Содержание к диссертации
Введение
1 Способы и технологии повышения физико-механических характеристик поверхности и объема металлоизделий
1.1 Формирование структуры металлоизделий 9-14
1.2 Технологии повышения физико-механических характеристик поверхности металлоизделий 14-15
1.2.1 Химико-термическая обработка поверхности металлоизделий 15-19
1.2.2 Лазерная технология упрочнения 19-20
1.2.3 Вакуумная ионно-плазменная технология упрочнения поверхностей 20-21
1.2.4 Электронно-лучевое упрочнение 22
1.3 Технологии объемного упрочнения металлов и сплавов 23-26
1.4 Некоторые аспекты применения нанотехнологий 27-36
Выводы 36-37
2 Повышение износостойкости поверхности металлоизделий с применением нанотехнологий
2.1 Получение нанопорошков 38-43
2.2 Применение нанопорошков для повышения износостойкости стальных отливок 44-54
2.3 Упрочнение поверхности металлоизделий способом электроискрового легирования 54-58
2.4 Повышение износостойкости стальных деталей плазменным силицированием 59-63
2.5 Увеличение срока службы контактных троллейбусных вставок с помощью алмазно-графитового нанопорошка 63-67
2.6 Повышение качества литых изделий с применением кокильных красок, содержащих нанопорошки 67—70
2.7 Противопригарные литейные краски как средство повышения качества поверхности отливок и снижения трудоемкости зачистных работ 70-78
Выводы 78-79
3 Влияние нанопорошков на структуру и свойства сплавов
3.1 Разработка способа введения нанопорошков в металлические расплавы 80-92
3.2 Применение нанопорошков для повышения качества чугунных отливок 92-98
3.3 Модифицирование сварного шва нанопорошками при сварке объемных конструкций при использовании электродов, содержащих нанопорошки 98-101
3.4 Механизм модифицирования сплавов нанопорошками 101-107
3.5 Алюминиевые композиты с волокнистой структурой 108-110
Выводы 110-111
Основные результаты и выводы 112-114
Список использованных источников 115-125
- Технологии повышения физико-механических характеристик поверхности металлоизделий
- Технологии объемного упрочнения металлов и сплавов
- Применение нанопорошков для повышения износостойкости стальных отливок
- Применение нанопорошков для повышения качества чугунных отливок
Введение к работе
Надежность работы машин и механизмов определяется в первую очередь качественным состоянием рабочих поверхностей деталей. В этой связи важным и актуальным для технологии машиностроения является совершенствование известных и разработка новых, технически доступных и экономически целесообразных технологических процессов повышения эксплуатационных характеристик металлоизделий.
Физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики металлоизделий зависят не только от химического состава сплавов, из которых их изготавливают, но и от степени измельчения структурных составляющих. Известно, что чем мельче структура, тем выше механические свойства металлоизделий. Одним из наиболее широко распространенных способов измельчения структурных составляющих металлических композиций является модифицирование.
В настоящее время при производстве литых изделий из различных металлов и сплавов применяются сотни модификаторов либо в виде солей, либо в виде лигатур. При этом следует отметить, что в этой технологии в последние годы отмечается прорыв, связанный с возможностью применения в качестве модификаторов нанопорошков (НП) тугоплавких химических соединений, которые представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования с размерами, не превышающими 100 нм (1 нм = 10 9 м). Они обладают уникальными физико-химическими свойствами и механическими характеристиками, существенно отличающимися от таковых для материалов того же химического состава в массивном состоянии, и эти свойства могут в определенной степени передаваться получаемым из них или с их участием изделиям.
В результате измельчения структуры при модифицировании сплавов нанопорошками происходит повышение прочности поверхности, причем даже в большей степени, чем по объему. Тем не менее, технологиям повыше 5 ния качества поверхности металлоизделий уделяется большое внимание в связи с тем, что в процессе эксплуатации именно они испытывают максимальные нагрузки. Особое внимание уделяется и чистоте поверхности, так как разрушение металлоизделий начинается с дефектов их поверхности.
