ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Рюмін Володимир Володимирович

УДК 621.791.92.042:669.018.25

НАПЛАВОЧНИЙ МАТЕРІАЛ ДЛЯ ВІДНОВЛЕННЯ ЗНОШЕНИХ СТРІЛОЧНИХ ПЕРЕВОДІВ РЕЙКОВОЇ КОЛІЇ Й УСУНЕННЯ ЛИВАРНИХ ДЕФЕКТІВ ТРАКІВ ГУСЕНИЧНИХ МАШИН

Спеціальність – 05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті, Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Солнцев Леонард

Олександрович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри технології металів та матеріалознавства.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук професор Коломієць Володимир Володимирович, Харківський державний університет сільського господарства, професор кафедри деталей машин та стандартизації;

кандидат технічних наук, доцент Єфименко Микола Григорович, Українська інженерно - педагогічна академія, завідувач кафедри зварювання.

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського Харківський авіаційний інститут, Міністерства освіти і науки України, м. Харків, кафедра авіаційного матеріалознавства.

Захист відбудеться “ 21” березня 2002 р. об 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою:

61002 м. Харків ГСП, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету.

Автореферат розісланий “ 13 ” лютого 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Є.Д. Прусенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сучасна тенденція росту експлуатаційних навантажень на деталі, які працюють в умовах інтенсивного ударно–абразивного зношування зі значними контактними навантаженнями, є причиною того, що вони не мають достатньої експлуатаційної стійкості. Тому актуальним є питання продовження строку їх служби, якщо вони виготовлені з коштовних високолегованих сталей, в тому числі зі сталі 110Г13Л. Ця сталь є матеріалом для стрілочних переводів рейкової колії, траків гусеничних машин, та ще понад 400 найменувань деталей та виробів виготовляються з цієї сталі.

Актуальність теми. Існуючі наплавочні матеріали для відновлення зношених стрілочних переводів рейкової колії й усунення ливарних дефектів траків гусеничних машин у багатьох випадках не задовольняють вимогам підвищення експлуатаційної стійкості цих деталей, мають складну систему легування дефіцитними елементами, що обумовлює їх високу вартість, і, як наслідок, обмежене застосування на практиці. Через це велика кількість виробів із сталі 110Г13Л продовжує експлуатуватися з критичним або надкритичним ступенем зносу, що взагалі є неприпустимим фактом.

Вирішення проблеми створення наплавочного матеріалу для широкого використання при відновленні деталей зі сталі 110Г13Л потребує нових підходів до його легування й технології одержання. Дана дисертаційна робота присвячена вирішенню цієї проблеми, що і обумовлює її актуальність.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті згідно з пунктом 17 координаційного плану Міністерства освіти та науки України на 1997-1999 р.р.: “Нові конструкційні матеріали та високоефективні технології їх виробництва”, затвердженого наказом № 37 від 13.02.97 р.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є створення нового матеріалу, що забезпечує одержання наплавленого металу з особливим комплексом властивостей. Матеріал призначено як для усунення ливарних дефектів траків гусеничних машин, так і для відновлення зношених поверхонь деталей зі сталі 110Г13Л, що працюють в умовах інтенсивного ударно-абразивного зношування, із високими контактними навантаженнями.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі задачі:

проаналізовано склад і властивості наплавочних матеріалів для відновлення й зміцнення деталей зі сталі 110Г13Л;

- обґрунтовано вибір хімічного складу матеріалу, який має підвищену експлуатаційну стійкість в умовах ударно-абразивного зношування;

- проведено експериментальні дослідження впливу контактних навантажень на структурні перетворення в наплавленому металі і його службові властивості;

- запропоновано патентоспроможний склад наплавочного матеріалу, що відповідає сучасним вимогам до матеріалів такого типу;

- проведено промислові випробування розробленого матеріалу при відновленні зношених спецчастин рейкової колії й усунення ливарних дефектів на поверхні ланок гусениць.

Об'єкт дослідження: вибір оптимального хімічного складу матеріалу для відновлення деталей зі сталі 110Г13Л, засоби й параметри його одержання.

Предмет дослідження: наплавлений метал із вибраним вмістом легуючих елементів, його структурні зміни під впливом контактних навантажень, та їх, вплив на службові властивості матеріалу.

Методи дослідження випливали з необхідності експериментального підтвердження висловлених у роботі ідей про можливість фазових перетворень у запропонованому матеріалі та їх вплив на його властивості.

Для вивчення фазових перетворень у наплавленому металі під впливом контактних навантажень використовувалися методи оптичної та растрової електронної мікроскопії, а також рентгеноструктурного аналізу.

З метою оцінки службових характеристик визначалася здібність наплавленого металу до деформаційного зміцнення і його зносостійкість.

