Структурно-фазовые состояния и свойства композиционных покрытий, наплавленных на сталь электродуговым методом Капралов Евгений Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1 Упрочнение металлов и сплавов методами наплавки .. 9

1.1 Описание проблемы, обоснование актуальности 9

1.2 Классификация способов наплавки 11

1.3 Процессы, протекающие при наплавке 26

1.4 Влияние наплавки на характеристики деталей 28

1.5 Цель и задачи исследования

3 Структура и свойства покрытий, сформированных порошковой проволокой EnDOtec DO 30 44

3.1 Структура покрытий, выявленная методами оптической и сканирующей электронной микроскопии 44

3.2 Исследование элементного состава покрытий методами рентгеноспектрального микроанализа 47

3.3 Фазовый состав покрытий 54

3.4 Электронно-микроскопический микродифракционный анализ фазового состава покрытий методом реплик с экстракцией 56

3.5 Исследование прочностных и трибологических свойств покрытий.. 56

3.6 Выводы к главе 3 62

4 Структура и свойства покрытий, сформированных порошковой проволокой EnDOtec DO 33 63

4.1 Морфологический анализ структуры покрытий 63

4.2 Фазовый состав покрытий 64

4.3 Электронно-микроскопический микродифракционный анализ фазового состава покрытий методом реплик с экстракцией 67

4.4 Исследование прочностных и трибологических свойств покрытий 75

4.5 Выводы к главе 4 76

5 Структура и свойства покрытий, сформированных порошковой проволокой SK A70-G 78

5.1 Структура покрытий (анализ методами оптической и сканирующей электронной микроскопии) 78

5.2 Фазовый состав покрытий... 91

5.3 Электронно-микроскопический анализ фазового состава покрытий методом реплик с экстракцией 93

5.4 Исследование прочностных и трибологических свойств покрытий... 94

5.5 Выводы к главе 5 99

6 Практическое использование наплавки на сталь har dox 400 100

Заключение 106

Список литературы

• Классификация способов наплавки
• Исследование элементного состава покрытий методами рентгеноспектрального микроанализа
• Фазовый состав покрытий
• Электронно-микроскопический анализ фазового состава покрытий методом реплик с экстракцией

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Из-за износа и коррозии деталей и конструкций ежегодные убытки в промышленности всех стран мира составляют миллиарды долларов, поскольку при остановках производства, связанных с ремонтом, выпуск продукции снижается. По данным фирмы «Eutectic + Castolin» (Швейцария) стоимость ежегодных простоев в промышленности равна около 15 % общих годовых затрат; 80 % общего времени простоев составляют потери рабочего времени вследствие поломок оборудования. Борьба с изнашиванием и коррозией осложнена тем, что использование объемно-легированных материалов, являвшееся до последнего времени основным способом решения этой задачи, становится все более проблематичным из-за истощения запасов легирующих элементов и значительного увеличения их стоимости.

Интенсификация технологических процессов добычи полезных ископаемых предъявляет повышенные требования к комплексу механических свойств рабочих поверхностей оборудования, используемого на предприятиях горнометаллургического комплекса. Наиболее остро эта проблема стоит для крупногабаритных деталей и конструкций, таких, например, как ковши экскаваторов, кузова самосвалов и других, поэтому исследования в этой области являются актуальными как в научном, так и в практическом плане. В последние годы получили развитие исследования в области наплавки композиционных покрытий, упрочненных частицами карбидов, боридов и других высокотвердых и высокомодульных фаз. Такие покрытия эффективно работают в условиях сильного абразивного изнашивания и ударных нагрузок и применяются в различных областях промышленности. Основными факторами, определяющими их эксплуатационные свойства, являются химический и фазовый составы материала покрытия. Для обоснованного выбора материала покрытий, соответствующих условиям их эксплуатации, необходимо проведение подробных исследований их свойств и структуры.

Тема диссертации соответствует направлению «Нанотехнологии и наноматериалы» Перечня критических технологий РФ и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем». Исследования выполнялись по госзаданию Минобрнауки № 2708 на выполнение НИР.

Степень разработанности темы исследования. Один из наиболее эффективных и экономичных методов защиты поверхности – это электродуговая наплавка, позволяющая обеспечить оптимальное соотношение свойств поверхности и объема материала. Она применяется не только для ремонта изношенных элементов конструкций, но и для придания особых свойств поверхностям новых изделий перед вводом их в эксплуатацию.

