Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей

Исследована износостойкость наплавленного металла типа графитизированной стали при трении металла по металлу без смазки при комнатной и повышенной температуре, а также проведена оценка его термостойкости. Установлено, что металл, легированный 1,4…1,6 мас. % C и 1,5…2,0 мас. % Si, непосредственно п...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Автоматическая сварка
Date:2011
Main Authors: Рябцев, И.А., Кондратьев, И.А., Осин, В.В., Гордань, Г.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102876
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей / И.А. Рябцев, И.А. Кондратьев, В.В. Осин, Г.Н. Гордань // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 38-42. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859738510226882560
author Рябцев, И.А.
Кондратьев, И.А.
Осин, В.В.
Гордань, Г.Н.
author_facet Рябцев, И.А.
Кондратьев, И.А.
Осин, В.В.
Гордань, Г.Н.
citation_txt Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей / И.А. Рябцев, И.А. Кондратьев, В.В. Осин, Г.Н. Гордань // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 38-42. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Автоматическая сварка
description Исследована износостойкость наплавленного металла типа графитизированной стали при трении металла по металлу без смазки при комнатной и повышенной температуре, а также проведена оценка его термостойкости. Установлено, что металл, легированный 1,4…1,6 мас. % C и 1,5…2,0 мас. % Si, непосредственно после наплавки содержит оптимальное количество графитных включений, отличается высокой износостойкостью и имеет пониженный коэффициент трения при трении скольжения металла по металлу при комнатной температуре. Wear resistance of deposited metal of the graphitised steel type in metal on metal friction without lubrication at room and elevated temperatures was investigated, and its heat resistance was evaluated. It was established that the as-deposited metal alloyed with 1.4-1.6 wt. % C and 1.5...2.0 wt. % Si contains the optimal amount of graphite inclusions, is characterised by high wear resistance, and has a decreased friction coefficient in metal on metal sliding friction at room temperature.
first_indexed 2025-12-01T16:30:33Z
format Article
fulltext УДК 621.791.927.5:669.14:018.2-195 ИЗНОСО- И ТЕРМОСТОЙКОСТЬ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ТИПА ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И. А. РЯБЦЕВ, д-р техн. наук, И. А. КОНДРАТЬЕВ, канд. техн. наук, В. В. ОСИН, инж., Г. Н. ГОРДАНЬ, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Исследована износостойкость наплавленного металла типа графитизированной стали при трении металла по металлу без смазки при комнатной и повышенной температуре, а также проведена оценка его термостойкости. Установлено, что металл, легированный 1,4…1,6 мас. % C и 1,5…2,0 мас. % Si, непосредственно после наплавки содержит оптимальное количество графитных включений, отличается высокой износостойкостью и имеет пониженный коэффициент трения при трении скольжения металла по металлу при комнатной температуре. К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая наплавка, наплавочные ма- териалы, порошковые проволоки, графитизированные ста- ли, износо- и термостойкость К графитизированным железоуглеродистым спла- вам относят стали и чугуны, в структуре которых имеются свободные включения графита различной формы [1]. Применение таких материалов является одним из путей улучшения триботехнических ха- рактеристик деталей пар трения и некоторых типов штампового инструмента, в частности, штампов глубокой вытяжки. В данном случае включения гра- фита играют роль твердой смазки. Ранее было показано [2], что наплавленный металл типа графитизированной стали можно по- лучить при