Основы рационального легирования сплавов
Сафронов И.И.
Кишинев, 1991 г.
4.1. РОЛЬ КАРБИДОВ В ФОРМИРОВАНИИ ИЗНОСОСТОЙКОЙ СТРУКТУРЫ
Качество наплавленного металла определяется не только его составом и кристаллическим строением, но и в значительной степени зависит также от однородной структуры металла, формы и количества карбидов и их расположения в наплавленном металле.
Многие исследователи считают, что увеличение в сплавах количества карбидной фазы повышает их износостойкость [52, 53]. Однако это обстоятельство не всегда справедливо.
Проведенные исследования показали, что увеличение количества карбидов с точки зрения износостойкости наплавленного металла целесообразно лишь в определенных пределах. Чрезмерное количество карбидов меняет механизм изнашивания материала, так как в определенных случаях карбиды начинают выкрашиваться, а не истираться. В результате износостойкость может уменьшаться [6 , 54 , 55].
Из анализа полученных данных видно, что большое влияние на свойства наплавленного металла оказывает распределение карбидов в структуре. Вследствие особенностей кристаллизации наплавленного металла (высокая температура нагрева, неравномерное охлаждение слоя металла и т.д.) первичные и вторичные карбиды "могут неравномерно располагаться в структуре и иметь различные размеры и форму (рис 4.1, 4.2).
В ледебуритном высоколегированном наплавленном металле часто образуется сетка эвтектических карбидов скелетообразной формы. Износостойкость наплавленного металла с такой структурой выше, чем при мелких равномерно распределенных карбидах или при строчечном расположении карбидов [6, 56].
Если наплавленный металл кристаллизуется с образованием заэвтектоидной структуры, то карбиды часто образуют сетку по границе зерен (рис.,4Л). По износостойкости эта структура выше структуры с карбидной эвтектикой по границам дендритообразных зерен твердого раствора, но ниже, чем при отдельных избыточных первичных карбидах (рис.4.3).
Следует отметить, что при определенном химическом составе, используемом для легирования сварочной ванны, часто наплавленный металл кристаллизуется в доэвтектическую структуру (рис.4.2).При этом образуется мелкозернистая структура с эвтектикой с размером зерен около 30 мкм и крупнозернистая, размер зерна которой может достигать 100 - 150 мкм. Износостойкость такой структуры наплавленного металла ниже, чем заэвтектоилных структур. Это особенно заметно при граничном трении.
В наплавленном металле, легированном карбидообразугощими элементами, первичные крупные карбида в зависимости от состава и условий кристаллизации имели различную форму и разное расположение. Они могут образовывать прямоугольники неправильной формы, выделения с нечетко очерченными границами и т.д. Избыточные карбиды, как правило, располагаются либо в виде крупных скоплений, либо в виде строчек отдельных выделений (рис.4.3).
Свойства наплавленного металла, в том числе и износостойкость, зависят также от строения и состава карбидных фаз.
4.2. Особенности формирования карбидных фаз в сплавах при термической обработке
Решение этой задачи по формированию карбидных фаз в наплавленном металле необходимо рассматривать с позиции кинетики образования таких же карбидов у сплавов после их термической обработки. Данный подход позволяет более глубоко раскрыть и проанализировать связь в механизме образования карбидов при наплавке.
В наплавленном металле, как и в деформированных термически обработанных сплавах, кинетика образования карбидов при охлаждении наплавленного металла связана с величиной отношения карбидообра зующих элементов к углероду (М/С). Это хорошо просматривается на основании данных табл.4.1.
С увеличением отношения М/С наблюдается общая тенденция к переходу от цементита к специальному карбиду.
Сравнивая типы образующихся карбидов в термообработанных хромистых и наплавленных сплавах с одинаковым хозяйственным и близким количественным химическим составом, следует отметить, что переход от цементита к специальному карбиду происходит в первом случае более интенсивно, чем во втором (табл.4.1). Так, в наплавленном металле 4X5 карбидная фаза состоит в основном из цементита, тогда как в термически обработанном сплаве № 6 при таком же химическом составе преобладают карбиды. С г 7С3.
Выяснение связи между характером образующейся карбидной фазы и химическим составом сплава, с одной стороны, и влиянием карбидной фазы на свойства сплава — с другой, является основой энерготехнологического принципа формирования наплавленного металла с высокими триботехническими и другими свойствами [б].
При различных условиях работы требуется комплекс свойств в наплавленном металле, который отвечал бы этим условиям. Например, для деталей машин, работающих при сильном абразивном изнашивании без ударов, оптимальный комплекс свойств будет отличаться от свойств наплавленного металла, работающих в условиях при знакопеременных нагрузках и значительного абразивного изнашивания. Оптимально комплекс свойств в сплаве для данных условий работы может обеспечиваться при определенном строении, количестве и расположении карбидных выделений. Первый и последние формируются по энерготехнологическому принципу технологии наплавки [б].
Для изучения влияния характера карбидной фазы на свойства направленного металла испытывали сплавы с различным содержанием легирующих элементов и углерода (табл.4.2, 4.3).
Анализ наплавленного металла, легированного хромом, показывает, что наименьшей износостойкостью обладают покрытия, имеющие карбиды цементитного типа. При переходе от цементитного (М3С) к специальному карбиду хрома износостойкость покрытия возрастает сильнее, чем при переходе от одного специального карбида к другому. Наибольшей износостойкостью обладают хромистые покрытия (наплавленный металл) с кубическим карбидом типа M23C6. Проведенные исследования показывают, что при наличии одного и того же типа карбида свойства покрытий несколько различались в зависимости от легирования карбида. Так, покрытия с карбидами типа М7С3, в которых много железа, отличались по износостойкости от покрытий с карбидами этого же типа, но богатыми хромом (табл.4.2, покрытия 2 и 3).
При одинаковом количестве однотипных карбидов в покрытиях износостойкость их была схожей, даже если легирование этих покрытий отличалось. Так, увеличение содержания хрома в наплавленном металле от 14,35 до 25,0 % при наличии 0,7 - 0,9% углерода и одинаковом типе карбидов почти не приводило к повышению износостойкости. Эти данные однозначно свидетельствуют о том, что избыток хрома идет на легирование феррита, упрочнение которого невелико и поэтому существенно не влияет на износостойкость.