Введение к работе
Актуальность работы: В настоящее время для увеличения износостойкости рабочих поверхностей деталей машин, как при их изготовлении, так и в процессе ремонта, в качестве наплавляемых порошковых смесей применяют твердые и сверхтвердые композиционные материалы, такие, как релит, сор-майт, стеллит, которые содержат в качестве упрочняющей фазы твердые карбиды в количестве от 30 до 90 вес. %. Данные покрытия имеют ряд недостатков: хрупкость, неравномерность распределения частиц упрочняющей фазы по объему наплавленного слоя, склонность к трещинообразованию. Это не позволяет применять их в условиях характеризующихся многофакторным воздействием. Однако современный уровень развития промышленности требует создания многофункциональных покрытий с равномерной структурой по всей толщине наплавки, удовлетворяющей следующим требованиям: высокой абразивной износостойкости, малым пластическим деформациям, способности противостоять ударным нагрузкам и низкой температуре.
Перечисленные выше обстоятельства требуют кардинально иного подхода к формированию упрочненных слоев. Одним из возможных путей решения данной проблемы мог бы стать способ применения наплавочного материала, в котором карбидные частицы (например, TiC, WC) имеют разную способность к растворению в жидкометаллической ванне и к карбидообразованию. Структура, сформированная таким способом, будет состоять из исходных карбидных частиц (рис. 1а), первичных (эвтектических) частиц (рис. 16) и мелкодисперсных вторичных частиц (рис. 1в). При этом каждому типу упрочняющих частиц присущ свой масштабный фактор (мультимодальность в распределении частиц твердой фазы по размерам), что будет способствовать повышению общего уровня износостойкости.
Рис. 1. Схема построения структуры композиционных покрытий: а - исходные карбидные частицы, б - первичные (эвтектические) карбидные частицы, в - вторичные карбидные частицы в объеме зерна
В качестве основы необходимо использовать аустенитные стали. Во-первых, из-за своей вязкости они хорошо удерживают карбидные частицы. Во-вторых, в аустените растворяется значительное количество легирующих элементов, которые выделяются в виде дисперсных твердых фаз при дальнейшей термической обработке. Дополнительное упрочнение может быть достигнуто переводом аустенитной матрицы в метастабильное состояние. Это позволит матрице упрочняться в процессе эксплуатации за счет деформационных мартенситных превращений или субструктурных изменений.
В качестве метода формирования упрочненного слоя наиболее подходит электронно-лучевая технология наплавки в вакууме. Она позволяет организовать микрометаллургический процесс с минимальным воздействием на основной металл. Значительный перегрев сварочной ванны будет способствовать растворению твердых частиц, а минимальное время ее существования - формировать пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в аустените.
В процессе изготовления или эксплуатации оборудования зачастую возникает необходимость нанесения покрытия на детали сложной формы либо выполнять их ремонт без демонтажа. В таких условиях применение способа электронно-лучевой наплавки в вакууме технологически невозможно. Необходим простой и широко распространенный способ наплавки, позволяющий формировать покрытие из легированных материалов. Одним из таких способов является ручная дуговая наплавка в среде аргона.
Цель работы - разработка составов и способа наплавки на стальную основу износостойких покрытий с мультимодальным распределением упрочняющей фазы по размерам на основе изучения структуры и свойств композиционных наплавок «легированная Мо и V аустенитная сталь - тугоплавкий карбид титана или вольфрама».
Для достижения цели работы были сформулированы следующие задачи:
-
Исследовать структуру, механические и трибологические свойства композиционных покрытий, полученных с помощью ЭЛН, в зависимости от типа аустенитной матрицы и карбидной фазы.
-
Исследовать структуру и свойства электронно-лучевых композиционных покрытий в зависимости от режимов последующей термической обработки.
-
Провести исследования влияние структуры покрытий на твердость и абразивный износ.
-
На основании анализа структуры и износостойкости покрытий совместить процесс ЭЛН и термической обработки в один технологический цикл.
-
Экспериментально определить режим термической обработки для покрытий, выполненных с помощью аргонодуговой наплавки.
