Сплав на Fe-основе для плазменно-порошковой наплавки шнеков экструдеров и термопластавтоматов

Cтатья: Автор - Сом А.И.
Журнал "Автоматическая сварка". - 2016. - №7. - стр. 22-27.

Для повышения срока службы шнеков экструдеров и термопластавтоматов в мире широко применяют наплавку рабочих поверхностей износостойкими сплавами [1, 2]. Чаще всего для этих целей используют сплавы на основе никеля и кобальта. Наплавку осуществляют как вручную газоплазменным или аргонодуговым способами с присадкой прутков, так и механизированными способами, среди которых особо следует выделить плазменно-порошковую наплавку [3, 4]. В последнем случае присадочный материал используют в виде порошка грануляции 50…200 мкм. Во избежании трещин в наплавляемом слое детали предварительно подогревают до температуры 500…600 °С, а иногда применяют и сопутствующий подогрев.

Как показывает опыт, предварительный подогрев не только усложняет процесс наплавки, но и заметно его удорожает. Кроме того, широкое применение никелевых и кобальтовых сплавов для наплавки шнеков скорее традиционно, чем вызвано необходимостью. Такие уникальные их свойства, как жаропрочность, горячая твёрдость, коррозионная стойкость и другие, хотя и важны в условиях работы червячных машин, но не являются определяющими. Поэтому, по мнению автора, они с успехом могут быть заменены на более дешёвые и более износостойкие сплавы на основе железа.

К сожалению, известные промышленные сплавы на основе железа имеют такой же серьёзный технологический недостаток, как и никелевые или кобальтовые сплавы, а именно повышенную склонность к образованию трещин при наплавке.

Автором данной статьи специально для плазменно-порошковой наплавки шнеков был разработан новый износостойкий сплав системы Fe-Cr-V-Mo-C, стойкий против трещин. При его разработке максимально учитывались условия эксплуатации этих деталей и их конструктивные особенности.

В настоящей статье описаны свойства сплава для наплавки шнеков и опыт его эксплуатации в промышленности.

Структура и фазовый состав сплава после наплавки

Микроструктуру и фазовый состав наплавленного металла исследовали с помощью оптической и электронной металлографии, а также методами рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального и химического фазовых анализов (исследования выполнены в Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины).

Структура металла в исходном состоянии после наплавки (рис.1) состоит из твёрдого раствора на основе железа, карбидной эвтектики и избыточных карбидов ванадия VC. Особенностью структуры является очень мелкое зерно (10…15 мкм) и веерообразная форма эвтектики, располагающиеся в виде отдельных колоний, как бы внедрённых в матрицу (рис. 1а). Форма и строение эвтектических колоний хорошо видны на фотографии (рис.1б), полученной с помощью электронного растрового микроскопа JSM-35; тонкие пластинки эвтектических карбидов чередуются с твёрдым раствором, заполняющим промежутки между ними. Такое строение эвтектики обеспечивает сплаву сочетание высокой прочности и пластичности sв= 1000мПа, ан=25кг/см2.

Карбиды ванадия мелкие (до 5 мкм), имеют округлую форму и сравнительно равномерно распределяются по всему объёму сплава. Общее количество карбидной фазы по данным химического фазового анализа составляют около 16%. Как показал рентгеноструктурный анализ анодного осадка, в состав карбидной фазы помимо карбидов ванадия VC входят эвтектические карбиды на основе хрома типа Ме7С3, молибдена типа Ме2С и карбиды цементитного типа Ме3С, в которых часть атомов железа замещена атомами других элементов.

Матрица сплава представляет собой (g + a) - твёрдый раствор с микротвёрдостью HV25 400…450. В твёрдом растворе по данным микрорентгеноспектрального анализа содержится около 15% Сr, 3% V, 2% Mo, 5% Ni.

Высокая степень легированности твёрдого раствора данными элементами существенно замедляет g ® a превращения. Как показывают исследования, выполненные на скоростном дилатометре при непрерывном охлаждении с высоких температур (рис. 2), точка начала мартенситного превращения Мn в зависимости от скорости охлаждения лежит на уровне 110 - 130°С.

Благодаря этому в сплаве фиксируется до 60…80% остаточного аустенита. Это благоприятно сказывается на пластичности сплава и позволяет релаксировать значительную часть напряжений, возникающих при быстром охлаждении в процессе наплавки.

Структура и фазовый состав сплава после термической обработки

При изготовлении шнеков обязательной технологической операцией является высокий отпуск, поэтому важно знать его влияние на структуру и свойства наплавленного металла. Исследования, выполненные на вакуумном дифференциальном дилатометре Шевенара, дают возможность судить о структурной чувствительности сплава к последующему нагреву и охлаждению.

Как видно из дилатометрической кривой (рис.3) (нагрев и охлаждение со скоростью 150-170 К/ч) в наплавленном металле происходят a « g фазовые превращения. Критические точки выражены довольно чётко: точка Ас1 лежит на уровне 650°С, точка Ас3 - 850°С.

