Технология получения износостойких слоистых композиций со сталью Гадфильда

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИЙ СО СТАЛЬЮ ГАДФИЛЬДА

Драгобецкий В.В.

Summary

The peculiarities of the manufacturing methods of friction surface hardening of rolling stock components as well as restoraation of mining eguipments which operate under impact and abrasive wear conditions by high-maganese steel cladding have been considered.

Основная часть

Высокомарганцовистая cталь 110Г13Л (сталь Гадфильда) широко применяется в горнорудной и угольной промышленности, а также в наземном транспорте. Сталь обладает уникальными свойствами, высоким сопротивлением ударному износу и упрочнению в процессе эксплуатации. Наиболее полно свойства стали Гадфильда реализуются при упрочнении высокими давлениями, возникающими при взрывной обработке. Эта сталь используется в виде литых деталей и заготовок: зубьев ковшей экскаваторов, черпаков, кожухов камер для дробеструйной обработки, траков, щек и броней дробилок, в элементах рельсовых путей, башмаков гусениц и т.д., а в катаном виде - износостойких пластин подпятника надрессорной балки, футеровок, опорных поверхностей и др.

По литературным данным [1] эта сталь не поддается сварке и в катаном виде в нашей стране и близком зарубежье не производится. Нам представилась возможность апробировать процесс плакирования опорных поверхностей корпусов букс изготовленных из высокопрочного чугуна (примерный аналог ВЧ 38-17) пластинами из стали Гадфильда по предложению немецких вагоностроителей.

Вероятно, единственно возможным методом получения неразъемного соединения высокомарганцевой стали с чугуном является сварка взрывом. Для предотвращения образования трещин и отколов в чугунном корпусе буксы процесс сварки взрывом производился через медную прослойку толщиной 2 10^-3м. Это связано с тем, что прочность меди удовлетворяет эксплуатационным требованиям по нагрузкам, медь сваривается взрывом с железоуглеродистыми сплавами в довольно широком диапазоне параметров взрывного нагружения, наличие опыта сварки взрывом меди с чугуном и высокие демпфирующие свойства меди при соударении плакирующей заготовки с плакируемой поверхностью.

Предварительно произвели сварку взрывом пластин из стали Гадфильда размерами 240х40х4 мм с медью М1. При параметрах сварки r=_oo/=1; _o и _{o -} плотность и толщина слоя взрывчатого вещества; и - плотность и толщина метаемой стальной пластины; D=4000 мс^-1; D - скорость и детонации взрывчатого вещества; h= 3 10^-3м; h - сварочный зазор получили сварное соединение с прочностью сцепления слоев превышающих предел прочности меди. сварка чугун сталь гадфильд

Перед непосредственным плакированием опорных поверхностей корпусов букс необходимо определить параметры соударения свариваемых пластин, при которых не возникает разрушение опорных поверхностей. Процесс рассматривается как трехстадийный:

метание плакирующей пластины плоским зарядом взрывчатого вещества;

соударение плакирующей пластины с плакируемой поверхностью и их деформация;

деформация многослойного пакета вследствие инерционного последствия.

Вопросы метания и соударения плакирующей пластины достаточно широко освещены в литературе [2,3] и их рассмотрение не имеет смысла.

Рассмотрим деформацию при импульсном сжатии пакета, набранного из пластин твердого (Т) и более мягкого (М) материала. Такое тело называется бинарной системой [4]. В начальной стадии межслойным трением между соединяемыми поверхностями пренебрегаем, так как они расплавлены и оно незначительно. Реактивную деформацию также не учитываем, вследствие отсутствия разгрузки при давлениях нагружения характерных для сварки взрывом [5]. Движение мягкого слоя в зоне соприкосновения с твердым описывается уравнением

(1)

Здесь х₁ - пространственная координата с началом в точке соприкосновения метаемой пластины с опорной поверхностью, t - время, ₁₁, , х₁ - нормальные напряжения, плотность, скорость частиц мягкого материала. Из условия не сжимаемости следует, что Обозначим через h(t) перемещение контактной поверхности.

Очевидно, можно записать:

; ;(2)

Уравнение (1) представится в виде

;(3)

С учетом параметров движения на ударной волне

; (4)

где _о - плотность мягкого слоя до начала соударения.

