ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ
АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Петренко Андрій Миколайович

УДК 621.791.92.042:669.018.25

ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ТА ТЕХНОЛОГІЧНОЇ МІЦНОСТІ ЗНОСОСТІЙКИХ СТАЛЕЙ СИСТЕМИ
C-Cr-Mn-Ti-Si

Спеціальність 05.02.01. – Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії (УІПА) Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Кальянов Владислав Миколайович, професор кафедри „Зварювального виробництва” Української інженерно-педагогічної академії, м. Харків

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор Скобло Тамара Семенівна, Харківський державний технічний університет сільського господарства, професор кафедри ремонту тракторів автомобілів та сільськогосподарських машин, академік ІАУ.

кандидат технічних наук, доцент Тарабанова Валентина Павлівна, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, доцент кафедри технології металів та матеріалознавства.

Провідна установа: | Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, Міністерства освіти і науки України, м. Харків, кафедра матеріалознавства і термічної обробки металів.

Захист відбудеться 31 травня 2007 р. о 12 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .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 25 квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, І.В. Кіяшко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливим напрямком машинобудування є підви-щення технічного рівня, якості і надійності вироблюваних машин і їх експлу-атаційної довговічності.

Дослідження, які спрямовані на зниження енерго- і ресурсозатрат при від-новленні деталей, що інтенсивно зношуються, при одночасному підвищенні їх надійності і довговічності, останнім часом стали особливого актуальні.

Проблеми підвищення опору абразивному і ударно-абразивному зно-шуванню деталей і робочих органів машин розв'язується шляхом розробки нових і вдосконалення наявних зносостійких матеріалів, підвищенням якості і продуктивності робіт при відновленні зношених і виготовленні нових дета-лей. Зношування правомірно пов'язане з матеріалом деталей і можливістю управління їх структурою, прогнозуванням і підвищенням властивостей. Найбільш істотне значення для вирішення проблеми має розробка нових високотехнологічних матеріалів, які одночасно з високими показниками зносостійкості, мають ви-соку технологічну міцність, не вимагають термічної обробки, до-бре обробляються.

Великий внесок у цій області зробили: Богачьов І.М., Лившиц Л.С., Курдюмов Г.В., Попов В.С., Фрумін І.І., Филипов М.А., Данильченко Б.В., Самсонов Г.В., Д’яченко С.С., Кальянов В.М., Рябцев І.А., Малінов Л.С. та інш.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках державної бюджетної теми №6118 Української інже-нерно-педагогічної академії “Дослідження і розробка нових ресурсозберіга-ючих технологій, матеріалів і устаткування для зварювання, наплавлення і паяння” №4/3 „Дослідження та розробка конкурентноздатних матеріалів, технологій та обладнання, що забезпечують економію енергетичних та мате-ріальних ресурсів” – в 2003-2006 р., і госпдоговірної теми: “Дослідження і опрацьовування питання заміни порошків для газотермічного напилення фір-ми Кастолін на Українські”

Мета дослідження. Метою роботи є розробка зносостійких економнолегованих сталей системи C-Mn-Cr-Ti-Si, що забезпечують оп-тимальне поєднання зносостійкості і технологічності відновлюваних деталей для умов інтенсивного абразивного зношування.

Об'єктом дослідження в даній роботі є процес відновлення і зміц-нення деталей нанесенням зносостійких шарів методом наплавлення.

Предметом дослідження є особливості формування структури і влас-тивостей зносостійких матеріалів, способи підвищення їх зносостійкості і опірності до утворення тріщин та відшаровувань.

Методика досліджень. Методологія досліджень включала проведення теоретичних і експериментальних оцінок по обґрунтуванню використання рекомендованого матеріалу, забезпечення високої зносостійкості і опірності до утворення тріщин. Основні завдання роботи розв'язувалися розрахунковими і експериментальними методами. Розробка складу зносостійкої сталі проводи-лася з використанням сучасних методів планування експерименту і комп'ю-терного моделювання. Для оцінки зносостійкості, стійкості до утворення тріщин і відшаровувань проводили лабораторні і виробничі випробування, досліджували механізм і кінетику формування зносостійкого шару в процесі його нанесення і абразивного зношування.

