ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

БАГРОВ ВАЛЕРІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 621.791.92.042:669.018.25

Підвищення стійкості штампів відновленням

економнолегованими сплавами системи Cr-Mn-Мо-Ti

на основі заліза

Спеціальність - 05.02.01 - Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії Міністерства освіти i науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кальянов Владислав

Миколайович, Українська інженерно-педагогічна академія, професор кафедри зварювального виробництва.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Скобло Тамара Семенівна, Харківський державний технічний університет сільського господарства, професор кафедри ремонту машин;

кандидат технічних наук Шнейдерман Олександр

Шлемович, зам. головного інженера – начальник виробництва ЗАТ НДІГІДРОПОВІДНЯ, м. Харків.

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського (ХАІ) Міністерства освіти і науки України, м. Харків, кафедра авіаційного матеріалознавства.

Захист відбудеться 16.09.2002 р, о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, вул. Петровського, 25, м. Харків.

3 дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного

автомобільно-дорожнього університету.

Автореферат розісланий 14.08.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої Ради Є.Д. Прусенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Висока продуктивність процесу обробки металу тиском при підвищених температурах потребує інструменту, який відрізняється показниками твердості, опору стисненню, згину та динамічним навантаженням. Такий інструмент повинен мати стійкість до роботи в умовах підвищених температур, стирання i ударно-абразивного зношення, забезпечувати добрий обробіток поверхонь робочих частин.

Актуальність теми В теперішній час для підвищення довговічності штампового інструменту застосовуються дорогоцінні сплави з легуючими елементами, які в Україні є дефіцитними та дорогими.

У зв'язку з цим, дослідження, які спрямовані на зниження енерго- i ресурсозатрат при відновленні металооброблюючого інструменту та одночасному підвищенню його надійності та довговічності, є особливо актуальними. Практичне рішення здійснюється шляхом розробки нових та удосконаленням наплавочних матеріалів, які використовуються, з економнолегованими покриттям та шихтою і засобів їх нанесення.

В поданій дисертаційній роботі весь комплекс теоретичних та експериментальних досліджень спрямовано на підвищення зносостійкості та довговічності металооброблюючого інструменту штампового виробництва. Найбільш ефективними є застосування мартенситностаріючих економнолегованих сплавів і їх нанесення із знеструмленою присадкою.

У зв`язку з цим обраний напрямок досліджень є важливим та актуальним.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії на кафедрі зварювального виробництва за особистою участю автора в період з 1996 по 2002 рр. Напрямок роботи відповідає державній бюджетній темі № 6118 “Дослідження і розробка ресурсозберігаючих технологій, матеріалів і обладнання для зварювання, наплавлення і лиття”. Виробничі іспити результатів роботи проведені на AT "Світло шахтаря", м. Харків i OAT Артеммаш "Победа труда", м. Артемівськ, відновленням відповідно ритин матриць К 49793 і напівматриць СПЦ 163.03(03)Н.08, СПЦ. 163.03(03)В.04.

Мета дослідження. Метою даної роботи є розробка економнолегованих ресурсозберігаючих і удосконалення існуючих зносостійких сплавів для підвищення стійкості i довговічності інструменту штампів гарячої обробки металу і технології їх нанесення

Об'єкт досліджень: процес підвищення зносостійкості сплавів для відновлення інструменту штампів гарячої обробки металу .

Предмет досліджень: закономірності формування зносостійких сплавів і засоби підвищення їх довговічності і зносостійкості.

Методологічно робота виконана таким чином: на основі літературних джерел та виробничих досліджень вивчені умови роботи штампового інструменту для гарячої обробки металу. Це дозволило виявити особливості формування напруженого стану та його вплив на види зносу інструменту. Аналіз існуючих сплавів та технологій їх нанесення показав, що всі вони мають як переваги, так і недоліки. На основі цього були розроблені економнолеговані зносостійкі сплави системи Cr-Mn-Mo-Ti на основі заліза з обмеженим змістом хрому (до 3 %) та молібдену (до 5 %) і запропонована технологія їх нанесення із знеструмленою присадкою, яка подається у головну частину зварювальної ванни. Методика дослідження розроблених матеріалів включала: наплавлення, фізико-механічні, хімічні, металографічні аналізи, випробування зносостійкості та виробничі іспити.

Відповідно до мети сформульовані такі задачі дослідження:

- дослідити розподіл зміцнюючої фази TiC в сплавах систем Cr-Mn-Ti та Cr-Mn-Mo-Ti на основі заліза при різних засобах їх нанесення;

- дослідити вплив складів сплавів систем Cr-Mn-Ti та Cr-Mn-Mo-Ti на основі заліза на зносостійкість та теплостійкість;

- дослідити вплив температурних напруг у штамповому інструменті на його знос;

- дослідити стійкість розроблених сплавів проти утворення гарячих та холодних тріщин при відновленні ритин штампового інструменту.