Для упрочнения поверхности используется достаточно широкий диапазон технологий. Однако практически все они связаны с применением сложного дорогостоящего оборудования, а также с необходимостью применения последующих операций по доведению качества поверхности до требуемого уровня.
Применение нанотехнологий во многом не только исключает эти и другие недостатки упрочняющих технологий, но и обладают целым рядом преимуществ. Особый интерес к нанопорошкам связан с их применением при производстве металлоизделий, керамических, магнитных и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, присадок к смазочным материалам, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др.
Описанные выше и другие свойства нанопорошков позволяют использовать их для повышения механических свойств, уменьшения износа и улучшения качества металлоизделий, получаемых из алюминиевых сплавов, стали и чугуна методами литья, обработки металлов давлением и сварки.
Представленная диссертационная работа выполнялась в рамках проекта «Применение нанопорошков химических соединений для повышения механических свойств металлических материалов и изделий», включенного в комплексную программу Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов» по разделу «Фундаментальные проблемы физикохимии наноматериалов».
Целью работы является разработка технологий, обеспечивающих повышение физико-механических характеристик металлоизделий с помощью нанопорошков тугоплавких высокопрочных химических соединений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: — разработка технологии изготовления носителя нанопорошков в виде модифицирующего прутка, полученного методом экструзии композиции, состоящей из частиц алюминия и нанопорошков;
— разработка технологий упрочнения поверхностного слоя методами поверхностного и электроискрового легирования, плазменного силицирова-ния;
— разработка составов противопригарных покрытий и кокильных красок, содержащих нанопорошок, применяемых с целью повышения качества поверхности металлоизделий;
— разработка технологии сварки объемных конструкций с помощью пучкового электрода.
Научная новизна работы:
1 Разработана новая технология изготовления модифицирующей композиции в виде прутков и/или проволоки, отпрессованных из частиц алюминия или алюминиевых деформируемых сплавов и частиц нанопорошков тугоплавких химических соединений, что, во-первых, предохраняет их от взаимодействия с атмосферой при их введении в металлические расплавы, и, во-вторых, позволяет вводить в расплавы дозированное количество нанопорошков.
2 С применением нанопорошков разработаны технологии повышения физико-механических характеристик поверхностного слоя металлоизделий: поверхностное и электроискровое легирование.
3 Разработана технология упрочнения поверхности металлоизделий методом плазменного силицирования.
4 Разработаны составы противопригарных покрытий литейных форм и стержней, предотвращающие образование трудноудалимого пригара на поверхности стальных и чугунных отливок.
5 Разработаны составы кокильных красок, содержащие нанопорошки, применение которых увеличивает ресурс работы кокиля и повышает чистоту поверхности отливок. Практическая значимость работы. Проведенная промышленная апробация разработанных технологий и полученные результаты позволяют сделать заключение о том, что широкое применение нанопорошков тугоплавких соединений может стать эффективным средством повышения конструкционной прочности, надежности и износостойкости высоконагруженных деталей машин и механического оборудования, совершенствования ряда технологических процессов их изготовления.
Разработанные способы опробованы в производственных условиях и могут применяться на действующем производстве без перестройки принятых технологических процессов, с использованием имеющегося стандартного оборудования и без переобучения персонала. При этом окружающая природная среда не подвергается вредному воздействию.
Рекомендации по применению технологии модифицирования нанопо-рошками использованы на ФГУП «Красноярский машиностроительный завод».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: III конкурсной конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике» (Королев, 2004); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика» (Красноярск, 2005); II Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2007); XI Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2007); XII Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2008); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2008); III региональной научной конференции «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники» (Омск, 2008);.IV Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, список 14 основных работ приведен в конце автореферата, из них 4 статьи в рецензируемых журналах из Перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований. Работа изложена на 125 листах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 4 таблицы.