При проведенні досліджень використані методи визначення механічних властивостей, структури, зносостійкості, розподілу легуючих елементів між фазами у робочому шарі і в перехідних зонах сплавлення і проплавлення, методи оптичної і електронної мікроскопії, дилатометричні дослідження.

Відповідно до поставленої мети сформульовані наступні завдання дослідження:

- Розробити економнолегований зносостійкий наплавлений метал і ресурсо-зберігаючу технологію його нанесення для відновлення дета-лей, що інтенсивно зношуються.

- Дослідити вплив складу, структури сталей системи C-Mn-Cr-Ti-Si на опірність зношуванню. Побудувати математичні моделі ком-плексного легування для прогнозування зносостійкості і знаходження необхідного хімічного складу металу при заданому рівні експлуатацій-них і технологічних властивостей.

- Дослідити кінетику і механізм формування вторинної структури те-ртя, оцінити ступінь і характер протікаючих процесів зміцнення мате-ріалу. Дослідити вплив контактних навантажень при терті на струк-туру і службові властивості. Використати ефект зміцнення як одні з механізмів підвищення зносостійкості.

- Оцінити структуру, склад наплавленого металу, зон сплавлення і проплавлення, ступінь і характер протікання дифузійних процесів, які значною мірою визначають напруження, що виникають в різних зонах наплавлення, схильність до утворення тріщин і відшаровувань. На основі за-кономірностей формування структури металу зон сплаву знайти заходи запобігання утворенню тріщин і відшаровувань.

- Використовувати отримані результати для розробки самозахис-ного порошкового дроту, призначеного для відновлення деталей, що працюють в умовах інтенсивного абразивного зношування. Провести виробничі випробування розроблених матеріалів.

Наукова новизна результатів досліджень:

- Розроблено моделі прогнозування зносостійкості сталей системи C-Mn-Cr-Ti-Si. Встановлено взаємозв'язок хімічного складу з абразив-ною зносостійкістю.

- Встановлено закономірності формування структури і властивостей зносостійких сталей системи C-Mn-Cr-Ti-Si. Запропоновано і використано загальну схему утворення тріщин затри-маного руйнування і відшаровування в зоні сплавлення і проплавлення, у якій враховуються: наклеп метастабільного аустеніту унаслідок тимча-сових деформацій, зміна деформацій і напружень при бейнітному і мартен-ситному перетвореннях, відношення інтенсивності виділення енергії пружних деформацій до опору зростанню тріщин.

- Встановлено, що структура з маловуглецевого метастабільного аусте-ніту, як основи, в поєднанні з дисперсною фазою у ви-гляді карбіду титану (10%) забезпечує найбільш високу здатність до зміцнення і зносостійкість.

- Визначений склад наплавленого металу типу 100Х9Г8Т4С який в комплексі забезпе-чує оптимальні показники зносостійкості і стійкості до утворення трі-щин.

Практична значимість отриманих результатів.

Розроблено порошковий дріт рутил-флюоритного типу, що забезпечує хороші технологічні властивості і високі коефіцієнти засвоєння легуючих елементів, який призначається для відновлення деталей, що працюють в умовах інтенсивного зношування. Використання розробленого матеріалу і запропонованої технології відновлення забезпечує високу зносостійкість при відновленні деталей, дозволяє значно понизити: вартість основних матеріалів (за рахунок збільшення коефіцієнтів засвоєння ле-гуючих елементів), витрату енергоносіїв (за рахунок виключення дорогих операцій підігріву і термічної обробки), витрату електроенергії (за рахунок зниження питомих витрат при нанесенні), трудомісткість механічної обробки після відновлення.

При використанні розробленого матеріалу в сукупності з пропонова-ною ресурсозберігаючою технологією відновлення деталей досягнуто підви-щення довговічності за рахунок підвищення зносостійкості в 1,5-4 рази.

Виробничі випробування і впровадження результатів досліджень проведені на ВАТ "Турбоатом", м. Харків, відновленням ковшів роторної піскометної установки і відновленням ковальських бойків МС-23656, МС-17185, призначених для кування державок різців і крейцмейселей.