Згідно з поставленими задачами на захист виносяться такі наукові положення та результати:

- дослідження механізму впливу хімічного складу сплавів системи Cr-Mn-Ti і розподілу зміцнюючої фази TiC на їх довговічність;

- закономірності руйнування зносостійких сплавів досліджуваних систем від температурних напруг;

- запропоновану методику підбору зносостійких матеріалів для відновлення штампового інструменту.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

- для умов тертя металу з металом при пластичному контакті легування вторичнотвердіючих безнікелевих сплавів у межах 8-10 % Mn та 2-3 % Ti значно підвищує їх зносостійкість та теплостійкість при обмеженій концентрації Cr та Mo;

- теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що при температурах 573...773 К і великих відносинах радіусів тріщин до глибини їх залягання, відповідальними за руйнування досліджуваних зносостійких сплавів є механічні та температурні напруги, зі збільшенням температури і зменшенням відношення радіуса тріщини до глибини її залягання, фактором, який впливає на їх руйнування, є нагромаджена пластична деформація;

- встановлено, що наплавка із знеструмленою присадкою при екзогенному утворенні карбідів TiC забезпечує їх рівномірний розподіл в об'ємі нанесеного шару;

- запропоновано методику підбору зносостійких сплавів для відновлення штампів гарячої обробки металів.

Достовірність отриманих результатів, висновків і рекомендацій забезпечена: пильністю проведення експериментів та порівнянням їх результатів з даними виробничих випробувань; різноманітністю використаних методів дослідження і погодженням результатів, які отримані різними методами; застосуванням методів математичної статистики при обробленні результатів експерименту; порівнянням з результатами експериментів інших авторів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені склади зносостійких покрить з обмеженим змістом дефіцитних легуючих елементів i технологія їх нанесення. Використання розроблених зносостійких сплавів і технологій їх нанесення дозволило знизити концентрації легуючих елементів, зменшити трудомісткість термічної обробки відновленого інструменту штампового виробництва, зменшити відносну масу флюсу і долю витрат електроенергії, підвищити основні технологічні показники наплавлення.

Економічний ефект від реалізації запропонованих результатів складає 84 тис. грн. або з рахунком дисконтованого прибутку протягом 3 років складе 360 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Вci наукові результати, які виносяться на захист, одержані особисто автором або при його безпосередній участі.

У роботах, які написані у співавторстві, автором досліджено і встановлено критерії руйнування зносостійких мартенситних сталей /2/, вплив дугового наплавлення порошковим дротом з використанням знеструмленої присадки на розподіл зміцнюючої фази /3/, на хімічний та фазовий склад, технологічні та енергетичні характеристики плавлення /4, 5/, розроблено і виготовлено пристосування для подачі знеструмленого порошкового дроту у головну частину зварювальної ванни при автоматичному наплавленні /3-6/.

Апробація підсумків дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на міжнародних наукових конференціях “Состояние и перспективы развития сварочных материалов в странах СНГ” (Краснодар, 1998), “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье” (Харків, 2000), “Сварные конструкции” (Київ, 2000), спеціалізованих наукових семінарах кафедри технології металів та матеріалознавства (ХНАДУ), механіко-технологічного факультету та кафедри зварювального виробництва УІПА.

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 6 робіт в фахових виданнях ВАК України, 3 тези у збірниках докладів на міжнародних наукових конференціях.

Структура i обсяг дисертації. До складу дисертаційної роботи входять вступ, п'ять розділів, висновки, список використаних джерел та додатки.

Повний обсяг дисертації 206 сторінок, основна частина викладена на 113 сторінках і містить 43 ілюстрації та 18 таблиць, список використаних літературних джерел містить 183 найменування, додатків 6 на 22 сторінках.

Основний зміст роботи.

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження, викладена її наукова новизна і практична цінність.

В першому розділі аналізуються умови роботи інструменту штампів для гарячої обробки металу, фактори, які впливають на його знос, а також типи сплавів для підвищення зносостійкості при його відновленні і технології їх нанесення.

Аналіз патентної і науково-технічної інформації, виробничих досліджень показав, що штамповий інструмент виготовляється із сталей, хімічний склад і призначення яких регламентується ДОСТ 5950. Але тяжкі умови, в яких працює штамповий інструмент, та його дороговизна вимагають значних витрат при відновленні його зношених поверхонь різними методами.

Для відновлення використовують сплави з мартенситною, мартенситно-бейнітною, метастабільною аустенітною та мартенситностаріючою матрицею. Основними легуючими елементами цих сплавів є вольфрам, ванадій, молібден, хром та інші. Ці елементи дефіцитні та дорогі. При цьому використовується наплавлення під шаром флюсу, стрічковим електродом, зі знеструмленою присадкою та інші.

Аналіз сплавів. які зараз використовуються. а також засобів їх нанесення показав, що усі вони мають як переваги, так і недоліки.

