Розробка економнолегованих наплавлювальних матеріалів для підвищення зносостійкості деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного зношування

Размещено на http://www.allbest.ru

Приазовський державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.03.06 - Зварювання і споріднені технології

Розробка економнолегованих наплавлювальних матеріалів для підвищення зносостійкості деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного зношування

Малінов Володимир Леонідович

Маріуполь - 1999 р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) Міносвіти України, м. Маріуполь.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович, Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь) завідувач кафедрою “Металургія і технологія зварювального виробництва”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гулаков Сергій Володимирович, Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь) завідувач кафедрою “Автоматизація технологічних процесів і виробництв”.

кандидат технічних наук, доцент

Карпенко Володимир Михайлович, Донбаська державна машинобудівна академія (м. Карматорськ) завідувач кафедрою “Зварювальне виробництво”.

Провідна установа: Національний технічний університет

України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти України (м. Київ).

Захист відбудеться “27” січня 2000 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, ПДТУ, пров. Республіки, 7,

м. Маріуполь Донецької області, Україна.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий “24” грудня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор ____________ В.О. Маслов

Загальна характеристика роботи

Велика кількість різних деталей машин працює в умовах ударно-абразивного впливу. В результаті цього їх поверхня інтенсивно зношується. Однією з найбільш розповсюджених технологій відновлення деталей і підвищення їхньої довговічності є електродугове наплавлення. В сучасних умовах виробництва зростають вимоги до довговічності наплавлених деталей, працюючих в умовах ударно-абразивного зношування, економічності і технологічності наплавлювальних матеріалів. В зв'язку з цим необхідна розробка ефективних наплавлювальних матеріалів, що враховують ці вимоги.

Актуальність теми. Наплавлювальні матеріали, що застосовуються найбільш широко для підвищення ударно-абразивної зносостійкості, містять у великій кількості дорогі і дефіцитні легуючі елементи. У ряді випадків в тих самих умовах ударно-абразивного зношування застосовуються різні за ступенем легування, структурою наплавлювальні матеріали, а елементи, які вони містять, часто використовуються неефективно. Однією із причин цього є те, що при розробці наплавлювальних матеріалів застосовується якісна, а не кількісна (заснована на об'єктивних даних) характеристика умов ударно-абразивного зношування. Використання кількісної характеристики умов ударно-абразивного зношування - коефіцієнта динамічності (Кд), запропонованого І. В. Петровим, дозволяє розробити найбільш економічні зносостійкі наплавлювальні матеріали для конкретних умов ударно-абразивного впливу.

Нікель широко використовується для підвищення ударостійкості наплавленого металу. Дорожнеча і дефіцитність цього елементу викликають необхідність розробки безнікелевих наплавлювальних матеріалів. Враховуючи особливості сировинних ресурсів України, багатої на поклади марганцевої руди, доцільно в якості одного з основних легуючих елементів використовувати марганець.

Перспективним напрямком в розробці нових наплавлювальних матеріалів, які застосовуються для підвищення довговічності деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного зношування, є використання принципу отримання в структурі наплавленого металу метастабільного аустеніту, що перетворюється при навантаженні в мартенсит (деформаційне мартенситне перетворення). Цей принцип був запропонований професором І. Н. Богачовим ще наприкінці 50-х років. Однак, що до наплавлювальних матеріалів, які використовуються для підвищення довговічності деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного впливу, він не знайшов широкого застосування.

Виходячи з цього, розробка економічних безнікелевих наплавлю-вальних матеріалів, що дозволять реалізувати ефект деформаційного мартенситного перетворення, є важливим народногосподарським завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає напрямку наукових досліджень, що здійснює кафедра "Металургія і технологія зварювального виробництва" Приазовського державного технічного університету по темам: “Розробка та впровадження економнолегованих порошкових електродних матеріалів для наплавлення зносостійких і кольорових сплавів і технології процесів” (13/94), “Розробка та впровадження рецептури і технології виготовлення зварювальних електродів з використанням місцевої сировини замість тієї, що постачається із країн СНД” (20/94).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення економнолегованих порошкових стрічок для підвищення довговічності деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного зношування.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі науково-технічні завдання:

відпрацювати методики випробувань на знос, які забезпечують різні умови ударно-абразивного впливу, що характеризуються коефіцієнтом динамічності (Кд);

вибрати систему економного легування наплавленого металу. Вивчити залежність його зносостійкості від хімічного, фазового складів і структури засобом регресійного аналізу при різних Кд. Побудувати відповідні математичні моделі;

вивчити можливість отримання структур наплавленого металу, що забезпечують найбільшу зносостійкість для різних Кд;

розробити відповідні склади порошкових стрічок та методику розрахунку складу їх шихти з використанням ЕОМ.

розробити технологію наплавлення деталей, провести промислове випробування і впровадження результатів дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів.

Отримані регресійні залежності фазового складу, твердості і ударно-абразивної зносостійкості при різних Кд від хімічного складу наплавленого металу системи Fe-Cr-Mn-C, що стало основою для створення економнолегованих наплавлювальних матеріалів.

Встановлено вплив кількості і стабільності залишкового аустеніту в структурі наплавленого металу на його ударно-абразивну зносостійкість при різних Кд. Встановлено, що при ударно-абразивному впливі з малим коефіцієнтом динамічності (Кд = 1,2-1,4) слід мати переважно мартенситно-карбідну структуру наплавленого металу. Навпаки, при більших значеннях Кд (2,0-3,5) структура має бути переважно аустенітною ( 60 %).

Встановлено, що за рахунок раціональних режимів нормалізації наплавленого металу слід регулювати кількість аустеніту і ступінь його стабільності по відношенню до деформаційного мартенситного перетворення, що істотно підвищує зносостійкість наплавленого металу.

