Содержание к диссертации
Введение
1.Анализ объекта исследования 6
1.1. Условия работы 6
1.2. Исследование процесса изнашивания ЗКЭ 9
1.2.1. Геометрические параметры 9
1.2.2. Анализ механизма изнашивания 14
1.3. Анализ способов повышения срока службы ЗКЭ 24
1.3.1. Улучшение характеристик стали 110Г13Л 25
1.3.2. Метастабильные аустенитные стали 30
1.3.3. Выбор оптимальной конструкции ЗКЭ 34
1.4. Постановка задачи на исследование 45
2. Разработка методик эксперимента 49
2.1. Методика испытаний на износостойкость 49
2.1.1. Анализ существующих методик 50
2.1.2. Методика испытаний на маятниковом склерометре 60
2.2. Методика моделирования первичной кристаллизации 64
2.3. Выводы 70
3. Исследования свойств износостойких сплавов 71
3.1. Испытания на стойкость к микрорезанию 72
3.1.1. Выбор сплавов-представителей 72
3.1.2. Результаты испытаний 75
3.2. Исследование первичной кристаллизации 81
3.3. Выводы 86
4. Разработка наплавочного сплава 87
4.1. Постановка задачи на многофакторный эксперимент 87
4.2. Методики определения параметров оптимизации 88
4.2.1 .Методика определения деформации зарождения трещины 89
4.2.2. Методика испытаний на отслоение 92
4.3. Определение размеров факторного пространства 93
4.4. Построение матрицы эксперимента 96
4.5. Результаты эксперимента 100
4.5.1. Построение уравнений регрессии 100
4.5.2. Расчет функций желательности 101
4.5.3. Движение в область оптимума 104
4.6. Расчет порошковой проволоки 105
4.7. Выводы 108
5. Опытно-промышленные испытания 109
5.1. Технология упрочнения ЗКЭ 109
5.2. Результаты испытаний 111
Основные результаты и выводы 113
Библиографический список 115
Приложения
- Исследование процесса изнашивания ЗКЭ
- Анализ существующих методик
- Выбор сплавов-представителей
- Методики определения параметров оптимизации
Введение к работе
Открытая разработка является наиболее эффективным способом добычи полезных ископаемых. Важнейшим звеном технологической цепи открытой добычи является процесс экскавации, бесперебойность которого во многом определяется долговечностью сменных зубьев ковшей карьерных экскаваторов, испытывающих непосредственное взаимодействие с породой. При экскавации взорванного массива особо крепких и абразивных пород ЗКЭ работают в экстремальных условиях абразивного изнашивания (большое количество благоприятно ориентированных режущих кромок на поверхности фрагментов взорванной породы, доминирующая роль микрорезания металла, интенсивные ударные нагрузки и т.п.), что вызывает их быстрый выход из строя. При разработке забоя неокисленных железистых кварцитов срок службы комплекта зубьев ковшей карьерных экскаваторов с общей массой 1т составляет 2^- 3 суток, причем масса изношенного металла относительно общей массы зубьев не превышает 15%. Повышение их долговечности дает существенный экономический эффект и, поэтому, весьма актуально.
Зубья ковшей карьерных экскаваторов являются определяющим изделием-представителем целой группы деталей, изготовляемых из стали 110Г13Л (стали Гадфильда), закаленной на аустенит и имеющей уникальное сочетание износостойкости и вязкости. С момента создания (1882 г.) эта сталь не находит себе достойных заменителей при изготовлении цельнолитых деталей, работающих в экстремальных условиях абразивного изнашивания с ударными нагрузками. Применительно к зубьям ковшей карьерных экскаваторов конструкция и материал износостойких участков помимо прямого назначения должны обеспечивать приемлемый уровень несущей способности зубьев ковшей карьерных экскаваторов в целом, соответствие их объема объему изнашиваемого в процессе эксплуатации металла и максимальное приближение к выполнению условия самозатачивания.
5 Задача выбора наплавочного сплава и технологии его объемной наплавки
на рабочие поверхности зубьев ковшей карьерных экскаваторов и им подобных деталей осложняется недостаточным объемом информации по сплавам, работающим в условиях доминанты микрорезания в сочетании с разупрочняющим действием факторов, свойственных ударно-абразивному изнашиванию. Для ее решения необходима разработка принципиально новых методик испытаний наплавленного металла и наблюдения за процессами формирования первичной микроструктуры.
