КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ Российский патент 2008 года по МПК B23K35/32 

Изобретение относится к износостойким материалам для наплавки и может быть применено для изготовления новых, восстановления и увеличения срока службы изношенных деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа, методом электронно-лучевой наплавки.

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 применяются твердые и сверхтвердые композиционные материалы, такие как стеллит, сормайт, релит [1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия 1986, 544 с.]. Данные наплавочные материалы нашли широкое применение в горно-добывающих отраслях промышленности, металлургии, где нет жесткого требования по качеству структуры наплавки. В качестве упрочняющей фазы они содержат 30...90% дорогостоящих карбидов титана, вольфрама, молибдена, которые крайне неравномерно распределены по объему наплавленного слоя особенно при их содержании до 30...50%. Главным недостатком композиционных наплавок является хрупкость из-за большого содержания упрочняющих частиц, что ограничивает их области применения в тяжелонагруженных узлах трения с большими контактными нагрузками, сопровождающимися ударом.

Известен композиционный сплав для наплавки (2. А.С. 1010770 В23К 35/30, С22С 29/00, опубликовано 27.02.2003), содержащий твердые сплавы на основе карбидов титана, оксикарбонитридов титана и сплав-связку на основе металла группы железа при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Твердый сплав на основе карбидов титана - 20...60

Твердый сплав на основе оксикарбонитридов титана - 20...60

Сплав-связка на основе металла группы железа - 20...60.

К недостаткам данного композиционного материала относится высокая хрупкость и неравномерное распределение упрочняющих частиц на основе карбидов и оксикарбонитридов титана при малом их содержании, что не позволяет обеспечить равную износостойкость упрочненного слоя по всей его толщине.

Известен композиционный материал для износостойкой наплавки электронным лучом (3. RU №2205094 С2, МПК ВВ23К 9/04, 27.05.2003 (прототип)), предназначенный для восстановления изношенных поверхностей различных изделий. Предлагаемый наплавочный материал содержит (вес.%):

Карбонитрид титана - 40-60

Быстрорежущая сталь - Остальное

К недостаткам данного наплавочного материала относится большое содержание упрочняющих частиц, формирование каркаса из карбонитрида титана и, как следствие, повышенная хрупкость при ударно-абразивном износе.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке экономнолегированного композиционного материала для наплавки, обеспечивающего равномерную структуру по толщине упрочненного слоя. Известно, что наибольшей пластичностью и вязкостью из всех структурных составляющих стали обладает аустенит. В аустените может растворяться значительное количество легирующих элементов, а дальнейшая термическая обработка позволяет им выделиться в виде дисперсных твердых фаз. Дополнительное упрочнение может быть достигнуто переводом аустенитной матрицы в метастабильное состояние [4. Богачев И.Н. Кавитационные разрушения и кавитационно-стойкие сплавы. - М.: Металлургия, 1972. - 189 с.]. Это позволит матрице в процессе эксплуатации наплавленных изделий упрочняться за счет деформационного мартенситного превращения [5. Гнюсов С.Ф., Тарасов С.Ю. Фазовые превращения в твердом сплаве при трении и оценка фрактальных свойств поверхностей трения / Трение и износ. - 2000. - №1. - С.82-88].

Указанный технический результат достигается тем, что композиционные материалы (см. табл.1) готовят путем смешивания порошков исходных компонентов, спекания, последующего дробления полученных спеков и рассевом их на фракции.

Предложенный состав обеспечивает получение наплавленного металла со структурой стабильного (никелевого) или метастабильного (марганцовистого) аустенита, упрочненного исходными частицами карбида титана, зернами карбида титана, легированного молибденом, и зернами карбида ванадия, или зернами карбида ванадия и карбида типа М₆С ((Fe,Mo,Mn)₆C) (до 20...22 об.%), имеющими мультимодальное распределение по размерам в объеме упрочненного слоя. Мультимодальное распределение упрочняющей фазы (TiC и М₆С) достигается совмещением операции электронно-лучевой наплавки и старения. Такая структура обеспечивает высокую пластичность и сопротивление ударно-абразивному изнашиванию по всей толщине упрочненного слоя без дополнительной операции термической обработки.

Введение в состав порошковой смеси ванадия, молибдена, карбида вольфрама или карбида титана ниже предлагаемых пределов содержания элементов не обеспечивает формирование мультимодальной структуры с одновременным резким уменьшением износостойкости наплавленного металла. Увеличение содержания данных элементов приводит к существенному удорожанию материала покрытия без заметного улучшения его свойств.

Сформированная таким образом мультимодальная структура позволяет увеличить микротвердость наплавки, уменьшить дисперсию ее распределения, уменьшить износ материала 4...6 раз по сравнению с эталоном и сохранить его равномерность по всей толщине наплавки (см. табл.2). 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 1. Смесь исходных порошков (углерод - 0,9...1,0%; марганец - 20%; молибден - 4,0%; ванадий - 4,0%; карбид титана - 10,0%; железо - остальное) засыпается в керамический тигель и подвергается спеканию в вакууме при температуре 1100...1120°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. На установке электронно-лучевой наплавки, оборудованной блоком развертки луча и системой подачи порошкового материала в зону действия электронного луча, проводят наплавку. Термическую обработку (старение) наплавленных валиков проводят непосредственно в наплавочной камере путем воздействия электронного луча в процессе наплавки последующих валиков и в конце всего процесса наплавки в виде воздействия электронного пучка на наплавленную поверхность.