содержании углерода свыше 1,6 мас. % и кремния свыше 2,0 мас. %. Для графитизации наплавленного металла с содержанием не менее 1,5 мас. % C и 1,1 мас. % Si взамен высокотем- пературного отжига рекомендовано применять термообработку: непосредственно после наплавки деталь помещают в печь при температуре 400 °С, а после выдержки в течение 2 ч медленно ох- лаждают. Модифицирование наплавленного ме- талла алюминием и кальцием позволяет активи- зировать процесс графитизации. Целью настоящей работы является исследование износостойкости наплав- ленного металла типа графитизирован- ной стали при трении металла по металлу без смазки при комнатной и повышенной температуре, а также оценка его терми- ческой стойкости. Была выполнена мно- гослойная наплавка образцов под слоем флюса АН-26 с использованием трех опытных порошковых проволок. Хими- ческий состав наплавленного металла и его твердость после наплавки и отжига приведены в табл. 1. Исследования износостойкости и тер- мической стойкости осуществляли на блочно-модульной установке, разработанной в ИЭС им. Е. О. Патона [3]. Исследования износостойкости наплавленного металла при трении металла по металлу при ком- натной температуре проводили на модуле трения испытательной установки, который дополнитель- но оснащен системой позиционирования образцов относительно вращающегося вала-контртела. Ис- пытания проводили по методу вытирания лунок по схеме вал–плоскость без дополнительной по- дачи смазки в зону трения. Вал-контртело диаметром 40 мм и высотой 12 мм изготовлено из стали 45 с твердостью HRC 42. Исследуемые образцы размером 3×15×25 мм вырезали из наплавленного металла таким обра- зом, чтобы испытуемая плоскость образца попа- дала в верхние слои наплавленного металла (рис. 1). В качестве эталона использовали образ- цы наплавленного металла (сталь типа 20ХГС), полученного с использованием порошковой про- волоки ПП-АН194. В процессе испытаний образец прижимали с определенным усилием к контртелу плоскостью, имеющей в плане размер 3×25 мм. Выбран сле- дующий режим испытаний: скорость скольжения © И. А. Рябцев, И. А. Кондратьев, В. В. Осин, Г. Н. Гордань, 2011 Т а б л и ц а 1. Химический состав (мас. %) и твердость металла, наплавленного опытными порошковыми проволоками Марка порошковой проволоки Массовая доля элементов HRC С Si Mn Al Ca после наплав- ки после отжига ПП-Нп-Оп-1 1,5 1,15 0,60 — — 43 26 ПП-Нп-Оп-2 1,8 1,46 0,58 — — 49 20 ПП-Нп-Оп-3 1,5 1,45 0,49 0,09 0,02 43 38 Пр и м е ч а н и е . Металл, наплавленный проволокой ПП-Нп-Оп-3, подвер- гали отжигу при температуре 400 °С в течение 2 ч, остальной металл — отжигу при температуре 680 °С в течение 6 ч. 38 8/2011 1 м/с; нагрузка 30 Н; частота вращения вала-кон- тртела 30 об/мин; путь трения 113 м. Такой ре- жим обеспечивает стабилизацию триботехничес- ких характеристик всех исследуемых образцов. Использование системы позиционирования поз- волило провести испытание каждого наплавлен- ного образца не менее трех раз на новом участке поверхности трения образца и дорожке трения контртела. При испытаниях наплавленного образца опре- деляли силу трения, износ наплавленного образца по объему вытертой лунки и контртела по разнице его массы до и после испытания. Коэффициент трения рассчитывали как частное от деления зна- чения силы трения на нагрузку с погрешностью не более 5 %. Износ m контртела определяли по потере его массы в результате испытаний с погрешностью не более 0,0005 г. Погрешность определения из- носа образца и контртела не превышала 1 %. Результаты проведенных испытаний представ- лены в табл. 2. Наилучшую износостойкость име- ли образцы металла, наплавленного опытными по- рошковыми проволоками ПП-Нп-Оп-1 и ПП-Нп- Оп-2, у которых отмечено оптимальное сочетание твердости и свободных включений графита [2]. Термическая обработка