Технологии повышения физико-механических характеристик поверхности металлоизделий
Конструкционная прочность деталей машин и инструмента в значительной степени определяется качеством поверхности. Повышение твердости и прочности поверхностного слоя позволяет увеличить износостойкость, при этом сердцевина остаётся вязкой, что обеспечивает высокие характеристики выносливости изделия.
В процессе эксплуатации металлических деталей, соприкасающиеся друг с другом рабочие поверхности подвергаются износу и теряют работоспособность. Для защиты изделий достаточно иметь упрочненным лишь поверхностный слой. С целью повышения физико-механических характеристик поверхностного слоя применяется целый ряд технологий [2]. Изменить свойства поверхности в необходимом направлении можно различными способами. Их можно условно разделить на два вида: 1) нанесение на поверхность нового материала с необходимыми свойствами и 2) изменение состава поверхностного слоя металла, обеспечивающего получение требуемых свойств.
В первом случае покрытия наносят такими, например, способами как гальванический, химический, наплавочный. Во втором - поверхностные слои металла подвергают диффузионной химико-термической обработке (ХТО), в результате которой на поверхности образуется новый слой, свойства которого отличаются от свойств сердцевины детали. ХТО позволяет получить в поверхностном слое изделия сплав практически любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых физико-химических свойств.
Химико-термическая обработка металлов (ХТО) представляет собой совокупность технологических процессов, приводящих к изменению состава, структуры и свойств поверхности металла без изменения состава, структуры и свойств его сердцевидных зон. ХТО осуществляется с помощью диффузионного насыщения поверхности различными элементами при повышенных температурах. Выбор элемента (или комплекса элементов) определяется требуемыми свойствами поверхности детали [3]. Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяется его фазовый состав и микроструктура.
Существует большое количество способов ХТО, однако мы рассмотрим только те, которые повышают прочностные и трибологические характеристики металлоизделий.
Цементацией называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Цементация может выполняться с использованием газовой среды и твердого карбюризатора. Назначение цементации и последующей термической обработки — придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины [4]. Применяется для упрочнения поверхности деталей из конструкционных и высоколегированных сталей, а также из сплавов тугоплавких металлов (W, V, Hf, Mo, No, Та, Zr)
Цементация широко применяется для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди, которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками. Этот способ упрочнения помимо положительных характеристик обладает и рядом недостатков, в связи с чем, применяются и другие методы упрочнения. Азотирование В результате азотирования, которое заключается в насыщении поверхностного слоя сплавов железа, а также тугоплавких металлов (Ті, Mo) азотом при нагреве в соответствующей среде от 500 до 1200С, поверхность детали приобретает высокую твердость, высокую сопротивляемость износу, кавита-ционную стойкость, хорошую сопротивляемость коррозии [5]. Износостойкость азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. Контактная усталостная прочность у азотированной стали ниже, чем у цементованной. Азотирование повышает сопротивление стали кавитационной эрозии. Азотированию подвергают гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, детали арматуры турбин и целый ряд других деталей, работающих на износ при повышенных температурах в агрессивных средах.
Нитроцементация Нитроцементация - процесс химико-термической обработки деталей из стали и чугуна, заключающийся в одновременном диффузионном насыщении поверхностных слоев металла азотом и углеродом в газовой среде, что приводит к ее упрочнению, и, как результат, к повышению твердости и износостойкости металлоизделий [6]. Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.
Борирование Насыщение поверхностных слоев сталей и сплавов никеля, кобальта, а также тугоплавких металлов бором проводят с целью повышения поверхностной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, окалиностойко-сти и теплостойкости. Борирование может производиться в порошках, в жидких и газовых средах, содержащих бор [7]. Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин для литья под давлением. Стойкость указанных деталей после борирования возрастает в 2-10 раз.
Технологии объемного упрочнения металлов и сплавов
Как отмечалось выше, в процессе эксплуатации деталей в составе механизмов и машин первичную нагрузку воспринимают поверхностные слои металла, и затем она передается всему объему детали. В случае слабой сердцевины металла изделие не выдержит прилагаемых нагрузок. В связи с этим возникает задача упрочнения и всего объема детали. При этом одновременно упрочнению подвергнутся и поверхностные слои металла.
