Помощь студентам в учебе
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ, ЛЕГИРОВАННЫХ АЗОТОМ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ 16
1.1 Материалы для наплавки. Структура и свойства 23
1.1.1 Классификация и основные свойства наплавочных порошков 27
1.1.2 Наплавочные порошки системы Fe-C-Cr-V 34
1.2 Азотсодержащие износостойкие сплавы и покрытия 37
1.3 Способы изготовления наплавочных порошков и требования к ним .... 44
1.4 Влияние остаточных напряжений на склонность к трещинообразованию
наплавленных покрытий 46
1.5 Влияние режимов наплавки на состав и структуру покрытий 51
1.6 Плазмотроны для плазменно-порошковой наплавки 55
1.7 Постановка цели и задач исследования 56
2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ... 59
2.1 Характеристика применяемых материалов 59
2.2 Оборудование для плазменно-порошковой наплавки 60
2.3 Методики проведения испытаний на износостойкость 64
2.4 Рентгеноструктурный анализ 71
2.5 Металлографические и дюрометрические исследования 72
2.6 Моделирование температурных полей при плазменно-порошковой
наплавке 73
2.7 Технология изготовления гранулированных порошков 75
3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Fe-C-Cr-V ПРИ
ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ 77
3.1 Влияние содержания ванадия на структуру и свойства покрытий 80
3.2 Структура и свойства покрытия типа 315Х19Ф3, наплавленного на
различных режимах 90
3.3 Влияние дополнительных технологических воздействий на структуру и
свойства покрытий 100
3.4 Влияние режимов плазменно-порошковой наплавки на термический
цикл покрытий, твёрдость и износостойкость 108
3.5 Влияние режимов наплавки на формирование структуры и свойств зоны
сплавления 117
3.6 Сравнение покрытия типа 315Х19Ф3 с традиционными материалами 125
3.7 Влияние нагрева наплавленных покрытий на структуру и свойства ... 133
3.8 Принципы обеспечивающие рациональное структурообразование
покрытий системы Fe-C-Cr-V 139
3.9 Выводы по главе 141
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АЗОТА НА ФОРМИРОВАНИЕ
СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Fe-C-Cr-Mn 144
4.1 Структура и свойства покрытий, формирующихся при наплавке
порошком системы Fe-C-Cr-Mn 145
4.2 Влияние азота на формирование структуры покрытий системы Fe-C-Cr-
Mn 161
4.3 Влияние режимов наплавки на структуру, твёрдость и износостойкость
покрытий 180
4.4 Влияния режимов наплавки и легирования азотом на структуру и
свойства покрытий системы Fe-C-Cr-Mn 195
4.5 Влияния азота на характеристики поверхностных слоёв в зоне трения
при гидроабразивном изнашивании 211
4.6 Принципы рационального легирования азотом покрытий системы Fe-C-
Cr-Mn-Si 216
4.7 Выводы по главе 222
5. ВЛИЯНИЕ АЗОТА НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Fe-C-Cr-W-V 224
5.1 Влияние азота на формирование структуры и свойств покрытий типа
10Р6М5 225
5.2 Принципы рационального легирования азотом покрытий системы Fe-C-
Cr-W-V 241
5.3 Выводы по главе 244
6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕРИАЛОВ И
ТЕХНОЛОГИЙ 245
6.1 Внедрение технологии плазменно-порошковой наплавки штоков
гидроцилиндров 245
6.2 Восстановление изношенных поверхностей центробежных насосов .. 248
6.3 Повышение надёжности и долговечности лезвий ножей горячей резки
металла 256
6.4 Повышение срока службы роликов петлеобразователей 261
6.5 Выводы по главе 267
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 269
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 272
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения 285
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт об использовании в образовательном процессе 286
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт внедрения 287
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акт замеров эксплуатационной стойкости ножей сортового проката 289
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акт о введении в промышленную эксплуатацию 290
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Патент на изобретение 2607066 291
ВВЕД
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ 16
1.1 Материалы для наплавки. Структура и свойства 23
1.1.1 Классификация и основные свойства наплавочных порошков 27
1.1.2 Наплавочные порошки системы Fe-C-Cr-V 34
1.2 Азотсодержащие износостойкие сплавы и покрытия 37
1.3 Способы изготовления наплавочных порошков и требования к ним .... 44
1.4 Влияние остаточных напряжений на склонность к трещинообразованию
наплавленных покрытий 46
1.5 Влияние режимов наплавки на состав и структуру покрытий 51
1.6 Плазмотроны для плазменно-порошковой наплавки 55
1.7 Постановка цели и задач исследования 56
2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ... 59
2.1 Характеристика применяемых материалов 59
2.2 Оборудование для плазменно-порошковой наплавки 60
2.3 Методики проведения испытаний на износостойкость 64
2.4 Рентгеноструктурный анализ 71
2.5 Металлографические и дюрометрические исследования 72
2.6 Моделирование температурных полей при плазменно-порошковой
наплавке 73
2.7 Технология изготовления гранулированных порошков 75
3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Fe-C-Cr-V ПРИ
ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ 77
3.1 Влияние содержания ванадия на структуру и свойства покрытий 80
3.2 Структура и свойства покрытия типа 315Х19Ф3, наплавленного на
различных режимах 90
3.3 Влияние дополнительных технологических воздействий на структуру и
свойства покрытий 100
3.4 Влияние режимов плазменно-порошковой наплавки на термический
цикл покрытий, твёрдость и износостойкость 108
