Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электроконтактные методы получения поверхностных слоев деталей с заданными свойствами 13
1.1. Электромеханические способы обработки поверхностных слоев 13
1.2. Особенности технологии электроконтактного нанесения покрытий... 16
1.3. Основные варианты электроконтактного нанесения покрытий 18
1.4. Оборудование, применяемое при восстановлении изношенных поверхностей электроконтактными методам и его особенности 26
Выводы к главе 1 30
Глава 2. Методы экспериментальных исследовний... 31
2.1. Оборудование для электроконтактной приварки и методы исследований. 31
2.2. Методы исследований качества и свойств поверхностных слоев после электроконтактной приварки 35
2.3. Методика оценки износостойкости структурно-неоднородного поверхностного слоя при трении скольжения 39
2.4. Методика оценки триботехнических свойств поверхностных слоев с использованием специальной конструкции образца для испытаний материалов на трение 42
2.5. Методика определения неметаллических включений на поверхности нанесенных покрытий методом электроконтактной приварки металлических лент 47
Выводы к главе 2 49
Глава 3. Исследование особенностей процесса электроконтактной приварки коррозионно-стойкой ленты из стали 20x13 51
3.1. Особенности расположения упрочненных зон по сечению ленты при электроконтактной приварке 51
3.2. Условия формирования металлургической связи на границе раздела «покрытие - основной металл» 60
3.3. Определение параметров поверхностного слоя, формируемого в зоне электроконтактного воздействия 69
Выводы к главе 3 74
Глава 4. Свойства покрытий полученных методом электроконтактной приварки 75
4.1. Микроструктура и микротвердость поверхностного слоя 75
4.2. Исследование механических свойств на границе раздела «покрытие -основной металл» при различных схемах нагружения 80
4.2.1 .Испытания на статическое растяжение 80
4.2.2.Исследование прочности соединения покрытия с основным металлом 87
4.3. Исследование коррозионной стойкости покрытия 91
4.4. Влияние электроконтактной приварки ленты из стали 20X13 на износостойкость поверхностного слоя 94
Выводы к главе 4 99
Глава 5. Разработка новой технологии получения износостойких покрытий электроконтактной приваркой ленты из коррозионно-стойкой стали 20x13 101
5.1. Общие рекомендации по выбору режимов электроконтактной приварки и характеристики поверхностного слоя при восстановлении изношенных поверхностей вала ротора компрессора ХТК - 2,5/3,5 М 101
5.2. Технологический процесс восстановления опорных поверхностей вала ротора центробежного хлорного компрессора ХТК - 2,5/3,5 М
5.3. Рекомендации по методам оценки качества поверхностных слоев, полученных методом электроконтактной приварки металлических лент 108
Выводы к главе 5 109
Общие выводы 110
Список литературы 112
Приложения 120
- Оборудование, применяемое при восстановлении изношенных поверхностей электроконтактными методам и его особенности
- Методы исследований качества и свойств поверхностных слоев после электроконтактной приварки
- Условия формирования металлургической связи на границе раздела «покрытие - основной металл»
- Исследование механических свойств на границе раздела «покрытие -основной металл» при различных схемах нагружения
Введение к работе
Одной из актуальных проблем современного химического и нефтегазового производств является повышение надежности и долговечности тяжелонагруженных деталей насосно-компрессорного оборудования, которые в процессе эксплуатации находятся в условиях многофакторного силового воздействия (изгиб, кручение, циклические нагрузки), а также присутствия агрессивной среды (хлор, аммиак, сероводород с процентным содержание до 95%).
Известно [1-3], что процессы объемного разрушения протекают в результате накопления в объеме материала дефектов его структуры, приводящих к макроскопическому разрушению детали. Принципиальным отличием поверхностного разрушения является накопление большого количества очагов микроскопических разрушений [4-7].
Проблема поверхностной прочности, менее изучена, что связано с рядом объективных причин, таких как принципиальные трудности выделения объема разрушения и его прямого наблюдения, термодинамическая неравновесность протекания процессов и достаточная сложность изучения их механизма и кинетики. Однако принимая во внимание, что качество деталей в значительной степени определяется свойствами поверхностного слоя, изучению вопросов повышения поверхностной прочности изделий с учетом реальных условий их эксплуатации должно уделяться большое значение.
Следует отметить, что повышение механических свойств при упрочнении поверхностных слоев чаще всего связывают с увеличением твердости материала, что способствует повышению износостойкости и усталостной прочности [8 - 12]. В то же время, поверхностное упрочнение может приводить к существенному снижению пластичности и вязкости, что в свою очередь снижает трещиностойкость [13 - 15]. При этом, влияние концентрации напряжений (переходные радиусы, выточки, галтели и др.) может быть настолько велико, что поверхностное упрочнение будет не
эффективным. Следовательно, при разработке и выборе методов модификации и упрочнения поверхностного слоя необходимо предусматривать не только повышение его твердости, но и формирование определенной микроструктуры с оптимальными для данных условий эксплуатации детали прочностными и вязкими свойствами.
