Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ФОРМИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКЕ. (Аналитический обзор) 13
1.1 Плазменная наплавка и ее применение 13
1.2 Фазовый состав и структура покрытий системы Ni-Cr-C-B-Si при различных способах нанесения. 14
1.3 Связь состава, структуры и износостойкости покрытий Fe-Cr-C(-B) 20
1.4 Сплавы для наплавки на базе быстрорежущих сталей 23
1.5 Образование трещин в наплавленных покрытиях 26
1.6 Кристаллизация металла сварочной ванны, металлургические и технологические приемы регулирования структуры 28
1.7 Выводы 33
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВА СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛА НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННОГО ПРИ РАЗЛИЧНОМ ТЕРМИЧЕСКОМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ 34
2.1 Материалы исследования . 34
2.2 Схемы и разработка режимов термического и технологических воздействий на покрытия 35
22.1 Термическое воздействие на металл при наплавке одиночными валиками 3 5
2.2.2 Двух- и многослойное нанесение покрытий 39
2.2.3 Особенности термического воздействия при широкослойной наплавке 41
2.2.4 Управление формированием структуры за счет электромагнитного воздействия 42
2.2.5 Управление формированием структуры за счет ультразвуковой обработки покрытия при наплавке 43 2.2.5 Модифицирование структуры наплавленного металла из
технологического подслоя, наносимого методом электроискрового легирования 45
2.3 Методы исследований структуры и состава 46
2.3.1 Металлографические исследования и твердость 46
2.3.2 Рентгеноструктурные исследования 48
2.3.3 Локальный рентгеноспектральный микроанализ 49
2.4 Разработка установок для испытания покрытий на третино-, износостойкость и моделирования термического воздействия на основной металл 50
2.5 Испытания резцов на стойкость 52
2.6 Выводы 53
3. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИ НАПЛАВКЕ И МАКРОСТРОЕНИЕ МЕТАЛЛА ШВА 55
4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ПОКРЫТИЙ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКЕ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ 63
4.1 Влияние режима наплавки на фазовый состав и структуру покрытий Н73Х16СЗРЗ 63
4.1.1 Фазовый состав и структура покрытий, полученных при широкослойной плазменной наплавке. 63
4.1.2 Фазовый состав и структура покрытий наплавленных одиночными валиками 72
4.1.3 Распределение легирующих элементов в наплавленной композиции 87
4.2 Влияние повторного высокотемпературного нагрева на структуру наплавленного слоя 92
4.3 Формирование структуры однослойных покрытий системы Ni-Cr-C-
B-Si под воздействием термического цикла наплавки 95
4.3.1 Структура покрытия Н77Х15СЗР2 95
4.3.2 Структура покрытия Н70Х17С4Р4 96
4.3.3 Структура покрытия Н67Х18С5Р4-5 98
4.3.4 Влияние химического состава порошка на структуру покрытий системы Ni-Cr-C-B-Si 99
4.4 Влияние термического воздействия плазменной дуги на фазовый состав и структуру покрытия 10Р6М5 103
4.5 Выводы 112
5. СТРУКТУРА, СОСТАВ И ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДВУХСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЖЕЛЕЗНОЙ И НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ, НАНЕСЕННЫХ ПЛАЗМЕННО- ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКОЙ. 114
5.1 Особенности фазового состава двухслойных покрытий 114
5.2 Зоны кристаллизации наплавленных покрытий, формирование структуры первого слоя '-' 135
5.3 Структура покрытия при двухслойной наплавке 143
5.4 Распределение элементов в двухслойном наплавленном покрытии 148
5.5 Выводы 155
6. НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СЛУЖЕБНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 157
6.1 Влияние режимов наплавки на твёрдость рабочего слоя Н73Х16СЗРЗ 157
6.2 Исследование твердости подслоя и двухслойных покрытий 168
6.3 Образование трещин в наплавленных покрытиях 177
6.4 Износостойкость покрытий в условиях циклических теплосмен 190
6.5 Выводы 199
7. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ НАПЛАВКЕ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ 201
7.1 Влияние ультразвукового поля на параметры наплавленного валика 201
7.1.1 Формирование границы расплав-подложка в ультразвуковом поле 201
7.1.2 Влияние параметров наплавки и ультразвукового поля на проплавление основного металла 207