Достовірність отриманих результатів, висновків і рекомендацій за-безпечена:

Ретельністю проведення експериментів, порівнянням отриманих ре-зультатів з результатами інших авторів і виробничих випробу-вань; використанням апарату математичної статистики при обробці результа-тів експериментів; використанням різних методів, як в розрахункових, так і експериментальних дослідженнях і зіставленням результатів, одержаних різ-ними методами.

Особистий внесок автора:

Особисто автором досліджено вплив вмісту хімічних елементів та фазового складу наплавленого металу на його здатність до зміцнення у поверхневому шарі. Розроблено математичну модель для прогнозування властивостей наплавленого шару. Підтверджено можливість використання загальної схеми утворення тріщин затриманого руйнування і відшаровування, у якій враховано зміцнення метастабільного аустеніту внаслідок тимча-сових деформацій, зміни деформацій і напружень при бейнітному і мартен-ситному перетвореннях, відношення інтенсивності виділення енергії пружних деформацій до опору зростанню тріщин. Розроблено принципи раціонального вибору хімічного складу економнолегованого зносостійкого наплавленого металу з низькою схильністю до утворення тріщин. Розроблено математичну модель штучної нейронної мережі для розробки складу наплавочного матеріалу з регламентованими властивостями. Проведені промислові випробування.

Апробація результатів дисертації: Основні результати роботи докла-далися на Всеукраїнських і міжнародних конференціях: 6-а Міжнародна нау-ково-технічна конференція “Устаткування і технології термічної обробки ме-талів і сплавів в машинобудуванні” ОТТОМ-6 (Харків 2005), 3-я Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми технічного сервісу сільськогос-подарської техніки” (Харків 2004), 2-а Міжнародна науково-практична кон-ференція “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (Ха-рків 2003), 2-а Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених і фахівців “Зварювання і суміжні технології” (Київ 2003), 3-я Міжнародна конференція із зварювальних матеріалів СНД “Зварювальні матеріали. Роз-робка. Технологія. Виробництво. Якість” (Дніпропетровськ 2004), і спеціалі-зованих наукових семінарах кафедри зварювального виробництва Українсь-кої інженерно-педагогічної академії.

Публікації. За підсумками проведених досліджень опубліковано 9 ста-тей в наукових виданнях, зокрема 6 статей в профільних виданнях ВАК, оде-ржано позитивне рішення по заявці “Сталь” на патент 2003032579.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

В першому розділі виконано аналіз методів, устаткування, технологіч-них процесів і матеріалів, що використовуються для відновлення і підви-щення довговічності зношених деталей.

Найбільш поширеним видом зношування є абразивне, що відбувається за умов дії абразивних часток, викликаючи зношування гірничо-видобувного та металургійного обладнання, сільскогосподарьського приладдя, деталей зем-лесосів, піскоструйних апаратів і багатьох інших машин. Для відновлення зношених деталей або підвищення зносостійкості, розроблено велику кількість матеріалів, од-нак, їх застосування недостатньо ефективне. Для відновлення широко вико-ристовують сплави з мартенситною, мартенситно-бейнітною, метастабільною аустенітною матрицею. Основними легуючими елементами, які використо-вуються є вуглець, хром, марганець, кремній, бор, також часто використову-ють нікель, ванадій, молібден, титан та інші.

Для зниження інтенсивного абразивного зносу необхідно забезпечити достатньо високу твердість матеріалу (принаймні у поверхні), що зношу-ється, зберігши при цьому достатній рівень пластичності і стійкість проти утворення тріщин. В умовах постійно зростаючого дефіциту при-родних ресурсів важливу роль відіграє раціональне й ощадливе їх викорис-тання.

Однією з найбільш перспективних груп сплавів, що використовуються для умов абразивного зношування є метастабільні аустенітні, аустенітно-марте-нситні хромомарганцеві сталі на базі C-Cr-Mn з додатковим легуванням.