Встановлено, що для малотоннажних штампів основним типом зносу є стирання. Але, крім цього, деякі дільниці ритин також зазнають ударно-абразивного, абразивного, корозійно-механічного, втомлюваного зносу та схоплення 1 та 2 роду.На підставі умов роботи штампового інструменту і властивостей сплавів, які використовуються для його відновлення, сформульовані основні вимоги до його ритин (рис. 1).

Рис. 1. Основні вимоги до ритин штампового інструменту.

На основі дослідженого матеріалу сформульовані ціль та задачі дослідження, які спрямовані на розробку економнолегованих зносостійких сплавів та енерго- і ресурсозберігаючих технологій їх нанесення.

В другому розділі розглянуті методики експериментальних та теоретичних досліджень, досліджувані матеріали і обґрунтовано вибір системи легування, прийнята технологія наплавлення.

Для дугового автоматичного наплавлення під флюсом були спроектовані i виготовлені начіпні пристрої для подання знеструмленого порошкового дроту в зварювальну ванну. Використання цих пристроїв на зварювальних уставах А-1401 та ТС-17М дозволили дослідити вплив знеструмленої присадки на показники наплавлення, хімічний та фазовий склад наплавленого металу. Наплавлення проводилось на зразки із сталі 20 та 50ХНМ за схемою “гірка”.Порошковий дріт виготовлявся на лабораторній установці кафедри зварювального виробництва УІПА.

Тріщиностійкість сплавів досліджувалась на установці ЛТП 1-6.

Виходячи з вимог, які пред'являються до матеріалу штампів, визначена методика дослідження фізико-механічних властивостей розроблених сплавів. Твердість та інші механічні властивості сплавів, які досліджувались, визначалися при нормальних та підвищених температурах (470...1070 К) з використанням як серійного обладнання, так і спеціалізованого, виготовленого на кафедрі зварювального виробництва. Дилатометричні дослідження виконувались на плоских зразках у процесі нагріву ( 1200 К ) та охолодження розміром 120х20х3.

Хімічний i фазовий склад за висотою шарів досліджувався хімічними, металографічними та рентгеноспектральними методами. Для проведення структурного аналізу зразки травилися в реактиві Вілелла 1. Розподіл зміцнюючої фази вивчався за методом Глаголева.

Зносостійкість розроблених сплавів досліджувалась відповідно до вимог ДОСТ 30480 на установці тертя 2070 СМТ-1 за схемою “диск-колодка” на зразках розміром 15х9х9 мм (довжина шляху тертя – 300 м, матеріал контртіла – сталь 45, HRCэ48...49, навантаження – N=50 Н, що близько до виробничих умов штампів гарячої обробки металу, швидкість обертання контртіла – V=0,5 м/с) та розробленій автором установці тертя за схемою “ палець-площина “ на зразках Ж10х50 мм.

Вплив температури на міцність та зносостійкість сплавів досліджувався при підвищених температурах в умовах об'ємного напруженого стану з використанням розрахункових критеріальних рівнянь механіки руйнування.

Вивчення впливу тертя на механічні властивості і структурні перетворення у сплавах проводилось термоелектричним методом неруйнівного контролю.

Результати лабораторних досліджень порівнювались з виробничими випробуваннями і результатами експериментів інших авторів.

В третьому розділі дисертаційної роботи наведені результати дослідження впливу легуючих елементів сплавів систем Cr-Mn-Ti (1,50...2,00 % С, 4...5 % Cr, 9,00...11,00 % Mn, 4,00...6,50 % Ti, 1,60...2,20 % Si, 0,37...0,48 % C,3,6...4,1 % Cr, 7,1...8,2 % Mn, 1,8...2,6 % Ti, 0,8...1,1 % Si) i Cr-Mn-Мо-Ti (0,15...0,25 % С, 3,0...5,0 % Cr, 8,0...10,0 % Mn, 3,0...6,0 % Mo, 1,5...3,5 % Ti, до 1,5 % Si) на основі заліза на формування структури, фазового складу i фізико-механічні властивості досліджуваних сплавів.

Рентгеноспектральним аналізом наплавленого металу (150Х4Г10Т5С2 та близьких за хімічним складом сплавів) виявлено достатньо рівномірний розподіл хімічних елементів по висоті. Збільшення долі участі знеструмленої присадки до 60-75 % зблизило фазовий склад наплавленого металу і металу зони сплавлення. Структура металу досліджуваних валиків за схемою “гірка” – ледебурит, який складається з високолегованого аустеніту, карбідів та ділянок мартенситу. Доля участі аустеніту коливається за висотою валика у межах 55...80 %. Величина зерна відповідає 5...6 балу стандартної шкали. Збільшення титану до 6...6,5 % розширило зону аустеніту: структура сплаву легований аустеніт та карбіди.

Дослідження аустенітних сталей з концентрацією легуючих елементів 0,4...0,6 % С, 3-4 % Cr, 1,5-3 % Ti, 5...9 % Mn показали, що збільшення марганцю до 8-10 % та титану до 1,6-2,0 % дозволяє отримати безвуглецеву матрицю з карбідною зміцнюючою фазою.