3.5 Влияние режимов наплавки на формирование структуры и свойств зоны
сплавления 117
3.6 Сравнение покрытия типа 315Х19Ф3 с традиционными материалами 125
3.7 Влияние нагрева наплавленных покрытий на структуру и свойства ... 133
3.8 Принципы обеспечивающие рациональное структурообразование
покрытий системы Fe-C-Cr-V 139
3.9 Выводы по главе 141
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АЗОТА НА ФОРМИРОВАНИЕ
СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Fe-C-Cr-Mn 144
4.1 Структура и свойства покрытий, формирующихся при наплавке
порошком системы Fe-C-Cr-Mn 145
4.2 Влияние азота на формирование структуры покрытий системы Fe-C-Cr-
Mn 161
4.3 Влияние режимов наплавки на структуру, твёрдость и износостойкость
покрытий 180
4.4 Влияния режимов наплавки и легирования азотом на структуру и
свойства покрытий системы Fe-C-Cr-Mn 195
4.5 Влияния азота на характеристики поверхностных слоёв в зоне трения
при гидроабразивном изнашивании 211
4.6 Принципы рационального легирования азотом покрытий системы Fe-C-
Cr-Mn-Si 216
4.7 Выводы по главе 222
5. ВЛИЯНИЕ АЗОТА НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Fe-C-Cr-W-V 224
5.1 Влияние азота на формирование структуры и свойств покрытий типа
10Р6М5 225
5.2 Принципы рационального легирования азотом покрытий системы Fe-C-
Cr-W-V 241
5.3 Выводы по главе 244
6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕРИАЛОВ И
ТЕХНОЛОГИЙ 245
6.1 Внедрение технологии плазменно-порошковой наплавки штоков
гидроцилиндров 245
6.2 Восстановление изношенных поверхностей центробежных насосов .. 248
6.3 Повышение надёжности и долговечности лезвий ножей горячей резки
металла 256
6.4 Повышение срока службы роликов петлеобразователей 261
6.5 Выводы по главе 267
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 269
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 272
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения 285
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт об использовании в образовательном процессе 286
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт внедрения 287
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акт замеров эксплуатационной стойкости ножей сортового проката 289
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акт о введении в промышленную эксплуатацию 290
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Патент на изобретение 2607066 291
ВВЕД
Актуальность работы. Анализ повреждаемости деталей машин показывает, что их преждевременный выход из строя обусловлен главным образом процессами, происходящими на поверхности в зоне трения. Состояние поверхностных слоёв во многом влияет на прочностные свойства и эксплуатационную стойкость деталей. При этом многие части деталей машин и оборудования выбраковываются вследствие небольшого износа рабочей поверхности. В связи с этим, актуальной является задача повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоёв деталей до более высокого уровня, прежде всего способности сопротивляться различным видам изнашивания. Наиболее частыми причинами преждевременного выхода из строя деталей машин и оборудования является абразивный износ, ударноабразивный износ, кавитация, усталостные процессы и т.д.
Использование плазменно-порошковой наплавки для получения износостойких покрытий наиболее полно отвечает требованиям промышленности, как по уровню достижимых свойств, так и по экономической эффективности. Плазменно-порошковая наплавка с использованием плазмотрона, работающего на основе двух независимо горящих дуг, позволяет исключить деформацию наплавленных тонкостенных деталей в связи с ограниченным тепловым воздействием и минимальной глубиной проплавления и получить физико-механические свойства покрытий близкие к свойствам наплавочного порошкового материала уже в первом наплавленном слое. Однако, отсутствие отечественных наплавочных материалов на железной основе для плазменно-порошковой наплавки приводит к необходимости использовать дорогие импортные материалы на никелевой и кобальтовой основах. В связи с чем, в России остро стоит вопрос создания отечественных наплавочных материалов на железной основе, которые не будут уступать иностранным аналогам по уровню
эксплуатационных свойств и технологичности применения, а также, будут отвечать принципам рационального легирования. Перспективным направлением в создании материалов для плазменно-порошковой наплавки и газотермических технологий в целом, является применение сплавов на основе высоколегированных белых чугунов. Эти сплавы в настоящее время нашли широкое применение для изготовления литых деталей, предназначенных для эксплуатации в условиях интенсивного абразивного изнашивания, ударно-абразивного изнашивания, гидро-абразивного
изнашивания и т.д.
Степень разработанности темы:
Разработкой экономнолегированных литейных белых износостойких чугунов занимались выдающиеся отечественные и иностранные учёные М.Е. Гарбер, И.И. Цыпин, М.М. Тененбаум, Д.А. Мирзаев, Ю.Д. Корягин, Х.С. Ри, Ю.Г. Гуревич, Г.И. Сильман и другие. В этих исследованиях содержатся обширные научные данные о закономерностях структурообразования, влияния химического состава на свойства чугунов, а также, особенности технологии их обработки. Однако теоретических основ применения данных сплавов в качестве наплавочных материалов крайне недостаточно. В частности отсутствуют сведения о рациональных интервалах легирования для создания износостойких покрытий, режимах наплавки, коэффициентах перехода легирующих элементов, трещиностойкости, пористости и т.д.
