Запорізький національний технічний університет

Куликовський Руслан Анатолійович

УДК 621.791.92:669.15:539.538

РОЗРОБКА безкарбідних ЗНОСОСТІЙКИХ наплавочних

матеріалів для експлуатації в умовах

абразивного зношування

Спеціальність 05.02.01 – Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Андрущенко Михайло Іванович, Запорізький національний технічний університет, доцент кафедри “Обладнання та технологія зварювального виробництва”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Чейлях Олександр Петрович, Приазовський державний технічний університет, (м. Маріуполь), проректор з науково-педагогічної роботи;

доктор технічних наук, професор Слинько Георгій Іванович, Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри “Теплотехніка і гідравліка”.

Захист відбудеться 23 жовтня 2007 року о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 при Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розісланий 18 вересня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01,

д.т.н., професор Внуков Ю.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах ринкових відносин, серед багатьох проблем, які виникають перед науковими організаціями і промисловими підприємствами України, як і раніше одним з найважливіших залишається завдання зниження витрат на виробництво продукції при одночасному підвищенні її якості. Значну частку собівартості продукції що випускається, становлять втрати, пов'язані з виготовленням і заміною швидкозношуваних деталей устаткування і оснащення. Особливо загострена ця проблема на підприємствах, пов'язаних з переробкою й виготовленням виробів з абразивних мас. Досить широкий діапазон деяких деталей пресового оснащення на цих підприємствах, зокрема цементовані штампи прес-форм, неможливо відновлювати відомими зносостійкими карбідовмістними наплавочними матеріалами через недостатній рівень експлуатаційної надійності наплавленого металу. На цей час ці деталі частково відновлюють феритними або низьковуглецевими аустенітними зварювальними матеріалами. Термін служби відновлених штампів при цьому дуже низький – не більш однієї робочої зміни.

Тому задача створення та використання нових зносостійких безкарбідних наплавочних матеріалів, які, одночасно з високим опором абразивному зношуванню, мають достатній рівень експлуатаційної надійності є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертаційної роботи є узагальненням результатів досліджень, проведених автором на кафедрі “Обладнання та технологія зварювального виробництва” Запорізького національного технічного університету за тематикою НДР: “Дослідження закономірностей опірності сталей та сплавів зношуванню в екстремальних умовах трибовзаємодії” (шифр ДБ 05012, 2002…2004 рр., номер держ. реєстр. 0103U000118), “Дослідження закономірностей зношування залізовуглецевих сплавів при різній швидкості ковзання по абразиву” (шифр ДБ 01225, з 2004 р., номер держ. реєстр. 0105U000211), і госпдоговірних тем: “Розробка технологічного процесу відновлення штампів прес-форм зі сталі 08Х13 для пресування високоглиноземистих виробів” (шифр ГД 5021, 2000…2004 рр.), “Технологія автоматизованого наплавлення деталей обладнання” (шифр ГД 5023, 2003…2004 рр.). Автор приймав участь в НДР як виконавець окремих етапів.

Мета роботи і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка наплавочних матеріалів з високою здатністю до зміцнення поверхні тертя і зносостійкістю в умовах абразивного зношування при достатній експлуатаційній надійності відновлених деталей. Для досягнення зазначеної мети були поставлені і вирішені наступні задачі:

1. З урахуванням сучасних фундаментальних положень теорії тертя й зношування вивчені умови експлуатації штампів прес-форм і сформульовані до них вимоги.

2. Обрана і досліджена група стандартних наплавочних матеріалів, що дозволяють забезпечити вихідну структуру наплавленого металу в широкому діапазоні фазового складу при відсутності або з незначною кількістю карбідної фази.

3. Обрані й обґрунтовані межі хімічного складу дослідних модельних сплавів (система Fe-Cr-C) і температури загартування, що дозволяють отримати “набори” безкарбідних структур - від мартенситних до переважно аустенітних, шляхом роздільного або одночасного регулювання кількості вуглецю і хрому.

4. Вивчено закономірності зміни фазового складу в поверхні тертя зразків з модельних сплавів, рівня зміцнення і зносостійкості залежно від співвідношення вуглецю і хрому в умовах безударного абразивного зношування напівзакріпленим абразивом.

5. Досліджено опірність зношуванню у виробничих умовах найбільш зносостійких (за результатами лабораторних випробувань) дослідних сплавів у наплавленому стані зі структурою, сформованою в умовах некерованого термічного циклу наплавлення натурних деталей.

6. Проведено порівняльний аналіз здатності до зміцнення і зносостійкості в умовах абразивного зношування сталей системи Fe-C-Cr залежно від способів керування структурним станом.

7. Досліджено ступінь зміцнення й зносостійкість найбільш зносостійких дослідних сплавів у наплавленому стані зі структурою, сформованою в умовах прискореного примусового охолодження.

8. Досліджено комплексний вплив вуглецю, хрому і марганцю в сплавах з переважно аустенітною структурою, сформованою в умовах некерованого термічного циклу наплавлення на ступінь зміцнення і зносостійкість.

9. Визначено склад наплавленого металу та розроблена технологія відновлення цементованих штампів прес-форм, яка забезпечує їх достатню експлуатаційну надійність і зносостійкість.

