Введение к работе
Актуальность работы
Проблема повышения сопротивления разрушению и износостойкости изделий приобретает особую значимость в связи с непрерывно возрастающими требованиями к их надежности и долговечности.
Производство массивных изделий сопряжено с большим расходом металла и сложностью сборки самой конструкции (железнодорожные колеса, крестовины стрелочных переводов, кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), ролики транспортных рольгангов прокатных станов и др.). Традиционные методы объемного упрочнения элементов таких конструкций в настоящее время в значительной степени исчерпали свои возможности. В то же время их ресурс, например, в условиях повышенного износа, определяется главным образом структурой и свойствами поверхностного слоя.
Плазменное воздействие при поверхностном упрочнении сталей характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, малой длительностью перегрева металла при температурах выше критических точек и возможностью проведения химико-термической обработки. При этом происходят фазовые и структурные превращения, отличающиеся от реализуемых при традиционных способах поверхностной обработки: закалке ТВЧ, пламенной закалке и др. Важной особенностью получаемых структур является высокая степень их дисперсности.
Наплавка, как способ нанесения покрытия на рабочую поверхность изделия, занимает особое место в современной промышленности. Ее применение позволяет получать поверхностные слои с высокими износо- и коррозионностойкими, жаропрочными, антифрикционными и др. требуемыми служебными свойствами. Широкое использование конструкций из биметалла предопределяется их техническими и экономическими преимуществами.
Плазменные наплавка и напыление различных порошковых материалов имеют широкий спектр возможного применения. Однако низкая производительность процессов и невысокое качество покрытия ограничивают их практическое использование. Известно, что качество покрытия зависит от температуры и скорости частиц порошка. Традиционная подача порошка с холодным транспортирующим газом в плазменную струю не обеспечивает в полной мере ускорение и нагрев частиц порошка. Между тем подача порошка с плазмообразующим газом позволяет значительно повысить производительность процесса и качество покрытия.
Зависимости между основными параметрами технологического процесса и свойствами получаемого покрытия изучены недостаточно и прогресс в этой области может быть достигнут путем проведения комплексных исследований, охватывающих все этапы формирования покрытия.
В данной работе представлено последовательное решение вопросов, связанных с разработкой конкретных плазменных технологий и внедрением их в производство: исследование и разработка плазмотронов постоянного тока; исследование состава, структуры и свойств модифицированных поверхностей металлических изделий; разработка плазменных технологий, оборудования и программного обеспечения; создание установок и их применение в промышленности.
Цель и основные задачи работы
С целью повышения эксплуатационной стойкости и долговечности металлических изделий необходимо исследовать влияние геометрии разрядного канала на тепловые и электрофизические характеристики плазмотрона, установить закономерности формирования структурно-фазового состояния и свойств модифицированных поверхностей металлов и сплавов, разработать технологии и создать установки для плазменной обработки.
Для достижения поставленной цели в работе решали следующие задачи.
1. На основе результатов экспериментальных исследований разрабо
тать оптимальную конструкцию устройства для плазменного упроч
нения и напыления, для чего:
изучить влияние степени расширения канала выходного электрода на тепловые и электрофизические характеристики плазмотрона;
сопоставить характеристики плазмотронов с расширяющимся и цилиндрическим каналом постоянного сечения;
определить распределение теплового потока в изделие при плазменном поверхностном упрочнении стали.
2. Изучить закономерности формирования упрочненного слоя при
плазменной обработке стали типа 60Г, разработать и освоить про
мышленную технологию упрочнения колесных пар на сети желез
ных дорог, для чего:
- исследовать влияние параметров режима плазменной обработ
ки на структурно-фазовое состояние и механические свойства
упрочненного слоя стали и предложить оптимальные параметры
обработки;
изучить влияние параметров режима плазменной обработки на структуру и механические свойства упрочненного слоя стали типа 60Г в зависимости от содержания в ней углерода и хрома;
разработать технологию плазменного упрочнения колесных пар;
разработать, создать и освоить промышленную установку для плазменного упрочнения колесных пар.
