При легировании наплавленного металла фос-
фором (0,50 мас. %) (рис. 4, образец № 4) износ
образца и контртела понижается. Наиболее бла-
гоприятное сочетание свойств имеет наплавлен-
ный металл 20Х5М2ФС, легированный серой
(0,21 мас. %) и фосфором (0,56 мас. %) (рис. 4,
образец № 5). При таком содержании серы и фос-
фора износостойкость наплавленного металла на
10…15 % выше, чем наплавленного металла ба-
зового состава (рис. 4, а, образец № 1), однов-
ременно существенно (в 8…10 раз) снижается из-
нос контртела. Увеличение износостойкости нап-
лавленного металла, по-видимому, объясняется
тем, что фосфор упрочняет его матрицу. В то же
время легирование наплавленного металла отно-
сительно небольшой массовой долей серы спо-
собствует образованию сульфидов, имеющих оп-
тимальную форму, количество и размер. В ре-
зультате проявления эффекта «твердой смазки»
изнашивание контртела существенно снижается.
Таким образом, подтверждено, что сера в от-
личие от фосфора не растворяется в матрице нап-
лавленного металла, а образует в ней сульфиды
Та б л и ц а 2. Химический состав (мас. %) структурных составляющих наплавленного металла 20Х5М2ФС (по
результатам микрорентгеноспектрального анализа)
№ образца
по табл. 1
Место
анализа Fe Cr Mo V Mn Si S
2 Матрица 89,09 6,38 3,98 0,44 0,04 0,87 —
Сульфид 22,78 18,69 10,25 1,72 20,96 5,28 20,14
3 Матрица 91,07 6,72 2,01 0,45 0,20 0,68 0,08
Сульфид 5,58 21,02 14,58 1,58 23,12 4,38 29,47
» » 5,60 25,36 10,76 2,08 20,85 0,49 34,15
Рис. 4. Износостойкость образцов Jо наплавленного металла 20Х5М2ФС с различным содержанием серы, фосфора (а) и
контртел Jк из стали 45, испытанных в паре с этими образцами, (б): 1–8 — номера образцов по табл. 1
10/2009 27
и оксисульфиды, размеры и количество которых
увеличиваются по мере роста содержания серы.
Легирование наплавленного металла 20Х5М2ФС
0,56 мас. % P и 0,21 мас. % S обеспечивает высокую
износостойкость наплавленного образца, в то время
как относительно небольшое содержание серы спо-
собствует образованию сульфидов, оптимальных по
форме, количеству и размерам. В результате прояв-
ления эффекта «твердой смазки» изнашивание кон-
тртела, контактирующего с наплавленным образцом,
также существенно снижается.
1. Особенности плавления и кристаллизации наплавленно-
го металла типа стали 20ХГС, легированного фосфором
/ Ю. М. Кусков, И. И. Рябцев, Л. К. Дорошенко, В. Г. Ва-
сильев // Автомат. сварка. — 2002. — № 8. — С. 24–27.
2. Рябцев И. И., Кусков Ю. М., Новикова Д. П. Влияние
фосфора на трещиностойкость низкоуглеродистого нап-
лавленного металла системы легирования Fe–Mn–Si–Cr
// Там же. — 2006. — № 5. — С. 15–19.
3. Рябцев И. И. Расчетно-экспериментальная оценка эф-
фективности легирования фосфором высоколегирован-
ного наплавленного металла // Там же. — 2008. — № 5.
— С. 18–22.
4. Осин В. В., Рябцев И. А. Влияние серы на свойства спла-
вов на основе железа и перспективы ее использования в
наплавочных материалах // Там же. — 2004. — № 10. —
С. 22–26.
5. Осин В. В., Рябцев И. А., Кондратьев И. А. Исследование
влияния серы на свойства наплавленного металла
Х5М3ФС // Там же. — 2006. — № 12. — С. 14–18.
6. Триботехнические характеристики наплавленного ме-
талла системы легирования Fe–Cr–Si–Mn–P / И. И. Ряб-
цев, Ю. М. Кусков, В. Ф. Грабин и др. // Там же. — 2003.
— № 6. — С. 20–24.
7. Лунев В. В., Аверин В. В. Сера и фосфор в стали. — М.:
Металлургия, 1988. — 256 с.
8. Гуляев А. П., Цулкова В. М. Влияние фосфора на корро-
зионные свойства нержавеющих сталей // Коррозионнос-
тойкие металлические конструкционные материалы и их
применение. — М.: Машиностроение, 1974. — С. 49–52.
