Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ факторов, определяющих износостойкость наплавленных слоев.
1.1. Характеристика присадочных материалов, применяемых при наплавке для повышения износостойкости деталей нефтегазового оборудования.
1.2. Анализ условий изнашивания и требований, предъявляемых к поверхностям активно изнашивающихся деталей нефтегазового оборудования, восстанавливаемых методами наплавки. 23
1.3. Анализ технологических параметров наплавки, определяющих износостойкость наплавленного слоя.
1.4. Анализ методов прогнозирования структурно-фазового состава сложнолегированных сплавов. 38
Выводы по I главе 44
Цели и задачи работы 46
Глава 2 Разработка расчетного метода определения характеристик наплавленного слоя, влияющих на структурообразование наплавленного металла 48
2.1. Разработка расчетной методики определения тепловых процессов в наплавленном слое.
2.2. Определения основных характеристик зоны проплавлення влияющих на структурообразование наплавленного металла. , 65
2.3. Определение основных характеристик наплавленного слоя по параметрам зоны наплавки. 74
2.4. Экспериментальная проверка основных расчетных 81 характеристик наплавленного слоя.
Выводы по II главе 84
Глава 3. Разработка расчетной методики определения состава и количества карбидной фазы в наплавленных слоях со значительной долей участия основного металла. 86
3.1. Определение влияния долевого участия основного и присадочного металлов на строение и состав карбидной фазы в наплавленном слое. 86
3.2. Определение областей рационального легирования для формирования карбидных фаз в износостойких наплавленных слоях. 97
3.3. Разработка расчетной методики определения состава и количества карбидных фаз в наплавленных слоях. 109
3.4. Экспериментальное определение состава карбидных фаз в сложнолегированных сплавах. 114
Выводы по III главе 126
Глава 4. Разработка диаграммы структурно-фазового строения матрицы сложнолегированного наплавленного металла. 127
4.1. Влияние углерода на структурно-фазовое состояние матрицы износостойкого наплавленного слоя в условиях наплавочного процесса. 127
4.2. Экспериментальные исследования поверхностных слоев с разным содержанием углерода, охлажденных со скоростью больше критической. 140
4.3. Влияние легирующих элементов на характер структурно-фазовых превращений в матрице наплавленного металла. 144
4.4. Разработка диаграммы структурно-фазового состояния матрицы сложнолегированных наплавленных слоев. 155
Выводы по IV главе 163
Глава 5. Влияние условий охлаждения на формированиеструктурно-фазового состава наплавленного металла. 165
5.1 Разработка методики для оценки влияния условий охлаждения при наплавке на выделение карбидных фаз в наплавленном слое. 165
5.2. Анализ влияния легирующих элементов на термодинамическую активность углерода в карбидах. 178
5.3. Определение критических скоростей выделения карбидных фаз в наплавленных слоях. 209
5.4 Определение критических скоростей охлаждения при формировании различных фаз в матрице наплавленного слоя. 216
Выводы по V главе 225
Глава 6. Оптимизация структурно-фазового состояния наплавленного металла за счет регулирования основных технологических параметров наплавки. 228
6.1. Рекомендации по регулированию структурно-фазового строения наплавленного металла путем выбора технологических параметров наплавки с целью повешения сопротивляемости механическому изнашиванию 227
6.2. Исследование влияния состава и количества карбидной фазы на износостойкость наплавленных слоев. 234
6.3. Оптимизация состава и количества карбидной фазы в сложнолегированных наплавленных слоях. 241
6.4. Исследование влияния структурно-фазового строения матрицы наплавленного металла на износостойкость поверхности детали. 274
6.5. Разработка диаграмм структурно-фазового строения износостойких наплавленных слоев. 290
6.6. Сравнительная оценка износостойкости наплавленных слоев 334
в условиях абразивного изнашивания.
Выводы по работе 336
Литература 338
Приложение 352
- Характеристика присадочных материалов, применяемых при наплавке для повышения износостойкости деталей нефтегазового оборудования.
- Разработка расчетной методики определения тепловых процессов в наплавленном слое.
- Определение влияния долевого участия основного и присадочного металлов на строение и состав карбидной фазы в наплавленном слое.