При нанесенні зносостійких шарів з аустенітно-мартенситною структу-рою на деталі з вуглецевих і легованих сталей, схильних до утворення гарті-вних структур в зоні термічного впливу, регулюванням положення точки ма-ртенситного перетворення (<200оС), досягається зміна рівня напружень у шарі, що дозволяє проводити відновлення деталей без операцій попере-днього, супутнього підігріву і виключати подальшу термічну обробку. Утво-рення значної кількості продуктів розпаду аустеніту забезпечує йому комплекс механічних властивостей з високими характеристиками міцності при достатньому рівні пластичності і в'язкості.

Найбільш небезпечним дефектом зносостійкого шару є тріщини в зонах термічного впливу, проплавлення, сплавлення, приблизно еквідистантні пе-рехідній зоні. Утворення таких тріщин призводить до відшаровування зносо-стійкого шару, як до початку експлуатації, так і при роботі деталей.

Відшаровування відбувається як відкол по зоні проплавлення, рі-дше – зоні термічного впливу, або відрив у перехідній зоні. Виникнення і роз-виток відколів і відривів є характерним прикладом сповільненого руйнування високовуглецевих легованих сталей з мартенситною або бейнітно-мартенси-тною структурою, для яких основними чинниками зміни схильності до холо-дних тріщин є поєднання структур різних зон наплавленого шару і діючі в ньому на-пруження.

Значна частина інформаційних матеріалів присвячена питанням підви-щення зносостійкості наплавленого металу шляхом легування. Це по-в'язано з тим, що даний напрямок дозволяє істотно змінювати структуру металу (різновид та співвідношення структурних складових, морфологію та ступінь їхньої дисперсності), а, отже, і рівень фізико-механічних властивос-тей. В даний час найбільш поширені зносостійкі сталі на базі C-Cr-Mn системи легування, як вітчизняні так і закордонні, містять у складі 0,5...2,5% С, 3...18%, 5…16% Mn. Разом з марганцем часто використовують нікель 1...4%. Карбідна фаза хромомарганцевих сталей представлена у біль-шості випадків карбідами хрому (Cr,Fe)23С6, (Сr,Fе)7С3, а структура матриці визначається ступенем легування.

У другому розділі запропонована послідовність проведення експери-ментів і теоретичних оцінок для вирішення поставлених задач і досягнення мети роботи. Для досліджень використано сучасне устаткування і методи аналізу.

Оцінку величини зношування оцінювали за методиками, що відповіда-ють найбільш поширеним умовам інтенсивного зношування. Для порівняль-ної оцінки величини зносу і побудови прогнозуючих моделей проводили ви-пробування на зношування по закріпленому абразиву із зерен SiC по схемі “палець-площина”. Подальші випробування на абразивне зношування про-водили на прошарку з гранітної крихти розміром від 0,5 до 2,0 мм або квар-цового піску (~200 мкм), а також в умовах пластичного контакту, що в значній мірі відповідає умовам роботи вели-кого числа деталей, зокрема, ковша роторного піскомета.

Комплексне дослідження структури, здатності до зміцнення у процесі тертя та схильності до утворення тріщин і відшарову-вання проводили з використанням сучасних методів досліджень: металогра-фічного, електронно мікроскопічного, рентгеноструктурного, дилатометрич-ного, хімічного, спект-рального, мікрорентгеноспектрального аналізів, визна-чення мікротвердості.

Розподіл хімічних елементів між фазами та в перехідній зоні вивчали за допомогою електронного мікроскопу JSM-820 “JEOL” з системою рент-генівського мікроаналізу LinkAN10/85S “Link Analytical” при збільшеннях 2200...3500 раз (локальність аналізу 1…2 мкм); мікроструктуру – до 7000.

Досліджено склади хромомарганцевого наплавленого металу з пере-важно метастабільно-аусте-нітною структурою основи і зміцнюючою фазою у вигляді карбідів титану (TiC) та хрому ((Cr,Fe)23С6). Також досліджували економнолеговані хромомарганцеві сталі з мартенситною або мартенситно-бейнітною основою леговані титаном і бором зміст яких змінювали в межах 0...6% і 0,1...1,60% відповідно.