Принимая во внимание, что поверхностный слой металла обладает повышенной химической активностью, то в реальных условиях эксплуатации он адсорбирует атомы элементов окружающей среды, покрываясь пленкой различных соединений [16]. В результате диффузионных процессов в поверхностном слое могут возникать химические соединения основного материала с проникающими извне веществами. Так, например, адсорбция поверхностно-активных веществ приводит к снижению их усталостной прочности и пластичности. Следует отметить, что независимо от формы проявления адсорбционного влияния среды, основные меры увеличения долговечности деталей машин и механизмов должны быть связаны с обеспечением условий, препятствующих контакту активного вещества с рабочей поверхностью детали или созданием напряженного состояния, при котором действие активной среды значительно снижается [17 -19].
Целенаправленное применение на стадии проектирования тяжелонагруженных деталей различных технологий поверхностного упрочнения (диффузионное насыщение, ТВЧ, лазерная обработка и т.д.), а также восстановления (электродуговая наплавка, наплавка под слоем флюса, виброкотактная наплавка, электродуговая металлизация, хромирование и железнение) расширяет перспективу разработки и производства современного насосно-компрессорного оборудования с более высоким уровнем надежности и эксплуатационных показателей.
Одними из перспективных, производительных и наукоемких процессов, являются электроконтактные способы обработки и восстановления рабочих поверхностей тяжелонагруженных деталей химического и нефтегазового производств.
Особенности процесса электроконтактной приварки [20, 21] и ряд его технологических и экономических преимуществ, по сравнению с традиционными методами нанесений защитных покрытий (электродуговая и электрошлаковая наплавка, металлизация и т.д.), должно послужить основой внедрения данного метода для упрочнения и восстановления поверхностных слоев тяжелонагруженных деталей различного оборудования химического и нефтегазового производств.
Основной особенностью воздействия на материалы электроконтактной приварки является совмещение двух операций - жесткого термического цикла с высокими скоростями нагрева и охлаждения материала, а также давления инструмента (наплавочных роликов) в зоне контакта с поверхностью присадочного материала [22].
Создание соответствующего термического цикла позволяет одновременно производить процесс приварки и закалки материала ленты непосредственно на рабочих поверхностях деталей, получать высокие адгезионные свойства, а также формировать требуемую структуру сформированного покрытия с заданными физико-химическими и механическими свойствами. Давление токоподводящих роликов в процессе приварки обеспечивает получение измельченной структуры и повышение эксплуатационных свойств покрытия за счет наведения сжимающих остаточных напряжений, которые тормозят развитие поверхностных трещин, перемещают очаг зарождения усталостной трещины под поверхность, где действуют меньшие нагрузки и отсутствует контакт с внешней средой.
Однако несмотря на перспективность метода электроконтактной приварки, в научных публикациях и технической литературе недостаточно раскрыты представления о влиянии технологических параметров процесса на микроструктуру, механические и триботехнические свойства, как непосредственно нанесенного слоя, так и композиции «покрытие - основной металл». Практически отсутствуют данные о влиянии электроконтактной приварки на эксплуатационные свойства тяжелонагруженных деталей машин
с конструктивными концентраторами напряжений, а также свойства материала детали в зоне окончания приваренной ленты. Недостаточно данных по методологии и принципам рационального выбора режимов при ЭКП. Не изучено влияние многослойной приварки лентами различного химического состава на адгезионные и прочностные свойства натурных деталей. В научно-технической литературе имеются отдельные данные по методике расчета глубины упрочненного слоя при электромеханической обработке. Однако при этом практически отсутствуют данные о влиянии на глубину упрочненного и деформационного слоя одновременного действия температуры и давления в процессе электроконтактной приварки ленты. Следует отметить, что более глубокие исследования процесса ЭКП позволят изучить кинетику и механизм структурных превращений и на этой базе создать композиционные материалы с заданными эксплуатационными свойствами, учитывающими реальные условия работы тяжелонагруженных деталей.
Целью работы является разработка новой технологии формирования высококачественных поверхностных слоев методом ЭКП ленты из коррозионно-стойкой стали 20X13 для повышения эксплуатационных показателей тяжелонагруженных деталей и исследование свойств получаемых при этом покрытий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить теоретические и экспериментальные исследования по изучению особенностей процесса ЭКП ленты из стали 20X13 к поверхности деталей из углеродистой стали при формировании покрытий с заданными свойствами;
изучить влияние ЭКП ленты на качество поверхностного слоя и его свойства;
разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору рациональных режимов процесса ЭКП ленты из стали 20X13 для получения
заданных эксплуатационных свойств однослойных и двухслойных покрытий, в том числе и с применением подслоя из стали ВСтЗпс;
разработать новую технологию ЭКП ленты для получения однослойных и двухслойных покрытий из коррозионно-стойкой стали 20X13, наносимых на основной металл детали;
с помощью новой технологии восстановить изношенные опорные поверхности ротора центробежного хлорного компрессора ХТК - 2,5/3,5 М и провести эксплуатационные испытания.
