НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ університет УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Шевченко Олександр Володимирович

УДК 621.793.4

Композиційні плазмові покриття на основі порошків валкових чавунів

Спеціальність: 05.03.06 – зварювання та споріднені технології

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі зварювання Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, Міністерство освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник – доктор технічних наук

Харламов Юрій Олександрович,

Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля, професор кафедри зварювання.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Петров Станіслав Володимирович,

Інститут газу НАН України,

кандидат технічних наук

Горбань Віктор Федорович,

Інститут проблем матеріалознавства

НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа – Приазовський Державний технічний університет,

Міністерство освіти і науки України, м. Маріуполь,

кафедра “Обладнання і технологія зварювального

виробництва”

Захист відбудеться “17” січня 2005 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 19, ауд. 435.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “15” грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., проф. Головко Л.Ф

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Головною причиною виходу з ладу переважної більшості машин (80...90 %) є знос. Великі можливості для підвищення терміну служби деталей і вузлів, які піддаються у процесі експлуатації інтенсивному зносу, відкриваються при створенні на їх поверхні спеціальних покриттів, які відрізняються від основного матеріалу структурою і властивостями та забезбечують необхідний рівень поверхневої міцності при терті.

Прогресивним напрямком економії сировини і матеріалів, підвищення надійності, довговічності та експлуатаційних характеристик машин і агрегатів є газотермічне напилювання покриттів. Однак переходу до широкомасштабного випуску деталей із зносостійкими та антифрикційними газотермічними покриттями перешкоджає проблема високої вартості матеріалів для напилювання. Одним із шляхів зниження витрат, пов'язаних з нанесенням захисних покриттів на зношені деталі машин, є заміна дорогих нікелевих сплавів економнолегованими порошковими матеріалами на залізній основі. Перспективною сировиною для одержання таких порошків є відходи механічної обробки литих прокатних валків, для виготовлення яких використовуються леговані чавуни, які містять 30...50 об. % твердих зносостійких карбідів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконувалася відповідно до держбюджетної теми “Математичне і комп'ютерне моделювання процесів у розрядному каналі плазмотрона і процесів формування структури покриттів, отриманих при напилюванні” (ДН-36-03, Східноукраїнський національний університет, номер державної реєстрації 0103U000425).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження закономірностей формування структури і властивостей зносостійких композиційних покриттів на основі порошків з відходів механічної обробки валкових чавунів і розробка технології їх плазмового напилювання.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

§

§

§

§

§

§

§

§

§

Об'єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є процес плазмового напилювання зносостійких покриттів механічними сумішами порошків із шламів валкових чавунів з порошками міді і нікелевих сплавів, що самофлюсуються. Предметом дослідження є визначення закономірностей формування структури, фазового складу і властивостей композиційних плазмових покриттів на основі порошків з відходів шліфування литих чавунних прокатних валків.

Методи дослідження. У роботі були використані наступні методи: плазмово - порошкове напилювання для нанесення покриттів; рентгеноструктурний аналіз для визначення фазового складу покриттів, спектральний хімічний аналіз для визначення хімічного складу покриттів; металографічний аналіз з використанням оптичного мікроскопа для дослідження структури порошків і покриттів; іспит покриттів на міцність зчеплення за методикою відриву конічного штифта і когезійну міцність при розтягуванні; триботехнічні іспити покриттів на машині тертя за схемою “диск-колодка” в умовах граничного змащення; іспит покриттів на мікротвердість; метод Кранка-Ніколсона для рішення рівнянь теплопровідності Фур'є у лінійних (одномірна постановка задачі) і сферичних координатах; статистична обробка даних і математичне моделювання з використанням комп'ютерних програмних пакетів Maple 6.0 і Mathcad 2000 Proffesional.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

§

§

§

§

§

§

Практична цінність отриманих результатів. За результатами проведених досліджень розроблені: технологія переробки шліфувальних шламів чавунних прокатних валків у порошки для газотермічного напилювання зносостійких покриттів; технічні умови на порошки із шламів для напилювання; економнолеговані механічні суміші чавунних порошків із промисловими порошками нікелевих сплавів, що самофлюсуються; механічні суміші порошків із шламів валкових чавунів з порошком міді; технологічні рекомендації щодо плазмового напилювання зносостійких композиційних покрить розробленими порошковими сумішами.

