Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1. Анализ условий работы литых деталей железнодорожного подвижного состава 10
1.1.1. Условия работы, интенсивность и характер износа деталей узла «пятник - подпятник» 15
1.1.2. Условия работы, интенсивность и характер износа деталей автосцепки 18
1.2 Требования, предъявляемые к узлам трения литых деталей 21
1.3. Предпосылки применения дуговых методов наплавки комплекснолегированными сварочными материалами для увеличения межремонтных пробегов литых деталей грузовых вагонов 24
1.3.1. Способы повышения износостойкости рабочих поверхностей узла «пятник-подпятник»
1.3.2. Способы увеличения эксплуатационной долговечности деталей автосцепки 27
1.3.3. Перспективные технологии дуговой наплавки на железнодорожном транспорте 32
1.3.4. Структурно-трибологические свойства комплекснолегированного наплавленного металла 37
Выводы по главе 1 39
Глава II. Методики и техника исследований 41
2.1. Определение химического состава 41
2.2. Определение механических свойств металла 41
2.3. Рентгеноструктурный анализ 41
2.4. Оптическая и электронная металлография 42
2.5. Методика оценки триботехнических свойств 43
2.6. Методика проведения эксплуатационных испытаний 49
2.7. Статистическая обработка экспериментальных данных 52
Глава III. Исследование металлофизических закономерностей формирования структуры игольчатого феррита и выбор системы легирования наплавленного металла 53
3.1. Идентификация структурного состава износостойкого комплекснолегированного металла 53
3.2. Условия формирования игольчатого феррита при непрерывном охлаждении низколегированного наплавленного металла 58
3.3. Влияние легирующих элементов на образование игольчатого феррита 62
3.4. Выбор системы легирования порошковой проволоки для износостойкой наплавки литых деталей подвижного состава 69
3.5. Оценка технологической прочности наплавленного металла 77
Выводы по главе III 81
Глава IV Оценка триботехнических свойств наплавленного металла со структурой игольчатого феррита 83
4.1. Стендовые испытания 83
4.1.1. Оценка влияния структурного состава комплекснолегированного наплавленного металла на его износостойкость 83
4.1.2. Оценка сопротивляемости схватыванию комплекснолегированного наплавленного металла в условиях сухого трения скольжения 89
4.2. Эксплуатационные испытания 97
4.3. Исследование поверхностных слоев деталей 101
Выводы по главе IV 105
Глава V Промышленное внедрение результатов работы 107
5.1. Разработка наплавочной порошковой проволоки для износостойкой наплавки деталей подвижного состава 107
5.2. Износостойкая наплавка литых деталей грузовых вагонов новой порошковой проволокой марки ПП-АН180МН 117
5.3. Технико-экономическая эффективность применения порошковой проволоки марки ПП-АН18МН 129
Выводы по главе V 131
Общие выводы 132
Список использованной литературы 135
Приложения 142
- Условия работы, интенсивность и характер износа деталей узла «пятник - подпятник»
- Определение механических свойств металла
- Условия формирования игольчатого феррита при непрерывном охлаждении низколегированного наплавленного металла
- Оценка влияния структурного состава комплекснолегированного наплавленного металла на его износостойкость
Введение к работе
Анализ условий работы и результатов эксплуатации надрессорных балок тележки, пятника и автосцепки грузового вагона из низколегированных сталей марок 20ГЛ, 20ФЛ и 20ГФЛ, относящихся к феррито-перлитному классу, показал, что эти детали при работе в условиях сухого трения и наличии высоких контактных и ударных нагрузок обладают низкой износостойкостью при интенсивности износа рабочих поверхностей 1,2-2,0 мм на 100 тыс. км пробега.
Количество основных литых деталей грузовых вагонов, находящихся в настоящее время в эксплуатации превышает 1,8 млн. единиц каждого наименования. В связи с большой их металлоемкостью, трудоемкостью в изготовлении, высокой стоимостью и дефицитностью значительное количество деталей по достижении предельно допустимого износа (в среднем после 3-х лет эксплуатации или 210 тыс. км пробега) подвергаются ремонту дуговыми методами наплавки с последующей станочной обработкой до чертежных размеров.