Проведені дослідження технологічних властивостей запропонованого в роботі наплавочного матеріалу, із метою визначення відповідності його сучасним стандартам.

Наукова новизна роботи:

- обґрунтовано принципи вибору хімічного складу матеріалу для відновлення виробів із сталі 110Г13Л, що працюють в умовах ударно-абразивного зношування;

- доведена можливість використання деформаційного мартенситного перетворення як додаткового механізму зміцнення наплавленого металу;

- запропоновані межі вмісту хімічних елементів, при яких у наплавленому металі поєднується зміцнення за рахунок наклепу й деформаційного мартенситного перетворення, під впливом контактних навантажень.

Практична цінність і реалізація результатів роботи. У результаті проведених досліджень створено новий економнолегований матеріал, призначений для відновлення виробів із сталі 110Г13Л, що працюють в умовах ударно-абразивного зношування з великими контактними навантаженнями (хрестовина рейкової колії), а також для усунення дефектів ливарного походження при виробництві деталей з цієї ж сталі (траки гусеничних машин).

Завдяки відсутності дефіцитних та коштовних компонентів у складі матеріалу значно зменшена його вартість.

Як логічне закінчення даної роботи здійснено промислове впровадження розробленого наплавочного матеріалу на підприємствах м. Харкова:

- ВАТ ХТЗ – запропонованим матеріалом здійснюється усунення дефектів ливарного виробництва на поверхні ланок траків гусеничних машин;

- ХКП “МІСЬКЕЛЕКТРОТРАНС” запропонованим матеріалом здійснюється відновлення зношених спецчастин переводів рейкової колії.

Підтверджений економічний ефект від впровадження розробленого наплав очного матеріалу складає 56 тис. грн. на рік.

Особистий внесок здобувача: при виконанні дисертаційної роботи особисто здобувачем:

- розроблено принципи вибору оптимального хімічного складу наплавленого металу для роботи в умовах значних контактних навантажень на підставі котрих створено економно легований матеріал для його одержання;

- досліджено вплив вмісту хімічних елементів у наплавочному металі на його твердість та здатність до деформаційного мартенситного перетворення;

- проведено дослідження впливу контактних навантажень на структурні та фазові перетворення у наплавленому металі і його службові властивості;

- проведені промислові випробування розробленого наплав очного матеріалу і його впровадження у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи були представлені на щорічних (2000-2001 р.р.) наукових конференціях ХНАДУ, а також на конференціях “Сучасні технології та обладнання в газотермічних процесах відновлення та утилізації деталей машин і конструкцій” (Київ, 1999р.); “Транспорт, екологія – стійкий розвиток” (Варна, Болгарія, 2000р.); “Зварювання і суміжні технології” (Москва 2000 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 статті і деклараційний патент на винахід.

Структура та обсяг роботи. дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (117 найменувань) і 6 додатків. Основна частина роботи містить 118 сторінок у тому числі 107 сторінок тексту, 42 рисунка і 14 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета й задачі досліджень, викладена наукова новизна, практичне значення, реалізація результатів роботи.

В першому розділі проведений аналіз літературних джерел по напрямкам досліджень вітчизняних і закордонних авторів із питань властивостей і особливостей застосування сталі 110Г13Л для деталей, що працюють в умовах інтенсивного ударно-абразивного зношування з високими контактними навантаженнями. Розглянуті існуючі точки зору на причини підвищеної кількості браку при виготовлені виробів складної конфігурації (ланки траків гусеничних машин) і недостатньої експлуатаційної стійкості деталей (хрестовина стрілочного переводу). Відзначено, що найбільш ефективним методом усунення ливарних дефектів на поверхні готових виробів і продовження терміну служби деталей є наплавлення їх робочої поверхні спеціальними наплав очними матеріалами.

Проаналізовано матеріали, що застосовуються для наплавлення робочої поверхні деталей зі сталі 110Г13Л. Ці матеріали мають надмірний вміст карбідоутворюючих елементів, що обумовлює складну систему легування і високу вартість наплав очного матеріалу, механізм зміцнення наплавленого металу практично нічим не відрізняється від механізму зміцнення сталі 110Г13Л. Відсутність додаткових механізмів зміцнення в металі, наплавленому цими матеріалами (крім наклепу), не забезпечує підвищення експлуатаційної стійкості відновленим виробам (стрілочні переводи рейкової колії).

На підставі аналізу складів широко розповсюджених наплав очних матеріалів обрано складову систему наплавленого металу – Fe-C-Mn-Cr-Si, що має високі, ще не вивчені до кінця можливості. Показано доцільність її подальшого вивчення, насамперед, на предмет підвищення схильності до деформаційного мартенситного перетворення.