Так как практически все исходные материалы (руда, предварительные сплавы, заготовительное литье), применяемые для изготовления металлоизделий по различным технологиям, проходят жидкофазное состояние, то все они с целью повышения физико-механических характеристик конечной металлопродукции подвергаются различным видам металлургической обработки, один из которых, называемый модифицированием, предназначен для измельчения структурных составляющих сплавов на макро- и микроуровне в конечном металлоизделии.
Применяется значительное количество веществ и способов выполнения этого процесса, однако суть их всех заключается во введении в металлический расплав частиц, служащих: по первому механизму - либо самостоятельными центрами кристаллизации («прямое» гетерогенное зародышеобразова-ние), либо образующих таковые в результате взаимодействия с расплавом; по второму механизму - блокирующих рост возникающих в охлаждающемся расплаве кристаллических образований. В результате модифицирования измельчается либо макрозерно, либо структурные составляющие на микроуровне (возможно и сочетание обоих процессов), включая изменение геометрии выделений интерметаллических фаз с иглообразной, способствующей возникновению концентрации напряжений и развитию трещин, на глобулярную или близкую к ней, что предотвращает опасность возникновения таких явлений. Результатом модифицирования металлических композиций является улучшение технологических свойств на стадии получения изделий, а также увеличение прочностных и пластических характеристик готовых изделий.
Еще в 1878 г. Д.К. Чернов, в результате изучения структуры литой стали, установил, что формирование структуры литых изделий при кристаллизации складывается из двух последовательных элементарных процессов [22]. Первый из них заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые он назвал «зачатками» - сейчас их называют «зародышами» или «центрами кристаллизации», второй — в формировании из них собственно кристаллов. В начале процесса кристаллизации в окружении жидкой фазы кристаллы растут свободно без соприкосновения с другими растущими кристаллами, и поэтому имеют более или менее правильную форму. Однако в процессе роста кристаллов они сталкиваются, их правильная форма нарушается, так как рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ к питающей жидкости. В результате образуется структура с кристаллами неправильной формы - зернами или кристаллитами.
Для промышленных сплавов характерно гетерогенное образование центров кристаллизации: зародышами служат либо присутствующие в исходных металлах частицы тугоплавких соединений и различного рода примеси, либо специально вводимые компоненты, называемые модификаторами. Известно, что металлические изделия с мелкокристаллической и однородной по объему структурой обладают более высоким уровнем механических свойств, чем изделия с крупнозернистой неупорядоченной структурой. Это связано с тем, что с уменьшением размера зерен и других фрагментов кристаллической структуры возрастает объемная доля границ раздела, что приводит к росту зернограничной энергии. Модификаторы и обеспечивают формирование мелкокристаллического строения металлоизделий на макро- и микроуровне.
Согласно классификации П.А. Ребиндера [23], модификаторы делятся на две группы. Модификаторы первого рода - поверхностно-активные вещества (ПАВ) адсорбируются на зародышах, возникающих на центрах кристал 25 лизации, и тормозят их рост, в результате чего появляется большое количество новых зародышей, рост которых становится возможным из-за уменьшения концентрации модификатора на их поверхности. Модификаторы второго рода, так называемые модификаторы инокулирующего действия облегчают образование в расплаве центров кристаллизации, например коллоидных частиц, оказывающих влияние на зарождение кристаллов металлических фаз при затвердевании. При появлении большого числа таких центров образуется повышенное количество мелких зёрен основной фазы или мелких включений других фаз.
В настоящее время при производстве литых деталей из различных металлов и сплавов применяются сотни модификаторов в виде солей, лигатур, суспензий и порошков.