Суттєвого підвищення технологічної міцності і зниження енергомісткості виробництва зносостійких деталей досягається за рахунок застосування вторично-твердіючих сплавів. В розробленому сплаві 20Х3Г9М5Т2С відсутність Ni компенсувалась введенням Mn до 9...12 % і впусканням Al з феротитану. Твердість сплаву 20Х3Г9М5Т2С після наплавлення склала 37...40 HRCэ , після старіння (Т=820 К, t=2 ч, охолодження на повітрі) – 49...54 HRCэ.

Як встановлено експериментально на установці ЛТП 1-6, так і за критерієм H.C.S., зміна Ni на Mn (9...10 %) та значна кількість Ti (2...4 % ) сприяли підвищенню тріщиностійкості експериментальних сплавів за рахунок зв'язування більшої кількості вуглецю в карбіди TiC та (FeCr)23C6 незалежно від швидкості навантаження А при температурі кристалізації (рис. 2).

Рис. 2. Вплив критерія H.C.S. на утворення гарячих тріщин

^ – є тріщини, ^- тріщини відсутні

H.C.S. – критерій тріщиностійкості, який залежить від хімічного складу сталі: H.C.S.=C(S+P+25-1Si+100-1N)103(3Mn+Cr+Mo+V)-1

Аналіз пластичності сплавів 40Х4Г8Т2С та 20Х3Г9М5Т2С показав, що вона вище, ніж у сталей 50ХНМ і 35Х4В3МФ, не поступається нікелевим мартенситностаріючим сплавам (10Х6Н8М7С) в інтервалі температур 293...870 К.

Підвищенню теплостійкості в сплавах систем Fe-C-Cr-Mn-Ti-Si та Fe-C-Cr-Mn-Mo-Ti-Si сприяє збільшення карбідної фази. При додатковому введені Мо (3-5 %) стабілізуються значення твердості при підвищених температурах (HRCэ 48...54 при Т=370...770 К), підвищується теплостійкість і твердість при дисперсійному твердінні (рис. 3).

Одним з показників теплостійкості є твердість металу після трьохкратного відпускання (Твідг.=850 К, t=2 г, охолодження на повітрі). Дослідження сплавів 40Х4Г8Т2С та 20Х3Г9М5Т2С показало стабільність показників твердості, що пов'язано з перетворенням залишкового аустеніту в мартенсит та додатковим утворенням дифузійних карбідів відпускання, що впливає і на зносостійкість.

.

а) б)

Рис. 3. Вплив температури на твердість сплавів.

· - 40Х4Г8Т2С, ^ - 20ХЗГ9М5Т2С

а) температура відпускання;

б) температура дослідження твердості після відпускання.

Дослідження розподілу карбідів показали, що при наплавленні порошковим дротом з знеструмленою присадкою він більш рівномірний у зрівнянні з наплавленням під керамічним флюсом. Розподіл твердості і структури при наплавленні за схемою “гірка'' проведено у слідуючих межах: верхній валик – У1=8...11 мм (n=12, x=520, S*=2,57), поблизу верхнього валика – У2=3...6 мм (n=11, x=502, S*=2,84), середина нижнього валика У3=0,5...3,0 мм (n=7, x=501, S*=3,64), де n - кількість вимірювань, x - середнє арифметичне значення твердості, S* – середнє квадратичне відхилення.

Таким чином, підвищення теплостійкості і зносостійкості досліджених сплавів 40Х4Г8Т2С та 20Х3Г9М5Т2С досягнуто за рахунок значної кількості, відносно рівномірного розподілу при наплавленні і перерозподілу карбідної фази при старінні, зміни адгезійної складової сили тертя (рис. 4)

Найбільшу зносостійкість з сплавів, що досліджувались, (20Х3Г9М5Т2С, 40Х4Г8Т2С, 08Х6Н8М7С) має 20Х3Г9М5Т2С (рис. 5).

Ці фактори сприяли і підвищенню контактної міцності та мікропластичності поверхневих шарів розробленого сплаву 20Х3Г9М5Т2С (рис. 6).

Оцінка взаємозв'язку зносостійкості і критеріїв механіки руйнування виконана на основі положень, розроблених в роботах Фляйшера Г., Колотиєнка С.Д., Колотиєва А.П., Андрійківа А.Е., Панасюка В.В. Партона В.З. та експериментальних і виробничих дослідженнях, які проведені на АТ “Світло шахтаря”, м. Харків. та ОАТ Артеммаш “Победа труда”, м. Артемівськ.

Рис. 4 Зміна моменту тертя. та інтенсивність зносу (б) досліджуваних сплавів. ^ – 08Х6Н8М7С, 0 – 40Х4Г8Т2С, ?- 20Х3Г9М5Т2С

Рис. 5.Інтенсивність зносу досліджуваних сталей

^ – 08Х6Н8М7С, 0 – 40Х4Г8Т2С, ?- 20Х3Г9М5Т2С

Рис. 6. Розподіл мікротвердості в досліджуваних сплавах.

