Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Жаропрочные никелевые сплавы и защитные покрытия, совместимые с этими сплавами 7
1.1 .Тенденции разработки технологии изготовления лопаток турбин авиационных двигателей за рубежом 8
1.2. Классификация никелевых сплавов по назначению 10
1.3. Легирование литейных никелевых сплавов и их механические свойства 12
1.3.1. Химический состав и структура жаропрочных сплавов на основе никеля 14
1.3.2. Элементы, входящие в состав матрицы 15
1.3.3. Элементы, входящие в состав у -фазы 16
1.3.4. Карбидообразующие и боридообразующие элементы 20
1.3.5. Микролегирование, поверхностно-активные элементы 24
1.3.6. Электронная теория легирования жаропрочных никелевых сплавов 27
1.3.7. Анализ резервов жаропрочности и стабильности литейных никелевых сплавов 29
1.3.8. Жаропрочные никелевые сплавы с направленной и монокристаллической структурой 31
1.4. Области применения никеля и его сплавов 39
1.5. Защитные покрытия для жаропрочных никелевых сплавов 40
Глава II. Материалы, оборудование, технологии и методики исследования 45
2.1. Сведения о материалах, служащих объектами изучения в настоящей работе 45
2.2. Общие сведения по электрофизической обработке 48
2.2.1. Оборудование и технология ЭИЛ. Установка «ЭЛФА 541. Устройство для выглаживания плоских и фасонных поверхностей на установке «ЭЛФА 541» 48
2.2.2. Установка для электроакустического напыления «ЭЛАН - 3», принцип работы 51
2.3. Методы исследования 55
2.3.1. Изучение кинетики процесса электроискрового легирования 55
2.3.2. Испытания на жаростойкость 56
2.3.3. Испытания на адгезионную прочность покрытий 56
2.3.4. Метод внутреннего трения 58
2.3.5. Оптическая, электронная и растровая микроскопия 60
2.3.6. Рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы 61
2.3.7. Методика потенциодинамических коррозионных испытаний 62
2.3.8. Оценка качества поверхности электроискрового покрытия после выглаживания 65
2.4. Анализ аморфизированных металлических сплавов 68
2.5. Исследование износостойкости поверхностных слоев электрофизических покрытий 71
Глава III. Исследование жаропрочного сплава ХН67МВТЮ 74
3.1. Исследование структуры, фазового состава и свойств жаропрочного дисперсионно-твердеющего сплава на никельхромовой основе ХН67МВТЮ (ЭП202) 74
3.2. Влияние дендритной ликвации на распределение упрочняющей у]-фазы в сплаве ЭП202 77
3.3. Исследование структуры и свойств сплава ЭП202 после термической обработки 83
Глава IV. К вопросу о состоянии отдельных современных упрочняющих и восстанавливающих технологий конструкционных и инструментальных материалов 89
4.1. Исследование и разработка электроискровых покрытий из жаростойких материалов с никельхромовой матрицей легированных малыми добавками гафния, рения и диспрозия 97
4.2. Электроакустическое нанесение покрытий -прогрессивная технология для упрочнения и восстановления деталей машин и инструмента 99
4.3. Изучение жаростойких и износостойких покрытий из жаропрочных никелевых сплавов с микролегирующими добавками для специальных деталей 100
4.4. Вопросы оптимизации технологического процесса нанесения экологических электроакустических покрытий, их структура и свойства 103
4.5. Внутренние напряжения и коррозионные свойства электроакустических покрытий из жаропрочных сплавов типа ЖС с добавками РЗМ на подложке из сплава ЭП202 109
4.6. Релаксационные явления в покрытиях из жаропрочных литых никелевых сплавов с малыми добавками гафния и диспрозия, полученных электроакустическим напылением 113
4.7. Изучение вопросов восстановления дисковых рабочих органов 120
4.8. Исследование упрочнения быстрорежущей стали Р18Ф2 методом локального электроискрового нанесения покрытий 127
Выводы 132
Библиографический список 133
Приложения 156
- Карбидообразующие и боридообразующие элементы
- Установка для электроакустического напыления «ЭЛАН - 3», принцип работы
- Исследование структуры и свойств сплава ЭП202 после термической обработки
- Изучение вопросов восстановления дисковых рабочих органов
Введение к работе
Актуальность темы. Современное состояние машиностроения, в частности энергомашиностроения, требует получения материалов с заданными повышенными эксплуатационными характеристиками. Решение этой задачи видится в широком внедрении прогрессивных технологий, обеспечивающих снижение материалоемкости производства, повышения надежности и ресурса работы техники, а также качества металлов. В связи с этим важное значение приобретает применение защитных покрытий, обеспечивающих сочетание высокой прочности и способности противостоять химическому разрушению при высоких температурах.