Об’єкт досліджень – метал наплавлений стандартними наплавочними матеріалами, дослідні сплави систем Fe-C-Cr і Fe-C-Cr-Mn.

Предмет дослідження – структура, закономірності фазових перетворень в процесі безударного абразивного зношування, здатність до зміцнення і зносостійкість матеріалів.

Методи досліджень. Випробування на зносостійкість матеріалів проводились на лабораторному стенді, який дозволяє моделювати процес зношування робочої частини деталей пресового оснащення при виготовленні вогнетривких та будівельних виробів за рахунок відтворення основних показників – характер поверхневих ушкоджень, повнота фазових перетворень, рівень зміцнення поверхні тертя та відносна зносостійкість. Здатність матеріалів до зміцнення за рахунок фазових перетворень під час зношування оцінювали на основі результатів рентгеноструктурного та дюрометричного аналізу робочої поверхні до і після зношування зразків. З метою визначення механізму процесу поверхневого руйнування в залежності від рівня зміцнення поверхні тертя досліджували продукти зношування методами оптичної мікроскопії.

Оцінку достовірності отриманих результатів та узагальнення закономірностей зміни здатності до фазових перетворень, рівня зміцнення поверхні тертя та зносостійкості безкарбідних сталей в залежності від кількості залишкового аустеніту та його хімічного складу проведено з використанням методів математичної статистики та сучасної комп’ютерної програми “MathCAD”. Надійність отриманих залежностей підтверджено задовільною збіжністю розрахункових даних з результатами експерименту.

Експлуатаційна надійність і зносостійкість деталей відновлених стандартними та дослідними наплавочними матеріалами оцінювалась шляхом натурних випробовувань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Встановлені закономірності зміни здатності до зміцнення й зносостійкості в умовах абразивного зношування сплавів системи Fe-C-Cr у безкарбідному стані, залежно від структури і хімічного складу.

2. Вперше показано, що в межах одного і того ж діапазону фазових співвідношень у вихідній структурі, при переході від мартенситної, до переважно аустенітної металевої матриці за рахунок зміни вмісту у твердому розчині вуглецю від 0,5 до 1,7%, досягається підвищення рівня зміцнення поверхні тертя на 2 ГПа вище (12 ГПа проти 10 ГПа), ніж при збільшенні концентрації хрому від 3 до 19%. Завдяки цьому максимальний рівень зносостійкості, що досягається за рахунок перетворень залишкового аустеніту в мартенсит деформації та інших процесів зміцнення, в низьколегованих сталях з високим вмістом вуглецю в 5 разів вище (е=10 проти е=2), ніж у середньовуглецевих хромистих матеріалах.

3. Встановлено, що при зниженні температури аустенізації при загартуванні високовуглецевого низьколегованого сплаву (150Х3) від рівня АCm+10…200С до АС1+10…200С і зміни, в результаті цього, вихідної структури від аустенітної, з невеликою кількістю мартенситу, до мартенситної, що включає 12...14% карбідів цементитного типу, приводить до зменшення зносостійкості в 5 разів.

4. Показано, що при наплавленні високовуглецевими низьколегованими матеріалами для забезпечення високої здатності до зміцнення в процесі зношування і зносостійкості необхідно запобігати навіть часткового випадання карбідів шляхом примусового охолодження наплавленого металу.

Практичне значення одержаних результатів. В дисертаційній роботі вирішено задачу розробки зносостійких наплавочних матеріалів, які дозволяють забезпечити переважно безкарбідну аустенітну структуру наплавленого металу з високою здатністю до зміцнення під час абразивного зношування (метал типу 150Х3 – за умови наплавлення з примусовим охолодженням наплавленої кромки; метал типу 120Х4Г2 – при некерованому циклі наплавлення).

Розроблені технологічний процес, оснащення та устаткування для відновлення штампів прес-форм запропонованими матеріалами.

Виробничі випробовування проведені на ВАТ “Запоріжвогнетрив” показали, що відновлені цементовані штампи прес-форм мають достатній рівень експлуатаційної надійності і зносостійкість в 3…5 разів вищу ніж відновленні за технологіями, які використовуються на виробництві на даний час.

Особистий внесок здобувача:

1. Обґрунтована та відпрацьована методика випробувань матеріалів на опір абразивному зношуванню відповідно до умов роботи штампів для пресування вогнетривких виробів [2, 12].

2. Проведено дослідження впливу хрому та вуглецю на здатність до зміцнення і зносостійкість безкарбідних сталей в широкому діапазоні співвідношень мартенситу і аустеніту в вихідній структурі [1, 2, 4, 5, 7, 9].

3. Встановлені закономірності рівня зміцнення та зносостійкості високовуглецевих низькохромистих сталей від температури загартовування [2, 10, 14, 15].

4. Обґрунтована необхідність примусового охолодження металу наплавленого високовуглецевими низьколегованими матеріалами з метою запобігання випадання цементиту та зменшення здатності до зміцнення в процесі зношування [6, 8, 11].

5. Проведені математична обробка, наукові узагальнення і інтерпретація отриманих експериментальних результатів досліджень, пов’язаних із аналізом впливу хімічного складу та структурного стану на ступінь зміцнення та зносостійкість сталей системи Fe-C-Cr [3, 13].