У другому розділі наводяться використані матеріали й методики досліджень. За основу була обрана сталь 110Г13Л стандартного складу, і запропонований наплавлений метал системи Fe-C-Mn-Cr-Si (0,6-0,8% C; 9-11% Mn; 4-6% Cr; 0,45-06% Si).

Нанесення наплав очного металу на зразки здійснювалося електродуговим наплавленням на постійному струмі зворотної полярності. Джерелом живлення дуги був випрямляч ВДУ – 504.

Металографічні дослідження структури наплавленого металу здійснювалися на травлених шліфах із використанням мікроскопа МІМ-8, а також на растровому електронному мікроскопі РЕМ 200 при збільшенні в 500 і 5000 разів.

Вивчення процесів, що протікають у наплавленому металі під впливом контактних навантажень здійснювалося з використанням рентгеноструктурного фазового аналізу на дифрактометрі ДРОН 4-07 у СоК випромінюванні.

Деформаційне зміцнення досліджувалося за допомогою твердомірів Бринелля й Роквелла. Спочатку вимірювалась вихідна твердість шару наплавленого метала HRCэ0, потім вимірювалась твердість у лунці відбитку від вдавлення сталевої кульки твердоміра Бринелля [1].

Ступінь деформаційного зміцнення визначалася за формулою:

,

де ? – ступінь деформаційного зміцнення наплавленого металу, %;

HRCэn – твердість у лунці відбитка після “n” вдавлень сталевої кульки приладу Бринелля;

HRCэ0 – вихідна твердість на твердомірі Роквелла.

Схильність до деформаційного зміцнення також вивчалась і при прикладанні деформації стиску (машина УИМ-50).

Оцінка зносостійкості здійснювалася на машині тертя Шкода-Савіна, яка полягає у вимірі поглиблення, що утвориться в шарі наплавленого металу після 3000 оборотів надтвердого диска машини з частотою обертання 675 хв-1.

Третій розділ присвячений розробці складу зносостійкого наплавленого металу й питанням дослідження властивостей його структурних складових, з метою вибору оптимального складу матеріалу для відновлення деталей зі сталі 110Г13Л, що працюють в умовах інтенсивного ударно-абразивного зношування з великими контактними навантаженнями.

Створення нового типу наплавленого металу зроблено, виходячи з наступних принципів:

- одержання після наплавлення структури аустеніту з включеннями дрібнодисперсної карбідної фази, і початкової твердості не нижче 220 НВ (18-20 HRCэ);

- високого опору контактним навантаженням самого твердого розчину;

- забезпечення розпаду аустеніту під впливом контактних навантажень, з утворенням мартенситу деформації.

З використанням методу математичного планування експерименту були проведені дослідження щодо впливу хімічних елементів на твердість наплавленого металу системи Fe-C-Mn-Cr-Si. У дослідженні використовувався дрібний факторний експеримент типу 24-1 (табл.1). За параметр оптимізації було обрано твердість НВ.

Таблиця 1

Основні рівні й інтервали варіювання факторів для побудови математичної моделі за планом 24-1

Фактор | Код | Рівні факторів | Інтервал

варіювання

Д?i

Верхній (+1) | Нульовий(0) | Нижній (-1) | С | X1 | 1,2 | 0,75 | 0,3 | 0,45 | MnX2 | 16,0 | 13,0 | 10,0 | 3,0

Si | X3 | 0,9 | 0,55 | 0,2 | 0,44 | CrX4 | 13,0 | 8,0 | 3,0 | 5,0 |

Отримане рівняння регресії має вид:

НВ=231,5-7,5С+7,25Mn-10,5Si-15,25Cr-23,25C Mn+13C Si+7,75CCr.

Аналіз отриманої моделі показує, що характер впливу окремих легуючих елементів на твердість НВ наплавленого металу виявляється не лінійно, значний вплив мають ефекти парної взаємодії елементів. Ці зміни узгоджуються з властивостями мікроструктури наплавленого металу у реальних умовах.

Високу початкову твердість наплавленого металу при вмісті вуглецю й хрому на нижньому рівні обумовлює поява в наплавленому металі структур гартівного типу (мартенсит). При вмісті хрому, марганцю й вуглецю на верхньому рівні також відбувається збільшення твердості, але вже за рахунок утворення карбідів типу Me7C3, Me3C.

На підставі розгляду структурної діаграми високомарганцевих сталей розроблено й досліджено декілька сплавів, які можуть бути застосовані при наплавленні виробів із сталі 110Г13Л (рис.1, табл.2) 3.

Вплив легувальних елементів на структуроутворення може враховуватися за допомогою запропонованого в роботі значення марганцевого еквівалента: Mnэкв = Mn+1,6Cr.

Рис. 1 Структурна діаграма високомарганцевих сталей.