Научная новизна. Новизна работы заключается в следующем:
установлены основные закономерности формирования высококачественных поверхностных слоев деталей из углеродистых сталей при ЭКП ленты из коррозионно-стойкой стали 20X13;
выявлено, что при электроконтактном воздействии инструмента на деталь и промежуточный слой в виде ленты за счет контактных сопротивлений образуются два источника теплоты, влияющих на закономерности процесса приварки и формирования свойств покрытия: один источник располагается в зоне контакта приварочного ролика с лентой, а второй в зоне контакта ленты и основного металла;
- установлено влияние технологических факторов и режимов процесса
приварки ленты на микроструктуру, свойства и качество поверхностных
слоев;
выявлены условия формирования двухслойных композиционных покрытий, с использованием в качестве подслоя ленты из стали ВСтЗпс;
обоснованы режимы, обеспечивающие необходимые физико-механические, триботехнические и конструкционные свойства деталей с поверхностным слоем, полученным ЭКП ленты 20X13;
предложен расчетный метод определения глубины упрочненного слоя при приварке ленты;
- создана новая технология формирования износостойкого покрытия на
деталях из углеродистой стали.
На защиту выносятся:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований
особенностей процесса ЭКП ленты из коррозионно-стойкой стали 20X13 к
рабочим поверхностям деталей из углеродистой стали при формировании
покрытий с заданными свойствами;
2. Научно-обоснованы рекомендации по выбору режимов ЭКП ленты
20X13, с учетом их влияния на процесс приварки и формирование
поверхностного слоя, его качество и эксплуатационные свойства;
3. Результаты исследований условий формирования двухслойных
покрытий следующих технологических вариантов:
два слоя ленты 20X13;
несущий слой лента из стали 20X13 и подслой из ленты ВСтЗпс;
Результаты исследований влияния режимов ЭКП ленты, ее толщины и химического состава на свойства границы раздела «покрытие - основной металл» при однослойном и двухслойном покрытии;
Усовершенствованный метод ускоренных сравнительных испытаний деталей с покрытиями на износостойкость, учитывающий наличие различных структурных зон, получаемых при формировании покрытий.
Практическая ценность и реализации работы в промышленности. , В диссертационной работе на базе теоретических и экспериментальных исследований разработана новая технология ЭКП металлической ленты на посадочные поверхности под подшипники и лабиринтные уплотнения вала ротора центробежного компрессора ХТК - 2,3/3,5М, использование которой позволяет значительно увеличить сопротивляемость разрушению и изнашиванию рабочих поверхностей деталей, работающих в условиях многофакторного силового воздействия и присутствия агрессивной среды.
Выявленные в диссертации закономерности влияния режимов ЭКП на особенности формирования упрочненных зон по сечению ленты, а также условия образования прочной металлургической связи в зоне контакта ленты и основного металла, позволяют целенаправленно формировать
поверхностные слои с заданными свойствами и значительно увеличить срок службы оборудования.
С использованием разработанной технологии осуществлено восстановление изношенных поверхностей ротора хлорного центробежного компрессора ХТК - 2,5/3,5 М, который проходит эксплуатационные испытания на ОАО «Каустик».
Результаты комплексных исследований, представленных в диссертационной работе используются в учебном процессе на кафедре «Автомобиле и тракторостроение» ВолгГТУ при изучении дисциплин «Современные технологии в автомобиле и тракторостроении» и «Конструкционные и защитно-отделочные материалы». По результатам исследований оформлены методические указания к лабораторным работам: «Изучение устройства, принципа работы и основных характеристик модернизированной установки для электроконтактной приварки 011-1-10» и «Разработка типового технологического процесса электроконтактной приварки тяжелонагруженных деталей наземных транспортных средств».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Международных научных конференциях: г.Волгоград, 2003 г., Н.Новгород, 2003 г. и на внутривузовских конференциях: г. Волгоград 2002 - 2006 г.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 4 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, включает 38 рисунка, и список литературы из 85 наименований.
Автор выражает глубокую признательность канд. техн. наук, доценту Гурьеву В. А. за научные консультации при выполнении работы.