Для деталей энергетических машин и инструментов, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах и подвергающихся воздействию значительных механических нагрузок, используются литейные жаропрочные многокомпонентные никелевые сплавы или аналогичные сплавы с защитными покрытиями, полученные различными технологиями.
Одним из перспективных методов повышения эксплуатационных свойств жаропрочных никелевых сплавов, работающих при высоких температурах, а также в различных агрессивных средах, является нанесение электрофизических покрытий методами электроискрового легирования (ЭИЛ) и электроакустического напыления (ЭЛАН).
Необходимость востребования электрофизических покрытий в условиях рыночной экономики важна также для восстановления изношенных деталей и узлов энергетического оборудования, а также инструмента горячего деформирования из литых сложнолегированных дисперсно-твердеющих сплавов с никельхромовой матрицей.
Следует отметить, что процесс получения электрофизических покрытий связан с влиянием многих факторов, и вопрос нахождения оптимального состава и технологии для каждого конкретного случая является сложной исследовательской задачей. Кроме того, углубленные исследования вышеуказанных технологий ЭИЛ и ЭЛАН, использование различных составов и способов их формирования расширяют область их эффективного использования. Это, несомненно, актуально для энергетического машиностроения и в целом для промышленности страны.
Успех решения проблемы – создание и усовершенствование защитных покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами – во многом определяется глубиной раскрытия характера структуры поверхностных слоев и физической сущности процессов, управляющих их формированием.
Для большинства электрофизических покрытий существует проблема их качества (недостаточная сплошность, шероховатость, адгезия к подложке и значительные внутренние напряжения), что сужает область применения данных композитов.
Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик и качества электрофизических покрытий является применение финишной технологии (обработкой их поверхности выглаживанием), приводящих к улучшению структуры и качества поверхностных слоев. Эти процессы отвечают требованиям гибкой, интенсивной и энергосберегающей технологии и являются приоритетными способами упрочнения конструкционных материалов.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом Федерального агентства по образованию по теме 1.28.98 – «Создание научных основ получения новых материалов и покрытий, моделирование и автоматизированное проектирование технологий их обработки с формированием развиваемых баз знаний», а также в соответствии координационного плана НИР «Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района России».
Целью работы является повышение эксплуатационных свойств литых жаропрочных сплавов на никелевой основе посредством разработки электроискровых и электроакустических покрытий, определение основных структурных факторов, влияющих на повышение эксплуатационных характеристик покрытия, улучшение структуры и качества электрофизических покрытий комбинированной обработкой.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Систематизировать, обобщить и проанализировать научно-техническую литературу по данной проблеме, обосновать и сформулировать цель работы и задачи исследования.
2. Обосновать выбор и исследовать электродные материалы для электрофизических покрытий. Оптимизировать технологические режимы нанесения покрытий.
3. Провести комплексные металлофизические исследования композитов для выявления закономерностей формирования структуры поверхностно-легированных слоев от технологических режимов нанесения электрофизических покрытий. Выявить основные структурные факторы и определить их взаимосвязь с механическими и эксплуатационными свойствами.
4. Исследовать влияние лазерной обработки и выглаживания на структуру, фазовый состав, качество поверхности и внутренние напряжения электрофизических покрытий.
Научная новизна:
1. На основе комплексных металлофизических исследований обобщены и развиты фундаментальные представления о формировании и строении электрофизических покрытий.
2. Выявлены закономерности по влиянию структуры электроискровых и электроакустических покрытий на их физические и механические свойства; принципы изменения износо- и коррозионной стойкости и качества поверхности покрытий от их структуры.
3. Обоснован выбор оптимального химического состава электродных материалов для электрофизических методов нанесения покрытий.
4. Найдены научно обоснованные технологические режимы для электроискрового и электроакустического нанесения покрытий.
5. Разработаны комбинированные методы обработки конструкционных и инструментальных материалов, состоящие из нанесения покрытия с последующей обработкой поверхности покрытия лазерным облучением или поверхностно-пластическим деформированием, в частности выглаживанием.
6. Научно обоснован технологический процесс комбинированной обработки для получения структуры поверхностных слоев композита, отвечающего повышенным эксплуатационным характеристикам и высоким показателям качества поверхности.