Запропонована методика вибору складу економнолегованого наплавлювального матеріалу для різних умов ударно-абразивного зношування, що характеризуються Кд.

Вірогідність висновків і рекомендацій роботи підтверджується великою кількістю експериментальних даних, хорошим відтворюванням результатів, застосуванням математико-статистичних засобів, промисловою перевіркою і впровадженням результатів досліджень.

Практичне значення отриманих результатів.

Для різних умов ударно-абразивного зношування розроблені наступні наплавлювальні матеріали: ПЛ-Нп-230Х12Г2 і ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3 (Кд = 1,2-1,4), ПЛ-Нп-200Х12Г2 (Кд = 1,7-2,0), ПЛ-Нп-160Х12Г5 і ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд = 3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4-3,5).

Дані рекомендації по вибору раціонального фазового, хімічного складів і структури наплавленого металу для підвищення його ударно-абразивної зносостійкості при різних Кд.

Розроблена програма розрахунку складу шихти порошкових стрічок на ЕОМ.

Результати роботи пройшли промислове випробування і впроваджені в ВАТ "Азов" (м. Маріуполь) при відновленні плит щокових дробарок Кальчицького кар'єру.

Особистий внесок здобувача.

До дисертації ввійшли лише ті наукові результати, що отримані дисертантом особисто.

Автором виконаний аналітичний огляд існуючих наплавлювальних матеріалів, що застосовуються для відновлення зношених деталей машин, які працюють в різних умовах ударно-абразивного зношування і зроблено висновок про те, що існуюча якісна оцінка умов ударно-абразивного впливу не дозволяє вибрати раціональні економнолеговані наплавлювальні матеріали для конкретних умов ударно-абразивного зношування. З урахуванням цього, для кількісної оцінки умов ударно-абразивного впливу використано коефіцієнт динамічності, запропонований І. В. Петровим.

Вибрані методики іспитів зразків в умовах ударно-абразивного впливу при різних Кд.

Проведені системні дослідження зносостійкості наплавленого металу системи Fe-Cr-Mn-C в умовах ударно-абразивного впливу, що характеризується різними значеннями Кд.

Встановлені регресійні залежності фазового складу, твердості та ударно-абразивної зносостійкості від хімічного складу наплавленого металу, що стало основою для створення економнолегованих наплавлювальних матеріалів.

Проведені випробування зносостійкості економнолегованих марганцем високовуглецевих сталей при різних Кд, і встановлено, що в них виявляються ті ж закономірності, що і в наплавленому металі системи Fe-Cr-Mn-C.

Розроблена програма розрахунку складу шихти порошкових стрічок на ЕОМ.

За участю автора проведені промислові іспити і впровадження наплавлення порошковою стрічкою ПЛ-НП-160Х12Г5 плит щокової дробарки Кальчицького кар'єру. Ці роботи виконані спільно з співробітниками НДВЗП ВАТ "Азов".

В опублікованих спільно із співавторами наукових роботах дисертантом виконано: постановка завдань, проведення експериментів та аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися на V науково-технічній конференції: "Нові конструкційні сталі та сплави і засоби їхньої обробки для підвищення надійності і довговічності виробів" (вересень 1992 р., м. Запоріжжя), VI Міжнародній науково-технічній конференції "Нові конструкційні сталі та сплави і засоби їхньої обробки для підвищення надійності і довговічності виробів" (вересень 1995 р., м. Запоріжжя), I-V регіональних науково-технічних конференціях (1992-1998 рр., м. Маріуполь).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано: у науковому журналі - 1 стаття, в збірниках - 4, тез - 7. Всього - 12 робіт.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 135 сторінках, складається зі вступу, 5 розділів, висновків, переліку використаних джерел зі 105 найменувань. Робота містить 31 малюнок, 17 таблиць, 4 додатки.

Основний зміст роботи

Вступ

Обгрунтована актуальність теми, її наукова новизна, дана характеристика сучасного стану проблеми, сформульована мета досліджень і основні положення, що виносяться на захист, наведені дані про практичну значущість роботи, кількість публікацій і структуру дисертаційної роботи.

Розділ 1. Ударно-абразивне зношування. Наплавлювальні матеріали, що застосуються для підвищення зносостійкості

Ударно-абразивне зношування робочої поверхні деталей відбувається завдяки динамічного впливу абразивних часток на неї. Внаслідок цього у поверхневому шарі металу збільшується щільність дислокацій і, як результат, його зміцнення. Коли щільність дислокацій досягає критичної величини, виникають і розвиваються мікротріщини, що викликає руйнування поверхневого шару.

Швидкість руйнування поверхневого шару залежить від умов ударно-абразивного впливу (енергії удару часток, їхніх властивостей і розмірів), а також від структури металу.

В літературі з питання ударно-абразивної зносостійкості наплавленого металу міститься велика кількість суперечливих даних, які не можна зіставляти. Однією з причин цього є те, що для оцінки умов ударно-абразивного зношування, що можуть істотно відрізнятися, використовується лише якісна оцінка. Визначення, що використовуються для цього - “незначні”, “помірні”, “значні” ударні навантаження - умовні, тому що вони не грунтуються на будь-яких об'єктивних засобах дослідження, що відображають реальні умови служби деталей. На даний момент не існує стандартних засобів визначення ударно-абразивної зносостійкості. Це, з одного боку, ускладнює лабораторну оцінку, а з іншого - ускладнює вибір наплавлювальних матеріалів для певних умов експлуатації. Натурні ж випробування наплавлених деталей, що дають вірогідні результати, дуже трудомісткі і вимагають багато часу.