6. Запропоновані принципи створення технології для наплавлення штампів прес-форм розробленими матеріалами, проведено відпрацювання технології в промислових умовах та випробування відновлених штампів [6, 8, 11].

Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідалися та обговорювалися на IX міжнародній науково-технічної конф. “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів”, Запоріжжя, 2003 р.; V міжнародній науково-технічної конф. “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2003)”, Очаків, 2003 р.; Всеросійській науково-технічній конф. “Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве”, Москва, 2003 р.; міжнародній науково-технічної конф. “Проблемы механики горно-металлургического комплекса”, Дніпропетровськ, 2004 р.; республіканській науково-методичної конф. “Современные проблемы сварки, наплавки и материаловедения”, Маріуполь, 2005 р.; VI промисловій конф. з міжнародною участю “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”, Славське, 2006 р.; науково-технічному семінарі “Сварка и родственные процессы в промышленности” Київ, 2006; науково-технічної конф. “Тиждень науки”, Запоріжжя, 2006 р.; наукових семінарах кафедри “Обладнання та технологія зварювального виробництва” ЗНТУ 2002…2007 рр.

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 15 робіт, у тому числі 4 статті у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 1 деклараційний патент на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 161 позиції і додатку. Робота викладена на 166 сторінках комп’ютерним набором, містить 51 рисунок, 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, яку вирішено в дисертації, сформульовані мета і завдання роботи, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проводиться аналіз сучасного стану проблеми абразивного зношування сталей та сплавів і шляхів її вирішення.

Зазначається, що завдяки великій кількості фундаментальних та прикладних робіт на даний час склалися основні загальноприйнятні уявлення про механізми абразивного зношування та залежності зносостійкості матеріалів від їх структури і властивостей, а також від умов взаємодії з середою зношування. Найбільш інтенсивно зношується матеріал, якщо поверхневе руйнування відбувається в результаті процесів мікрорізання. Використання технічних рішень, які істотно зменшують частку прямого різання матеріалу абразивом, дозволяють суттєво підвищити зносостійкість. Важливим показником, від якого перш за все залежать механізм та інтенсивність зношування, являється співвідношення твердостей абразиву На та матеріалу, що зношується Нм. Різке зниження частки прямого різання матеріалу та інтенсивності зношування досягається в тому випадку, якщо твердість поверхні тертя досягає рівня твердості абразивних зерен.

Показано, що коли за умовами експлуатаційної надійності, відсутня можливість використання зносостійких матеріалів з карбідною фазою, найбільш ефективним способом підвищення зносостійкості і мікротвердості поверхні тертя матеріалів являється забезпечення їх здатності до зміцнення в процесі зношування. При цьому найбільший рівень зміцнення в умовах безударного абразивного зношування досягається в сталях, які мають у структурі метастабільний залишковий аустеніт здатний перетворюватись в мартенсит деформації під дією абразиву. Але аналіз прикладів застосування залишкового метастабільного аустеніту в умовах абразивного зношування показує, що відомості про його оптимальну кількість, природу та ступінь метастабільності мають суперечливий характер.

В цілому, не викликає сумніву, що кількість залишкового аустеніту і його здатність до фазових перетворень в процесі зношування залежить від температури початку мартенситних перетворень. В той же час очевидно, що один і той же рівень температури початку мартенситних перетворень можна отримати в сплавах в широкому співвідношенням легувальних елементів та вуглецю. Однак в якій мірі такі матеріали будуть відрізнятись по здатності до зміцнення поверхні тертя і опору зношуванню до цього часу достатньо не вивчено, навіть в межах самих поширених систем легування. Крім того на “поведінку” залишкового аустеніту підчас зношування, може впливати спосіб, за яким його забезпечили в структурі.

Ці обставини ускладнюють обґрунтований вибір матеріалів здатних до зміцнення поверхні тертя та їх початкового структурного стану. Тому необхідно проведення спрямованих системних досліджень впливу хімічного складу і способів формування структури на рівень зміцнення в процесі зношування і зносостійкість наплавленого металу, що і визначило мету та завдання досліджень.

В другому розділі наведено відомості про умови експлуатації цементованих штампів прес-форм і вимоги, які до них висуваються. В цілому, працездатність штампів прес-форм визначається зносостійкістю і експлуатаційною надійністю робочих кромок. Крім того, повинен бути забезпечений достатній рівень опору робочої поверхні шаржуванню вогнетривкою масою.

Дослідження впливу хімічного складу на процеси, які відбуваються при зношуванні та зносостійкість проводили на металі наплавленому стандартними та дослідними матеріалами, а також на спеціально виплавлених сплавах.

Випробування на опір абразивному зношуванню матеріалів проводили в виробничих умовах та на лабораторному стенді, який імітує умови зношування деталей оснастки при пресуванні вогнетривких виробів. Основними критеріями відповідності процесів, які відбуваються в поверхневому шарі дослідних зразків при випробуванні в лабораторних умовах, тим процесам які мають місце на натурних деталях, були: характер мікрорельєфу зношуваної поверхні, повнота перетворень в поверхневому шарі, ступінь зміцнення поверхні тертя, рівність рядів зносостійкості матеріалів випробуваних у виробничих умовах і на лабораторному стенді.