Во введении показана роль поверхностного слоя и его влияние на эксплутационные характеристики высоконагруженных деталей работающих в условиях многофакторного силового воздействия и присутствия
11 агрессивной среды. Приведен краткий анализ методов поверхностных обработок и способов получения защитных покрытий. Сформулированы цели, задачи и научная новизна диссертационной работы.
Первая глава посвящена обзору известных исследований по проблеме повышения надежности и долговечности тяжелонагруженных деталей, работающих в условиях многофакторного силового воздействия и присутствия агрессивной среды. Рассмотрены электроконтактные способы обработки поверхностных слоев. Раскрыта сущность электромеханической обработки и классификация ее разновидностей, приведены зависимости основных параметров упрочненного поверхностного слоя после ЭМО от конструктивно-технологических режимов обработки. Описан метод электроконтактной приварки (ЭКП), выполнен анализ известных теоретических исследований по изучению особенностей воздействия ЭКП на структуру и свойства поверхностных слоев тяжелонагруженных деталей насосно-компрессорного оборудования. Рассмотрены вопросы практического применения электроконтактной приварки для деталей различного функционального назначения.
Приведены лабораторные методы оценки качества поверхностных слоев, а также композиции «покрытие — основной металл».
Во второй главе описаны методика, оборудование и режимы электроконтактной приварки. Приведены стандартные методы исследования, а также разработанные методики оценки контактного разрушения поверхностного слоя, оценки износостойкости поверхностных слоев при трении скольжения и неразрушающий метод определения неметаллических включений в поверхностном слое, полученном методом ЭКП.
В третьей главе на основе теоретического анализа и экспериментальных данных выявлен механизм и особенности формирования упрочненных зон по сечению ленты в зависимости от режимов ЭКП. Приведены основы практической и теоретической отработки режимов ЭКП металлической ленты. Рассмотрены схемы распределения упрочненных зон
по сечению ленты при различных технологических вариантах ЭКП в зависимости от ее химического состава. Приведен расчет глубины упрочненного слоя в зависимости от технологических вариантов ЭКП, химического состава, механических и физических свойств лены 20X13.
В четвертой главе приведены результаты исследования микроструктуры композиционных покрытий, полученных при помощи технологии ЭКП ленты, а также экспериментальные данные, характеризующие влияние ЭКП на статическую и адгезионную прочность композиции «покрытие — основной металл», триботехнические свойства и коррозионную стойкость поверхностных слоев. Показана возможность целенаправленного выбора и управления свойствами поверхностного слоя при ЭКП.
Пятая глава посвящена вопросу разработки и внедрению технологического процесса ЭКП для формирования рабочих поверхностей с высокими эксплуатационными свойствами на примере вала ротора хлорного турбокомпрессора ХТК-2,5/3,5М. Приведены практические рекомендации по выбору присадочного материала и рациональных режимов ЭКП при приварке стальных лент различного химического состава для восстановления посадочных мест под подшипники и поверхностей под лабиринтные уплотнения, с учетом конструктивных особенностей и условий эксплуатации ротора центробежного хлорного компрессора ХТК 2,5/3,5 М.
Оборудование, применяемое при восстановлении изношенных поверхностей электроконтактными методам и его особенности
При ЭКП применяют как машины общего назначения, предназначенные для восстановления деталей широкой номенклатуры, так и специальные машины, применяемые для обработки определенных узлов и деталей [60 - 62]. Машины специального назначения целесообразно применять в условиях крупносерийного и массового производства, поэтому машины общего назначения наиболее распространены в ремонтном производстве. В настоящее время выпуском машин для электроконтактной обработки занимаются ОНИЦ «Перспективные технологии» и ВНПО «Ремдеталь». Основные технологические параметры электроконтактной приварки приведены в таблице 1.1. Сварочные трансформаторы машин для ЭМО и ЭКП имеют ряд особенностей как по электрическим параметрам, так и по конструктивному исполнению [63]. Это обусловлено назначением трансформаторов, режимами и условиями их работы: - для отвода теплоты от обмоток применяют воздушное и водяное охлаждение; - размерами трансформатора определяются габариты и масса установки; - токи во вторичной цепи трансформатора имеют значения от единиц до сотен ампер; - вторичное напряжение холостого хода составляет несколько вольт.