В последние годы получили развитие научные исследования и практические разработки в области наплавки композиционных покрытий, упрочненных частицами карбидов, боридов и других высокотвердых и высокомодульных фаз. Такие покрытия эффективно работают в условиях сильного абразив-

ного изнашивания и применяются в различных областях промышленности (строительной, металлургической, горнодобывающей и др.). В этом случае основными факторами, обеспечивающими упрочнение, является выбранный материал наплавочного покрытия.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явился сравнительный анализ структурно-фазовых состояний и выявление природы высоких физико-механических свойств покрытий, наплавленных на износостойкую сталь Hardox 400 электродуговым методом порошковыми проволоками различного химического состава.

Для реализации цели работы решены следующие основные задачи:

1) определить микротвердость и износостойкость наплавленных слоев;

2) провести анализ структурно-фазовых состояний по глубине покры
тий;

1. определить физические механизмы упрочнения покрытий;

2. разработать и внедрить рекомендации по практическому использованию результатов исследований.

Научная новизна.

1. Установлено влияние химического состава исследованных порошковых проволок на уровень их физико-механических свойств.

2. Выявлены структурно-фазовые состояния покрытий, наплавленных порошковыми проволоками различного химического состава.

3. Установлены механизмы упрочнения формированием субмикро- и
наноразмерной структуры, содержащей карбиды, бориды, карбобориды и бо-
росилициды железа, хрома и ниобия.

Теоретическая и практическая значимость работы. Углублены знания о физических процессах формирования структуры и свойств покрытий, наплавленных с использованием порошковых проволок. Получены новые знания о строении, структуре и фазовом составе наплавленных покрытий. Изучены распределения микротвердости по их глубине. Испытания покрытий в условиях эксплуатации показали, что долговечность футеровочных пластин, защищающих ковши экскаваторов, после наплавки бронировочной сетки увеличилась в 1,5 раза.

Методология и методы исследования. Работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок – обработки материалов концентрированными потоками энергии. При выборе методов упрочнения металлов и сплавов следует исходить из того, что функциональные свойства поверхностных слоев определяются, прежде всего, особенностями их структуры и фазового состава. Анализ литературы показывает, что структура, фазовый состав и свойства модифицированных поверхностных слоев зависят от технологических особенностей используемых методов и режимов наплавки. Возможность формировать новые структурно-фазовые состояния поверхностных слоев металлов и сплавов позволяют расширить область и условия их практического использования.

Исследования структуры покрытий проводили с использованием методов световой (микроскоп Olympus GX 51) и электронной сканирующей микроскопии (СЭМ) (микроскоп Carl Zeiss EVO 50) и рентгеноспектрального микроанализа (микроанализатор EDAX ECON IV), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (микроскоп ЭМ-125), рентгеноструктурного анализа (дифрактометр Shimadzu XRD 6000).

Прочностные свойства покрытий оценивали, определяя их микротвердость (прибор HVS-1000A), трибологические свойства – путем определения фактора износа W, мм³/(Нм), по объему удаленного материала, отнесенного к нормальной нагрузке на образец и путь трения, а также коэффициента трения. Использовали триботестер Tribotechnic.

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 – физика конденсированного состояния (технические науки).

Положения, выносимые на защиту:

1. результаты исследований механических свойств покрытий, наплавленных порошковыми проволоками различного химического состава, согласно которым микротвердость и износостойкость мало изменяются по глубине, превышая их значения в подложке в 2–3 раза; наибольший уровень свойств имеет покрытие, наплавленное порошковой проволокой, содержащей хром, ниобий и бор;

2. результаты структурных исследований, показывающие, что строение покрытий по глубине характеризуется наличием четырех слоев с мелкодисперсной структурой – поверхностного, промежуточного, переходного и зоны термического влияния толщиной 3–4, 0,25–0,40, 0,25–0,40 и 4 мм соответственно;

3. результаты фазового анализа, согласно которым в покрытиях формируется субмикро- и наноразмерная субструктура, содержащая карбиды, бори-ды, карбобориды и боросилициды железа, хрома и ниобия;

4. выявленные механизмы упрочнения, согласно которым высокие физико-механические свойства покрытий обусловлены механизмами Холла-Петча и дисперсионного твердения, а также твердорастворным упрочнением, закалочными эффектами и остаточными напряжениями.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием световой, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, определения микротвердости и износостойкости, непротиворечивостью полученных результатов результатам других авторов.

Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях: XXII научно-практической конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2014; International seminar «External fields processing and treatment technology and preparation of nanostructure of metals and alloys», Шеньжень, 2014; Восьмой Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» памяти акад. Г. В. Курдюмова и первой Всероссийской Молодежной школе «Структура и свойства перспективных материалов», Черноголовка, 2014; научных чтениях им. чл.-корр. РАН И. А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2014; Бернштейнов-ских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, посвящ. 95-летию со дня рождения проф. М. Л. Бернштейна, Москва, 2014; Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем – 2014. Моделирование, эксперимент, приложения», Томск, 2014; XIX Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2015; Advanced Materials Research; International workshop «Effect of external influences on the strength and plasticity of metals and alloys», Барнаул, 2015; Международном симпозиуме, посвященном 40-летию ИТА НАН Беларуси «Перспективные материалы и технологии», Витебск, 2015; Всероссийской научной конференции с международным участием «II Байкальский материаловедческий форум», Улан-Уде, 2015.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 12-ти статьях в журналах из перечня ВАК и тезисах 12-ти докладов на различных научных мероприятиях Всероссийского и международного уровня, 2-х коллективных монографиях. Соавторы не возражают против использования опубликованных результатов в диссертации.

Диссертация включает в себя введение, 6 глав, заключение и приложение, изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 9 таблиц, список литературы состоит из 116 наименований.

Экспериментальные исследования проводились с использованием аналитического и испытательного оборудования кафедры физики имени профессора В. М. Финкеля, центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете, а также в Институте металловедения и физики металлов им. Г. В. Курдюмова Государственного научного центра РФ ЦНИИЧермет им. И. П. Бардина.

Классификация способов наплавки

Наплавка покрытий – это нанесение слоя металла на поверхность заготовки или изделия посредством сварки плавлением (ГОСТ 2601–84). Способы наплавки, как и способы сварки, классифицируются по трем группам признаков (ГОСТ 19521–74): физическим, техническим и технологическим. По физическому признаку (используемый источник нагрева) основные способы наплавки разделяются на три группы: термические (дуговая, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая, световая, индукционная, газовая, печная); термомеханические (контактная, прокаткой, экструдированием); механические (взрывом, трением). Большинство из этих способов в свою очередь могут подразделяться по техническим (способ защиты металла в зоне наплавки, степень механизации наплавки, непрерывность процесса наплавки) и технологическим (по роду тока, по количеству электродов, по наличию внешнего воздействия и т п.) признакам. Рассмотрим особенности термических способов наплавки, широко используемых для повышения твердости, износостойкости, коррозийной стойкости, жаростойкости и других свойств поверхностных слоев металлов.

Электродуговая наплавка. Среди способов восстановления быстроизнашивающихся деталей машин, ведущее место занимает автоматическая электродуговая наплавка. В качестве источника нагрева в этом случае используют электрическую дугу. Дуговую наплавку можно выполнять вручную покрытыми и непокрытыми электродами или механизированными способами. К числу основных способов механизированной дуговой наплавки относят следующие: автоматическую под флюсом (одно-, двух- и многоэлектродную), сплошной или порошковой проволокой, электродной лентой; автоматическую (одно-, двух- и многоэлектродную) и полуавтоматическую самозащитной порошковой проволокой; автоматическую самозащитной порошковой лентой (одним или двумя электродами), автоматическую и полуавтоматическую в защитных газах [18, 28].

Дуговую наплавку покрытым электродом в виде стержня с покрытием осуществляют обычно вручную, поэтому такой способ называют также ручной дуговой наплавкой. Электродное покрытие служит для защиты ванны жидкого металла от кислорода и азота воздуха, стабилизации дуги, повышения технологичности процесса наплавки и введения легирующих элементов в состав наплавленного металла. Широкое применение в практике дуговой наплавки имеют покрытия карбонатно-рутиловое, основное и высокорутиловое. В состав электродного покрытия вводят также шлакообразующие и газообразующие компоненты, раскислите-ли, стабилизирующие и легирующие добавки.

Дуговая наплавка покрытым электродом отличается низкой стоимостью оборудования, возможностью выполнения наплавки вручную, что обеспечивает этому способу самое широкое применение для наплавки не только черных, но и цветных металлов. Ручная наплавка уступает автоматическим и полуавтоматическим способам по скорости выполнения процесса.

При электродуговой наплавке под флюсом электродными материалами (проволокой или лентой) дуга скрыта под слоем гранулированного флюса, пред 13

варительно насыпаемого на поверхность основного металла. Возможность наплавки при большой силе тока и высокой погонной энергии обеспечивает этому способу высокую производительность при хорошем качестве наплавляемого металла, и благодаря этому данный способ занимает господствующее положение в области автоматической наплавки.

