Омск, Омская область, Россия
Омск, Омская область, Россия
Омск, Омская область, Россия
Омск, Омская область, Россия
Рассмотрено применение порошковой проволоки ПП30Н8Х6М3СТЮ, обеспечивающей высокую окалиностойкость наплавленного металла. Установлено, что показатели окалинообразования металла 30Н8Х6М3СТЮ значительно лучше, чем у стали 30Х2В8Ф при 900 ℃ . Показано, что основой окалины металла 30Н8Х6М3СТЮ являются соединения Fe2O3, Fe3O4, Cr2FeO4, Fe2NiО4 и Fe3N.
наплавка, никельхромомолибденовая сталь, порошковая проволока, окалиностойкость
Введение
Объем производства и качество проката во многом зависят от работоспособности прокатных валков горячей прокатки. Значительная часть времени простоев прокатных станов связано с перевалкой валков, вышедших из строя. Эксплуатационная надежность валков горячей прокатки находится в прямой зависимости не только от износостойкости металла, из которого он изготовлен, но и от интенсивности процесса окалинообразования.
При нагреве поверхность металла взаимодействует с кислородом с образованием окалины. В результате чего изменяется химический состав поверхностного слоя металла, и снижаются его эксплуатационные свойства [1].
Окалина обладает абразивными свойствами вследствие своей значительной твердости, которая сохраняется при высоких температурах горячей обработки. Наличие обильной окалины в зоне контакта усиливает износ валков. Поэтому проблема повышения долговечности валков, работающих не только в условиях абразивного износа, но и высоких температур, является исключительно важной.
Повысить ресурс работы валков позволяет наплавка рабочих поверхностей износостойкими сталями [2]. На металлургических предприятиях широкое применение находят валки, наплавленные сталью типа 3Х2В8. Увеличение скорости прокатки и производительности станов, роста доли проката из легированных и специальных сталей требует улучшения свойств металла валков. Учитывая это, широкое применение находят процессы нанесения на рабочие поверхности износостойких покрытий из экономнолегированных мартенситностареющих сталей, наплавленных порошковой проволокой.
При этом перспективны дисперсионно-твердеющие стали. Основой многих таких сталей является система Fe-Ni-Cr [3]. Для получения мартенситной матрицы такие стали должны содержать 6…12 %Ni и 6…8 %Cr. В сталях с содержанием никеля и хрома на нижнем пределе для снижения температуры начала мартенситного превращения и упрочнения мартенсита после закалки целесообразно использовать углерод. Его концентрация может доходить до 0,3 %. В этом случае появляется возможность использования карбидно-интерметаллидного упрочнения, для чего в большинстве случаев используется молибден. В тоже время такие стали имеют невысокую степень упрочнения и низкую, вследствие этого, износостойкость [4]. Поэтому они могут быть использованы для изготовления деталей, работающих в условиях умеренного износа.
Более высокий эффект упрочнения сталей может обеспечиваться путем создания различных дисперсных промежуточных фаз. Эффективность упрочнения такими фазами определяется составом и строением выделяющихся частиц, размером и характером распределения в матрице, взаимодействием с ней, влиянием выделений на структуру. Эти факторы обусловливают более высокие служебные свойства стали. К эффективным фазам, вызывающим значительное упрочнение, относят карбиды, нитриды титана, алюминия и комплексные соединения на их основе.
В тоже время известно, что для повышения степени упрочнения такой стали и, как следствие износостойкости, можно дополнительно легировать её кремнием [3]. Кремний существенно влияет на уменьшение растворимости в мартенсите молибдена, титана и алюминия, образующих упрочняющие частицы. Усиление эффекта твердения достигается при введении его в состав стали до 2,5…3,0 %. В связи с этим одной из перспективных дисперсионно-твердеющих композиций может быть сталь 30Н8Х6М3СТЮ, которую можно было бы использовать для наплавки износостойких покрытий порошковой проволокой созданной на её основе.
Проведенными ранее исследованиями стали 30Н8Х6М3СТЮ установлено, что она в результате старения имеет значительный эффект упрочнения и может быть использована для износостойкой наплавки [5]. Однако особенности работы такой стали при высоких температурах не изучены.
В связи с этим исследовали особенности окалинообразования и изменения структуры и фазового состава стали 30Н8Х6М3СТЮ в результате воздействия высоких температур в воздушной атмосфере.
