Помощь студентам в учебе
Особенности формирования структуры ЗТВ и наплавленного металла в условиях многопроходной вневакуумной электронно-лучевой наплавки
|
Реферат 2
Abstract 3
Введение 4
1 Литературный обзор 7
1.1 Общие сведения о конструкционных сталях 20, 40Х и У8 7
1.2 Методы упрочнения 12
1.2.1 Лазерная наплавка 14
1.2.2 Плазменная наплавка 16
1.2.3 Электронно-лучевая наплавка 18
1.2.4 Электронно-лучевая наплавка в вакууме 18
1.2.5 Вневакуумная электронно-лучевая наплавка 20
1.3 Структура и испытания на износ конструкционных сталей 21
1.4 Наплавка и упрочнение углеродистых конструкционных сталей 25
1.5 Постановка задач 33
2 Материалы, оборудование и методы исследования 36
2.1 Основной металл и материал покрытия 36
2.2 Оборудование для наплавки 36
2.2.1 Устройство ускорителя электронов ЭЛВ-6 36
2.2.2 Технология нанесения покрытий 37
2.3 Методы исследования 42
3. Экспериментальная часть 43
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение... 61
4.1 Fast - анализ 61
4.1 Описание главной, основных и вспомогательных функций, выполняемых
объектом 61
4.2 Определение значимости выполняемых функций объектом 64
4.3 Определение значимости функций 67
4.4 Анализ стоимости функций, выполняемых объектом исследования 67
4.5 Построение функционально-стоимостной диаграммы объекта и ее анализ70
5 Социальная ответственность 72
5.1 Производственная безопасность 72
5.2 Экологическая безопасность 78
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуация 79
5.4 Пожарная безопасность 80
5.5 Организационные мероприятия обеспечения безопасности 82
Выводы 84
Список используемых источников 86
Приложение А 90
Abstract 3
Введение 4
1 Литературный обзор 7
1.1 Общие сведения о конструкционных сталях 20, 40Х и У8 7
1.2 Методы упрочнения 12
1.2.1 Лазерная наплавка 14
1.2.2 Плазменная наплавка 16
1.2.3 Электронно-лучевая наплавка 18
1.2.4 Электронно-лучевая наплавка в вакууме 18
1.2.5 Вневакуумная электронно-лучевая наплавка 20
1.3 Структура и испытания на износ конструкционных сталей 21
1.4 Наплавка и упрочнение углеродистых конструкционных сталей 25
1.5 Постановка задач 33
2 Материалы, оборудование и методы исследования 36
2.1 Основной металл и материал покрытия 36
2.2 Оборудование для наплавки 36
2.2.1 Устройство ускорителя электронов ЭЛВ-6 36
2.2.2 Технология нанесения покрытий 37
2.3 Методы исследования 42
3. Экспериментальная часть 43
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение... 61
4.1 Fast - анализ 61
4.1 Описание главной, основных и вспомогательных функций, выполняемых
объектом 61
4.2 Определение значимости выполняемых функций объектом 64
4.3 Определение значимости функций 67
4.4 Анализ стоимости функций, выполняемых объектом исследования 67
4.5 Построение функционально-стоимостной диаграммы объекта и ее анализ70
5 Социальная ответственность 72
5.1 Производственная безопасность 72
5.2 Экологическая безопасность 78
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуация 79
5.4 Пожарная безопасность 80
5.5 Организационные мероприятия обеспечения безопасности 82
Выводы 84
Список используемых источников 86
Приложение А 90
Объектом исследования является: образцы из конструкционной стали с разным содержанием (0,2...0,8%) углерода, после многопроходной вневакуумной электронно-лучевой наплавки композиционных покрытий на основе стали 10Р6М5 и 10P6M5+30%WC.
Цель работы - является изучить особенность формирования структуры зоны термического влияния при многопроходной вневакуумной электроннолучевой наплавке композиционных покрытий на основе стали 10Р6М5 и 10Р6М5 + WC 30% на основной металл с разным содержанием углерода (0,2.. .0,8%).
Выводы по работе: Показано, что при изменении содержании углерода в основном металле от 0.2 до 0.4 % (вес) ширина ЗТВ практически не изменяется, а при увеличении углерода до 0.8% ширина ЗТВ увеличивается в ~2 раза и ее твердость сохраняется на уровне 6910 ГПа.
Способ вневакуумной наплавки мегавольтным пучком электронов может успешно применяться для упрочнения конструкционных сталей с содержанием углерода до 0,4.0,45%.
Область применения: машиностроительная, строительная отрасль.
Выпускная квалификационная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2010, фотографии были получены с использованием микроскопа OLYMPUS GX51, графики получены в графическом редакторе Grapher 9.