Усилие, действующее на твердую заготовку со стороны мягкой, определяемое из уравнения (3) при пренебрежении членами второго порядка малости составит

где m, S - масса и площадь твердой пластины.

При этом усилие F не должно вызывать напряжений, превышающих предел прочности в твердой пластине, что соответствует скоростям, соударения х₁₀ до 600 м с^-1. Параметры сварки взрывом пакета пластин высокомарганцовистая сталь - медь с литыми изделиями из чугуна и стали при скоростях соударения не превышающих предельно допустимых следующие: r=0,6; h=5 10^-3м; D=4000 мс^-1.

На этих режимах был осуществлен процесс взрывного плакирования пластинами из высокомарганцовистой стали через медную прослойку. Предельные сдвиговые усилия плакирующего слоя соответствовали прочности меди, что примерно в 2,5 раза превышает эксплуатационные требования.

Освоенный технологический процесс открывает новые возможности для восстановления деталей горнодобывающего оборудования и повышения долговечности ряда узлов железнодорожного транспорта. Следует отметить, что при сварке взрывом реализуются давления необходимые для упрочнения высокомарганцовистой стали. В результате этого происходит двухтрехкратное увеличение твердости и износостойкости восстановленных и плакируемых поверхностей.

Кроме того при освоении выпуска катанной стали Годфильда открывается возможность для производства деталей горнодобывающего оборудования из более дешевых сталей или чугуна с последующим плакированием рабочих поверхностей высокомарганцовистой сталью. Ожидаемый экономический эффект составит 100-120 долларов на тонну используемого металла.

Не менее эффективным методом восстановления зубьев ковшей экскаваторов является процесс нанесения порошковых покрытий методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с последующим прессованием в энергопередающей среде.

По этому методу шихта, состоящая из порошка железа, марганца и сажи (углерод) наносится на обрабатываемую поверхность, ограниченную стенками специализированной прессформы. Подвижный элемент пресс-формы соприкасается с поверхностью шихты через теплопередающую среду, выступающуюв качестве теплоизолятора и состоящую из порошков кремния и бора, размещают над порошком шихты. При осуществлении силового воздействия на продукты самораспространяющегося высокотемпературного синтеза происходит их сжатие энергопередающей пористой средой, способной при горении отводить адсорбированные газы и легкоплавкие примеси. В результате высокого тепловыделения образуется прочное сцепление продуктов синтеза с поверхностью изделия. На последующем этапе прессования продуктов синтеза происходит образование, закупорка и диффузионное залечивание пор с образованием покрытия толщиной 3-4 мм твердостью HRC 40-45.

Таким образом процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в какой-то степени может конкурировать с процессами сварки взрывом при плакировании поверхностей небольших размеров, например, при упрочнении и восстановлении лопастей дробелитных аппаратов, матриц для прессования силикатного кирпича, лопаток асфальтосмесителей и др. Однако наибольший эффект упрочнения достигается при сочетании процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с последующим компактированием, взрывным нагружением и термоциклированием. Это способствует увеличению скорости диффузии углерода, образованию алмазоподобных дисперсных структур, значительному повышению твердости и износостойкости плакирующего слоя.

Применение процессов взрывного плакирования и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза решает проблемы сварки, восстановления и упрочнение изделий из высокомарганцовистой стали с обеспечением высокой эксплуатационной надежности.

Литература

1. Слоистые металлические композиции. Учебн. пособие. Потапов И.Н., Лебедев В.Н., Кобелев А.Г., Кузнецов Е.В., Быков А.А., Ключников Р.М.. М.: Металлургия, 1986, 216 с.

2. Обработка металлов взрывом/А.В.Крупин, В.Я.Соловьев, Г.С.Попов, М.Р.Крыстев. - М.: Металлургия, 1991. - 496 с.

3. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. - Новосибирск: Наука, 1980 - 221 с.

4. Теория плстичности. Аркулис Г.Э., Дорогибид В.Г. Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1987. 352 с.

5. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. Степенов В.Г., Шавлов И.А.. Л.: Машиностроение, 1975. 280 с.

Размещено на Allbest.ru