Склади порошкових сумішей і технологія їх плазмового напилювання впроваджені на підприємствах м. Луганська (Україна) (ДП ВО “Луганський верстатобудівний завод”, АТЗТ “Лугань”, НВЦ “Бінар”) для відновлення колінчастих і розподільних валів двигунів внутрішнього згоряння, роликів конвеєрів і колінчастих валів компресорів, технологічного устаткування взуттєвого виробництва. Використання у матеріалах для напилювання від 50 до 60 мас. % порошків з відходів шліфування хромонікелевих і високохромістих прокатних валків дозволило знизити їхню вартість на 45...55 % у порівнянні із сплавами на основі нікелю, що самофлюсуються.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем уперше досліджені: структура і морфологія порошків із шламів валкових чавунів і встановлена їх технологічна придатність для газотермічного напилювання зносостійких покриттів без додаткового подріблення; виявлена неоднорідність порошків із шламів хромонікелевих валкових чавунів з ледебуритною евтектикою за хімічним складом та структурою, обґрунтований підхід до розгляду їх як механічної суміші часток з різним вмістом і морфологією карбідних фаз; уперше врахований вплив структурної неоднорідності чавунних порошків на умови їх плазмового нагрівання, структуру та фазовий склад покриттів; виявлені принципові розбіжності у формуванні структури та фазового складу покриттів, напилених порошками високохромістих валкових чавунів і їх механічними сумішами з порошком міді; уперше досліджені триботехнічні характеристики композиційних плазмових покриттів з механічних сумішей порошків валкових чавунів з порошками нікелевих сплавів, що самофлюсуються, і порошком міді.

Розроблені економнолеговані механічні суміші порошків із шламів валкових чавунів з порошками міді і нікелевих сплавів, що самофлюсуються, і технологічні рекомендації щодо плазмового напилювання ними зносостійких покриттів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на 3-й Міжнародній конференції “Устаткування і технології термічної обробки металів і сплавів” ОТТОМ-3, Харків, 9-13 вересня 2002р., Міжнародній конференції “Зварювання і родинні технології-2002”, Київ, 22-26 квітня 2002р., на 1-й Українській науково-технічній конференції “Сучасні технології та обладнання в газотермічних процесах відновлення та утилізації деталей машин і конструкцій”, Київ, 27-29 жовтня 1999р.

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковано у 14 статтях в наукових журналах і збірниках наукових праць і тезах доповідей на наукових конференціях. 8 статей опубліковано у фахових виданнях ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи - 291 сторінка. Дисертація містить 6 таблиць, 136 рисунків, список використаних джерел із 164 найменувань, 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані її мета і задачі, наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі за опублікованими у наукових виданнях роботами вивчений сучасний стан проблеми використання порошків залізовуглецевих сплавів для газотермічного напилювання зносостійких покриттів.

Основним фактором, що стримує більш інтенсивне впровадження прогресивних технологій газотермічного напилювання зносостійких покриттів у машинобудуванні і ремонтній сфері, є висока вартість промислових порошків на нікелевій основі. Тому використання недорогих і недефіцитних зносостійких залізовуглецевих сплавів із необхідним комплексом фізико-механічних властивостей слід розглядати як один з перспективних напрямків зниження вартості напилювання і розширення номенклатури захисних покриттів. Істотне зниження витрат на одержання порошків може бути досягнуте при залученні у переробку вторинної сировини, зокрема, стружки і шламів.

Літературні дані про особливості одержання порошків із стружки білих чавунів, які мають підвищену твердість і зносостійкість, їх структуру і структуру напилених ними покриттів практично відсутні.

Дотепер у літературі відсутні дані про придатність для газотермічного напилювання зносостійких покриттів порошків із шліфувальних шламів легованих білих чавунів. Не вивчені їх морфологія, структура, дисперсний склад і технологічні властивості, а також зв'язок структури, морфології і дисперсного складу порошків з вихідною гетерогенною, неоднорідною структурою чавунів. Відсутні дані про вплив структурної неоднорідності порошків на умови їх плазмового нагрівання, структуру і фазовий склад покриттів.

У другому розділі наведена методика експериментальних досліджень. Порошки для напилювання покриттів отримували із стружки та шламів вибіленого шару бочок чавунних прокатних валків на Лутугинському державному науково-виробничому валковому комбінаті.

Стружку подрібнювали у кульовому млині М-100 і у дезінтеграторі УДА-Д-73. Технологічний процес переробки шліфувальних шламів у порошки включав наступні операції: 1) сушіння шламів при температурі 413…423К протягом 2-х годин; 2) короткочасне (10...15 хв.) подріблення висушеної маси у кульовому млині; 3) магнітна сепарація шламів; 4) розмагнічування порошків; 5) розсів порошків на фракції на комплекті вібросит; 6) циклонне очищення порошків від пилоподібних фракцій.

Технологічні властивості порошків визначалися за стандартними методиками. Морфологія порошків досліджувалась на вимірювальному мікроскопі МБС - 9 при збільшенні 63.

Для плазмового напилювання покриттів використовувалися чавунні порошки фракцій -63 і 63…100 мкм та їхні механічні суміші з порошками нікелевого сплаву ПГ-СР3 і міді. Механічні суміші порошків одержували перемішуванням вихідних компонентів у змішувачі “п'яна бочка”.