Однако применявшиеся до настоящего времени на железнодорожном транспорте в течение десятилетий малоуглеродистые и низколегированные сварочные материалы, обеспечивали межремонтный пробег отремонтированных деталей всего 160 тыс. км, как правило за 2 года эксплуатации. Деталь за весь срок службы подвергалась ремонту наплавкой до 10 раз. При ежегодной сетевой потребности в ремонте грузовых вагонов в 250 тыс. единиц, затраты железнодорожного транспорта на восстановление литых деталей грузовых вагонов исчисляется миллиардами рублей.
Уменьшить износ рабочих поверхностей литых деталей вагонов пытались в последние 10-15 лет за счет применения различных способов поверхностного упрочнения и установки прокладок из износостойкой стали. Опыт применения объемно-поверхностной закалки, электро-импульсной обработки, индукционно-металлургической наплавки, плазменно-порошковой наплавки, дуговой наплавки высоколегированной проволокой феррито-мартенситного класса литых деталей вагонов и установки на них износостойких элементов из стали ЗОХГСА, показал, что на сегодняшний день не существует универсальной, эффективной и надежной защиты от износа их трущихся поверхностей. Наличие ударных нагрузок вазоне контакта деталей не позволило применить материалы высокой твердости, обладающие, как правило, повышенной хрупкостью. Технология термического упрочнения деталей автосцепки оказалась не эффективной из-за низкой прокаливаемости сталей марок 20ГЛ и 20ФЛ, что не позволило значительно увеличить износостойкость деталей при глубине износостойкого слоя равной трети допустимой величины износа.
В связи с изложенным, целью настоящей работы явилось качественное повышение износостойкости литых деталей грузовых вагонов наплавкой слоя стали с высокими трибологическими свойствами с обеспечением их межремонтного пробега не менее 500 тыс. км.
Одним из наиболее перспективных и до настоящего времени не использованных путей повышения износостойкости литых деталей грузовых вагонов является дуговой метод наплавки комплекснолегированными сварочно-наплавочными материалами. Данное направление было впервые применено в 90-х годах прошлого века при износостойкой наплавке гребней железнодорожных колес. На данном этапе установлено, что комплексное легирование наплавленного металла позволяет сочетать в нем высокую прочность, ударную вязкость, а также, что особенно важно, качественно новые трибологические свойства.
Было установлено, что износостойкость гребня колеса, наплавленного комплекснолегированной проволокой Св-08ХГ2СМФ, в условиях эксплуатации более чем в 5 раз выше износостойкости ненаплавленного гребня при твердости наплавленного металла 280-300 НВ (всего на 20-40 НВ выше твердости металла колеса). Считали, что такой трибологический эффект был получен благодаря формированию в наплавленном металле микроструктуры в виде сорбитной матрицы с равномерно распределенными высокодисперсными карбидами ванадия, молибдена и хрома.
Однако литературные данные о структурообразовании в низколегированных сталях с малыми добавками сильных карбидообразующих элементов (V, Ті, Mo) при содержании углерода вплоть до 0,23% показали, что образование специальных карбидов может происходить лишь при длительном высоком отпуске закаленной на мартенсит стали. При непрерывном охлаждении, что имеет место при сварке и наплавке, введенные легирующие элементы растворяются в а-твердом растворе и цементите (Ре,Ме)зС. Это поставило под сомнение результаты проведенной ранее идентификации структурного состояния износостойкого комплекснолегированного наплавленного металла и явилось основанием для проведения в рамках данной диссертационной работы комплекса металлографических исследований с привлечением тонких физических методов исследования (рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа) с целью установления истинного структурного состояния комплекснолегированного наплавленного металла и изучения его свойств..
В результате было выявлено, что микроструктура комплекснолегированного наплавленного металла типа ХГ2СМФ внутри бывшего аустенитного зерна представляет собой смесь, состоящую преимущественно из игольчатого феррита и небольшого количества ( 15%) мартенсита, остаточного аустенита и легированного цементита (МАК-фазы). По границам бывших аустенитных зерен выявлен полигональный феррит в виде тонких прожилок. По всему объему наплавленного металла равномерно распределены мелкодисперсные неметаллические включения (оксиды) округлой формы. Специальных карбидов не было обнаружено.