Модифицирование сплавов на основе железа (сталь и чугун) Разработка технологии модифицирования стали включает в себя обоснованный выбор состава лигатуры, который может обеспечить решение поставленной задачи. К таким, наиболее часто возникающим проблемам, среди прочих, относятся улучшение их механических свойств. В общем виде, можно отметить, что введение в сталь кальция видоизменяет оксидные и сульфидные включения, улучшает механические свойства отливок и др. Дополнение лигатуры барием приводит к повышению усвоения кальция и, соответственно, к усилению положительного воздействия последнего, хотя в ряде случаев отмечается эффективность использования одного бария (без кальция). Редкоземельные металлы (РЗМ) эффективно модифицируют неметаллические включения, измельчают литую структуру отливок. Активные нитридообразующие элементы (титан, ванадий и др.) измельчают зерно, повышают прочностные характеристики отливок и др. [24, 25, 26].
Технические показатели модифицирования определяются, главным образом, содержанием в металле активных элементов (Са; Mg; Ті; РЗМ и др.). Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов Деформируемые конструкционные алюминиевые сплавы применяются для литья слитков в основном полунепрерывным способом, из которых впоследствии различными методами обработки давлением получают либо промежуточную продукцию (профиль различного сечения), либо готовые изделия (поковки, штамповки и др.). Измельчение структуры этих сплавов производится путем введения в расплавы модифицирующих добавок либо в виде чушковых лигатур (в миксер), либо в виде прутков (в процессе литья). В качестве модифицирующих добавок применяются либо лигатуры Ali; Al-Zr; Al-B; Ali-B; Al-Nb; Al-V; Ali-Be и др., либо флюсы, содержащие соли Zr; Ті; В [27, 28].
Модифицирование алюминиевых литейных сплавов При производстве литых деталей машиностроительного профиля, включая двигатели летательной аппаратуры, в основном применяются алю-миниево-кремниевые сплавы (силумины). В процессе их приготовления расплавы модифицируют солями, содержащими натрий. Добавки этого элемента до сотых долей процента приводят к формированию а-твердого раствора в дендритной форме и к измельчению эвтектики, что приводит к росту механических свойств литых изделий [29, 30]. Разработана технология модифицирования силуминов стронцием [31], никелем [32], а также добавками других тугоплавких элементов.
Модифицирование магниевых сплавов Магниевые сплавы основаны на следующих системах: Mg-Mn; Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr. С целью измельчения микроструктуры магниевых сплавов применяют такие углеродосодержащие материалы, как магнезит, мрамор, мел, каменный уголь, кокс, графит, сажу, двуокись углерода и др. Высокий модифицирующий эффект дает гексахлорэтан СгСІб [33, 34].
Применение нанопорошков для повышения износостойкости стальных отливок
Известен ряд способов упрочнения поверхности стальных и чугунных деталей с целью повышения их износостойкости или придания целевых физико-механических характеристик при их эксплуатации в специфических условиях. Однако одни из них (например, наплавка) достаточно трудоемки и не обеспечивают точность геометрии и чистоту поверхности детали, для применения других (например, плазменной или ионно-лучевой обработка и др.) требуется сложная дорогостоящая техника.
В то же время существуют способы увеличения срока службы литых деталей, работающих в условиях повышенных трибологических нагрузок, путем создания на их поверхности упрочненного слоя, формирующегося в процессе заливки металла в форму [67, 68].
Сущность разработанного способа заключается в том, что в то место литейной формы, где формируется изнашиваемая поверхность, устанавливается заранее изготовленная из наплавочных порошков вставка, которая при заливке в форму металла расплавляется, образуя на поверхности отливки легированный высокопрочный слой, обладающий повышенной по сравнению с основным металлом износостойкостью.
При применении разработанной технологии заливка производится нелегированными недефицитными и недорогими сплавами с образованием на поверхности литой детали легированного слоя с высокой твердостью и связанной с этой характеристикой высокой износостойкостью. Простота технологии и применение недорогих сталей и чугунов дают существенный экономический эффект. Технология реализуется без изменения существующего техпроцесса.
