Структура и свойства стальных и чугунных отливок, армированных твердым сплавом

В настоящее время широкое применение находят композиционные материалы (КМ), которые позволят получить свойства, не достижимые в традиционных сплавах. Для повышения износостойкости перспективны КМ, состоящие из матрицы и твердых износостойких частиц. Известно, что сталь 110Г13Л имеет высокую износостойкость в условиях износа, сопровождающегося ударами, которые наклепывают ее поверхность. В отсутствии ударов эта сталь не имеет высокой износостойкости. Спеченные твердые сплавы, состоящие из частиц карбидов и металлической связки имеют высокую абразивную износостойкость, но низкую ударную вязкость. КМ, состоящий из матрицы на основе стали П0Г13Л и частиц твердого сплава должен обладать высокой износостойкостью в условиях ударно абразивного воздействия. Подобные свойства должны обеспечивать высокую износостойкость деталей буровой, строительной, дорожной, горнодобывающей и сельскохозяйственной техники.

Абразивному воздействию подвергается, как правило только поверхность. Учитывая это, а также то, что условия эксплуатации требуют от материалов определенного сочетания прочности и пластичности, наиболее перспективны детали, имеющие композиционную структуру в зоне, подвергающейся изнашиванию. Для этого можно использовать технологии наплавки, поверхностного и объемного армирования отливок, что обеспечивает сочетание после термической обработки требуемых прочностных свойств в объеме с высокой поверхностной износостойкостью.

Матрица должна обеспечивать закрепление частиц, обладать необходимыми прочностными свойствами. Армирующиие частицы должны иметь высокую износостойкость, не маловажным фактором является их сопротивляемость ударным нагрузкам. В результате взаимодействия матрицы и частиц их свойства могут изменяться, возможно появление вторичных фаз, что необходимо учитывать при армировании.

При получении КМ возникают вопросы, связанные с правильным выбором технологии, обеспечивающей получение требуемых свойств, совместимостью компонентов, стабильностью армирующих частиц в матрице. Решение этих вопросов позволит получать КМ с высокой износостойкостью, что имеет большое значение для повышения долговечности и работоспособности оборудования во многих отраслях промышленности.

Цель работы — получение и исследование структуры и свойств композиционных зон стальных и чугунных отливок, состоящих из металлической матрицы и наполнителя на основе спеченного твердого сплава.

Для этого решали следующие задачи:

• Разработка технологии армирования стальных и чугунных отливок твердым сплавом;

• Выявление структурных особенностей композиционных зон, полу-~ ченных по различным технологиям с помощью микроетруктурного и микрорентгеноспектрального анализа;

• Определение степени взаимодействия компонентов и прогнозирование структуры композиционной зоны с помощью компьютерного моделирования;

• Определение износостойкости композиционной зоны отливок в условиях натурных испытаний;

• Исследование свойств износостойких сталей, которые были использованы для армирования.

Научная новизна:

• Методами микроструктурного и микрорентгеноспектрального анализа установлен характер структурных изменений, происходящих с твердым сплавом при армировании по различным технологиям;

• С помощью численного расчета построена диаграмма влияния литейных параметров на структуру композиционной зоны;

• Предложен механизм формирования композиционной зоны стальных отливок на основе явлений диффузии и миграции жидкой фазы;

• Установлен характер изменения твердости композиционной зоны в зависимости от размера и количества твердого сплава.

Практическая значимость работы:

• Разработана технология армирования отливок твердым сплавом, которая обеспечивает повышение износостойкости в 2,5 — 3 раза;

• Построена диаграмма, связывающая структуру композиционной зоны и литейные параметры, которая позволяет целенаправленно выбирать технологию, обеспечивающую получение требуемых свойств.

На защиту выносятся:

• Результаты микроструктурных и микрорентгеноспектральных исследований композиционных зон, полученных по различным технологиям;

• Результаты компьютерного моделирования теплового взаимодействия стали и твердого сплава в виде диаграммы, позволяющей прогнозировать структуру композиционной зоны стальных отливок в зависимости от литейных параметров;

• Механизм формирования композиционной зоны стальной отливки, при поверхностном армировании твердым сплавом.