Методика проведения экспериментальных исследований
Объектом исследований являлась литая сталь покрытия, наплавленного порошковой проволокой, созданной на основе стали 30Н8Х6М3СТЮ. Для обеспечения необходимого содержания углерода в стали в состав порошковой проволоки был введен высокоуглеродистый FeCr. Расчетный состав экспериментальной порошковой проволоки приведен в табл. 1.
1. Расчетный состав экспериментальной порошковой проволоки,%
|
Ni |
FeCr |
Mo |
FeSi |
FeTi |
FeAl |
Na2SiF6 |
Fe |
Fe – лента |
|
8,5 |
8 |
3,5 |
2,6 |
5,2 |
1,8 |
0,3 |
16,5 |
остальное |
Для сравнения исследовали металл, полученный наплавкой хромовольфрамовой сталью 30Х2В8Ф, широко используемой для изготовления технологического инструмента горячего деформирования металла.
Испытания экспериментального состава
металла покрытия на окалиностойкость (жаростойкость) проводили в условиях спокойной воздушной атмосферы по ГОСТ 6130-71. В качестве характеристики окалиностойкости выбран прирост массы образцов при температуре 900 
за время испытаний 25 ч.
Металлографические исследования окисленных образцов проводили на растровом электронном микроскопе JEOL JCM–5700 c энергодисперсионным спектрометром JED-2300.
Рентгенофазовый анализ продуктов окисления осуществляли на многофункциональном рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-7000. Для обработки и анализа дифракционных спектров применили пакет программ Match! версии 3.8.1.151.
Результаты исследований и их обсуждение
Изменение прироста массы металла, наплавленного порошковой проволокой, состава 30Н8Х6М3СТЮ и металла, наплавленного проволокой 30Х2В8Ф, в зависимости от времени выдержки в окислительной атмосфере представлены на рис. 1.
|
m, |
|
t, |
Рис. 1. Изменение прироста массы Δm металла 30Н8Х6М3СТЮ и 30Х2В8Ф от времени выдержки при 900 
Как видно скачёк прироста массы окалины на поверхности металла 30Н8Х6М3СТЮ про-исходит в течение первого часа. В течение последующих четырех часов прироста массы окалины не наблюдается. После пяти часов испытаний скорость роста окалины возрастает, но в значительно меньшей степени, чем в первый час испытаний, и в дальнейшем эта зависимость практически прямолинейна. Так, если за 1 ч испытаний прирост массы окалины составил около 0,0295 кг/м2, то за 5 ч он составил всего 0,0216 кг/м2, а после 25 ч только 0,0506 кг/м2. При этом толщина окалины после 1 ч испытаний при 900 составляет всего 9,37…18,25 мкм, а после 5 ч – 27,45…
40,07 мкм. На поверхности образца металла 30Н8Х6М3СТЮ прошедшего 25 ч испытаний образовался однородный тонкий слой светло-серой плотной окалины, толщина которой практически не изменилась и составила 35,74…55,28 мкм.
Показатели окалинообразования стали
30Х2В8Ф значительно хуже металла 30Н8Х6М3СТЮ. Так, за 1 ч испытаний прирост массы окалины составил около
0,0397 кг/м2, за 5 ч он уже составлял
0,0986 кг/м2, а после 25 ч ‒ 0,4858 кг/м2. При этом толщина окалины после 1 ч испытаний при 900 составила 44,17…52,29 мкм, а после 5 ч – 70,07…81,17 мкм. На поверхности образца стали 30Х2В8Ф по истечении 25 часов толщина оксидного слоя значительно возросла и составила 491,67…519,37 мкм.
Для выявления причины повышенной окалиностойкости металла, наплавленного порошковой проволокой 30Н8Х6М3СТЮ, проведены исследования структуры и фазового состава наплавленного металла и окалины.
Микроструктура шлифа боковой поверхности металла 30Н8Х6М3СТЮ с окалиной, полученной после выдержки 25 ч, с расположением точек сканирования приведена на рис. 2. Химический состав сканированных областей представлен в табл. 2.