Наиболее важным параметром процесса является значение сварочного тока, его длительность и величина паузы между импульсами. Для управления циклом обработки, регулировании и стабилизации сварочного тока наиболее часто применяют регуляторы цикла сварки (регуляторы времени) серии РВИ [64-66]. В настоящее время универсальность регуляторов повышается благодаря расширению функциональных возможностей элементной базы, связанному с применением микропроцессорной техники. Структурной основой современной аппаратуры управления оборудованием для ЭМО и ЭКП на интегральных микросхемах является серия унифицированных электронных блоков. Все блоки представляют собой законченные узлы и реализуют определенную функцию. По своему функциональному назначению блоки делятся на следующие группы: блоки управления током; блоки управления циклом действия электрического импульса; блоки логического управления; блоки сопряжения (входной и выходной нормализации); блоки специально назначения; блоки питания. Функциональная законченность блоков, единство элементарной базы и конструкции позволяют на их основе компоновать системы управления различной сложности и назначения - от простейших регуляторов однофазных машин до систем управления сложными специальными машинами, комплексами и линиями. Для обеспечения качества шаг наварки должен быть выдержан в узких диапазонах. По этой причине установки ЭКП изготавливаются на базе жестких станин, например токарно-винторезных станков, привод которых изначально обеспечивает согласование вращения навариваемой детали и продольного перемещения электродов, что позволяет при любой частоте вращения детали обеспечивать заранее установленный шаг приварки.
Плавное регулирование скорости вращения обеспечивается приводом постоянного тока с дополнительным понижающим редуктором [67, 68]. Приводы сжатия и регулировки раствора сварочных клещевин с расположенными на них приварочными роликами и сварочный трансформатор размещаются на поперечном суппорте станка и могут отводиться назад, чтобы клещевины с роликами не мешали установке и снятию массивных валов. Конструкция узла крепления клещевин обеспечивает возможность раздельной вертикальной регулировки положения каждой клещевины, что позволяет выполнять обработку полых деталей. Для формирования по заданной программе усилия сжатия приварочных роликов и перемещения рабочих органов установки применяют систему гидро- и пневмоприводов [69 - 71]. Наибольшее применение получили системы с пневмообеспесением. В период протекания сварочного тока приводы сжатия формируют постоянное или изменяющееся во времени усилие на поверхность обрабатываемой детали. При необходимости указанные приводы создают на электродах усилие предварительного обжатия (до включение тока) и ковочное усилие (после включения тока), превышающее уровень сварочного усилия [72]. При электроконтактном воздействии электроды (в виде роликов) замыкают вторичный контур через обрабатываемую деталь, сжимают и отводят от нее часть теплоты. Важнейшей характеристикой электродов является их стойкость, т.е способность сохранять исходную форму, размеры и свойства при плотности тока на рабочих поверхностях до 250 А/мм , нагреве рабочей поверхности выше 600 С и ударных усилиях сжатия, достигающих 500 МПа [73, 74]. Для изготовления электродов используют жаропрочные медные сплавы (Ml, МС) и бронзы (БрХ, БрХЦр, БрХЦрА, БрНТ) [75, 76]. Для уменьшения сечения токоведущих элементов вторичного контура в 2-10 раз при сохранении допустимой плотности тока и уменьшения перегрева и скорости износа приварочных роликов эти элементы охлаждаются проточной технической водой. Известны три принудительные системы охлаждения: - разомкнутая, т.е с постоянным сливом воды в канализацию; - полуразомкнутая, в которой часть воды после охлаждения элементов вторичного контура сливается в канализацию, а часть циркулирует между элементами вторичного контура и сливным баком;
Методы исследований качества и свойств поверхностных слоев после электроконтактной приварки
Получение качественного покрытия при ЭКП можно добиваться изменением параметров процесса, таких как величина приварочного тока, длительность импульса и паузы приварочного тока, давление приварочных роликов на поверхность наносимой ленты, скорость вращения детали и линейной подачей приварочных роликов. Практика нанесения покрытий методом ЭКП показала, что качество сформированной композиции «покрытие - основной металл» можно оценить следующими показателями: - адгезионной прочностью покрытия с основным металлом; - структурой по толщине наносимой ленты, в результате ее нагрева в различных интервалах критических температур; - глубиной оплавления поверхности наносимой ленты, а также областью металлургического перемешивания материала ленты и основного металла; - отсутствием дефектов (трещин, пор, раковин) - размерами зон термического влияния.
Для оценки качества сформированного покрытия, а также изучения его свойств, применялись как стандартные, так и оригинальные лабораторные методы.
Микростроение сформированного покрытия изучали на микроскопе МИМ - 10 при увеличении 100. Химическое травление шлифов осуществляли в 3% растворе азотной кислоты в спирте и «царской водке». Контролировалась - микроструктура нанесенного слоя, зоны сплавления ленты и основного металла, зоны термического влияния.
Микротвердость измеряли на приборе ПМТ - 3 при нагрузке 1 Н по ГОСТ 9450 [80]. Контролировалась микротвердость структурных составляющих нанесенного покрытия, границы сплавления ленты и основного металла, зоны термического влияния. По результатам измерения строились графики зависимости «микротвердость - расстояние от поверхности».