Целью работы является повышение долговечности зубьев ковшей карьерных экскаваторов путем разработки на научной основе технологии упрочнения плазменной дугой рабочих поверхностей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование характера износа зубьев ковшей карьерных экскаваторов
в условиях реальной эксплуатации и разработка методики испытаний металлов
и сплавов на износостойкость, моделирующей механизм абразивного изнаши
вания зубьев ковшей карьерных экскаваторов (доминанта микрорезания + до
полнительное разупрочнение при нормальном внедрении абразива).
Проведение испытания по разработанной методике серии сплавов-представителей различных структурных групп и систем легирования с последующим выбором сплава-прототипа.
Разработка методики моделирования процессов первичной кристаллизации при наплавке износостойких сплавов и исследование процессов первичной кристаллизации с целью оптимизации параметров режима упрочнения.
Разработка оптимального состава износостойкого сплава и порошковой проволоки для его механизированной наплавки.
Разработка технологического процесса нанесения износостойкого покрытия на рабочие поверхности зубьев ковшей карьерных экскаваторов и проверка предложенной технологии в производственных условиях.
Исследование процесса изнашивания ЗКЭ
Особенностью взаимодействия режущего инструмента с грунтами является чрезвычайно большая интенсивность изнашивания и величина допустимого износа. Если для многих классов машин предельным считается износ в несколько сотых миллиметров, то для ЗКЭ он достигает десятков и сотен миллиметров. Срок службы комплекта из пяти ЗКЭ с общей массой 1тн при экскавации неокисленных железистых кварцитов составляет 2+ 3 суток, причем масса изношенного металла относительно общей массы ЗКЭ не превышает 15%.
На первом этапе поисков путей увеличения долговечности ЗКЭ была поставлена задача определения изменения их формы в зависимости от количества добытой породы. Исследования проводились на добычном комплексе карьера Михайловского ГОКа в забое неокисленных железистых кварцитов. Фиксация износа заключалась в периодическом фотографировании изнашиваемых ЗКЭ на видах сверху и в профиль с последующими обмерами фотоснимков. Одновременно фиксировалось количество добытой породы Q. Усредненные результаты обмеров для 20 комплектов зубьев ЭКГ- 4 приведены на рис. 1.4, а внешний вид изношенных ЗКЭ — на рис. 1.5.
На первых стадиях работы ЗКЭ наблюдается увеличение радиуса затупления режущей кромки ЗКЭ. В дальнейшем на задней грани образуется площадка износа, форма которой стабилизируется после погрузки 5-7 тыс. тонн добытой породы. Подобная закономерность изнашивания отмечена для резцов угольных комбайнов[6] и лезвий рабочих органов почвообрабатывающих машин [7]. Площадка износа представляет собой выпуклую криволинейную поверхность, образующую отрицательный угол є = 12-45 к траектории резания. В направлении нормали к площадке износа изнашивание ЗКЭ идет с максимальной интенсивностью. Внешний осмотр выявил на площадке износа хорошо видимые вмятины и борозды, глубина которых достигает 2-3 мм (рис. 1.6а). Это указывает на абразивный тип изнашивания с преобладающим микрорезанием в сочетании с ударно-абразивным изнашиванием при соударении ЗКЭ с породой. Для передней и задней граней режущей части ЗКЭ более характерно абразивное изнашивание по механизму накопления повреждений с отделением частиц износа при многократном пластическом деформировании(рис.І.бб).
За счет клиновидной формы зуба ширина площадки износа в процессе работы непрерывно увеличивается и в конце срока службы достигает величины 120 -=- 140 мм. Схема резания грунта клином с площадкой износа представлена на рис. 1.8. Для упрощения анализа площадка износа принята плоской. Наличие площадки износа с отрицательным задним углом резания приводит к появлению дополнительных сил сопротивления резанию за счет смятия грунта. Из выражения (1.5) видно, что на величину R которая стремится вытолкнуть клин из грунта большое влияние оказывает протяженность площадки износа, которая непрерывно растет. По данным [8] к концу работы увеличение сил сопротивления, выталкивающих зуб из забоя, достигает 250-КЗОО % . Дополнительное сопротивление дает рост угла заострения (Зш от 30 до 55.
