Введение к работе
Актуальность проблемы. Большая часть деталей металлургического оборудования выбраковывается вследствие незначительного износа рабочей поверхности, составляющего не более 1...3 мм. В связи с этим актуальным является упрочнение и восстановление изнашиваемых поверхностей деталей оборудования с приданием им свойств, значительно превосходящих свойства новых деталей, прежде всего способности сопротивляться изнашиванию. Этого возможно достичь применением современных и экономически оправданных методов реновации и упрочнения деталей. Использование для восстановления и упрочнения деталей машин плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки двудуговым плазмотроном наиболее полно отвечает требованиям промышленности как по уровню достижимых свойств, так и по экономической эффективности.
Плазменно-порошковая наплавка с использованием двух независимо горящих дуг позволяет исключить деформацию восстанавливаемых тонкостенных деталей в связи с ограниченным тепловым воздействием и минимальной глубиной проплавлення и получить физико-механические свойства покрытий близкие к свойствам наплавочного порошкового материала уже в первом наплавленном слое. Однако, отсутствие отечественных наплавочных материалов на железной основе для плазменно-порошковой наплавки приводит к необходимости использовать дорогие наплавочные материалы на никелевой и кобальтовой основах. В связи с чем встает необходимость в разработке порошкового присадочного материала для плазменной наплавки, позволяющего получать относительно толстослойные износостойкие покрытия на углеродистых сталях.
Литые высокоуглеродистые высокохромистые сплавы нашли широкое применение для изготовления деталей, подверженных интенсивному абразивному изнашиванию, таких как цельбепсы, футеровочные плиты, и др., поэтому применение в качестве базового легирующего комплекса наплавочного порошка системы Fe-C-Cr-V является перспективным.
Влияние режимов наплавки порошком на железной основе на формирование структуры и свойств покрытий изучено не в полной мере, в связи с чем необходимо исследовать влияния режимов плазменно-порошковой наплавки на особенности структурообразования и свойства наплавленного металла.
В случаях, когда детали изготавливаются из углеродистых или легированных марок стали, упрочнение их поверхностей возможно обработкой плазменной струей. Плазменная закалка двудуговым плазмотроном наиболее нагруженных участков деталей позволяет значительно повысить их эксплуатационную стойкость за счет формирования упрочненного слоя, имеющего высокую твердость и износостойкость. При
этом упрочнённый слой создаётся в поверхностных объёмах детали, и для его формирования не требуется дополнительного расхода материалов.
Для наиболее полного использования возможностей плазменного упрочнения необходимо определить такие режимы плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки углеродистых сталей, которые обеспечивают формирование покрытий, обладающих наивысшей износостойкостью.
Цель работы: установить влияние режимов плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки на закономерности формирования структуры, химического и фазового составов, износостойкость поверхностных сдоев на углеродистых сталях и разработать на этой основе технологию поверхностного упрочнения деталей металлургического оборудования.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- на основе закономерностей влияния легирующих элементов на
твёрдость и износостойкость литых высокоуглеродистых сплавов, а также
процессов, происходящих в сварочной ванне при плазменной наплавке,
выбрать состав присадочного порошкового материала, позволяющего
производить наплавку износостойких покрытий на углеродистые стали без
образования трещин;
- исследовать взаимосвязь химического, фазового состава и структуры
плазменно-закалённых и наплавленных слоев на углеродистых сталях с
режимами их получения;
- определить влияние режимов плазменно-порошковой наплавки и
закалки на твёрдость, микротвёрдость отдельных структурных составляющих
и износостойкость покрытий;
разработать и внедрить эффективную технологию бездеформационной плазменно-порошковой наплавки покрытий и плазменной закалки применительно к деталям металлургического оборудования, работающих в условиях абразивного изнашивания. Научная новизна.
Предложен химический и гранулометрический состав присадочного порошкового материала, содержащий 3,1...3,3 % углерода, 18,00...20,00 % хрома и 3,00...4,00 % ванадия, 0,4...1,0 марганца, 0,2...0,6 кремния дисперсностью 180...360 мкм для получения износостойких слоев на конструкционных сталях методом плазменно-порошковой наплавки.