способствовала увеличе- нию содержания свободных включений графита в структуре наплавленного металла [2], однако одновременно она понижала его твердость, а со- ответственно и износостойкость наплавленного металла обоих исследуемых типов. Металл, наплавленный порошковой проволо- кой ПП-Нп-Оп-3 с модифицирующими добавками алюминия и кальция, также характеризовался дос- таточно высокой износостойкостью. Отжиг при 400 °С в течение 2 ч привел к понижению твер- дости и износостойкости наплавленного металла этого типа. Графитизированные стали по сравнению с низ- колегированной сталью 20ХГС имеют более низ- кий коэффициент трения и чем больше включений графита образуется в структуре стали в результате отжига, тем ниже значение коэффициента трения. Добавка кальция и алюминия позволяет понизить температуру графитизирующего отжига и коэф- фициент трения металла, наплавленного порош- ковой проволокой ПП-Нп-Оп-3, значение кото- рого после отжига при 400 °С находится на одном уровне со значением коэффициента трения обыч- ных графитизированных сталей после отжига при более высоких температурах. Испытания износостойкости наплавленного металла типа графитизированная сталь при тре- нии металла по металлу при высокой температуре проводили по схеме вал–плоскость без дополни- тельной подачи смазки в зону трения. Для срав- нения в качестве эталона испытывали образцы, наплавленные порошковой проволокой ПП-Нп- 25Х5ФМГС. Из наплавленных темплетов изготавливали об- разцы размером 40×10×17 мм, при этом площадь плоскости трения составлял 10×40 мм, а толщина наплавленного слоя — 8…10 мм. Истирающее кольцо нагревали газокислород- ным пламенем. Благодаря строго определенному расходу природного газа и кислорода температуру истирающего кольца поддерживали постоянной Рис. 1. Схема вырезки образцов для триботехнических исследований наплавленного металла Т а б л и ц а 2. Износостойкость наплавленного металла типа графитизированной стали при комнатной температуре Марка порошковой проволоки Термическая обработка Износ образца, мм3/км Износ контртела, г/км Коэффициент трения ПП-Нп-Оп-1 Непосредственно после наплавки 0,00203 0,00205 0,62 То же после отпуска при 680 °С, 6 ч 0,06020 0,00210 0,57 ПП-Нп-Оп-2 Непосредственно после наплавки 0,00204 0,00207 0,60 То же после отпуска при 680 °С, 6 ч 0,07230 0,00101 0,51 ПП-Нп-Оп-3 Непосредственно после наплавки 0,00302 0,00310 0,59 То же после отпуска при 400 °С, 2 ч 0,00801 0,00204 0,52 ПП-АН194 (эталон) Непосредственно после наплавки 0,08900 0,00450 0,65 8/2011 39 (950…980 °С) и периодически контролировали с помощью оптического пирометра. Испытания на износ при трении металла по ме- таллу при повышенной температуре проводили в течение 1 ч при нагрузке 175 Н; скорость вращения кольца-контртела составляла 30 об/мин. В качестве контртела использовали кольца диаметром 120 мм из закаленной стали 45. Температура поверхности испытуемого образца в зоне истирания была равна приблизительно 600 °С. Во время испытаний об- разец совершал возвратно-поступательные движе- ния в вертикальной плоскости с амплитудой ко- лебаний 20 мм и частотой колебаний 62 мин–1. Ре- зультаты испытаний (среднее значение по трем об- разцам) приведены в табл. 3. Испытания показали, что износостойкость ме- талла, наплавленного порошковой проволокой ПП-Нп-Оп-1, не подвергавшегося термообработ- ке, выше, чем у металла, прошедшего отжиг, что можно объяснить существенным снижением твер- дости в результате отжига. Следует отметить, что наличие большого количества свободного графита в структуре наплавленного металла этого типа препятствует переносу и налипанию металла на контртело. Снижение температуры термообработ- ки понижает износ наплавленных образцов и кон- тртел, однако этот показатель остается более вы- соким, чем у образцов непосредственно после