D - 08Х6Н8М7С O - 20Х3Г9М5Т2С · -40Х4Г9М5Т2С

В інтервалі робочих температур штампів гарячого деформування одержані рівняння для підрахунку граничного кута розкриття тріщини (j):

0,0265+0,0199 Ч е2+ (11,0001 Ч е - 69,5358 Ч е3) Ч з+ [0,0530 Ч е – 0,0076 Ч е3+ (-0,8801+118,5553 Ч е3) Ч з] Ч cos ц + [-0,0795 Ч е2+ (16,0929 е-4,6072Ч е3) Ч з] Ч cos2 ц + (0,1060 Ч е3 – 209,6324 Ч е2 Ч з ) Ч cos3 ц - 246,5373 Ч е3Ч з Ч cos4ц = 0

де е – відношення радіуса тріщини до її глибини;

з – відношення температури до межі текучості та граничні значення зовнішнього навантаження.

Встановлено, що найбільш небезпечними для руйнування являються температури в інтервалі 800-900 К. У цьому інтервалі температур розвиток тріщин перпендикулярний навантаженню.

Дослідження впливу температурних напружень на граничні значення зовнішнього навантаження проведені з використанням результатів металографічних досліджень та механічних властивостей сплавів. На основі цих досліджень з використанням критеріїв механіки руйнування, які ураховують структурні параметри, одержані рівняння залежності температурних напруг від тріщиностійкості матеріалу та характеристик тріщини. Залежність напруг від температури складає:

а) при температурі 693 К:

у* = 0,8244 Ч K1C {[е Ч K(ц) + 1,1001 Ч з Ч Kт(ц)] Ч е2 Ч a0,5}-1;

б) при температурі 793 К:

у* = 0,8192 Ч K1C {[е Ч K(ц) + 1,1001 Ч з Ч Kт(ц)] Ч е2 Ч a0,5}-1;

в) при температурі 893 К:

у* = 0,7980 Ч K1C {[е Ч K(ц) + 1,1001 Ч з Ч Kт(ц)] Ч е2 Ч a0,5}-1;

де K1C – величина тріщиностійкості матеріалу з урахуванням структурного параметру, прирівняного до величини зерна;

K(ц) та Kт(ц) – коефіцієнти, які залежать від співвідношення радіуса та глибини тріщини, від кута початку переміщення тріщини.

Згідно підрахунків від руйнівного навантаження температурні напруги складають: при Т=693 К – 33 %, при Т=793 К – 44 %, при Т = 893 К – 50 %.

В четвертому розділі досліджені можливості застосування термоелектричного метода для eкcпpeс-діагностики якості i підбору зносостійких матеріалів.

Для випробувань використовувались зразки після досліджень тертя на установці 2070 СМТ-1 та матриці К 49793 з відновленими ритинами. Значення коефіцієнтів Т.Е.Р.С. ( термоелектрорушійна сила ) наведені на рис. 7.

Рис. 7. Значення коефіцієнтів Т.Е.Р.С. досліджуваних сплавів і сталей.

Аналіз результатів заміру коефіцієнтів Т.Е.Р.С. показує. що ці матеріали можна розкласти в термоелектричний ряд відносно міді: 20Х3Г9М5Т2C –Е=-433х10-6 В, 40Х4Г8Т2С – Е=-389х10-6 В, мідь – Е=0 В, сталь 45 – Е=+273х10-6 В, 08Х6Н8М7С – Е=+315х10-6 В, 50ХНМ – Е=+329х10-6 В, 35ХГСА –Е=+420х10-6 В. Знаючи потенціали приведених у контакт металів, можна зробити висновки про поверхневу енергію на межі їх торкання. У процесі тертя під впливом механічних напруг та температури прискорюються пластичні деформації поверхневих шарів. Це вплине на зміну поверхневої енергії і зміну термоструму. На основі цього було зроблено висновок, що для підвищення довговічності треба. щоб підсумкова Т.Е.Р.С. контактуючих матеріалів була найменша. Розрахунок підсумкових Т.Е.Р.С. в контурі гарячий електрод (мідь марки М1) – сплав – сталь 45 –холодний електрод (мідь марки М1) з обчисленням знаків показав, що термострум найменший у парі сталь 45 – 20Х3Г9М5Т2С. Лабораторні та виробничі випробування показали, що сплав 20Х3Г9М5Т2С має вищу зносостійкість ніж досліджувані сплави.

Таким чином, встановлено, що для підвищення зносостійкості i довговічності поверхні інструменту штампів гарячого деформування, бажано використовувати сплави, у яких у сполученні з маркою оброблюваного матеріалу підсумкова Т.Е.Р.С. наближається до нуля.

Метод використання Т.Е.Р.С. дозволяє оперативно визначати найбільш небезпечні місця, які характеризуються критичними зонами концентрації напруг. Досліджувались розподіли коефіцієнтів Т.Е.Р.С. на ритинах матриць, відновлених сплавом 20Х3Г9М5Т2С по ширині ритини.