При длительной эксплуатации механизмов и машин изнашивание контактных поверхностей деталей, входящих в их состав, сопровождается снижением эксплуатационных показателей, и, в конечном итоге, выходом из строя (эксплуатации). Это нередко требует полной замены механизмов и машин или ряда их узлов. Поэтому для решения задач повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения. Однако кроме износостойкости контактных поверхностей к данным деталям предъявляется еще целый комплекс свойств, например, длительной прочности, цикло- и теплостойкости, контактной выносливости и т.д. Для удовлетворения этого комплекса свойств данные детали изготавливают из различных марок конструкционных сталей (в том числе и термообрабатываемых), что требует изучения влияния термического цикла наплавки на формируемую зону термического влияния (ЗТВ) основного металла. Для термообрабатываемых сталей важно минимальное влияние термического цикла наплавки на сформированную структуру основного металла. В связи с этим широкое научное исследование и применение в промышленности находят методы, основанные на использовании концентрированных потоков энергии (КПЭ).
Так электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) по сравнению с другими способами наплавки имеет небольшие размеры ванны расплава, концентрированный ввод энергии до 105 Вт/см2 и значительный перегрев ванны в зоне действия электронного луча способствуют растворению твердых частиц в сварочной ванне, и минимальное время ее существования за счет быстрого теплоотвода и большой скорости охлаждения (до 104 к/с) [1].
Эффективным источником с высокой объемной и поверхностной плотностью энергии является поток высокоэнергетичных электронов выведенных в атмосферу. Промышленные ускорители электронов с выводом мощного релятивистского электронного пучка в атмосферу разработаны и производятся в институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН [2]. Данное
4
оборудование позволяет наносить износостойкие покрытия различной толщины за счет многократного послойного оплавления нанесенного наплавляемого порошка. Многократное термическое воздействие пучка электронов будет влиять и на ранее сформированную структуру ЗТВ. Вопрос влияния числа проходов электронного луча на изменение первоначально сформированной ЗТВ вообще детально не рассматривается. Открытым остается вопрос влияния содержания углерода в основном металле (конструкционной стали, например, стали 20, стали 40Х, стали У8) на формируемую структуру ЗТВ в условиях многопроходной наплавки.
Структурно-фазовый состав и свойства покрытий широко представлены в научной литературе и продолжают изучаться в различных научных коллективах. В тоже время вопросы анализа зоны сплавления с основным материалом и формируемой в нем ЗТВ остаются открытыми. Хотя этот анализ крайне необходим для безаварийной работы с точки зрения адгезии покрытия и формируемых свойств ЗТВ. При ЭЛН возможно существенное влияние на формируемую структуру ЗТВ и ее эволюцию при повторном воздействии электронного пучка большой мощности, особенно это касается мегавольтного пучка электронов выведенных в атмосферу.
Целью данной работы является изучение особенностей формирования структуры зоны термического влияния при многопроходной вневакуумной электронно-лучевой наплавке композиционных покрытий на основе стали 10Р6М5 на основной металл с разным содержанием углерода (0,2... 0,8%).
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи.
1) Провести наплавки композиционных покрытий на основе стали 10Р6М5 с помощью вневакуумной электронно-лучевой установки (ЭЛВ-6) на образцы, изготовленные из стали 20, 40Х и У8.
2) Изучить структуру ЗТВ в зависимости от числа проходов вневакуумной электронно-лучевой наплавки.
3) Провести анализ полученных структур.
4) Измерить профили микротвердости по толщине покрытий и основного металла.
5) Провести анализ полученных данных и на его основе дать рекомендации по способу вневакуумной наплавки мегавольтным пучком электронов.
Цель работы - является изучить особенность формирования структуры зоны термического влияния при многопроходной вневакуумной электроннолучевой наплавке композиционных покрытий на основе стали 10Р6М5 и 10Р6М5 + WC 30% на основной металл с разным содержанием углерода (0,2.. .0,8%).
Выводы по работе: Показано, что при изменении содержании углерода в основном металле от 0.2 до 0.4 % (вес) ширина ЗТВ практически не изменяется, а при увеличении углерода до 0.8% ширина ЗТВ увеличивается в ~2 раза и ее твердость сохраняется на уровне 6910 ГПа.
Способ вневакуумной наплавки мегавольтным пучком электронов может успешно применяться для упрочнения конструкционных сталей с содержанием углерода до 0,4.0,45%.
Область применения: машиностроительная, строительная отрасль.
Выпускная квалификационная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2010, фотографии были получены с использованием микроскопа OLYMPUS GX51, графики получены в графическом редакторе Grapher 9.
