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 пос...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Автоматическая сварка
Дата:2011
Автор: Малинов, В.Л.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.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
_version_ 1860254081827733504
author Малинов, В.Л.
author_facet Малинов, В.Л.
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.
collection DSpace DC
container_title 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. 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.
first_indexed 2025-12-07T18:47:00Z
format Article
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
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102872
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0005-111X
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:47:00Z
publishDate 2011
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Малинов, В.Л.
2016-06-13T03:08:57Z
2016-06-13T03:08:57Z
2011
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
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102872
621.791.92.042-418.
Представлены результаты исследований структуры и износостойкости наплавленного порошковыми лентами металла,&#xd; имеющего химический состав типа низкоуглеродистых сталей с различным содержанием марганца. Исследована&#xd; возможность повышения износостойкости наплавленного металла за счет последующих термической и химико-термической обработок. Показано, что при достижении оптимального количества метастабильного аустенита в&#xd; 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&#xd; 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&#xd; wear resistance.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Сварочному Факультету ПГТУ – 40
Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
Effect of manganese on structure and wear resistance of deposited metal of the low-carbon steel type
Article
published earlier
spellingShingle Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
Малинов, В.Л.
Сварочному Факультету ПГТУ – 40
title Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
title_alt Effect of manganese on structure and wear resistance of deposited metal of the low-carbon steel type
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_short Влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
title_sort влияние марганца на структуру и износостойкость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали
topic Сварочному Факультету ПГТУ – 40
topic_facet Сварочному Факультету ПГТУ – 40
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102872
work_keys_str_mv AT malinovvl vliâniemargancanastrukturuiiznosostoikostʹnaplavlennogometallatipanizkouglerodistoistali
AT malinovvl effectofmanganeseonstructureandwearresistanceofdepositedmetalofthelowcarbonsteeltype