Виходячи з вище сказаного, потрібна кількісна оцінка умов ударно-абразивного зношування, що дозволить об'єктивно оцінювати реальні умови роботи деталей; зіставляти дані різних дослідників, що використовують неоднакові методики визначення зносостійкості; вибирати найбільш ефективні наплавлювальні матеріали для конкретних умов експлуатації; використати математичні моделі для встановлення залежностей зносостійкості від твердості, фазового і хімічного складів.

Ще в 1965 році І. В. Петровим був запропонований кількісний критерій інтенсивності ударно-абразивного впливу, названий ним коефіцієнтом динамічності (Кд). Він визначається як відношення твердості зразка з сталі 110Г13Л після зносу до його вихідної твердості. Дана сталь здатна накопичувати енергію зовнішнього впливу та зміцнюватись при цьому, а величина зміцнення дозволяє судити про інтегральну інтенсивність ударно-абразивного впливу часток. Відомо, що енергія впливу абразивних часток при зношуванні, яка поглинається металом, витрачається на пружну і пластичну деформацію, а також його руйнування. В свою чергу, Кд об'єктивно характеризує енергію такого впливу, що поглинається сталлю 110Г13Л у процесі зношування в конкретних умовах. Чим більша енергія ударно-абразивного впливу, тим більший ступінь наклепу. Однак оцінка умов ударно-абразивного зношування з використанням Кд не отримала широкого розповсюдження при виборі і розробці наплавлювальних матеріалів. Наслідком цього є те, що в одних і тих же умовах ударно-абразивного зношування застосовуються різні за ступенем легування, структурою наплавлювальні матеріали і неефективно використовуються дорогі і дефіцитні легуючі елементи.

Для підвищення зносостійкості в умовах абразивного і ударно-абразивного зношування застосовується більше ста наплавлювальних матеріалів. Як правило, вони містять велику кількість дорогих і дефіцитних елементів (W, V, Ni і ін.). Прикладом можуть служити: ПЛ-АН-101 (300Х28Н3С3Г2), ВСН-6 (11Х14В13Ф2ГС), ОЗИ-1 (80Х4В14ФГС).

У зв'язку з цим розробка економнолегованих наплавлювальних матеріалів є актуальним народногосподарським завданням. Воно повинно вирішуватися на основі системних досліджень впливу хімічного, фазового складу і структури на зносостійкість у різних умовах ударно-абразивного впливу, що характеризуються коефіцієнтом динамічності.

З урахуванням цього сформульована мета роботи і завдання дослідження.

Розділ 2. Дослідження впливу хімічного складу наплавленого металу системи Fe-Cr-Mn-C на його фазовий склад, структуру і ударно-абразивну зносостійкість

Враховуючи дефіцитність і високу вартість нікелю, що використовується в якості одного з основних легуючих елементів порошкових стрічок, у даній роботі були проведені системні дослідження по створенню порошкових стрічок на основі системи Fe-Cr-Mn-C.

Для кількісної оцінки різних умов ударно-абразивного зношування був використаний коефіцієнт динамічності (Кд). Для варіювання Кд в широких межах (Кд = 1,2; 1,4; 1,7; 2,0; 3,5) були застосовані лабораторні прилади, що забезпечують вказані значення Кд. За основу взяті наступні схеми випробувань:

Схема 1. Між циліндричною поверхнею диска, що обертається, і плоскою поверхнею зразка переміщаються абразивні частки, що захоплюються диском, зношуючи при цьому зразок (Кд = 1,2);

Схеми 2, 3, 4. Зношування здійснювалося абразивними частками, що транспортуються потоком повітря. При цьому зразки, що випробувались, встановлювали під кутом до абразивного потоку 30^о, 60^о та 90^о (Кд = 1,4; 1,7 та 2,0);

Схема 5. Зразки кріпились на диску, що обертався з великою швидкістю, і зношувались при співударянні з абразивними частками, що падали на них (Кд = 3, 5).

Для перевірки придатності методик випробувань ударно-абразивної зносостійкості, наведених вище, порівнювали зносостійкість ряду матеріалів (ЄТН-2, Сормайт-1 та ін.), випробуваних І. В. Петровим за його методиками при близьких значеннях Кд. При цьому були отримані приблизно однакові значення зносостійкості вказаних матеріалів. Отримані дані підтвердили висновок про те, що не сама по собі схема випробувань, а енергія впливу абразивних часток і, відповідно, її частина, що поглинається металом та оцінюється Кд, є визначальним фактором для характеристики умов зношування. метал наплавлений зносостійкість динамічність

Дослідження були виконані з використанням способу планування експерименту. Для проведення багатофакторного експерименту була обрана математична модель - симетричний ортогональний композиційний план другого порядку. Варіювався вміст легуючих елементів в наплавленому металі в таких межах: С = 1-3 %, Mn = 2-6 %, Cr = 6-12 %. Використана матриця планування 2³, доповнена зірковими крапками і іспитом в центрі плану. Зіркове плече = 1,215. Матриця експерименту складається з 15 досліджень. За отриманими експериментальними даними розраховані регресійні залежності твердості (HRC), відносної ударно-абразивної зносостійкості наплавленого металу () і кількості залишкового аустеніту (, %) від хімічного складу (мас. %). Рівняння регресії представляли у вигляді полінома другого порядку:

HRC = 50,66 + 7,14·С + 4,27·Cr + 0,79·Mn + 0,58·C·Cr + 0,62·C·Mn -

- 1,84·C² + 0,17·Cr² - 0,46·Mn², (1)

_(Кд=1,2) = 0,98 + 0,68·С + 0,087·Mn - 0,027·Cr + 0,021·C·Cr -

- 0,2·C² - 0,017·Mn², (2)

_(Кд=1,4) = 0,93 + 0,6·С + 0,11·Mn - 0,018·Cr + 0,017·C·Cr -

- 0,18·C² - 0,019·Mn², (3)