наплавки. Несколько лучшие показатели износостойкос- ти имел металл, наплавленный порошковой про- волокой ПП-Нп-Оп-2. Металл, модифицирован- ный алюминием и кальцием, после наплавки или низкотемпературного отжига характеризуется вы- сокой износостойкостью, которая находится на уровне износостойкости известной хромомолиб- деновой штамповой стали 25Х5ФМГС. Термостойкость является одним из важнейших показателей материалов, предназначенных для восстановления и упрочнения инструментов для горячего деформирования металлов. Методика ис- пытаний должна предусматривать оптимальные размеры и форму наплавленного образца, темпе- ратуру и скорости его нагрева и охлаждения, близ- кие к эксплутационным показателям, состояние окружающей среды и т. п. В первую очередь об- разец должен иметь достаточную массу, чтобы в процессе его нагрева был обеспечен градиент температур, имитирующий натурные условия. Испытания термостойкости наплавленных об- разцов производили по следующей методике: раз- мер образца 30×40×40 мм, нагрев наплавленной поверхности образца газовым резаком до 800 °С (пятно нагрева 15 мм, нагреваемая поверхность образца размером 40×40 мм), охлаждение нагре- той поверхности струей воды до 60 °С. Циклы нагрев–охлаждение повторяли до появления ви- димой невооруженным глазом сетки трещин раз- гара. Оценку термостойкости выполняли исходя из количества циклов нагрев–охлаждение до по- явления первых трещин и достижения определен- ной степени растрескивания — появления сетки трещин разгара. Результаты испытаний (средние по 3–5 образцам каждого типа наплавленного ме- талла и вида термической обработки) приведены в табл. 4. Лучшие показатели термической стойкости у металла, наплавленного порошковой проволокой ПП-Нп-Оп-1, несколько ниже у наплавленного по- рошковой проволокой ПП-Нп-Оп-2, и хуже всего у наплавленного ПП-Нп-Оп-3. При этом сетка тре- щин разгара у образцов, наплавленных порош- ковыми проволоками ПП-Нп-Оп-1 и ПП-Нп-Оп-2, значительно менее развита, чем у наплавленных порошковой проволокой ПП-Нп-Оп-3. Исследовали структуру металла образца, нап- лавленного проволокой ПП-Нп-Оп-3 после испы- таний термостойкости (80 циклов) (рис. 2). На Т а б л и ц а 3. Износостойкость наплавленного металла типа графитизированной стали при повышенной темпера- туре Марка порошковой проволоки Термическая обработка Износ m⋅104, кг/км образца контртела ПП-Нп-Оп-1 Непосредственно после наплавки 16,579 +17,452 То же после отжига при 680 °С, 6 ч 29,602 59,488 То же после отжига при 400 °С, 2 ч 23,352 36,879 ПП-Нп-Оп-2 Непосредственно после наплавки 12,723 89,562 То же после отжига при 680 °С, 6 ч 25,945 132,765 То же после отжига при 400 °С, 2 ч 15,132 93,453 ПП-Нп-Оп-3 Непосредственно после наплавки 7,984 168,656 То же после отжига при 400 °С, 2 ч 7,277 147,761 ПП-Нп-25Х5ФМГС (эталон) Непосредственно после наплавки 4,287 142,102 Пр и м е ч а н и е . + означает увеличение массы контртела в результате налипания металла. 40 8/2011 нетравленном шлифе имеют место многочислен- ные трещины, максимальная глубина которых достигает 1500 мкм (рис. 2, а). После травления в азотной кислоте обнаружено поверхностное обе- зуглероживание последнего слоя наплавленного металла (рис. 2, б) на глубину до 250 мкм. Обе- зуглероженный слой имеет микротвердость HV 0,5 1680 МПа, в то время как твердость близ- лежащих необезуглероженных участков составля- ет HV 0,5 3030…3680 МПа. В металле исследу- емого образца образовались скопления включе- ний темносерого цвета (предположительно это графит), которые располагаются по границам фер- ритных зерен и имеют твердость HV 0,5 1480 МПа (рис. 2, в). С целью определения причин более раннего появления сетки трещин разгара проведено мик- рорентгеноспектральный анализ образца, наплав- ленного проволокой ПП-Нп-Оп-3, после испыта- ний