щ 7.1.3 Формирование зон кристаллизации при затвердевании наплавленного слоя в ультразвуковом поле 212
7.1.4 Макронеоднородность покрытий, кристаллизующихся в поле ультразвука 235
7.1.5 Карбидная ликвация вдоль границы сплавления 238
7.2 Особенности фазового состава и структуры покрытий при наплавке в ультразвуковом поле 240
7.2.1 Влияние ультразвука на фазовый состав и структуру покрытия 10Р6М5 240
7.2.2 Особенности фазового состава и структуры покрытия Н73Х16СЗРЗ при наплавке в ультразвуковом поле 255
7.3. Свойства покрытий при наплавке в ультразвуковом поле 272
7.3.1 Влияние термического воздействия и интенсивности ультразвука на твердость покрытия 272
7.3.2 Специфика образования трещин в покрытиях 281
Л. 7.4 Влияние технологического подслоя на структуру и покрытий
7.5 Структура и свойства покрытий при электромагнитном воздействии на сварочную ванну 294
7.6 Выводы 298
8. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ 300 8.1 Восстановление прокатного инструмента и деталей 300 металлургического оборудования
8.1.1 Характер износа раскатных валков горячего деформирования 300
8.1.2 Влияние режима наплавки на геометрические размеры рабочего слоя 302
8.1.3 Промышленное опробование технологии восстановления раскатных валков стана "Вагнер 630", восстановленных плазменной наплавкой 305
8.1.4 Восстановление деталей металлургической оснастки 307
8.2 Разработка колебательной системы и технологии наплавки режущего инструмента 310
8.2.1 Конструкции ультразвуковых концентраторов и расчет волновых характеристик ультразвукового поля 310
8.2.2 Геометрические параметры наплавленных покрытий 313
8.2.3 Разработка технологии наплавки режущего инструмента чистового точения и её промышленное опробование 314
8.2.4 Влияние отпуска на твердость и красностойкость резцов 317
8.2.5 Стойкость наплавленных покрытий резцов, работающих в условиях точения с ударами 318
8.3 Выводы 323
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 324
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 329
ПРИЛОЖЕНИЯ 348
Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение эксплуатационной долговечности и надежности деталей машин и инструмента является комплексной задачей. Важнейшая её часть - формирование свойств материала поверхностного слоя деталей. В настоящее время особое значение имеют технологические методы восстановления рабочих поверхностей с одновременным эффектом упрочнения поверхностного слоя и повышения эксплуатационных свойств (повышения износостойкости, трещиностойкости, статической и контактно-усталостной прочности, красностойкости, общего упрочняющего эффекта).
Проведенный анализ условий эксплуатации инструмента горячего деформирования и деталей металлургической оснастки показал, что они выходят из строя при износе 1...3 мм на сторону. Для металлорежущего инструмента требования еще более жесткие. Это определяет применение для упрочнения и восстановления рабочей поверхности плазменно-порошковой наплавки, способной создать на поверхности слой небольшой толщины с высокими эксплуатационными свойствами.
В качестве основных присадочных материалов промышленностью ВЫПуСКаЮТСЯ ПОрОШКИ СИСТеМ Ni-Cr-C-B(-Si), Fe-Cr-C(-B), быстрорежущих СТалеЙ И др., использующиеся в качестве износостойких, коррозионностоиких И режущих покрытий. Нанесение покрытия при различных режимах, отличающихся интенсивностью величины термического воздействия, позволяет получать в наплавленном слое широкую гамму структурных состояний и, следовательно, свойств рабочей поверхности. Влияние параметров процесса на свойства рабочего слоя, несмотря на многочисленные публикации, изучено недостаточно. Встаёт необходимость установления закономерностей влияния режима наплавки на структуру и фазовый состав рабочего слоя. Узловым моментом является взаимосвязь структуры и технологической стойкости изделия в конкретных условиях эксплуатации.
Недостатком плазменно-порошковой наплавки легированными составами является склонность покрытий к образованию трещин. Необходимо, на основе
выявления закономерностей и механизмов образования трещин, определить оптимальные режимы, которые обеспечат минимальную возможность их появления или получение бездефектного покрытия. Важным моментом является структура в районе линии сплавления, свойства которой влияют на напряженное состояние покрытия в целом.
