композиционный материал для износостойкой наплавки электронным лучом

Формула изобретения

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.%:

Углерод	0,9-1,0
Марганец	20
Молибден	4,0
Ванадий	4,0
Карбид титана	10,0
Железо	Остальное

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

Углерод	0,9-1,0
Марганец	20
Молибден	4,0
Ванадий	4,0
Карбид вольфрама	15,0
Железо	Остальное

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

Никель	20
Молибден	4,0
Ванадий	4,0
Карбид титана	10,0
Железо	Остальное

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

Никель	20
Молибден	4,0
Ванадий	4,0
Карбид вольфрама	15,0
Железо	Остальное

Описание изобретения к патенту

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 1
Химический состав наплавляемых покрытий
номер композиционной наплавки	Содержание элемента, вес.%
	Fe	Ni	С	Mn	Мо	V	Прочее
1	остальное	-	0,9	20	4	4	10% TiC
2	остальное	20	-	-	4	4	10% TiC
3	остальное	-	0,9	20	4	4	15% WC
4	остальное	20	-	-	4	4	15% WC

Таблица 2
Свойства наплавленных покрытий
номер наплавки	средний размер карбидных частиц, dcp мкм	мультимодальное распределение карбидных частиц, мкм	микротвердость, ГПа	дисперсия распределения микротвердости, d, ГПа	износ, V×10-4 см3 /час
1	2,2	d1=1,5	11,5	0,8	3,5
		d2=4,3
2	1,8	d1=1,2	8,3	0,5	3,7
		d2=2,5
		d3=4,1
3	1,3	d1=0,8	6	0,4	3,2
		d2=2,5
		d3=4,5
4	2,4	d1=1,85	5	0,7	2,5
		d2=3,6
сталь 45 (эталон)			2,5	0,3	15
прототип					4.1