Испытания на одноосное статическое растяжение проводили на разрывной универсальной испытательной машине «Эйвери» по ГОСТ 1497 [81] на цилиндрических образцах тип 3. Схема нанесения стальной ленты на рабочую поверхность образцов приведена в табл. 2.6. Контролировались предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение, жесткость, место разрушения.
Испытания на сдвиг (срез) осуществляли на универсальной разрывной машине «Эйвери» по методике [82], основанной на отделении от основного металла нанесенного на цилиндрический пуансон покрытия при его внедрении в матрицу, изготовленную таким образом, что пуансон без покрытия может перемещаться относительно матрицы с минимальной силой трения. Критерием адгезионной прочности соединения является отношение максимального усилия разрушения к площади цилиндрической поверхности, на которую нанесено покрытие. Контролировались - предел прочности при сдвиге, вид связи и характер разрушения.
Испытания на коррозионную стойкость проводили согласно ГОСТ 9.308 [83], ОСТ 3-9.017 [84] при полном постоянном погружении испытуемого образца в электролит (состав хлористый натрий NaCl с концентрацией ЗОг/л). В связи с ускорением испытаний с целью предварительной оценки коррозионной стойкости условия испытаний ужесточили по сравнению с реальными, а именно увеличили концентрацию NaCl до 45 г/л. Испытания проводили на цилиндрических образцах с нанесенным на их поверхность покрытием по двум технологическим вариантам: - ЭКП ленты из стали 20X13 толщиной 0,7 мм; - газопламенным напылением порошка из стали 20X13, фракция 50 -200 мкм. Подготовка образцов осуществлялась по ГОСТ 9.308, ГОСТ 9.905 [85]. Оценка результатов проводилась по ГОСТ 9.905. Фрактографические исследования проводили с использованием бинокулярного микроскопа МБС-10. Контроль качества нанесенной поверхности осуществляли методом цветной дефектоскопии (ОСТ 26-5-88) [86]. Выявлялось наличие пор, трещин, раковин. Обработка результатов измерений и оценка их погрешностей проводили в соответствии с ГОСТ 8.207 [87] и согласно методам, изложенным в литературе [88]. Наряду со стандартными методами исследования качества поверхностных слоев были разработаны, апробированы и внедрены в производство следующие методики. Испытания на износостойкость производились по специально разработанным методикам. Первая позволяет, используя конструкцию составного цилиндрического образца получать полную информацию о механизме и кинетике разрушения поверхностного слоя, соответствующую различным стадиям процесса износа при трении скольжения, с сохранением изношенных поверхностей и исключением последующей операции механической обработки (порезка, шлифование, полировка) с целью изготовлении микрошлифов. Вторая, при использовании которой имеется возможность исследовать закономерности и механизм изнашивания различных зон модифицированного слоя, а также по средствам введения в процесс непрерывных испытаний электронных измерительных и вычислительных устройств в реальном времени строить кривую изнашивания. Подробное описание методик приведены в разделах 2.3 и 2.4 Допустимые размеры, количество и расположение неметаллических включений на поверхности покрытия контролировали по ГОСТ 1778 [89] и по специально разработанной методике, которая позволяет определить неметаллические включения в поверхностных слоях, полученных методом электроконтактной приварки лент различного химического состава на рабочие поверхности тяжелонагруженных деталей оборудования, эксплуатируемого на химических предприятиях.
Условия формирования металлургической связи на границе раздела «покрытие - основной металл»
Свойства нанесенных покрытий методом ЭКП определяются рядом факторов: адгезионной прочностью, отсутствием трещин, раковин и пор, микроструктурой (полная, не полная закалка), качеством тонкого поверхностного слоя сформированной поверхности, а именно глубиной оплавленного слоя, а также размерами зоны термического влияния. Формирование качественного покрытия можно добиваться изменением параметров процесса, таких как величина приварочного тока, длительность импульса и паузы приварочного тока, давление приварочных роликов на поверхность ленты, скорость вращения детали и линейной подачей приварочных роликов. Практика нанесения покрытий методом ЭКП показала, что качество сформированной композиции «покрытие - основной металл» можно оценить следующими показателями: - адгезионной прочностью покрытия с основным металлом; - структурой по толщине наносимой ленты, в результате ее нагрева в различных интервалах критических температур; - глубиной оплавления поверхности наносимой ленты, а также областью металлургического перемешивания материала ленты и основного металла; - отсутствием дефектов (трещин, пор, раковин) - размерами зон термического влияния.
При формирование качественных покрытий, с учетом перечисленных выше показателей, в каждом конкретном случае необходим индивидуальный подход к выбору режимов ЭКП. Наряду с этим следует учитывать конструктивные особенности восстанавливаемых деталей, химический состав присадочного материала, технологические особенности установки для ЭКП.
В основе метода предварительного выбора рациональных режимов ЭКП является определение качества композиции «покрытие - основной металл», с точки зрения формирования прочной металлургической связи.