_(Кд=1,7) = 1,17 + 0,41·С + 0,044·Mn -0,018·Cr + 0,017·C·Cr +

+ 0,025·C·Mn - 0,16·C² - 0,015·Mn², (4)

_(Кд=2,0) = 1,19 + 0,36·С + 0,023·Mn - 0,015·Cr + 0,017·C·Cr +

+ 0,037·C·Mn - 0,18·C² - 0,012·Mn², (5)

_(Кд=3,5) = 0,77 + 0,866·С + 0,002·Mn - 0,014·Cr + 0,031·C·Mn +

+ 0,01·Cr·Mn - 0,34·C² - 0,017·Mn², (6)

, % = 15,34 - 57,77·С + 0,03·Mn - 16,92·Cr + 2,01·C·Mn +

+ 9,52·C² + 0,79·Cr² + 0,67·Mn². (7)

З використанням програми “Mathcad 5+” побудовані тримірні поверхні відгуку, які дадуть просторове зображення регресійних залежностей, що дозволяє наочно уявити спільний вплив 2-х факторів, при фіксованому значенні третього. Також побудовані проекції цих поверхень на координатну площину у вигляді ліній плану, що з'єднають крапки з рівними значеннями відгуку в рівняннях регресії, що дозволило проаналізувати отримані регресійні залежності і визначити координати екстремуму відгуку.

Був визначений хімічний склад наплавленого металу, що забезпечує найбільшу ударно-абразивну зносостійкість для кожного з розглянутих коефіцієнтів динамічності. На підставі аналізу отриманих даних можна зробити висновок, що:

- при малих коефіцієнтах динамічності (Кд = 1,2-1,4) необхідно в наплавленому металі мати підвищений вміст вуглецю (2,0-2,5 %), кількість марганцю повинна бути порівняно невеликою (2-3 %) і хрому 12 %. Структура повинна бути переважно мартенситно-карбідною. Наявність в структурі наплавленого металу підвищеної кількості мартенситу і карбідів запобігає руйнуванню його абразивними частками і підвищує зносостійкість;

- зі збільшенням коефіцієнта динамічності необхідно зменшувати вміст вуглецю і збільшувати кількість марганцю в наплавленому металі. Так, при Кд = 3,5 оптимальним є вміст вуглецю 1,0-1,7 %, марганцю 5-6 % та хрому 12 %. Твердість 40 HRC. Потрібно забезпечувати при цьому здебільшого аустенітну структуру. Кількість мартенситу і карбідів повинна складати не більше 40 %. В умовах інтенсивного ударно-абразивного зношування необхідно збільшити опір утворенню і розвитку тріщин, що і визначає необхідність отримання підвищеної кількості аустеніту ( 60 %).

Для експериментальної перевірки математичних моделей виготовлені порошкові стрічки, що забезпечують отримання наплавленого металу, що має хімічний склад близький до оптимального (розрахункового) для різних Кд. Було виготовлено по 3 стрічки кожного з складів ПЛ-НП-230Х12Г2, ПЛ-НП-200Х12Г3, ПЛ-НП-160Х12Г5, відповідно для Кд = 1,2; Кд = 1,7 та Кд = 3,5. Отримані дані свідчать про те, що хімічний, фазовий склади і структура наплавленого металу близькі до оптимальних, розрахованих на підставі математичних моделей.

Дані по ударно-абразивній зносостійкості металу, наплавленого виготовленими стрічками ПЛ-Нп-230Х12Г2, ПЛ-Нп-200Х12Г3, ПЛ-Нп-160Х12Г5 свідчать, що існує хороший збіг розрахункових і експериментальних результатів (коефіцієнт кореляції 0,97). Це підтверджує адекватність отриманих математичних моделей.

Вивчався вплив стабільності залишкового аустеніту на ударно-абразивну зносостійкість наплавленого металу при різних Кд. Встановлено, що при збільшенні Кд необхідно не тільки збільшувати кількість залишкового аустеніту в структурі, але й підвищувати його стабільність по відношенню до деформаційного мартенситного перетворення.

На підставі проведених досліджень запропонована методика вибору оптимального складу наплавлювальних матеріалів для конкретних умов ударно-абразивного зношування. Вона полягає в наступному:

визначається коефіцієнт динамічності (Кд), для чого зразки з сталі 110Г13Л розміщуються на поверхні деталей, що зношується;

на підставі отриманого значення Кд вибирається відповідна математична модель і визначається необхідний хімічний склад наплавленого металу;

визначається склад шихти порошкової стрічки, що забезпечує необхідний хімічний склад наплавленого металу.

після спроби наплавлення визначаються хімічний, фазовий склад, структура і твердість наплавленого металу і проводиться порівняння з оптимальними їх значеннями. При необхідності склад шихти порошкових стрічок корегується.

Розділ 3. Регулювання фазового складу і структури наплавленого металу для підвищення його ударно-абразивної зносостійкості