Введение к работе
Одним из признанных средств повышения срока службы деталей машин является наплавка, применение которой особенно эффективно для увеличения износостойкости поверхностей, работающих в условиях контакта с абразивом. Высокая сопротивляемость наплавленных слоев действию изнашивающих нагрузок, отсутствие необходимости в дополнительной термической обработке, возможность получения слоев с заданными свойствами и химическим составом, делают наплавку одним из самых распространенных методов повышения долговечности и износостойкости деталей нефтегазового оборудования.
Для восстановления деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания, используется большая группа наплавочных материалов. Действующие в настоящее время ГОСТы включают в себя 30 типов электродов для ручной дуговой наплавки (ГОСТ 10051-75), 23 марки проволок для механизированной наплавки (ГОСТ 10543-82) и 4 типа порошков для порошковой наплавки и напыления (ГОСТ 21448-75). Износостойкие наплавочные материалы представляют собой высоколегированные, дорогостоящие сплавы и вопрос их рационального использования и обеспечения максимальной износостойкости имеет большое значение.
ГОСТы и техническая документация на наплавочные материалы, как правило, регламентируют свойства наплавленного металла, химический состав которого максимально приближен к присадочному материалу. Подобное сохранение исходных характеристик при реализации конкретных случаев наплавки как изношенных, так и новых деталей практически не достигается, так как требует нанесения на поверхность не менее трех слоев. Анализ активно изнашивающихся деталей, восстанавливаемых методами электродуговой наплавки, показывает, что характерные величины износа
деталей нефтегазового оборудования определяет применение однослойной или реже двухслойной наплавки. Создание слоев с малым количеством проходов приводит к значительному изменению исходных характеристик присадочного материала и как следствие изменение его структурно-фазового состава и износостойкости. При изготовлении таких слоев особую роль наряду с выбором наплавочного материала приобретают и параметры самого наплавочного процесса.
Известно, что износостойкость поверхности в условиях механического изнашивания, определяется в первую очередь ее структурно-фазовом составом. Для каждого вида изнашивания характерно определенное сочетание структурно-фазовых составляющих, обеспечивающих максимальную износостойкость поверхности. Наплавочный процесс оказывает решающее воздействие на ход структурно-фазовых превращений в наплавленном металле. Широкое изменение химического состава наплавленного слоя в зависимости от долевого участия основного и присадочного материалов, высокая температура нагрева и большой диапазон скоростей охлаждения при наплавке приводит к формированию различных структурно-фазовых состояний в поверхностном слое, выполненном одним и тем же наплавочным материалом. Экспериментальные исследования, проводимые для выбора оптимальных технологических параметров наплавки в каждом конкретном случае восстановления, трудоемки и дорогостоящи. Большой перечень наплавочных материалов, используемых для износостойкой наплавки, делает их проведение еще более затруднительным. В связи с этим целью настоящей работы является разработка расчетного метода прогнозирования структурно-фазового состава наплавленного металла, обеспечивающего возможность назначения обоснованных технологических режимов наплавки, способствующих достижению заданного уровня износостойкости наплавленного слоя.
Влияние наплавочного процесса на ход структурно-фазовых превращений в наплавленном металле наиболее сильно зависит от двух его параметров. В первую очередь это долевое участие основного и присадочного материалов^определяющее химический состав наплавленного металла. Затем - параметры охлаждения, характеризующие наличие или отсутствие условий для формирования требуемых износостойких фаз. Для определения этих параметров в зависимости от режимов наплавки была разработана методика расчета характеристик наплавленного слоя, влияющих на его структурообразование. Полученные графические зависимости основных параметров наплавочного процесса от погонной мощности источника нагрева, позволяют определить их значения для любых сочетаний режимов наплавки. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало, что точность получаемых значений составляет 90-95%.