Пример 2. Смесь исходных порошков (углерод - 0,9...1,0%; марганец - 20%; молибден - 4,0%; ванадий - 4,0%; карбид вольфрама - 15,0%; железо - остальное) засыпается в керамический тигель и подвергается спеканию в вакууме при температуре 1050...1070°С в течение 30...40 минут. После охлаждения печи образовавшийся спек подвергают дроблению и рассеву на фракции. Для наплавки используют фракцию композиционного порошка 90...250 мкм. На установке электронно-лучевой наплавки, оборудованной блоком развертки луча и системой подачи порошкового материала в зону действия электронного луча, проводят наплавку. Термическую обработку (старение) наплавленных валиков проводят непосредственно в наплавочной камере путем воздействия электронного луча в процессе наплавки последующих валиков и в конце всего процесса наплавки в виде воздействия электронного пучка на наплавленную поверхность.

Пример 3. Смесь исходных порошков (никель - 20%; молибден - 4,0%; ванадий - 4,0%; карбид титана - 10,0%; железо - остальное) засыпается в керамический тигель и подвергается спеканию в вакууме при температуре 1100...1120°С в течение 30...40 минут. После охлаждения печи образовавшийся спек подвергают дроблению и рассеву на фракции. Для наплавки используют фракцию композиционного порошка 90...250 мкм. На установке электронно-лучевой наплавки, оборудованной блоком развертки луча и системой подачи порошкового материала в зону действия электронного луча, проводят наплавку. Термическую обработку (старение) наплавленных валиков проводят непосредственно в наплавочной камере путем воздействия электронного луча в процессе наплавки последующих валиков и в конце всего процесса наплавки в виде воздействия электронного пучка на наплавленную поверхность.

Пример 4. Смесь исходных порошков (никель - 20%; молибден - 4,0%; ванадий - 4,0%; карбид вольфрама - 15,0%; железо - остальное) засыпается в керамический тигель и подвергается спеканию в вакууме при температуре 1050...1070°С в течение 30...40 минут. После охлаждения печи образовавшийся спек подвергают дроблению и рассеву на фракции. Для наплавки используют фракцию композиционного порошка 90...250 мкм. На установке электронно-лучевой наплавки, оборудованной блоком развертки луча и системой подачи порошкового материала в зону действия электронного луча, проводят наплавку. Термическую обработку (старение) наплавленных валиков проводят непосредственно в наплавочной камере путем воздействия электронного луча в процессе наплавки последующих валиков и в конце всего процесса наплавки в виде воздействия электронного пучка на наплавленную поверхность.

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ

Таблица 1Химический состав наплавляемых покрытийномер
композиционной
наплавкиСодержание элемента, вес.%FeNiСMnМоVПрочее1остальное-0,9204410% TiC2остальное20--4410% TiC3остальное-0,9204415% WC4остальное20--4415% WC

Таблица 2Свойства наплавленных покрытийномер
наплавкисредний размер
карбидных частиц,
d_cp мкммультимодальное распределение
карбидных частиц, мкммикротвердость, ГПадисперсия распределения микротвердости, σ_d, ГПаизнос, ΔV×10^-4 см³/час12,2d₁=1,511,50,83,5d₂=4,321,8d₁=1,28,30,53,7d₂=2,5d₃=4,131,3d₁=0,860,43,2d₂=2,5d₃=4,542,4d₁=1,8550,72,5d₂=3,6сталь 45 (эталон)  2,50,315прототип    4.1

Изобретение может быть использовано для изготовления новых, восстановления и увеличения срока службы изношенных деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа. Экономнолегированный композиционный материал готовят путем смешивания порошков исходных компонентов, спекания, последующего дробления полученных спеков и рассевом их на фракции. Составы обеспечивают получение наплавленного металла со структурой стабильного (никелевого) или метастабильного (марганцовистого) аустенита, упрочненного исходными частицами карбида титана, зернами легированного молибденом карбида титана и зернами карбида ванадия или зернами карбида ванадия и карбида типа М₆С ((Fe,Mo,Mn)₆С) (до 20...22 об.%), имеющими мультимодальное распределение по размерам в объеме упрочненного слоя. Мультимодальное распределение упрочняющей фазы (TiC и М₆С) достигается совмещением операции электронно-лучевой наплавки и старения. Такая структура обеспечивает высокую пластичность и сопротивление ударно-абразивному изнашиванию по всей толщине упрочненного слоя. 4 н.з. ф-лы, 2 табл.

1. Композиционный материал для износостойкой наплавки электронным лучом, содержащий железо, молибден, ванадий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбид титана, углерод и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,9-1,0Марганец20Молибден4,0Ванадий4,0Карбид титана10,0ЖелезоОстальное

Углерод0,9-1,0Марганец20Молибден4,0Ванадий4,0Карбид вольфрама15,0ЖелезоОстальное

Никель20Молибден4,0Ванадий4,0Карбид титана10,0ЖелезоОстальное

Никель20Молибден4,0Ванадий4,0Карбид вольфрама15,0ЖелезоОстальное