С данной целью, на поверхность цилиндрического образца диаметром 70 мм, изготовленного из среднеуглеродистой стали 45, осуществлялась электроконтактная приварка коррозионностойкой ленты из стали 20X13 одиночными импульсами приварочного тока. Сила тока во вторичной цепи трансформатора варьировалась от 6,5 до 10,5 кА, а длительность импульса назначалась в диапазоне 0,1 ... 0,9 мс. Выбор диапазона значений силы тока и длительности импульса был обусловлен технологическими возможностями используемой установки для ЭКП. Так как основное влияние на качество сформированной композиции «покрытие - основной металл» оказывает сила приварочного тока и длительность импульса, то давление приварочных роликов на поверхность наносимой ленты, по рекомендациям научно-технической литературы, при испытаниях всем оставалось постоянным и равным 3000 Н.
После приварки ленты к поверхности образца проводился ее отрыв от основного металла механическим способом. В результате отрыва ленты, в зависимости от режимов ЭКП, на поверхности детали оставались как участки с приваренной лентой, в результате образования металлургической связи (рис. 3.7), так и участки зон термического влияния, из-за недостаточной или отсутствия металлургической связи покрытия с основным металлом. Участки зон термического
Влияние силы приварочного тока J и длительности его импульса t на качество композиции «покрытие - основной металл», с точки зрения образования металлургической связи в зоне контакта ленты и основного металла приведено в табл. 3.1.
Из таблицы 3.1 видно, что режимы, влияющие на качество композиции «покрытие - основной металл», с точки зрения образования металлургической связи, можно разделить на три группы.
К первой группе относятся режимы, при которых не происходит приварка ленты к основному металлу. Это обусловлено недостаточной продолжительностью импульса, при котором не наблюдается оплавления материала в зоне контакта ленты и основного металла. Следует отметить, что в результате кратковременности длительности импульса при данных режимах, вероятно, не успевают происходить и фазовые превращения, что определяется незначительным повышением поверхностной твердости материала ленты (26 - 28 HRC) по сравнению с ее исходным состоянием (22 - 25 HRC).
Вторую группу объединяют режимы, при которых, несмотря на образование металлургической связи в зоне контакта ленты и основы, наблюдается выплеск расплавленного металла из указанной зоны, вследствие высоких значений силы приварочного тока и длительности его импульса, при которых металл, на границы раздела ленты и основного металла, значительный промежуток времени находится в расплавленном состоянии. Данный эффект сопровождается образованием дефектных участков по толщине ленты в виде газовых раковин и пор. При реализации указанных режимов происходит, как незначительное повышение твердости поверхности ленты (28 - 35 HRC), так и ее увеличение до 53 HRC. На рис. 3.8 показана микроструктура композиции «покрытие - основной металл» с наличием дефектов по толщине наносимой ленты, обусловленных образованием выплеска расплавленного металла из зоны контакта ленты и основы.
Исследование механических свойств на границе раздела «покрытие -основной металл» при различных схемах нагружения
Влияние защитного покрытия на конструкционную прочность основного металла и изделия в целом зависит от нескольких факторов: количества и подвижности дислокаций на границе раздела «покрытие - основной металл»; - появлением на межфазной границе интерметаллических или химических соединений с определенными физико-механическими свойствами; - наличием растягивающих или сжимающих остаточных напряжений, локализующихся в поверхностном слое материала. Применение традиционных технологий поверхностного упрочнения и нанесения покрытий на поверхности деталей приводит к тому, что указанные факторы оказывают отрицательное влияние на конструкционную прочность композиции «покрытие - основной металл». Это снижение наиболее существенно для деталей после газотермического и плазменного покрытия. Поэтому в инженерной практике традиционно сложилось, что независимо от восстановления размеров изношенных поверхностей наплавкой или напылением в нормативно-технической документации, а также при расчетах на прочность элементов конструкций, работающих в условиях сложного напряженного состояния, учитываются только размеры сечения, остающегося после изнашивания основного металла детали, даже если его начальные геометрические размеры были полностью восстановлены. При этом считается, что покрытие только восстанавливает геометрию изношенной поверхности, формирует определенные коррозионные и триботехнические свойства поверхностного слоя. Для оценки влияния ЭКП металлических лент на конструкционную прочность композиции «покрытие - основной металл» проводились испытания при одноосном статическом растяжении цилиндрических образцов (ГОСТ 1497) на универсальной разрывной машине «Эйвери» с записью диаграммы в координатах «нагрузка-деформация». После ЭКП ленты на цилиндрические образцы диаметром 19 мм проводилось шлифование покрытия до удаления поверхностного оплавленного слоя. Испытаниям подвергались по 5 образцов для каждого технологического варианта нанесения покрытия. Для сравнения проводились испытания образцов с газопламенным напылением порошковым материалом 20X13. По результатам испытаний определяли следующие характеристики композиции «покрытие -основной металл»: предел прочности (ав, МПа); условный предел текучести (о0 2, МПа) и относительное сужение (v/, %). Сравнительные результаты испытаний на одноосное статическое растяжение приведены на рис. 4.4. Установлено, что при однослойной ЭКП ленты 20X13, нанесенной на всю рабочую поверхность образца, или по ее средней части, наблюдается снижение предела прочности (580 - 600 МПа) и предела текучести (530 - 550 МПа)по сравнению с исходным состоянием материала (ов=730 МПа, а,=560 МПа). В данном случае разрушение образцов всегда происходит в зоне перехода ленты к основному металлу, где возникает резкий градиент физико-механических свойств в результате формирования в указанной зоне структуры закалки и высокотемпературного отпуска. Следует отметить, что в процессе деформирования образцов, независимо от вариантов нанесения покрытий, не происходит его разрушение или отслаивание от основного металла, что указывает на его высокую конструкционную прочность и надежную металлургическую связь с основным металлом.