Одержання зносостійкого матеріалу для умов ударно-абразивного зношування можливо за рахунок зміцнення аустенітної матриці карбідними включеннями. Але це веде до надлишкового легування наплавленого металу (№ 2, № 4-5), що не завжди доцільно. Присутність структур гартівного типу в матеріалі №1 хоча і збільшує початкову твердість, але знижує ударну в’язкість, що обмежує його використання в умовах ударно-абразивного зношування, із великими контактними навантаженнями.

Таблиця 2

Характеристика вивчених сталей

№ | Сталь | Мікроструктура | Початкова

твердість, HRCэ

1 | 30Г8Х3С | аустеніт + мартенсит | 42-44

2 | 45Г13Х17С | аустеніт + Cr7C3+(FeMn)3C | 24-26

3 | 80Г9Х6С | аустеніт + Cr7C3+(FeMn)3C | 22-24

4 | 75Г13Х25Н | аустеніт + Cr7C3+(FeMn)3C | 26-28

5 | 120Г13ХС | аустеніт + (FeMn)3C | 20-22

Поряд із цим встановлено, що такий додатковий фактор зміцнення високомарганцевого аустеніту, як деформаційне мартенситне перетворення, до останнього часу мало враховувався при виборі складу наплавочного матеріалу. Тому є доцільним і перспективним розробити його склад, виходячи зі здатності до деформаційного мартенситного перетворення наплавленого металу, за рахунок чого можна зменшити вміст дефіцитних компонентів.

Враховуючи дані про початкову твердість наплавленого металу і його структурний стан, прийнятий такий вміст хімічних елементів у запропонованому в роботі наплавленому металі: 0,6-0,8 % С; 9-11% Mn; 4-6 % Cr; 0,45-0,6 Si (сталь 80Г9Х6С).

У четвертому розділі приводяться й обговорюються дані експериментальних досліджень структури й властивостей наплавленого металу пропонованого складу. Основна увага приділялася вивченню змін в аустенітній матриці наплавленого металу 80Г9Х6С, що відбуваються під впливом контактних навантажень і сприйнятливості його до наклепу.

Мікроструктура наплавленого металу у вихідному стані являє собою високомарганцеву аустенітну матрицю з включеннями дисперсних карбідів хрому (Cr7C3) і марганцю (FeMn)3C, усередині аустенітних зерен. Карбідні включення зміцнюють аустенітну матрицю, і дозволяють одержати твердість наплавленого металу в межах 22-24 HRCэ (240-250 НВ) без термічної обробки.

Висновок про те, що зміцнення наплавленого металу 80Г9Х6С під впливом контактних навантажень здійснюється в результаті наклепу і додатково за рахунок деформаційного мартенситного перетворення зроблено на підставі дослідження мікроструктури наплавленого металу 80Г9Х6С методами оптичної, растрової електронної мікроскопії й рентгеноструктурного аналізу [4].

Під впливом контактних навантажень (деформація стиску) найбільш інтенсивні зміни (виділення карбідів, утворення пакетів лінії ковзання) зафіксоване при ?=10-25%. Початок деформаційного мартенситного перетворення зафіксоване при ?=20-25%.

На дифрактограмах спостерігається зміна характеру розподілу інтенсивності ліній, а саме на дифракційних піках присутні максимуми, інтерпретовані, як відображення від структури, що утворилась - мартенситу деформації.

З погляду здатності до деформаційного зміцнення і його зносостійкості оцінювалися службові властивості наплавленого металу 80Г9Х6С.

Здібність наплавленого металу 80Г9Х6С до деформаційного зміцнення визначалася з використанням твердомірів Бринелля й Роквелла [1]. Встановлено, що максимальна твердість HRCэ у лунці відбитка досягається після другого вдавлення кульки в поверхню наплавленого металу 80Г9Х6С, у той час як для сталі 110Г13Л її максимальне значення досягається після третього вдавлення, що говорить про інтенсивну сприйнятливість до деформаційного зміцнення, наплавленого метала 80Г9Х6С (рис.2).

При вивченні за цією методикою здібності до деформаційного зміцнення наплавленого металу з високим вмістом хрому встановлено, що значення максимальної твердості в лунці відбитку практично збігається (табл.3, рис.3).

Таблиця 3

Ступінь зміцнення матеріалів

Матеріал | Твердість HRCэ0 | Зміцнення, після вдавлень: |

Д, % | Макс.

