Влияние тепловложения при плазменной порошковой наплавке стали 10Р6М5 на структуру и твердость покрытия. Наплавка одиночного валика (Ч. I)

Abstract

Определяющим параметром при плазменной наплавке является тепловложение, которое можно регулировать силой сварочного тока и скоростью перемещения источника нагрева. Увеличение тепловложения в значительной степени может оказывать влияние на формирование структуры и свойств наплавляемого материала. В связи с этим выбор параметров режима плазменной порошковой наплавки при восстановлении или упрочнении поверхности детали, например торцевых уплотнений, использующихся для насосов нефтедобычи, нефтетранспорта и нефтепереработки, является актуальной задачей. Однопроходную плазменную наплавку промышленным порошком стали 10Р6М5 с гранулометрическим составом 100…350 мкм производили на пластины из стали 20 размером 400х150х10 мм. В качестве транспортирующего, защитного и плазмообразующего газа использовался аргон. Наплавку производили на установке УПН-303УХЛ4. В работе использовали плазмотрон с внутренней схемой ввода порошка в дугу. Для изменения погонной энергии использовали режимы с различными значениями силы тока и скорости наплавки. Проведен анализ влияния погонной энергии при плазменной порошковой наплавке одиночного валика на формирование его структурно-фазового состава и твердости. Анализ микроструктур проводили с помощью оптического микроскопа Olympus GX 51 с комплектом прикладных программ SIAMS 700, сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения JSM-7500FA, снабженного системой энергодисперсионного микроанализа производства JEOL, рентгеноструктурного анализа на рентгеновском дифрактометре XRD-7000S в фильтрованном CuК-излучении. Показано, что с ростом величины погонной энергии плазменной порошковой наплавки от 20 до 42 кДж/см увеличивается ширина наплавляемого валика в два раза и глубина проплавления основного металла от 0,2 до 0,9 мм. Установлено, что при увеличении тепловложения в процессе наплавки происходит снижение доли эвтектики в объеме наплавленного металла в 2 раза, увеличение количества мартенсита в объеме матрицы с 72 до 84 % и среднего размера частиц карбидов ванадия с 0,75 до 2 мкм. При малом тепловложении вблизи границы сплавления и в верхней части наплавленного валика формируется слой материала толщиной ~100…150 мкм, в котором фиксируется увеличение количества дисперсных карбидов до ~4 %, а эвтектическая сетка карбидов отсутствует. При увеличении погонной энергии до 25 кДж/см средняя величина микротвердости сохраняется на уровне 860 HV, с ростом тепловложения до 30 кДж/см она падает до 780…790 HV и далее остается неизменной при дальнейшем росте тепловложения.

Heat input is a determining parameter in plasma surfacing. It can be controlled by welding current power and displacement rate of heating source. Increasing the heat input can affect significantly the formation of structure and properties of the deposited material. Therefore, the choice of plasma powder surfacing parameters, for example sealing ends, which are used for oil extraction pumps, oil transportation and oil refining, is relevant for restoration or hardening a part surface. The authors have carried out the single-pass plasma surfacing with industrial powder of M2 steel which had a particle size distribution about 100…350 microns on the rectangular 400х150х10 mm plate of steel C1020. Argon was used as the conveying, protective and plasma gas. Surfacing was performed on UPN303UHL4. The authors used the plasma torch with an internal circuit of powder input into the arc. To change the heat input the authors used the modes with different values of current and deposition rate. The authors analyzed the influence of the heat input during plasma powder surfacing of a single roller on formation of its structural and phase composition and hardness. The microstructure evolution analysis was carried out using optical microscope Olympus GX 51, which has a set of application 700 SIAMS programs, and scanning high resolution electron microscope JSM-7500FA, equipped with energy dispersive microanalysis system manufactured by JEOL. The X-ray diffraction, which was carried out using X-ray diffractometer XRD-7000S in the filtered CuK-radiation, was used in the work. It is shown that increasing heat input from 20 to 42 kJ/cm the width of the deposited bead increases twice and the depth of penetration of the base metal from grows from 0,2 to 0,9 mm. It was found that when increasing the heat input the proportion of eutectic reduces in 2 times, increasing the amount of martensite in the matrix volume from 72 to 84 % and an average particle size of the vanadium carbide from 0,75 to 2 microns. А layer of material thickness of about 100... 150 mm is formed near the fusion boundary and upper bead, where the increasing number of dispersed carbides to ~ 4 % is fixed and there is no eutectic net of carbides. When increasing heat input to 25 kJ/cm the average microhardness remains at 860 HV. Hardness decreases to 780...790 HB, when the heat input increases to 30 kJ/cm. Hardness remains unchanged with further increase of heat input.