Практическая значимость исследования состоит в следующем: разработаны эффективные технологии и предложены практические рекомендации получения конструкционных и инструментальных материалов с электрофизическими покрытиями с повышенным уровнем износо-, жаро- и коррозионной стойкости. Экспериментально доказана эффективность применения электроискровых и электроакустических покрытий для деталей машин и инструментов, работающих в сложных условиях эксплуатации. Намечены пути дальнейшего совершенствования физических покрытий путем обработки поверхностных слоев покрытий выглаживанием минералокерамикой. Основные выводы диссертации подтверждаются промышленными испытаниями.
Объектами исследования являлись композиты с подложкой из сплава ЭП202 с нанесенными электрофизическими покрытиями, а также покрытия до и после финишной обработки.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели применяли современный металлофизический исследовательский комплекс: оптическую, электронную и растровую микроскопию; рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы. Среди оригинальных методик следует отметить метод внутреннего трения, потенциодинамические исследования и оценку адгезионной прочности сцепления покрытия с подложкой склерометрическим способом. Механические испытания проводились согласно существующим госстандартам; абразивный износ определялся по стандартной методике. В работе проведена статистическая обработка экспериментальных данных с использованием регрессионного анализа с применением ПЭВМ.
Достоверность результатов исследования, основных положений и выводов диссертации определяется корректностью постановки задач, согласованностью с результатами других исследователей, работающих в данной отрасли и с общепринятыми представлениями. Достоверность и воспроизводимость экспериментальных данных, полученных в диссертации, подтверждается также результатами исследований на аттестованных приборах и оборудовании, сравнением опытных данных с расчетами и апробацией в условиях производства.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны эффективные технологии и выбраны практические рекомендации получения конструкционных материалов с электрофизическими покрытиями с повышенными износо-, жаро- и коррозионными свойствами.
2. Намечены пути дальнейшего совершенствования электроискровой обработки (локального электроискрового нанесения покрытий и электроакустического нанесения покрытий) путем обработки поверхностных слоев покрытий лазерным излучением и выглаживанием минералокерамикой.
3. Основные выводы работы подтверждаются полупромышленными испытаниями. Результаты работы внедряются на предприятиях г. Курска и области.
4. Результаты исследования внедрены в практику подготовки студентов Курского государственного технического университета по специальностям «Технология и оборудование пищевых производств» и «Оборудование и технология сварочного производства».
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: XV Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии – 2008» (Курск, 2008 г.); I и II международных научно-практических конференциях «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2008, 2009 гг.); IV и V международных научно-технических конференциях «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008, 2009 г.); V Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2008 г.); V Всероссийской научно-практической конференции «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2008 г.); XII Международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2008 г.); XVI Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии – 2009» (Курск, 2009 г.); на совместном заседании кафедр «Оборудование и технология сварочного производства» и «Технология и оборудование пищевых производств» Курского государственного технического университета (15 сентября 2009 г.).
Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по теме диссертации опубликовано 20 работ, из них 1 –в журнале, рекомендуемом перечнем ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста, 25 рисунков, 6 таблиц, 179 литературных источников.
Карбидообразующие и боридообразующие элементы
Это влияние в жаропрочных сплавах носит сложный характер, так как в процессе эксплуатации сплавов карбиды претерпевают изменения. В сплавах на никелевой и железоникелевой основах грубые карбидные частицы обычно встречаются у границ зерен, при этом они оказывают положительное влияние на сопротивление разрушению. Этот эффект обусловлен образованием вокруг карбидных частиц зон, свободных от выделений, что будет обсуждено ниже.
Карбидные частицы также могут зарождаться на дислокациях при выдержках в процессе ползучести, снижая подвижность последних, что приводит к высокотемпературному деформационному дисперсионному упрочнению и соответствующему увеличению предела ползучести в процессе эксплуатации. В жаропрочных сплавах на кобальтовой основе карбиды также выделяются внутри зерна, внося существенный вклад в величину дисперсионного упрочнения. Однако во всех случаях выделение карбидов играет косвенную роль в упрочнении, связывая элементы (Mo, W, Ті), которые, будучи свободными, входили бы в состав у или у -фаз.
Карбиды в жаропрочных сплавах на никелевой основе образуются преимущественно по границам зерен. К числу карбидообразующих элементов относятся Cr, Mo, W, V, Nb, Та и Hf. Роль карбидов в жаропрочных сплавах значительно более сложна и менее изучена с теоретической точки зрения, чем роль у1-фазы. Имеют место два конкурирующих между собой механизма воздействия карбидов на высокотемпературные механические свойства сплава: карбиды, распределенные вдоль границ зерен, оказывают положительное влияние на прочность, затрудняя зернограничное проскальзывание, но в то же время карбиды определенной морфологии отрицательно влияют на вязкость разрушения.