твердість, HRCэn

1 | 2 | 3

110Г13Л | 20 - 22

20,7 | 33 – 35

33,7 | 39-42

40,3 | 47 -50

48,3 | 133,3 | 50

80Г9Х6С | 22 – 24

23 | 46 – 48

47 | 56 – 60

58 | 56 – 60

58 | 152,2 | 60

45Г13 Х17С 5 | 24 - 26

25 | 48 – 50

48,7 | 58 – 62

59,3 | 58 – 62

59,3 | 137,2 | 62

75Г13Х22Н 1 | 26 - 28

27 | 50 – 52

50,7 | 60 – 64

62 | 60 – 64

62 | 137,0 | 64

Внаслідок розвитку деформаційного мартенситного перетворення в наплавленому металі 80Г9Х6С, досягнуто показників здатності до зміцнення на рівні сплавів, у яких цей показник отримано за рахунок рівня легування карбідоутворюючим елементом (хром), а також максимальний показник ступеню зміцнення Д.

Рис.2. Зміна твердості, HRCэ у залежності від кількості вдавлень сталевої кульки :

- 80Г9Х6С;

- 110Г13Л.

Рис.3. Зміна твердості HRCэ у залежності від кількості вдавлень сталевої кульки:

1- 80Г9Х6С;

2- 45Х17Г13С;

3- 75Г13Х25Н.

При прикладенні деформації стиску на машині УИМ-50 зміцнення наплавленого металу 80Г9Х6С у 1,5 раза вище, у порівнянні зі сталлю 110Г13Л (рис.4 ), що близько даним отриманим за попередньою методикою.

Рис. 4. Вплив деформації стиску на твердість HV:

1 - 80Г9Х6С;

2 - 110Г13Л.

Проведені дослідження зносостійкості наплавленого металу підтвердили існуюче положення про те, що, знос цих матеріалів обернено пропорційний твердості від деформаційного зміцнення (рис. 5).

Рис. 5. Об'єм поглиблення V30 при зношуванні на машині Шкода-Савіна:

1 - 80Г9Х6С;

2 - 110Г13Л.

Таким чином, одержала експериментальне підтвердження основна ідея даної дисертаційної роботи про можливість сполучення декількох механізмів зміцнення в наплавленому металі 80Г9Х6С. За рахунок цього зменшений вміст хрому й марганцю. При цьому показано, що службові властивості матеріалу 80Г9Х6С знаходяться на рівні сплавів із вмістом хрому в межах 17-25%.

Зменшення вмісту легувальних елементів у наплавленому металі 80Г9Х6С значно спрощує технологію його одержання.

П'ятий розділ присвячений розробці й оптимізації складу наплавочного матеріалу, для одержання наплавленого металу 80Г9Х6С, а також дослідженню його технологічних властивостей. Для одержання наплавленого металу запропонованого складу створено спеціальний наплавочний матеріал. Легування наплавленого металу здійснюється за рахунок компонентів електродного покриття, що дозволило відмовитися від використання стрижня з високолегованого дроту й значно зменшити вартість матеріалу. Технологічні дослідження показали відповідність створеного матеріалу сучасним вимогам (у першу чергу, відсутність гарячих тріщин у наплавленому металі).

У шостому розділі приводяться дані промислового випробування результатів дослідження. Запропонований наплавочний матеріал застосовувався для:

- усунення дефектів ливарного походження ланок траків гусеничних машин при їх виробництві на ВАТ ХТЗ;

- відновлення хрестовин стрілочних переводів рейкової колії на ХКП “МІСЬКЕЛЕКТРОТРАНС”.

У сталеливарному цеху ВАТ ХТЗ кожної зміни розробленим матеріалом усувались ливарні дефекті на поверхні ланок траків гусениць із сталі 110Г13Л, що мали на своїй поверхні газові раковини і пори (70%), піскові раковини (20%), недоливи на поверхні (10%).

Використання розробленого матеріалу в ХКП "МІСЬКЕЛЕКТРОТРАНС" для наплавлення зношених спецчастин рейкової колії зі сталі 110Г13Л (стрілочні переводи, хрестовини) дозволяє підвищити їх експлуатаційні властивості, збільшити міжремонтний термін у 1,5-2 раза, знизити річну потребу в заміні спецчастин із сталі 110Г13Л на 10%.

Дані промислового випробування свідчать про те, що при проведенні відновних робіт наплавлений метал мало схильний до утворення гарячих тріщин, а його службові властивості забезпечують необхідну експлуатаційну стійкість відновленим деталям.

Річний економічний ефект від промислового впровадження розробленого матеріалу складає 56714 грн.

ВИСНОВКИ

1. Службові властивості коштовної сталі 110Г13Л, як матеріалу хрестовин стрілочних переводів – не забезпечують достатньої експлуатаційної стійкості цим виробам. При виробництві ланок траків гусеничних машин із цього ж матеріалу, спостерігається значна кількість браку ливарного походження. Це вимагає розробки заходів для відновлення й продовження терміну служби деталей, виготовлених із сталі 110Г13Л.