При охлаждении имеет место мартенситное превращение со значительным объёмным эффектом. Следует отметить, что структурные превращения в металле начинаются несколько раньше примерно при температуре 550°С, характеризующиеся уменьшением объёма (кривая загибается вниз). При этих температурах начинается выпадение из пересыщенного аустенита тонкодисперсных карбидов Cr, Mo и V.

Сказанное подтверждается дилатограммами отпуска при этих температурах (рис.4), свидетельствующими о значительном объёмном эффекте дополнительного мартенситного превращения, которое происходит в сплаве вследствие обеднения аустенита легирующими элементами и снижения его устойчивости против распада.

Твёрдость наплавленного металла при этом повышается с HRC 42…43 до 51-53 (рис.5). Максимальное её значение достигается при температуре отпуска 650°С. При этой же температуре наблюдается и максимальный распад аустенита. Увеличение длительности выдержки не вызывает заметного прироста твёрдости, поскольку наиболее интенсивное выпадение карбидов, по-видимому, происходит в начальный период.

После отпуска при 700°С вследствие большего обеднения аустенита, объёмный эффект мартенситного превращения выражен сильнее (рис.4 кривая 2), хотя твёрдость наплавленного металла несколько ниже (рис.5). Уменьшение твёрдости здесь по сравнению с отпуском при 650°С происходит, по-видимому, из-за распада первоначального мартенсита и коагуляции карбидов.

Выделение дисперсных карбидов при отпуске сплава удалось выявить исследованиями с помощью электронного растрового микроскопа.

На рис. 6 показаны характерные места выпадения этих карбидов. Зарождаются они как в зёрнах твёрдого раствора, так и в эвтектических колониях, по-видимому, в тех местах, где существуют наиболее благоприятные термодинамические условия для их образования: дислокации в мартенсите, границы фаз и др.

Служебные свойства наплавленного металла

Учитывая структурную чувствительность наплавленного металла к термической обработке, рассмотрим влияние отпуска на износостойкость, механические и трибологические его свойства.

Износостойкость. Зависимость износостойкости наплавленного металла от температуры отпуска показана на рис. 5. Испытания проводили на лабораторной установке НК-М [5 ]. Абразивом служил мелкодисперсный кварцевый песок с размером зёрен <= 80мкм. В качестве эталона использовали образцы из отожжённой стали 45.

Как видно из рис.5, износостойкость наплавленного металла сначала в интервале температур отпуска до 400°С растёт, а затем несколько снижается. Это связано прежде всего с влиянием отпуска на количество и устойчивость остаточного аустенита в сплаве, который играет большую роль в процессах изнашивания [6, 7]. Положительная роль метастабильного аустенита состоит в том, что не только он сам хорошо сопротивляется абразивному изнашиванию, вследствие образования при трении в поверхностном слое мартенсита деформации, но и прочно удерживает от выкрашивания мелкие карбиды ванадия. После низкого и среднего отпуска общее количество остаточного аустенита еще сохраняется, но вследствие диффузионного перераспределения углерода устойчивость его снижается, и создаются более благоприятные условия для образования мартенсита деформации, чем и можно объяснить наблюдаемое повышение износостойкости.

Высокий отпуск, особенно при 650°С, вызывающий распад остаточного аустенита, приводит к некоторому снижению, по сравнению со средним отпуском, износостойкости сплава, хотя твёрдость в этом случае значительно выше.

Дополнительную износостойкость наплавленному металлу придает азотирование, которое, как правило, применяется для защиты остальной части шнека от износа при изготовлении новых деталей. Азотированный слой из-за высокой легированности металла получается неглубокий (до 0,05 мм), но очень твёрдый HV25 1288 (рис. 7). Благодаря этому, процесс изнашивания наплавленного металла, особенно на начальном этапе, существенно замедляется. На рис. 8 приведены результаты сравнительных испытаний в одинаковых условиях рассматриваемого сплава и некоторых типичных представителей износостойких сплавов на основе Ni, Co и Fe. Химический состав испытанных сплавов приведен ниже в таблице.

Таблица

Марка порошка (сплава)	Содержание элементов, % мас.									Твёрдость HRCЭ
	C	Si	Mn	B	Cr	W	Ni	Co	Fe
ПГ-СР4 (ХН75С4Р4)	0,7	3,9	-	3,2	15,8	-	Ост.	-	<=3	58
ПГ-10К-02 (Стеллит 6)	1,1	2,1	-	-	28,1	4,4	-	Ост.	-	42
ПГ-С1 (Сормайт 1)	2,7	2,9	2,7	-	28,6	-	4,3	-	Ост.	46

Как видно из рис.8 относительная износостойкость нового сплава как и в исходном состоянии, так и после отпуска с азотированием заметно выше, чем у никелевого (ПГ-СР4) и кобальтового (Стеллит 6) сплавов. После азотирования она становится также выше, чем у Сормайта 1.