Установлено также, что из-за низкого содержания углерода ( 0,05%) в металле, наплавленном сварочной проволокой Св-08ХГ2СМФ на сталь 20ГЛ, при его непрерывном охлаждении у— -а-превращение аустенита проходит с выделением значительного количества полигонального феррита ( 25%), что значительно снижает его механические свойства и износостойкость. Это послужило основанием для разработки нового комплекснолегированного наплавочного материала - порошковой проволоки для механизированной наплавки литых деталей грузовых вагонов в среде углекислого газа.
Технология наплавки порошковой проволокой имеет преимущество перед технологией наплавки сплошной проволокой под флюсом по производительности наплавки, маневренности процесса и другим сварочно-технологическим и технико-экономическим показателям.
На основании комплекса металловедческих и трибологических исследований комплекснолегированного наплавленного металла, испытаний образцов на стендах и натурных деталей в эксплуатации дано научное обоснование формированию структуры игольчатого феррита и впервые установлены триботехнические свойства наплавленного металла с такой структурой, при этом:
- построена структурная диаграмма комплекснолегированного наплавленного металла, являющаяся теоретической основой для разработки низколегированных сварочно-наплавочных материалов различного назначения;
- установлено, что наиболее эффективной с точки зрения образования игольчатого феррита в условиях непрерывного охлаждения, а также сочетания высокой износостойкости и технологической прочности является система легирования C-Si-Mn-Cr-Ni-Vi в диапазоне углеродного эквивалента 0,48-0,55%;
- установлено, что комплекснолегированный наплавленный металл со структурой игольчатого феррита наименее склонен к схватыванию и образует в условиях сухого трения скольжения в результате наклепа высокоизносостойкий поверхностный слой.
На основании результатов исследования была разработана и внедрена на ремонтных предприятиях сети железных дорог России порошковая проволока марки ПП-АН180МН для высокопроизводительной наплавки в углекислом газе на рабочие поверхности литых деталей грузовых вагонов слоя стали, более чем в 5 раз превышающего по износостойкости основной металл, а также металл, наплавленный ранее применявшимися низколегированными сварочными материалами, при этом сочетающего высокую прочность, пластичность, ударную вязкость и сопротивляемость образованию холодных трещин.
Годовой экономический эффект от внедрения технологии наплавки литых деталей грузовых вагонов проволокой марки ПП-АН180МН при общесетевой программе ремонта 250000 вагонов составит не менее 1,83 млрд. руб.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов. Объем работы составляет 141 страницу машинописного текста, включая 17 таблиц, 66 рисунков, списка литературных источников из 63 наименований, а также 8 приложений.
Условия работы, интенсивность и характер износа деталей узла «пятник - подпятник»
Узел «пятник-подпятник» вагона включает пятник, располагающийся на пересечении хребтовой и шкворневой балок кузова вагона, и подпятник надрессорной балки тележки.
Этот узел испытывает значительные статические нагрузки, на которые при движении вагона накладываются низкочастотные переменные колебания и удары. На подпятник передаются значительные усилия, связанные с торможением и соударением вагонов, что обусловливает износ внутренней поверхности наружного бурта и опорной поверхности подпятника надрессорной балки и упорной и опорной поверхностей пятника.
Процесс изнашивания подпятникового узла состоит из механической (схватывание), абразивной и коррозионно-окислительной форм, протекающих одновременно. В процессе работы в узел трения попадают влага, масла, абразивные частицы. При сборке вагона, как нового, так и выходящего из ремонта, в пятниковый узел закладывается пластичная смазка типа ЦНИИ-4М, однако после короткого срока эксплуатации она выдавливается вдоль шкворня и на бурты, высыхает и засоряется частицами внешней среды.
При вилянии тележек на прямой и при входе в кривые участки пути максимальные значения скоростей скольжения элементов пятника и подпятника не превышают 10-15 мм/с. В зоне контактирования пятника и наружного бурта подпятника контактные напряжения достигают 259 МПа. Поэтому неизбежны пластические деформации краев пятника и цилиндрической поверхности подпятника. Удельная динамическая нагрузка от давления пятника на подпятник на опорной поверхности достигает до ЮОМПа [4].