Напилювання покриттів здійснювалося з використанням серійної установки УПУ-3Д з плазмотроном ПП-25 на наступних режимах: струм дуги I = 300…420A; напруга дугового розряду U = 35...65B; витрата плазмоутворюючого газу 30…40 л / хв., витрата транспортуючого газу (аргону) 2 л / хв., плазмоутворюючий газ – суміш аргону із 0...35 мас. % азоту; витрата порошку – 1,5...1,7 кг/ч.

Міцність зчеплення покриттів визначалася за методикою відриву конічного штифта. Покриття одночасно напилювалися на чотири зразки, які були розташовані у планшайбі спеціальної конструкції. Іспити проводилися на розривній машині РМУ-005-1.

Фазовий склад покриттів визначався на дифрактометрі ДРОН-3. Металографічні дослідження виконувалися на мікроскопі МІМ-8М. Хімічний аналіз покрить визначався на спектрометрі SPECTROLAB-F8. Мікротвердість покриттів визначалася на мікротвердомері ПМТ-3 при навантаженні на індентор 50г.

Триботехнічні іспити покриттів проводилися на машині тертя СМЦ-2 за схемою ролик - колодка (сталь 45, HRC 58...60)”. Покриття наносилися на циліндричну поверхню роликів. Втрата маси стального контртіла та ролика з покриттям при триботехнічних іспитах визначалася на прецизійних вагах WA-21. Проводили дві серії триботехнічних іспитів: при безупинному змащенні зануренням ролика у масляну ванну (мастило МГ1/12М1); на стійкість до заїдання при разовому нанесенні краплі мастила на ролик перед іспитами.

У третьому розділі наведені результати дослідження технологічних властивостей, структури, морфології і дисперсного складу порошків із стружки та шламів валкових чавунів.

Встановлено, що порошки із шліфувальних шламів валкових чавунів можуть бути використані для газотермічного напилювання зносостійких покриттів без додаткового подріблення, оскільки масовий вміст у них фракції -100 мкм складає 70...90 %.

Порошки із шламів хромонікелевих чавунів (3,0...3,2 мас. % С; 0,6...1,2 мас. % Cr; 0,8...3,0 мас. % Ni) містять частки різної морфології, структури і хімічного складу. Порошки фракції -63 мкм містять пластинчасті частки товщиною 8...15 мкм із структурою мартенситу і вторинного цементиту (1,9...2,1 мас. % С), порошки фракції 63...100 мкм - частки оскольчастої форми розміром 70...100 мкм із структурою евтектичного цементиту (4,2...4,3 мас % С; 65 об. % Fe3C), порошки фракції 100...200 мкм - частки із структурою литих чавунів (мартенсит, вторинний і евтектичний цементит) (рис. 1).

У порошках із шламів високохромістих валкових чавунів (3,0...3,2 мас. % С; 15...17 мас. % Cr; 1,0...2,0 мас. % Ni; 0,8...1,2 мас. % Si) частки мають форму мікропластин товщиною 8...20 мкм з однотипною гетерогенною структурою компактних литих матеріалів (мартенсит, вторинні і дисперсні евтектичні карбіди (Cr,Me)7С3).

Різний характер стружкоутворення при ідентичних режимах обдирного шліфування хромонікелевих і високохромістих чавунів обумовлений істотними відмінностями їх структури і різним рівнем їх фізико-механічних властивостей. При шліфуванні хромонікелевих чавунів з більш чітко вираженою гетерогенною неоднорідною структурою відбувається викрошування великих і малопластичних евтектичних карбідів, внаслідок чого утворюються частки оскольчастої форми розміром 70...110 мкм із структурою ледебуриту. Більш міцна і пластична мартенситна матриця з включеннями вторинного цементиту руйнується з утворенням мікропластин та мікростружки товщиною 8...15 мкм. При шліфуванні високохромістих чавунів з рівномірно розподіленими у мартенситній основі дисперсними евтектичними і вторинними карбідами хрома утворюються пластинчасті частки товщиною 8...20 мкм з однотипною гетерогенною структурою.

У порошках із стружки хромонікелевих валкових чавунів, так само як і в порошках із шламів, внаслідок викрошування при подрібленні включень евтектичного цементиту формуються частки з різним вмістом і морфологією карбідних фаз. У порошках фракцій -50 і 50...63 мкм частки мають структуру ледебуриту (4,3...4,6 мас. %), у порошках фракції 63…100 мкм – перліту (трооститу), вторинного цементиту і крапкового графіту.