Металографічні дослідження сплавів та характер пошкоджень поверхні зразків проведено на оптичному мікроскопі NU-2. Дослідження зламу поверхневого шару дослідного сплаву після зношування та характеру руйнування кромки деталі наплавленої розробленими матеріалами проводили на растровому електронному оптичному мікроскопі JSMT - 6360 LA.

Повноту перетворень при зношуванні оцінювали за різницею кількості залишкового аустеніту до та після зношування. Кількість аустеніту виміряли на дифрактометрі ДРОН-3 в кобальтовому випромінюванні.

Дослідження на агрегатну твердість зразків проводили на приладі ТР-5006.

Ступінь зміцнення матеріалів внаслідок взаємодії абразиву і поверхні тертя оцінювали по мікротвердості робочої поверхні, яка вимірювалась на приладі ПМТ-3 при зусиллі 0,5 Н.

З метою об’єктивної оцінки та прогнозування механізму абразивного зношування матеріалів з метастабільною структурою проведено статистичну оцінку мікротвердості зерен шамоту. Показано, що щільність розподілу мікротвердості зерен шамоту W(Ha) описується за нормальним законом.

Третій розділ присвячено дослідженню впливу легування та структури на здатність до зміцнення і зносостійкість в умовах безударного абразивного зношування.

Дослідження проведено в два етапи. На першому етапі досліджувався метал наплавлений стандартними наплавочними матеріалами. На другому – дослідні модельні сплави.

Вибір стандартних наплавочних матеріалів в якості об’єктів досліджень було проведено на основі структурної діаграми Міжнародного інституту зварювання з таким розрахунком, щоб в їх перелік були включені представники всіх структурних груп наплавочних матеріалів, в яких фаза зміцнення відсутня, або знаходиться в незначній кількості.

Результати досліджень стандартних матеріалів показали, що спостерігається достатньо тісний зв'язок між зносостійкістю і твердістю набутою в процесі зношування. При приближенні значення твердості матеріалу до твердості абразиву зносостійкість зростає найбільш інтенсивно. В межах групи сплавів з однотипною структурою (мартенсит або аустеніт) зносостійкість корелює з вмістом вуглецю. При рівній кількості вуглецю в твердому розчині ступінь зміцнення і зносостійкість вище в тому випадку, якщо спостерігається утворення мартенситу деформації.

Промислові випробовування наплавлених деталей показали, що вимогам експлуатаційної надійності відповідає лише половина з досліджених наплавочних матеріалів. При цьому найбільшій рівень зносостійкості з них не відповідає вимогам сучасного виробництва. Тому подальші дослідження було виконано на дослідних модельних сплавах.

Досліджено чотири групи сплавів системи Fe-C-Cr (рис. 1). В першій групі при постійному вмісту хрому 3,0…3,3% збільшували концентрацію вуглецю від 0,50 до 1,7%. В другій групі при постійній концентрації вуглецю 0,5…0,6% змінювали концентрацію хрому в межах 1…19%. Межі вмісту вуглецю та хрому в перших двох групах сплавів було обрано з таким розрахунком, щоб зміни концентрацій цих елементів забезпечували однакові набори структур від мартенситної до практично повністю аустенітної. В третій групі сплавів одночасним варіюванням вмісту хрому та вуглецю забезпечувалась переважно аустенітна структура. При цьому вміст хрому змінювався від 3 до 19%, а вуглецю від 0,5 до 1,7%. Сплави четвертої групи знаходились усередині факторного простору обмеженого попередніми трьома групами.

Рис. 1. Положення дослідних груп сплавів системи Fe-C-Cr на структурній діаграмі.

Температура нагріву для гартування була обрана в межах існування - області з таким розрахунком, щоб забезпечити повне розчинення карбідів.

В результаті досліджень модельних сплавів у вихідному стані (до зношування) встановлено, що зі збільшенням концентрації як хрому, так і вуглецю кількість залишкового аустеніту змінюється від до 85…90% практично пропорційно вмісту цих елементів (рис. 2). Також неістотна і різниця в значеннях твердості і мікротвердості дослідних сталей в межах обох груп.

В процесі зношування більша частина залишкового аустеніту в сталях, як з підвищеним вмістом хрому (рис. 2), так і вуглецю перетворюється в мартенсит деформації. В той же час, не дивлячись на це, здатність до зміцнення в процесі зношування при однакової кількості аустеніту істотно відрізняється.

В обох випадках спостерігається ріст зносостійкості. Але при керуванні структурним станом шляхом збільшення вмісту хрому максимум мікротвердості поверхні тертя становить 10 ГПа, в той же час у високовуглецевих сталях він досягає 12 ГПа. В результаті цього ріст опору зношуванню дослідних сплавів при збільшенні концентрації вуглецю до 5 разів вище, ніж при збільшенні в твердому розчині вмісту хрому.

Рис. 2. Зміни кількості аустеніту (А), твердості (HRCЭ), мікротвердості (Н0,5), кількості мартенситу деформації (Мд) і відносної зносостійкості (е) в залежності від вмісту хрому (Cr) і вуглецю (C): а, б – до зношування; в, г – після зношування.

Дослідження модельних сплавів третьої групи, в яких кількість залишкового аустеніту практично незмінна і близька до максимально можливого рівня (до 90%), також підтвердили переважний вплив вуглецю на здатність до зміцнення і зносостійкість сталей за відсутністю в структурі карбідної фази. Зносостійкість монотонно збільшується при зниженні концентраційного співвідношення хрому до вуглецю в твердому розчині.