Исследовать закономерности формирования покрытия при плазменной наплавке, разработать технологии и создать промышленную установку упрочнения и восстановления металлических изделий:
разработать оптимальную конструкцию плазмотрона с расширяющимся каналом и устройством подачи порошка в дуговой разряд совместно с плазмообразующим газом;
установить закономерности формирования структурно-фазового состояния и механических свойств покрытия из сплава ПР-65Х25Г13НЗ при наплавке на сталь 110Г13Л и 76Ф;
разработать технологию плазменной наплавки элементов крестовин стрелочных переводов и создать установку для промышленного применения;
установить закономерности формирования износостойкого покрытия из сплава ПР-Н77Х15СЗР2 при наплавке на медь и разработать технологию наплавки на стенки кристаллизаторов МНЛЗ;
Исследовать влияние режимов плазменного напыления на скорость и температуру частиц порошка:
разработать и создать установку для плазменного напыления в вакууме;
разработать метод и средства для измерения скорости и температуры частиц порошка при их нагреве в высокотемпературном газовом потоке.
Научная новизна работы
Обоснован выбор конструкционных параметров плазмотронов с расширяющимся разрядным каналом, обеспечивающих повышение их энергетических характеристик и ресурса, что определяет эффективность применения в технологических процессах упрочнения, наплавки и напыления.
Впервые установлены закономерности влияния параметров режима плазменной обработки на структурно-фазовое состояние, механические свойства, сопротивление разрушению упрочненного слоя стали типа 60Г.
Выявлено насыщение азотом поверхности стали 60Г при воздействии азотной плазменной струи, в результате чего в диффузион-
ной зоне образуются не характерные для низколегированной стали структурные составляющие - нитридные фазы, азотистый аустенит и фермообразный мартенсит.
-
Установлены структурные механизмы повышения уровня свойств упрочненной стали 60Г, которые заключаются в легировании поверхностных слоев стали азотом, формировании специфического послойного спектра структур, включающего нитриды, аустенит, фермообразный и пакетный мартенсит, троостомартенсит и троо-стосорбит, а также релаксации микронапряжений во время эксплуатации при деформации метастабильного метастабильного высокоазотистого аустенита в результате у—><х превращения.
-
Доказано, что плазменная наплавка с синхронной ударной обработкой приводит к снижению остаточных микронапряжений в результате фазового у->а превращения и микропластической деформации.
-
Определены закономерности формирования при плазменной наплавке структуры и свойств покрытия из порошкового сплава 65Х25Г13НЗ на сталь 110Г13Л и 76Ф. Установлен эффект оплавления границ литой структуры стали 110Г13Л и армирование ее жидким расплавом покрытия, что повышает прочность сцепления покрытия с основой, но снижает его трещиностойкость из-за неполного залечивания дефектов на границах.
-
Установлено, что высокий уровень свойств покрытия из порошкового сплава ПР-Н77Х15СЗР2 на медь обеспечивается фазовым составом и структурным состоянием покрытия, формированием на границе раздела переходной зоны с мелкозернистой структурой и малой глубиной проплавления металла основы.
-
Впервые разработаны программное обеспечение и автоматизированная система управления установкой с возможностью дистанционного контроля технологического процесса и наблюдения в режиме реального времени.
Новизна научно-технических решений подтверждена патентами РФ.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием современных методов исследований и сертифицированного оборудования; согласованностью с результатами других авторов, как в областях исследований низкотемпературной плазмы, так и металловедения и термической обработки металлов и сплавов; признанием их научной общественностью на различных международных и российских конференциях; многочисленными (115) публикациями в периодических изданиях; многолетним и успешным практическим применением разработанных технологий и плазменных установок.
Практическая значимость и реализация результатов работы
-
Оптимизированы конструкции плазмотронов, разработаны устройства для плазменной обработки, экспериментально установлены и обоснованы параметры режима поверхностного упрочнения железнодорожных колесных пар и роликов транспортного рольганга прокатных станов, наплавки крестовин стрелочных переводов и кристаллизаторов МНЛЗ, а также напыления порошковых материалов.
-
Созданы и внедрены в депо Московской, Юго-Восточной, Южно-Уральской, Горьковской, Приволжской, Северо-Кавказской, Северо-Западной и Свердловской железных дорог 30 промышленных установок для упрочнения колесных пар, на которых обработано более 185000 колесных пар.
-
Достигнуто снижение в 2-3 раза интенсивности износа упрочненных колесных пар по сравнению с неупрочненными.
-
Разработана технология и создана установка для плазменной наплавки элементов крестовин стрелочных переводов, позволяющие увеличить в 2 раза их эксплуатационную долговечность.
-
Разработанные технологии позволяют снизить эксплуатационные расходы и затраты на ремонт роликов транспортных рольгангов прокатных станов, кристаллизаторов МНЛЗ.
-
Создана установка для плазменного напыления в вакууме, позволяющая проводить эксперименты по изучению энергетических и динамических характеристик плазменных и гетерогенных потоков, а также условий формирования покрытий с требуемыми свойствами.