Стойкость против задирания. Обеспечение высокой стойкости рабочих поверхностей шнека и цилиндра против абразивного изнашивания ещё не даёт гарантии надёжной работы оборудования. При выборе сплавов для наплавки этих деталей наряду с другими требованиями следует учитывать также их совместимость при трении, т.е. стойкость против схватывания. В противном случае может развиваться опасный вид изнашивания - изнашивание при заедании, основными формами которого являются глубинное вырывание металла, перенос его с одной поверхности на другую и воздействие возникших неровностей на сопряженные поверхности.

Изнашивание при заедании может возникать при непосредственном контакте вращающегося шнека и неподвижного цилиндра, если материалы пары имеют плохую совместимость при трении. А такой контакт возможен из-за несоосности деталей, прогиба шнека, дефектной сборки и др.

Совместимость сплава с материалами цилиндра оценивали на установке трения по схеме "штырь - плоскость диска". Штырь имитировал виток шнека, диск - цилиндр. Данная методика испытаний подробно описана в работе [8]. Материалами цилиндра служили самофлюсующийся сплав на основе Ni XH75С4Р4 (ГОСТ 21448-75), который используется для наплавки цилиндров, и азотированная сталь 38ХМЮА. Для сравнения в качестве материала шнека испытывали так же стеллит 6.

Эксперименты проводили в условиях трения без смазки при постоянной скорости скольжения 0,7 м/с и ступенчатом повышении давления в контакте до наступления явно выраженного задира, который фиксировался по увеличению амплитуды колебания диска, силы трения, характерному звуку и визуально с помощью микроскопа по виду дорожки трения. Совместимость пар трения оценивалась по комплексу характеристик, включающему износ образцов, коэффициент трения, давление начала задира и объёмную температуру, с привлечением данных профилографирования дорожек трения и металлографии.

На рис.9 приведены зависимости массового износа штыря Dm1 и диска Dm2, коэффициента трения f и объёмной температуры t от нормального давления P для пар трения PMalloy 21 - ХН75С4Р4 (а), PMalloy 21 - азотированная сталь 38ХМЮА (б), стеллит 6 - ХН75С4Р4 (в). Общей особенностью этих зависимостей является наличие экстремумов и перегибов при давлениях P3, соответствующих появлению задиров.

При давлениях P < P3 имеет место процесс нормального механохимического износа, характеризующегося практически линейной зависимостью массового износа элементов пар трения и средней объёмной температуры от давления. Коэффициент трения в этой области с повышением давления несколько снижается.

При давлениях P > P3 наблюдается процесс интенсивного разрушения трущихся поверхностей, сопровождающийся резким увеличением износа одного из образцов и переносом его металла на другой, возрастанием коэффициента трения и ростом интенсивности тепловыделения.

Как видим, по этим характеристикам наилучшую совместимость имеет пара а (P3 = 10,2 МПa), на втором месте пара в (P3 = 7МПа) и на третьем - б (P3 = 5,4МПа). Интересно отметить разный характер переноса металла в парах трения, что видно по изменениям потери массы образцов. В паре а после наступления схватывания материал штыря переносится на диск, в паре в, наоборот, материал диска переносится на штырь, а в паре б - перенос металла отсутствует.

Опыт промышленного использования сплава.
Разработанный сплав в виде порошка используется в промышленности для наплавки шнеков с 1986 года. За этот период накоплен большой опыт по наплавке и эксплуатации наплавленных деталей как при переработке простых, так и наполненных полимеров. В настоящее время выпускается под торговой маркой PMalloy 21.

На практике наплавляют шнеки литьевого и экструзионного оборудования диаметром от 32 до 250 мм и длиной от 600 до 5000 мм. Порошок PMalloy 21 обеспечивает прекрасное формирование наплавленного металла (рис.10) и при правильном выборе режимов наплавки полное отсутствие трещин в нем, даже на очень массивных деталях. Это важное технологическое преимущество данного сплава позволяет отказаться от предварительного подогрева заготовки и тем самым значительно упростить и удешевить процесс наплавки.

Порошок можно с успехом применять как при изготовлении новых шнеков, так и при восстановлении изношенных деталей. В последнем случае за счет хорошего формирования наплавленного металла механическая обработка сводится только к финишной шлифовке гребня витка по диаметру.

По сравнению с азотированными стойкость наплавленных шнеков выросла в 3-5 раз в зависимости от вида перерабатываемых материалов. На рис. 11 показан внешний вид двух шнеков Ø45 мм шприцмашины "Kuasy" после эксплуатации в одинаковых условиях при переработке наполненного полиамида 6.6.

Фотографии убедительно доказывают преимущество наплавленных шнеков. В первом случае износ витков настолько велик, что от них почти ничего не осталось, а во втором они сохранились полностью. Несмотря на некоторый износ боковых поверхностей витков и впадин, шнек остается пригодным для дальнейшей эксплуатации и способен обеспечивать номинальную производительность переработки полимеров.