При образовании карбидов наблюдается эффект, связанный с удалением карбидообразующих элементов из прилегающих к межзеренной границе областей матрицы. При разработке сплава используют карбиды для улучшения механических свойств при повышенных температурах и одновременно уменьшения их отрицательного влияния на вязкость разрушения за счет благоприятной морфологии выделений.
Существует четыре основных типа карбидов. Карбид МС, который выпадает при затвердевании сплава, образует грубые выделения как по границам, так и внутри зерен матрицы. Термически наиболее устойчивым соединением является HfC, затем карбиды титана, тантала, ниобия и ванадия. Особенно положительное влияние оказывает введение 1,5 % Hf.
В литейных сплавах сетка МС-карбида в форме иероглифов под влиянием Hf распадается на отдельные сфероидизированные выделения. Hf также входит в состав у -фазы, которая при этом имеет дендридообразную форму вместо обычных выделений кубической формы. В результате этого границы зерен из гладких становятся зигзагообразными. Низкотемпературная пластичность улучшается вследствие изменения морфологии карбидов, а пилообразная форма границ улучшает сопротивление ползучести при повышенной температуре. Гафний добавляют также для облегчения протекания направленной кристаллизации в жаропрочных сплавах. В качестве металлов в карбид МС входят Та, Nb, Ті и (или) V. Присутствие Nb или Та стабилизирует МС по отношению к химическому разложению при низких температурах, а небольшие добавки гафния определяют кубическую (а не шрифтовую) морфологию выделений.
При более низких температурах карбиды типа МС могут превратиться в более стабильные карбиды М2зСб. Карбиды М23Сб оказывают существенное влияние на механические свойства жаропрочных сплавов. Они образуют дискретные крупные выделения по границам зерен и в этой форме играют по преимуществу положительную роль, предотвращая зернограничное проскальзывание, но могут очень отрицательно влиять на пластичность сплавов, выделяясь вдоль границ в виде непрерывной хрупкой пленки. Следует, однако, иметь в виду, что при распределении этих карбидов по границам в виде вышеописанных частиц пластичность снижается в результате нарушения целостности границы матрица - карбид или нарушения самой частицы.
Карбид Сг7С3 образуется в виде крупных выделений по границам зерен в жаропрочных сплавах с малым содержанием Сг. В более сложных сплавах эти карбиды нестабильны и переходят в М2зС6.
Карбиды МбС оказывают влияние на механические свойства, подобное влиянию карбидов М2зСб, однако они устойчивы при более высоких температурах.
Следовательно, для обеспечения длительной прочности и пластичности сплавов объем прерывистого выделения карбидов по границам зерен должен быть минимальным, а их форма близка к округлой.
Образование карбидов того или иного типа в жаропрочных сплавах определяется составом сплава, температурой и временем. Карбиды МС, формирующиеся в процессе затвердевания, могут превращаться в низшие карбиды в соответствии со следующими реакциями в твердой фазе:
МС + у МззСб + у1,
МС + у МбС + у1. (1.2)
В формуле М2зСб функцию М выполняет Сг, который в небольших количествах может быть заменен на W, Мо и Со. Карбид М2зС6, подавляя зернограничное скольжение (за исключением случая, когда он имеет ячеистую морфологию и оказывает вредное влияние), играет существенную роль в величине сопротивления разрушению.
Эти реакции используют при термообработке для формирования дискретных выделений по границам зерен. Выделения у -фазы, также являющейся продуктом реакций, образуют оболочку вокруг карбидов, увеличивая тем самым вязкость зернограничного слоя.
Карбид МбС, образующийся при более высоких температурах (815-980С), чем М2зСб, в жаропрочных сплавах с высоким содержанием тугоплавких металлов, в отличие от карбида М2зС6 характеризуется широким интервалом составов от М3С до М С. Типичными составами являются (NiCo)3Mo3C или (NiCo)2W4C. Бор обычно содержится в жаропрочных сплавах в количестве до 0,05 % в виде зернограничных сегрегации по типу МзВ2, которые сами по себе могут действовать как источник бора в границах зерен. Бор оказывает положительное влияние на уменьшение растягивающих напряжений, действующих вдоль границ зерен. Механизм этого влияния окончательно не ясен, однако, возможно, определяется «избыточным» размером атома бора, который может повлиять на зернограничную диффузию, или характером воздействия бора на карбидные выделения у границ зерен. Зернограничные частицы М2з(С5В)б тормозят образование клиновидных трещин и пустот у границ зерен за счет роста стабильности, периода решетки и (или) сопротивления сколу борокарбидных фаз при увеличении содержания бора. По-видимому, бор играет ту же самую роль и в обеспечении долговечности при ползучести жаропрочных сплавов.