Износ наружного бурта надрессорной балки и упорной поверхности пятника по диаметру происходит неравномерно с образованием эллипса с большей осью вдоль оси вагона (рис. 1.4, а, б). Эксплуатационные и ходовые Рис. 1.4. Внешний вид изношенных подпятника надрессорной балки (а) и пятника (б) грузового вагона, поступивших на деповской ремонт испытания грузовых вагонов при различных осевых нагрузках на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ, проведенные Г.В. Костиным [5], показали, что интенсивность износа наружного бурта при нагрузке на ось 23 т составляет 1,2 мм на 100 тыс. км пробега, а интенсивность износа упорной поверхности пятника - 1,33 мм на 100 тыс. км пробега. Интенсивность износа опорных поверхностей подпятника и пятника составляет 0,5 и 0,56 мм соответственно на 100 тыс. км пробега.
Статистически обработанные значения износов рабочих поверхностей подпятника надрессорных балок грузовых вагонов, поступивших в деповской ремонт в разные годы приведены в табл. 1.3.
При наличии ударных нагрузок чрезмерный износ поверхностей наружного бурта подпятника приводит к возникновению трещин в бурте и на опорной поверхности, либо к отколам бурта. Одновременный чрезмерный износ опорных поверхностей пятника и подпятника приводит к «осадке» пятника своим основанием на торцевую поверхность наружного бурта подпятника, что может привести к заклиниванию узла.
Анализ результатов статистической обработки величин износов поверхностей подпятника при поступлении вагонов в деповской ремонт [6] с 1984 по 1994 г.г. показал, что интенсивность износа за этот период увеличилась в 1,5 раза.
Основным звеном автосцепного устройства является корпус автосцепки, воспринимающий сложный комплекс жестких силовых воздействий -малоцикловое осевое растяжение - сжатие, изгиб, трение скольжения в сочетании с ударными нагрузками.
Рабочими поверхностями корпуса автосцепки (рис. 1.5) являются ударные поверхности зева 1 и малого зуба 3, а также тяговые поверхности малого 2 и большого 4 зубьев. Для предотвращения расцепки состава во время движения в контуре зацепления автосцепки предусмотрен замок. Передача тягового усилия на тяговый хомут осуществляется через клин, расположенный в отверстии 5 хвостовика корпуса. Ударные нагрузки передаются на упорную плиту поглощающего аппарата торцевой поверхностью 6 хвостовика автосцепки.
В хвостовой части корпуса автосцепки также подвергаются интенсивному изнашиванию места контакта с центрирующей балочкой 8 и ч Рис. 1.5. Типовые места износа деталей автосцепки тяговым хомутом 7. При этом контактные нагрузки в этих зонах от собственного веса составляют соответственно всего 0,67 кг/см и 0,88 кг/см", однако во время эксплуатации в возникают значительно большие нагрузки из-за относительного смещения деталей и динамического воздействия.
Износ поверхностей корпуса и замка автосцепки происходит за счет многократных ударов и относительно небольших перемещений, которые приводят к наклепу и смятию поверхности, механическому, абразивному и коррозионно-окислительному износу. В процессе работы, также как в узле «пятник-подпятник», детали автосцепки не защищены от окружающей среды и в зону трения попадают влага, органические вещества и абразивные частицы.
По собственным данным пробеговых испытаний на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ, а также данным работы [7] интенсивность износа поверхностей автосцепки, отнесенная к 100 тыс. км пробега, составляет: малый зуб - 1,15-1,26 мм, большой зуб — 1,25-1,8 мм, замыкающая поверхность замка - 1,2-2,9 мм, перемычка хвостовика - 0,8-1,3 мм.
Ремонт литых деталей грузовых вагонов до недавнего времени производился ручной дуговой наплавкой электродами типа Э42А, Э46 по ГОСТ 9466-75 (марки МР-3, УОНИ-13/45, ОЗС-12), полуавтоматической наплавкой проволокой сплошного сечения марки Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70 в углекислом газе, а также порошковыми проволоками марок ГШ-Сп-10 по ГОСТ 26271-84 или ПП-Нп-14ГСТ по ГОСТ 26101-84. Однако эти сварочные материалы не обеспечивали необходимых свойств восстановленных деталей, т. к. наплавленный ими металл относится к тому же структурному классу (феррито-перлитному), что и основной металл деталей. Проволока марки ПП-Нп-14ГСТ (Тн-250), кроме того, не обеспечивает требуемого уровня ударной вязкости наплавленного металла (12 Дж/см при минус 60С при нормативном значении для стали 20ГЛ - не ниже 24,5 Дж/см ), что обусловлено повышенным содержанием в нем титана (0,2-0,6%) и образованием его нитридов, снижающих хладостойкость металла [8].