Показ приладу реєструвався зі знаками “ +“ та “-“. Скачкоподібна зміна знаку та величини Т.Е.Р.С. вказувала на зони концентрації напруг. Рівень концентрації напруг характеризувався відношенням К=|a| Dl-1 (де |a| - коефіцієнт Т.Е.Р.С., Dl – довжина дільниці від краю ритини до вимірювальної точки). Середні значення коефіцієнтів Т.Е.Р.С. показані на рис. 8.

Рис. 8. Розподіл середніх значень коефіцієнтів Т.Е.Р.С.

та зон концентрацій напруг в ритині матриці К 49793.

Для виміряних коефіцієнтів Т.Е.Р.С. розраховані рівні концентрації напруг, аналіз яких показав, що найбільші напруги виникають в точках 3 – 4, 9 – 10, 17 (рис.8), де крім впливу перерізувальної сили змінюється характер напруженого стану залежно від геометрії матриці. Це, згідно критерію Мізеса-Генкі, веде до підвищення напруг, які необхідні для виникнення локальної течості матеріалу, що підвищує концентрації напруг та деформацій – Кн=3,8 – 4,15 проти Кн=1,2 – 1,5 у точках 1, 2, 7, 13, 19, 20.

В п'ятому розділі приводяться дані виробничих випробувань.

На основі експериментальних досліджень розроблені параметри технологічного процесу та виконані виробничі випробування ритин матриць К 49793 на АТ “Світло шахтаря”, м. Харків, та напівматриць СПЦ 163.(03)В.04 и СПЦ 163.03.(03)Н.08 на ОАТ Артеммаш “Победа труда”, м. Артемівськ, які наплавлялись з використанням знеструмленої присадки сплавом 20Х3Г9М5Т2С.

Використання цієї технології дозволило збільшити коефіцієнти наплавлення у 3,0...3,5 рази, знизити частку основного металу у наплавленому до 8...15 %, збільшити коефіцієнти переходу легуючих елементів на 70...80 %, зблизити хімічний та фазовий склад зони сплавлення та наплавленого металу.

Виробничі випробування показали збільшення зносостійкості у 1,7…1,9 разів в порівнянні зі сталлю 50ХНМ або відновлених електродами УОНИ-13НЖ та ЕН-60М.

Оцінка економічної ефективності відновлення ритин матриць у порівнянні з наплавленням електродами РДЗ показала, що запропонована технологія дозволяє знизити витрати за рахунок скорочення їх на основні матеріали в середньому у 3 рази. Економічна ефективність при впровадженні результатів розробок складе 20 грн/грн. і річний економічний ефект – 84 тис. грн. З рахунком того, що розроблена технологія може використовуватись значний період, дисконтований прибуток складе 360 тис. грн. при дисконтованій економічній ефективності 85 грн./грн.

ВИСНОВКИ

1. На основі виконаних досліджень розроблені економнолеговані зносостійкі сплави і технологія їх нанесення для відновлення ритин матриць штампів гарячої обробки металу. Використання цих сплавів і технології їх нанесення забезпечує зниження енерго- та ресурсозатрат та підвищення довговічності штампового інструменту.

2. Встановлено, що підвищенню теплостійкості i зносостійкості сприяє збільшення змісту фази [ТіС] і її рівномірний розподіл. Перерозподіли карбідної фази, які проходять в результаті старіння та деформацій i підвищених температур при терті, є одними із основних факторів підвищення контактної міцності та мікропластичності поверхневих шарів досліджуваних сплавів систем Cr-Mn-Ti та Cr-Mn-Mo-Ti на основі заліза.

3. Встановлено, що екзогенне утворення зміцнюючої фази [TiC] i наплавлення зі знеструмленою присадкою забезпечує рівномірному розподілу карбідів у наплавленому металі. Відвернення зносостійких шарів при наплавлені на інструментальні сталі запобігається зближенням хімічного і фазового складу наплавленого металу і зони проплавлення, зменшенням вільного вуглецю за рахунок карбідоутворення, застосуванням дисперсійного твердіння.

4. На основі експериментальних досліджень механічних властивостей при підвищених температурах i зносостійкості та критеріїв механіки руйнування встановлено, що при температурах 573...773 К i великих відносинах радіусів тріщин до глибини її залягання, відповідальними за руйнування мартенситностаріючих сплавів є механічні i температурні напруги; зі збільшенням температури i зменшенням відношення радіуса тріщини до глибини її залягання, основним фактором, який впливає на руйнування, є нагромаджена пластична деформація.

5. На основі експериментальних досліджень встановлено, що підвищенню зносостійкості і довговічності поверхні інструменту штампів гарячого деформування відповідають сплави, у яких у сполученні з маркою оброблюваного матеріалу сумарна Т.Е.Р.С. наближається до нуля.

6. Розроблена технологія наплавлення обсічних штампів вторичнотвердіючою сталлю 20ХЗГ9М5Т2С, яка забезпечує відсутність тріщин в наплавленому і основному металі, задовільну обробку наплавленого металу різанням, зменшення складності та тривалості термічної обробки матриць.

