Содержание к диссертации
Введение
1. Технологические возможности основных методов поверхностного упрочнения и восстановления деталей 10
1.1 .Виды поверхностного упрочнения и восстановления деталей 10
1.2. Современные способы наплавки и их возможности 10
1.3.Схемы получения плазменной дуги 18
1.4.Наплавочные материалы 21
1.5.Основные методы повышения эксплуатационной стойкости медных кристаллизаторов машин непрерывного литья (МНЛЗ) 26
1.6.0сновные методы повышения эксплутационной стойкости железнодорожных крестовин 33
1.6.1. Условия работы железнодорожных крестовин 33
1.6.2. Металлургический метод улучшения механических свойств высокомарганцовистой стали 35
1.6.3. Методы повышения стойкости крестовин 39
2. Материлы и методы исследования 47
2.1.Материалы и требования к ним 47
2.2. Методы исследования 51
3. Разработка конструкции плазмотрона с расширяющимся каналом сопла для плазменной наплавки 55
4 Плазменное нанесение жароизносостойкого покрытия на медную основу 60
4.1.Исследование распределения твердости по сечению покрытия и медной основы 60
4.2. Исследование микроструктуры по сечению покрытия и металла основы 67
4.3.Исследование напряженного состояния наплавленного слоя и металла основы, фазового состава, периода кристаллической решетки и концентрационных зависимостей покрытия, переходного слоя и металла основы 70
5 Разработка и опробование технологии плазменной наплавки на рельсовую сталь и сталь гатфильда 81
5.1.Подбор материала наплавки и отработка технологии наплавки на рельсовую сталь и сталь Гатфильда 81
5.2.Исследование влияния отпуска и исходного состояния рельсовой стали на механические свойства основного металла, наплавки и переходной области 89
5.3. Исследование влияния ударного наклепа на механические свойства, фазовый состав и уровень остаточных микронапряжений при наплавке хромомарганцевого сплава на рельсовую сталь 95
5.4.Исследование состава и механических свойств при плазменной наплавке на сталь Гатфильда хромомарганцевого порошкового сплава 105
5.5.Фрактографические исследования поверхности разрушения. Оценка микроструктуры основного металла, наплавки и переходной области при плазменной наплавке хромомарганцевого сплава на сталь Гатфильда. Механизм образования трещин на поверхности области стыка наплавленного слоя и металла основы 114
5.6.Рентгенографический анализ фазового состава наплавки и основного металла при наплавке на сталь Гатфильда 126
6 Создание установки. наплавка и ресурсные испытания опытной партии железнодорожных крестовин из стали гатфильда 131
Выводы 141
Литература 144
Приложение 152
- Современные способы наплавки и их возможности
- Методы исследования
- Исследование микроструктуры по сечению покрытия и металла основы
- Исследование влияния ударного наклепа на механические свойства, фазовый состав и уровень остаточных микронапряжений при наплавке хромомарганцевого сплава на рельсовую сталь
Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективным и экономичным путем повышения долговечности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, контактной усталости и истирания, является создание на их поверхностях прочных, долговечных и износостойких слоев. Упрочнение тонкого поверхностного слоя массивных деталей из обычных конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные материалы, повышать ресурс механизмов, успешно решать проблему восстановительного ремонта [1-4]. К таким деталям относятся элементы металлургического оборудования - стенки кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок и изделия железнодорожного транспорта - в частности крестовины стрелочных переводов.
Процессы наплавки занимают одно из важных мест в современной сварочной технике. С их помощью на рабочих поверхностях разнообразных изделий получают сплавы с необходимыми свойствами: кислотоупорные, коррозионностойкие, жаропрочные, износостойкие, антифрикционные и т. п. Такие изделия находят применение практически во всех отраслях промышленности. Широкое использование биметаллических конструкций, получаемых путем наплавки, определяется не только техническими, но и экономическими преимуществами.
В большинстве случаев металл рабочих поверхностей изделий по своим свойствам должен отличаться от металла самой детали (например, зубья ковшей экскаваторов, вкладыши подпятников крупных турбогенераторов, коллекторные уплотнительные поверхности задвижек и клапанов для воды и др.). Такие изделия изготовляют преимущественно методами наплавки.