У попередньому розділі було показано, що для забезпечення найбільшої ударно-абразивної зносостійкості необхідно мати оптимальний фазовий склад і структуру стосовно до конкретних умов навантаження. Однак при наплавленні це не завжди вдається забезпечити. У зв'язку з цим, безсумнівний інтерес представляє можливість регулювання фазового складу і структури за рахунок термічної обробки. Найбільш простим її способом є нормалізація. В даній роботі вивчався вплив температури нагрівання при нормалізації, що варіювалася від 800 до 1100 ^оС. Час видержки у печі складав 20 хвилин, розмір зразків 10 х 10 мм. Для запобігання тріщинам при нагріванні проводилося попереднє підігрівання при 650 ^оС. Наплавлений метал, отриманий при використанні порошкових стрічок ПЛ-НП-200Х12Г5, ПЛ-НП-250Х10Г4Ф3. При цьому визначали твердість, відносну зміну кількості залишкового аустеніту, а також відносну зносостійкість при різних Кд. Отримані результати показують, що при малих Кд (1,2-1,4) найбільшу зносостійкість забезпечує нормалізація із нагріванням до порівняно невисоких температур (800 ^оС). При цьому одержувана структура є переважно мартенситно-карбідною, кількість залишкового аустеніту складає 20-30 %. Наплавлений метал, що містить ванадій, має більш високу зносостійкість, що забезпечується присутністю в структурі карбідів ванадію високої твердості. Навпаки, при більших Кд (2,0-3,5) найбільш високу ударно-абразивну зносостійкість вдається отримати після нормалізації із нагріванням до підвищених температур (1100 ^оС). У цьому випадку в структурі переважає аустеніт (> 70 %), що має підвищену стабільність по відношенню до деформаційного мартенситного перетворення. Збільшення кількості мартенситу і карбідів в структурі знижує зносостійкість. При більших Кд метал, наплавлений ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3, має приблизно таку ж ударно-абразивну зносостійкість, як і наплавлення ПЛ-Нп-200Х12Г5, що не містить ванадію.

Отримані дані показують, що за рахунок нормалізації можна в широких межах змінювати кількісне співвідношення фаз, стабільність аустеніту і за рахунок оптимізації структури істотно підвищувати ударно-абразивну зносостійкість стосовно до конкретних умов роботи.

Розділ 4. Розробка порошкових стрічок. Методика автоматизованого розрахунку складу шихти. Дослідження наплавлювально-технологічних властивостей

Розробка порошкових стрічок включала: визначення кількісного співвідношення сталевої оболонки і компонентів порошкового наповнювача (шихти), що забезпечують отримання наплавленого металу високої ударно-абразивної зносостійкості.

На даний час склад шихти для виготовлення порошкових стрічок розраховується у відповідності за існуючою методикою за коефіцієнтом заповнення (Кз). Він представляє собою відношення ваги шихти до ваги порошкової стрічки і визначається звичайно випробуваннями.

У роботі запропонована методика автоматизованого розрахунку шихти порошкової стрічки з використанням ЕОМ. Вона виключає необхідність дослідного визначення Кз і дозволяє його розрахувати на підставі необхідного хімічного складу наплавленого металу.

Суть запропонованої методики полягає в тому, що при розрахунку враховується насипна вага компонентів і конструктивні параметри порошкової стрічки, зокрема, відношення площ поперечного перерізу оболонки і сердечника. Це описано підсумковим рівнянням, наведеним нижче. Воно являє собою квадратний тричлен і вирішується стандартним математичним способом.

, (8)

де P_i - кількість i-го компоненту в складі сердечника в 100 г порошкової стрічки, г;

L - постійна величина, чисельно рівна відношенню здобутку площі поперечного перерізу оболонки (F_об) і щільності матеріалу оболонки (?_об) до площі поперечного перерізу шихти (F_ш),

L = (F_об·?_об) / F_ш;

?_об? - насипна маса баластного додатку - залізного порошку;

?_i - насипна маса i-ого компоненту.

З використанням отриманого рівняння складена програма розрахунку на ЕОМ складу шихти порошкових стрічок і проведені необхідні розрахунки складу розроблених порошкових стрічок.

Порошкові стрічки розроблених складів виробляли на спеціальному стані. При цьому профіль оболонки задавався формоутворюючими роликами. Оболонка порошкової стрічки заповнювалася шихтою, а після цього закривалося замкове з'єднання і задавався рельєф, ущільнюючий шихту. Для оболонки використали сталь 08 кп товщиною 0,4 мм. Ширина верхньої смуги оболонки складала 22 мм, а нижньої - 24 мм.

До складу шихти поряд з ферохромом, феромарганцем, графітом, що забезпечують отримання заданого хімічного складу в наплавленому металі, вводилися додаткові компоненти - ПАМ-4 і Ф-4. Порошок алюмінієво-магнієвий марки ПАМ-4 використали в якості активного розкислювача, а фторопласт Ф-4 - для вилучення водню зі зварювальної ванни і додаткового ущільнення шихти порошкової стрічки.

Наплавлювально-технологічні характеристики стрічок досліджу-валися на установці У-75, оснащеній автоматичною зварювальною голівкою А1401. Джерело живлення - ВДУ 1001. Для наплавлення вибрані наступні режими:

I_ЗВ=600-650 А; U_Д =30-32 В; V_ЗВ=35 м/год.

Під час процесу наплавлення спостерігалося стійке горіння дуги, плавний перехід від основного до наплавленого металу і міцне сплавлення між двома суміжними валиками. Розроблені порошкові стрічки мають хороші наплавлювально-технологічні характеристики:

продуктивність процесу розплавлення стрічки, q - 12600-13650 г/год;

продуктивність процесу наплавлення,??_? - 20-22 г/А·год;

коефіцієнт втрат,?? - 4,5-4,9 %.

Для створення нормальних санітарно-гігієнічних умов при наплавленні запропоновано використати флюс АН-26 і приточно-витяжну вентиляцію (15000 м³ повітря на 1 кг розплавленої порошкової стрічки). Аналіз складу повітря на рівні дихання оператора показав, що виділення шкідливих речовин не перевищує встановлених норм ПДК.

Розділ 5. Промислове випробування і впровадження наплавлювального матеріалу ПЛ-НП-160Х12Г5 для відновлення плит щокових дробарок

Промислове випробування і впровадження порошкової стрічки ПЛ-Нп-160Х12Г5 було проведено в умовах ВАТ "Азов" для відновлення плит щокових дробарок Кальчицького кар'єру.