-
Провести промышленные испытания разработанных покрытий в условиях наплавленных рабочих поверхностей зубьев каменноугольной дробилки, используемой на ТЭЦ ОАО «Сибирский химический комбинат», г. Северск Томской обл.
Научная новизна
-
Установлены составы порошковых композиционных наплавочных смесей на основе Fe-Ni или Fe-Mn сталей, содержащих 4 вес.% Мо, 4 вес.% V и 15 вес.% WC, нанесение которых позволяет получить структуру покрытия, состоящую из марганцовистого или никелевого аустенита с карбидами VC и МбС.
-
Установлен оптимальный режим старения покрытий (600С, время выдержки 1...2 часа), обеспечивающий сохранение аустенитной структуры матрицы и получение мультимодального распределения карбидной фазы по размерам в объеме упрочненного слоя.
3. Показано, что сформировать подобное структурно-фазовое состояние
композиционного покрытия возможно в условиях совмещения процесса ваку
умной электронно-лучевой наплавки и термической обработки.
4. Экспериментально установлено, что мультимодальное распределение карбидной фазы по размерам в объеме упрочненного слоя приводит к увеличению коэффициента относительной износостойкости композиционных покрытий на основе марганцовистого аустенита на -38...42% и на основе никелевого ау-стенита на 5... 12%.
Практическая значимость работы
-
Разработан наплавочный материал, представляющий собой композиционный порошок на основе легированной Мо и V аустенитной стали и 15 вес. % WC, предназначенный для упрочнения рабочих поверхностей, которые эксплуатируются в условиях ударно-абразивного изнашивания.
-
Отработаны режимы электронно-лучевой и аргонодуговой наплавок для ремонта деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа и низких температур (до -40...-50С).
-
Разработанные композиционные покрытия применены для упрочнения рабочих поверхностей зубьев каменноугольной дробилки, используемой на ТЭЦ ОАО «Сибирский химический комбинат». Эффект от применения композиционных покрытий состоит в 4-х кратном увеличении межремонтного периода работы оборудования.
Работа выполнялась в рамках гранта государственного задания Министерства образования и науки РФ на проведение научно-исследовательских работ ТПУ №8.3664.2011.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Разработан композиционный наплавочный материал на основе легированной Мо и V аустенитной стали, содержащий 15 вес. % WC и предназначенный для упрочнения поверхностей, работающих в условиях ударно-абразивного износа (защищенный патентом РФ).
-
Предложен способ получения композиционного покрытия с мультимо-дальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам, заключающийся в формировании упрочненного слоя за счет многопроходной наплавки, причем последний проход делают расфокусированным электронным лучом без подачи наплавляемого материала, обеспечивая температуру нагрева покрытия 650...700СС (защищенный патентом РФ).
-
Закономерности развития структурно-фазового состояния композиционных покрытий «легированный аустенит - карбид вольфрама или титана», реализующегося в процессе наплавки и термической обработки, которые определяют формирование мультимодальной структуры, обеспечивающей высокий уровень микротвердости и абразивной износостойкости.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IX Международной конференции «Современные техника и технология», г. Томск, 2003 г.; VII International Conference «Computer-Aided Desing of Advanced Materials and Technologies «CADAMT-2003»», Tomsk, 2003; X Международной конференции «Современные техника и технология», г. Томск, 2004 г.; 23 Международной конференции «Сварка и контроль-2004», г. Пермь, 2004 г.; Международной конференции «Славяновские чтения. Сварка - XXI век», г. Липецк, 2004 г.; Научно-практической конференции
«Молодеж ЯТЦ - наука и производство», г. Северск, 2004 г.; II Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», г. Томск, 2004 г.; 24 Международной конференции «Сварка и контроль-2005», г. Челябинск, 2005 г.; V Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии», г. Томск, 2012 г.
Публикации. Результаты работ опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 4-х статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, получено 2 патента РФ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 166 наименований, приложения, всего 161 лист машинописного текста, включая 7 таблиц и 56 рисунков.