Многие изделия из дорогостоящих и дефицитных металлов и сплавов (например, из цветных металлов, нержавеющих, жаропрочных, кислотостойких сталей и т. п.) изготовляют комбинированными: основа состоит из наиболее дешевых материалов (например, обычной
малоуглеродистой стали), а на рабочие поверхности наплавляют сплавы со специальными свойствами. Вес металла наплавки в этих изделиях составляет всего несколько процентов от веса всего изделиям. Поэтому такие биметаллические конструкции, полученные наплавкой, во много раз дешевле конструкций, изготавливаемых целиком из металла с требуемыми свойствами. Кроме того, эти конструкции по мере износа могут заново восстанавливаться наплавкой, что во много раз уменьшает расход металла для изготовления запасных частей оборудования [5].
Свойства металла наплавки и его соединения с основным металлом в большой мере зависят от глубины проплавлення основного металла, перемешивания основного металла с наплавляемым и перехода элементов основного металла в металл наплавки. При этом, как правило, чем больше глубина проплавлення, степень перемешивания и переход элементов основного металла в металл наплавки, тем хуже свойства как металла наплавки, так и соединения в целом. Поэтому для изготовления ответственных биметаллических изделий следует применять такие способы наплавки, которые обеспечивают минимальное проплавление или растворение основного металла. Наиболее широко применяющиеся в промышленности способы наплавки, основанные на плавлении основного и присадочного металлов, практически исчерпали свои возможности в части уменьшения глубины проплавлення основного металла и его перехода в металл наплавки [6].
Из новых уже применяемых в промышленности способов наплавки наиболее полно удовлетворяют требованию получения биметаллических изделий с минимальной глубиной проплавлення основного металла способы плазменной наплавки [7-9].
Струя низкотемпературной плазмы как источник тепла находит все более широкое использование в металлургии и обработке материалов, в том числе и для целей наплавки [10]. Энергетические, тепловые и газодинамические параметры струи низкотемпературной плазмы
сравнительно легко регулируются в широких пределах. Это позволяет получать наплавленные слои с заданными физико-химическими и механическими свойствами. Наряду с этим плазменные способы наплавки обеспечивают и высокую производительность процесса, не требуют сложного оборудования и специализированных источников питания, могут быть с успехом внедрены в любом цехе, на любом участке, в любой мастерской, где производится наплавка разнородных металлов.
В производстве непрерывного литья заготовок одной из проблем является непродолжительность срока службы медного кристаллизатора из-за интенсивного износа материала стенок. В связи с этим перед исследователями встает задача повышения износостойкости медных стенок кристаллизатора [11,12].
Наиболее перспективным направлением на пути к повышению долговечности стенок медных кристаллизаторов является нанесение покрытий. Нашли применение покрытия из хрома, никеля и сплавов на их основе, основным недостатком которых является их незначительная толщина (до 1 мм). Получение покрытий большей толщины сопряжено с опасностью снижения прочности сцепления покрытия с медной основой. Поэтому разработка новых технологий плазменных покрытий большей толщины являются важной практической задачей.
Железнодорожные крестовины изготовленные из стали НОГ 13 (сталь Гатфильда) являются главным элементом верхнего строения пути. Они подвержены вертикальным и боковым циклическим нагрузкам, которые могут быть достаточно большими в зависимости от интенсивности движения.
Срок службы крестовин определяется величиной износа, который зависит от работы под подвижной нагрузкой, качества материала и технологии изготовления и условий эксплуатации крестовин [13-16].
В последнее время усилилось внимание исследователей к вопросам восстановления изношенных крестовин и создания биметаллических крестовин на основе более простых марок сталей.
Восстановление работоспособности изношенных крестовин стрелочных переводов является важным резервом экономии в условиях недостаточного финансирования железных дорог и удорожания новых крестовин. К вопросу восстановления добавляется вопрос качества производимой наплавки, которая проводится вручную [17-20].
Одним из наиболее перспективных способов наплавки является плазменные методы с подачей порошка вместе с плазмообразующим газом. Однако, при разработке технологий нанесения покрытий (наплавки) существуют 2 основные проблемы:
обеспечение максимальной прочности сцепления покрытия и металла основы;
предотвращение остаточных напряжений и растрескивания в наплавленном слое.
Цель работы.
