Разработка технологических основ износостойкой электронно-лучевой наплавки в вакууме самофлюсующихся порошковых материалов Шевцов, Юрий Олегович

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из основных задач машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин, отдельных узлов и механизмов. Существенный резерв увеличения срока службы деталей и инструментов - образование на поверхности этих деталей и элементов слоев и покрытий, обладающих высоким уровнем требуемых функциональных свойств - износостойкости, твердости, коррозионной стойкости и др. Среди существующих энерго - и ресурсосберегающих технологий все более заметную роль приобретают процессы с использованием высококонцентрированных потоков энергии, таких, как плазменная струя, световой и лазерные лучи, -вы-зокоэнергетические пучки релятивистских электронов и низкоэнергетические электронные пучки. Электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) пучками низкой энергии благодаря ряду преимуществ (более высокий, чем при лагерной наплавке к.п.д., значительно меньшие энергозатраты, вакуумная дегазация и рафинирование наплавляемого материала, возможность полной автоматизации процесса) является однім из наиболее перспективных методов нанесения покрытий.

Несмотря на явные технико-экономические преимущества процесса ЭЛН,- в настоящее время он остается малоизученным как в те-эретическом, так и в практическом аспектах, что сдерживает широкое внедрение электронно-лучевой технологии в серийном производстве.

Необходимость широкого внедрения процесса ЭЛН порошковыми материалами в различных отраслях промышленности, разработки специализированного оборудования и автоматизации ЭЛН предопределяет актуальность задачи исследования и разработки рациональных режимов ЭЛН, обеспечивающих качественную наплавку при высокой произ-зодительности и минимуме энергетических затрат.

Работа выполнена в Проблемной НИЛ "Процессы сварки и соэда-іия защитных покрытий" и в Зональной межвузовской НИЛ электрон-ю-дучевой технологии (НИЛ ЭЛТ) Алтайского государственного тех-іического университета (АлтГТУ) в рамках программ, включенных на инкурсной основе: в ГНТП "Перспективные материалы" (1990...91 '.г.), Республиканскую НТП "Исследование, разработка, освоение и іьшуск мелкосерийной и малотоннажной наукоемкой продукции для ітрасдей народного хозяйства РФ" (1992 г.), Республиканскую меж-

вузовскую НТП "Сварочное производство"(1992.. .94 г.г.), Рее диканскую НТП "Перспектива" (1990 г.), Республиканскую НТП ' нические университеты России" (1993...94 г.г.).

Цель работы. Разработка технологических основ прямой зі ронно-лучевой износостойкой наплавки в вакууме порошковых сг люсующихся материалов системы Ni-Cr-B-Si.

Для достижения этой цели в работе были поставлены след) научные и прикладные задачи:

выполнение анализа, обоснования и выбора порошковых ь риалов для нанесения износостойких защитных покрытий и дат шего конструирования порошковых составов с требуемыми физике ханическими свойствами; разработка устройства для подачи пс новых материалов в зону наплавки в вакууме;

выполнение теоретических исследований теплового состс сплавов в процессе ЭЛН для определения влияния технологиче параметров наплавки на основные факторы, ответственные за фо рование качественных наплавленных слоев;

экспериментальное определение влияния основных технол ческих параметров процесса ЭЛН на геометрические характерне наплавленных слоев;

определение физико-механических свойств порошковых на вок (твердость, микротвердость, износостойкость, пластичное полученных в различных технологических вариантах; установл зависимости прочностных свойств наплавок от их структурных х, теристик и энергетических параметров электронного луча; иссл вание взаимосвязи структурно-фазовых изменений с характерної: износостойкости слоев, наплавленных электронным лучом в ваку;

разработка технологических режимов нанесения упрочняю] покрытий методом ЭЛН порошковых сплавов в вакууме на детали шин и инструмент.