У четвертому розділі досліджені: закономірності плазмового нагрівання порошків з відходів механічної обробки валкових чавунів з урахуванням їх структурної неоднорiдностi; залежність структури і фазового складу покриттів від електричної потужності плазмового струменя і складу плазмоутворюючого газу; закономірності формування структури композиційних плазмових покриттів з механічних сумішей чавунних порошків з порошками нікелевого сплаву, що самофлюсується, і міді; вплив структури і фазового складу покриттів на їх когезійну міцність і триботехнічні характеристики в умовах граничного змащення.

Для математичного моделювання процесів плазмового нагрівання чавунних порошків використовувалися рівняння теплопровідності Фур'є у сферичних і лінійних координатах із граничними умовами третього роду (конвективний теплообмін у системі газ-частка) і рівняннями плавлення і випару матеріалів часток. Задачу нестаціонарної теплопровідності у пластинчастих чавунних частках розглядали в одномірній постановці, вважаючи, що бокові грані пластин теплоізольовані.

Для чисельного рішення диференціальних рівнянь теплопровідності з відповідними початковими і граничними умовами використовувалася неявна різницева схема Кранка-Ніколсона. У якості вихідних даних для рішення рівнянь теплопровідності використовувалися осьові профілі температури і швидкості аргоно-азотних плазмових струменів електричною потужністю 12 кВт (100 мас. % Ar), 22 кВт (20 мас. % N2) і 28 кВт (35 мас. % N2) при витраті робочого газу 40 л/хв і діаметрі сопла плазмотрона 6 мм. Ступінь проплавлення часток () визначалася через відношення об’єму твердого нерозплавленого ядра (Vтв) до об’єму всієї частки (Vр): = 1-(Vтв / Vр).

Теплопровідність чавунних порошків визначалася з урахуванням особливостей їх гетерогенної структури (табл. 1) за рівнянням:

, (1)

де - теплопровідність гетерогенного матеріалу; 1 і 2 – відповідно теплопровідності матриці і включень; m2 – об'ємний вміст включень.

Теплопровідність часток із структурою мартенситу і вторинного цементиту, яка визначена за рівнянням (1), у 1,2 рази перевищує теплопровідність компактного литого чавуна, а теплопровідність часток із структурою евтектичного цементиту в 3,2 рази нижче теплопровідності литого чавуна (табл. 1).

При електричній потужності дуги плазмотрону (W) 28 кВт (I = 420 A; U = 65 В) і вмісті азоту у плазмоутворюючому газі 35 мас. % розрахунковий ступінь проплавлення часток діаметром 80 мкм із структурою евтектичного цементиту дорівнює 1,0 (частки проплавляються повністю), при електричній потужності дуги 22 кВт (I = 400 A; U = 55 В; 20 мас. % N2) – 0,53, при W = 12 кВт (I = 400 A; U = 30 В; 100 мас. % Ar) – 0,22. Частки аналогічного розміру із структурою мартенситу і вторинного цементиту і компактного литого чавуна проплавляються по всьому об’єму у плазмовому струмені електричною потужністю 18 кВт (15 мас. % N2) (рис. 2).

На швидкість плазмового нагрівання чавунних порошків істотним чином впливає їх морфологія. У аргоно-азотному плазмовому струмені повне проплавлення сферичних часток високохромістого чавуна діаметром 80 мкм досягається при електричній потужності дуги 20…22кВт і концентрації азоту у плазмоутворюючому газі 20 мас. %, пластинчастих часток рівновеликого об’єму (10010025 мкм) – у плазмовому струмені аргону електричною потужністю 10...12 кВт (рис. 3).

Коректність результатів математичного моделювання процесів плазмового нагрівання чавунних порошків підтверджено експериментально їхньою сфероідізацією у воду (рис. 2,3). Електричну потужність дугового розряду змінювали в межах 9...28 кВт (струм дуги 350…420А, напруга на дузі 30...65В, плазмоутворюючий газ – Ar і суміш Ar + 2,5...35 мас. % N2, дистанція розпилення – 160 мм). Ступінь проплавлення часток визначався металографічним аналізом шліфів розпилених чавунних порошків.

Таблиця 1

Структура і теплопровідність (р) порошків валкових чавунів

Матеріал | Структура часток | Матрична фаза | р, Вт/мК

Хромонікелеві чавуни | мартенсит, вторинний цементит (25...28 об. %)

евтектичний цементит

(мартенсит, 65...70 % Fe3C )

мартенсит, вторинний і евтектичний цементит ( 40 % Fe3C) | мартенсит

цементит

мартенсит | 40

11

33

Високохромисті чавуни | мартенсит, вторинні і евтектичні карбіди хрому (42...45 об. %) | мартенсит | 34