Установлено, что плазменная закалка двудуговым плазмотроном стали 45 приводит к формированию упрочнённого слоя со свойствами, превосходящими аналогичные свойства после лазерной или обычной плазменно-дуговой закалки: глубина упрочнённого слоя превышает 1600 мкм, а его твёрдость составляет 62 HRC.
Установлены закономерности формирования структуры и свойств при плазменно-порошковой наплавке порошком предложенного состава на
подложку из стали 45. Показано, что в зависимости от тепловложения и скорости кристаллизации в покрытиях формируется три типа структур: доэвтектическая, эвтектическая или заэвтектическая при неизменном составе присадочного порошка.
- Показано, что введение дополнительных технологических воздействий на сварочную ванну - модуляции тока и принудительного охлаждения подложки, позволяет формировать дендритную или эвтектическую структуры покрытий, направленно-ориентированных перпендикулярно поверхности изнашивания и обладающих максимальной ударно-абразивной и абразивной износостойкостью.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработана технология плазменной закалки деталей подшипниковых узлов прокатных станов. Внедрение разработанной технологии плазменной закалки на ЗАО «МПС-Маш» (г. Магнитогорск) позволило исключить дорогую и неэффективную традиционную технологию термической обработки с печным нагревом, что подтверждено актом внедрения. По результатам эксплуатационных испытаний, проведённых в ЛПЦ-10 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», стойкость деталей подшипниковых узлов возросла в 1,7...2,0 раза, что подтверждается актом испытаний.
Разработана технология плазменно-порошковои наплавки штоков гидроцилиндров малого диаметра, заключающаяся в нанесении на изношенные штоки износостойкого покрытия системы Fe-C-Cr-V. Подтвержденный экономический эффект от внедрения технологии на ООО «ТехНаМет» (г. Магнитогорск) составил более 3 млн. рублей в год (в ценах
2011г.).
Разработана конструкция и изготовлен двудуговой плазмотрон для плазменной закалки и плазменно-порошковои наплавки, позволяющий получать глубину закалённого слоя, превышающую глубину закалённого слоя после лазерной или обычной плазменно-дуговой закалки.
Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 150105 «Металлургия».
На защиту выносятся:
1. Химический и гранулометрический составы порошкового материала
для плазменно-порошковои наплавки, содержащий: 3,1...3,3 % углерода,
18,00...20,00 % хрома и 3,00...4,00 % ванадия, 0,4...1,0 марганца, 0,2...0,6
кремния дисперсностью 180...360 мкм.
2. Экспериментальные данные по исследованию влияния режимов
наплавки на параметры структуры, фазовый и химический составы
покрытий, твердость и износостойкость при испытании на абразивное и ударно-абразивное изнашивания.
3. Особенности структуры и свойства покрытий при плазменно-
порошковой наплавке с дополнительными технологическими воздействиями
на сварочную ванну.
4. Результаты исследования фазового состава, структуры и
износостойкости упрочненного слоя на стали 45 после плазменной закалки
двудуговым плазмотроном и связь режимов плазменной закалки со
свойствами поверхности.
Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены на X, XI и XV научно-технических конференциях молодых специалистов ЗАО «МРК» (г. Магнитогорск, 2006, 2007, 2011гг.), 66 научно-технической конференции участников молодёжного научно-инновационного конкурса (г. Магнитогорск, 2008г.), VIII и IX семинарах «Современные технологии обработки металлов с применением инструментов из сверхтвёрдых материалов - новые технологии и направления» (г. Магнитогорск, 2010, 2011гг.), X и XII Международных научно-технических уральских школах-семинарах металловедов - молодых учёных (г. Екатеринбург, 2009, 2011гг.), XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2011г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (г. Орск, 2011г.) 68, 69 и 70 межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования (г. Магнитогорск, 2010, 2011, 2012 гг.).
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях, из которых 2 статьи входят в перечень рецензируемых изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Работа содержит 136 страниц, 52 рисунка, 8 таблиц, 4 приложения, список литературы из 122 наименований.