Для целей создания износостойких покрытий, полученных с помощью плазменно-порошковой наплавки перспективным является применение сплавов систем легирования Fe-C-Cr-V, Fe-C-Cr-W-V и Fe-C-Cr-Mn, т.е. сплавов типа G, по классификации Международного института сварки (IIW). Большой вклад в развитие научных основ получения износостойких наплавленных покрытий на различной основе внесли такие учёные как Л.С. Лившиц, Н.А. Гринберг, Г.Н. Соколов, В.А. Коротков, М.М. Хрущов, А.И. Сидоров, А.Е. Вайнерман и др. Однако научные данные о применение азота в качестве легирующего элемента при наплавке износостойких покрытий данного типа в настоящее время практически отсутствуют.
Между тем, применение азота в качестве легирующего элемента позволяет достигать уникальных свойств по сравнению с безазотистыми сплавами аналогичного назначения. Легирование азотом позволяет значительно повысить абразивную стойкость покрытий, твёрдость и ударостойкость. Поэтому применение азота в качестве одного из основных легирующих элементов наплавочных порошков является перспективным. Однако, получение азотсодержащих покрытий сопряжено с некоторыми сложностями введения азота в состав наплавочных порошков. Основными трудностями применения азота является его высокая диффузионная подвижность при высоких температурах, и связанный с этим повышенный угар, а также, склонность азотсодержащих сплавов к чрезмерному росту зерна, что может полностью нивелировать всё положительное влияние от легирования азотом.
Проблема легирования плазменных покрытий азотом из присадочного материала связана в первую очередь с такими технологическими факторами как: высокая температура ванны расплава и, связанный с этим, повышенный угар легирующих элементов, повышенное давление газа в атмосфере плазменной дуги и, связанная с этим, дегазация (деазотирование), исходным фазовым составом азотсодержащего присадочного материала, а также, технологическими параметрами плазменно-порошковой наплавки: расходом присадочного порошка, силой тока, скоростью наплавки и др. Путём правильного назначения режима наплавки применительно к конкретной детали, а также, оптимальным подбором состава наплавочного порошка, возможно снизить негативное воздействие описанных выше технологических факторов и обеспечить максимальный коэффициент перехода азота в покрытие, при минимальных технологических затратах.
Влияние режимов плазменно-порошковой наплавки порошками на железной основе на формирование структуры и свойств покрытий также изучено не в полной мере, в связи с чем, необходимо исследовать влияние режимов плазменно-порошковой наплавки на особенности
структурообразования и свойства наплавленного металла.
Цель работы заключается в исследовании закономерностей формирования структуры и свойств износостойких покрытий систем Fe-C- Cr-V, Fe-C-Cr-Mn, Fe-C-Cr-W-V, полученных при различных режимах плазменно-порошковой наплавки, легировании азотом и дополнительных технологических воздействиях при наплавке. Создание на этой основе экономнолегированных наплавочных материалов, для получения износостойких покрытий, а также, разработка технологии наплавки и специализированного оборудования.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
- Исследовать закономерности влияния режимов плазменнопорошковой наплавки покрытий системы Fe-C-Cr-V и дополнительных технологических воздействий на химический и структурно-фазовый состав, твёрдость и износостойкость наплавленных покрытий.
- Изучить влияние азота на формирование структуры и свойств покрытий систем легирования Fe-C-Cr-Mn и Fe-C-Cr-W-V при плазменнопорошковой наплавке. На основе полученных данных разработать состав порошковых композиций для получения износостойких покрытий для различных условий изнашивания.
- Сформулировать и обосновать принципы рационального легирования и структурообразования износостойких покрытий различного функционального назначения, для получения наивысшей износостойкости в различных условиях изнашивания.
- Разработать методику испытания наплавленных покрытий на фрикционное изнашивание при повышенных температурах в зоне изнашивания.
- Разработать технологию получения гранулированных порошков для плазменной наплавки, позволяющую вводить в состав покрытий азот в количестве не менее 0,1 %.
- Показать возможность практического применения разработанных наплавочных порошков и технологий наплавки для получения износостойких покрытий при реновации деталей промышленного оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлены общие закономерности влияния термического цикла наплавки на формирование макро- и микроструктуры, фазовый и химический состав покрытий системы Fe-C-Cr-V. Сформулированы принципы рационального структурообразования, позволяющие получать необходимый структурно-фазовый состав покрытий в конкретных условиях эксплуатации. Показано, что введение дополнительного охлаждения потоком воздуха, приводит к формированию покрытия с псевдоэвтектическим типом структуры, и повышению абразивной износостойкости.
2. Показано, что введение модуляции тока при наплавке покрытий систем легирования Fe-C-Cr-V и Fe-C-Cr-Mn позволяет эффективно снизить тепловложение и температуру сварочной ванны с 1700.1800 °С до 1500.1600 °С, благодаря чему в покрытиях формируется эвтектическая структура, характеризующаяся направленным ростом ведущей (карбидной) фазы перпендикулярно подложке, что приводит к повышению твёрдости и износостойкости покрытий.