Досліджували матеріали робочого шару хімічного складу у діапазоні: 0,3...1,25%С, 2,5...17,0%Сr; 7,00...13,0%Mn; 0,1...6,00%Ti; 0,6...2,5Si, а також ряд композицій з вмістом вуглецю до 3,00% і меншим рівнем легування хро-мом та марганцем.

У третьому розділі розроблено методологію теоретичних досліджень, що включає: вивчення основних факторів і оцінюючих критеріїв, що визна-чають експлуатаційну стійкість деталей зі зносостійкими шарами хромомар-ганцевого аустенітно-мартенситного металу, і спрямована на підвищення їх-ньої експлуатаційної довговічності та якості шляхом удосконалювання умов кристалізації робочого шару, формування складу, структури зносостійкого шару та перехідної зони, визначення залежності, що дозволяє прогнозувати зносостійкість металу даного діапазону легування, оптимізації хімічного складу матеріалу, а також побудови комп’ютерної моделі визначення хіміч-ного складу, виходячи з бажаних значень експлуатаційних власти-востей та структури, тобто, вирішуючи обернену задачу за схемою „власти-вість-склад”.

Наведені методики теоретичних оцінок формування структури робочих шарів, протікання дифузійних процесів між наплавленим шаром і основою, що визна-чають структури і напружений стан у зоні сплавлення і, у свою чергу, схиль-ність до утворення тріщин та відшаровувань.

Розрахунковий розподіл елементів добре збігається з розподілом вимі-ряним методом мікрорентгеноспектрального аналізу, а також металографіч-ними даними (рис. , рис. ). Зона неоднорідності має ширину 15...30 мкм і залежить здебільшого від режиму нанесення зносостійкого шару.

Відшарову-вання спостерігалося при вмісті в зоні проплавлення 0,4...0,7% C і 4...7% Cr. У хромистих і хромомарганцевих сталей з під-вищеним вмістом вуглецю руйну-вання може виникати у зоні “світлої ділянки”, яка утворюється унаслідок змішування різнорідних металів і дифузії.

Розподіл хімічних елементів у перехідній зоні визначається загальною задачею дифузії у двох середах за умови певних граничних умов:

1. для ; для

2.

3.

Рис. 1. Розрахункові і експериментальні дані розподілу хімічних елементів твердого розчину (лінії – розподіл за розрахунком, точки – експериментальні вимірювання)

Підвищена схильність до відшаровування має місце для високовугле-цевих хромомарганцевих сплавів з мартенситною або мартенситно-бейніт-ною структурою з часткою залишкового аустеніту в зоні проплавлення <40% і у верхніх шарах >70...80%. Додаткове легування титаном сприяло запобіганню тріщиноутворення по зоні проплав-лення, часткове відшаровування зносо-стійкого шару відбувалося в окремих випадках лише при надмірному збільшенні товщини покриття, або підвищенні концентрації вуглецю.

Для наплавлень, які містять 1% Ti при зміні вмісту вуглецю від 1,50% до 0,27% утворення тріщин практично повністю запобігається (кількість по-довжніх і поперечних тріщин зменшується в 4...10 разів). Аналогічний ре-зультат отриманий за рахунок збільшення вмісту титану до Ti/C2,5 для металу з 1,50% С. Таку дію титану, вочевидь, можна пов'язати з утворенням високотемпературного карбіду TiC і зменшен-ням частки незв'язаного вугле-цю ще до закінчення кристалізації.

При вмісті вуглецю в зоні проплавлення до 1% утворення “світлої ділянки” у зони сплавлення не відбувається. Для наплавленого металу із 1,5...2,7% С у зоні сплавлення спостерігається: світла ділянка (2630...3310 МПа), розташована перева-жно у верхній частині, і ділянка голчатої будови (4910...5670 МПа), що при-микає до основного металу у лінії сплавлення.

Ширина зони “світлої ділянки” мало змінюється при збільшенні кон-центрації до 2,70% С (з 25 до 34 мкм). Унаслідок додаткового легування бором до 0,25% ширина цієї зони залишається практично незмінною, а мікротвердість збільшується з 2520 МПа до 3630 МПа.

а. б.