Изменение химического состава наплавленного металла вследствие разбавления высокоуглеродистого высоколегированного присадочного материала, менее легированным металлом детали, в первую очередь сказывается на образовании специальной карбидной фазы. Специальные карбиды являются важнейшей фазовой составляющей износостойкого наплавленного слоя. Их выделение тесно связано с соотношением содержания карбидообразующего металла к углероду в наплавленном металле. Анализ тройных диаграмм Fe-Me-C позволил выделить критические значения этого соотношения, определяющие границы области формирования карбидов Ті, Zr, Nb, V, Та, Mo, W, Cr. На основе использования полученных критических значений была разработана методика расчета состава и количества специальной карбидной фазы, образующей в наплавленном металле с заданной степенью разбавления присадочного материала основным. Экспериментальная проверка предложенной методики показала, что предложенный подход к определению состава карбидной фазы обеспечивает возможность оценки не только
состава, но и типа выделяющихся карбидов непосредственно по химическому составу наплавленного металла.
Выделение специальных карбидов в наплавленном металле происходит в высокотемпературном аустенитном состоянии и вызывает значительное обеднение матрицы сплава легирующими элементами и углеродом. В тоже время матрица износостойкого металла является важной составляющей, определяющей его способность противостоять воздействию абразива. Прогнозирование ее структурно-фазового состояния определяет необходимость разработки специальной диаграммы, позволяющей оценить ее строение непосредственно по содержанию легирующих элементов и углерода, оставшихся в матрице сплава после выделения специальных карбидов и цементита. Первоочередную роль в формировании структурно-фазового состава матрицы сплава играет углерод. В зависимости от содержания углерода зафиксированного в твердом растворе на момент окончания процесса охлаждения наплавленного слоя, становится возможным формирование различных метастабильных структур. Проведенный анализ изменения свободной энергии твердых растворов железо-углерод на базе различных модификациях кристаллической решетки железа позволил выделить диапазоны углерода, обеспечивающие условия для протекания мартенситного или промежуточного превращения или сохранения аустенита. Экспериментальные исследования поверхностных слоев с разным содержанием углерода, зафиксированным в матрице сплава за счет обработки лазерным лучом, подтвердили правильность полученных диапазонов. Влияние легирующих элементов на структурно-фазовое строение матрицы сплава оценивалось по величине изменения энтальпии смешения твердого раствора, найденной из анализа диаграмм состояния Fe-Ме. На основе найденных значений была построена диаграмма структурно-фазового строения матрицы наплавленного слоя, содержащей до 2,0% углерода и до 35% легирующих элементов.
Формирование различных фаз в наплавленном металле невозможно оценить без учета скоростей охлаждения. Возможность выделения большинства фаз в износостойких наплавленных слоях связана с перераспределением углерода, что требует анализа процессов диффузии. На основе анализа изменения термодинамической активности углерода в карбидах разного типа была разработана методика расчета критических скоростей выделения карбидных фаз в наплавленных слоях. Выделение различных фаз в матрице сплава также характеризуется диффузией углерода. На основе анализа количества углерода, перемещенного в твердом растворе при выделении феррита, перлита и бейнита,были определены критические скорости формирования этих фаз в матрице наплавленного слоя. Сопоставление полученных результатов расчета с данными структурных диаграмм, полученных для зоны термического влияния сварных швов, позволили подтвердить правильность полученных значений.
Использование предложенного комплекса расчетно-технологических мероприятий позволило разработать рекомендации по регулированию структурно-фазового строения наплавленного металла путем выбора технологических параметров наплавки с целью повешения сопротивляемости механическому изнашиванию. С использованием предложенных рекомендаций можно определить параметры наплавки, обеспечивающие выделение требуемого состава и количества карбидной фазы, рассчитать режимы наплавки для обеспечения требуемого структурно-фазового состояния наплавленного слоя, произвести выбор присадочного материала для обеспечения максимальной износостойкости наплавленного слоя. Проведенные экспериментальные исследования влияния состава и количества карбидной фазы на износостойкость наплавленных слоев в условиях абразивного изнашивания, подтвердили роль специальных карбидов в обеспечении износостойкости поверхности детали. Сопоставление экспериментальных данных с данными расчета в
соответствии с предложенной методикой, подтвердило ВОЗМОЖНОСТЬ' проведения этого анализа для других наплавочных материалов без осуществления дополнительных экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования влияния скорости охлаждения на структурно-фазовое строение наплавленного металла позволили определить диапазон погонной мощности, обеспечивающий максимальную износостойкость наплавленного металла. Структурные диаграммы для рассмотренных наплавочных материалов, полученные расчетным путем, подтвердили правильность предложенного диапазона. С использованием предложенных закономерностей был разработан комплекс диаграмм для большинства износостойких наплавочных материалов и определены диапазоны погонной мощности при наплавке, обеспечивающие максимальную износостойкость наплавленного металла. Произведена оценка предельно допустимого разбавления присадочного материала, с учетом сохранения требуемого состава и количества карбидной фазы.