Плити щокових дробарок, що застосовуються для отримання щебеню, працюють в умовах інтенсивного ударно-абразивного впливу і є деталями, що швидко зношуються та вимагають частої заміни. Тому проблема відновлення плит є надто актуальним завданням.

У ВАТ "Азов" освоєне відновлення плит щокових дробарок Кальчицького кар'єру наплавленням порошковою стрічкою ПЛ-АН-101 (300Х28Н3С3Г2). Плити зі сталі 110Г13Л, наплавлені цією стрічкою, показали експлуатаційну стійкість у 1,2-1,3 рази більшу, ніж без наплавлення. Однак стрічка ПЛ-АН-101 містить велику кількість хрому і дефіцитний нікель. У зв'язку з цим в даній роботі ставилося завдання вибрати наплавлювальний матеріал на основі системи Fe-Cr-Mn-C для відновлення цих деталей. Вибір наплавлювального матеріалу був зроблений з використанням розробленої авторами методики (див. розділ 2).

Для визначення Кд зі зношеної плити вирізались зразки, на яких вимірювалася твердість (по Брінелю). На зношеній поверхні вона складала HВ 490-520 у порівнянні з початковою твердістю HВ 140-150. У відповідності з цим коефіцієнт динамічності Кд склав 3,5.

Для цього значення Кд відповідна математична модель описується рівнянням 6 (див. розділ 2). З його допомогою визначений хімічний склад наплавленого металу, що забезпечує найбільш високу зносостійкість в даних умовах ударно-абразивного впливу. Вміст елементів в наплавленому металі такий: вуглець - 1,6 %, марганець - 5,2 %, хром - 12 %.

Використовуючи методику розрахунку складу шихти порошкових стрічок на ЕОМ (див. розділ 4), було визначено необхідний склад шихти порошкової стрічки ПЛ-Нп-160Х12Г5.

Була відпрацьована технологія наплавлення плит щокової дробарки даною порошковою стрічкою, що зменшує їхню деформацію. Для цього перед наплавленням робилося попереднє парне складання плит. Плити стикували внутрішніми поверхнями і утримували планками по довжині зазору. Приварку планок виробляли аустенітними електродами.

Наплавлення проводилося під флюсом АН-26 при таких режимах:

I_ЗВ =600-650 А; U_Д =28-32 В; V_ЗВ =35 м/год.

Було підтверджено, що порошкова стрічка ПЛ-НП-160Х12Г5 володіє добрими наплавлювально-технологічними характеристиками.

Структура наплавленого металу представляла собою: аустенітно-мартенситну матрицю (кількість аустеніту 60-65 %), армовану карбідами хрому (10-12 %).

Як показали результати експлуатації 12 плит, наплавлених ПЛ-Нп-160Х12Г5, їх довговічність не поступається тій, яка отримується при використанні ПЛ-АН-101 (300Х28Н3С3Г2).

Фактичний економічний ефект від впровадження наплавлення 12 плит склав 24502,68 грн., а річний очікуваний ефект - 90659,37 грн.

Загальні висновки

У роботі використана замість якісної (описової) кількісна оцінка умов ударно-абразивного впливу з допомогою коефіцієнта динамічності, запропонованого І. В. Петровим. Це дозволило здійснити диференційований підхід при виборі економнолегованих наплавлювальних матеріалів системи Fe-Cr-Mn-C для різних умов зношування. Отримані регресійні залежності твердості, фазового складу і ударно-абразивної зносостійкості від хімічного складу наплавленого металу, що дозволять його оптимізувати для різних Кд. Ці залежності наведені у вигляді поліномів другого порядку.

Показано, що в структурі наплавленого металу поряд з мартенситом і карбідами необхідно мати метастабільний аустеніт, кількість і ступінь стабільності якого повинні регулюватися з урахуванням конкретних умов ударно-абразивного впливу. При малих коефіцієнтах динамічності (Кд = 1,2-1,4) необхідно мати наступний хімічний склад наплавленого металу: 2,0-2,5 % С, 12 % Cr, 2-3 % Mn. Структура повинна бути здебільшого мартенситно-карбідною.

Для цих умов зношування легування наплавленого металу ванадієм в кількості до 3 % при одночасному збільшенні вмісту вуглецю до 2,5-3,0 % підвищує його зносостійкість на 10-15 %. Однак, потрібно враховувати високу вартість цього легуючого елементу.

Зі збільшенням коефіцієнта динамічності необхідно зменшувати вміст вуглецю і збільшувати кількість марганцю в наплавленому металі. Так при Кд = 3,5 оптимальним є наступний вміст елементів 1,0-1,7 % С, 5-6 % Mn, 12 % Cr. Твердість 40 HRC. При цьому потрібно забезпечувати здебільшого аустенітну структуру. Кількість мартенситу і карбідів повинна складати менше 40 %. У розглянутих умовах зношування легування ванадієм неефективне.

Для різних умов ударно-абразивного зношування розроблені такі наплавлювальні матеріали: ПЛ-Нп-230Х12Г2 та ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3 (Кд = 1,2-1,4), ПЛ-Нп-200Х12Г2 (Кд = 1,7-2,0), ПЛ-Нп-160Х12Г5 та ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд = 3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4-3,5). Розроблені порошкові стрічки забезпечують хороші наплавлювально-технологічні характеристики.

Показано, що в тих випадках, коли після наплавлення структура і фазовий склад відрізняються від оптимальних, ефективним засобом їх регулювання є нормалізація. Її режими повинні вибиратися з урахуванням інтенсивності ударно-абразивного впливу. Зі збільшенням Кд необхідно використовувати більш високі температури нагрівання при проведенні нормалізації з метою збільшення кількості аустеніту в структурі та ступеню його стабільності.