Автор выносит на защиту
-
Результаты исследований и разработки плазмотронов с расширяющимся каналом выходного электрода для плазменного поверхностного упрочнения, наплавки и напыления.
-
Закономерности формирования структурно-фазового состояния и свойств упрочненной зоны при плазменной обработке низколегированной стали с различным содержанием углерода и хрома.
-
Результаты исследования влияния исходной температуры стали на структуру и свойства упрочненного слоя.
-
Технологию и промышленную установку для упрочнения железнодорожных колесных пар.
-
Результаты промышленного освоения установок для упрочнения колесных пар.
-
Закономерности формирования структурно-фазового состояния, механических свойств и параметров сопротивления разрушению
покрытия при плазменной наплавке на сталь 110Г13Л, 76Ф и медь.
-
Технологию, промышленную установку для наплавки крестовин стрелочных переводов и результаты их эксплуатационных испытаний.
-
Технологию наплавки на стенки кристаллизаторов МНЛЗ.
-
Установку для напыления в вакууме с системой измерения скорости и температуры частиц порошка при их нагреве в плазменной струе.
Апробация работы
Материалы диссертации доложены на: научно-техническом совещании «Прогрессивные технологии и оборудование для термической резки» (Одесса, 1992 г.); европейских конференциях по термическим (технологическим) плазменным процессам (Санкт-Петербург, 1998 г.; Страсбург, 2000 г., 2002 г.); симпозиумах по приложениям плазменных процессов (Братислава, 1998 г., 1999 г.); 2-ом международном симпозиуме по тепло- и массопереносу в плазме (Анталия, 1999 г.); конференции международной Ассоциации тяжеловесного движения (Москва, 1999 г.); 13-ой конференции по газовым разрядам и их приложениям (Глазго, 2000 г.); 3-ей конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, 2000 г.); конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998 г., 2001 г.; Киев, 2003 г.), конференциях по ионизационным явлениям в газах (Варшава, 1999 г.; Нагоя, 2001 г.), всероссийских конференциях по физической электронике (Махачкала, 2003 г., 2008 г); на Стародубовских чтениях (Днепропетровск, Украина, 2003 г.); XV международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003 г.); 16-ой международной конференции по плазмохимии (Таормина, Италия, 2003 г.); евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2006 г., 2008 г.); XIX и XX петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010 г., 2012 г.), юбилейной конференции ОИВТ РАН (Москва, 2010 г.); международных научно-практических конференциях «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (С.-Петербург, 2005 г., 2008-2012 г.); российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Москва, 2008 г.); международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (Москва, 2009 г.); 3-ей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009 г.); международных конференциях «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009 г.; Витебск, 2010 г., 2012 г., Харьков, 2011 г.); всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Бы-строзакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2009 г., 2011 г.), 12-ой
международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий» (Ялта, 2012 г.).
Получены диплом и медаль ВВЦ за участие в выставке-ярмарке «ЭКСПОЖД-98».
Личный вклад соискателя
При личном участии соискателя в качестве ответственного исполнителя проведены работы по исследованию и созданию плазмотронов с расширяющимся каналом выходного электрода.
Под руководством соискателя и при его личном участии проведены комплексные исследования фазового состава, структуры и механических свойств конструкционных материалов после плазменного упрочнения и наплавки, результаты которых послужили основой для разработки оптимальных параметров режима обработки.
Соискателем исследованы и сформулированы структурные механизмы повышения уровня свойств упрочненной стали типа 60Г.
Соискателем предложен и реализован способ ударной обработки, предотвращающий растрескивание и коробление покрытия при плазменной наплавке.
Под руководством соискателя и при его личном участии созданы установки для упрочнения колесных пар, установка для наплавки крестовин стрелочных переводов, установка для наплавки на стенки кристаллизатора МНЛЗ и установка для напыления в вакууме.
Под руководством соискателя внедрены в производство и эксплуатируются 30 установок для плазменного упрочнения железнодорожных колесных пар в вагонных и локомотивных депо ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 115 печатных работ, из которых в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК -31 и 5 патентов. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, 9 приложений и содержит 287 страниц текста, 191 рисунок, 43 таблицы и список литературы из 167 названий.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Филиппову Г.А. и д.т.н. Исакаеву М.-Э.Х., а также сотрудникам института качественных сталей ФГУП ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина и отдела плазменных процессов ФГБУН ОИВТ РАН за помощь в работе и поддержку.
