Композиционный материал для наплавки и способ его нанесения
Владельцы патента RU 2311275:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение может быть использовано при изготовлении новых и восстановлении изношенных деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа, методом электронно-лучевой наплавки. Для наплавки используют материал на основе быстрорежущей стали, который обладает эффектом сверхпластичности в диапазоне температур 750...820°С. Добавки карбидов вольфрама и титана способствуют увеличению объемной доли остаточного аустенита либо полностью сохраняют аустенитную структуру матрицы. Развертку электронного луча при наплавке формируют в две или более линий поперек движения наплавляемого изделия таким образом, чтобы плавление материала происходило только в зоне действия первой линии. Вторая и последующие линии развертки электронного луча за счет регулирования тока фокусировки обеспечивают поддержание температуры наплавленного валика в интервале сверхпластичности быстрорежущей стали. Метастабильный аустенит матрицы при испытаниях на износ способствует релаксации напряжений на контактирующих поверхностях за счет дополнительного канала деформации γ→α мартенситного превращения. Материал обеспечивает равномерную структуру по толщине упрочненного слоя без сетки трещин и расширяет технологические возможности способа электронно-лучевой наплавки, повышая физико-механические свойства наплавляемых изделий. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к износостойким материалам для наплавки и способу их нанесения методом электронно-лучевой наплавки и может быть применено для изготовления новых, восстановления и увеличения срока службы изношенных деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа.
В настоящее время для увеличения износостойкости рабочих поверхностей деталей механизмов и машин как при их изготовлении, так и в процессе ремонта в качестве наплавляемых порошковых смесей обычно применяют твердые и сверхтвердые композиционные материалы, такие как стеллит, сормайт, релит [Гуляев А.П. Металловедение М.: Металлургия, 1986, 544 с.], материалы на основе твердых сплавов (30...95 масс.%) [АС №627719 от 2003.02.27, МКИ В23К 35/30.], 50...70 масс.% сплава ВК8, остальное никелевый порошок (патент РФ №2164200 от 2001.03.20, МКИ В23К 35/32) либо литые частицы карбида вольфрама 40...75% [Заявка на изобретение №97115495 от 1999.03.10, МКИ С22С 29/08, В23К 35/32]. Данные наплавочные материалы нашли широкое применение в горнодобывающих отраслях промышленности, металлургии, где нет жесткого требования по качеству структуры наплавки. Главным недостатком данных композиционных наплавок является хрупкость из-за большого содержания упрочняющих частиц и наличие сетки трещин, что ограничивает область их применения в тяжелонагруженных узлах трения с большими контактными нагрузками, сопровождающимися ударом.
Известны способы электронно-лучевой наплавки [Патент РФ №2118243 от 1998.08.27, В23К 15/00; Патент РФ №2217279, 2003.11.27 В23К 15/00, В23К 9/04], в которых на поверхности наплавляемого изделия создают зону оплавления лучом с линейной разверткой, наплавляемому изделию сообщают перемещение, а наплавляемый порошковый материал или ленту подают в промежуток между линиями развертки луча. Недостатком известных способов является то, что они не обеспечивают очищение поверхности изделия от окисных пленок и растворенных газов в приповерхностном слое изделия зоны оплавления, что не обеспечивает получение наплавляемых изделий с высокими физико-механическими свойствами. При наплавке промышленных порошковых композиций за счет быстрой кристаллизации и охлаждения наплавляемого металла образуется сетка трещин, что не удовлетворяет всевозрастающим требованиям к изделиям при их эксплуатации.
В способе электронно-лучевой наплавки [Патент РФ №2205094 2003.05.27 МКИ В23К 9/04, В23К 15/00, В23К 35/368], взятом за прототип, наплавляемую поверхность изделия предварительно очищают оплавлением электронным лучом без подачи наплавляемого материала. В качестве наплавляемого материала используют смесь термореагирующих порошков или порошок дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе смешанных тугоплавких соединений типа фаз внедрения переходных металлов IV-VI групп Периодической системы с 30...60 масс.% металлической связки (материал взят за прототип; см. пункт 6 и 7 в формуле), по крайней мере одна из которых выбрана из групп стали, или чугуна, или металлов I, VI и VIII групп Периодической системы.
Недостатком данного материала и способа при нанесении дисперсно-упрочненного композиционного материала является то, что на поверхности наплавленного слоя формируется сетка трещин за счет большого содержания упрочняющих (карбидных и карбонитридных) частиц в наплавляемом металле (40...70%) и образования мартенсита в связке (быстрорежущая сталь) при быстром охлаждении (см. пункт 7 в формуле). Сформированная таким образом хрупкая структура наплавки с наличием сетки трещин имеет низкую износостойкость и не способна работать при ударно-абразивном износе.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке экономнолегированного наплавочного материала и способа его наплавки, обеспечивающих получение износостойких покрытий без сетки трещин.