2. Химический состав сканированных областей металла состава 30Н8Х6М3СТЮ
после испытания на окалиностойкость при 900 – 25 ч
|
Точки № |
N |
O |
Al |
Si |
Ti |
Cr |
Fe |
Ni |
Mo |
|
1 |
0 |
0 |
0,04 |
1,52 |
0,21 |
6,12 |
83,89 |
8,25 |
3,84 |
|
2 |
0 |
0 |
0,65 |
2,69 |
0,98 |
5,33 |
76,28 |
8,72 |
6,2 |
|
3 |
1,53 |
4,07 |
2,12 |
4,9 |
3,4 |
4,34 |
62,63 |
7,2 |
13,83 |
|
4 |
5,52 |
9,8 |
0,24 |
8,1 |
3,89 |
12,48 |
63,67 |
0,61 |
5,7 |
|
5 |
0,41 |
7,52 |
0,13 |
0,33 |
0,71 |
3,11 |
89,93 |
0,85 |
0 |
|
6 |
0,63 |
0,52 |
0 |
0,33 |
0 |
10,56 |
95,57 |
0,14 |
0,26 |
|
7 |
2,05 |
1,26 |
0,12 |
0,49 |
0,16 |
7,8 |
92,4 |
0,76 |
1,95 |
Рис. 2. Боковая поверхность шлифа металла состава 30Н8Х6М3СТЮ с оксидным слоем после испытания на окалиностойкость при 900 – 25 ч с расположением областей сканирования в точках
Из рис. 2 видно, что окалина слоистая, с множеством выходящих наружу полостей различной формы и размеров. В наружном слое окалины количество и дисперсность остатков не окисленного металла значительно меньше, чем в слое, прилегающем к металлу.
Результаты химического анализа показы-вают, что концентрации в металле основных легирующих элементов Ni, Mo, Cr, Si, Ti по мере приближения к переходному слою (рис. 2, точки 1, 2) остаются на высоком уровне. В переходном слое (точка 3) появляется кислород и азот, а концентрации всех легирующих элементов достигают очень высоких значений. По мере приближения к поверхности окалины (точки 4, 5, 6) концентрации Ti, Al, Si, Ni, Mo падают. Непосредственно у поверхности (точка 7) наблюдается высокая концентрация Cr и Mo.
Полученные результаты говорят о формировании в процессе окисления химической микронеоднородности в наплавленном покрытии. По мере приближения к окалине наблюдается обеднение металла основными легирующими элементами. Снижение концентрации основных легирующих элементов связано с их активным участием в диффузионных процессах вследствие воздействия высоких температур [6].
Характерная структура поверхностного участка окалины с расположением точек сканирования приведена на рис. 3. Химический состав сканированных объектов приведен в табл. 3.
3. Химический состав сканированных областей поверхности оксидного слоя металла состава 30Н8Х6М3СТЮ после испытания на окалиностойкость при 900 – 25 ч
|
Точка № |
N |
O |
Al |
Si |
Ti |
Cr |
Fe |
Ni |
Mo |
|
1 |
5,34 |
19,13 |
0,51 |
0,1 |
0,39 |
12,21 |
48,45 |
12,92 |
0,95 |
|
2 |
0 |
19,79 |
1,76 |
1,11 |
1,16 |
8,78 |
55,77 |
11,63 |
0 |
|
3 |
4,4 |
15,04 |
1,45 |
0,58 |
1,37 |
14,55 |
50 |
11,99 |
0,62 |
|
4 |
5,16 |
14,93 |
0,75 |
0,37 |
0,57 |
12,78 |
54,13 |
11,11 |
0,2 |
|
5 |
5,14 |
13,14 |
1,11 |
1,75 |
0,11 |
11,14 |
55,92 |
9,74 |
1,95 |
|
6 |
5,24 |
21 |
1,67 |
0 |
0 |
8,77 |
51,67 |
10,42 |
1,23 |
|
7 |
9,72 |
14,83 |
0,61 |
0,09 |
0,16 |
6,78 |
63,87 |
2,98 |
0,96 |
|
8 |
13,04 |
17,21 |
1,27 |
0,04 |
0,29 |
10,13 |
49,02 |
9 |
0 |
|
9 |
0,84 |
10,1 |
0,44 |
0 |
0,95 |
8,93 |
62,47 |
14,55 |
1,72 |
|
10 |
9,3 |
19,14 |
1,37 |
0,23 |
0,53 |
12,21 |
46,05 |
11,17 |
0 |
|
11 |
6,86 |
12,04 |
0,66 |
0,23 |
1,54 |
10,72 |
59,08 |
7,98 |
0,89 |
|
12 |
7,2 |
18 |
0,63 |
0 |
0,38 |
8,41 |
63,01 |
1,22 |
1,15 |
|
13 |
10,26 |
21,92 |
1,3 |
0,83 |
0,45 |
11,62 |
43,86 |
9,49 |
0,27 |
|
14 |
0 |
21,79 |
1,29 |
0,51 |
0,15 |
9,75 |
55,25 |
10,19 |
1,07 |
Видно, что поверхностный слой окалины представляет собой хаотично переплетенную смесь конгломератов частиц неправильной формы с размерами до 5 мкм. Все частицы на основе Fe, Cr и Ni содержат кислород, а большинство из них ещё и азот. Ряд частиц содержат все основные легирующие элементы (рис. 3, точки 1, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 14). Другой ряд частиц содержат большей частью Fe, Cr, Ni, Ti, Al (точки 2, 3, 4, 8, 10, 11, 13). В некоторых объектах наблюдается высокая концентрация Mo (точки 1, 3, 5, 6, 7, 9, 11, 12, 14).