При напилюванні порошків хромонікелевих чавунів фракції 63…100 мкм з вихідною структурою ледебуриту у плазмовому струмені електричною потужністю 10...15 кВт (робочий газ Ar + 0...3 мас. % N2) формуються покриття з підвищеною мікротвердістю (9500…10600 МПа) (рис. 4), що обумовлено збереженням у частках 60...80 об. % нерозплавленої твердої фази із структурою евтектичного цементиту. З ростом електричної потужності дуги і концентрації азоту у плазмі збільшується ступінь проплавлення часток і знижується мікротвердість покриттів. У покриттях, напилених розплавленими частками при електричній потужності дуги плазмотрона 28 кВт і вмісті азоту у плазмі 35 мас. %, формується гетерогенна структура + -Fe + Fe3C мікротвердістю 8200...9300 МПа.У покриттях з порошків хромонікелевих валкових чавунів фракцій -50 і -63 мкм із вихідною структурою мартенситу і вторинного цементиту (1,8...2,0 мас. % С) основною фазою є аустеніт мікротвердістю 3200…3800 МПа (рис. 4), оскільки відсутні умови для утворення -фази (рис. 5).

На основі аналіза тройної діаграми “час-температура-перетворення” виявлений вплив дисперсного складу порошків із шліфувальних шламів високохромістих чавунних прокатних валків на структуру та фазовий склад напилених ними плазмових покриттів. Товщина часток у покриттях, які напилені порошками фракції -63 мкм, складає 1,5…2,5 мкм, у покриттях з порошків фракції 63…100 мкм – 12…15 мкм. Криві охолодження часток високохромістого чавуна товщиною 2,0 мкм перетинають діаграму “час-температура-перетворення” у зоні аморфної структури (рис. 6), яка при температурі 180…200С розпадається на -Fe і (Cr, Me)7C3. Мікротвердість гетерогенної структури -Fe + (Cr, Me)7C3 дорівнює 8500…10000 МПа (рис. 7). При напилюванні порошків фракції 63...100 мкм швидкість охолодження чавунних часток на поверхні основи зменшується в 25...40 разів, а криві охолодження часток на діаграмі “час-температура-перетворення” зміщуються вправо із зони -Fe + (Cr, Me)7C3 у зону -фази (рис. 8).

У композиційних покриттях з механічних сумішей порошків високохромістого чавуна фракції 63…100 мкм із 30...35 мас. % порошку міді формуються наступні фази: -Fe, (Cr, Me)7C3, -Fe і мідь. На дифрактограмах покрить інтенсивність ліній -Fe і (Cr, Me)7C3 значно перевищує інтенсивність ліній аустеніту. Швидкість охолодження чавунних часток товщиною 10…12 мкм на шарі композиційного покриття при збільшенні в ньому концентрації міді від 0 до 35 мас. % зростає у 18…19 разів, при цьому криві охолодження часток на діаграмі “час-температура-перетворення” зміщуються вліво з області однофазної структури -Fe в область гетерогенної структури -Fe + (Cr, Me)7C3 з істотною перевагою останньої (розрахунковий об’ємний вміст аустеніту не перевищує 10%).

Швидкість охолодження чавунних часток на поверхні композиційних покриттів, які містять як другий компонент нікелевий сплав ПГ-СР3, при збільшенні його вмісту у порошкових сумішах від 0 до 80 мас. % знижується на 5...7 %. Тому при напилюванні порошків високохромістого чавуна з нікелевим сплавом ПГ-СР3 структура і фазовий склад чавунних часток (аустеніт мікротвердістю 3300…3900 МПа в покриттях з порошків фракції 63…100 мкм і -Fe + (Cr, Me)7C3 у покриттях з порошків фракцій -50 і -63 мкм) не залежать від його вмісту у механічних сумішах.

Виявлений зв'язок між когезійною міцністю плазмових покриттів з порошків валкових чавунів і їхньою структурою та фазовим складом. Когезійна міцність покриттів із гетерогенними структурами -Fe + (Cr, Me)7C3, -фаза + -Fe + Fe3C дорівнює 150...180 МПа, покриттів з аустенітною структурою 50...60 МПа.

В умовах неперервного змащення у трибопарах з покриттями із чавунних порошків, які мають аустенітну структуру, з ростом тиску від 4 до 7 МПа при швидкості ковзання 1,12 і 2,24 м/с спостерігається суттєве збільшення коефіцієнта тертя. При питомних навантаженнях 7,5…8,0 МПа коефіцієнт тертя дорівнює 0,08…0,09.