Рис. 2. Характер розповсюдження тріщин–відшаровувань в перехідній зоні зносостійкого шару з вуглецевою легованою сталлю, 100

При розробленні складу металу використовували методи математич-ного планування, оптимізацію отриманих моделей робили методами штраф-них функцій. Залежність параметрів оптимізації від складу сплаву шукали у вигляді полінома другого порядку, що враховує дію факторів у лінійних та квадратичних членах та сумісні дії факторів. Для одержання математичної моделі використовували ортогональній центрально-композиційний план типу В4. Після обробки експериментальних даних отримано нелінійні математичні моделі, що дозволяють оцінити експлуатаційні властивості наплавлення у заданих межах зміни вмісту легуючих елементів Cr, Mn, Ti, С.

Після обробки експериментальних даних методами багатомірного ре-гресійного аналізу з послідовним відсіванням незначущих перемінних на рі-вні значимості 5% було отримано наступну математичну модель:

E –3,09 + 0,541Cr + 0,661Mn – 0,917Ti + 3,69C – 0,0193Cr2 –
–0,0256Mn2 + 0,0808Ti2 – 1,59C2 + 0,0717CrC –
– 0,245MnC + 0,682TiC

де Е – відносна зносостійкість.

Для визначення оптимального складу використовували методи нелінійного програмування. Задачу вирішували методом прямого пошуку, як задачу безумовної оптимізації функції багатьох змінних з урахуванням пря-мих обмежень.

Аналіз отриманих залежностей для відносної зносостійкості показує, що найбільші по величині коефіцієнти відносяться до хрому і вуглецю, при цьому більш інтенсивне підвищення зносостійкості досягається при менших концент-раціях. Титан супротив має позитивний вплив лише при більших концентра-ціях >3%. З сумісних позитивна дія (CrC) і (TiC) пояснюється збільшенням частки карбідів TiC і Cr23C6. Негативний вплив при сумісній дії (MnC) можна пояснити стабілізацією високолегованого аустеніту по відно-шенню до деформаційного мартенситного перетворення.

Для побудови комп'ютерної моделі прогнозування комплексного легу-вання металу C-Cr-Mn-Ti-Si, що апроксимує експериментальні дані, ви-користовували методи колективних обчислень в нейронних мережах. На від-міну від методів статистичного планування для побудови такої моделі можна використовувати будь-які дані в т.ч. неповні і суперечливі, а також описувати залежності складніші ніж квадратичні ґрунтуючись на обчисленні лінійних і нелінійних функцій однієї змінної і їх суперпозиції і відомій теоремі про представлення будь-якої безперервної функції n-змінних:

де і безперервні спеціальні і вибирані функції однієї змінної.

При побудові топології мережі використовували алгоритм генетичної опти-мізації для знаходження структури мережі зворотного розповсюдження по-милки (з k-слоїв, nk-нейронів у шарі), що забезпечує рівень погрішності ме-нше 5%.

де – еталонні (експериментальні) значення; – функція виходу мережі; – значення входу; – підбирані методом зворот-ного розповсюдження на підставі і вагові коефіцієнти. При тестуванні одержаної моделі використовували експериментальні дані, що не використалися при побудові самої моделі. При цьому рівень погрішності для моделі прогнозування зносостійкості склав 0,1...12%, а для зворотного за-вдання до 25%.

Після оптимізації, комплексних досліджень і виробничих випробувань було обрано склад 100Х8Г7Т4С, що має найбільшу зносостійкість в умовах експлуатації.

У четвертому розділі вивчено вплив складу наплавленого металу системи C-Cr-Mn-Ti-Si на структуру та властивості, розподіл елементів між фазами та пере-різу шару.

Досліджено структури наплавлень, які нанесені на зразки із сталей: сталь , сталь та сталь 50ХНМ.

Структура 100Х8Г7Т4С (рис. ) складається з високолегованого аустеніту, дисперсних карбідів TiC і невеликої кількості карбідів хрому або (і) хромистої карбідної евтектики. Карбіди титану розміром (2...8  мкм) при частці в структурі 6...12% розташовані відносно рівномірно (як по тілу аусте-нітного зерна так і по границях зерен).