При разработке технологии [69] при получении опытных отливок из углеродистой стали 35Л вставки готовили путем прессования легирующей композиции, состоящей из наплавочного порошкового сплава ПГ-СР4 (60...70 %), синтетической смолы СФП-ОПЛ (2,0...5,0 %), НП TiCN (до 0,06 %) и ацетона (остальное). В процессе кристаллизации залитого в форму металла на поверхности отливки формировался легированный слой толщиной порядка 5...8 мм с чистотой поверхности, не отличающейся от чистоты поверхности всей отливки.
В результате введения в легирующую композицию НП TiCN твердость поверхности легированного слоя повысилась по сравнению с композицией без НП с 32,5 до 44,5 ед. HRC (на 36,9 %). Одновременно микротвердость у твердого раствора слоя повысилась с 2750 до 3900 МПа (на 41,8 %). Повышение твердости поверхности и объема отливок привело к увеличению относительная износостойкость (стойкость при газо-абразивном износе, угле атаки 90, абразив - кварцевый песок; износостойкость стали 35Л принята за 1) повысилась на 45,8 % по сравнению с легированным слоем, сформировавшимся из композиции, не содержащей НП.
Разработанная технология была реализована в производственных условиях для получения литых деталей, работающих в условиях повышенного износа при высоких силовых и температурных нагрузках, например, кернов колодцевых кранов, бил углеразмольных агрегатов, футеровки (облицовки внутренних поверхностей) мельниц и др.
Полученные результаты были использованы при литье стальных кернов - рабочих органов колодцевого крана (рисунок 2.4), которые служат для выемки стальных слитков из сталеразливочных изложниц, транспортировки их к колодцевым нагревательным печам, последующей выемки и транспортировки нагретых слитков к прокатного стану и укладки на рольганг с поворотом слитка на 90.
Обычно на металлургическом комбинате использовали керны, полученные либо литьем по выплавляемым моделям из сложнолегированного сплава 30Х25Н10ТСЛ, либо отштампованные из углеродистой стали с последующей наплавкой рабочей поверхности электродом из стали Э-70ХЗСМТ. Однако такие керны удовлетворительно работали с холодными слитками, но при контакте с нагретыми у них охрупчивались рабочие кромки. Кроме того, в связи с тем, что основой обоих сплавов является железо, на рабочих поверхностях кернов появлялась железная окалина, в связи, с чем износ носит коррозионный характер. А по причине идентичности химического состава окалины керна и слитка, происходит их схватывание, что ведет к залипанню рабочей поверхности керна железной окалиной, в результате чего снижается надежность захвата холодного слитка. Поэтому материал рабочей поверхности керна, помимо высоких прочностных характеристик, должен обладать и высокой жаропрочностью и высокими антикоррозионными свойствами. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают сплавы на основе никеля, однако они достаточно дорогие и дефицитные. Тем не менее, использование таких сплавов становится возможным в случае применения технологии поверхностного легирования.
Для получения кернов, рабочая поверхность которых должна противостоять указанным воздействиям, в качестве основы легирующего наполнителя упрочняющего состава был выбран порошковый наплавочный никелевый сплав ПГ-СР4. При этом легирующий состав содержал: 96,54 % порошка ПГ-СР4; 0,40 % наплавочного порошка ПН70Ю30; 0,06 % НП TiCN и 3,0 % жидкого стекла. Из этой композиции с помощью пресс-формы и отверждения уг 48 лекислым газом готовили вставки, которые устанавливали в разовую литейную форму, и производили ее заливку сталью 35Л. Отлитые керны подвергали нормализации с целью снятия литейных напряжений. Изучение макрошлифа головки керна, то есть его рабочей части, показало, что толщина поверхностного легированного слоя в среднем составляет 10 мм, а его твердость достигает 43 ед. HRC. Отлитыми кернами были оснащены выпускаемые заводом «Сибтяжмаш» колодцевые краны, которые эксплуатировались на Днепровском металлургическом комбинате. Срок службы кернов с легированным слоем составлял каждого не менее 25 ч, тогда как серийных кованых с наплавкой электродом типа Э-70ХЗСМТ только 16 ч - в 1,56 раза меньше.