У трибопарах з покриттями із порошків хромонікелевих чавунів, які мають гетерогенну структуру ? + -Fe + Fe3C і когезійну міцність 160...170 МПа, коефіцієнт тертя у диапазоні питомних навантажень 5…16 МПа при швидкості ковзання 1,12...2,24 м/с складає 0,008…0,028 і не перевищує коефіцієнт тертя покриттів із нікелевого сплава ПГ-СР3. При іспиті композиційних покриттів, що містять 30...35 мас. % Cu, коефіцієнт тертя у диапазоні таких саме питомих навантажень при швидкості ковзання 0,67; 1,12 і 2,24 м/с складає 0,012...0,019. З ростом швидкості ковзання від 0,67 до 2,24 м/с коефіцієнт тертя знижується на 10...15 %. При вмісті міді у покриттях більше 45 мас. % знижується їх твердість та когезійна міцність і різко зростають коефіцієнт тертя і інтенсивність зношування покриттів.

У трибопарах з покриттями із порошків хромонікелевих чавунів, які напилені неповністю проплавленими частками і когезійна міцність яких складає 70...80 МПа, у діапазоні питомних навантажень 12...16 МПа при швидкості ковзання 0,67...2,24 м/с спостерігається різке збільшення коефіцієнта тертя від 0,015...0,017 при р = 12 МПа до 0,07...0,08 при р = 15 МПа. Це обумовлено переходом від режиму нормального механохімічного зносу покриттів до їх когезійного руйнування з виривом із покриттів напилених часток. У композиційних покриттях “хромонікелевий чавун - ПГ-СР3” помітне зменшення коефіцієнта тертя при питомих навантаженнях більше 12 МПа досягається при вмісті нікелевого сплаву у порошковій суміші 40...45 мас.%. Коефіцієнт тертя таких покриттів при тиску 12…16 МПа і швидкості ковзання 0,67...2,24 м/с складає 0,012...0,021.

У п'ятому розділі наведені технологічні рекомендації щодо одержання економнолегованих механічних сумішей порошків із шламів валкових чавунів з порошками міді і нікелевих сплавів, що самофлюсуються, і технологічні рекомендації шодо їхнього застосування для плазмового напилювання зносостійких покриттів. Наведені дані про промислове впровадження плазмо-напилених зносостійких композиційних покриттів розробленими економнолегованими механічними сумішами.

ВИСНОВКИ

1. Порошки із шліфувальних шламів вибіленого шару двошарових хромонікелевих і високохромістих чавунних прокатних валків можуть бути використані для газотермічного напилювання зносостійких покриттів без додаткового подріблення.

2. Внаслідок викрошування малопластичних евтектичних карбідів при шліфуванні вибіленого шару хромонікелевих чавунних прокатних валків утворюються порошки, які містять частки різної структури, морфології та хімічного складу. Порошки фракцій -50 і 50...63 мкм містять пластинчасті частки товщиною 8...15 мкм із структурою мартенситу і вторинного цементиту (1,9...2,1 мас. % С), порошки фракції 63...100 мкм – частки оскольчастої форми із структурою евтектичного цементиту (4,1...4,3 мас. % С).

3. Частки в порошках із шламів високохромістих валкових чавунів характеризуються однотипною гетерогенною структурою компактних литих матеріалів (мартенсит + (Cr,Me)7С3).

4. При розробці технології плазмового напилювання покриттів порошками з відходів механічної обробки хромонікелевих валкових чавунів необхідно враховувати їх структурну та хімічну неоднорідність. Ступінь проплавлення часток розміром 70...100 мкм із структурою евтектичного цементиту у аргоно-азотному плазмовому струмені електричною потужністю 28 кВт (плазма Ar + 35 мас. % N2) складає 0,95...1,0; 22 кВт (20 мас. % N2) – 0,5…0,65; 12кВт (100 мас. % Ar) – 0,15...0,2. Частки аналогічного розміру із структурою мартенситу і вторинного цементиту і компактного литого чавуна проплавляються по всьому об’єму у плазмовому струмені електричною потужністю 18 кВт (15 мас. % N2).

5. Виявлено зв'язок між структурною неоднорідністю порошків із шламів хромонікелевих валкових чавунів і структурою та фазовим складом напилених ними покриттів. У покриттях з порошків фракції 63…100 мкм із вихідною структурою ледебуриту, напилених розплавленими чавунними частками, формується гетерогенна структура ? + -Fe + Fe3C мікротвердістю 8200...9300 МПа. У покриттях з порошків хромонікелевих чавунів фракції -63 мкм із вихідною структурою мартенситу і вторинного цементиту (1,8...2,0 мас. % С) основною фазою є аустеніт, оскільки відсутні умови для утворення -фази.

6. Домінуючими фазами покриттів з порошків високохромістих чавунів фракції -63 мкм є карбіди (Cr, Me)7C3 і твердий розчин на основі -заліза. Мікротвердість гетерогенної структури -Fe + (Cr, Me)7C3 складає 8500…10000 МПа. При напилюванні порошків фракції 63...100 мкм внаслідок зниження швидкості охолодження чавунних часток у 25...40 разів формування структури -Fe + (Cr, Me)7C3 стає неможливим; основною структурною складовою покриттів є аустеніт мікротвердістю 3300...3900 МПа.

