Введение к работе
Актуальность работы. Применение наплавленных износостойких покрытий на основе металломатричных композитов (ММК) системы «Fe-W-C» для формирования свойств поверхностного слоя деталей машин, работающих в условиях сильного абразивного износа, предъявляет повышенные требования к их служебным характеристикам.
Разработанные процессы наплавки, широко используемые для модификации свойств поверхности изделий (работающих в условиях абразивного износа) обеспечивают получение износостойких композиционных покрытий с качественным соединением слоев со стальными изделиями и требуемыми физико-механическими характеристиками. Исследованию процессов наплавки композиционных покрытий посвящены работы К.В. Багрянского, Г.В. Боброва, Ю.С. Борисова, Н.Г. Дюргерова, М.С. Кауфмана, B.C. Клубникина, В.В. Кудинова, В.А. Лопоты, Е.И. Лейначук, А.Г. Леонова, В.И. Лысака, D.K. Matlock, В.Д. Орешки-на, D.L. Olson, Б.Е. Патона, Г.Н. Соколова, П.А. Тополянского, Г.А. Туричина, А.А. Чулариса и др., в которых авторами, в основном рассматривались возможности получения композиционных материалов, и остались недостаточно изученные вопросы влияния электронной подсистемы и особенностей химической связи на их структуру и свойства. Продолжение исследований в этой области является актуальным как в научном, так и практическом плане.
Выполненные в последнее десятилетие А.И. Белым, А.П. Журдой, М.А. Пащенко, В.Н. Ткачёвым, Е.И. Фруминым, W. Theisen и др. глубокие исследования в области разработки композиционных материалов на основе литого карбида вольфрама ( релита ) установили частичное растворение зерен релита и обогащение матрицы вольфрамом и углеродом, что может сопровождаться образованием стабильных и нестабильных двойных и тройных эвтектик. Авторами показано, что релит незначительно растворяется при наплавке ММК в матрице на мед-но-никелевой основе и существенно обогащает вольфрамом матрицу на основе железа. Эмпирически установлено, что растворение увеличивается с ростом потребляемой мощности и температуры расплава, поэтому технологических решений этой задачи до сих пор предложено не было.
Важный аспект промышленной актуальности проблемы состоит в том, что наиболее остро для крупных производителей стоит задача повышения эксплуатационных свойств покрытия (прочность, долговечность) на фоне снижения их стоимости. Продолжение исследований в этой области, с учетом накопленного опыта, обусловлено необходимостью создания научно-обоснованных методик прогнозирования и контроля свойств применяемых композиционных материалов. Научное решение проблемы лежит в области создания многокомпонентных композиций на стальной основе. Это требует получения комплекса данных о взаимосвязи состава, структуры и свойств материала покрытия.
Актуальность работы подтверждается выполнением её в рамках федеральных научно-технических программ России: «Исследование механизма самоорганизации управления трибосистем в химически активных средах»; «Создание регионального филиала центра коллективного пользования научным оборудованием «Лазерные и оптические технологии» с целью проведения исследований взаимодействия лазерного излучения с различными характеристиками с микро- и на-ноструктурированными системами и материалами».
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является разработка научно-обоснованной методики формирования заданной структуры и свойств наплавленного металломатричного композита системы Fe-WC-Ti с повышенной износостойкостью.
Для достижения поставленной цели, в работе решены следующие задачи:
Исследованы закономерности формирования структуры и свойств наплавленного материала на основе системы Fe-WC-Ti.
Разработан состав металломатричного композиционного материала для плазменно-порошковой наплавки износостойких покрытий на основе карбида вольфрама и модифицированной титаном и переходными металлами (V, Сг, Mn, Ni) железной матрицы со структурой мартенсита.
Разработана инженерная методика управления электрохимическим взаимодействием карбидных фаз наплавленного металломатричного композита системы Fe-WC-Ti.
Экспериментальные исследования работоспособности предложенных составов покрытий на основе металломатричных композитов системы Fe-WC-Ti.
Научная новизна работы заключается в создании научно-обоснованного подхода к формированию композиционной структуры износостойкого наплавленного материала системы Fe-WC-Ti с учётом выявленных закономерностей между термо-электрическими, электро-химическими, механическими и трибологическими свойствами его составляющих.
Установлено, что с уменьшением параметра кристаллической решётки и абсолютной термоЭДС карбидных фаз увеличивается энергия химической связи, что приводит к возрастанию их микротвёрдости и в итоге - к увеличению износостойкости композиционного материала.
Структура сформировавшаяся в процессе наплавки материала на основе системы Fe-WC-Ti представляет собой однородное распределение зерен гексагонального карбида WC, фазы Лавеса FeW3C, эвтектик Fe3W3C и Fe6W6C и дисперсных включений карбида ТіС в модифицированной железной матрице со структурой мартенсита.
Показано, что дисперсные включения карбида титана в совокупности с равномерно распределёнными карбидными эвтектиками Fe3W3C и Fe6W6C образуют износостойкую матрицу с мартенситной основой, сумма упрочняющих фаз которой составляет величину порядка 60...68 объёмн. %, а карбидные эвтектики улучшают смачиваемость и растворение карбидных зерен вольфрама, обеспечивая высокие значения твёрдости и износостойкости.
Практическая значимость работы. Результаты научных исследований легли в основу разработки способа подбора состава шихты для наплавки ММ К материала на основе системы Fe-WC-Ti, обеспечивающего заданные высокие характеристики износостойкости. Результаты экспериментальных исследований работоспособности предложенных составов покрытий на основе ММК системы Fe-WC-Ti. Внедрение разработанных составов ММК осуществлены для нанесения износостойких защитных покрытий на поверхности изделий номенклатуры ОАО «Рост-вертол» и восстановления технологической оснастки, что позволило получить технический эффект в виде повышения средней стойкости изделий в 1,4-2,1 раза
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на международных конференциях: «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка» (Минск-2004); «Порошковая металлургия» (Ницца-2001; «Деформация и разрушение структурированных ПМ» (Стара Лесна-2002); «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург - 2006, 2007); «Фазовые превращения в твёрдых растворах и сплавах» (Сочи-2006); на европейских кон-
ференциях материаловедов «Перспективные материалы и процессы» (Лозанна-2006; Нюрнберг 2007) и кристаллографов (Лёвен-2006); научно-практической конференции «Эффективные материалы, технологии и оборудование для сварки, плазмы, нанесения покрытий, металлообработки и порошковой металлургии. Информационные технологии в интеграции науки, образования и производства» (Ростов н/Д-2002,2004), а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ 2004-2008 гг.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ, в том числе 7 статей в периодических рецензируемых научных журналах, 1 статья в международном научном журнале, 5 статей в сборниках трудов международных научно-технических конференций, 2 статьи в международных практических конференциях, 5 тезисов докладов на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы. Работа содержит 142 страницы машинописного текста, 42 рисунка, 29 таблиц, список литературы из 140 источников.
В приложении представлены материалы о внедрении результатов исследований.