Дуговая наплавка под флюсом имеет следующие преимущества: высокая производительность процесса при наплавке изделий простой формы с большой площадью наплавляемой поверхности; простота осуществления процесса, не требующего высокой квалификации сварщика; возможность получения хорошего внешнего вида валика; хорошие условия труда, связанные с отсутствием разбрызгивания электродного металла (поскольку дуга скрыта под слоем флюса).

Вместе с тем этому способу наплавки присущи следующие недостатки: более высокая стоимость оборудования, чем для ручной дуговой наплавки покрытыми электродами; непригодность для наплавки мелких изделий сложной формы.

Наплавка электродной проволокой под флюсом может быть осуществлена во многих вариантах с использованием наплавочной проволоки разнообразного состава и различных флюсов. При наплавке этим способом используют технологические приемы повышения производительности, включая применение многоэлектродных сварочных головок, нагрев наплавочной проволоки электросопротивлением и применение присадочных материалов.

Многоэлектродную наплавку осуществляют обычно способом, при котором дуга возникает между двумя электродами. Преимущество этого способа связано с косвенным дуговым нагревом основного металла, обеспечивающим небольшое его проплавление в сочетании с высокой скоростью плавления электродной проволоки.

Использование нагрева проволоки электросопротивлением при дуговой наплавке под флюсом характеризуется тем, что увеличение вылета электродной проволоки сопровождается повышением скорости наплавки и снижением степени влияния основного металла на состав наплавленного слоя. При обычной одноэлектродной наплавке под флюсом во избежание чрезмерного проплавления основного металла необходимо применение следующих мер: тщательный выбор наплавочного материала с учетом влияния основного металла на состав наплавленного слоя; ограничение глубины проплавления путем более плотной укладки наплавляемых валиков; обеспечение должной толщины наплавленного слоя за счет многослойной наплавки.

Наплавку электродной лентой под флюсом осуществляют с помощью электрода в виде широкой стальной ленты, расположенной в процессе наплавки практически под прямым углом к основному металлу.

Наплавка ленточным электродом обладает следующими преимуществами: получение плоского валика наплавленного металла, достаточно большой ширины (примерно равной ширине ленточного электрода); возможность наплавки слоя требуемой толщины за один-два прохода, что обусловлено малой глубиной про-плавления основного металла и в связи с этим незначительным влиянием его на состав наплавленного слоя (доля разбавления составляет 10–20 %); высокая производительность в связи с возможностью наплавки с высокой скоростью при большой силе тока.

Рассматриваемый способ получил быстрое развитие и нашел широкое применение для наплавки коррозионностойкой стали, сплава «инконель» и других коррозионно-стойких наплавочных материалов.

Электродуговая наплавка порошковой проволокой без защитной среды, осуществляется без подачи флюса или защитного газа в зону дуги. Она обладает следующими преимуществами: простота используемого оборудования и технологии, связанная с отсутствием необходимости применения защитного газа и флюса; возможность наплавки в полевых условиях, поскольку ветер практически не оказывает влияния на процесс наплавки; сравнительная простота введения легирующих элементов в наплавленный металл, состав которого можно регулировать в широких пределах. Проблема наплавки этим способом, связанная с обильным выделением дыма, решается использованием специального дымового коллектора. Электродуговая наплавка плавящимся электродом в среде защитного газа протекает в условиях газового потока со стороны подачи электродной проволоки (наплавочного материала), что обеспечивает защиту зоны дуги от окружающего воздуха. В качестве защитного газа используют углекислый газ, хотя в последнее время распространена практика наплавки в смеси углекислого газа с аргоном и другими инертными газами.

При осуществлении износостойкой наплавки в СО2 используют проволоку сплошного сечения или порошковую проволоку. Основное преимущество наплавки в СО2 состоит в возможности повышения производительности процесса за счет его осуществления в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Недостаток этого способа, присущий и другим способам с применением защитных газов, связан с невозможностью работы на открытом воздухе из-за влияния ветра на процесс наплавки.

Исследование элементного состава покрытий методами рентгеноспектрального микроанализа

Сталь Hardox 400. В качестве материала исследования использовали сталь Hardox 400, элементный состав которой приведен в таблице 2.1. Марка Hardox – признанный лидер на рынке износостойких сталей. Она выплавляется в Швеции на заводе компании SSAB Oxelosund AB и поставляется в 45 стран мира. Основное отличие сталей этой марки от широко распространенных износостойких сталей – это низкое содержание легирующих элементов. За счет этого сталь хорошо сваривается и обрабатывается. Высокая твердость сталей Hardox достигается за счет специальной системы закалки листов, которая позволяет получить мелкозернистую структуру. Закалка заключается в быстром охлаждении прокатанного листа без последующего отпуска.