Базуючись на отриманих результатах, та доповнюючи їх результатами досліджень четвертої групи після виключення статистично незначущих коефіцієнтів отримані математичні моделі (рис. 3) які характеризують змінення кількості аустеніту після загартування із однофазної - області, кількості мартенситу деформації в поверхні тертя зразків, мікротвердість здобуту в процесі зношування і відносну зносостійкість в залежності від співвідношення хрому та вуглецю в твердому розчині в межах діапазону всіх заевтектоїдних сталей системи Fe-C-Cr.

Обробку даних, які характеризують зміни досліджуваних параметрів в залежності від вмісту вуглецю та хрому проводили в середовищі програмного пакету MathCAD з використанням методу найменших квадратів. На основі попереднього аналізу експериментальних результатів в якості емпіричної формули, яка визначає кореляційний зв'язок між досліджуваними величинами було прийнято поліном третього ступеню. Оскільки вивчався факторний простір, який включав тільки сталі, які вмістять вуглець не вище межі його розчинності в аустеніту (рис. 1), то отримані вирази можна використовувати лише за обмежувальною умовою.

Вміст хрому при заданих значеннях вуглецю (0,50…1,68%) повинен бути не вище значень обумовлених з рівняння кривої, що проходить через координати, які характеризують хімічний склад групи сплавів з переважно аустенітною структурою:

. (1)

Коефіцієнти кореляції між розрахунковими і експериментальними значеннями для всіх отриманих залежностей, що характеризують зміни параметрів сплавів залежно від вмісту вуглецю й хрому, склали не менш 0,9.

Різницю в зносостійкості високолегованих і високовуглецевих сплавів до певної міри пояснюють співвідношення твердості абразиву На і матеріалу Нм. Пряме, найбільш інтенсивне одноактне руйнування поверхневого шару настає, якщо твердість абразиву більш ніж в 1,1...1,3 рази (критичне співвідношення) перевищує твердість матеріалу. Імовірність прямого руйнування робочої поверхні залежить від кількості в абразивній масі часток, твердість яких вище твердості поверхні тертя і визначається щільністю розподілу відношення твердості шамоту в абразивній масі і твердості поверхні зношування – W(Ha/Hм).

Рис. 3. Вплив співвідношення хрому (Cr) та вуглецю (C) в твердому розчині заевтектоїдних сталей системи Fe-C-Cr на структурний стан до та після зношування, здатність до зміцнення і зносостійкість:

а – зміна кількості аустеніту (А) в сталях системи Fe-C-Cr після загартування із однофазної - області

(2)

б – кількість мартенситу деформації (МД) в поверхні тертя зразків із сталей системи Fe-C-Cr

(3)

в – мікротвердість поверхні тертя (Н0,5) безкарбідних сталей системи Fe-C-Cr

(4)

г – відносна зносостійкість (е) безкарбідних сталей системи Fe-C-Cr

(5)

Аналіз кривих щільності розподілу відношення твердості шамоту в абразивній масі і твердості поверхні тертя до зношування високолегованого сплаву № (рис. 4, а) і високовуглецевого сплаву № 5 (рис. 4, б) показує, що на початковій стадії процесу зношування практично всі зерна абразиву можуть вчиняти пряме різання, однак по мірі зміцнення вірогідність цього процесу знижується, але в сплавах з недостатньою кількістю вуглецю значна частка зерен для яких співвідношення На/Нм більше критичного здатна виконувати одноактний процес руйнування поверхні тертя. В той же час у високовуглецевих сплавах процес прямого різання майже відсутній, а механізм зношування змінюється на полідеформаційний, що і обумовлює істотну різницю в зносостійкості даних сплавів.

Рис. 4. Криві щільності розподілу (W) відношення твердості шамоту в абразивній масі і твердості поверхні матеріалу (На/Нм).

Додатковим фактором підвищення зносостійкості високовуглецевих сплавів напевно являються дрібнодисперсні карбідні виділення виявлені у пластичнодеформованій зоні, які зароджуються по площинах ковзання, та утворюють додаткові перешкоди для переміщення дислокацій. В сплавах з високим вмістом хрому таких виділень не знайдено.

Таким чином показано, що наявність в структурі залишкового аустеніту з високою здатністю до фазових перетворень в процесі зношування є обов’язковою, але недостатньою умовою підвищення зносостійкості безкарбідних сталей. Створення структури з великою кількістю метастабільного аустеніту повинно супроводжуватись переходом в твердий розчин великої кількості вуглецю на рівні 1,2…1,7%.

В четвертому розділі наведені результати дослідження здатності до зміцнення і зносостійкості високовуглецевих матеріалів в діапазоні структур, які формуються в умовах термічного циклу наплавлення.

Перевірка результатів отриманих в лабораторних умовах проведена шляхом випробовувань натурних деталей відновлених наплавленням дослідними електродними матеріалами, в яких концентрація вуглецю була близькою до границі його розчинності в аустеніті (рис. 1, сплави № 6, 12, 14…19). Тобто на сплавах, які забезпечують при загартуванні в масло переважно аустенітну структуру.