Методики исследований. Расчеты и исследования тепла состояния сплавов в процессе ЭЛН выполняли с использованием тематической модели в виде.программ для персонального компы pa IBM PC/AT. Программы для расчетов теплового состояния ш бесконечного тела, нагреваемого сканирующим по пилообразной і ектории электронным лучом, разработаны по гаданию межвуговс НИЛ ЗЛТ в ИЭС им.Е.О.Патона АН Украины (д.т.н. В.Ф.Демчеш к.т.н. А.В.Мужиченко) и в ИТФ СО РАН (к.ф.-м.н. А.П.Гиря).

Технологические исследования выполнялили на электронно-лу-[евой установке ЗЛУ-1М с источником питания У-250А.

Микроструктурные исследования и профилографирование поверх-[остей наплавок проводили на оптических микроскопах: "Neop-iot-21", "Neophot-32", МИМ-8М и электронном растровом "Tesla 5-300" (ЧССР). Фазовый анализ осуществляли с помощью рентге-:овских дифракгометров ДРОН-2.0 и ДР0Н-УМ1. Твердость и микрот-ердость наплавленных слоев измеряли по стандартным методикам на риборах ТК-2 и ПМТ-ЗМ.

Исследования износостойкости проводили по модернизированной етодике со схемой изнашивания неподвижно-закрепленными частица-и абразива.

Прочность и пластичность наплавленных слоев исследовали на аарывной машине УМЭ-ЮТМ с помощью раэработаного высокоинформа-ивного и чувствительного метода путем определения деформации окрытия до разрушения при его растяжении, позволяющего получать иаграммы деформации именно для защитного слоя и определять пре-елы прочности наплавленных слоев, а также с помощью метода рехточечного изгиба.

Использование современных приборов, оборудования и методик ^следований и анализа для решения поставленных в диссертацион-эй работе задач позволило обеспечить достоверность полученных эзультатов.

Научная новизна. Расчетным путем установлено, что в диапа-эне удельных мощностей от 1,96-Ю⁵ до 3,08^-10⁵ Вт/см² (при ус-зряющем напряжении U_a = 22 кВ, токе луча 1_д » 70...110 тА и диметре пятна нагрева d_n = 1,0 мм) и при скоростях движения луча лае 0,2 см/с скорости охлаждения расплава достаточны для обра-звания мелкоэерностой структуры наплавленного металла; в диапа-же скоростей движения луча от ОД до 0,5 см/с создаются усло-ія для активного удаления из расплава неметаллических включе-га, а частота сканирования не оказывает значительного влияния і температуру нагрева, время пребывания металла в жидком состоит и скорость охлаждения расплава.

Впервые экспериментальным путем получены данные о влиянии жовных технологических параметров процесса прямой порошковой Ш в вакууме (удельная мощность - q, определяемая через ускоряла напряжение - U_a, ток луча - 1_л, скорость движения луча -

Од, рабочее расстояние от среза желоба питателя до изделия -массовый расход порошка - G_n, угол наклона желоба питателя -на геометрические характеристики наплавленных слоев (высота ширина - В наплавленного валика, глубина проплавлення - h_n коэффициент перемешивания - т<ъ.

Получены новые количественные данные о вэаимосвязии мех ческих свойств (твердость - HRC и микротвердость - Нд) с роструктурой наплавок. Установлено, что в наплавленных слоя никелевой основе со структурой легированного аустенита возм получение твердости порядка 62...63 HRC за счет формирования действием электронного луча мелкозернистых равномерно распр ленных по объему карбидных и боридных включений.

Разработана методика определения показателей механиче свойств наплавленных слоев и выявлены взаимосвязи их предел: деформации - _р, предела прочности - б_в и предела текучест: бо. 2 со структурой и удельной мощностью электронного луча - I

Установлена качественная и количественная взаимосвязь пі зателей износостойкости в зависимости от исходного фазового і тава исследуемых материалов и конечной структуры наплавлен) слоя. Разработаны научно обоснованные рекомендации по управлі формированием микроструктуры и фазового состава наплавок с ці повышения износостойкости создаваемых защитных покрытий.