Благодаря высокой твердости поверхности сталь эффективно противостоит большинству видов износа, в том числе абразивному износу в условиях ударных нагрузок. Применяется в основном в горной и дорожно-строительной отраслях. Сталь Hardox 400 – самый распространенный из серии износостойких листовых материалов марки Hardox. Срок службы деталей из этой стали в пять раз больше, чем у деталей, выполненных из аналогичных износостойких сталей отечественного производства.

Использование при производстве стали Hardox 400 чистых исходных материалов и небольшое количество примесей, попадающих в сталь в ходе получения готового проката, дают возможность сочетать высокую твердость стали с высокой ударной вязкостью, в том числе при низких температурах. По прочности сталь Hardox 400 превосходит другие свариваемые стали, а по значению ударной вязкости сравнима с обычными конструкционными сталями. Так, при температуре – 40 С она имеет гарантированное значение ударной вязкости 30 Дж/см2 (образец с V-образным надрезом). Предел прочности стали Hardox 400 составляет 1250 МПа, предела текучести – 1000 МПа, относительное удлинение – 15 %, относительное сужение – 63 %. Твердость стали в закаленном состоянии составляет 370 HB.

В данной работе сталь Hardox 400 в процессе формирования наплавки подвергалась закалке, что привело к формированию характерной для такого типа термической обработки тонкодисперсной высокодефектной структуры на основе -железа, содержащей наноразмерные частицы карбида железа (рисунок 2.1). Закалка стали привела к формированию мартенсита (рисунок 2.1, а), по морфологическому признаку относящемуся к пакетному. Скалярная плотность дислокаций кристаллов пакетного мартенсита достигает 11011 см–2 [96]. Поперечные размеры кристаллов пакетного мартенсита исследуемой стали изменяются в пределах от 0,1 до 0,25 мкм (рисунок 2.1, а). Последующий отпуск закаленной стали сопровождался выделением наноразмерных частиц карбидной фазы игольчатой морфологии (рисунок 2.1, б). Индицирование микроэлектронограмм, полученных с частиц карбидной фазы, показал, что они являются карбидом железа – цементитом.

Одновременно с распадом твердого раствора с выделением частиц карбидной фазы наблюдается преобразование дефектной субструктуры стали. Во-первых, обнаруживается рассыпание малоугловых границ кристаллов мартенсита с формированием преимущественно фрагментированной, реже, субзеренной структуры (рисунок 2.1, в). Во-вторых, изменяется тип дислокационной субструктуры: в объеме фрагментов и субзерен выявляется дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций; в объеме кристаллов отпущенного мартенсита – структура дислокационного хаоса и сетчатая субструктура (рисунок 2.1, г). В-третьих, снижается скалярная плотность дислокаций. В кристаллах отпущенного мартенсита она снижается до 51010 см–2; в субзеренной структуре составляет (1,0–1,5)1010 см–2. а – кристаллы пакетного мартенсита; б – выделения цементита; в – субзеренная структура стали; г – структура дислокационного хаоса и сетчатая субструктура

Электронно-микроскопическое изображение структуры стали Hardox 400, являющейся подложкой, перед наплавкой Порошковые проволоки. На поверхности стали сварочным методом формировали покрытия толщиной 3–5 мм. Использовали порошковые проволоки EnDOtec DO 30, EnDOtec DO 33 и SK A 70-G диаметром 1,6 мм. Порошковая проволока – это непрерывный электрод, состоящий из металлической оболочки и порошкообразного наполнителя-сердечника, который представляет собой смесь газообразующих и шлакообразующих материалов, ферросплавов и металлических порошков. Элементный состав проволок приведен в таблице 2.1.

Порошковая проволока EnDOtec DO 30 фирмы Castolin (Германия) используется для наплавок, стойких к абразивному износу и эрозии, в условиях умеренных ударов. Ею наплавляют абразивно нагруженные детали, которые одновременно подвергаются действию несильных ударов, например: спускные лотки гравийных и песчаных карьеров, лопасти смесителей, шнеки транспортеров, ножи ковша экскаватора (драглайна) или погрузочного ковша, шестерни дробилок, установки по обработке песка, насосы в производстве бетона и ковши экскаватора. Твердость слоев наплавки, согласно спецификации проволоки, составляет 63– 65 HRC. Свойства и преимущества слоев наплавки: мартенситная структура с включениями боридов железа и карбида железа; трещины не оказывают влияние на высокое сопротивление износу; обрабатывается только шлифованием.