Встановлено, що на високохромистих сплавах, відносна зносостійкість наплавленого металу охолодженого на повітрі зі збільшенням вмісту вуглецю зростає в той же мірі, як і на модельних сплавах випробуваних в лабораторних умовах. Проте, при подальшому збільшенні вмісту вуглецю при одночасному зменшенні концентрації хрому приріст зносостійкості натурних деталей відновлених дослідними електродними матеріалами значно нижче рівня приросту, який спостерігається при лабораторних випробовуваннях модельних сплавів. При цьому в наплавленому шарі металу замість аустенітної структури знаходяться мартенсит з карбідами, або проміжні структури.

В зв’язку з цим, досліджено зміни опору зношування одного з потенційно зносостійких сплавів типу 150Х3 в залежності від структурного стану в діапазоні від мартенситно-карбідної до аустенітної. Керування структурою здійснено шляхом зміни температури аустенізації від рівня традиційно рекомендованого для вуглецевих заевтектоїдних сталей Ac1+20…300C до Acm+20…300C (рис. 5).

Рис. 5. Схема вибору температури загартовування сплаву № (а), зміни твердості поверхні тертя і зносостійкості в залежності від вмісту вуглецю (б) і температури гартуванняв):

1, 3 – відносна зносостійкість (е) групи безкарбідних сталей (№ 1…6) і сталі № 19 відповідно;

2, 4 – мікротвердість поверхні тертя (Н0,5) групи безкарбідних сталей (№ …6) і сталі № 19 відповідно.

Показано, що в діапазоні структур від аустенітної до мартенситної в сполученні з цементитом зносостійкість зменшується до п’яти разів. Це пов’язано із збіднінням твердого розчину вуглецем і зменшенням, в результаті цього, здатності до зміцнення. Тобто, випадіння карбідів при недостатній швидкості охолодження є основною причиною зниження його зносостійкості в порівнянні з потенційно можливим рівнем сплавів даного складу.

Розрахунок критичної швидкості охолодження низьколегованого сплаву типу 150Х3 показав, що вона знаходиться близько 110С/с. Швидкість охолодження при відновлені штампів прес-форм вогнетривкого виробництва невеликої маси (2…3 кг), яка оцінювалась шляхом “вморожування” термопари в наплавлений валик, змінюється в межах від 400С/с на початку процесу наплавлення, коли деталь ще холодна, до 30С/с на завершальній стадії відновлення. Тобто структура частини наплавленого валику формується в умовах недостатньої швидкості охолодження, що не дозволяє забезпечити необхідну переважно аустенітну структуру. Тому для формування заданої структури металу такого складу необхідно його примусове охолодження. Серед можливих варіантів пришвидшеного тепловідводу при відновленні штампів найбільш раціональним являється використання мідних водоохолоджуваних формувачів. Діапазон швидкостей охолодження при цьому становиться значно вужчим, а найменша швидкість, яка спостерігається на завершальній стадії наплавлення штампів, вища критичної швидкості охолодження сплаву 150Х3. Завдяки цьому забезпечується формування необхідної переважно аустенітної однорідної структури.

Випробування деталей, які були відновлені з примусовим охолодженням показали, що рівень зносостійкості наплавленого металу в цьому випадку відповідає очікуваному за результатами випробування модельних сплавів.

Для випадків, коли примусове охолодження ускладнено, для отримання переважно аустенітної структури необхідно додаткове легування наплавленого металу для забезпечення достатньої стійкості аустеніту при охолодженні.

Проведені дослідження зразків наплавленого металу додатково легованих марганцем, в яких співвідношення вуглецю, хрому та марганцю вибрано з таким розрахунком, щоб температура початку мартенситних перетворень при охолодженні знаходилась близько 200С.

Показано, що часткова заміна марганцем хрому в кількостях еквівалентних їх впливу на Мн, при незмінному рівні вуглецю призводить до зниження здатності до зміцнення поверхні тертя і зносостійкості. Але опір зношуванню найбільш зносостійкого з хромомарганцевих дослідних зразків наплавленого металом типу 120Х4Г2 до двох раз вище по відношенню до хромистого зразка типу 150Х3 наплавленого без примусового охолодження.

В п’ятому розділі наведені відомості про промислове використання результатів роботи. Подана технологія наплавлення деталей запропонованими матеріалами.

Показано, що окрім забезпечення необхідної структури, використання прискореного тепловідведення за допомогою водоохолоджуваних формувачів дозволяє понизити негативний тепловий вплив зварювальної дуги на твердість цементованого шару відновлених деталей та здатність опиратись шаржуванню робочої поверхні відновленого штампа.

Промислові випробування штампів прес-форм, проведені на ВАТ “Запоріжвогнетрив”, відновлених наплавленням за розробленою технологією, показали, що їх строк служби в 3…5 разів вище в порівнянні з базовою технологією.

висновки

1. Незалежно від вихідного структурного стану та природи легування випробуваних стандартних матеріалів при відсутності в них, або невеликій кількості зміцнюючої фази спостерігається висока кореляція зносостійкості з мікротвердістю, яка набута в процесі зношування.

