Влияние монокарбида вольфрама WC на упрочнение поверхности металлургического инструмента

Ways of increase in hardening of a surface of the metallurgical tool are given in work. The metal naplavka on a metallurgical product with application of a hot method was made.

Эффективным способом повышения упрочнения поверхности металлургического инструмента, к которому относятся: штампы, оправки трубопрокатных станов, ножи для резки проката и другие изделия, является наплавка.

Одним из таких способов является: дуговая наплавка под флюсом, плазменная наплавка, электрошлаковая наплавка, горячий метод или метод погружения в расплавленный металл и т.д. [1, 2].

В настоящее время в качестве износостойкого материала для металлургического инструмента применяется сталь марки 20ХН4ФА, содержащая, %: 0,17...0,24 С; 0,25...0,35 Мn; 0.17…0.37 Si; 0,7...1,0 Cr; 3,17...4,25 Ni; 0,15...0,30 V; используют также сталь марок 40ХМФС, 38Х2МФЮА, 4Х5МФС; сплавы на никелевой основе типа ЭП567 (06Х15Н60М15В4 “Хастеллой-С”) следующего состава: Мо – 15,4%, W – 3,5%, Fe – до 4%, С – 0,02%, Мn – 0,3%, Si – 0,12%, S и Р – до 0,01%, Сr – 15 %, Ni – основа и др.

Целью настоящей работы является исследование влияния введения металлических нанодисперстных тугоплавких частиц монокарбида вольфрама WC на упрочнение поверхностного слоя металлургического инструмента.

В работе использовали нанопорошок монокарбида вольфрама WC, состоящий из частиц с размером менее 0,1 мкм и удельной поверхностью 7м2/г.

Для наплавки на изделие поверхностного слоя применяли горячий метод.

“Горячий” метод заключается в погружении изделий в расплавленный металл и диффузии металла в основу с образованием промежуточного сплава, который и обеспечивает хорошую прочность сцепления с основой. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с другими: 1) большая производительность; 2) простота; 3) изделие полностью погружается в расплавленный металл, вследствие чего покрываются все поверхности детали и др. Так же горячий метод можно использовать как для восстановления металлургического инструмента, так и для нанесения на него различных покрытий.

Наплавку образцов производили на стальную пластину с размерами 100х50х10 мм (20ХН4ФА ГОСТ 1133-71) имитирующую металлургическое изделие. Пластину устанавливали в земляную форму, которую затем заливали расплавленным металлом. В качестве наплавляемого металла служил сплав 50Х20Н65В3М3Ю6Ц следующего состава, %: Мо – 3 %, W – 3 %, Сr – 4 %, Al – 11 %, Zr – 2 %, Ta – 2 %, B – 0,03 %, С - 0,5 %, Ni – основа. Земляная форма предварительно заранее смазывалась жидким калийнатриевым стеклом с содержанием в нем нанопорошка монокарбида вольфрама WC.

При изучении структуры наплавленного металла полученного в земляной форме (рисунок 1), установлено, что при нанесении износостойкого наплавленного слоя металла пластина играет роль холодильника. Это способствует ускоренному охлаждению и создает столбчатую направленность кристаллов при затвердевании. Также выявлено, что добавление наноразмерных частиц WC, обладающих высокой термодинамической устойчивостью, подвергаются незначительному растворению, переходя из обмазки земляной формы в наплавленный металл и являясь дополнительными центрами кристаллизации, обеспечивающие модифицирование металла. В результате структура металла на поверхности значительно измельчается (номер зерна увеличивается с 9 до 13), что способствует повышению его пластичности и ударной вязкости. Кроме того легирование наплавленного металла активным карбидообразующим элементом – W способствует улучшению износостойкости, а также снижает его склонность к образованию горячих трещин за счет измельчения первичных зерен металла и изменения химического состава легкоплавких эвтектик с повышением температуры их плавления и характера распределения в структуре.