Изучение механизма разрушения образцов после ЭКП ленты 20X13 позволило сделать вывод о том, что при растяжении одноосное напряженное состояние, в отличие от образцов без покрытия сохраняется практически в процессе всего нагружения, а разрушение происходит путем отрыва без заметного образования шейки. Так, например, относительное сужение образцов в исходном состоянии составляет - 47%, а после ЭКП ленты 20Х13-11%. Анализ диаграмм растяжения исследуемых образцов (рис. 4.6) позволил установить, что после ЭКП ленты 20X13 более чем в три раза повышается такая важная характеристика эксплуатационных свойств материала как «жесткость», определяемая отношением «напряжение - деформация» (об) на прямолинейном участке диаграммы и характеризующую способность материала детали при воздействии механической нагрузки сохранять геометрические размеры. Данное свойство является очень важным для деталей, работающих во взрывопожароопасном производстве, например валов роторов центробежных компрессоров. Результаты испытаний на статическое растяжение подтверждаются фактографическими исследованиями зон разрушения исследуемых образцов, выполненных на стереоскопическом бинокулярном микроскопе МБС - 10. Так, например, зона разрушения излома при испытании образцов, изготовленных из стали 45, является вязкой и волнистой. Также изломы («чашечкой») возникают при осевом растяжении пластических материалов после интенсивного образования шейки. Разрушение образца частично происходит по поверхности макроотрыва, а частично по поверхности макросреза, что обусловлено объемно-напряженным состоянием в сечении шейки. Рассматриваемый излом характеризуется волнистой сердцевиной с шероховатой поверхностью, расположенной перпендикулярно направлению максимальных касательных напряжений. Боковые поверхности, имеющие скосы 45 к направлению тмах являются признаком влияния касательных напряжений. При ЭКП ленты 20X13 на рабочую поверхность образцов характер разрушения резко изменяется.
Поверхность излома носит смешанный характер. В нем присутствуют элементы вязкого и хрупкого разрушения в виде различных по строению зон. Вязкий участок на изломе характеризует медленное распространении трещины. Этот участок отличается от зоны хрупкого распространения трещины, четко выраженной линией, являющейся следом остановки вязкого разрушения. Расходящиеся от границы остановки вязкого разрушения рубцы указывают направление трещины. Хрупкая зона излома имеет кристаллическое строение, а ее поверхность состоит из множества гладких площадок - фасеток, представляющих собой определенную кристаллографическую плоскость зерна материала. Очевидно, что снижение концентрации напряжений, вызванной неоднородностью структуры в зоне перехода ленты к основному металлу, позволит повысить прочностные свойства изделий. Данная проблема была частично решена при помощи предварительного нанесения на рабочую поверхность образцов методом ЭКП подслоя из более пластичного материала, например, ленты из стали ВСтЗпс и последующей приварки на подготовленную поверхность ленты из стали 20X13. В данном случае при испытаниях на одноосное статическое растяжение были получены сопоставимые результаты с испытаниями образцов в исходном состоянии (см. рис. 4.4, вариант 1). Полученные результаты можно объяснить процессами упрочнения материала, наблюдаемыми на границе раздела «покрытие - основной металл» вероятно, связанными с торможением дислокаций в вязком подслое, а значит и повышенной их плотностью на границе зон с различной структурой и физико-механическими свойствами. Вид излома в данном случае несколько изменяется. В зоне разрушения присутствует больше вязких участков, что подтверждается увеличением относительного сужения до 15%.
Похожие диссертации на Разработка технологии получения высококачественных поверхностных слоев электроконтактной приваркой ленты из коррозионно-стойкой стали 20Х13