Определение механических свойств металла
Изготовление образцов для определения механических свойств выполняли в соответствии с требованиями ГОСТ 6996-66. На статическое растяжение испытывались цилиндрические образцы типа II на разрывной машине «Schenck-100». Динамические испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре «Амслер» мощностью 300 Дж при температуре +20С и -60С образцов типа VI (с U-образным надрезом). Образцы изготавливали из верхних слоев поперек 5-ти слойной наплавки, с надрезом в ее центральной части.
Измерение твердости по Бринеллю выполняли при диаметре шарика D = 10 мм, испытательной нагрузке 29430 Н (3000 кгс) и К=30 в соответствии с ГОСТ 9012-59, по Виккерсу - по ГОСТ 2999-75. Для оценки твердости поверхностных слоев проводили микродюрометрические исследования на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,49 Н по ГОСТ 9450-76.
Для выявления высокодисперсных вторичных фаз в микроструктуре наплавленного металла образцов был применен метод дифференциального рентгеноструктурного фазового анализа, заключающийся в выборочном удалении части фаз из электролитически выделенных осадков, что позволяет увеличить разрешающую способность (уменьшить число наложений дифракционных линий) и повысить чувствительность (увеличить объемную долю оставшихся фаз) [24].
На первом этапе для удаления части фаз использовали способ химического растворения. В качестве растворителя был выбран реактив Поповой (75 г КС1 + 5 г лимонной кислоты на 1 л. воды). Режим выделения: плотность тока 0,03 А/см ", т=2 ч, t =20С. Выделенные осадки исследовались на установке УРС-2.0 (камера DSK-60, излучение СхКа). На втором этапе изолированные фазы подвергались дополнительной химической обработке в реактиве НС1:НгО в пропорции 1:1, режим растворения - кипячение в течение 2 часов.
Идентификация фаз проводилась с помощью индицирования линий полученных рентгенограмм и определения параметров кристаллической решетки расчетным путем по формуле Вульфа-Брэгга [25].
Исследование макроструктуры лабораторных образцов и образцов, вырезанных из натурных деталей, проводилось путем травления темплетов в 20-% водном растворе HNO3. При изучении макроструктуры дополнительное увеличение не применялось.
Исследование микроструктуры проводилось на полированных образцах после их травления в 4-% спиртовом растворе HNO3 в течении 20 с при увеличениях хЮО и х500 на оптическом микроскопе «Axiotech-ЗО» с встроенным микротвердомером МНТ-10.
Подсчет структурных составляющих проводился на микроснимках, сделанных при увеличении х500, с помощью сетки из 225 ячеек.
Углубленное изучение структуры наплавленного металла проводилось на просвечивающем электронном микроскопе JEM-100В методом одноступенчатых экстракционных угольных реплик при увеличениях х5000, x 10000 и х20000. Образцы травились электролитическим методом в реактиве Поповой при плотности тока 0,2 А/см2. Угольные реплики отделялись в том же реактиве при плотности тока 0,3 А/см . Изучение неметаллических включений в наплавленном металле и исследование строения поверхностного слоя деталей после эксплуатационных испытаний выполняли на растровом электронном микроскопе JSM - 6060А фирмы «JEOL» с энергодисперсионным спектрометром JED-2300 в Ка излучении, при увеличениях х500, х1000, х5000. При полировке поверхности образцов для изучения состава неметаллических включений применялась алмазная паста. При исследовании поверхностных слоев образцы подвергали травлению в 4-% спиртовом растворе HNO3 в течении 20 с.