2. Виконаний у роботі аналіз складу матеріалів як вітчизняного, так і іноземного виробництва, призначених для наплавки деталей зі сталі 110Г13Л, показав, що вони мають не завжди виправдану й обґрунтовану систему легування, яка обумовлює їх високу вартість і обмежене застосування на практиці.

3. Таким чином відсутність у даний час доступних наплавочних матеріалів ставить важливу наукову задачу, спрямовану на необхідність пошуку нового матеріалу із заздалегідь обумовленим комплексом високих властивостей.

4. Вибір складу наплавочного матеріалу здійснено, виходячи з умов одержання наплавленого металу, близького за хімічним складом до сталі 110Г13Л, а, з іншого боку, – необхідністю забезпечення високого рівня властивостей, що досягається за рахунок системи легування.

5. В роботі прийнята система Fe-C-Mn-Cr-Si, що має високі потенційні можливості для створення нового типу наплавленого металу. На підставі вивчення математичної моделі й розгляду структурної діаграми запропоновано матеріал такого складу: С — 0,6...0,8%; Mn — 9,0…11,0%; Cr—4,0…6,0%; Si—0,30…0,45%, (сталь 80Г9Х6С).

6. На підставі теоретичного аналізу і проведених експериментальних досліджень в дисертаційній роботі викладена проблема створення економнолегованого наплавочного матеріалу, для відновлення виробів із сталі 110Г13Л. Показано, що ця наукова задача може бути вирішена за рахунок того, що завдяки вибору системи легування й вмісту хімічних елементів у запропонованому наплавленому металі під впливом контактних навантажень поруч із наклепом мають місце фазові перетворення, що сприяє одержанню необхідного комплексу службових властивостей.

7. Встановлено, що у вихідному стані мікроструктура наплавленого металу 80Г9Х6С являє собою аустенітну матрицю з включеннями карбідів хрому (Cr7C3) і марганцю (FeMn)3C усередині аустенітних зерен. Таке розташування карбідних включень зміцнює аустенітну матрицю, при цьому значення початкової твердості знаходяться в межах 23-24 HRCэ (240 - 250 НВ), без спеціальної термічної обробки наплавленого металу.

8. Експериментально показана наявність фазових змін під впливом пластичної деформації у наплавленому металі 80Г9Х6С, з утворенням мартенситу деформації. Поєднання наклепу з деформаційним мартенситним перетворенням ефективно зміцнює його аустенітну основу. При цьому твердість наплавленого металу після 25% деформації складає 400 HV, у той час як сталі 110Г13Л – тільки 250 HV. Унаслідок цього зносостійкість наплавленого металу 80Г9Х6С в 1,5 раза вище зносостійкості сталі 110Г13Л.

9. При дослідженні деформаційного зміцнення високомарганцевих сплавів системи Fe-C-Mn-Cr-Si показано, що висока твердість (58-62 HRCэ) може бути досягнута не тільки за рахунок рівня легування наплавленого металу карбідоутворюючими елементами, але й за рахунок розвитку деформаційного мартенситного перетворення.

10. Застосування як стриженя матеріалу дроту Св-08А значно знижує вартість розробленого матеріалу у порівнянні з існуючими. Проведені дослідження показали відповідність розробленого матеріалу сучасним вимогам за технологічними показниками (відсутність гарячих тріщин) і екологічної безпеки.

11. Створений наплавочний матеріал пройшов промислове випробування на підприємствах м. Харкова (ВАТ ХТЗ, ХКП “МІСЬКЕЛЕКТРОТРАНС”), для усунення ливарних дефектів на поверхні ланок траків гусеничних машин і відновлення зношених хрестовин стрілочних переводів рейкової колії. Дані промислового випробування свідчать про те, що розроблений матеріал задовільнює технічним вимогам цих підприємств. Річний економічний ефект від упровадження розробленого матеріалу складає 56714 грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1. Рюмин Г.В., Тимофеева Л.А., Рюмин В.В., Левицкий Е.Л., Матвиенко А.Г. Наплавочные материалы для восстановления деталей и изделий из высокомарганцовистой стали 110Г13Л //Вестник городского электрического транспорта России. – 1998. - №5. – С. 10 -12. (дисертантом особисто виконано: вибір матеріалів і методики дослідження, проведення досліджень).

2. Электрод для восстановления изношенных деталей из высокомарганцевой стали /Рюмин В.В., Солнцев Л.А., Рюмин Г.В., Буденный М.М., Любченко А.П./ //Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – 1999. - №55. – С. 43-44. (дисертантом особисто виконано: аналіз складу існуючих наплавочних матеріалів та його вплив на технологічні властивості матеріалу, запропоновано склад наплавленого металу).

3. Рюмин В.В. Разработка экономнолегированного наплавочного материала для заварки дефектов литья из стали 110Г13Л //Вестник Харьковского государственного политехнического университета.– 2000. - №80. – С. 62-63.