3. Обнаружено, что введением азота при наплавке в количестве
0,3...0,8 % масс., в покрытия с содержанием углерода 2,0...2,5 %, хрома 15,0.25,0 %, марганца 15,0.20,0 % и кремния 2,0.3,5 %, можно
регулировать тип формируемой структуры. Показано, что для получения наиболее износостойкого покрытия системы Fe-C-Cr-Mn-N для эксплуатации в условиях гидроабразивного изнашивания необходимо обеспечить содержание азота в покрытии на максимально возможном уровне (более 0,4 %) при содержании кремния на уровне 3 %.
4. Установлено, что введение азота в количестве 0,18 % в наплавленные покрытия системы легирования Fe-C-Cr-W-V, приводит к инверсии формы и строения эвтектической фазы. Скелетообразное строение эвтектических карбидов сменяется на пластинчатое строение эвтектических карбидов с рваными и неровными краями, образующими тонкую сетку по границам зёрен. Происходит замещение эвтектического карбида Ме6С на карбонитрид Ме6СН в результате чего повышается микротвёрдость эвтектики с 10200 МПа до 14400 МПа и увеличивается объёмная доля эвтектики с 24 % до 36 %, что приводит к повышению твёрдости покрытий на 3.5 HRC.
5. Сформулированы принципы рационального легирования азотом
износостойких покрытий систем Fe-C-Cr-Mn для получения наиболее износостойкого структурно-фазового состояния после плазменной наплавки. Показано что для повышения абразивной износостойкости и теплостойкости необходимо введение более 0,2 % азота при содержании хрома более 22 % и содержании углерода более 2,2 %. Повышение гидроабразивной
износостойкости покрытий указанных систем легирования возможно при легировании азотом на уровне 0,4 % и кремния 3 %. Установлено, что наивысшей гидроабразивной износостойкостью обладает покрытие, содержащее 2,1 % углерода, 23 % хрома, 16 % марганца и 0,2 % азота полученное при наплавке на токе 120 А в два слоя. А наивысшей ударноабразивной износостойкостью обладает покрытие ПГ-10Р6АМ5 с 0,2 % содержанием азота.
6. Получены новые научные результаты по совместному влиянию карбидообразующих легирующих элементов при содержании хрома (0... 30,0 мас. %), марганца и молибдена (0-...5,0 мас. %), ванадия (0.3,0 мас. %) и азота на структурно-фазовый состав наплавленного металла, распределение легирующих элементов по фазам, микротвёрдость структурных составляющих, твёрдость и износостойкость покрытий в различных условиях изнашивания.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработана методология управления структурой и фазовым составом износостойких покрытий, получаемых плазменно-порошковой наплавкой на углеродистые стали, позволяющая обеспечить получение заданного структурно-фазового состава покрытий.
2. Разработан порошковый сплав для изготовления изделий методом селективного плазменного припекания, обеспечивающий повышение прочностных свойств (твёрдости до уровня 61.63 HRC и временного сопротивления до 1200 МПа) объёмных изделий. Указанный сплав применён для восстановления штоков гидроцилиндров.
3. Разработан порошковый сплав на основе железа для износостойкой наплавки, обеспечивающий повышенную ударно-абразивную износостойкость покрытия и стабилизацию твёрдости на уровне 60.63 HRC. Данный порошковый сплав применен для восстановления ножей горячей резки металла в сортопрокатном цехе ПАО «ММК».
4. Разработан способ восстановления наплавкой поверхностей тел вращения, предотвращающий искажение размеров и формы наплавляемой детали и появление трещин при наплавке, что позволило снизить припуск на механическую обработку деталей.
5. Разработан и успешно применён двудуговой плазмотрон для плазменно-порошковой наплавки имеющий увеличенный срок службы (до 1000 часов) и формирующий стабильно качественные покрытия, а также, технология введения азота в состав покрытий при плазменно-порошковой наплавке, позволяющая получать высокоазотистые наплавленные покрытия.
На базе разработанных технических и технологических решений на ПАО «ММК» и ряде машиностроительных предприятий апробированы технологии ремонта и изготовления штоков гидроцилиндров, лопастей и корпусов насосов, гибочных валков, ножей горячей резки, роликов МНЛЗ и др. деталей металлургического оборудования, что подтверждено актами внедрения.
Достоверность полученных результатов подтверждается
комплексным использованием современных методов исследования корректной постановкой решенных задач, использованием современных средств анализа экспериментальных данных, согласованностью полученных экспериментальных данных с работами других исследователей, сопоставлением полученных теоретических результатов с
экспериментальными данными, а также, применением современного технологического и исследовательского оборудования и
воспроизводимостью результатов.
Методология и методы исследования.
Новые азотсодержащие покрытия на стальных подложках получали при помощи плазменно-порошковой наплавки с применением гранулированных порошков, которые в свою очередь изготавливались на основе базовых распыленных порошков и азотированных ферросплавов с применением специально разработанного стирол-ароматического связующего вещества. Исследования получаемых покрытий производились следующими методами: оптическая и растровая электронная микроскопия, рентгеновская дифрактометрия, дюрометрия с использованием различных методов испытаний на твёрдость, спектральный анализ, испытания на износостойкость по различным методикам.