Установка для электроакустического напыления «ЭЛАН - 3», принцип работы
На рисунке 2.3 представлен внешний вид, конструкция и структурная схема установки «ЭЛАН - 3».
Работа установки «ЭЛАН - 3» реализуется по схеме, приведенной на рисунке 2.3, в.
Волновод 1 с зафиксированным на конце электродом, благодаря особенностям своей конструкции, совершает продольно-крутильные колебания. Волновод прикреплен к акустической системе 4. Высокочастотный сигнал с ультразвукового генератора 5 поступает на магнитостриктор акустической системы, который совершает колебания с частотой этого сигнала. Система 6 управления опрашивает датчик 3 обратной связи таким образом, чтобы на электрод, совершающий продольно-крутильные колебания, был подан разрядный импульс на определенном расстоянии от поверхности упрочняемой детали 2. В момент подачи импульса поверхность электрода нагревается примерно до 5000С, при этом в пространстве между электродом и поверхностью детали образуется мельчайшая «капелька» вещества электрода, находящегося в квазижидкой фазе. Под воздействием электрического поля «капелька» движется по направлению к детали и в момент отрыва от электрода взаимодействует с окружающей средой на активной площади S„. Скорость движения «капельки»: 13=1), +v2, (2.1) где х \ — скорость движения электрода в направлении, перпендикулярном к поверхности упрочняемой детали; г 2 - собственная скорость «капельки», обусловленная действием сил электрического поля.
Продольно-крутильные ультразвуковые колебания электрода оказывают диспергирующее воздействие на «капельку», в результате чего она распыляется на еще более мелкие частицы, увеличивая тем самым площадь S0. При этом из окружающей среды в реакцию вступают азот, кислород и другие элементы.
По истечении первого полупериода колебаний вещество электрода переносится на поверхность упрочняемой детали. При этом образуется переходный слой с модулем сдвига Gn, который связан с модулем сдвига Gi материала упрочняемой детали и модулем сдвига G2 напыленного слоя соотношением Gi Gi2 G2. Затем электрод ударяется о поверхность детали. Вследствие продольно-крутильных колебаний удар сопровождается сдвигом, что обусловливает высокочастотную микропластическую деформацию как напыленного слоя, так и подложки (детали). При этом соотношение модулей сдвига имеет вид Gi G4 Gi2 G2 G3, где G3 - модуль сдвига деформированного напыленного слоя; G4 - модуль сдвига деформированного слоя подложки.
По истечении второго полупериода электрод отходит от поверхности детали.
Объединив слои в соответствии с их физико-механическими свойствами (модулями сдвига), можно предположить, что процесс упрочнения детали методом ЭН преодолевает два барьера: первый барьер, препятствующий выходу дислокаций на поверхность, образован слоями с модулями сдвига G4 и Gi2, второй - слоями с модулями сдвига G3 и G2.
Эффективность процесса ЭН обусловлена двумя группами факторов:
1) технологические - высокая (до 6 см7мин) производительность, низкая себестоимость (в качестве электрода используют отходы твердосплавного инструмента), возможность прогнозирования микротвердости и шероховатости поверхностного слоя;
2) физико-химические - получение дислокационных структур, заданного элементарного состава поверхностного слоя и его электропластичность при деформировании и импульсном воздействии [152] высокоэнергетического электромагнитного поля (ЭМП).
Известно, что высокоэнергетический импульс существенно влияет на пластичность и прочность проводящих материалов. В работе [152] показано, что при использовании ЭМП с плотностью тока 1-105 А/см2, удельной энергией импульса тока q 109 Дж/м и длительностью импульса 100 мкс усилие деформирования в режиме релаксации снижается на 25-30 %, а скорость деформирования при ползучести увеличивается в несколько раз. Представленные выше сведения по ЭИЛ и, в частности, по ЛЭНП и ЭЛАНП, а также анализ литературных данных, приведенных в библиографии, показывают и определяют актуальность работы в применении данных технологий для повышения работоспособности деталей из конструкционных материалов.