4. Рюмин В.В., Солнцев Л.А., Черников А.И. Деформационное мартенситное превращение в металле, наплавленном электродами ГР-11 (Э-80Г9Х6С) //Вестник Харьковского государственного политехнического университета.– 2000. - №82. – С. 59-61. (дисертантом особисто виконано: металографічне дослідження змін у мікроструктурі наплавленого металу під впливом пластичної деформації, на підставі результатів рентгеноструктурного аналізу зроблено висновок про деформаційне мартенситне перетворення в наплавленому металі, що призводить до збільшення його експлуатаційної стійкості).

5. Деклараційний патент на винахід 28184 А, Україна, МКИ 6 В233К35/36. Склад електродного покриття / Рюмін Г.В., Мартиненко Г.Н., Рюмін В.В., Левицький Ю.Л., Тарасенко О. І., Худяков Г.А., Бучко В. М., Левченко М.П., Соценко О.В., Восковець Ю.О. ХДАДТУ. - № 95052202 Заявл. 04.05.95 Опубл. 16.10.2000. Бюл. №5-. (дисертантом показана доцільність додаткового введення залізного порошку й відходів швидкорізальний сталі в склад покриття, що сприяє покращенню технологічних показників покриття при виконанні наплавлення).

Надруковані тези доповідей на конференціях:

1. Рюмин В.В., Солнцев Л.А., Трунов Д.М. Разработване на материали за наваряване при възстановяване на детайли от стомана 110Г13Л // Сб. докл. шестой научн-техн. конф. “Транспорт, екология – устойчиво развитие”. – Том 7. – Варна: Технический Университет. – 2000. – С. 51-57.

2. Износостойкие наплавочные материалы с метастабильным высокомарганцевым аустенитом для восстановления изделий из стали 110Г13Л /Рюмин В.В., Солнцев Л.А., Мощенок В.И., Чубукин А.С./ // Сб. докл. научн.- техн. конф. “Сварка и смежные технологии”. – Москва: МЭИ(ТУ). – 2000. – С. 281-283.

АНОТАЦІЯ

Рюмін В.В. Наплавочний матеріал для відновлення зношених стрілочних переводів рейкової колії й усунення ливарних дефектів траків гусеничних машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – Матеріалознавство. – Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2002.

Дисертація присвячена розробці наплавочного матеріалу для відновлення відповідальних деталей, виготовлених зі сталі 110Г13Л, що експлуатуються в умовах інтенсивного ударно-абразивного зношування з високими контактними навантаженнями.

На підставі проведених досліджень системи легування Fe-C-Mn-Cr-Si зроблений вибір хімічного складу наплавленого металу. За рахунок вибору вмісту вуглецю, марганцю й хрому підвищена схильність аустенітної матриці наплавленого металу до деформаційного мартенситного перетворення. Протікання деформаційного мартенситного перетворення поряд із наклепом є додатковим фактором його зміцнення під впливом контактних навантажень.

Дослідження впливу контактних навантажень на структуру наплавленого металу виявили, що деформаційне мартенситне перетворення починається при ?=20-25%. При цьому істотно підсилюється схильність наплавленого металу до зміцнення під впливом контактних навантажень й зносостійкість у порівнянні зі сталлю 110Г13Л.

Для одержання наплавленого металу пропонованого складу створений наплавочний матеріал (металевий покритий електрод). Проведені дослідження технологічних властивостей запропонованого наплавочного матеріалу показали, що він відповідає сучасним вимогам до матеріалів такого типу.

Результати досліджень пройшли промислову апробацію і впроваджені для відновлення зношених хрестовин стрілочних переводів трамвайної рейкової колії й усунення дефектів ливарного походження при виробництві траків гусеничних машин.

Ключові слова: наплавочний матеріал, карбіди, деформаційне мартенситне перетворення, твердість, аустенітна матриця, зносостійкість, деформаційне зміцнення.

АННОТАЦИЯ

Рюмин В.В. Наплавочный материал для восстановления изношенных стрелочных переводов рельсового пути и устранения литейных дефектов траков гусеничных машин. – Рукопись.

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

Сформулирована и решена задача создания экономнолегированного наплавочного материала для восстановления деталей из стали 110Г13Л, которые работают в условиях интенсивного ударно-абразивного изнашивания.

Проведены исследования по выбору оптимального химического состава наплавленного металла. В качестве системы легирования наплавленного металла принята композиция Fe-C-Mn-Cr-Si, которая имеет высокие, и до конца не изученные потенциальные возможности. Предложено использовать деформационное мартенситное превращение, протекающее под воздействием контактных нагрузок, как дополнительный механизм упрочнения, наплавленного металла.