Процесс взаимодействия ЗКЭ с породой при экскавации грунтов V и VI категорий можно представить как суперпозицию двух основных видов изнашивания: — ударно-абразивное изнашивание и расклепывание в момент внедрения ЗКЭ в забой с соударением площадки износа с массивом взорванной породы; - абразивное изнашивание при трении скольжения по закрепленному аб разиву при разрушении забоя и заполнении ковша породой. Ударно-абразивное изнашивание происходит при ударе тел по поверхности, имеющей абразивные или иные твердые частицы [10]. Его механизм представляется как многократное деформирование поверхности абразивным зерном с образованием лунок и валиков с последующим отрывом частиц. Наличие лунок, разделенных перемычками, является внешним признаком ударно-абразивного изнашивания (рис. 1.10).
Процессы, характерные для ударно-абразивного изнашивания, является существенным фактором разупрочнения рабочих поверхностей при работе ЗКЭ и способствуют многократной интенсификации абразивного изнашивания при трении скольжения. Учет закономерностей, присущих ударно-абразивному изнашиванию, позволяет более обоснованно подойти к отбору материалов для дальнейших исследований.
При ударном внедрении абразивных частиц высота валиков вокруг лунок значительно больше, чем при статическом вдавливании при одинаковой глубине внедрения [ 11 ], что способствует их скорейшему удалению при последующем абразивном воздействии. Для процессов ударно-абразивного изнашивания характерна высокая степень деформации микрообъемов поверхности. Для хрупких материалов прямое динамическое внедрение твердых абразивных частиц при критической энергии удара создает исключительно благоприятные условия для зарождения в металле хрупких трещин на микро- и макроуровнях. При вдавливании происходят скачки перемещения с образованием выколов с естественным центральным углом скалывания а (рис 1.11)
При выборе сплавов, стойких к ударно-абразивному изнашиванию, возникает известное противоречие между требованиями обеспечения высокой стойкости к многократному пластическому деформированию путем повышения прочностных свойств (пределов текучести и прочности, твердости и др.) и увеличения стойкости к хрупкому разрушению за счет повышения вязкости разрушения. Для его разрешения в работе [13] предлагается комплексный критерий стойкости сталей к ударно-абразивному изнашиванию аь " Ч гДе оь - предел прочности, i/ — относительное сужение.
Сведения о применимости тех или иных сплавов при ударно-абразивном изнашивании достаточно противоречивы. Согласно [10], максимальной стойкостью к ударно-абразивному изнашиванию обладают сплавы, находящиеся на границе перехода от вязкого разрушения к хрупкому. В работе [14] высоколегированные наплавочные сплавы (система легирования C-Cr-W-Ті) имели более низкие показатели при испытаниях на ударно-абразивное изнашивание без проскальзывания абразивных частиц, чем сталь 45, подвергнутая закалке и низкому отпуску (твердость 50HRC). Наблюдалось хрупкое разрушение поверхностных слоев, микроструктура которых состояла из сильно деформированных и слабо связанных зерен с карбидными включениями, что говорит о разупрочнении поверхности изнашиваемого металла. Однако, при шаржировании поверхности изнашиваемого металла абразивными частицами эффективность применения высоколегированных износостойких сплавов для упрочнения деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания в сочетании с ударными нагрузками, многократно возрастает, чему имеются многочисленные примеры.
При повышении энергии удара, когда размеры зоны разрушающих напряжений становятся сопоставимыми с размерами изнашиваемой детали, на первый план выступает опасность макроразрушения детали по механизму хрупкого разрушения (откол крупных частиц, отслоение наплавленного металла и т. п.) и недопустимого изменения формы и размеров при пластической деформации (расклепывания).