Указанный технический результат достигается тем, что для наплавки используют материал на основе быстрорежущей стали, который обладает эффектом сверхпластичности в диапазоне температур 750...820°С, а добавки 15...21 масс.% карбида вольфрама и 5...7 масс.% карбида титана способствуют увеличению объемной доли остаточного аустенита либо полностью сохраняют аустенитную структуру матрицы. Это способствует падению твердости наплавки по сравнению с наплавками, в которых меньше или больше карбидных частиц и матрица в основном находится в мартенситном состоянии (см. таблицу). Наплавку ведут с помощью электронного луча, причем развертку электронного луча формируют в две или более линий поперек движения наплавляемого изделия таким образом, чтобы плавление материала происходило только в зоне действия первой линии, а вторая и последующие линии развертки электронного луча за счет регулирования тока фокусировки обеспечивали поддержание температуры наплавленного валика в температурном интервале сверхпластичности. Задержка охлаждения в температурном интервале сверхпластичности и наличие большого количества остаточного аустенита способствует релаксации термических напряжений, которые вызывают образование сетки трещин. Метастабильный аустенит матрицы при испытаниях на износ способствует релаксации напряжений на контактирующих поверхностях за счет дополнительного канала деформации - γ→α мартенситного превращения. Сформированная таким образом структура позволяет, несмотря на уменьшение твердости наплавки, уменьшить износ материала с 2.6...2.8 мг/час до 1.5...1.7 мг/час и сохранить его равномерность по всей толщине наплавки (см. таблицу: наплавки №3, №4, №5).
Введение в быстрорежущую сталь карбида вольфрама и карбида титана меньше или больше 15...21 вес.% WC и 5...7 вес.% TiC приводит к увеличению износа материала за счет уменьшения объемной доли остаточного аустенита либо полного его отсутствия (см. таблицу: наплавки №2, №6, №7). Наплавки из чисто быстрорежущей стали и с дополнительным введением в нее карбида титана или карбида вольфрама не дают преимущества в уменьшении износа (см. таблицу: наплавки №1, №8, №9, №10, №11). Абразивная износостойкость определялась при износе о не жесткозакрепленные абразивные частицы (ГОСТ 23.208-79). В качестве абразивного материала использовался кварцевый песок зернистостью 160...350 мкм при нагрузке на образец 44±0,25 Н.
Пример конкретного исполнения.
Смесь исходных порошков (сталь Р6М5 - 15% WC - 5% TiC) засыпается в керамический тигель и подвергается спеканию в вакууме при температуре 1050...1100°С в течение 30...40 минут. После охлаждения в печи образовавшийся спек подвергают дроблению и рассеву на фракции. Для наплавки используют фракцию композиционного порошка 90...250 мкм. Способ электронно-лучевой наплавки реализован на базе сварочной электронно-лучевой установки ЭЛУ-5, дополнительно оборудованной порошковым питателем и блоком развертки луча. Наплавка происходит путем подачи порошкового материала с помощью порошкового питателя в зону расплава, создаваемую первой линией развертки электронного луча, которая формируется с помощью блока развертки луча. Вторая и последующие линии развертки луча за счет снижения их тока фокусировки, поддерживают температуру наплавленного металла в интервале сверхпластичности быстрорежущей стали, которая контролируется термопарой на образцах свидетелях. Покрытие формируют в результате 5...6 проходов электронного луча.
Композиционный материал для наплавки и способ его нанесения
| Таблица Состав и свойства наплавок | |||
| № наплавки | Состав наплавки | Твердость, HRC | Износ, мг/час |
| 1 | Р6М5 | 59.8 | 2.6 |
| 2 | Р6М5+9% WC+3% TiC | 60.8 | 2.8 |
| 3 | Р6М5+15% WC+5% TiC | 53.6 | 1.6 |
| 4 | Р6М5+18% WC+6% TiC | 54.2 | 1.5 |
| 5 | Р6М5+21% WC+7% TiC | 55.4 | 1.7 |
| 6 | Р6М5+30% WC+10% TiC | 58.6 | 2.1 |
| 7 | Р6М5+45% WC+15% TiC | 68 | 2.75 |
| 8 | P6M5+10% WC | 60.5 | 2.9 |
| 9 | Р6М5+40% WC | 62.4 | 1.9 |
| 10 | Р6М5+15% TiC | 65 | 2.2 |
| 11 | Р6М5+50% WC | 65.5 | 2.15 |
1. Композиционный материал для наплавки на основе быстрорежущей стали Р6М5, включающий карбид титана TiC, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбид вольфрама в пропорции TiC: WC =1:3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Карбид вольфрама | 15...21 |
| Карбид титана | 5...7 |
| Быстрорежущая сталь | Остальное |
2. Способ электронно-лучевой наплавки, при котором на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом, наплавляемое изделие перемещают, предварительно очищая его поверхность оплавлением электронным лучом без подачи наплавляемого материала, отличающийся тем, что развертку электронного луча формируют в две или более линий поперек движения наплавляемого изделия, подачу наплавляемого порошка и плавление материала производят только в зоне действия первой линии, а вторая и последующие линии развертки электронного луча обеспечивают поддержание температуры наплавленного валика в интервале сверхпластичности быстрорежущей стали 750...820°С, причем наплавленное покрытие полностью формируют в результате нескольких проходов.