Исследование структуры и свойств сплава ЭП202 после термической обработки
Основы теории термической обработки (ТО) даны в работе [27], а старения металлических сплавов в [4, 39]. Термическая обработка жаропрочных никелевых сплавов широко отражена как в отечественной [2, 3, 85 11, 13-23, 31, 35-38, 42, 45, 50-56, 60-62, 65, 74 и др.], так и в иностранной литературе [1, 25, 33, 46].
В никелевых сплавах оптимальное сочетание количества, формы, размеров и распределения упрочняющей фазы достигается ТО, состоящей из закалки и старения.
Выдержкой при высоких температурах достигается растворение избыточных фаз в твердом растворе и получение размера зерна требуемых размеров. Температура нагрева под закалку должна быть достаточно высокой для наиболее полного растворения у -фазы. Она обычно изменяется от 1050 до 1220С в зависимости от состава сплава. Чем выше температура полного растворения у -фазы, тем больше жаропрочные характеристики сплава. Закалку никелевых сплавов обычно осуществляют охлаждением на воздухе.
Закаленный у-твердый раствор неоднороден, в процессе охлаждения в нем происходит перераспределение легирующих элементов и образуются обогащенные А1 и Ті области, размером от (5..8 до 100..120) нм. В никелевых сплавах даже при охлаждении в воде происходит частичный распад пересыщенного у-твердого раствора по схеме у — у1 с выделением тонкодисперсных частиц первичной упрочняющей фазы.
Дисперсионное твердение (старение), последующее после закалки никелевых сплавов, поводят при температуре выше ожидаемых в условиях эксплуатации или, по крайней мере, равной рабочей температуре. Состав и природа упрочняющих фаз определяют у данного сплава температурные режимы старения. Обычно температура старения составляет 700...950С. В процессе старения пересыщенного у-твердого раствора выделяется у -фаза. Если частичный распад у — у1 прошел уже на стадии охлаждения, то выделившиеся раньше частицы укрупняются и, кроме этого, образуются новые частицы.
Режимы старения можно изменять в зависимости от требуемых свойств сплавов. Существуют ступенчатые режимы старения — двойные и более сложные, последние малоприменимы для практики.
Цель ступенчатого старения - обеспечение возможно более полного выделения у -фазы с оптимальной ее морфологией. Для обеспечения длительной стабильности никелевых сплавов необходимо умеренное содержание упрочняющих фаз в их структуре, т.е. применение умеренно. Очень важно при этом получить равномерное и максимальное выделение тонкодисперсных и интерметаллидных и карбидных фаз, что предусматривается ступенчатыми режимами обработки. Ступенчатые режимы старения хотя и приводят к потере прочностных свойств, но значительно повышают пластические свойства и уменьшают склонность сплавов к тепловой хрупкости.
За формирование дисперсной структуры высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов ответственны все этапы термической обработки. На рисунке 3.6 приведена для примера структура сплава ЭИ698 после двойной закалки и ступенчатого старения. Она представлена у-твердым раствором, небольшим количеством сравнительно крупных частиц у -фазы сферической формы, формирующихся во время нагрева под вторую закалку, и ультрамелкими частицами у1- фазы, образующимися при старении. Такая смешанная дисперсная структура, состоящая из мелких и крупных частиц у -фазы, обеспечивает высокое дисперсионное упрочнение одновременно по механизмам обхода, переползания и перерезания.
Далее в работе исследовалось влияние режимов ступенчатого старения на структуру и механические свойства комплексно легированных Ni-Cr-сплавов. Материалом для исследования служила модельная композиция Ni-(15...18)Cr-Mo-W-Fei-Al с микродобавками углерода и бора типа ХН67МВТЮ (ЭП 202).