Использование плазменно-порошковой наплавки для получения износостойких покрытий наиболее полно отвечает требованиям промышленности, как по уровню достижимых свойств, так и по экономической эффективности. Плазменно-порошковая наплавка с использованием плазмотрона, работающего на основе двух независимо горящих дуг, позволяет исключить деформацию наплавленных тонкостенных деталей в связи с ограниченным тепловым воздействием и минимальной глубиной проплавления и получить физико-механические свойства покрытий близкие к свойствам наплавочного порошкового материала уже в первом наплавленном слое. Однако, отсутствие отечественных наплавочных материалов на железной основе для плазменно-порошковой наплавки приводит к необходимости использовать дорогие импортные материалы на никелевой и кобальтовой основах. В связи с чем, в России остро стоит вопрос создания отечественных наплавочных материалов на железной основе, которые не будут уступать иностранным аналогам по уровню
эксплуатационных свойств и технологичности применения, а также, будут отвечать принципам рационального легирования. Перспективным направлением в создании материалов для плазменно-порошковой наплавки и газотермических технологий в целом, является применение сплавов на основе высоколегированных белых чугунов. Эти сплавы в настоящее время нашли широкое применение для изготовления литых деталей, предназначенных для эксплуатации в условиях интенсивного абразивного изнашивания, ударно-абразивного изнашивания, гидро-абразивного
изнашивания и т.д.
Степень разработанности темы:
Разработкой экономнолегированных литейных белых износостойких чугунов занимались выдающиеся отечественные и иностранные учёные М.Е. Гарбер, И.И. Цыпин, М.М. Тененбаум, Д.А. Мирзаев, Ю.Д. Корягин, Х.С. Ри, Ю.Г. Гуревич, Г.И. Сильман и другие. В этих исследованиях содержатся обширные научные данные о закономерностях структурообразования, влияния химического состава на свойства чугунов, а также, особенности технологии их обработки. Однако теоретических основ применения данных сплавов в качестве наплавочных материалов крайне недостаточно. В частности отсутствуют сведения о рациональных интервалах легирования для создания износостойких покрытий, режимах наплавки, коэффициентах перехода легирующих элементов, трещиностойкости, пористости и т.д.
Для целей создания износостойких покрытий, полученных с помощью плазменно-порошковой наплавки перспективным является применение сплавов систем легирования Fe-C-Cr-V, Fe-C-Cr-W-V и Fe-C-Cr-Mn, т.е. сплавов типа G, по классификации Международного института сварки (IIW). Большой вклад в развитие научных основ получения износостойких наплавленных покрытий на различной основе внесли такие учёные как Л.С. Лившиц, Н.А. Гринберг, Г.Н. Соколов, В.А. Коротков, М.М. Хрущов, А.И. Сидоров, А.Е. Вайнерман и др. Однако научные данные о применение азота в качестве легирующего элемента при наплавке износостойких покрытий данного типа в настоящее время практически отсутствуют.
Между тем, применение азота в качестве легирующего элемента позволяет достигать уникальных свойств по сравнению с безазотистыми сплавами аналогичного назначения. Легирование азотом позволяет значительно повысить абразивную стойкость покрытий, твёрдость и ударостойкость. Поэтому применение азота в качестве одного из основных легирующих элементов наплавочных порошков является перспективным. Однако, получение азотсодержащих покрытий сопряжено с некоторыми сложностями введения азота в состав наплавочных порошков. Основными трудностями применения азота является его высокая диффузионная подвижность при высоких температурах, и связанный с этим повышенный угар, а также, склонность азотсодержащих сплавов к чрезмерному росту зерна, что может полностью нивелировать всё положительное влияние от легирования азотом.
Проблема легирования плазменных покрытий азотом из присадочного материала связана в первую очередь с такими технологическими факторами как: высокая температура ванны расплава и, связанный с этим, повышенный угар легирующих элементов, повышенное давление газа в атмосфере плазменной дуги и, связанная с этим, дегазация (деазотирование), исходным фазовым составом азотсодержащего присадочного материала, а также, технологическими параметрами плазменно-порошковой наплавки: расходом присадочного порошка, силой тока, скоростью наплавки и др. Путём правильного назначения режима наплавки применительно к конкретной детали, а также, оптимальным подбором состава наплавочного порошка, возможно снизить негативное воздействие описанных выше технологических факторов и обеспечить максимальный коэффициент перехода азота в покрытие, при минимальных технологических затратах.
Влияние режимов плазменно-порошковой наплавки порошками на железной основе на формирование структуры и свойств покрытий также изучено не в полной мере, в связи с чем, необходимо исследовать влияние режимов плазменно-порошковой наплавки на особенности
структурообразования и свойства наплавленного металла.
Цель работы заключается в исследовании закономерностей формирования структуры и свойств износостойких покрытий систем Fe-C- Cr-V, Fe-C-Cr-Mn, Fe-C-Cr-W-V, полученных при различных режимах плазменно-порошковой наплавки, легировании азотом и дополнительных технологических воздействиях при наплавке. Создание на этой основе экономнолегированных наплавочных материалов, для получения износостойких покрытий, а также, разработка технологии наплавки и специализированного оборудования.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
- Исследовать закономерности влияния режимов плазменнопорошковой наплавки покрытий системы Fe-C-Cr-V и дополнительных технологических воздействий на химический и структурно-фазовый состав, твёрдость и износостойкость наплавленных покрытий.
- Изучить влияние азота на формирование структуры и свойств покрытий систем легирования Fe-C-Cr-Mn и Fe-C-Cr-W-V при плазменнопорошковой наплавке. На основе полученных данных разработать состав порошковых композиций для получения износостойких покрытий для различных условий изнашивания.