• Результаты определения твердости и износосостойкости компози-ционых зон.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Методами микроструктурного и микрорентгеноспектрального анализа показано, что формирование композиционной зоны стальных отливок сопровождается структурными изменениями твердого сплава по механизму миграции жидкой фазы, вызывающего увеличение количества связки и снижение твердости. Выявлено наличие трех зон в частице твердого сплава: центральной с содержанием связки и твердостью близкими к исходным, промежуточной, представляющей собой слой связки без карбидов и периферийной с содержанием связки 50% об.

2. Установлено, что миграция жидкой фазы связана с растворением карбида вольфрама, которое приводит к расплавлению прилегающих к твердому сплаву участков стальной матрицы. При последующей кристаллизации матрица приобретает структуру, характерную для литой быстрорежущей стали.

3. Показано, что структурные изменения по механизму миграции жидкой фазы происходят при армировании стальных отливок и наплавок. При армировании чугунных отливок и порошковых материалов на основе железа миграции жидкой фазы не происходит и структура твердого сплава не изменяется.

4. На основе микроструктурных и микрорентгеноспектральных исследований и данных численного расчета предложена схема формирования композиционного слоя стальных отливок при поверхностном армировании, в основе которой лежат явления диффузии и миграции жидкой фазы, что позволило объяснить структурные изменения, происходящие с твердым сплавом.

5. Расчетным методом построена диаграмма, в которой количество твердого сплава в поверхностном слое, отношение приведенного размера отливки к толщине композиционной зоны и температура формы определяют степень сруктурных измененй твердого сплава и структуру композиционной зоны.

6. Показано, что при измерении твердости композиционной зоны необходимо учитывать ее макрогетерогенное строение, которое приводит к большому разбросу значений. Установлено, что при объемном содержании частиц фракции 5−7 мм равным 30% композиционная зона состоит из матрицы и частиц, а при 15%- дополнительно присутствуют участки на основе стали 40ХЛ.

7. Натурные испытания в условиях абразивного износа показали, что композиционная зона обеспечивает повышение износостойкости в 2,5 -3 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

11роведенные в данной работе исследования, показывают, что свойства и структура КЗ, состоящих из частиц твердых сплавов и матрицы, зависит от технологии армирования.

Степень взаимодействия компонентов определяется температурой процесса. Если температура менее 1300 °C, то изменение твердости и структуры твердого сплава не происходит, а возможно образование карбидных фаз на границе частиц и матрицы, в результате растворения карбида вольфрама. Если температура частиц и матрицы на основе железа превышает 1300 °C, то в результате контактного плавления в системе появляется жидкая фаза, которая приводит к структурным изменениям твердого сплава. Структурные изменения сопровождаются увеличение количества связки в структуре твердого сплава до 50% (по объему), чгё приводит к снижению твердости, Основной механизм етруктурнйх изменений — миграция жидкой фазы, которая заключается в том, что твердые сплавы типа ВК при температуре выше температурь! плавления связки способны поглощать расплавы на основе железа, кобальта, никеля и др. Дополнительным фактором, влияющим на структуру частиц твердого сплава является капиллярный массопе-т>енос. х.

Частицы твердого сплава в КЗ стальных отливок состоят из трех .зон: центральной, в которой количество связки мало изменяется (для ВК6 с 10 до 15% по объему): средней, представляющей собой прослойку, состоящую.

11 «'Т'.-Т/* Г 4 1 ¦» .¡-" Ч С" IX Т Т" «ТГЗГЖСЫЖТТТСЯГЛ { 1—1 ш Ьолкямгд ка^/ивдио, спъшпСП) ^//о <�¦-.-•<�•.,• } и> соответствии с содержанием связки изменяется микротвердость частиц. Для частиц ВК6 с исходной микротвердостью 18 500 МП, а микротвердость центральной, средней и внешней зон составляет 14 500, 8000 и 11 000 МП, а соответственно. На микротвердость частиц ВН8 влияет мартенситное превращение: внешние слои частиц имеют микротвердость 11 000 МПа, а центральные — 8500 МПа.