Розмір зерна аустеніту – 20...50 мкм. При цьому спостерігається нерівномірний розподіл елементів (табл. ). При зміні вмісту вуглецю 1,00...1,50% і хрому 6...10% структура змінюється від аустенітно-мартенситно-карбідної (рис. , г) до повністю аустенитної із знач-ною часткою евтектики розташованої по межах зерен (рис. , в).

а. б.

в. г.

Рис. 3. Мікроструктура сплаву 1,50%С, 8,2%Mn, 9,7%Cr, l,8%Si, 3,8%Ti (а) і (б) Ч3500, 600 (в), той же склад з вмістом вуг-лецю 0,72% 340 (г)

Встановлено, що наплавлення з основою маловуглецевого хромомарганце-вого метастабільного аустеніту і зміцнюючою фазою TiC мають високу здатність до зміцнення в умовах випробування на абразивне зношування.

На підставі експериментальних досліджень встановлено, що підви-щенню зносостійкості сприяє збільшення частки залишкового аустеніту і зміцнюючої фази у вигляді карбіду TiC. При цьому дисперсна фаза у вигляді TiC має більший вплив на величину зносостійкості металу з аустені-тною структурою, ніж з переважно мартенситною або бейнітно-мар-тенситною.

Таблиця 1

Розподіл легуючих елементів між фазами

Фаза | Вміст елемента, % (мас.) | Мікротвердість, Hµ, МПа | Розмір, мкм

Cr | Mn | Ti | Si

1 | Аустеніт | 7,00 | 6,78 | 0,37 | 1,73 | 3620…4140 | 25…50

2 | Евтектика | 13,7 | 9,38 | 0,59 | 1,91 | 5820…6710 | -

3 | Карбіди | 1,74 | 0,70 | 91,9 | 0,151 | - | 2…8

Рис. 4. Зміцнення поверхні тертя сплаву 100Х8Г7Т4С;

1. – мікротвердість поверхні, 2. – глибина зміцнення, 3. – знос

Максимальна зносостійкість і мікротвердість (Hµ), відмічається на глибині 3,2 мкм від поверхні. Здатність до зміц-нення, що характеризується відношенням мікротвердості поверхні після дії зношування до результатної (Hµ/Hµ0), досягається при повністю аустеніт-ній структурі матриці (табл. 2, рис. ).

В результаті обробки експериментальних даних встановлено, що існує чіткий кореляційний зв’язок (коефіцієнт кореляції – 0,963) між часткою за-лишкового аустеніту та відносною зносостійкістю досліджених зразків. Для наплавлень із вмістом титану 3...4% та співвідношенням Ti/C4 – (від-повідає стехіометрії карбіду TiC), маловуглецевою хромомарганцевою мат-рицею і змінним вмістом залишкового аустеніту. Встановлено залежність відносної зносостійкості за умов випробування по закріпленому абразиву із зе-рен SiC і в абразивному прошарку на машині Хауорта від вмі-сту останнього, що мають вигляд:

де А – доля аустеніту в структурі, %.

Таблиця 2

Механічні властивості та відносна зносостійкість наплавлень, що містять 0,75...1% С, 2,7...4,02% Ti, 3,5...9% Cr, 8,3...9,4% Mn з різною часткою залиш-кового аустеніту

Частка залишкового аустеніту, %

12 | 50 | 72 | 85 | 90

Мікро-твердість, МПа | 2910…3180 | 3010…3340 | 4030…4410 | 4700…5010 | 4550…4780

Hµ, МПа | 4020…4360 | 6520…7120 | 4970…8370 | 9010…10020 | 10020…13400

Hµ/Hµ0 | 1,15 | - | - | 2,45 | 2,64

(SiC) | 2,05 | 2,34 | 3,72 | 3,89 | 4,08

(SiO2) | 2,85 | 3,49 | 7,70 | 9,30 | 8,89

SiC, SiO2 – склад абразивного матеріалу.