- Сформулировать и обосновать принципы рационального легирования и структурообразования износостойких покрытий различного функционального назначения, для получения наивысшей износостойкости в различных условиях изнашивания.
- Разработать методику испытания наплавленных покрытий на фрикционное изнашивание при повышенных температурах в зоне изнашивания.
- Разработать технологию получения гранулированных порошков для плазменной наплавки, позволяющую вводить в состав покрытий азот в количестве не менее 0,1 %.
- Показать возможность практического применения разработанных наплавочных порошков и технологий наплавки для получения износостойких покрытий при реновации деталей промышленного оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлены общие закономерности влияния термического цикла наплавки на формирование макро- и микроструктуры, фазовый и химический состав покрытий системы Fe-C-Cr-V. Сформулированы принципы рационального структурообразования, позволяющие получать необходимый структурно-фазовый состав покрытий в конкретных условиях эксплуатации. Показано, что введение дополнительного охлаждения потоком воздуха, приводит к формированию покрытия с псевдоэвтектическим типом структуры, и повышению абразивной износостойкости.
2. Показано, что введение модуляции тока при наплавке покрытий систем легирования Fe-C-Cr-V и Fe-C-Cr-Mn позволяет эффективно снизить тепловложение и температуру сварочной ванны с 1700.1800 °С до 1500.1600 °С, благодаря чему в покрытиях формируется эвтектическая структура, характеризующаяся направленным ростом ведущей (карбидной) фазы перпендикулярно подложке, что приводит к повышению твёрдости и износостойкости покрытий.
3. Обнаружено, что введением азота при наплавке в количестве
0,3...0,8 % масс., в покрытия с содержанием углерода 2,0...2,5 %, хрома 15,0.25,0 %, марганца 15,0.20,0 % и кремния 2,0.3,5 %, можно
регулировать тип формируемой структуры. Показано, что для получения наиболее износостойкого покрытия системы Fe-C-Cr-Mn-N для эксплуатации в условиях гидроабразивного изнашивания необходимо обеспечить содержание азота в покрытии на максимально возможном уровне (более 0,4 %) при содержании кремния на уровне 3 %.
4. Установлено, что введение азота в количестве 0,18 % в наплавленные покрытия системы легирования Fe-C-Cr-W-V, приводит к инверсии формы и строения эвтектической фазы. Скелетообразное строение эвтектических карбидов сменяется на пластинчатое строение эвтектических карбидов с рваными и неровными краями, образующими тонкую сетку по границам зёрен. Происходит замещение эвтектического карбида Ме6С на карбонитрид Ме6СН в результате чего повышается микротвёрдость эвтектики с 10200 МПа до 14400 МПа и увеличивается объёмная доля эвтектики с 24 % до 36 %, что приводит к повышению твёрдости покрытий на 3.5 HRC.
5. Сформулированы принципы рационального легирования азотом
износостойких покрытий систем Fe-C-Cr-Mn для получения наиболее износостойкого структурно-фазового состояния после плазменной наплавки. Показано что для повышения абразивной износостойкости и теплостойкости необходимо введение более 0,2 % азота при содержании хрома более 22 % и содержании углерода более 2,2 %. Повышение гидроабразивной
износостойкости покрытий указанных систем легирования возможно при легировании азотом на уровне 0,4 % и кремния 3 %. Установлено, что наивысшей гидроабразивной износостойкостью обладает покрытие, содержащее 2,1 % углерода, 23 % хрома, 16 % марганца и 0,2 % азота полученное при наплавке на токе 120 А в два слоя. А наивысшей ударноабразивной износостойкостью обладает покрытие ПГ-10Р6АМ5 с 0,2 % содержанием азота.
6. Получены новые научные результаты по совместному влиянию карбидообразующих легирующих элементов при содержании хрома (0... 30,0 мас. %), марганца и молибдена (0-...5,0 мас. %), ванадия (0.3,0 мас. %) и азота на структурно-фазовый состав наплавленного металла, распределение легирующих элементов по фазам, микротвёрдость структурных составляющих, твёрдость и износостойкость покрытий в различных условиях изнашивания.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработана методология управления структурой и фазовым составом износостойких покрытий, получаемых плазменно-порошковой наплавкой на углеродистые стали, позволяющая обеспечить получение заданного структурно-фазового состава покрытий.
2. Разработан порошковый сплав для изготовления изделий методом селективного плазменного припекания, обеспечивающий повышение прочностных свойств (твёрдости до уровня 61.63 HRC и временного сопротивления до 1200 МПа) объёмных изделий. Указанный сплав применён для восстановления штоков гидроцилиндров.
3. Разработан порошковый сплав на основе железа для износостойкой наплавки, обеспечивающий повышенную ударно-абразивную износостойкость покрытия и стабилизацию твёрдости на уровне 60.63 HRC. Данный порошковый сплав применен для восстановления ножей горячей резки металла в сортопрокатном цехе ПАО «ММК».
4. Разработан способ восстановления наплавкой поверхностей тел вращения, предотвращающий искажение размеров и формы наплавляемой детали и появление трещин при наплавке, что позволило снизить припуск на механическую обработку деталей.