Разработан новый состав наплавочного материала на основ* мофлюсующихся порошков, обеспечивающий стойкость наплавлеї слоев против абразивного изнашивания в условиях сухого тренш 4,3 раза выше, чем материал основы, а твердость - до 70 I Состав защищен авторским свидетельством на изобретение.

Практическая ценность. На базе результатов исследоваї выполненных в рамках диссертации, разработаны конкретные те} логические процессы ЭЛН ряда деталей и инструмента; наплавл рабочие поверхности пальцев, седел и сфер запорной арматуры с циальной конструкции для перекачки грунтосодержащей вода пульпы из подземных шахт, а также режущие кромки дисковых для деревообработки, которые были испытаны на АО "ЭТЭМ" и А "МЭТ" (г. С.-Петербург). Суммарный расчетный экономический фект от использования технологий на предприятиях составляет тысяч рублей в год (в.ценах 1990 г.).

Диссертационные исследования и разработки используйте

- Б -

гчебном процессе АлтГТУ при выполнении дипломных проектов , лабораторных занятий и научно-исследовательских работ студентов.

Основные положения, выносимые на защиту:

результаты теоретических исследований теплового состояния іплавов в процессе ЭЛН порошковых материалов сканирующим элект-юнным пучком в вакууме;

результаты экспериментальных исследовании влияния основных технологических параметров процесса прямой порошковой ЭЛН в іакууме на геометрические параметры наплавленных валиков;

установленные взаимосвязи показателей износостойкости издаваемых защитных покрытий со структурно-фазовым составом [аплавленных слоев металла;

разработанный состав порошкового твердого сплава для до-юлнительного повышения износостойкости наплавленных покрытий;

разработанная методика исследования прочности и пластич-іости наплавленных слоев с помощью растяжения.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены іа Региональных научно-технических конференциях "Инструментадь-гае обеспечение автоматизированных систем механообработки (г.Ир-утск, 8...11 октября 1990 г.), "Порошковые материалы и покрытия" [г.Барнаул, 25...26 сентября 1990 г.), "Теплофизика технологи-[еских процессов" (г.Рыбинск, 23...25 сентября 1992 г.), на Роо-іийских республиканских конференциях "Прогрессивные технологии [роизводства, структура и свойства порошковых изделий, компози-(ионных материалов и покрытий" (г.Волгоград, 29...30 сентября

1. г.), "Электронно-лучевая сварка" (г.Москва, 12...13 октября

2. г.), на IV, Украинской республиканской конференции "Современ-ие покрытия и используемые материалы" (г.Харьков, 20...22 нояб-ія 1990 г.), на Межреспубликанской конференции "Применение им-[ульсных методов и обработки давлением для производства порошко-;ых изделий, композиционных материалов и покрытий" (г.Волго-рад, 9...10 октября 1990 г.), на советско-американской конфе-іенции "Новые материалы и технологии в трибологии" (г.Минск, '...9 ноября 1992 г.), на 5-й Международной конференции по элек-ронно-лучевой технологии (г.Варна, Болгария, 30 мая...6 июня 991 г.), на объединенном научно-техническом семинаре кафедр іварки и металловедения АлтГТУ и АО "АНИТИМ" (апрель 1993 г.).

- б -

Научно-техническая продукция, изготовленная по теме рабо экспонировалась на Всероссийских выставках (Новосибирск, Моек 1993 год).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, том числе авторское свидетельство на изобретение и 4 отчета научным темам, прошедщих государственную регистрацию.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит введения, пяти глав, общих выводов, содержит 126 страниц маши писного текста, рисунков - 46, таблиц - 9, список литературы держит 110 наименований, а также приложения на 4 страницах, том числе акты внедрения.