С применением разработанного состава и технологии поверхностного легирования на Алма-Атинском заводе тяжелого машиностроения был отлит комплект бил углеразмольных мельниц (длина 305 мм, ширина 124 мм, толщина двух ступенек рабочей части соответственно 41 мм и 31мм).
Производительность и надежность работы молотковых дробилок, включая углеразмольные агрегаты, зависят от степени износа рабочих поверхностей их рабочих органов — бил, вследствие того, что они работают в условиях ударно-абразивного износа, что усложняется еще и воздействием высоких температур (250-400 С). Несмотря на то, что их обычно отливают из износостойких сталей, такой, например, как 110Г13Л, или же из стали 45Л с последующей наплавкой вручную рабочей поверхности электродами Т-590 или «Сормайт-1», или порошковыми сплавами ПЛАН-125 или ПЛАН-170, за сравнительно короткий срок работы (200-400 час.) била подвергается значительному износу (на глубину 40-60 мм).
Применение нанопорошков для повышения качества чугунных отливок
Исходя из описанного выше опыта применения НП для повышения физико-механических характеристик алюминиевых сплавов проведена работа по установлению возможности повышения твердости и связанной с этой характеристикой износостойкости поверхности высокохромистых чугунов ИСЦ (3,0 % С; 20,1 % Сг; 1,0 % Si; 0,75 % Мп), ИЧХ-12М (2,75 % С; 14-15 % Сг), легированного комплексом Ni-Vi-Mo, а также специального низколегированного (Сг и Ni) серого чугуна СЧЦ-1С (-3,0 % С) с добавкой 0,15...0,20%Р.
Механические свойства чугуна обусловлены, главным образом, количеством и структурными особенностями графитной составляющей. Влияние графитных включений на механические свойства чугуна можно оценить количественно (ГОСТ 3443-87). Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень их изолированности, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Наиболее высокую прочность обеспечивает шаровидная форма графитной составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства. Чугун с пластинчатым графитом можно рассматривать как сталь, в которой графит играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу.
Первые же эксперименты показали, что введение в расплав серого чугуна СЧ15 до 0,05 % HIT BN в виде разовых порций в объеме алюминиевого прутка привело к значительному уменьшению величины отбела (образование структуры белого чугуна в тонких сечениях отливок из серого чугуна - цементита Fe3C, хрупкой фазы с высокой твердостью в отливках из серого чугуна). Из-за высокой твердости отбел, во-первых, затрудняет обрабатываемость резанием, вплоть до невозможности ее выполнения, и, во-вторых, МО 93 жет привести к хрупкому разрушению литых деталей в условиях эксплуатации. Оказалось, что НП BN уменьшает глубину отбела (по стандартной клиновой пробе) с 18 мм (при обычной подготовке расплава к литью) до 1 мм и приводит к измельчению в 1,6 раза эвтектического зерна (с 38 до 61 зерен на площади шлифа в 1 см ), что очевидно и послужило причиной роста ав на 19,5 % (со 174 до 208 МПа) (рисунок ЗЛО). Рисунок 3.10 - Влияние вида модификатора на глубину отбела (по клиновой пробе), количество эвтектических ячеек и временное сопротивление ав серого чугуна СЧ15 Из полученных отливок для испытаний на износ вытачивали плоские образцы типа усеченного конуса высотой 8 мм с диаметром меньшей окружности 38 мм, большей - 40 мм. Износостойкость изучали в режиме абразивного изнашивания на машине, обеспечивающей возвратно-поступательное перемещение образца по порошку зернистого электрокорунда в сухом состоянии.
Величину износа определяли по потере массы образцов в единицу времени. Микроструктуру изучали на боковых поверхностях образцов. Полученные результаты сравнивали с данными испытаний чугуна ИСЦ, модифицированного стандартным модификатором - МС (по ТУ 48-0507-15-82 -смесь окислов ТЮ2, Zr02, Nb205).