The effect of alloying with sulphur and phosphorus on structure and wear resistance of deposited metal 20Kh5M2FS
has been investigated. It has been proved that phosphorus dissolves to harden the martensitic component of structure of
the deposited metal, whereas sulphur forms sulphides and oxy-sulphides with other alloying elements. It is shown that
the most favourable combination of wear resistance of friction pair components is provided by deposited metal 20Kh5M2FS
alloyed with 0.21 wt. % S and 0.56 wt. % P.
Поступила в редакцию 25.02.2009
Основные направления выставки:
Одновременно пройдет 9-я международная
специализированная выставка-конференция «Сварка»
Россия, 620027, Екатеринбург, ул. Свердлова, 11, а, оф. 507
тел./факс: +7(343) 355-51-95, 310-03-30
E-mail: kirillova@uv66.ru
• Акустический контроль
• Акустико-эмиссионный контроль
• Ультразвуковой контроль
• Вибрационный контроль
• Вихретоковый контроль
• Оптический и визуальный контроль
• Радиационный контроль
• Электрический контроль
• Тепловой контроль
• Капиллярный контроль
• Магнитопорошковый контроль
• Электромагнитный контроль
28 10/2009
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100943 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T11:31:17Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Рябцев, И.А. Черняк, Я.П. Рябцев, И.И. Жданов, В.А. Богайчук, И.Л. 2016-05-28T15:11:25Z 2016-05-28T15:11:25Z 2009 Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором / И.А. Рябцев, Я.П. Черняк, И.И. Рябцев, В.А. Жданов, И.Л. Богайчук // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 24-28. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100943 621.791.92.048 Исследовано влияние легирования серой и фосфором на структуру и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС. Установлено, что фосфор растворяется и упрочняет мартенситную составляющую структуры наплавленного металла, а сера образует с другими легирующими элементами сульфиды и оксисульфиды. Показано, что наиболее благоприятное сочетание износостойкости деталей пары трения обеспечивает наплавленный металл 20Х5М2ФС, легированный 0,21 мас. % S и 0,56 мас. % P. The effect of alloying with sulphur and phosphorus on structure and wear resistance of deposited metal 20Kh5M2FS was investigated. It was proved that phosphorus dissolves to harden the martensitic component of structure of the deposited metal, whereas sulphur forms sulphides and oxy-sulphides with other alloying elements. It is shown that the most favourable combination of wear resistance of friction pair components is provided by deposited metal 20Kh5M2FS alloyed with 0.21 wt.% S and 0.56 wt.% P. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором Structure and wear resistance of deposited metal 20Kh5M2FS alloyed with sulphur and phosphorus Article published earlier |
| spellingShingle | Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором Рябцев, И.А. Черняк, Я.П. Рябцев, И.И. Жданов, В.А. Богайчук, И.Л. Научно-технический раздел |
| title | Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором |
| title_alt | Structure and wear resistance of deposited metal 20Kh5M2FS alloyed with sulphur and phosphorus |
| title_full | Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором |
| title_fullStr | Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором |
| title_full_unstemmed | Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором |
| title_short | Структура и износостойкость наплавленного металла 20Х5М2ФС, легированного серой и фосфором |
| title_sort | структура и износостойкость наплавленного металла 20х5м2фс, легированного серой и фосфором |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100943 |
| work_keys_str_mv | AT râbcevia strukturaiiznosostoikostʹnaplavlennogometalla20h5m2fslegirovannogoseroiifosforom AT černâkâp strukturaiiznosostoikostʹnaplavlennogometalla20h5m2fslegirovannogoseroiifosforom AT râbcevii strukturaiiznosostoikostʹnaplavlennogometalla20h5m2fslegirovannogoseroiifosforom AT ždanovva strukturaiiznosostoikostʹnaplavlennogometalla20h5m2fslegirovannogoseroiifosforom AT bogaičukil strukturaiiznosostoikostʹnaplavlennogometalla20h5m2fslegirovannogoseroiifosforom AT râbcevia structureandwearresistanceofdepositedmetal20kh5m2fsalloyedwithsulphurandphosphorus AT černâkâp structureandwearresistanceofdepositedmetal20kh5m2fsalloyedwithsulphurandphosphorus AT râbcevii structureandwearresistanceofdepositedmetal20kh5m2fsalloyedwithsulphurandphosphorus AT ždanovva structureandwearresistanceofdepositedmetal20kh5m2fsalloyedwithsulphurandphosphorus AT bogaičukil structureandwearresistanceofdepositedmetal20kh5m2fsalloyedwithsulphurandphosphorus |