На основі експериментальних досліджень та виробничих випробувань встановлено, що автоматичне наплавлення зі знеструмленою присадкою збільшує техніко-економічні показники плавлення – коефіцієнт наплавлення до 30 г/Аг, доля участі основного металу у наплавленому знижується до 11...14 %, знижує питомі витрати топняка і енергетичні витрати - збільшує удільну енергію на формування шва вище умовної границі сплавлення та тепловий К.П.Д. на 60...70 % та 40...50 %, знижує коефіцієнти відносної маси шлаку на 24...28 %, підвищує коефіцієнти засвоєння легуючих елементів на 70...80 % на відміну від одноелектродного натоплення.

7. Фактичний економічний ефект від впровадження результатів розробок по відновленню штампового інструменту на AT "Світло шахтаря", м. Харків та ОАТ Артеммаш “Победа труда", м. Артемівськ, складає 84 тис. грн., очікуваний народногосподарський економічний ефект з рахунком дисконтування складе 360 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах фахових видань України

1.Багров В.А. Исследование и контроль износостойкости штамповочного инструмента// Техническая диагностика и неразрушающий контроль.-2001.-№2.-С.43-44.

2. Кальянов В.Н, Багров В.А. Свариваемость наплавляемых мартенситных сталей с инструментальными сталями// Сварочное производство. - 1998.-№4.- с. 14-15 (здобувачем досліджене і встановлено критерії руйнування зносостійких мартенситних сталей).

3. Багров В.А., Кальянов В.Н. Влияние способа износостойкой наплавки на распределение упрочняющей фазы в наплавленном металле // Автомат. сварка.-2000.- №11.-с. 44-47 (здобувачем досліджено вплив засобу наплавлення на розподіл карбідів).

4. Багров В.А., Кальянов В.Н. Влияние обесточенной присадки на энергетические характеристики процессов дуговой наплавки и структуру наплавленного металла // Вестник ХГПУ. - 1999. -№75. - с. 76-85 (здобувачем досліджені енергетичні характеристики та хімічний і фазовий склад при наплавленні зі знеструмленою присадкою).

5. Багров В.А., Кальянов В.Н. Дуговая наплавка сплавов системы Fe-C-Cr-Mn-Ti-Si с применением дополнительной присадки // Автомат.сварка - 1999.-№5. - с. 62-63 (здобувачем досліджено вплив знеструмленої присадки на технологічні параметри наплавлення) .

6. Багров В.А. Нормирование расхода материалов и электроэнергии при наплавке порошковыми проволоками с обесточенной присадкой // Вестник ХГПУ. - 2000. - №83.-с.24-25.

7. Кальянов В.Н, Багров В.А. Выбор наплавочных материалов в зависимости от вида износа // Труды Междунар.конф. “Состояние и перспективы развития сварочных материалов в странах СНГ”. - М. - 1998. - с. 173-175

8. Кальянов В.Н, Багров В.А. Повышение надежности и долговечности наплавляемых изделий // Труды Междунар. конф. “Сварные конструкции”.-К.-2000.-с.45-46.

9. Кальянов В.Н, Багров В.А. Обоснование выбора ресурсосберегающих технологий наплавки // Труды Междунар. конф. "microCAР'2000. International Meerting on Information Technology". - Харьков.-2000.-c. 11

АНОТАЦІЯ

Багров В.А. Підвищення стійкості штампів відновленням економнолегованими сплавами системи Cr-Mn-Мо-Ti на основі заліза. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.01 - Матеріалознавство. – Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків; 2002 р.

Дисертація присвячена питанням зниження енерго- і ресурсовитрачань при відновленні металообробного інструменту.

В даний час проблема підвищення зносостійкості за рахунок застосування економнолегованих сплавів є актуальною задачею.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є процес підвищення зносостійкості сплавів для відновлення інструменту штампів гарячої обробки металу.

У результаті проведених досліджень установлено взаємозв'язок між застосуванням карбідної фази із структурою, зносостійкістю та теплостійкістю. Показано вплив засобу утворення карбідів TiС (екзогенний чи ендогенний) і технології наплавлення на їх розподіл в об'ємі наплавленого металу.

На основі критеріїв механіки руйнування показано вплив температури на інтенсивність зношування.

Проведені виробничі випробування наплавленого інструменту на АТ "Світло шахтаря", м. Харків і ВАТ Артеммаш "Победа труда", м. Артемівськ, показали позитивні результати. Економічний ефект склав 84 тис.грн.

Ключові слова: вторичнотвердіючі сплави, карбіди, зносостійкість, контактна міцність, термічні напруги.

АННОТАЦИЯ

Багров В.А. Повышение стойкости штампов восстановлением экономнолегированными сплавами системы Cr-Mn-Mo-Ti на основе железа. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение.- Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет Харьков, 2002г.