Результаты испытаний показали, что МС увеличивало твердость литого чугуна по сравнению с немодифицированным состоянием с 33,5 до 56,6 ед. HRC (на 68,8 %), а НП А1203 - до 62,5 ед. HRC (на 86,6 %). Износ при этом снижался соответственно на 21,9 и на 31,6 %. В закаленном состоянии (нагрев до 1273 К, охлаждение в воде, отпуск при 623 К в течение 3,5 ч) увеличивало твердость по сравнению с незакаленным модифицированным чугуном: МС - до 61,5 ед., НП А12Оз - до 67,5 ед. (больше на 9,8 %). При этом износ уменьшался в еще большей степени: в результате модифицирования МС и НП А120з - соответственно на 56,3 и 83,5 %. Наибольшую износостойкость обеспечивало модифицирование НП А120з с последующей термообработкой в виде отжига и закалки.
В результате закалки на воздухе после предварительного отжига модифицированного НП AI2O3 чугуна значительно уменьшалась химическая неоднородность, что и обеспечивало стабилизацию твердости (68,0 ед). При этом на шлифе наблюдались короткие, тонкие, округлые выделения карбидов, равномерно распределенные в матрице и изолированные друг от друга областями с упрочняющей фазой, что и объяснялось повышением прочности чугуна. Исходя из описанного выше положительного воздействия НП А1203 на свойства чугуна, это же соединение применяли и для повышения качества отливок из специального износостойкого чугуна СЧЦ-1С (2,5...3,2 % С; 1,6...1,9 % Si; 0,7...1,0 % Мп; 0,35...0,50 % Сг; 0,53...0,9 % Ni; до 0,006 % S; до 0,16...0,20 % Р; до 0,4 % Си) диаметром 80 мм, высотой 420 мм, отливаемых вертикально по 10 штук одновременно в одной форме, изготовленной по ССЬ-процессу. На получаемых по стандартному технологическому процессу отливках после отрезки прибылей по их центральной части зачастую наблюдалась осевая пористость. Кроме того, при механической обработке отливок при получении из них шнеков на обработанных поверхностях наблюдалось выкрашивание графитовых включений, что является неисправляемым дефектом.
Чугун готовили в индукционной печи типа УИПА-250 с последующим переливом расплава при 1693 К в заливочный ковш емкостью 200 кг, на дно которого предварительно укладывали помещенный в латунную фольгу НП А12Оз из расчета его содержания в отливках до 0,05 %. Визуальный осмотр поверхности отливок после отрезания прибылей показал отсутствие на них осевой пористости, что свидетельствует об улучшении питания отливок.
Проведенные на отдельно отлитых образцах-свидетелях испытания механических свойств показали, что в результате модифицирования НП АЬ03 значения СУВнаходились в пределах 225...280 МПа, тогда как для обычно приготовленного чугуна ств = 203...229 МПа при требованиях по приемным документам ав = 197.. .241 МПа.
Таким образом, модифицирование НП А1203 в среднем повышало ств по сравнению с требованиями на 13,5 %, а по сравнению с общепринятой цеховой технологией (модифицирование 0,3 масс. % ферросилиция марки ФС74) - на 14,4 %.
Изучение микроструктуры показало, что в необработанном НП чугуне преобладал графит со структурой игольчатой формы, тогда как в результате модифицирования НП преобладал глобулярный графит. На механически об 97 работанных поверхностях шнеков никакие дефекты не обнаруживалось, чистота поверхности удовлетворяет требованиям чертежа.
Чугун ИЧХ-12М модифицировали НП карбида кремния SiC (до 0,5 %) при его введении в разливочный ковш емкостью 60 кг в объеме прутка, отпрессованного из гранул алюминиевого деформируемого сплава Діб и содержащего до 3,5 % SiC.
Похожие диссертации на Применение нанопорошков химических соединений для повышения физико-механических характеристик изделий машиностроения