С применением метода математического планирования эксперимента (дробная реплика 24 1) изучено влияние ступенчатого старения (низкотемпературное + высокотемпературное) на механические свойства вышеуказанных сплавов, упрочняемых у - фазой типа Ni3(Al,Ti). Реализована схема двухступенчатого старения в области температур 500- 750С в течение 10-24 ч. Функциями отклика выбраны предел прочности и ударная вязкость при 20 и 750С. Испытания на растяжения проводились на цилиндрических образцах с надрезом (радиус надреза 0,1 мм) и стандартных квадратных образцах для определения ударной вязкости. Определяли временное сопротивление разрыву, относительные удлинения и сужение (ГОСТ 1497-84), а также время до разрушения при высокой температуре (ГОСТ 10145-81). Независимо от величины зерна исследованные сплавы нечувствительны к надрезу при повышении температуры испытаний до 750С. Установлено, что по сравнению с разовым ступенчатое старение по оптимальным режимам обеспечивает в 1,4-1,6 раза более высокие значения ударной вязкости при сохранении прочности при 20С на 12-16 % без снижения ударной вязкости. Характеристики высокотемпературной прочности сплавов после ступенчатого старения не ниже, чем в случае разового. Обнаружена большая прочность надрезанных образцов по сравнению с гладкими. Это объясняется тем, что максимальная нагрузка на надрезанные образцы прикладывается в момент разрушения, тогда как у гладких образцов разрушению предшествует образование шейки
Электронно-микроскопическое исследование показало, что после ступенчатого старения частицы упрочняющей у1-фазы имеют более равномерное распределение по объему зерен (рис. 3.7 б, в), разброс их по размеру меньше, а дисперсность (в случае роста ударной вязкости) выше (рис. 3.8). Трансмиссионная электронная микроскопия тонких фольг, приготовленных из массивных образцов (рис. 3.7 в) подтвердила, что размер выделившихся частич у -фазы после двухступенчатого старения составляет 150-300 А. Приготовление качественных фольг осуществлялось по методике, описанной в работе [180]. Среднее расстояние г между частицами у1- фазы определялось по формуле:
Оно оказалась равным 950-1000 А. Параметр решетки матрицы после одноступенчатого и двухступенчатого старения составлял 3,570 и 3,566 А соответственно. Объемная доля у -фазы в сплаве составляла 18-25%. Установлено, что прочностные свойства определяются в основном размерами зерен и объемной долей у -фазы, а пластические — количеством, распределением и морфологией избыточных фаз.
На основании моделирования полученных результатов выбраны наиболее эффективные режимы термической обработки.
Максимальные механические свойства после двухступенчатого старения получались при сужении пределов интервала температур низкотемпературного старения. Такая возможность подтверждена расчетами с использованием методов регрессивного анализа, в которых были получены адекватные математические модели и температура старения - свойства, удовлетворительно описывающие зависимость механических свойств сплава ЭП202 от температуры обработки внутри изученного диапазона температур низкотемпературного старения.
С помощью полученных регрессионных моделей установлена оптимальная температура (540С) низкотемпературного старения, обеспечивающая повышенный уровень ударной вязкости.
Изучение вопросов восстановления дисковых рабочих органов
В настоящее время в Курской губернии и других регионах Российской Федерации существует проблема - недостаточное количество почвообрабатывающих и посевных машин. В связи с этим сроки обработки почвы и посевов затягиваются, а значительная часть посевных работ выполняется не в агротехнические сроки. У данных сельскохозяйственных машин наиболее интенсивно изнашиваются рабочие органы, в частности диски, которые имеют сравнительно небольшой ресурс работы. Например: ресурс дисков сошников в пересчете на одну сеялку составляет от 150 до 400 га в зависимости от почвенных условий. Наиболее интенсивное изнашивание дисков происходит на песчаных и супесчаных, а также щебнистых, каменистых почвах.
В связи с этим выработка мер, направленных на повышение ресурса рабочих органов сеялок, является актуальной задачей, требующей неотложного решения.
Данная работа направлена на повышение ресурса (долговечности) дисковых рабочих органов.
Диски, изношенные до предельного диаметра, подлежат восстановлению, а не дошедшие до предельного размера, затачиваются на ближайший ремонтный размер. Так, например, в хозяйствах изношенные диски сошников затачиваются на следующие ремонтные размеры: 342+0,5; 334+0,5; 326+0,5 (мм).
Недостаток такой технологии заключается в том, что при этом допускается слишком большой диапазон между соседними ремонтными размерами, а это приводит к значительному снижению ресурса рабочих органов.
В работе предлагается ряд мероприятий по повышению ресурса дисковых рабочих органов с учетом погрешности установки диска при заточке.
При этом рекомендуемое количество ремонтных размеров дисковых рабочих органов колеблется от 6 до 8: для дисков сошников - шесть (346+0,5; 338+0,5; 334+0,5; 330+0,5; 326+0,5 мм), для дисков лущильников -восемь (445,77+1; 441,3+1; 437,3+1; 433,1+1; 428,9+1; 424,7+1; 420,5+1; 416,3+1 мм).
Дисковые рабочие органы, изношенные до предельного диаметра, могут быть восстановлены до номинального размера на предприятиях технического сервиса следующим образом. После очистки и дефектации изношенные диски сошника, имеющие диаметры менее 326 и более 310 мм, а диски лущильника — менее 416 и более 400 мм, обтачиваются на токарном станке, диски сошника до диаметра 310 мм, а диски лущильника до 400 мм — с оставлением фаски соответственно 0,7x45 и 2,2x45.