На основе исследования физико-технических характеристик плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток, и установления закономерностей формирования структуры, фазового состава и механических свойств наплавленного слоя разработать установку для плазменной наплавки металлов и технологию плазменной наплавки жароизносостоикого сплава на медь, рельсовую сталь и сталь 110Г13, из которой изготавливают железнодорожные крестовины, обеспечивающие надежное сцепление покрытия с металлом основы и предотвращающие ее растрескивание.
Основные задачи работы:
провести исследования физико-технических характеристик и определить оптимальные конструктивные параметры плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток вместе с плазмообразующим газом;
выявить закономерности формирования фазового состава, структуры, механических свойств и сопротивления разрушения жароизносостоикого
покрытия на медную основу и разработать технологию наплавки, обеспечивающую высокие прочность сцепления и износостойкость;
установить механизм образования поперечных трещин в наплавленном металле при производстве наплавки на сталь 110Г13Л;
разработать способ релаксационной обработки, предотвращающий растрескивание при производстве наплавки;
исследовать закономерности формирования фазового состава, структуры, уровня остаточных напряжений, механических свойств и сопротивления разрушению наплавки порошкового сплава 65Х25ПЗНЗ на рельсовую сталь типа 76ГФ и высоколегированную сталь 110Г13;
создать опытно-промышленную установку и технологию плазменной наплавки для восстановления железнодорожных крестовин из стали 1 ЮГ 13Л, обеспечивающие увеличение в 2 раза эксплуатационного ресурса.
Научная новизна работы включает в себя:
закономерности формирования фазового состава, структуры, механических свойств и сопротивления разрушению жароизносостойкого покрытия на медную основу, обеспечивающие толщину покрытия 4-6 мм, надежное сцепление с основой и увеличение износостойкости в 4-5 раз, что позволяет ожидать увеличения эксплуатационной стойкости стенок медного кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок с покрытием данного типа до 500-1000 плавок;
оптимальные конструктивные параметры плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток вместе с плазмообразующим газом, обеспечивающие повышение КПД, надежности работы и эффективности наплавки, а также технологические параметры процесса наплавки;
механизм образования поперечных трещин в наплавленном металле -как результат долома под действием остаточных напряжений не залеченных
внутренних интеркристаллитных трещин возникающих при оплавлении границ зерен металла основы;
способ релаксационной обработки, заключающийся в синхронном с процессом наплавки теплом ударном наклепе, приводящем к релаксации остаточных напряжений за счет фазового у-»а превращения и предотвращающем растрескивание при производстве наплавки;
закономерности формирования фазового состава, структуры, уровня остаточных напряжений, механических свойств и сопротивления разрушению наплавки порошкового сплава 65Х25ПЗНЗ на рельс, подтвердившие принципиальную возможность создания биметаллической железнодорожной крестовины из низколегированной стали типа 76ГФ с наплавкой наиболее подверженных износу областей крестовины взамен высоколегированной стали 11ОГ13.
Практическая ценность и реализация результатов работы: Использование полученных результатов позволяет снизить расходы на эксплуатацию и ремонт стенок медных кристаллизаторов МНЛЗ и железнодорожных крестовин стрелочных переводов. Создана опытно-промышленная установка, разработана и освоена технология плазменной наплавки для восстановления железнодорожных крестовин из стали НОГ 13Л, обеспечивающая увеличение эксплуатационного ресурса в 2 раза. Разработаны и согласованы с МПС РФ технические условия (см. Приложение).
Надежность и достоверность результатов обеспечена использованием современных научно-исследовательских приборов и методов исследования, автоматизированных технологических средств нанесения покрытий, всестороннего и тщательного проведения экспериментов, комплексным анализом результатов исследований, а также подтверждается отсутствием аварийных разрушений восстановленных железнодорожных крестовин при эксплуатации.
Современные способы наплавки и их возможности
В настоящее время разработаны и широко применяются в промышленности различные способы наплавки металлов [21-27]. При наплавке однородных металлов путем применения проволок и флюсов соответствующего состава удается получить металл наплавки такого же состава, что и основной металл и соответственно свойства соединения, аналогичные свойствам основного металла. Способ наплавки в этом случае практически не оказывает влияния на свойства соединения. Поэтому при наплавке стремятся применять такие способы, которые, обеспечивая качество соединения, в то же время обеспечивают максимальную производительность и эффективность процесса. Такими способами являются автоматическая наплавка под слоем флюса электродной проволокой и ленточным электродом, наплавка в среде защитных газов и т. д. (рис. 1.1).Рис. 1.1. Классификация способов наплавки [9].