Эффективность производства и качество продукции неразрывно связано с проблемой полного использования возможностей, которые заложены в конструкционных материалах и технологиях. В связи с этим актуально исследование влияния технологических приемов, физических методов и термической обработки с комплексным воздействием на макростроение, структуру, фазовый состав и эксплуатационные свойства покрытия. Введение в сварочную ванну модифицирующих элементов, электромагнитного и ультразвукового воздействия позволяет управлять формированием первичной структуры. Комбинация режима наплавки и воздействий дает совокупность новых научных результатов и технических решений, позволяющих улучшать служебные свойства изделий.
Работа выполнялась в рамках решения важной научно-технической проблемы выполнения комплексной целевой программы по созданию новых эффективных способов изготовления прокатных валков повышенной надежности и долговечности, утвержденной ГКНТ СССР № 536 от 10.12.82; межвузовской целевой научно-технической программы «Валок»; тематических планов госбюджетных работ по важнейшей тематике в Уральском государственном техническом университете - УПИ с 1986 по 2005 гг.
Цель работы. Установить влияние режимов наплавки, технологических воздействий, термической обработки и их комплексном сочетании на фазовый состав, структуру и свойства наплавленных плазменных покрытий; на этой основе решение актуальной проблемы повышения эксплуатационного ресурса инструмента горячего деформирования, деталей машин и режущего инструмента за счет нанесения рабочего слоя с высоким уровнем служебных характеристик.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследовать фазовый состав и строение одно-, двухслойных покрытий на основе порошков систем Ni-Cr-si-в-с, Fe-Cr-c(-B) и быстрорежущих сталей, выявить общие закономерности образования структуры, оценить влияние параметров режима;
- изучить связи структуры и состава со служебными свойствами покрытий; обосновать возможности управления составом и строением, получить покрытия с повышенными эксплуатационными свойствами, определить область рациональных режимов;
- показать специфику влияния ультразвукового воздействия, термической обработки, электромагнитного воздействия, введения добавок в сварочную ванну из технологического подслоя на первичную структуру, выделения избыточных фаз и их распределения в наплавляемом покрытии, обосновать и разработать комплекс мероприятий по получению наплавленных слоев с повышенной твердостью, трещинно- и износостойкостью;
-на основе обобщения результатов исследования разработать эффективные технологии нанесения покрытий методом плазменно-порошковой наплавки на инструмент горячего деформирования, детали металлургической оснастки и режущий инструмент. «.
Научная новизна.
- В результате систематических исследований установлены общие закономерности влияния технологических параметров плазменной наплавки на
Макро- И МИКрОСТруКТуру, фаЗОВЫЙ И ХИМИЧеСКИЙ СОСТаВ ПОКРЫТИЙ Ni-Cr-Si-B-C, Fe Сг-с(-в) и быстрорежущих сталей.
-Установлена взаимосвязь между составом, структурой и твердостью наплавленного слоя из сплавов указанных систем, а также склонностью к образованию трещин, как при наплавке, так и в процессе горячего износа. Обосновано, что наибольшей трещино- и износостойкостью обладает дендритно-ячеистая структура, формирующаяся при максимальном тепловложении.
-Разработан и научно обоснован перспективный способ многослойной наплавки, позволивший получить благоприятный переход по структуре и
фазовому составу от основы к рабочему слою, снизить склонность к образованию трещин.
-Детально изучено влияние различных воздействий (ультразвукового поля, электромагнитного перемешивания, широкослойной наплавки, введения добавок в сварочную ванну из технологического подслоя), позволяющих расширить пределы целенаправленного регулирования геометрических размеров, макро- и микростроения, химического и фазового состава наплавленного металла. Предложена и экспериментально обоснована качественная модель и общие принципы, связывающие параметры управления процессом образования первичной структуры и макростроение валика в различных зонах при внешних технологических воздействиях.
-Впервые изучено влияние стоячей ультразвуковой волны на кристаллизующуюся сварочную ванну. Наибольшее воздействие на наплавленный слой обнаружено в областях максимального растяжения и сжатия (узлах колебаний), где выделяется наибольшее количество избыточных фаз, структура наиболее дисперсная, отсутствуют структурные макро неоднородности по высоте покрытия и вдоль линии сплавления, что приводит к повышению эксплуатационных характеристик.