Порошковая проволока EnDOtec DO 33 обеспечивает высокую стойкость против абразивного износа вытяжных деталей горячих газов, лопастей вентиляторов, разбрасывателей удобрений, экранов топочных газов. Твердость слоев наплавки, согласно спецификации проволоки, составляет 68 HRC. Свойства и преимущества слоев наплавки: высокая стойкость против износа при малых частицах абразива и умеренных ударах при температуре до 650 С; около 70% экономии времени наплавки и присадочного материала; полная твердость уже в первом слое; гладкая поверхность наплавленного слоя, значительно повышающая стойкость против эрозии в газовой среде.

Порошковая проволока SK A70-G (фирма Soudokay) – это хром-ниобий-борсодержащий сплав, предназначенный для сопротивления высокому абразивному износу при низких ударных нагрузках. Микроструктура наплавки представ 38 лена карбидами и боридами ниобия в матрице эвтектического типа. Твердость наплавки составляет 67 HRC.

Для модифицирования структурно-фазовых состояний и свойств наплавленных слоев использовали электронно-пучковую обработку на установке «Соло» Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН (рисунок 2.2). В настоящее время на основе сильноточных дуговых разрядов низкого давления создано семейство электронных источников с сетчатыми плазменными катодами, позволяющих генерировать мощные пучки заряженных частиц, в том числе в микро- и субмиллисекундном диапазоне длительностей импульсов тока пучка. Применение таких источников для обработки материалов позволяет сконцентрировать за время порядка 10–5–10–4с высокую плотность энергии (10–100 Дж/см2) в тонком (0,1–10 мкм) поверхностном слое материала. Конечным результатом высокоэнергетической обработки материала является получение поверхностного слоя с физико-механическими свойствами, существенно превышающими соответствующие свойства основного материала, и размытой границей раздела с основой [97–105]. Последнее определяет полную совместимость упрочнённого слоя с основным материалом, обеспечивающую его высокую стойкость к внешнему воздействию.

Фазовый состав покрытий

Методами дифракционной электронной микроскопии экстрактных угольных реплик [102–105], установлено, что основной фазой покрытий является твердый раствор на основе -Fe. Упрочняющими фазами, экстрагированными из наплавки, как показывает индицирование микроэлектронограмм, являются карбиды железа (Fe3C), ниобия (NbC и Nb2C) (рисунок 4.3), хрома (Cr3C2 и Cr7C3) (рисунок 4.4), а также карбиды сложного состава Fe3Nb3C и (Fe, Cr)7C3 (рисунок 4.5).

Форма частиц преимущественно глобулярная. Размеры частиц изменяются от единиц до сотен нанометров. В отдельных случаях удается показать, что частицы располагаются в виде протяженных прослоек по границам, по всей видимости, зерен -Fe (рисунок 4.3, б).

С целью дополнительной термической обработки покрытие облучали высокоинтенсивным импульсным электронным пучком [97]. Такая обработка характеризуется сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения поверхностного слоя материала [98]. Действительно, выполненные электронно-микроскопические исследования тонких фольг, приготовленных из поверхностного слоя покрытия после облучения, выявили формирование субмикро- нанокристаллической многофазной структуры. А именно, в поверхностном слое, формируется структура ячеистой и дендритной кристаллизации субмикронных (200–500 нм) размеров (рисунок 4.6).

Индицирование микроэлектронограмм, полученных с тонких фольг, выявило, наряду с рефлексами -Fe, рефлексы карбидов железа (Fe3C), ниобия (NbC и Nb2C) и хрома (Cr3C2 и Cr7C3). Основным карбидом является карбид железа (цементит) (рисунки 4.7 и 4.8), который формирует протяженные прослойки, разделяющие зерна твердого раствора на основе -Fe.