2. Максимальна опірність безударному абразивному зношуванню безкарбідних сталей з великою кількістю метастабільного аустеніту (до 90%) з високим до 1,7% вмістом вуглецю і незначним хрому, в 5 разів вище, ніж найбільший рівень, що досягається в сталях з таким же фазовим складом, але при легуванні більшою кількістю хрому при малих концентраціях вуглецю (0,5...0,6%). Наявність у структурі сталі метастабільного залишкового аустеніту, є необхідною, але недостатньою умовою високої здатності до зміцнення поверхні тертя і зносостійкості в умовах абразивного зношування.

3. Висока зносостійкість сталей з високим вмістом у твердому розчині вуглецю обумовлена підвищеною здатністю метастабільних структур до зміцнення в процесі зношування. Крім зміцнення за рахунок утворення мартенситу деформації у високовуглецевих сталях спостерігається виділення мілкодисперсних карбідів по площинам ковзання. Твердість поверхні тертя досягає 12 ГПа, що практично виключає пряме різання її абразивними зернами і забезпечує перевагу менш інтенсивного полідеформаційного процесу поверхневого руйнування.

4. Потенціал здатності до зміцнення поверхні тертя і зносостійкості високовуглецевих, незначно легованих хромом сталей, реалізується не повною мірою, якщо структура наплавленого металу була сформована в умовах нерегульованого термічного циклу наплавлення. Основною причиною зниження здатності до зміцнення і зносостійкості в умовах безударного абразивного зношування наплавленого металу є випадіння карбідів цементитного типу при охолодженні, зменшення вмісту вуглецю у твердому розчині і кількості залишкового аустеніту.

5. На відміну від екстремального характеру відомих закономірностей зміни рівня зміцнення і зносостійкості високохромистих ледебуритних сталей в залежності від кількості аустеніту, мікротвердість поверхні тертя і опір зношуванню низьколегованих високовуглецевих сталей при переході від мартенситного до аустенітного стану металевої матриці безупинно зростають незалежно від способу керування структурним станом.

6. З метою максимального використання потенціалу зносостійкості низькохромистих високовуглецевих матеріалів при відновленні деталей наплавленням, необхідно уникати виділення карбідів з аустеніту в процесі охолодження наплавленого металу шляхом примусового відводу теплоти.

7. Забезпечення достатньої стійкості аустеніту до розпаду при охолодженні в умовах некерованого термічного циклу наплавлення (без примусового тепловідводу) може бути досягнуте шляхом додаткового легування високовуглецевих хромистих сплавів марганцем при одночасному зменшенні вмісту вуглецю в кількостях пропорційних впливу цих елементів на температуру початку мартенситного перетворення. Критична швидкість охолодження металу для наплавлення штампів прес-форм без примусового охолодження повинна бути не менш 30С/с.

8. Найбільша здатність до зміцнення й зносостійкість у хромомарганцевих сплавах із МН200С зі структурою наплавленого металу сформованого без примусового охолодження, досягається при наплавленні сплавом типу 120Х4Г2.

9. Зносостійкість штампів відновлених запропонованими матеріалами (150Х3 – за умови наплавлення з примусовим охолодженням; 120Х4Г2 – при некерованому циклі наплавлення) в 3…5 разів вища, ніж штампів наплавлених за існуючою технологією при достатній експлуатаційній надійності.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андрущенко М.И., Рузов О.Э., Куликовский Р.А., Брыков Н.Н. Влияние углерода и на способность к упрочнению и износостойкость бескарбидных сталей в условиях абразивного изнашивания // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2003. - №2. – С. 112-116.

2. Андрущенко М.И., Куликовский Р.А., Брыков М.Н. Сравнительный анализ способности к упрочнению и износостойкости в условиях абразивного изнашивания сталей системы Fe-C-Cr в зависимости от способов управления структурным состоянием // Металл и литье Украины. – 2006. – №6. – С. 42-46.

3. Андрущенко М.И., Брындин И.В., Куликовский Р.А., Брыков Н.Н. Влияние углерода и хрома на параметры науглероженного слоя // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2002. - №2. – С. 64-66.

4. Брыков М.Н., Андрущенко М.И., Куликовский Р.А. Влияние легирования на износостойкость железоуглеродистых сплавов при абразивном изнашивании // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2006. - №2. – С. 59-62.

5. Зносостійкий сплав на основі заліза: Деклараційний патент на корисну модель: № 13949 Україна, МПК (2006) С22С 38/18 / М.М. Бриков, М.І. Андрущенко, Р.А. Куликовський; Заявл. 21.11.2005; Опубл. 17.04.2006, Бюл. №4. - 3с.

6. Андрущенко М.И., Куликовский Р.А., Брыков Н.Н. Восстановление наплавкой деталей с науглероженным поверхностным слоем // Доклады Всероссийской науч.-техн. конф. “Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве”. – М.: “МАТИ” - РГТУ им. К.Э. Циолковского. – 2003. – С. 104-107.

7. Андрущенко М.И., Куликовский Р.А., Брыков Н.Н. Основные принципы выбора и создания материалов, обладающих способностью к упрочнению в процессе безударного абразивного изнашивания // Зб. наук. пр. IX Міжнар. наук.-техн. конф. “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів”. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2003. – С. 26-28.

8. Куликовский Р.А., Андрущенко М.И. Особенности разработки и применения материалов с метастабильным аустенитом для наплавки штампов пресс-форм // Тезисы док. Республик. науч.-метод. конф. “Современные проблемы сварки, наплавки и материаловедения”. – Мариуполь: ПГТУ. – 2005. – С. 196-198.