В ряде работ ударно-абразивным не совсем точно называют абразивное изнашивание в сочетании с динамическими нагрузками [15-17]. Для уточнения следует добавить, что в данном случае имеет место суперпозиция процессов абразивного изнашивания и ударно-абразивного изнашивания согласно терминологии /48/. В зависимости от условий работы один из процессов может быть доминирующий. При критических значениях динамической нагрузки возможно развитие процесса макроразрушения наплавленных покрытий или деталей в целом. Практически степень динамичности удобно оценивать с помощью коэффициента динамичности КД5 который учитывает распределение твердости по глубине наклепанных в результате внешнего воздействия деталей или образцов из стали 110Г13Л при установившемся процессе изнашивания (рис. 1.12).
Анализ существующих методик
Согласно [16], существуют следующие основные схемы испытаний на абразивное изнашивание: 1) изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы; 2) изнашивание при трении в абразивной массе; 3) ударно-абразивное изнашивание; 4) газоабразивное изнашивание; 5) гидроабразивное изнашивание. Процессы микрорезания, свойственные условиям работы ЗКЭ, воспроизводятся во время испытаний по схеме 1 при трении о шлифовальную шкурку или шлифовальный круг. Известны многочисленные методики, проанализированные в [16]. Они отличаются кинематическими схемами испытательных установок и параметрами режима изнашивания. На рис 2.1 приведены примеры схем установок для испытаний при трении о закрепленный абразив.
Наиболее методически проработанным следует считать испытания по ГОСТ 17367—71 при трении о шлифовальную шкурку [16]. Они проводятся на машине Х4-Б, разработанной под руководством Хрущева М.М. в ГосНИИ машиноведения. Схема установки приведена на рис. 2.2. Рис. 2.2. Схема машины Х4-Б На плоском вращающемся диске 1 закрепляется абразивная шкурка с зернистостью 180 (размер абразивных зерен 63-84 мкм). Цилиндрический образец 2, помещенный в державку 3 и находящийся под нагрузкой 4, трется торцевой поверхностью о шкурку и перемещается при вращении диска в радиальном направлении. Путь трения представляет собой спираль Архимеда. Это обеспечивает непрерывное трение по свежей шкурке.
При испытании металлических материалов предусматриваются следующие условия испытания, принятые за нормальные: 1. Диаметр образца — 2 мм. Это позволяет создать достаточный уровень удельных давлений, а также свести к минимуму период приработки. 2. Нагрузка - 2,94 Н (при образце диаметром 2 мм это соответствует удельной нагрузке 0,936 МПа). 3. Абразивная истирающая поверхность - корундовая шлифовальная шкурка, что обеспечивает независимость результата испытаний от соотношения твердостей абразива и металла (зона III на рис. 1.15). 4. Поверхность одной шкурки, уложенной на диск, делится на 10 зон; в каждой зоне образец совершает путь 3 м. Из этих 10 зон на пяти зонах (через одну) испытывается изучаемый образец, на остальных пяти зонах -эталон. 5. Путь трения испытуемого эталонного материалов по 15 м на каждом листе, на двух листах 30 м. Результат испытания на абразивное изнашивание на машине Х4-Б обычно выражается в виде относительной износостойкости _ AG3 AGM где: Атэ - потеря массы эталона; Атм - потеря массы испытуемого металла. В случае определения износа по потере массы не нужно приводить результаты к одинаковой удельной нагрузке, если диаметры образцов испытуемого материала и эталона не одинаковы.
По результатам испытаний на машине Х4-Б накоплен достаточно большой банк данных по различным материалам, в т.ч. по износостойким наплавочным сплавам [82]. Стандартные условия испытаний позволяют адекватно сравнивать вновь полученные результаты с ранее известными.
К недостаткам данной методики следует отнести малый диаметр образца, что определяет трудоемкость его изготовления, в особенности для труднообрабатываемых материалов (износостойкие наплавочные сплавы, сталь НОГ 13Л, MAC). Образец малого диаметра по условиям работы приближается к индентору и не моделирует поверхность изнашивания натурных деталей с большой площадью контакта [81]. Велико также влияние краевого эффекта(отколы по краям) на разброс данных при изнашивании хрупких сплавов за счет различия напряженного состояния на краях и в центре образца. Попытка увеличить диаметр образца ведет к увеличению периода приработки и росту нагрузки на образец, которая ограничена прочностью ткани или бумаги шкурки.