При необходимости наплавки на изделие металлов, отличных по химическому составу и теплофизическим свойствам от основного металла, задача получения качественного соединения усложняется. Это вызвано тем, что при соединении разнородных металлов в результате перемешивания основного и наплавляемого металлов, растворения твердого основного металла в жидком металле сварочной ванны и диффузионных процессов на межфазной границе в металл наплавки переходит значительная доля основного металла. Газовая наплавка.
При газовой наплавке для нагрева основного и наплавляемого металлов используют теплоту, выделяемую при горении смеси ацетилена или егозаменителей и кислорода. Газовое пламя - наименее интенсивный источник нагрева, поэтому его применение обуславливает большую, чем в других случаях, зону термического влияния. Испарения металла при использовании этого источника нагрева нет. Особенностью процесса является возможность получения малой доли основного металла в наплавленном (5-10%), что связано с отсутствием значительного давления струи газа на поверхность ванны. Давление потока газа оценивается прямо пропорционально квадрату количества газа, истекающего из сопла в секунду, и его плотности и обратно пропорционально расстоянию от среза сопла до поверхности ванны. Эта объективная зависимость позволяет оператору легко управлять процессом.
По виду применяемых присадочных материалов различают два метода газовой наплавки. По первому методу присадочный металл в виде проволоки, прутков или ленты подается в сварочную ванну вручную или специальными механизмами [6].
При газопорошковой наплавке в качестве присадочных материалов используют гранулированные порошки легкоплавких сплавов определенных фракций и горелки специальной конструкции, позволяющие осуществлять две разновидности процесса: предварительное напыление слоя порошка на поверхность изделия с последующим оплавлением покрытия; собственно наплавку - одновременное нанесение и оплавление малых порций порошка на поверхности детали.
Кроме малого проплавлення, газовая наплавка имеет и другие преимущества: универсальность и гибкость технологии; возможность наплавки тонких слоев; пониженную опасность возникновения трещин, поскольку процесс наплавки легко совмещается с предварительным подогревом; низкую стоимость наплавочного оборудования. Недостатки газовой наплавки - низкая производительность процесса; нестабильность качества наплавленного слоя, зависящая от квалификации наплавщика.
Электродуговая наплавка.
При ручной электродуговой наплавке и автоматической наплавке электродной проволокой разнородных материалов в первый слой металла наплавки переходит до 50—60% основного металла [28]. Конечно, такое высокое содержание доли основного металла в металле наплавки, как правило, недопустимо, и наплавку приходится осуществлять в 4 - 6 и более слоев для обеспечения необходимой чистоты наплавленного слоя. Это вызывает весьма значительное удорожание наплавленных изделий и, как правило, не обеспечивает их необходимых свойств (особенно в тех случаях, когда к изделию предъявляются высокие требования не только по чистоте наружного наплавленного слоя, но и по механическим свойствам как металла наплавки, так и соединения металла наплавки с основным металлом) [6]. Наплавка расплавлением облицовок.
Способ наплавки расплавлением облицовок [29] нашел применение при наплавке бронз на чугун и сталь. Суть этого метода заключается в следующем: на основной металл накладывается заготовка из бронзы. Между заготовкой и угольным электродом возбуждается открытая электрическая дуга, тепло которой и плавит заготовку. В результате между дугой и изделием создается слой расплавленного металла заготовки, предохраняющий поверхность детали от прямого действия на нее дуги.
При определенных режимах наплавки расплавление поверхности детали из черного металла отсутствует, но поверхность нагревается до температуры, равной или несколько превышающей температуру плавления металла заготовки. В этих условиях процесс смачивания стали расплавленным цветным металлом протекает успешно, и получается качественное сварное соединение [27]. Однако указанный метод трудоемок, требует каждый раз специальной подготовки заготовки, наплавка производится вручную, не всегда обеспечивается сплавление по всему сечению наплавки.
Методы исследования
При проведении исследования химического и фазового составов, микроструктуры и механических свойств после плазменного нанесения хромоникелевого порошка использовали современные методы.
Для проведения исследования распределения макроструктуры и твердости по сечению покрытия и медной основы из образца наплавки вырезались поперечные темплеты размером 20x30 мм, захватывающие зоны металла наплавки и основного металла Си. Травление осуществлялось «нитале» (3 % HNO3) при комнатной температуре.