Условия формирования игольчатого феррита при непрерывном охлаждении низколегированного наплавленного металла
Физико-механические свойства металла с микроструктурой игольчатого феррита широко изучены применительно к сварным соединениям высокопрочных сталей Ф.В. Грабиным, А.В. Денисенко, В.В. Подгаецким, Б.С.Касаткиным, И.К. Походней и др. [28-31]. Игольчатый феррит представляет собой мелкие зерна с высоким углом разориентации ( 20) с соотношением сторон 1:3...1:10. По внешнему виду он может выглядеть, как беспорядочно ориентированные короткие иглы, или же напоминать «плетеную корзину». Вследствие малого размера игл и благодаря их высокоугловым границам структура игольчатого феррита является наиболее предпочтительной для низкоуглеродистых низколегированных сварных швов, поскольку при ее наличии обеспечивается как достаточная вязкость, так и прочность металла шва [28]. Твердость, определявшаяся авторами работы [30] на большом количестве образцов из низколегированного металла шва для каждой из разновидностей феррита, составила в среднем HV 180-195 у пограничного и внутризеренного полигонального феррита и HV 240-250 у игольчатого феррита. В работе [31] было установлено, что структура игольчатого феррита характеризуется высокой плотностью подвижных дислокаций р 1012-1014 см"2. В зернах полигонального феррита плотность дислокаций существенно ниже р 1010 см"2. По данным работы [30] видно, что с увеличением в металле сварного шва доли игольчатого феррита обеспечиваются высокие прочность и ударная вязкость, а также возрастает твердость (рис. 3.5).
Образование игольчатого феррита — это сложное явление, с одновременно действующими многочисленными факторами и механизмами. Превращение аустенита в игольчатый феррит происходит только при определенных условиях. Необходимы соответствующие химический состав металла шва и скорость охлаждения. Если таких условий нет, то аустенит будет превращаться в полигональный феррит или бейнит [29]. На образование игольчатого феррита решающее влияние оказывают также величина первичного аустенитного зерна, количество и размер неметаллических включений.
При уменьшении размера первичных аустенитных зерен образуется больше пограничного феррита, что объясняется увеличением количества мест его зарождения. С увеличением размера первичных аустенитных зерен уменьшается количество пограничного и видманштеттова феррита и соответственно возрастает количество игольчатого феррита. Металл шва с высоким содержанием игольчатого феррита характеризуется крупными аустенитными зернами и большим количеством мелких неметаллических включений. Крупные первичные зерна аустенита при малом количестве неметаллических включений свидетельствуют о наличии бейнитной микроструктуры. Большое количество мелких неметаллических включений приводит к стопорению границ первичных аустенитных зерен и их измельчению. Это благоприятствует зарождению и росту пограничного и видманштеттова феррита, прежде чем возникнет возможность зарождения или роста игольчатого феррита. Поэтому металл шва с чрезмерно большим количеством мелких частиц обычно имеет малые аустенитные зерна и грубую микроструктуру, представляющую собой пограничный полигональный феррит и небольшое количество игольчатого феррита.
Большое влияние на образование игольчатого феррита оказывает содержание в металле шва кислорода, поскольку он в первую очередь ответственен за образование неметаллических включений.
Существует мнение [32], что зарождение игольчатого феррита происходит внутри аустенитных зерен при наличии также включений нитридов титана и ванадия. Образованию игольчатого феррита особенно способствует наличие оксидных включений, присутствующих в шве в виде продуктов раскисления металла сварочной ванны, не успевших всплыть на ее поверхность и вторичных оксидных включений, образовавшихся при затвердевании и охлаждении металла шва. Изучению влияния продуктов раскисления металла сварочной ванны на зарождение феррита посвящено большое количество работ [29, 32, 34-36].
Так в работе [32] на электронном микроскопе на тонких фольгах и на угольных репликах исследовали эпитаксиальную зависимость между оксидными включениями и прилегающими к ним пластинками феррита. Установили, что для образования игольчатого феррита минимальное линейное расхождение размеров кристаллических решеток зародыша (неметаллического включения) и зарождающегося вещества (феррита) не является определяющим, как считалось ранее.
Отсутствие эпитаксиальной зависимости между ферритными пластинами и оксидными включениями заставило предположить наличие других форм влияния продуктов раскисления металла сварочной ванны на зарождение игольчатого феррита. Так, было высказано предположение, что пластинки игольчатого феррита зарождаются на дислокациях в непосредственной близости от неметаллических включений. Этому могут способствовать поля напряжений, возникающие вследствие различного температурного линейного сужения вещества неметаллических включений и металлической матрицы при охлаждении металла шва. Температурный коэффициент линейного расширения аустенита значительно больше, чем у оксидных включений. Поэтому при охлаждении металла шва матрица вблизи включений напрягается и может претерпевать пластическую деформацию. Деформации кристаллической решетки способствуют зарождению игольчатого феррита на дислокациях.