на термостойкость. Исследования проводили на глубине примерно 1,5 мкм от поверхности нап- лавки параллельно ей в автоматическом режиме с интервалом 1,02 мкм вдоль фронта трещины разгара (рис. 3). Установлено, что вблизи трещин разгара со- держание углерода, алюминия и кальция резко возрастает. Это позволяет предположить, что тре- щины разгара проходят по включениям свобод- ного графита, появлению которых способствовало Рис. 2. Микроструктуры наплавленного металла, полученного с использованием порошковой проволоки ПП-Нп-Оп-3: а — шлиф без травления (поверхностный слой), ×250; б — то же с травлением в азотной кислоте, ×200; в — центральная зона шлифа образца с травлением в азотной кислоте, ×500 Т а б л и ц а 4. Результаты испытаний на термостойкость наплавленного металла типа графитизированной стали Марка порошковой проволоки Термическая обработка Количество циклов и нагрев–охлаждение до появления первых трещин до появления сетки трещин разгара ПП-Нп-Оп-1 Непосредственно после наплавки 5 240 То же после отжига при 680 °С, 6 ч 3 190 То же после отжига при 400 °С, 2 ч 5 210 ПП-Нп-Оп-2 Непосредственно после наплавки 8 180 То же после отжига при 680 °С, 6 ч 4 140 То же после отжига при 400 °С, 2 ч 7 160 ПП-Нп-Оп-3 Непосредственно после наплавки 4 110 То же после отжига при 400 °С, 2 ч 5 80 Рис. 3. Распределение основных легирующих элементов Ca, Al (а) и Са, С (б) в наплавленном металле, полученном с использованием порошковой проволоки ПП-Нп-Оп-3 8/2011 41 модифицирование наплавленного металла алюми- нием и кальцием. В наплавленном металле в зоне трещин массовая доля элементов изменяется в следующих пределах, %: 0,2…9,6 C; 0,23…2,44 Al; 0,01…0,319 Ca; 1,48…1,99 Si; 0,137…0,66 Mn. Установлено, что металл, легированный 1,4…1,6 мас. % C и 1,5…2,0 мас. % Si, непос- редственно после наплавки имеет оптимальное со- держание включений графита и отличается вы- сокой износостойкостью при трении скольжения металла по металлу при комнатной температуре. Проведение дополнительной термической обра- ботки с целью увеличения содержания включений графита для повышения износостойкости, по-ви- димому, нецелесообразно. По сравнению с низ- колегированной сталью 20ХГС графитизирован- ные стали имеют более низкий коэффициент тре- ния. Чем больше включений графита в структуре стали, тем ниже коэффициент трения. Исследо- вания термостойкости наплавленного металла ти- па графитизированной стали показали, что такой металл следует применять для упрочнения дета- лей и инструментов, которые подвергаются уме- ренным циклическим, термическим и силовым воздействиями. 1. Тодоров Р. П., Николов М. П. Структура и свойства от- ливок из графитизированной стали. — М.: Металлургия, 1976. — 168 с. 2. Структура наплавленного металла типа графитизиро- ванных заэвтектоидных сталей / И. А. Кондратьев, И. А. Рябцев, И. Л. Богайчук, Д. П. Новикова // Автомат. свар- ка. — 2008. — № 7. — С. 20–24. 3. Рябцев И. И., Черняк Я. П., Осин В. В. Блочно-модульная установка для испытаний наплавленного металла // Сварщик. — 2004. — № 1. — С. 18–20. Wear resistance of deposited metal of the graphitised steel type in metal on metal friction without lubrication at room and elevated temperatures was investigated, and its heat resistance was evaluated. It was established that the as-deposited metal alloyed with 1.4-1.6 wt. % C and 1.5...2.0 wt. % Si contains the optimal amount of graphite inclusions, is characterised by high wear resistance, and has a decreased friction coefficient in metal on metal sliding friction at room temperature. Поступила в редакцию 31.03.2011 Вышел в свет очередной выпуск журнала Weld+Vision № 26 (апрель 2011) на русском языке (издатель — «Фрониус Украина») Содержание Титульная статья От большого взрыва до свободной энергии Коллектив НИОКР Режим экономии энергии в сочетании с предельной мощностью Система Robacta TX самостоятельно производит смену корпуса горелки Шланг для подачи проволоки на роликах Коротко о главном Новости компании Fronius Примеры применения Система СМТ Advanced принимает вызов — сварка алюминия 10-кратный ресурс контрактора Contec Сталь для «прыжка» Компания В фокусе — смена энергии Путешествия «Город ангелов» в Мексике Бесплатную подписку можно оформить в редакции «Автоматическая сварка» 42 8/2011