Розроблена програма автоматизованого розрахунку складу шихти порошкових стрічок з застосуванням ЕОМ, заснована на використанні розрахункового значення коефіцієнта заповнення (Кз). Це підвищує точність розрахунку і скорочує час на його проведення.

На підставі проведених досліджень запропонована методика вибору складу порошкових стрічок системи Fe-Cr-Mn-C стосовно до конкретних умов ударно-абразивного впливу, яка включає:

визначення Кд для даних умов роботи деталей;

вибір відповідної математичної моделі і визначення з її допомогою оптимального хімічного і фазового складів наплавленого металу;

автоматизований розрахунок на ЕОМ потрібного складу шихти порошкових стрічок;

регулювання фазового складу і структури при відхиленні їх від розрахункових оптимальних значень, за рахунок корегування складу шихти порошкових стрічок або проведення термічної обробки (нормалізації).

Порошкова стрічка ПЛ-Нп-160Х12Г5, розроблена з використанням запропонованої методики, пройшла промислове випробування і була впроваджена в умовах ВАТ "Азов" для відновлення плит щокових дробарок Кальчицького кар'єру. Це дозволило підвищити довговічність деталей у 1,5 рази у порівнянні з базовим виробом і отримати фактичний економічний ефект - 24502,68 грн., при цьому очікуваний річний ефект складе 90659,37 грн.

Основний зміст дисертації опубліковано в наступних публікаціях

Малинов В.Л., Чигарев В.В. Влияние структуры на износостойкость наплавленного металла при различных видах ударно-абразивного износа // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр., вып. 3. - Мариуполь. - 1997. - С. 141 - 144.

Малинов В.Л., Чигарев В.В. Методика оптимизации химического состава наплавочных материалов системы Fe-Cr-Mn-C для различных условий ударно-абразивного износа // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр., вып. 6. - Мариуполь. - 1998. - С. 153-154.

Влияние термической обработки на износостойкость высокоуглеродистых аустенитных сталей, содержащих менее 9 % марганца / Л.С. Малинов, Е.Я. Харланова, В.Л. Малинов и др. // Металлы, 1997. - № 6. - С. 74-77.

Малинов В.Л., Чигарев В.В. Регрессионный анализ и оптимизация состава наплавленного металла на основе Fe-Cr-Mn-C при различных условиях ударно-абразивного воздействия // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр., вып. 3. - Мариуполь. - 1997. - С. 149-152.

Малинов В.Л., Чигарев В.В. Методика автоматизированного расчета порошковой ленты // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр., вып. 3. - Мариуполь. - 1997. -С. 164-166.

Белоусов Ю.В., Корягин Е.И., Малинов В.Л. Новые материалы для наплавки деталей металлургического оборудования. // Тез. докл. 4 научн.-техн. конф. "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий". - Запорожье. - Сент., 1992. - С. 226.

Чигарев В.В., Малинов В.Л. Разработка экономнолегированного наплавочного материала, стойкого в условиях ударно-абразивного износа. // Тез. докл. 2 регион. науч.-техн. конф. - Том 2. - Мариуполь: Машиностроение. - Май, 1993. - С. 54.

Чигарев В.В., Малинов В.Л. Наплавочные материалы на основе высокоуглеродистых сталей, экономнолегированных марганцем. // Тез. докл. 2 регион. науч.-техн. конф. - Том 2. - Мариуполь: Машиностроение. - Май, 1993. - С. 55.

Харланова Е.Я., Малинов В.Л., Белоногов А.В. Экономно легированные марганцем износостойкие стали взамен 110Г13Л. // Тез. докл. 2 регион. науч.-техн. конф. - Том 1. - Мариуполь: Машиностроение. - Май, 1993. - С. 130.

Чигарев В.В., Малинов В.Л. Экономнолегированные наплавочные материалы для повышения долговечности деталей машин, подвергающихся ударно-абразивному изнашиванию. // Тез. докл. 6 Международн. науч.-техн. конф. "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности. - Часть 3. - Запорожье: ЗГТУ. - Сент., 1995. - С. 72.

Чигарев В.В., Малинов В.Л. Разработка экономнолегированных наплавочных материалов // Тез. докл. 4 регион. науч.-техн. конф. - Том 2. - Мариуполь: Машиностроение. - Апр., 1997. - С. 11.

Чигарев В.В., Малинов В.Л. Влияние количества и стабильности остаточного аустенита на износостойкость наплавленного металла // Тез. докл. 4 регион. науч.-техн. конф. - Том 2. - Мариуполь: Машиностроение. - Апр., 1997. - С. 12.

Анотації

Малінов В. Л. Розробка економнолегованих наплавлювальних матеріалів для підвищення зносостійкості деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного зношування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.03.06 - Зварювання і споріднені технології - Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти України, Маріуполь, 1999 р.

Дисертація присвячена питанню розробки економнолегованих наплавлювальних матеріалів для підвищення довговічності деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного зношування. Проведені системні дослідження зносостійкості наплавленого металу системи Fe-Cr-Mn-C в умовах ударно-абразивного впливу при різних коефіцієнтах динамічності (Кд). Встановлені регресійні залежності твердості, фазового складу і ударно-абразивної зносостійкості від хімічного складу наплавленого металу, що стало основою для створення економнолегованих наплавлювальних матеріалів.

Запропонована методика вибору складу економнолегованих порошкових стрічок для різних умов ударно-абразивного зношування, що характеризуються Кд. Розроблені такі наплавлювальні матеріали: ПЛ-Нп-230Х12Г2 та ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3 (Кд = 1,2-1,4), ПЛ-Нп-200Х12Г3 (Кд = 1,7-2,0), ПЛ-Нп-160Х12Г5 та ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд = 3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4-3,5). Запропонована програма розрахунку складу шихти порошкових стрічок на ЕОМ. Результати роботи впроваджені у ВАТ "Азов" (м. Маріуполь) при відновленні плит щокових дробарок Кальчицького кар'єру. Це дозволило підвищити довговічність цих деталей у 1,5 рази, та отримати економічний ефект 24502,68 грн.