5. Разработан и успешно применён двудуговой плазмотрон для плазменно-порошковой наплавки имеющий увеличенный срок службы (до 1000 часов) и формирующий стабильно качественные покрытия, а также, технология введения азота в состав покрытий при плазменно-порошковой наплавке, позволяющая получать высокоазотистые наплавленные покрытия.
На базе разработанных технических и технологических решений на ПАО «ММК» и ряде машиностроительных предприятий апробированы технологии ремонта и изготовления штоков гидроцилиндров, лопастей и корпусов насосов, гибочных валков, ножей горячей резки, роликов МНЛЗ и др. деталей металлургического оборудования, что подтверждено актами внедрения.
Достоверность полученных результатов подтверждается
комплексным использованием современных методов исследования корректной постановкой решенных задач, использованием современных средств анализа экспериментальных данных, согласованностью полученных экспериментальных данных с работами других исследователей, сопоставлением полученных теоретических результатов с
экспериментальными данными, а также, применением современного технологического и исследовательского оборудования и
воспроизводимостью результатов.
Методология и методы исследования.
Новые азотсодержащие покрытия на стальных подложках получали при помощи плазменно-порошковой наплавки с применением гранулированных порошков, которые в свою очередь изготавливались на основе базовых распыленных порошков и азотированных ферросплавов с применением специально разработанного стирол-ароматического связующего вещества. Исследования получаемых покрытий производились следующими методами: оптическая и растровая электронная микроскопия, рентгеновская дифрактометрия, дюрометрия с использованием различных методов испытаний на твёрдость, спектральный анализ, испытания на износостойкость по различным методикам.
В работе были выявлены особенности структурообразования износостойких покрытий систем легирования систем Fe-C-Cr-V, Fe-C-Cr-Mn, Fe-C-Cr-W-V полученных при различных режимах плазменно-порошковой наплавки, дополнительном легировании азотом, дополнительных технологических воздействиях и последующем нагреве. На этой основе созданы составы экономнолегированных наплавочных порошков, для получения износостойких покрытий, а также, разработана технология получения наплавочных порошков, наплавки и конструкция плазмотрона.
Установлен химический состав наплавочного порошка, содержащий 3,1...3,3 % углерода, 18,00...20,00 % хрома и 3,00...4,00 % ванадия, 0,4...1,0 марганца, 0,2...0,6 кремния обеспечивающий получение твёрдых и износостойких покрытий при плазменной наплавке с дополнительным обдувом воздухом, за счёт формирования высокодисперсной эвтектической структуры наплавленного металла взамен доэвтектической. Показано, что применение модуляции тока при плазменно-порошковой наплавке с параметрами: ток импульса 120 А, ток паузы 60 А, частота 1 Гц приводит к формированию дендритной структуры, направленно ориентированной перпендикулярно границам сварочной ванны, что обеспечивает получение покрытия, обладающего наилучшей ударно-абразивной износостойкостью. Разработано покрытие эвтектического типа, обладающее наивысшей абразивной износостойкостью, со структурой состоящей из аустенита и карбидов хрома типа М7С3, ориентированно направленных перпендикулярно подложке, полученное наплавкой на токе 180 А с охлаждением подложки воздухом давлением 0,2 МПа.
Методами растровой электронной микроскопии и
рентгеноспектрального микроанализа установлено, что введение азота в сверхравновесном количестве (более 0,4 % масс.) в покрытия систем
легирования Fe-C-Cr-Mn и Fe-C-Cr-W-V приводит к изменению фазового
состава в сторону повышению доли эвтектической фазы и перераспределению легирующих элементов между фазовыми составляющими металлической основы, что приводит к повышению её микротвёрдости и прочности. На основе влияния азота на структурнофазовый состав и свойства покрытий указанных систем легирования разработаны составы наплавочных порошков, обеспечивающих наивысшую износостойкость в условиях абразивного, ударно-абразивного и
гидроабразивного изнашивания.
Сформулированы и обоснованы принципы рационального легирования азотом покрытий различного назначения. Указанные принципы рационального легирования отражают влияние азота на структурно-фазовый состав и свойства покрытий систем легирования Fe-C-Cr-V, Fe-C-Cr-Mn и Fe- C-Cr-W-V при различных режимах наплавки для получения наиболее износостойких покрытий для конкретных условий изнашивания.
Показано, что режимы наплавки определяют тип и морфологию формирующихся структур. Повышая скорость кристаллизации с 70 °С/с до 350 °С/с и снижая перегрев сварочной ванны до 1500 °С, возможно получать структуру покрытий дисперсностью структурных составляющих менее 2 мкм.
Обнаружено что азот по различному легирует доэвтектическую и заэвтектическую избыточную фазу покрытий системы легирования Fe-C-Cr- Mn. В случае формирования первичных карбидов, они кристаллизуются в форме карбида типа Ме7Сз обедненных углеродом, но обогащенных азотом, в результате чего повышается их микротвёрдость. Металлическая основа обогащается углеродом, что приводит к повышению её прочностных свойств.
Выявлено, что легирование азотом до 0,2 % базового наплавочного порошка ПР-10Р6М5 приводит к повышению абразивной износостойкости и качества формируемых покрытий, за счёт изменения морфологии эвтектики и повышению теплостойкости покрытий.
Разработаны и применены методики испытаний на изнашивание покрытий при высоких температурах, а также при гидро-абразивном изнашивании. Указанные методики обладают высокой сходимостью результатов и позволяют достоверно определять износостойкость испытуемых материалов.