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102876
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0005-111X
language Russian
last_indexed 2025-12-01T16:30:33Z
publishDate 2011
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Рябцев, И.А.
Кондратьев, И.А.
Осин, В.В.
Гордань, Г.Н.
2016-06-13T03:12:37Z
2016-06-13T03:12:37Z
2011
Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей / И.А. Рябцев, И.А. Кондратьев, В.В. Осин, Г.Н. Гордань // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 38-42. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
0005-111X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102876
621.791.927.5:669.14:018.2-195.
Исследована износостойкость наплавленного металла типа графитизированной стали при трении металла по металлу без смазки при комнатной и повышенной температуре, а также проведена оценка его термостойкости. Установлено, что металл, легированный 1,4…1,6 мас. % C и 1,5…2,0 мас. % Si, непосредственно после наплавки содержит оптимальное количество графитных включений, отличается высокой износостойкостью и имеет пониженный коэффициент трения при трении скольжения металла по металлу при комнатной температуре.
Wear resistance of deposited metal of the graphitised steel type in metal on metal friction without lubrication at room and elevated temperatures was investigated, and its heat resistance was evaluated. It was established that the as-deposited metal alloyed with 1.4-1.6 wt. % C and 1.5...2.0 wt. % Si contains the optimal amount of graphite inclusions, is characterised by high wear resistance, and has a decreased friction coefficient in metal on metal sliding friction at room temperature.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Научно-технический раздел
Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей
Wear and heat resistance of deposited metal of the graphitised steel type
Article
published earlier
spellingShingle Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей
Рябцев, И.А.
Кондратьев, И.А.
Осин, В.В.
Гордань, Г.Н.
Научно-технический раздел
title Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей
title_alt Wear and heat resistance of deposited metal of the graphitised steel type
title_full Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей
title_fullStr Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей
title_full_unstemmed Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей
title_short Износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей
title_sort износо- и термостойкость наплавленного металла типа графи-тизированных сталей
topic Научно-технический раздел
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102876
work_keys_str_mv AT râbcevia iznosoitermostoikostʹnaplavlennogometallatipagrafitizirovannyhstalei
AT kondratʹevia iznosoitermostoikostʹnaplavlennogometallatipagrafitizirovannyhstalei
AT osinvv iznosoitermostoikostʹnaplavlennogometallatipagrafitizirovannyhstalei
AT gordanʹgn iznosoitermostoikostʹnaplavlennogometallatipagrafitizirovannyhstalei
AT râbcevia wearandheatresistanceofdepositedmetalofthegraphitisedsteeltype
AT kondratʹevia wearandheatresistanceofdepositedmetalofthegraphitisedsteeltype
AT osinvv wearandheatresistanceofdepositedmetalofthegraphitisedsteeltype
AT gordanʹgn wearandheatresistanceofdepositedmetalofthegraphitisedsteeltype