Темнопольный анализ структуры частиц Fe3C выявил присутствие большого количества изгибных экстинкционных контуров, указывающих на изгиб-кручение кристаллической решетки карбидной фазы (рисунок 4.8). Как правило, изгибные контуры начинаются и заканчиваются на границе раздела зерен карбида и зерен -Fe, указывая на то, что основными концентраторами напряжений в покрытии являются поверхности раздела карбид/-фаза. а, б – светлопольные изображения; в – темное поле, полученное в рефлексе [422]NbC; г – микроэлектронограмма, стрелкой указан рефлекс, в котором получено темнопольное изображение. На (а, б) стрелками указаны частицы карбида ниобия

Электронно-микроскопические изображения частиц карбида ниобия, выявленных в покрытии при анализе экстрактных угольных реплик а – светлопольное изображение; б – темное поле, полученное в рефлексе [211]Cr3C2; в – микроэлектронограмма, стрелкой указан рефлекс, в котором получено темнопольное изображение. На (а) стрелками указаны частицы карбида Cr3C2

Электронно-микроскопические изображения частиц карбида хрома состава Cr3C2, выявленных в покрытии при анализе экстрактных угольных реплик а – светлопольное изображение; б – темное поле, полученное в рефлексе [202](FeCr)7C3; в – микроэлектронограмма, стрелкой указан рефлекс, в котором получено темнопольное изображение. На (а) стрелками указаны частицы карбида (FeCr)7C3 Рисунок 4.5 – Электронно-микроскопические изображения частиц карбида состава (FeCr)7C3, выявленных в покрытии при анализе экстрактных угольных реплик Рисунок 4.6 – Электронно-микроскопическое изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя покрытия, обработанного высокоинтенсивным электронным пучком

Как было показано выше, наряду с карбидом железа, в исследуемой наплавке выявлены карбиды на основе хрома и ниобия. Частицы данных фаз располагаются преимущественно на границе раздела зерен -железа и прослоек карбида железа. Размеры таких частиц, имеющих глобулярную форму, составляют 80– 150 нм. Частицы карбидов преимущественно ниобия выявлены и в объеме зерен -Fe (рисунок 4.9). Частицы располагаются хаотически, имеют округлую форму, размеры частиц изменяются в пределах от 5 до 20 нм. а – светлопольное изображение, б – темное поле, полученное в рефлексе [221]Fe3C, в – микроэлектронограмма, стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле

Электронно-микроскопическое изображение покрытия, обработанного высокоинтенсивным импульсным электронным пучком 4.4 Исследование прочностных и трибологических свойств наплавки на сталь

Установлено, что микротвердость наплавленных покрытий остается неизменной по всей глубине до 3,5 мм. Среднее значение микротвердости упрочненного слоя составляет 900 HV, что в 3,0 раза больше микротвердости основного материала.

На рисунке 4.10, а приведено характерное изображение трека износа, формирующегося при трибологических испытаниях на поперечном шлифе системы покрытие/подложка. Отчетливо видно, что канавка износа покрытия визуально меньше по сравнению с канавкой износа стали. Об этом же свидетельствуют и результаты профилометрии канавки износа наплавки (рисунок 4.10, б) и стали (рисунок 4.10, в).

Количественный анализ полученных таким образом результатов исследования износостойкости материала свидетельствует о том (таблица 4.2), что износостойкость покрытий в два раза выше износостойкости исходной стали, а коэффициент трения в два раза ниже коэффициента трения исходной стали. Таблица 4.2 – Результаты трибологических испытаний поверхности образцов стали Hardox 400 и покрытия

Электронно-микроскопический анализ фазового состава покрытий методом реплик с экстракцией

По мере развития и совершенствования техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям эксплуатации (повышение скоростей, температуры, нагрузок, агрессивности среды, уменьшение массы и т.д.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев удовлетворить комплекс этих требований. В связи с этим экономически и технически целесообразно развивать принципиально новый подход к выбору материалов уже на стадии проектирования. Механическая прочность детали или конструкции гарантируется за счет применения одного материала, а специальные свойства рабочих поверхностей обеспечиваются сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев других материалов – покрытий. В результате обеспечивается повышенная долговечность, сочетающаяся с экономией легирующих элементов и удешевлением изделий.

Современные экономические условия устанавливают жесткие рамки существования промышленных предприятий и, особенно, предприятий горнометаллургического комплекса. Интенсификация технологических процессов добычи полезных ископаемых предъявляет повышенные требования к комплексу механических свойств рабочих поверхностей механизмов и агрегатов добывающего и технологического оборудования.

Одним из характерных примеров нанесения защитных покрытий является футеровка износостойкими материалами внутренних и наружных рабочих поверхностей ковшей экскаваторов объемом свыше 10 м3 (рисунок 6.1). Ковши имеют коробчатую конструкцию, изготовленную из высокопрочных сталей. Рабочие поверхности, соприкасающиеся с породой, защищают биметаллическими износостойкими пластинами, привариваемыми в заводских условиях (рисунок 6.2). Бронирующий слой футеровки представляет собой наплавленный электродуговым методом металл на основе железа, упрочненный карбидами. В зависимости от условий эксплуатации срок службы такой футеровки составляет 12– 18 месяцев.