Рис. 3. Поверхность оксидного слоя металла состава 30Н8Х6М3СТЮ после испытания на окалиностойкость при 900 ℃ – 25 ч с расположением областей сканирования в точках
Результаты рентгеноструктурного анализа окалины металла состава 30Н8Х6М3СТЮ после выдержки 25 ч при температуре 900 приведены на рис. 4.
Полученные результаты показывают, что
основой окалины металла состава 30Н8Х6М3СТЮ наряду с Fe2O3, Fe3O4 и Cr2FeO4, являются также Fe2NiО4, Fe3N, Ni1,875O2, TiO2, Ni2SiО4, A12O3, MoN0,506, FeCO3, Mo2C, Al2FeО4, A12CO, TiN, Mo3O.
Рис. 4. Дифрактограмма окалины металла состава 30Н8Х6М3СТЮ после выдержки
при температуре 900 – 25 ч
Таким образом, наличие в составе окалины соединений с высокими защитными свойствами обусловливает повышенную окалиностойкость наплавленного металла. Прирост массы окалины такого металла в 16,5 раз меньше, а ее толщина в 11 раз меньше, чем у металла, наплавленного проволокой 30Х2В8Ф. Полученные результаты показывают, что металл, наплавленный порошковой проволокой ПП30Н8Х6М3СТЮ, может использоваться для нанесения покрытий на валки горячей прокатки.
Заключение
Наплавленное покрытие из стали 30Н8Х6М3СТЮ подвержено незначительному поверхностному окислению. Средний прирост массы окалины металла такого покрытия при 900 ℃ составляет 0,002 кг/(м2·ч), что в 16,5 раза меньше чем у металла, наплавленного проволокой 30Х2В8Ф. Поэтому такое покрытие может использоваться для нанесения на поверхности валков, работающих в условиях высоких температур, вплоть до 900 ℃.
1. Тепляков, Ю.Н. Высокотемпературное окисление металлов. – Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2017. – 215 с.
2. Шехтер, С.Я., Шварцер, А.Я. Наплавка деталей металлургического оборудования: Справочник. – М.: Металлургия, 1981. – 160 с.
3. Бирман, C.Р. Экономнолегированные мартенситностареющие стали. – М.: Металлургия, 1974. – 208 с.
4. Еремин, Е.Н., Лосев, А.С., Пономарев, И.А., Бородихин, С.А. Влияние режимов термической обработки на структуру, свойства и фазовый состав стали 10Г7М3С2АФТЮ, наплавленной порошковой проволокой // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2020. – № 5(171). – С. 3–8.
5. Eremin, E.N., Losev, А.S., Ponomarev, I.А., Borodikhin, S.А., Matalasova, A.E. The influence of aging on the structure and properties of metal 30N8Kh6M3STYu obtained by surfacing // Journal of Physics: Conf. Series: Mechanical Science and Technology Update. – 2019. – Vol. 1260. – P. 1–8.
6. Анастасиади, Г.П. Формирование химической микронеоднородности в литейных сплавах. – СПб.: Политехника, 1991. – 148 с.
