Введение к работе
Актуальность темы. Повышение ресурса работы деталей машин и оборудования невозможно без применения новых прогрессивных ресурсосберегающих технологий и материалов. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что очень эффективным является поверхностное упрочнение металлов и сплавов. Рабочие параметры изделия в основном определяются состоянием поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено, поэтому использование дефицитных и дорогих конструкционных материалов во всем объеме нецелесообразно. Экономически оправдывает себя применение технологических способов, позволяющих не только упрочнять, но и восстанавливать изношенные поверхности деталей машин.
В отличие от химико-термической обработки, не позволяющей восстанавливать изношенные детали, и нанесения покрытий газотермическим напылением, обладающих сравнительно низкой адгезионной и когезионной прочностью, покрытия-наплавки обладают высокой адгезионной прочностью, и их нанесение позволяет не только упрочнять поверхность изделия, но и восстанавливать изношенные фрагменты деталей, увеличивая их ресурс. Однако наплавленные покрытия часто растрескиваются, происходит деформирование изделия вследствие остаточных напряжений, формирующихся в системе покрытие-подложка. Кроме того, остаточные напряжения способствуют ускорению усталостного разрушения и коррозионных процессов. Одним из способов снижения остаточных напряжений является применение технологии нанесения покрытий электронно-лучевой наплавкой (ЭЛН), позволяющей формировать на поверхности подложки градиентное покрытие, обладающее высокой релаксационной способностью. Наряду с этим возможно применение таких наплавочных материалов, которые под действием внешних приложенных напряжений могут изменять свою структуру и фазовый состав, обеспечивая эффективную релаксацию опасных концентраторов внутренних напряжений. Перспективными с этой точки зрения считаются наплавочные композиционные материалы с аустенитной матрицей, в том числе азотистой.
За последние полвека усилиями многих научных школ достигнуты большие успехи в области изучения сталей с равновесным и сверхравновесным содержанием азота. Наиболее систематическими исследованиями структуры, физико-механических свойств, коррозионной стойкости и износостойкости, а также металлургических аспектов их производства являются работы О.А. Банных, В.М. Блинова, Л.М. Капуткиной, А.Г. Свяжина, Л.Г. Коршунова. В настоящее время получило развитие направление, связанное с разработкой наплавочных материалов, легированных азотом, и способов их нанесения [1-3]. Азотистый аустенит имеет низкую энергию дефекта упаковки, нестабилен к деформационному мартенситному превращению, вследствие чего обладает высоким деформационным упрочнением. Безникелевые Fe-Cr-Mn-N азотистые материалы сравнительно дешевы и обладают высокой коррозионной стойкостью. Несмотря на перспективность разработки новых упрочняющих износостойких покрытий на основе азотистых твердых растворов, продемонстрированную как российскими, так и зарубежными исследователями, малоизученными являются вопросы, касающиеся исследования закономерностей формирования их структуры в условиях высокоэнергетических воздействий, в частности при ЭЛН.
Целью работы является изучение возможности повышения релаксационных характеристик высокопрочных и износостойких электронно-лучевых композиционных наплавок путем формирования структуры, фазового состава, свойств и напряженно-деформированного состояния покрытий с азотистой аустенитной и аустенитно-мартенситной основой.
Для достижения намеченной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
-
Выявить основные закономерности формирования структуры азотистых покрытий при электронно-лучевой наплавке в зависимости от химического и фазового состава многокомпонентных наплавочных смесей, а также способа их приготовления.
-
Провести исследование структурных особенностей композиционных азотистых покрытий при добавлении в наплавочный порошок азотированного феррованадия.
-
Исследовать особенности распределения упругих макроискажений в покрытии и зоне сплавления, формирующихся в результате электронно-лучевой наплавки азотистых покрытий.
-
Определить оптимальные параметры структуры и фазового состава композиционных азотистых покрытий для достижения их максимальной релаксационной способности и высокой абразивной износостойкости.
Научная новизна. В работе впервые:
Исследованы закономерности формирования многослойной структуры гетеро-фазных азотсодержащих покрытий в условиях термоциклирования, обусловленного многопроходной электронно-лучевой наплавкой;
Изучены особенности распределения упругих макроискажений в наплавленных покрытиях и зонах сплавления с подложкой, связанных с действием остаточных напряжений;
Разработаны и оптимизированы по составу новые композиционные износостойкие азотсодержащие покрытия, при электронно-лучевой наплавке которых в порошковую наплавочную смесь был введен азотированный феррованадий.
Практическая значимость. Создание композиционных покрытий с высокопрочной матрицей на основе азотистых твердых растворов, дисперсноупрочненной тугоплавкими частицами твердой фазы, расширяет область применения азотистых материалов от коррозиошюстойких до износостойких. При этом высокий уровень износостойкости разработанных материалов не снижает их стойкости против коррозии. Результаты исследования структуры и свойств покрытий с матрицей на основе азотистых твердых растворов могут быть использованы при разработке технологических процессов ремонта и восстановления деталей оборудования, применяющегося в дорожном строительстве, при производстве строительных материалов, в зернодробильных и мукомольных машинах, в добывающих песок и гравий драгах, для повышения ресурса работы почвообрабатывающего инструмента.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Способ электронно-лучевой наплавки порошковых азотсодержащих смесей, приготовленных механическим смешиванием компонентов, обеспечивающий формирование градиентного по фазовому составу и релаксационной способности покрытия с высокими характеристиками прочности, износостойкости и коррозионной стойкости.
-
Заданные композиции порошков азотистых сталей, позволяющие при их электронно-лучевой наплавке получение гомогенной структуры пересыщенного азотом ау-стенита.
-
Введение в наплавочный порошок азотистой стали азотированного феррованадия, армирующего азотистый аустенит, снижающего его устойчивость к у—>а превращению и обусловливающего при абразивном изнашивании сильно неравновесных азотистых покрытий образование в зоне трения нанокристаллического мартенсита.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на IV, VI, VH, VHI, IX Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Томск, 2004,
-
2007,2008, 2009); XI, ХШ, XIV, XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ» (Томск, 2005, 2007, 2008, 2009); The Joint International Conference of HSLA Steels 2005 and ISUGS 2005 (China, Sanya, 2005); 6-ом Научно-практическом симпозиуме «Функциональные покрытия для повышения качества поверхностей изделий машиностроения» (Украина, Харьков, 2006); International Conference on High Nitrogen Steels 2006 (China, Beijing, Jiuzhaigou Valley, 2006); 2-й, 3-й Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2007, DFMN-2009 (Москва
-
2009); Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007); Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (Томск, 2008); 941 International Conference on Modification of Materials with Patricle Beams and Plasma Flows (Tomsk, 2008); IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009); Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009), 4-ой Международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (Минск, Беларусь, 2009), 4-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, из них 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 164 наименования; всего 152 страницы, включая 75 рисунков и 7 таблиц.