Характеристика присадочных материалов, применяемых при наплавке для повышения износостойкости деталей нефтегазового оборудования
Наплавка, как технологический процесс, нашла широкую область применения благодаря возможности создания на поверхности детали слоев самого разнообразного химического состава и структурно-фазового строения. Именно эта особенность наплавочных технологий используется при изготовлении поверхностей деталей, работающих в различных условиях изнашивания. В зависимости от вида изнашивающего воздействия меняются требования к характеристикам поверхностного слоя. Это определяет наличие широкой номенклатуры специализированных наплавочных материалов, предназначенных для различных условий изнашивания. Большой перечень существующих наплавочных материалов обусловлен как многообразием условий износа, так и технологическими особенностями процесса изготовления и ремонта изделий.
Регламентирующими документами, определяющими выпуск наплавочных материалов для ручной электродуговой наплавки, являются ГОСТ 10051-75 и техническая документация на электроды отдельных марок. Согласно ГОСТ 10051-75 электроды для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами подразделяются на 44 типа. Однако, только часть из них предназначена для работы в условиях механического изнашивания. В соответствии с подразделением рассматриваемых типов электродов на группы по виду изнашивающего воздействия будут меняться и требования к свойствам поверхностных слоев, изготовленных электродами разных групп.
В зависимости от назначения можно выделить следующие группы электродов:
- для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного
изнашивания [37, 38];
- для наплавки деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания [79, 81];
- для наплавки деталей, работающих при воздействии ударных нагрузок
[121];
- для наплавки деталей, работающих при трении металла по металлу [143].
Различные условия эксплуатации, определяют разные требования к химическому составу электродов, механическим свойствам и структурно-фазовому составу слоев, наплавленных ими.
Первая группа электродов, которую можно выделить по ГОСТ 10051-75, предназначена для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания. Химический состав электродов этой группы характеризуется высоким содержанием углерода и наличием значительного количества карбидообразующих элементов. Наплавленный металл обеспечивает высокие показатели твердости и прочностных свойств в основном за счет наличия карбидной фазы без последующей термической обработки наплавленного изделия. В таблице 1.1.1 обобщены сведения по химическому составу и механическим свойствам наплавленного металла, выполненного электродами первой группы. Они дополнены наиболее распространенными марками электродов, не вошедших в ГОСТ [75].
Вторая группа объединяет типы электродов, предназначенные для наплавки поверхностей, работающих в условиях интенсивных ударных нагрузок при наличии абразива. Химический состав электродов этой группы характеризуется более низким, чем в предыдущей группе содержанием углерода и наличием никеля или марганца. Они также содержат карбидообразующие элементы, преимущественно хром.
Характеристика присадочных материалов, применяемых при наплавке для повышения износостойкости деталей нефтегазового оборудования
Наплавка является сложным процессом, представляющим собой комплексное взаимодействие тепловых, химических и металлургических явлений, определяющих как геометрические размеры наплавленного валика, так и его химический состав, структурно-фазовое строение и механические свойства. Большинство из этих явлений зависит от температурно-временных условий, формируемых источником нагрева в зоне плавления. В зависимости от тепловой мощности источника нагрева и скорость его движения по поверхности детали условия для формирования требуемых характеристик наплавленного слоя могут существенно изменяться. Тесная взаимосвязь между тепловым воздействием наплавочного процесса и протекающими в зоне нагрева химическими и металлургическими процессами требует проведения подробного анализа термических циклов, характеризующих наплавленный слой при каждом конкретном сочетании режимов наплавки.