При длительной эксплуатации механизмов и машин изнашивание контактных поверхностей деталей, входящих в их состав, сопровождается снижением эксплуатационных показателей, и, в конечном итоге, выходом из строя (эксплуатации). Это нередко требует полной замены механизмов и машин или ряда их узлов. Поэтому для решения задач повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения. Однако кроме износостойкости контактных поверхностей к данным деталям предъявляется еще целый комплекс свойств, например, длительной прочности, цикло- и теплостойкости, контактной выносливости и т.д. Для удовлетворения этого комплекса свойств данные детали изготавливают из различных марок конструкционных сталей (в том числе и термообрабатываемых), что требует изучения влияния термического цикла наплавки на формируемую зону термического влияния (ЗТВ) основного металла. Для термообрабатываемых сталей важно минимальное влияние термического цикла наплавки на сформированную структуру основного металла. В связи с этим широкое научное исследование и применение в промышленности находят методы, основанные на использовании концентрированных потоков энергии (КПЭ).
Так электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) по сравнению с другими способами наплавки имеет небольшие размеры ванны расплава, концентрированный ввод энергии до 105 Вт/см2 и значительный перегрев ванны в зоне действия электронного луча способствуют растворению твердых частиц в сварочной ванне, и минимальное время ее существования за счет быстрого теплоотвода и большой скорости охлаждения (до 104 к/с) [1].
Эффективным источником с высокой объемной и поверхностной плотностью энергии является поток высокоэнергетичных электронов выведенных в атмосферу. Промышленные ускорители электронов с выводом мощного релятивистского электронного пучка в атмосферу разработаны и производятся в институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН [2]. Данное
4
оборудование позволяет наносить износостойкие покрытия различной толщины за счет многократного послойного оплавления нанесенного наплавляемого порошка. Многократное термическое воздействие пучка электронов будет влиять и на ранее сформированную структуру ЗТВ. Вопрос влияния числа проходов электронного луча на изменение первоначально сформированной ЗТВ вообще детально не рассматривается. Открытым остается вопрос влияния содержания углерода в основном металле (конструкционной стали, например, стали 20, стали 40Х, стали У8) на формируемую структуру ЗТВ в условиях многопроходной наплавки.
Структурно-фазовый состав и свойства покрытий широко представлены в научной литературе и продолжают изучаться в различных научных коллективах. В тоже время вопросы анализа зоны сплавления с основным материалом и формируемой в нем ЗТВ остаются открытыми. Хотя этот анализ крайне необходим для безаварийной работы с точки зрения адгезии покрытия и формируемых свойств ЗТВ. При ЭЛН возможно существенное влияние на формируемую структуру ЗТВ и ее эволюцию при повторном воздействии электронного пучка большой мощности, особенно это касается мегавольтного пучка электронов выведенных в атмосферу.
Целью данной работы является изучение особенностей формирования структуры зоны термического влияния при многопроходной вневакуумной электронно-лучевой наплавке композиционных покрытий на основе стали 10Р6М5 на основной металл с разным содержанием углерода (0,2... 0,8%).
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи.
1) Провести наплавки композиционных покрытий на основе стали 10Р6М5 с помощью вневакуумной электронно-лучевой установки (ЭЛВ-6) на образцы, изготовленные из стали 20, 40Х и У8.
2) Изучить структуру ЗТВ в зависимости от числа проходов вневакуумной электронно-лучевой наплавки.
3) Провести анализ полученных структур.
4) Измерить профили микротвердости по толщине покрытий и основного металла.
5) Провести анализ полученных данных и на его основе дать рекомендации по способу вневакуумной наплавки мегавольтным пучком электронов.
В работе изучена особенность формирования структуры зоны
термического влияния при многопроходной вневакуумной электронно-лучевой
наплавке композиционных покрытий на основной металл с разным содержанием
углерода (0,2, 0,4 и 0,8%). На основе полученных данных сделаны следующие
выводы.
1. В Стали 20 после наплавки первого прохода ЗТВ, общей
протяженностью ~1.75 мм, состоит из двух участков. Первый участок,
непосредственно прилегающий к границе сплавления, имеет грубо игольчатую
мартенситно-бейнитную структуру с присутствием феррита видманштеттова
типа. В объеме металла второго участка ЗТВ формируется феррито-перлитная
смесь фаз. Размер зерен феррита увеличен по сравнению с исходной структурой
Стали 20.
2. При втором проходе электронного луча в объеме первого и второго
участка происходит рекристаллизация, что приводит к резкому измельчению
ферритного зерна. Протяженность ЗТВ ~1.2 мм. В процессе третьего прохода
феррито-перлитная структура ЗТВ имеет более крупный размер кристаллитов по
сравнению со структурой, сформированной после второго прохода.