Несмотря на то, что испытания на машине Х4-Б проходят в режиме микрорезания, они не позволяют адекватно моделировать процессы, свойственные ударному нагружению при работе ЗКЭ. В определенной степени это достигается на установке У-1-АМ (рис.2.3). Она предусматривает изнашива ниє образца 15 при ударе по блоку породы 16 с одновременным проскальзыванием при вращении. Шпиндель 13 с грузами 14 и образцом при вращении поднимается по неподвижному кулачку 9 и падает с высоты 100 мм. Недостаток этой методики испытаний — явно недостаточная интенсивность изнашивания при проскальзывании.
Рассмотренные выше методики не предусматривают энергетический анализ процесса изнашивания, который при всех условиях осуществляется в соответствии с фундаментальными законами природы и, в частности, законом сохранения энергии. Для того, чтобы отделить от монолитной детали некоторый микро- или макрообъем, нужно затратить энергию, необходимую, как минимум, для образования двух новых поверхностей соответствующей площади. Изменение внутренней энергии изнашиваемого материала равно величине энергии новых поверхностей, образующихся при разрушении, и энергии, аккумулируемой в металле в виде скрытой энергии деформации и фазовых превращений при взаимодействии с изнашивающей средой. При этом происходит разрыв межатомных связей, приводящий к отделению одной части кристаллической решётки от другой и образованию новых поверхностей. Энергетический поход к процессу абразивного изнашивания, примененный в [20] и развитый в последующих работах Попова B.C., позволяет, в частности, объяснить увеличение относительной износостойкости є стали Х12Ф1 при уменьшении твердости от 8 до 5 ГПа (рис. 2.4).
Из вышеприведенного примера следует, что способность поглощать энергию при абразивном изнашивании является более объективным критерием износостойкости, чем твердость и другие механические свойства. В условиях микрорезания в качестве энергетического критерия износостойкости может служить работа сил микрорезания, отнесенная к единице массы, потерянной при изнашивании. При испытаниях на машине Х4-Б эта работа может быть оценена путем одновременной записи в зависимости от времени кривых тангенциальной силы трения Рт (t), действующей на образец, и пути трения S (t). Путем исключения переменной времени строится график PTp(S). Далее путем графического или компьютерного интегрирования рассчитыва ется работа трения Атр = J r S . Данная методика отличается сложностью оборудования.
Выбор сплавов-представителей
Для выбора сплава-прототипа с целью дальнейшей оптимизации состава наплавочного материала для объемного упрочнения плазменной дугой была поставлена задача испытать по разработанной выше методике сплавы-представители различных систем легирования и структурных групп. По результатам анализа объекта исследования были выработаны следующие требования к сплавам износостойких участков ЗКЭ: 1) Максимальная стойкость к микрорезанию. При абразивном изнашивании без ударных нагрузок она обеспечивается максимальным содержанием упрочняющих фаз (карбидов, боридов, нитридов и их комбинаций), прочно закрепленных в сравнительно пластичной матрице. Матрица помимо прямых функций должна также обеспечивать вклад в сопротивление микрорезанию. Этому условию в полной мере отвечают заэвтектические белые чугуны с первичными карбидами в аустенито-мартенситной матрице. Однако при микрорезании с элементами ударно-абразивного изнашивания и интенсивными ударными нагрузками в макромасштабе эти сплавы полностью непригодны и исключаются из дальнейшего рассмотрения. 2) По характеру сопротивления внешнему воздействию сплавы должны находиться на границе перехода от вязкого разрушения к хрупкому. Предполагается умеренное количество упрочняющих фаз. Этому условию вполне удовлетворяют доэвтектические сплавы, содержащие в микроструктуре дендриты первичного метастабильного аустенита и карбидную (карбо-боридную, боридную) эвтектику, соотношение между которыми в основном определяют работоспособность сплавов в конкретных условиях эксплуатации. Существенным резервом повышения эксплуатационных свойств является также оптимизация параметров дендритной структуры и улучшение морфологии эвтектики. Весьма желательным представляется получение тонкодисперсных карбидов, распределенных по объему первичных дендритов. 3) Сплав должен иметь систему легирования Fe-C-Cr-Mn. Она позволяет получить аустенитные сплавы с широким диапазоном свойств, определяемых степенью стабильности аустенита, способностью к фазовому и механическому наклепу и кинетикой у- аиу- є превращений. Дополнительное карбидное упрочнение должно определяться легированием сильными карбидообразующими элементами. Не последнее значение имеют экономичность легирования.