Установлено, что частицы твердого сплава в жидких сталях 110Г13Л и 40ХЛ нагреваются без заметного температурного градиента. В поверхностной зоне отливки затвердевание стали между частицами происходит через 1−3 сек, при температуре перегрева расплав 50 — 100 0 С. Частица твердого сплава за это время не успевает нагреться до температуры плавления связки. Структурные изменения в твердом сплаве по механизму миграции происходят в результате растворения карбида вольфрама в стали, что приводит к снижение температуры ее плавления и появлению жидкой фазы.

Компьютерное моделирование использовалось для определения влияния литейных параметров на структуру композиционного слоя, на основе следующих представлений. Если твердый сплав в течении всего времени формирования композиционной зоны имеет температуру менее 1300 °C, то миграции произойти не может. В результате структура композиционной зоны будет состоять из матрицы и частиц твердого сплава, сохранивших свою твердость. При температуре выше 1300° С происходит миграция жидкой фазы. Расчетным методом построена диаграмма, в которой количество твердого сплава в поверхностном слое, отношение приведенного размера отливки к толщине композиционной зоны и температура формы определяют степень структурных изменений твердого сплава и структуру композиционной зоны.

Износостойкую композиционную зону на поверхности отливок можно получить наплавкой. Исследования структуры композиционных покрытий показали, что степень сохранности частиц существенно зависит от технологии наплавки. При наплавке порошковой проволоки происходит полное растворение твердого сплава в матрице, в результате чего карбидная фаза покрытия представляет собой двойные карбиды вольфрама и железа. При наплавке электродов с обмазкой в покрытии удалось сохранить частицы ВК6 и получить композиционную структуру, состоящую из матрицы с микротвердостью 7800 — 9500 МПа и частиц твердого сплава с микротвердостью 11 600 — 14 200 МПа. В процессе наплавки частицы оседают в нижнюю часть наплавленного слоя и образуют зону, обогащенную твердым сплавом.

При плазменной наплавке установлено, что покрытие имеет несколько зон. В первой зоне, прилегающей к подложке, расположен монослой частиц твердого сплава, по границам которых выявлены крупные полиэдрические карбиды. Образование таких карбидов, не характерных для структуры матричного сплава, объясняется растворением частиц ВК6 и диффузией железа из подложки. Средняя зона наплавки состоит из частиц с микротвер-достыо 11 000 МПа, в которых структурные изменения прошли по всему сечению. Верхняя зона, составляющая более половины площади наплавки, состоит из частиц твердого сплава с микротвердостью 13 700 — 18 500 Мпа и матрицы с микротвердостью 4700 — 6700 Мпа. Разброс микротвердости частиц определен различной степенью их распада. При наплавке в условиях, обеспечивающих длительное существование жидкой фазы (6 сек), в структуре обнаружены крупные кристаллы карбида вольфрама (до 150 мкм) с микротвердостью 22 400 МПа. Армирование плазменных наплавок сплава на железной основе Х18Н9, имеющего высокую температурой плавления, приводит растворению частиц карбида вольфрама в матрице. Таким образом для получения композиционной структуры необходимо выбирать сплавы с низкой температурой плавления, типа ПГ-СР4, и ограничивать продолжительность наплавки.

При армировании отливок из чугуна с шаровидным графитом и порошковых материалов на основе железа не обеспечивается нагрев частиц до температуры плавления связки, поэтому структурные изменения твердого сплава по механизму миграции жидкой фазы не происходят. Однако из-за сильной разницы в коэффициентах термического расширения твердого сплава и стали (чугуна) связь матрицы и частиц в этом случае является механической.

Таким образом, технологии получения композиционных зон можно разделит на два типа: технологии, при которых возможна миграция жидкой фазы (армирование стальных отливок и наплавок) и технологии, при которых миграция жидкой фазы не происходит (армирование чугунных отливок, порошковых материалов). Данное разделение является условным, так как при армировании стальных отливок можно подобрать соотношение масс частиц и матрицы, при котором за счет переохлаждения расплава миграция жидкой фазы не произойдет. Если же обеспечить предварительный подогрев частиц твердого сплава, например, за счет перепуска расплава, то при армировании чугунных отливок с температурой заливки около 1400е С возможна миграция жидкой фазы.

Натурные испытания в условиях абразивного износа показали, что композиционная зона обеспечивает повышение износостойкости в 2,5 — 3 раза.