7. Виявлений вплив вмісту міді у композиційних плазмових покриттях на основі порошків високохромістих валкових чавунів на їх структуру та фазовий склад. Основними структурними складовими композиційних покриттів з механічних сумішей чавунних порошків фракції 63...100 мкм із 30...35 мас. % мідного порошку є твердий розчин на основі -Fe, карбіди (Cr, Me)7C3 і мідь, покриттів із чавунних порошків – аустеніт.

8. Встановлено оптимальну концентрацію міді у композиційних покриттях на основі порошків валкових чавунів (30...35 мас. %), при якій досягаються мінімальні значення інтенсивності їх зношування і коефіцієнта тертя в умовах граничного змащення та максимальна когезійна міцність.

Основні положення дисертації опубліковано в роботах:

1. Харламов Ю. А., Шевченко А.В., Юдицкий С. А. Порошки для газотермического напыления из отходов производства прокатных валков // Автоматическая сварка. – 2001. – № 10. На основі власних експериментальних досліджень здобувачем отримані порівняльні характеристики ефективності виробництва порошків з різних відходів механічної обробки литих чавунних прокатних валків – подрібленням стружки у кульовому млині та із шліфувальних шламів. Здобувачем уперше виявлена залежність міцності зчеплення композиційних плазмових покриттів від складу механічних сумішей порошків із шламів валкових чавунів з нікелевими сплавами, що самофлюсуються.

2. Композиционные покрытия для восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей / Ю.А.Харламов, Н.А.Будагьянц, С.А.Юдицкий, А.В.Шевченко // Вісник Східноукраїнського національного університету. – 2002. – № 10. – С. 237-242. Здобувачеві належить розробка композиційних плазмових покриттів з механічних сумішей порошків валкових чавунів та нікелевих сплавів, що самофлюсуються. Здобувачем уперше встановлені залежності коефіцієнту тертя ковзання та інтенсивності зношування розроблених композиційних покриттів від їхнього складу, швидкості ковзання і тиску в умовах граничного тертя зі змащенням.

3. Триботехнические свойства плазменных композиционных покрытий системы легированный чугун-медь / Ю.А.Харламов, Н.А.Будагьянц, С.А.Юдицкий, А.В.Шевченко // Вісник Східноукраїнського національного університету. – 2002. – № 7. – С. 167-172. Здобувачеві належить розробка композиційних плазмових покриттів з механічних сумішей порошків валкових чавунів та міді. Ним уперше встановлені залежності коефіцієнту тертя ковзання та інтенсивності зношування композиційних покриттів на основі порошків легованих чавунів з вмістом міді від їхнього складу, швидкості ковзання і тиску в умовах граничного тертя зі змащенням; виявлений зв'язок інтенсивності абразивного зношування покриттів зі складом порошкових сумішей.

4. Харламов Ю.А, Шевченко А.В. Особенности нагрева и плавления в плазменной струе порошков из шламов валковых чугунов // Вісник Східноукраїнського національного університету. – 2003. – № 1. Здобувачеві належать експериментальні та теоретичні дослідження закономірностей плазмового нагрівання порошків зі шламів хромонікелевих та високохромістих чавунів. Ним обгрунтована необхідність урахування різних структури і теплофізичних властивостей окремих фракцій порошків хромонікелевих чавунів при розробці технологічного процесу напилювання ними зносостійких покриттів.

5. Харламов Ю.А, Шевченко А.В. Структура и фазовый состав композиционных покрытий системы чугун-медь // Вісник Східноукраїнського національного університету. – 2003. – № 2. Здобувачеві належать експериментальні та теоретичні дослідження впливу складу порошкових сумішей системи "легований чавун-мідь" на структуру і фазовий склад композиційних плазмових покриттів.

6. Плазменные покрытия из порошков, полученных из отходов обработки прокатных валков / Ю.А.Харламов, Н.А.Будагьянц, С.А.Юдицкий, А.В.Шевченко // Сварочное производство. – 2002. – № 9. – С. 43-48. Здобувачем встановлений зв'язок інтенсивності абразивного зношування з когезійною міцністю композиційних плазмових покриттів із механічних сумішей порошків зі шламів валкових чавунів з нікелевими сплавами, що самофлюсуються.

7. Харламов Ю.А., Юдицкий С.А., Шевченко А.В. Механические смеси порошков для газотермического напыления // Зб. наукових праць “Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні” – С. 255-261. – Луганськ: Видавництво СНУ. – 2001. Здобувачем запропонована методика вибору оптимального співвідношення розмірів часток порошків-компонентів механічних сумішей при газотермічному напилюванні композиційних покриттів.