Твердость по глубине наплавленного слоя определялась по методу Роквелла шариком при нагрузке 100 кг в соответствии методикой ГОСТ 9013.
Замеры микротвердости по глубине наплавленного слоя проводились на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 0,981 Н.
Для определения прочности покрытия проводили испытания на растяжение образцов, вырезанных из поверхности наплавленного металла. Испытания проводили на машине "ИНСТРОН" со скоростью деформации1,1 10 сек" на плоских образцах длиной 3 0 мм.
Испытания на срез, моделирующие напряжения в поверхностном слое стенки кристаллизатора, возникающие в процессе эксплуатации, проводили на машине «ИНСТРОН» со скоростью движения траверсы 0,2 см/мин с записью диаграммы нагрузка-деформация. Схема нагружения представлена на рис. 2.1. Поперечные образцы имели сечение 10x3,5 мм. Испытывали металл наплавки, переходной зоны и медную подложку.
Исследования износостойкости металла покрытия проводили методом нанесения непрерывной царапины на поперечном шлифе образца с покрытием. Царапина наносилась алмазной пирамидкой при постоянная нагрузке 50 г. При увеличении х470 проводили замер лунки через каждые 0,05 мм. Износ оценивали, как величину пропорциональную квадрату ширины лунки, поскольку именно эта величина отражает потери материала при нанесении царапины конусом пирамиды.
Микроструктура наплавленной зоны исследовалась на поперечных и косых шлифах, протравленных в 3% растворе HN03.
Рентгеноструктурным методом оценивали уровень остаточных микронапряжений (по ширине рентгеновских интерференции (311) металла). Рентгенографировали образцы с наплавкой как с поверхности наплавки, так и по сечению образца, в том числе и медной подложки, на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в Fe - излучении в режиме записи дифрактограмм, в диапазоне углов Вульфа - Брегга от 52-146. Угловая скорость счетчиков импульсов 1с/мин, скорость движения диаграммной ленты 2400мм/час, щели гониометра 1x0,5 мм. Отметка углов через 0,1.и механических свойств после плазменной наплавки хромомарганцового порошкового сплава 65Х25Г13НЗ на рельсовую сталь и сталь Гатфильда использовали следующие методы.
Химический состав определяли спектральным методом на приборе SPEKTRO «LAB S».Твердость по глубине наплавленного слоя определялась по методу Роквелла шариком при нагрузке 100 кг в соответствии методикой ГОСТ 9013.Испытания на растяжения проводили на универсальной испытательной
Исследование микроструктуры по сечению покрытия и металла основы
На рис.4.6. представлена панорама микроструктуры на границе раздела основной металл - наплавка. Медная основа имеет достаточно крупное -120 мкм равноосное зерно с множеством двойников, что характерно для отожженной структуры. Есть двойники и непосредственно на самой границе. Существенных различий в характере микроструктуры у границы основа-наплавка нет. Но можно отметить чуть больший размер зерна меди у границы (порядка 140 мкм).
Никаких дефектов (пор, микротрещин и т.п.) на границе раздела не обнаружено. Наплавка чрезвычайно плотно прилегает к основе - толщина стыка соизмерима с толщиной межзеренных границ меди.
Можно предположить, что на основном протяжении границы расплавления подложки в процессе наплавлення Ni-Cr не происходит. Однако имеются незначительные участки, на которых «языки» расплавленной меди внедряются в металл наплавки на глубину до 0,2 мм. В этих местах четкая граница раздела Си - Ni-Cr отсутствует, зерно меди не вытравливается. Доля таких участков не превышает 5 % от общей протяженности границы (рис. 4.7)
Наплавка в области, примыкающей к меди, имеет мелкодисперсную структуру. Протяженность этой зоны 0,2-0,3 мм. Далее располагается зона дендритов (рис. 4.8), вид которых практически не изменяется до самой поверхности наплавки.
Таким образом размытость по поперечному сечению и высокая твердость переходного слоя, а также высокая прочность сцепления покрытия с медной основой связаны с образованием слоя с мелкодисперсной структурой со стороны покрытия, а также взаимного внедрения участков медной основы и хромоникелевого сплава4.3. Исследование напряженного состояния наплавленного слоя и металла основы, фазового состава, периода кристаллической решетки и концентрационных зависимостей покрытия, переходного слоя и металлаосновы.