Принято следующее содержание химических элементов в наплавленном металле: 0,6-0,8 % С; 9-11% Mn; 4-6 % Cr; 0,45-0,6 Si.

Показано, что решающим фактором, кроме твердости, являются свойства структурных составляющих, а достижение высоких характеристик материала для наплавки (твердость, износостойкость, восприимчивость к наклепу) за счет избыточного легирования карбидообразующими элементами в настоящее время нерационально.

В исходном состоянии микроструктура наплавленного металла 80Г9Х6С представляет аустенитную матрицу с включениями карбидов хрома (Cr7C3) и марганца (FeMn)3C. Подобное расположение карбидных включений упрочняет аустенитную матрицу наплавленного металла, при этом значение начальной твердости находятся в пределах 23-24 HRCэ (240-250 НВ).

Методами оптической и растровой электронной микроскопии, а также рентгеноструктурного анализа изучено воздействие контактных нагрузок на структурные изменения в наплавленном металле предлагаемого состава. Сделан вывод о том, что в наплавленном металле, помимо наклепа, при ? = 20-25% происходит деформационное мартенситное превращение, которое является дополнительным фактором упрочнения.

Образовавшийся мартенсит деформации эффективно упрочняет наплавленный металл предлагаемого состава. Твердость наплавленного металла 80Г9Х6С после 25% деформации достигает 400 HV, в то время как стали 110Г13Л –250 HV. Износостойкость сплава 80Г9Х6С при испытании на машине Шкода-Савина в 1,5 раза выше износостойкости стали 110Г13Л.

Проведенные исследования склонности к деформационному упрочнению показали, что достижение высоких показателей твердости возможно не только за счет значительного содержания карбидообразующих элементов (хрома), но и за счет использования эффекта деформационного мартенситного превращения в структуре наплавленного металла.

Таким образом, получила экспериментальное подтверждение основная идея данной диссертационной работы о возможности совмещения нескольких механизмов упрочнения в наплавленном металле 80Г9Х6С. За счет этого уменьшено содержание хрома и марганца. При этом показано, что служебные свойства материала 80Г9Х6С находятся на уровне сплавов с содержанием хрома в пределах 17-25%.

Снижение содержания химических элементов в системе легирования наплавленного металла, значительно упрощает технологию его получения.

Для получения наплавленного металла предлагаемого состава разработан наплавочный материал (металлический покрытый электрод). Проведенные исследования технологических свойств показали его полное соответствие современным требованиям к наплавочным материалам такого рода. Отказ от использования в качестве стержня дорогостоящей и дефицитной легированной проволоки существенно снижает стоимость предлагаемого материала.

Результаты исследований прошли промышленную апробацию и внедрены на предприятиях г. Харькова (ОАО ХТЗ, ХКП “ГОРЭЛЕКТРОТРАНС”) для восстановления и увеличения срока службы спецчастей рельсового пути (крестовины стрелочных переводов), и устранения дефектов литейного происхождения на поверхности звеньев траков гусеничных машин.

Экономический эффект от внедрения разработанного наплавочного материала составляет 56714 грн.

Ключевые слова: наплавочный материал, карбиды, деформационное мартенситное превращение, твердость, аустенитная матрица, износостойкость, деформационное упрочнение.

ABSTRACT

Riumin V.V. Surfacing material for restoration of worn rail crossings and elimination of track links casting defects of caterpillar tractors.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Science on specialty 05.02.01. - Material science. – The Kharkov National Automobile and Highway University, Kharkov, 2002.

This thesis devoted to elaboration of surfacing material for restoration of critical parts made from Hadfield steel, which works in hard conditions of impact-abrasive wear with high contact loading.

On the base of carried out investigations of Fe-C-Mn-Cr-Si alloying system the composition of the deposited metal has been chosen. Due to chosen contain of carbon, manganese and chromium in weld metal susceptibility of austenitic matrix to deformation martensitic transformation is considerably increased. Development of deformation martensitic transformation in parallel with cold hardening is an addition factor of its strengthening under contact loadings.

Study of structural changes in deposited metal under influence of contact loading has shown that development of deformation martensitic transformation begins at the degree of plastic deformation е = 20-25%. This results in considerable increasing of the deformation strengthening as compare to Hadfield steel.

In order to obtain deposited metal with proposed contain of alloying elements surfacing material (coated metal electrode) has been elaborated. Carried investigation of technological properties of proposed surface material has shown its suitance to the current requirements.

Main results of this work have been used on Kharkov’s enterprises. Proposed surfacing material used for depositing of worn rail crossings and elimination cast defects of track links of caterpillar tractors.

Key words: surfacing material, carbides, deformation martensitic transformations, hardness, austenitic matrix, wear resistance, deformation strengthening.