Сплавы № 4, № 6 и № 7 были получены наплавкой способом УПВД образцов из стали 110Г13Л на экспериментальной установке, представленной на рис. 3.1а. Она собрана на базе сварочного автомата АДГ-502, на котором смонтирован плазмотрон ПВР-1. В качестве источника питания плазменной дуги использовалась установка для плазменной резки АПР-404, вспомогательной дуги - выпрямитель ВДУ-506. Микроструктуры наплавленного металла а - сталь 110Г13Л + сплав № 4, х 150; б) - сплав № 6, х 220; в - ПП АН-125,дуговая наплавка, х220; г - ПП АН-170, дуговая наплавка
Выбор состава сплавов №4 и №5 был продиктован стремлением получить сплавы с хромомарганцевым метастабильным аустенитом с различной способностью к у —» а превращению. Стали, близкие по составу к сплаву №5, согласно данным [55] имеет активную кинетику образования мартенсита деформации. Повышение в сплаве №4 содержания углерода и марганца способствует растянутой кинетике у — а превращения и повышенной прочностью мартенсита[55]. Остаточный аустенит способствует сохранению пластичности и имеет более высокую склонность к механическому наклепу.
Сплав №6 (рис.3.26), полученный УПВД с применением порошковой проволоки ПП АН-125, является представителем группы доэвтектических сплавов со стабильным аустенитом и карбоборидным упрочнением. При дуговой наплавке ПП АН-125 дает структуру, близкую к эвтектической (рис. 3.2в). Сплав №7, полученный УПВД с применением порошковой проволоки 1111 АН-170 представляет группу доэвтектических сплавов со метастабиль-ным аустенитом и карбоборидным упрочнением. При дуговой наплавке 1111 АН-170 дает заэвтектическую структуру с крупными боридами и карбобори-дами(рис. 3.2г).
Сплав ВСН/ОЗН-7 является сплавом-представителем доэвтектических сплавов с дендритами метастабильного аустенита с карбоборидной эвтектикой. В [97] этот сплав рекомендуется для наплавки на детали из углеродистых сталей, работающих в условиях абразивного изнашивания с ударами. Основное отличие от вышерассмотренных сплавов - легирование азотом, кремнием и ванадием. Кремний способствует вытеснению углерода из твердого раствора, что ведет к дестабилизации аустенита и росту количества карбоборидной фазы. Наличие ванадия совместно с азотом способствует образованию тонкодисперсных карбонитридов, равномерно распределенных по объему дендритов аустенита.
Методики определения параметров оптимизации
По итогам анализа результатов испытаний сплавов-представителей была поставлена задача разработать присадочную порошковую проволоку для УПВД рабочей части ЗКЭ с оптимизацией химического состава наплавленного металла на основе хромомарганцевого метастабильного аустенита с дополнительным легированием ванадием и кремнием и модифицированием силико-кальцием с применением аппарата теории планирования экстремальных экспериментов. В качестве основных требований к наплавленному металлу были выставлены максимально достижимые износостойкость в режиме микрорезания с дополнительным ударно-абразивным воздействием в сочетании с достаточным уровнем прочностных свойств. Немаловажным параметром является совместимость основного и наплавленного металлов. Весьма желательным был минимальный уровень легирования, в особенности ванадием.