Ключові слова: наплавлювальний матеріал, порошкова стрічка, коефіцієнт заповнення, технологія наплавлення, структура, метастабільний аустеніт, ударно-абразивна зносостійкість, коефіцієнт динамічності.

Malinov V.L. The development of economically alloyed surfacing materials for increase of wear-resistance of parts working in impact-abrasive conditions wearing. - Manuscript.

Thesis for competition scientific degree of Candidate of technical science in speciality 05.03.06 - Welding and related techniques. - Priazovskiy State Technical University. - Ministry of Education of Ukraine, Mariupol, 1999.

The dissertation is devoted to a question of development economically alloyed surfacing materials working in conditions of impact-abrasive wearing. Systematic researches of wear-resistance of Fe-Cr-Mn-C surfacing alloys were carried out. The impact-abrasive wearing conditions are characterized by dynamic coefficient (Кд). Regression dependencies of phase composition, hardness and wear-resistance from chemical composition of the surfacing alloys were obtained. It was used as basis for development of new surfacing materials.

The method of choice of chemical compositions of economically alloyed surfacing materials for various impact-abrasive wearing conditions is offered. The recommendations of rational alloying of powder-cored electrodes and optimum phase structure of surfacing metals are given. On this basis the following powder-cored electrodes: ПЛ-Нп-230Х12Г2 & ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3 (Кд = 1,2-1,4), ПЛ-Нп-200Х12Г3 (Кд = 1,7-2,0), ПЛ-Нп-160Х12Г5 & ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд = 3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4-3,5) were developed. The computer program of determination of powder-cored electrodes composition was developed. The research results were implemented in "Azov" machine building plant (Mariupol) for restoration of jaw-crusher machine plates. It has allowed to increase durability of these parts in 1,5 times and receive economical effect of 24502,68 grn.

Key words: surfacing material, powder-cored electrode, coefficient of filling, surfacing technology, structure, metastable austenite, impact-abrasive wear-resistant, dynamic coefficient.

Малинов В.Л. Разработка экономнолегированных наплавочных материалов для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - сварка и родственные технологии. - Приазовский государственный технический университет Министерства образования Украины, Мариуполь, 1999 г.

Диссертация посвящена вопросу разработки экономнолегированных наплавочных материалов для повышения долговечности деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. Одной из наиболее распространенных технологий восстановления деталей и повышения их износостойкости является электродуговая наплавка порошковыми лентами.

В отличие от широко распространенной в литературе качественной характеристики условий ударно-абразивного изнашивания в работе использован коэффициент динамичности (Кд), предложенный И.В. Петровым, позволяющий оценивать их количественно. Для этого исследование износостойкости наплавленного металла осуществляли по 5 схемам ударно-абразивного изнашивания с различными значениями Кд в интервале от 1,2 до 3,5.

Проведены системные исследования износостойкости наплавленного металла системы Fe-Cr-Mn-C в условиях ударно-абразивного воздействия при различных Кд. Установлены регрессионные зависимости твердости, фазового состава и ударно-абразивной износостойкости от химического состава наплавленного металла, что явилось основой для создания экономнолегированных наплавочных материалов. Установлено влияние количества и стабильности остаточного аустенита в структуре наплавленного металла на его ударно-абразивную износостойкость при различных Кд.

Предложена методика выбора состава экономнолегированных порошковых лент для различных условий ударно-абразивного изнашивания. Она заключается в определении коэффициента динамичности (Кд) в реальных условиях эксплуатации деталей, выборе для полученного значения Кд соответствующей математической модели, на основании которой рассчитывается требуемый химический состав наплавленного металла. Затем по разработанной программе на ЭВМ рассчитывается состав шихты порошковой ленты.

Даны рекомендации по рациональному легированию порошковых лент и оптимальному фазовому составу и структуре наплавленного металла. С учетом этого разработаны следующие наплавочные материалы: ПЛ-Нп-230Х12Г2 и ПЛ-Нп-250Х10Г4Ф3 (Кд = 1,2-1,4), ПЛ-Нп-200Х12Г3 (Кд = 1,7-2,0), ПЛ-Нп-160Х12Г5 и ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд = 3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4-3,5). Разработана программа расчета состава шихты порошковых лент на ЭВМ.

Установлено влияние количества и стабильности остаточного аустенита в структуре наплавленного металла на его ударно-абразивную износостойкость при различных Кд. Показано, что при ударно-абразивном воздействии с малым коэффициентом динамичности (Кд = 1,2-1,4) следует иметь преимущественно мартенситно-карбидную структуру наплавленного металла. Напротив, при больших значениях Кд (2,0-3,5) структура должна быть преимущественно аустенитной ( 60 %).

Показано, что за счет рациональных режимов нормализации наплавленного металла следует регулировать количество аустенита и степень его стабильности по отношению к деформационному мартенситному превращению, что существенно повышает износостойкость наплавленного металла.

Результаты работы прошли промышленное опробование и внедрены в ОАО "Азов" (г. Мариуполь) при восстановлении плит щековых дробилок Кальчикского карьера. Это позволило повысить долговечность этих деталей в 1,5 раза и получить экономический эффект 24502,68 грн.

Ключевые слова: наплавочный материал, порошковая лента, коэффициент заполнения, технология наплавки, структура, метастабильный аустенит, ударно-абразивная износостойкость, коэффициент динамичности.

Размещено на Allbest.ru

...