Рентгеноструктурным методом оценивали уровень остаточных микронапряжений (по ширине рентгеновских интерференции (311) металла).
В результате плазменной наплавки в наплавленном слое возникают высокие внутренние микронапряжения, о чем свидетельствует большая размытость рентгеновской интерференционной линии (311). Причем в тонком поверхностном 15 мкм слое они наиболее высоки - ширина рентгеновской линии достигает 62 мрад (рис. 4.9). Далее внутренние микронапряжения резко уменьшаются и по глубине наплавленного слоя практически не меняются. Однако их уровень весьма высок и может быть соотнесен с уровнем микронапряжений, возникающих в углеродистой закаленной стали, содержащей 0,4-0,9 % С.
У границы наплавки остаточные микронапряжения резко снижаются, и далее по сечению медной подложки практически не меняются. Ширина рентгеновской линии в меди составляет 15 мрад (рис. 4.9), что почти в 4 раза меньше, чем в наплавленном металле.
Высокий уровень остаточных микронапряжений в наплавленном металле, по-видимому, связан, с особенностями фазового состава образующегося в процессе охлаждения расплавленного металла на поверхности медной основы в результате протекания процессов конвекции и взаимной диффузии химических элементов, входящих в состав наплавленного сплава и подложки. Нельзя исключить также роли термического фактора, связанного с различием в коэффициентах линейного расширения меди и никелевых сплавов, которые могут различаться почти в 1,5 раза [75].
По данным рентгеноструктурного анализа фазовый состав по сечению образца с наплавкой представлен в табл.4.2. Вблизи поверхности наплавки ( 15мкм) выявлены два типа твердых растворов Ni-Cr и Ni-Cu.
Присутствуют также нитриды хрома, которые, по-видимому, образуются в процесс кристаллизации наплавленного слоя.
Далее ( 3,5 мм) вблизи границы наплавленного слоя и металла основы появляются окислы хрома и участки меди. Окислы хрома очевидно образуются при контакте расплавленного металла с воздухом.
Под наплавленным слоем ( 6-8 мм) кроме медной основы выявлены окислы и немногочисленные нитриды хрома. Проникновение их в медную основу, очевидно, связано с перемешиванием жидкого расплава и расплавленных поверхностных слоев меди.
На глубине 8-Ю мм выявляется только медь. Таблица 4.2. При плазменном нанесении покрытия происходит разогрев металла основы, что создает условия для протекания диффузионных процессов, интенсивность протекания которых может в значительной степени определять структурное состояние переходного слоя между покрытием и подложкой. Для оценки интенсивности протекания диффузионных процессов проводили измерение периода кристаллической решетки в наплавке и медной основе и микрорентгеноструктурныи анализ по поперечному сечению образца для построения концентрационных зависимостейхимических компонентов сплава.
Данные об изменении периода кристаллической решетки представлены нарис. 4.10,4.11.
Период кристаллической решетки основных фазовых составляющих наплавленного слоя Cu-Ni и Ni-Cr монотонно уменьшается от его поверхности к границе медной основы. Причем основные изменения периода решетки наблюдаются в пределах половины толщины наплавленного покрытия (до 2-2,5 мм).
Исследование влияния ударного наклепа на механические свойства, фазовый состав и уровень остаточных микронапряжений при наплавке хромомарганцевого сплава на рельсовую сталь
Известно, что релаксация остаточных напряжений, возникающих при термическом воздействии в металле, может быть инициировано фазовым превращением в результате пластической деформации. В связи с этим, исследовали влияние теплого ударного наклепа на механические свойства и структурное состояние наплавки на рельсовую сталь.
Влияние ударного наклепа на механические свойства и сопротивление разрушению металла основы, границы наплавки и наплавленного металла представлено на рис. 5.1 и рис. 5.2. Видно, что прочностные свойства после ударного наклепа на границе наплавки и в наплавленном металле близки. При этом сопротивление разрушению (А3; Ар и А ) в результате наклепа снижаются.
С целью выяснения причин такого изменения механических свойств и сопротивления разрушению проводили анализ влияния ударного наклепа на фазовый состав и уровень внутренних микронапряжений наплавки на рельсовую сталь.
Известно, что склонность к хрупкому разрушению стали и сплавов зависит в основном от их структурного состояния - количества фаз и их соотношения, уровня внутренних напряжений и степени однородности их распределения.