Ввиду того, что износ по рабочей поверхности ковша экскаватора происходит не одинаково (рисунок 6.3), а восстановление износившихся футеровочных пластин не представляется возможным, поскольку при тепловом воздействии бронирующий слой выкрашивается, то любое разрушение футеровочного слоя приводит к необходимости остановки эксплуатации экскаватора и проведению капитального ремонта ковша путем полной замены футеровки.

В качестве альтернативы на ООО «Вест 2002» (г. Новокузнецк) разработана технология футеровки рабочих поверхностей ковша в полевых условия без снятия его с экскаватора и при использовании в качестве базовых футеровочных пластин износостойкой стали HARDOX 400 толщиной 25 мм.

Сталь HARDOX 400 имеет достаточно низкий углеродный эквивалент (0,36-0,70 ед.), что в сочетании с наличием антикоррозионной грунтовки листов с низким содержанием силиката цинка, позволяет производить приварку футеровочных листов низколегированными сварочными материалами, имеющими низкое содержание водорода (не более 0,5 мл/100 г) и обеспечивающими предел текучести металла сварного шва аод 500 Н/мм2. Полуавтоматическая сварка производилась в среде защитных газов (Ar 85 %, С02 15 %) короткой струйной дугой при температуре подогрева 70–150 С. Список классов сварочных материалов по AWS приведен в таблице 6.1.

Мониторинг изнашивания рабочих поверхностей ковшей позволил выявить участки наиболее интенсивного абразивного воздействия (рисунок 6.4), которые и были подвергнуты защите методом полуавтоматической наплавки порошковой проволокой в среде двухкомпонентных газов (Ar 98 %, CO2 2 %). Для этого наносили бронирующую сетку с ячейками 5050 мм толщиной до 5–7 мм. Параметры режима полуавтоматической наплавки бронирующих слоев приведены в таблице 6.2.

Наиболее эффективное внедрение технологии футеровки рабочих поверхностей ковшей экскаватора HARNISCHFEGER Р&Н–2800 объёмом 33 м3 специалистами ООО «Вест 2002» отмечено в филиалах ОАО «Кузбассразрезуголь» («Бачатский угольный разрез» (экскаваторы с заводскими номерами №№ 28149 и 28155) и «Кедровский угольный разрез» (экскаватор с заводским №28152)) и филиале ОАО «Южный Кузбасс» («Разрез Сибиргинский», заводской № 28154). Анализ показал, что применение технологии ООО «Вест 2002» позволяет: 1) снизить расход денежных средств на защиту ковша от изнашивания по сравнению с заводской футеровкой. Стоимость заводской футеровки со сроком эксплуатации 12–18 мес.) составляет 5 млн р.), а по технологии ООО «Вест 2002» – 4,3 млн р. на 21 мес.; 2) сократить время межремонтного простоя экскаватора. По технологии ООО «Вест 2002» с учетом капитального ремонта в течение 8-ми суток и перебронирования в течение3-х суток за 2 года оно составило 14 суток, в то время как по заводской технологии оно составляет 20 суток; 3) уменьшить влияние термических и механических нагрузок на металлоконструкцию ковша. По технологии ООО «Вест 2002» приварка пластин производится один раз в два года, а по заводской технологии – один раз в год. При этом следует подчеркнуть, что материал футеровочных пластин сталь Hardox 400 обладает значительным комплексом механических свойств, компенсирующим нагрузку, оказываемую на металлоконструкцию ковша; 4) значительно снизить вероятность катастрофического разрушения износостойкой футеровки. При заводской технологии износостойкость обеспечивается наплавленным слоем толщиной 10 мм, при износе которого происходит резкое изнашивание подслоя толщиной 15 мм и его отслаивание, после чего требуется аварийной остановки экскаватора. При использовании технологии ООО «Вест 2002» через 6 месяцев возобновляется износостойкая сетка, защищающая футеро-вочные пластины, которые сами обладают значительной твердостью (40 HRC) и износостойкостью; 5) уменьшить зависимость предприятий-заказчиков от поставки импортных комплектующих частей. В качестве рекомендации предложено проводить наплавку ковшей экскаваторов в местах наибольшего изнашивания проволокой с наибольшей износостойкостью.