Диссертация посвящена вопросам снижения энерго- и ресурсозатрат при восстановлении металлообрабатывающего инструмента, применением экономнолегированных износостойких сплавов и разработке технологий их нанесения.

В настоящее время проблема повышения износостойкости за счет применения экономнолегированных сплавов является актуальной задачей. В связи с этим цель данной работы – разработка экономнолегированных ресурсосберегающих и усовершенствование существующих износостойких сталей для повышения долговечности штампов горячей обработки металла.

Объектом исследования в данной диссертационной работе является процесс повышения износостойкости сплавов для восстановления инструмента штампов горячей обработки металла.

В результате литературного обзора и патентно-информационного поиска принята следующая система легирования 0,20-0,24 %C; 2,8-3,1 %Cr; 8-10 % Mn; 4,2-5,5 %Mo; 2,3-2,6 %Ti.

Методика экспериментирования включала: физико-механические, химические, металлографические исследования наплавленного металла, испытания износостойкости в условиях пластического контакта, производственные испытания разработанных материалов.

В результате проведенных исследований установлена взаимосвязь между карбидной упрочняющей фазой в исследуемых сплавах и структурой, износостойкостью и теплостойкостью. Показано влияние способа образования карбидов TiC (экзогенный или эндогенный ) и технологии наплавки на их распределение в объеме наплавленного металла. Установлено, что решающими факторами повышения износостойкости в исследуемых сталях являются равномерное распределение карбидов, их перераспределение в результате термической обработки (старение t =2 ч при Т=820-85- К), деформаций и повышенных температур в процессе трения при пластическом контакте. Эти факторы повышают контактную прочность и микропластичность поверхностных слоев.

На основе критериев механики разрушения показано влияние температуры на интенсивность изнашивания. При температурах 573...773 К и больших соотношениях радиусов трещин к глубине их залегания, ответственными за разрушение исследуемых сталей являются механические и температурные напряжения, с увеличением температуры и уменьшением соотношения радиуса трещины к глубине её залегания, основным фактором который влияет на разрушение, является локальная пластическая деформация.

Замена никеля на марганец в разработанных сплавах и увеличение содержания титана до 2…4 % повышают трещиностойкость исследуемых материалов при их нанесении на углеродистые инструментальные стали.

На основании экспериментальных исследований физико-механических свойств сталей предложена методика экспрессконтроля качества и подбора износостойких металлообрабатывающих сплавов с использованием метода Т.Э.Д.С. Показано, что метод Т.Э.Д.С. позволяет оперативно определять участки с повышенной концентрацией напряжений как в процессе восстановления штампов, так и при эксплуатации.

Разработаны составы износостойких сплавов – 20Х3Г9М5Т2С, 40Х4Г8Т2С и технология их нанесения на штамповый инструмент. Установлено, что применение наплавки с подачей обесточенной присадки в головную часть сварочной ванны позволяет сблизить химический и фазовый состав зоны проплавления и наплавленного металла, снизить затраты электроэнергии и расходы флюса, повысить значительно коэффициенты усвоения легирующих элементов.

Проведенные производственные испытания восстановленного инструмента на АО "Свет шахтера", г. Харьков и ОАО Артёммаш "Победа труда", г. Артемовск, показали положительные результаты. Износостойкость штампов увеличилась в 1,4-1,7 раза.

Предполагаемый экономический эффект от внедрения результатов разработок составил 84. тыс.грн.

Ключевые слова: вторичнотвердеющие сплавы, карбид, износостойкость, контактная прочность, термические напряжения.

THE SUMMARY

Bagrov V.A. The increase of resistant stamps reset component saving alloys of Cr-Mn-Mo-Ti system on the warp iron.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on the speciality 05.02.01- Material Science , the Kharkov National Automobile and Highway University, Kharkov, 2002.

The thesis deals with the problems of energy and resource expenditures decrease in building up welding of the metfl working tool applying component saving wear resistant alloys and the development of their deposition technologies.

Now problem of wear resistance increase owing to applying of component saving alloys is an actual problem.

Wear resistant hard facing alloys of Fe-C-Cr-Mn-Ti-Si system is the object of research in the given dissertation.

The interalation between carbide phases in ivestigated alloys and structure, wear resistance and heat resistance has been-established in cosequence of the investigations carried out.

This scientific work shows input way influence of carbides TiC /exogenic or endogenic/ and hardfacing technologies on their distribution in a weld metal volume.

The temperature influence on a wear rate has been shown on the basis the destruction mechanics criteria.

Production tests of built up by welding tool at Stock Company ''Svet Shahter'' , Kharkov and Open Stock Company Artem Mash ''Pobeda Truda'', Artyemovsk, have shown the positive results.

Keywords; surfacing, martensite growing old alloys, carbide, wear resistance, contact strength.

Тираж 100 прим. Формат 60х841/16 Обсяг 1,0 друк. арк.

Віддруковано на ризографі TR 1510 №80653711 НВП “ИНФОТЕХ-СЕРВИС”, Московський проспект 10/12, м. Харків