9. Куликовский Р.А., Андрущенко М.И., Брыков Н.Н. Изменение способности сталей к упрочнению в процессе изнашивания в зависимости от структуры и химического состава // Тезисы док. Междунар. науч.-техн. конф. “Проблемы механики горно-металлургического комплекса”. – Днепропетровск: НГУ. – 2004. – С. 79-80.

10. Куликовский Р.А., Андрущенко М.И., Брыков М.Н. Особенности термообработки заэвтектоидных углеродистых и низколегированных сталей применительно к условиям абразивного изнашивания // Материалы Шестой ежегодной Пром. конф. с междунар. учасием “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. – п. Славское, Карпаты-Киев: УИЦ “Наука. Техника. Технология”. – 2006. – С. 416-418.

11. Андрущенко М.И., Куликовский Р.А., Резников А.А. Особенности восстановления штампов пресс-форм наплавкой // Доклады науч.-техн. семинара “Сварка и родственные процессы в промышленности”. – К.: Экотехнология. - 2006. – С. 60-63.

12. Куликовский Р.А., Андрущенко Д.М., Химич Ж.Н. Использование методов математической статистики при оценке условий абразивного изнашивания // Тези доп. наук.-техн. конф. “Тиждень науки”. – Том 1. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2006. – С. 183-185.

13. Куликовский Р.А., Андрущенко Д.М., Ничик А.Ю. Математическая модель изменения микротвердости поверхности трения сталей системы Fe-C-Cr // Тези доп. наук.-техн. конф. “Тиждень науки”. – Том 1. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2006. – С. 181-182.

14. Анализ подходов к выбору оптимального структурного состояния сталей системы Fe-C-Cr / Куликовский Р.А., Люшняк И.С., Коротнева А.А., Резников А.А. // Тези доп. наук.-техн. конф. “Тиждень науки”. – Том 1. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2006. – С. 186-188.

15. Андрущенко М.И., Куликовский Р.А., Брыков М.Н. Резервы повышения срока службы деталей оснастки для изготовления строительных изделий методом полусухого прессования // Материалы Шестой ежегодной Пром. конф. с междунар. учасием “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. – п. Славское, Карпаты-Киев: УИЦ “Наука. Техника. Технология”. – 2006. – С. 406-407.

АНОТАЦІЯ

Куликовський Р.А. Розробка зносостійких безкарбідних наплавочних матеріалів для експлуатації в умовах абразивного зношування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - Матеріалознавство. – Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2007.

В дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова і практична задача – розробка зносостійких безкарбідних наплавочних матеріалів, які одночасно з високим опором абразивному зношуванню мають достатній рівень експлуатаційної надійності. Це досягнуто за рахунок використання в якості наплавленого металу високовуглецевої низьколегованої сталі в безкарбідному стані, з великою кількістю в структурі метастабільного залишкового аустеніту. В роботі показано, що присутність в структурі сталі залишкового метастабільного аустеніту є необхідною, але недостатньою умовою високої здатності до зміцнення поверхні тертя в умовах абразивного зношування. Другою умовою підвищеної здатності до зміцнення і зносостійкості сталей з метастабільним залишковим аустенітом є високий вміст в ньому вуглецю при незначному вмісті легуючих елементів.

Показано, що при відновленні деталей низьколегованими високовуглецевими матеріалами для запобігання виділення карбідів необхідно примусове охолодження наплавленого металу, або додаткове його легування, яке дозволяє забезпечити достатню стійкість аустеніту при його охолодженні з одночасним збереженням його високої здатності до деформаційного зміцнення під час зношування.

Ключові слова: абразивне зношування, деформаційне зміцнення, метастабільний залишковий аустеніт, зносостійкість, мартенсит деформації, наплавлений метал, безкарбідний стан, швидкість охолодження.

АННОТАЦИЯ

Куликовский Р.А. Разработка износостойких бескарбидных наплавочных материалов для эксплуатации в условиях абразивного изнашивания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 – Материаловедение. – Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2007.

В диссертационной работе решена актуальная научная и прикладная задача – разработка износостойких бескарбидных наплавочных материалов, которые одновременно с высоким сопротивлением абразивному изнашиванию обеспечивают достаточный уровень эксплуатационной надежности. Это достигнуто за счет использования в качестве наплавленного металла высокоуглеродистой низколегированной стали в бескарбидном состоянии, с большим количеством в структуре метастабильного остаточного аустенита.

Изучены закономерности изменения фазового состава, степени упрочнения поверхности трения и износостойкости заэвтектоидных сталей системы Fe-C-Cr в условиях безударного абразивного изнашивания полузакрепленным абразивом, в зависимости от соотношения углерода и хрома в твердом растворе при полном отсутствии карбидов. Показано, что наличие в структуре сталей остаточного аустенита является необходимым, но недостаточным условием высокой способности к упрочнению поверхности трения и износостойкости в условиях абразивного изнашивания. Вторым условием повышенной способности к упрочнению и износостойкости сталей с метастабильным остаточным аустенитом является высокое содержание в нем углерода при незначительном содержании легирующих элементов.

Проведен сравнительный анализ способности к упрочнению и износостойкости в