Введение к работе
Актуальность темы. Одним из направлений повышения ресурса и долговечности деталей агрегатов и узлов, работающих в экстремальных условиях, является разработка новых порошковых материалов, композиций и инновационных технологий их производства. Существенными факторами, ограничивающими область применения порошковых сталей для тяжелонагруженных конструкций, является отсутствие систематических исследований некоторых трибологических характеристик, остаточная пористость, а также невысокий уровень механических свойств, обусловленный повышенной дефектностью структуры. В настоящее время особенно востребованы износостойкие материалы к ударно-абразивному и ударно-гидроабразивному изнашиванию, так как такому виду износа подвержены детали в узлах и агрегатах оборудования, эксплуатируемого в дорожном, строительном, нефтяном, газовом и других комплексах промышленности. Поэтому актуальной задачей становится исследование ударно-абразивного разрушения порошковых сталей и разработка новых технологий их получения.
В практике производства порошковых изделий получил распространение способ поликомпонентного легирования, отличающийся простотой, высокой экономической эффективностью и возможностью создавать материалы практически любого химического состава с требуемым уровнем свойств. Порошковые стали и сплавы из поликомпонентной шихты уступают по механическим свойствам компактным, что обусловлено высокой гетерогенностью их структуры. В связи с этим применяют высокотемпературное продолжительное спекание, которое приводит к растворению добавок, выравниванию химического состава, залечиванию макро- и микродефектов, снижению остаточной пористости и т.д. Однако такие технологические режимы спекания приводят к повышению энергетических затрат, снижению долговечности технологического оборудования и, как следствие, повышению стоимости готовых порошковых изделий. Поэтому актуальным направлением научных исследований, является разработка технологии получения легированных порошковых сталей с оптимальным распределением компонентов в результате активизации диффузионных процессов.
Работа выполнена на кафедре «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) в соответствии с единым заказ-нарядом по заданию Федерального агентства по образованию на 2005-2010 гг. (1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов»).
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка эффективной технологии получения легированных порошковых сталей с высокой ударно-абразивной износостойкостью и снижение материальных и энергетических затрат при производстве деталей из них для буровых и цементировочных насосов.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработать методику проведения испытаний, спроектировать и изготовить испытательное оборудование для исследования ударно-абразивного и ударно-гидроабразивного износа порошковых сталей.
2. Исследовать влияние химического состава, степени растворения легирующих компонентов, технологических факторов производства, кинетики диффузионных процессов на структурообразование и ударно-абразивную износостойкость порошковых сталей.
3. Определить параметры гомогенизирующего спекания пористых прессовок из гетерогенной шихты и разработать способ введения легирующих добавок, обеспечивающий сокращение продолжительности спекания, повышение механических и эксплуатационных свойств легированных порошковых сталей.
4. Составить рекомендации по освоению технологии производства седла и тарели клапана бурового или цементировочного насоса методами порошковой металлургии.
Научная новизна.
1. Обосновано, что упрочнение порошковых сталей карбидами железа и хрома снижает ударно-абразивную износостойкость, в отличие, от изнашивания при скольжении по абразиву. Установлено, что комплексное легирование хромом и никелем высокоуглеродистых порошковых сталей улучшает их ударно-абразивную износостойкость в результате повышения вязкости и твердости матрицы. Наибольшей ударно-абразивной износостойкостью обладают порошковые стали, в которых хром и никель растворен в железоуглеродистой матрице с коэффициентом вариации концентрации не более 0,3.
2. Экспериментально обосновано, что введение графита активирует взаимную диффузию в системах Fе-Ni и Cr-Ni, а в железохромистых смесях тормозит диффузию железа в частицы феррохрома вследствие образования пленки карбида хрома на их поверхности. Это позволило разработать эффективный способ введения хрома и никеля в шихту в виде порошка коррозионностойкого сплава при получении порошковых сталей с высокой ударно-абразивной износостойкостью.
3. Разработан новый метод расчета параметров гомогенизирующего спекания и отжига порошковых легированных сталей, полученных из смеси порошков-компонентов и лигатур, отличающийся от известных тем, что гранулометрический состав применяемых порошков необходимо подбирать с учетом их парциальных коэффициентов гетеродиффузии так, чтобы соотношение размеров частиц применяемых порошков соответствовало обратному отношению парциальных коэффициентов гетеродиффузии
Практическая значимость.
1. Разработана методика и установка для проведения испытаний на ударно-абразивное и ударно-гидроабразивное изнашивание конструкционных и специальных материалов, что позволило исследовать износостойкость порошковых сталей в условиях ударных нагрузок с присутствием абразива в зоне контакта с погрешностью не более 5%.
2. Экспериментально установлено, что наибольшей ударно-абразивной износостойкостью обладают порошковые стали, изготовленные из шихты, состоящей из порошков железа (осн.), 1% (мас.) графита карандашного, 34% хрома и 45% никеля, с остаточной пористостью не более 46%.
3. Предложен способ приготовления шихты с учетом химического и гранулометрического состава порошков- компонентов, позволяющий уменьшить энергозатраты за счет сокращения времени спекания с 12 до 46 ч (T=11801200C) при получении легированных порошковых сталей с гомогенной структурой из гетерогенной шихты.
4. На основе объектно-ориентированного языка программирования «Java» разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитать условно деформированные объемы пористых осесимметричных заготовок в случае формования внутреннего конуса и рассчитать конфигурацию заготовки, обеспечивающую равномерное распределение остаточной пористости в готовом изделии и снижение усилия прессования при формовании.
5. Предложены технологические схемы производства седла и тарели клапана насоса высокого давления НП-720105 методами порошковой металлургии на производственном предприятии ЗАО «ТРАСТ ИНЖИНИРИНГ» (г. Ростов-на-Дону) с ожидаемым годовым экономическим эффектом около 1,5 млн. руб.
Автор защищает экспериментально обоснованные положения о влиянии легирующих элементов на стуктурообразование, свойства и технологию получения порошковых сталей, износостойких к условиям ударно-абразивного изнашивания. Научно и экспериментально обоснованную технологию получения порошковых легированных сталей с гомогенной структурой из гетерогенных шихт, при которой гранулометрический состав порошков-компонентов выбирают в зависимости от их диффузионной активности.
Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на V Международной конференции «Новые и перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) – 2010» 14-16 сентября 2010 г. г. Волгоград, Россия; на IX Международной научно- практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике». 15 ноября 2010 г. г. Новочеркасск; на Всероссийском смотр-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2009», г. Новочеркасск, декабрь 2009 г; а также на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт): Студенческая весна 2009, 2010 и 2011; 59-й и 60-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 3 статьи без соавторов и патент на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, общих выводов, изложена на 177 страницах, включая 57 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 120 наименований и приложения на 9 страницах.