8. Будагьянц Н.А., Харламов Ю.А., Шевченко А.В. Получение порошков для газотермического напыления порошков из стружки легированных чугунов // Зб. наукових праць “Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні” – С. 278-282. – Луганськ: Видавництво СНУ. – 2000г. Здобувачем отримані нові результати щодо залежності ефективності подріблення стружки легованих валкових чавунів у кульовому млині від структури матеріалів та режимів подріблення.

9. Ю.А.Харламов, Н.А.Будагьянц, А.В.Шевченко, С.А.Юдицкий. Плазменные покрытия из никельхромового чугуна // Сб. докл. 3-й Международной конференции “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов” ОТТОМ-3, 9-13 сентября 2002г. – Ч.2. – C. 103-105. - Харьков: Изд-во Национального научного центра “ХФТИ”. Здобувачем уперше встановлені залежності коефіцієнта тертя ковзання плазмових покриттів, напилених порошками із шліфувальних шламів валкових чавунів, від швидкості ковзання та тиску в умовах граничного тертя.

10. Композиционные покрытия на основе чугунных порошков / Ю.А.Харламов, Н.А.Будагьянц, С.А.Юдицкий, А.В.Шевченко // Сб. научных трудов “Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения” – Ч.2. – C. 72-76. – Полоцк: Полоцкий государственный университет – 2001. Здобувачеві належать результати досліджень морфології та дисперсного складу порошків зі шламів валкових чавунів. Особисто здобувачем уперше встановлена зміна структури та фазового складу по товщині плазмових покриттів з порошків хромонікелевих валкових чавунів, що містять 2,9...3,0 мас. % С, 0,5...0,7 мас. % Si, 1,0...1,2 мас. % Cr.

11. Харламов Ю.А, Будагьянц Н.А, Шевченко А.В. Сырьевая база для производства экономнолегированных порошков // Тематический сборник “Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин” – C. 259-260. - Минск: Технопринт – 2003. Здобувачем обгрунтована наявність промислової стабільної бази для отримання недорогих і недефіцитних середньо- та високолегованих порошкових сплавів на основі заліза на Лутугинському державному науково-виробничому валковому комбінаті.

12. Харламов Ю.А, Будагьянц Н.А, Шевченко А.В. Структура и свойства порошков из отходов обработки легированных чугунов // Тематический сборник “Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин” – C. 260-262. – Минск: Технопринт – 2003. Здобувачеві належить виявлення структурної неоднорідності порошків із шламів хромонікелевих валкових чавунів, яка обумовлена різним рівнем фізико-механічних властивостей окремих структурних складових литих чавунів і відповідними відмінностями у механізмах їхнього руйнування при шліфуванні.

13. Plasma coatings from powders produced from the waste in processing rolling rolls / Yu.A. Kharlamov, N.A. Budag’yants, S.A. Yuditskii, A.V. Shevchenko // Welding International. – 2003. – № 17(2). – Р. 156 - 161. Безпосередньо здобувачем отримані залежності коефіцієнту тертя ковзання композиційних плазмових покриттів із механічних сумішей порошків валкових чавунів з порошком нікелевого сплаву, що самофлюсується, від шляху тертя, тиску і швидкості ковзання в умовах капельного змащення. Виявлені оптимальні склади порошкових сумішей, плазмове напилювання яких забезбечує формування покриттів з підвищеними антизадирними властивостями.

14. Thermal sprayed coatings on base of cast iron chips / Y.A. Kharlamov, N.A. Budagyunchz, S.A. Yudichzki, A.V. Shevchenko // Proceedings of 3 International Symposium on Tribo - Fatigue, Bremen, 12 - 16 oct. 2000. – P. 545 - 548. Здобувачеві належить обгрунтування перспектив застосування для газотермічного напилювання покриттів триботехнічного призначення механічних сумішей порошків високовуглецевих сплавів на залізній основі з міддю.

АНОТАЦІЯ

Шевченко О.В. Композиційні плазмові покриття на основі порошків валкових чавунів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – Зварювання та споріднені технології. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, 2004.

Робота присвячена розробці технології плазмового напилювання зносостійких покриттів економнолегованими матеріалами на основі порошків з відходів механічної обробки валкових чавунів. У роботі досліджені структура і морфологія порошків зі шламів валкових чавунів і встановлена їхня технологічна придатність для газотермічного напилювання зносостійких покрить без додаткового подріблення; виявлена неоднорідність порошків зі шламів хромонікелевих валкових чавунів за хімічним складом та структурою, обґрунтований підхід до розгляду їх як механічної суміші часток з різним змістом і морфологією карбідних фаз; уперше врахований вплив структурної неоднорідності чавунних порошків на умови їх плазмового нагрівання, структуру і фазовий склад покриттів; виявлені