Проведено рентгеноструктурное исследование структурного состояния наплавки из сплава 65Х25Г13НЗ на поверхность термообработанных рельсов Исследованию подлежали три типа обработок.1. основа- рельсовая сталь (закалка в масло 830 С, 50 мин, отпуск 500 С)+ наплавка порошком 65Х25ПЗНЗ + наклеп (ударная обработка); 2. основа - рельсовая сталь + отжиг 850 С, 2 часа, охлаждение с печью до 600 С, далее на воздухе + наплавка порошком 65Х25Г13НЗ + наклеп (ударная обработка);3. основа- рельсовая сталь (закалка в масло 830 С, 50 мин, отпуск 500 С) + наплавка порошком 65Х25Г13НЗ.
Объектами исследования являлись образцы (20х20х20),вырезанные из наплавленных рельсов, сошлифованных по сечению.Рентгенографирование проводили с поверхности и по глубине наплавки (на расстоянии 3,5; 6.5; 8.5; 10; 11; 12; 14.5 мм от поверхности) на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в Fe излучении, в режиме записи дифрактограмм интерференционных линий (111)у, (311)у и (110)а, (211)а
Определяли количество фаз - а и у - из соотношения интенсивностей интерференционных линий (111) у-фазы и (110) а- фазы.Об уровне внутренних остаточных микронапряжений судили по ширине интерференционных линий (311)у у-фазы и (211)а а- фазы, прямо пропорциональной их величине. Для выяснения характера процессов, протекающих в твердом растворе при наплавке сплава на рельсовую сталь определяли период кристаллической решетки ау у- фазы. Локальную концентрацию микронапряжений оценивали из доли площади «хвостов» дифрактограмм к общей интенсивности (площади) дифрактограмм.
Характер изменения структурного состояния по сечению наплавленного рельса одинаков для трех исследуемых состояний.
Наплавка представляет собой металл с гранецентрированной кристаллической ешеткой (ГЦК) - у- фазой и небольшим количеством (15-25%) а- фазы- с ОЦК решеткой.На рис.5.4 представлена дифрактограмма интерференционных линий (111) у-фазы и (110) а- фазы по сечению наплавленного рельса (для обработки 1). Она иллюстрирует изменение соотношения интенсивностей у и а фаз по глубине наплавленного слоя: интенсивность линии (Ш)у
В наплавленном слое количество а- фазы больше в образце после обработки 1 и 2 , где исходной обработкой рельса перед наплавкой была закалка и отжиг с последующим наклепом, чем после обработки 3.а-фаза на поверхности наплавки, по-видимому, возникает как результат у-а превращения при наклепе - конечной обработке наплавленного слоя.
На рис. 5.6. представлены зависимости периода кристаллической Период решетки легированной у-фазы на поверхности наплавки вышеи монотонно уменьшается с увеличением глубины наплавленного слоя.
Напротив, как следует из измерения периода решетки ос-фазы его значениевозрастает от "тела " рельсовой стали к границе наплавки. Так, на глубинеп=14.5мм, где наплавки нет, аа=2.8606 А, а при h=10 мм - вблизи границынаплавки аа=2.862 А.Как известно, при растворении легирующих элементов Cr, Ni, Мп в мартенсите, феррите и аустените происходит увеличение периода кристаллической решетки. Соответственно - снижение их содержания свидетельствует об обеднении твердого раствора этими элементами.
Исследуемые образцы вырезаны из рельсовой стали имеют достаточно малые размеры, что исключает влияние макронапряжений, определяемых по смещению максимума интерференционных линий. Поэтому изменение значений периода кристаллической решетки по глубине наплавленного слоя, определенные по максимуму интерференционных линий (311) у-фазы и (211) а-фазы, свидетельствует об уменьшении содержания легирующих элементов в у-фазе и об обогащении а-фазы этими элементами.
Полученные данные позволяют считать, что при наплавке происходит диффузия легирующих элементов внутрь слоя, следовательно и в а-фазу у границы наплавленного слоя.На рис. 5.7 представлена зависимость ширины интерференционных линий у-фазы (311)Y по глубине наплавки на рельсовую сталь после обработок 1,2 и 3.
Похожие диссертации на Формирование структуры и свойств при плазменной наплавке износостойких покрытий на медь и высокоуглеродистую, марганцовистую стали