3. Дополнительное введение карбида вольфрама в наплавочную смесь
(сталь 10Р6М5+30%WC) приводит к уменьшению теплового воздействия на ЗТВ
в ходе второго и третьего прохода. Это обусловлено более значительным
поглощением тепла в процессе наплавки за счет присутствия тугоплавкого
карбида вольфрама. Поэтому дисперсная феррито-перлитная структура в ЗТВ
формируется только после третьего прохода электронного лучка.
4. Для стали 40Х зона термического влияния состоит из трех участков:
участок, непосредственно прилегающий к переходной зоне, имеет грубую
мартенситно-бейнитную структуру, и два участка, в которых уменьшается
размер, как ферритных зерен, так и перлитных колоний. При увеличении числа
проходов электронного луча участок с грубой мартенситно-бейнитной
структурой отсутствует.85
5. Установлено, что в Стали У8, независимо от числа проходов
электронного луча (один или два), ЗТВ делится на два участка (с аустенитномартенситной и перлитной структурами).
6. Показано, что при изменении содержании углерода в основном
металле от 0.2 до 0.4 % (вес) ширина ЗТВ практически не изменяется, а при
увеличении углерода до 0.8% ширина ЗТВ увеличивается в ~2 раза и ее твердость
сохраняется на уровне 6910 ГПа.
7. Способ вневакуумной наплавки мегавольтным пучком электронов
может успешно применяться для упрочнения конструкционных сталей с
содержанием углерода до 0,4…0,45%.
8. В результате исследования объекта микротвердомер ПМТ-3М с
помощью Fast – анализа были выявлены функции, которые функционально
нецелесообразны и на них приходятся основные затраты. Методы для
минимизации затрат и их оправдания приведены в пункте 4.5.
термического влияния при многопроходной вневакуумной электронно-лучевой
наплавке композиционных покрытий на основной металл с разным содержанием
углерода (0,2, 0,4 и 0,8%). На основе полученных данных сделаны следующие
выводы.
1. В Стали 20 после наплавки первого прохода ЗТВ, общей
протяженностью ~1.75 мм, состоит из двух участков. Первый участок,
непосредственно прилегающий к границе сплавления, имеет грубо игольчатую
мартенситно-бейнитную структуру с присутствием феррита видманштеттова
типа. В объеме металла второго участка ЗТВ формируется феррито-перлитная
смесь фаз. Размер зерен феррита увеличен по сравнению с исходной структурой
Стали 20.
2. При втором проходе электронного луча в объеме первого и второго
участка происходит рекристаллизация, что приводит к резкому измельчению
ферритного зерна. Протяженность ЗТВ ~1.2 мм. В процессе третьего прохода
феррито-перлитная структура ЗТВ имеет более крупный размер кристаллитов по
сравнению со структурой, сформированной после второго прохода.
3. Дополнительное введение карбида вольфрама в наплавочную смесь
(сталь 10Р6М5+30%WC) приводит к уменьшению теплового воздействия на ЗТВ
в ходе второго и третьего прохода. Это обусловлено более значительным
поглощением тепла в процессе наплавки за счет присутствия тугоплавкого
карбида вольфрама. Поэтому дисперсная феррито-перлитная структура в ЗТВ
формируется только после третьего прохода электронного лучка.
4. Для стали 40Х зона термического влияния состоит из трех участков:
участок, непосредственно прилегающий к переходной зоне, имеет грубую
мартенситно-бейнитную структуру, и два участка, в которых уменьшается
размер, как ферритных зерен, так и перлитных колоний. При увеличении числа
проходов электронного луча участок с грубой мартенситно-бейнитной
структурой отсутствует.85
5. Установлено, что в Стали У8, независимо от числа проходов
электронного луча (один или два), ЗТВ делится на два участка (с аустенитномартенситной и перлитной структурами).
6. Показано, что при изменении содержании углерода в основном
металле от 0.2 до 0.4 % (вес) ширина ЗТВ практически не изменяется, а при
увеличении углерода до 0.8% ширина ЗТВ увеличивается в ~2 раза и ее твердость
сохраняется на уровне 6910 ГПа.
7. Способ вневакуумной наплавки мегавольтным пучком электронов
может успешно применяться для упрочнения конструкционных сталей с
содержанием углерода до 0,4…0,45%.
8. В результате исследования объекта микротвердомер ПМТ-3М с
помощью Fast – анализа были выявлены функции, которые функционально
нецелесообразны и на них приходятся основные затраты. Методы для
минимизации затрат и их оправдания приведены в пункте 4.5.