В качестве основного параметра оптимизации Yi при проведении многофакторного эксперимента была выбрана величина относительной удельной работы микрорезания после ударно-абразивного воздействия єи t, определяемая по приведенной выше методике. Т. к. изготовление малых количеств опытных порошковых проволок сопряжено со значительными трудностями, опытные сплавы получали путем упрочнения образцов из стали 110Г13Л плазменной дугой с присадкой порошковой проволоки ГСП АН-106 (ПП 10Х14Т), которая являлась источником хрома в наплавленном металле в пределах 5-^-7%. В процессе многофакторного эксперимента параметры режима упрочнения выдерживались постоянными с расчетом получить глубину проплавлення 20 мм и ширину валиков 18 мм. Режимы УПВД соответствуют табл. 3.2. Содержание марганца при этом составляло 7-^9%. Дополнительное легирование ванны расплавленного металла осуществлялась путем переплава плазменной дугой керамического стержня прямоугольного сечения 10x5 мм, состоящего из порошков ферросплавов и графита, связанных жидким стеклом наподобие электродного покрытия. В качестве контрольных параметров оптимизации Y2 и Y3 использовались соответственно величины деформации зарождения трещины єзт и разрушающих напряжений о"от при отслоении.
Одним из наиболее важных критериев работоспособности износостойких наплавленных покрытий является стойкость к образованию трещин. Оценка склонности к образованию трещин как от остаточных напряжений, так и от внешних нагрузок является исходным моментом проектирования рациональной технологии получения наплавленных покрытий и позволяет предсказать их поведение как в процессе изготовления, так и при эксплуатации, и значительно ускоряет поиски оптимального решения.
Применительно к износостойким наплавочным материалам существуют методы оценки стойкости к зарождению трещин, основанные на оценке поведения наплавленного слоя при пластическом изгибе, либо на выявлении количества ударов определенной энергии, необходимого для зарождения трещин в наплавленном слое /102/. Первая методика не может быть признана корректной, так как является качественной и в некоторой мере субъективной и не выявляет отличий между сплавами с близкими свойствами. К тому же изгиб с пластической деформацией чрезвычайно редко встречается в конкретных условиях эксплуатации, и отрицательное поведение материала при пластическом изгибе не дает еще оснований для его отбраковки.
Вторая методика (проба ВНИИСТа) дает ценную информацию о стойкости к зарождению трещины при малоцикловой динамической нагрузке. Основными ее недостатками следует считать требование стандартных размеров образцов и отсутствие информации о напряжениях, вызывающих зарождение трещины. По этой причине критерий оценки по пробе ВНИИСТа является сравнительным.
В качестве критерия стойкости к зарождению трещины наиболее предпочтительны истинное критическое напряжение или деформация зарождения трещины. Этот критерий является абсолютным, так как позволяет сравнивать и контролировать результаты, полученные ранее по другим методикам.
При определении механических свойств металлов при динамических нагрузках и, в частности, деформации зарождения трещины большое распространение получили испытания на ударный изгиб с осциллографированием сигнала тензодатчика, наклеенного на бойке ударной машины /103/, при которых представляется возможным четко оценить критическую нагрузку на бойке в момент зарождения трещины по характерному излому на осциллограмме. По величине критической нагрузки на бойке рассчитывают напряжения, разрушающие образец. Эта методика дает удовлетворительно воспроизводимые результаты образцов стандартного размера из однородного материала. Для неоднородных образцов, полученных наплавкой, характерны чувствительные колебания геометрических размеров и химсостава наплавленных участков. Это значительно увеличивает разброс экспериментальных данных при косвенном определении разрушающих напряжений.
От недостатков, присущих косвенным методам испытаний с осциллографированием, свободна методика /104/ прямого измерения деформаций зарождения трещины в наплавленных образцах с помощью тензодатчиков, наклеенных на наплавленный металл в зоне зарождения трещины. Образцы ис-пытываются на консольный изгиб путем нанесения однократного удара падающим грузом. Во всех случаях энергия удара должна быть достаточной для зарождения трещины с первого удара. Схема испытаний приведена на рис.4.1а.
На заготовку 1 наплавляется слой износостойкого металла 2. Тензодатчик 2 с сопротивлением Кл ориентируется вдоль линии действия нормальных растягивающих напряжений изгиба и наклеивается на наплавленный слой в районе вероятного зарождения трещины. Далее тензодатчик подключается к тензометрическому мосту в соответствии с блок-схемой, приведенной на рис. 4.16, с последующей балансировкой моста.
Похожие диссертации на Разработка наплавочного сплава и технологии упрочнения зубьев ковшей карьерных экскаваторов