При реализации таких технологий наплавки как ручная электродуговая, автоматическая дуговая, плазменно-дуговая и лазерная источник нагрева вводит теплоту в наплавленное изделие через относительно небольшой участок поверхности. По своей природе источник нагрева при наплавке является поверхностным источником теплоты. Общая мощность источника нагрева определяется по известным параметрам его работы. Для электродуговой наплавки тепловая мощность электрической дуги характеризуется ее электрической мощностью [53]:
=I U (2.1.1.) где: /- сила тока дуги, А U- напряжение дуги, В
Мощность плазменно-дуговой наплавки соответствует энтальпии единицы массы газа на срезе сопла плазмотрона на его среднюю массовую скорость. Однако более часто ее связывают с электрической мощностью, необходимой для поддержания плазменной дуги и рассматривают как сумму электрических мощностей основной и вспомогательной дуг [117].
q=I0 U0+Ie Ue. (2.1.2.) где: /0,1в — сила тока основной и вспомогательной дуг соответственно, А Uо, Uв — напряжение основной и вспомогательной дуг соответственно, В Мощность луча лазера, работающего в импульсном режиме, определяют через энергию импульса (Е) и его продолжительность (t) [36].
q=E/t. (2.1.3.)
При непрерывном режиме работы общая мощность лазерного луча соответствует полной энергии луча.
q=E (2.1.4.)
При реализации наплавочного процесса не вся общая мощность источника нагрева выделяется в виде его тепловой мощности. Часть энергии затрачивается на поддержание существования самого источника теплоты.
Оставшаяся мощность источника нагрева преобразуется в тепло и называется эффективной тепловой мощностью. Соотношение этих двух параметров определяется величиной к.п.д. источника (ти) нагрева и характеризует энергетические потери на поддержание источника теплоты. В зависимости от вида источника нагрева величина этих потерь может существенно изменяться (табл.2.1.1.).
Определение влияния долевого участия основного и присадочного металлов на строение и состав карбидной фазы в наплавленном слое.
Химический состав основного и присадочного материалов, используемых при изготовлении износостойких слоев, значительно различается, как по составу, так и по содержанию легирующих элементов. Этот факт определяет ведущую роль долевого участия этих материалов при оценке характеристик наплавленного слоя. Существенное изменение химического состава наплавленного металла по сравнению с исходными материалами приводит к изменениям в характере фазовых превращений, протекающих в поверхностном слое по сравнению с основным и присадочным материалом в чистом виде.
Наплавочные материалы, применяемые при износостойкой наплавке, относятся к средне и высокоуглеродистым сплавам (С=0,5 - 1,5%), легированным в большом количестве до 20% сильными карбидообразующими элементами. Фазовые превращения в таких сплавах в значительной степени определяются процессами выделения карбидной фазы, которая может быть весьма разнообразной по своему составу. Материал деталей нефтегазового оборудования, подвергаемых наплавке, представляет собой стали конструкционного или машиностроительного назначения. Содержание углерода для этих сталей находится в пределах 0,2-0,6%, а среднее содержание каждого из легирующих элементов не превышает 2-3%. При смешивании основного и присадочного металлов изменение в химическом составе наиболее сильно проявляется для тех элементов, разница в содержании которых больше всего. В первую очередь это касается карбидообразующих элементов. Содержание этих элементов в машиностроительных сталях, как правило, незначительно или отсутствует полностью. В износостойких наплавочных материалах они содержатся в большом количестве. В связи с этим, их содержание в наплавленном слое практически пропорционально доле участия присадочного металла и в первом слое может составлять только 50% от исходной концентрации. Углерод в меньшей степени зависит от долевого участия основного и присадочного материала. Его содержание, как в основном, так и в присадочном материале сопоставимо между собой. В результате и концентрация углерода в наплавленном слое не является величиной напрямую зависящей от доли участия присадочного материала и убывает по мере снижения этой характеристики значительно слабее. Таким образом, наплавленный слой состоит из металла, содержание карбидообразующих элементов и углерода в котором изменяется в разной степени. Это приводит к изменению не только в количестве карбидной фазы, но и в ее составе.
Образование карбидов зависит от наличия и содержания в металле карбидообразующего элемента и углерода. Как было сказано выше, содержание карбидообразующего элемента при износостойкой наплавке практически пропорционально доле участия присадочного материала.