-Дано научное обоснование перспективным технологиям применения плазменно-порошковой наплавки, позволяющим повысить служебные свойства инструмента горячего деформирования, деталей металлургической оснастки, режущего инструмента. По показателям красностойкости и износа наплавленный с ультразвуковыми колебаниями (УЗК) режущий инструмент превосходит резцы, изготовленные по традиционной технологии.
Новизна научно-технических разработок, представленных в диссертации, подтверждена четырьмя патентами Российской Федерации.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Совокупность полученных в работе научных данных по связи структуры, фазового, химического состава покрытий и их свойств реализована в виде режимов одно- и двухслойной плазменно- порошковой наплавки, обеспечивших получение рабочего слоя изделий, эксплуатируемых в условиях циклических теплосмен, металлорежущего инструмента с высокими технологическими характеристиками, а также нового способа многослойной наплавки (патент №2069479) износостойкими порошками на железоуглеродистую основу изделия.
Исследования влияния термической обработки и режимов внешних воздействий (наплавки в поле УЗК, нанесении технологических подслоев, электромагнитном перемешивании) на выделение избыточных фаз и их распределение в наплавляемом покрытии позволили сформулировать общие требования к строению покрытий. Эти рекомендации повысили качество восстановленных деталей вследствие более полного использования возможностей, заложенных в материалах и технологиях. Применение наплавки в поле УЗК позволило уменьшить число циклов термической обработки, а в некоторых случаях отказаться от многократного отпуска восстановленных изделий. На основании исследований разработаны:
-способ наплавки покрытия (патент№2212988), с формированием в изделии стоячей ультразвуковой волны;
- способ изготовления режущих инструментов из быстрорежущей стали (патент № 2228825) и технология наплавки в поле УЗК режущей грани резцов.
Для реализации целей работы спроектированы установки (патент № 1833432) и методики, позволяющие моделировать условия наплавки и эксплуатации. Для промышленного освоения технологий разработан комплект аппаратуры и приспособлений, основу которого составляет серийное сварочное оборудование. На базе предложенных технических и технологических решений разработаны и апробированы на предприятиях машиностроения и металлургической промышленности технологические процессы плазменно-порошковой наплавки прямых проходных резцов, раскатных валков, роликов рольгангов и др., обеспечившие увеличение эксплуатационного ресурса деталей.
На защиту выносится: обобщение результатов комплексных исследований состава, структуры, одно-, двухслойных покрытий на основе
ПОрОШКОВ СИСТеМ Ni-Cr-Si-B-C, Fe-Cr-C(-B) И быстрорежущих СТалеЙ, общие закономерности образования структуры, под влиянием режима нанесения.
-связь структуры и состава со служебными свойствами покрытий, обоснование возможности управления составом и строением, получение покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами, области рациональных режимов наплавки, термической обработки, технологических воздействий и комплексном действии того и другого;
- новые способы нанесения покрытий и воздействий на сварочную ванну в процессе наплавки, обеспечивающие повышенный комплекс технологических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей и инструмента;
-механизм влияния различных областей стоячей ультразвуковой волны на структуру кристаллизующегося наплавленного слоя, особенности выделения вторых фаз, устранения макронеоднородности, эффекты на линии сплавления и резервы повышения трещиностойкости;
-корреляционные соотношения между параметрами плазменной наплавки и служебными свойствами наплавленного слоя;
- концепции достижения высокого комплекса служебных (твердость, сопротивляемость термической усталости, износостойкость при циклических теплосменах, красностойкость, для покрытий различного назначения) и сварочно-технологических (сопротивляемость образованию трещин, доля участия основного металла, геометрические характеристики) свойств наплавленных покрытий, обеспечивающих эффективное продление эксплуатационного ресурса рабочего слоя инструмента горячего деформирования, режущего инструмента, деталей металлургической оснастки; Зудову Е.Г сотрудникам кафедр «Термообработки и физики металлов», «Сварочного производства и упрочняющих технологий» за ценные советы и помощь в работе.
Автор выражает глубокую благодарность профессору д.т.н. Фарберу В.М за становление автора как специалиста, помощь в постановке задач и обсуждении результатов к.т.н. Трекину Г.Е., Гавриловой Т.М. за помощь в проведении исследований; профессору д.т.н.