Разработана технология получения гранулированных наплавочных порошков, позволяющая вводить в состав большое количество азота в форме азотсодержащих ферросплавов. В результате удаётся получать наплавленные покрытия со сверхравновесным количеством азота, что позволяет достигать высокую износостойкость покрытий.
Проведены промышленные испытания разработанных покрытий различного назначения в условиях металлургического производства. Износостойкое покрытие типа 315Х19Ф3 применено для восстановления штоков гидроцилиндров шахтной проходческой техники. Износостойкое покрытие типа 180Х21Г12АС2 применено для восстановления изношенных частей лопастного насоса, предназначенного для перекачивания окалиносодержащей пульпы. Износостойкое покрытие типа 10Р6АМ5 применено для восстановления ножей горячей резки мелко и среднесортных сортовых станов. Также результаты работы используются в учебном процессе ФГАОУ ВО Новотроицкий филиал НИТУ «МИСИС», при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (приложение 2).
Установлен химический состав наплавочного порошка, содержащий 3,1...3,3 % углерода, 18,00...20,00 % хрома и 3,00...4,00 % ванадия, 0,4...1,0 марганца, 0,2...0,6 кремния обеспечивающий получение твёрдых и износостойких покрытий при плазменной наплавке с дополнительным обдувом воздухом, за счёт формирования высокодисперсной эвтектической структуры наплавленного металла взамен доэвтектической. Показано, что применение модуляции тока при плазменно-порошковой наплавке с параметрами: ток импульса 120 А, ток паузы 60 А, частота 1 Гц приводит к формированию дендритной структуры, направленно ориентированной перпендикулярно границам сварочной ванны, что обеспечивает получение покрытия, обладающего наилучшей ударно-абразивной износостойкостью. Разработано покрытие эвтектического типа, обладающее наивысшей абразивной износостойкостью, со структурой состоящей из аустенита и карбидов хрома типа М7С3, ориентированно направленных перпендикулярно подложке, полученное наплавкой на токе 180 А с охлаждением подложки воздухом давлением 0,2 МПа.
Методами растровой электронной микроскопии и
рентгеноспектрального микроанализа установлено, что введение азота в сверхравновесном количестве (более 0,4 % масс.) в покрытия систем
легирования Fe-C-Cr-Mn и Fe-C-Cr-W-V приводит к изменению фазового
состава в сторону повышению доли эвтектической фазы и перераспределению легирующих элементов между фазовыми составляющими металлической основы, что приводит к повышению её микротвёрдости и прочности. На основе влияния азота на структурнофазовый состав и свойства покрытий указанных систем легирования разработаны составы наплавочных порошков, обеспечивающих наивысшую износостойкость в условиях абразивного, ударно-абразивного и
гидроабразивного изнашивания.
Сформулированы и обоснованы принципы рационального легирования азотом покрытий различного назначения. Указанные принципы рационального легирования отражают влияние азота на структурно-фазовый состав и свойства покрытий систем легирования Fe-C-Cr-V, Fe-C-Cr-Mn и Fe- C-Cr-W-V при различных режимах наплавки для получения наиболее износостойких покрытий для конкретных условий изнашивания.
Показано, что режимы наплавки определяют тип и морфологию формирующихся структур. Повышая скорость кристаллизации с 70 °С/с до 350 °С/с и снижая перегрев сварочной ванны до 1500 °С, возможно получать структуру покрытий дисперсностью структурных составляющих менее 2 мкм.
Обнаружено что азот по различному легирует доэвтектическую и заэвтектическую избыточную фазу покрытий системы легирования Fe-C-Cr- Mn. В случае формирования первичных карбидов, они кристаллизуются в форме карбида типа Ме7Сз обедненных углеродом, но обогащенных азотом, в результате чего повышается их микротвёрдость. Металлическая основа обогащается углеродом, что приводит к повышению её прочностных свойств.
Выявлено, что легирование азотом до 0,2 % базового наплавочного порошка ПР-10Р6М5 приводит к повышению абразивной износостойкости и качества формируемых покрытий, за счёт изменения морфологии эвтектики и повышению теплостойкости покрытий.
Разработаны и применены методики испытаний на изнашивание покрытий при высоких температурах, а также при гидро-абразивном изнашивании. Указанные методики обладают высокой сходимостью результатов и позволяют достоверно определять износостойкость испытуемых материалов.
Разработана технология получения гранулированных наплавочных порошков, позволяющая вводить в состав большое количество азота в форме азотсодержащих ферросплавов. В результате удаётся получать наплавленные покрытия со сверхравновесным количеством азота, что позволяет достигать высокую износостойкость покрытий.
Проведены промышленные испытания разработанных покрытий различного назначения в условиях металлургического производства. Износостойкое покрытие типа 315Х19Ф3 применено для восстановления штоков гидроцилиндров шахтной проходческой техники. Износостойкое покрытие типа 180Х21Г12АС2 применено для восстановления изношенных частей лопастного насоса, предназначенного для перекачивания окалиносодержащей пульпы. Износостойкое покрытие типа 10Р6АМ5 применено для восстановления ножей горячей резки мелко и среднесортных сортовых станов. Также результаты работы используются в учебном процессе ФГАОУ ВО Новотроицкий филиал НИТУ «МИСИС», при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (приложение 2).