Из листовой стали изготавливаются пластины в виде 1/3 части кольца шириной 20 мм для диска сошника и 1/4 части кольца шириной 25 мм для диска лущильника.
Изготовленные пластины и обточенные диски подвергаются пескоструйной обработке.
Далее диск и пластины прижимаются в специальном приспособлении и привариваются между собой. Сварка осуществляется в среде углекислого газа сварочной проволокой Св 08Г2С или другой марки диаметром от 0,8 до 1,2 мм. Режимы сварки выбираются в зависимости от диаметра сварочной проволоки и необходимой производительности процесса.
Восстановленные диски зажимаются в оправу и затачиваются на токарном станке или на специальном приспособлении для заточки дисков согласно техническим требованиям. Снимается также сварочный шов, если он выступает над поверхностью диска более чем на 1 мм.
Для повышения ресурса дисковых рабочих органов следует стремиться к обеспечению условия самозатачивания их лезвий. Для этого лезвия дисковых рабочих органов следует упрочнять методом электроискрового легирования (ЭИЛ). ЭИЛ осуществляется на установке «ЭФИ-45» (рис. 4.6), разработанной специально для применения в «любых» условиях, где есть возможность подключения к питанию переменного тока с 25-220 В.
ЭИЛ осуществляется твердыми сплавами ТК, ВК и др. Например, ВК6М, порошковыми проволоками на железной и никелевой основах марок ПГ-ФБХ6-2 и ПГН-10-01 соответственно [1].
Существующие точки зрения на первопричинность образования искрового разряда при ЭИЛ носят дискуссионный характер. Но дальнейшие представления эволюции эрозионного процесса сводятся к единой модели, которая в целом поддерживается многими исследователями и заключается в следующем. В зоне взаимодействия искрового разряда с проводником возникает локальная область высокого давления за счет абляции и теплового выброса. Возрастающее давление приводит к повышению температуры фазово-структурных превращений материала, поэтому, несмотря на высокую температуру, образующиеся продукты эрозии включают кроме пароплазменной и жидкокапельной фаз твердокристаллические частицы. По мере разлета продуктов эрозии и падения локального напряжения в твердокристаллических и жидкокапельных частицах нарушается баланс между внутренней и поверхностной энергиями, в результате происходит оплавление твердых частиц, а они в свою очередь дробятся на более мелкие фрагменты. Процесс дробления эрозионных частиц носит многокаскадный характер, при этом каждый этап диспергирования можно рассматривать как переход через точку бифуркации, а формирование структуры анодного массового потока - как самоподобный на разномасштабном уровне процесс, т. е. фрактальный процесс.
При нанесении покрытий в подложке сохраняется исходный фазовый состав, а на поверхности формируется так называемый белый слой, имеющий сложный состав.
Электроискровому упрочнению поддаются черные металлы и сплавы. В качестве упрочняющих электродов возможно применение любых токопроводящих материалов в зависимости от поставленной задачи и ожидаемых результатов. Широко применяются твердые сплавы, составляющими которых являются карбиды вольфрама и титана, феррохром, хром, хром-марганец, алюминий, белый чугун, графит и т. д. Метод не требует предварительного нагрева и последующей термообработки. Упрочненный слой имеет высокую твердость и износостойкость, а при соответствующем подборе электродов - жаростойкость, не оказывает влияния на ударную вязкость, снижает сопротивление усталости в связи с положительными напряжениями в слое. К недостаткам метода можно отнести низкую производительность, шероховатость и несплошность (раковины, трещины, поры) покрытий, которые устраняются автоматизацией процесса, лазерным оплавлением, алмазным выглаживанием и оптимизацией режимов нанесения покрытий.
При помощи ЭИЛ упрочняется та грань лезвия, которая подвергается наименьшему изнашиванию. Если это условие не будет выполняться, то интенсивность изнашивания твердого и мягкого слоев может выравняться, что приведет к быстрому затуплению лезвия. Выбор грани лезвия, которая должна упрочняться, зависит от почвенных условий, где будет применяться рабочий орган. При этом у ротационных рабочих органов плугов и плоскорезов, используемых на песчаных и супесчаных почвах, рекомендуется упрочнять верхнюю грань, а у используемых на тяжелых глинистых и суглинистых почвах — нижнюю грань лезвия. Упрочнение лезвия дисковых рабочих органов у дисков сошников проводится с внутренней стороны, а у дисков лущильников и дисков борон — с передней стороны.