Оценка влияния структурного состава комплекснолегированного наплавленного металла на его износостойкость
Как было показано в гл. III, физико-механические свойства наплавленного металла со структурой игольчатого феррита широко изучены применительно к сварным конструкциям из высокопрочных сталей, работающих в экстремальных условиях нагружения и низких температур, однако триботехнические свойства наплавленного металла с такой структурой исследовались только применительно к наплавке гребней вагонных колес из высокоуглеродистой стали.
Трибологические испытания образцов из колесной стали и наплавленных проволокой марки Св-08ХГ2СМФ на колесную сталь в паре с рельсовой сталью на машине Амслера при сухом трении качения с поперечным проскальзыванием до 6% по схеме ролик- ролик показали, что интенсивность износа наплавленного металла ниже интенсивности износа колесной стали в 3 раза, а износ контртела (рельса) снизился на 15-20%. При этом твердость наплавленного металла незначительно (на HV 20-40) превышала твердость металла колеса [14].
Исследование на растровом электронном микроскопе поверхностных слоев образцов после испытания показало, что глубина пластически деформированного слоя у комплекснолегированного наплавленного металла значительно меньше, чем у колесной стали, при этом отделяющиеся чешуйки износа более компактны и интенсивность их отделения значительно ниже.
При этом исследователи объясняли механизм скачкообразного повышения износостойкости наплавленного металла структурой в виде сорбитной матрицы с включениями мелкодисперсных карбидов молибдена, ванадия и хрома [14].
Приведенные в гл. III данной работы результаты металлографических исследований комплекснолегированного наплавленного металла показали, что в его структуре преобладает не сорбит, а высокодисперсный игольчатый феррит. Данные о триботехнических свойствах металла с такой микроструктурой в научной литературе отсутствуют, в то время как они представляют большой научный и практический интерес. В связи с этим нами был проведен комплекс исследований по установлению структурно-трибологических зависимостей комплекснолегированного наплавленного металла.
Согласно построенной структурной диаграмме (см. рис. 3.15), в комплекснолегированном наплавленном металле в зависимости от степени легирования (CDKB) наряду с игольчатым ферритом при у— а-превращении по границам бывших аустенитных зерен и внутри них возможно образование некоторого количества полигонального феррита.
В работах [29, 30] отмечается негативное влияние полигонального феррита на механические свойства металла шва сварных соединений высокопрочных сталей. Причем авторами работы [30] показано, что полигональный феррит, расположенный как по границам, так и внутри бывших аустенитных зерен, отрицательно влияет на показатели ударной вязкости металла шва (рис. 4.1). Однако данные о влиянии доли полигонального феррита на износостойкость комплекснолегированного наплавленного металла в условиях сухого трения отсутствуют.
Проведенный комплекс исследований включает испытания на износостойкость на машине трения МТШ и исследования на трибологическом стенде ТС-1 с целью сопротивляемости комплекснолегированного металла схватыванию в условиях сухого трения скольжения. Оценку влияния объемной доли полигонального феррита в структуре комплекснолегированного наплавленного металла на его износостойкость выполняли на машине трения МТШ по принятой методике (см. гл. II) при нагрузке 14 кгс, окружной скорости 0,14 м/с и продолжительности 50 оборотов стального диска (путь трения 55 м). Относительную износостойкость є оценивали по отношению объема лунки износа образца к объему лунки износа образца-эталона (сталь 20ГЛ). Образцы изготавливали из бруска, полученного путем многослойной (5 слоев) наплавки на пластины из стали 20ГЛ опытными порошковыми проволоками ПП5, ПП6 и ПП7 (см. табл. 3.3) в углекислом газе и проволокой марки Св-08ХГ2СМФ под флюсом марки АН-348А. Были получены образцы с преобладанием в наплавленном металле структуры игольчатого феррита с 8, 10, 15 и 25% объемной доли полигонального феррита.
Многослойная наплавка производилась на серийных режимах - для порошковой проволоки диаметром 2,0 мм в углекислом газе: ток 360-380 А, напряжение 26-28 В, расход газа 12 л/мин, при наплавке проволокой Св-08ХГ2СМФ диаметром 2,0 мм под флюсом: ток 350-360 А, напряжение 32-34 В, скорость сварки 25 м/ч. Каждый слой накладывался на остывшую до 25С поверхность предыдущего слоя.