Залежності зносостійкості від вмісту титану для сплавів з переважно аустенітною та мартенситною маловуглецевою матрицею дещо різні. Для до-сліджених зразків із вмістом Ti = 0...6% при дотриманні умови (Ti/C4), тобто збереженні маловуглецевої основи сплаву залежності мають вигляд:

Також визначено, що між максимальною величиною мікротвердості поверхневого шару та відносною зносостійкістю існує досить чіткий зв’язок (коефіцієнт кореляції – 0,9), залежність близька до лінійної і приблизно ви-значається співвідношенням 3,4710-4Hm. Але ця залежність зберігається для наплавлень з приблизно однаковою часткою зміцнюючої фази.

Легування бором понад 0,25% приводить до появи евтектики гамма-заліза з маловуглецевим карбідом (Cr,Fe)23C6 (рис. 5). Встановлено вплив підвищення вмісту бору (до 1,6%) на фазовий склад, мікротвердість евтектики. Інтегральна тве-рдість зносостійкого шару однакова, як в наплавленнях без титану, так і при ле-гуванні цим елементом. Частка евтектики зростає пропорційно вмісту бору (40,8•%В і 31,1•%В для вмісту 0,2 і 3,0% Ti відповідно), а мар-тенситно-аустенітної матриці зменшується. Одноразово мікротвердість евтектики зрос-тає (2,1103+4,12103•%В і 3,26103+2,83103•%В). Виразно виявляється вплив концентрації титану на частку і мікротвердість евтектики. Твердість зміню-ється з 50...52до 56...62

а. б.

Рис. 5. Мікроструктура хромбортитанового металу з вмістом титану 0,25% і 3%. а 200, б 340

П’ятий розділ присвячений аналізу експлуатаційної стійкості відновле-них деталей з робочим шаром з хромомарганцевого зносостійкого металу із зміцнюючою фазою – карбідом титану і маловугелецевою основою й оцінці економічної ефективності розробок.

Застосування розробленого матеріалу при відновленні деталей роторного піскомету на ВАТ „Турбоатом” замість застосовуваних по існуючій техноло-гії електродів ЦЛ-11 і УОНИ 13/НЖ дозволило підвищити їхню стійкість у 4 рази. Таке підвищення експлуатаційної стійкості досягається викорис-танням ефекту зміцнення сплавів з метастабільним аустенітом (для робочих поверхонь ковша піскомета – 6210...8740 МПа ), формуванням високотвердої дисперсної зміцнюючої фази з карбіду титану, забезпеченням однорідної структури по перетину робочого шару, її здрібненням за рахунок модифіку-вання, а також за рахунок високої стійкості до утворення тріщин та відшаро-вувань зносостійких слоїв, що у свою чергу забезпечило високу надійність та рівномірність зношування відновлених деталей та можливість виключення технологічних операцій попереднього і супутнього підігріву. Високі показ-ники стійкості до відшаровування при нанесенні на деталі з матеріалів схи-льних до утворення гартівних структур у поєднанні з досить високими меха-нічними характеристиками пластичності дозволили використати хромомар-ганцевий сплав з пониженим вмістом вуглецю (<0,25), додатково легований молібденом для забезпечення дисперсійного твердіння при старінні (450оС) для відновлення ковальських бойків із інструментальних сталей 50ХНМ і 50ХНВ на ВАТ „Турбоатом” з підвищенням їх стійкості у 1,5...1,7 рази. Порівняльні випробування у виробничих умовах провели для ряду відомих зносостійких матеріалів 12Х13, 08Х18Н9Г2Б, 300Х28Н4С4, 320Х23С2ГТФ і 100Х8Г7Т4С3, з яких розроблений мав найбільшу зносостійкість.

Оцінка економічної ефективності застосування розробок показала, що за-пропоновані матеріали дозволяють знизити витрати за рахунок скорочення витрат в середньому у 3 рази. Економічна ефективність при впровадженні результатів розробок складе 7,15 грн/грн., а річний економічний ефект – 25,5 тис. грн. З рахунком того, що розроблена технологія може вико-ристовуватись значний період, дисконтований прибуток складе 144 тис. грн.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації приведено теоретичне узагальнення і нове рішення науко-вого завдання, що полягає у вдосконаленні зносостійкого наплавленого металу, який призначається для відновлення деталей, шляхом використання різних методів підвищення зносостійкості і стій-кості до відшаровування. Це досягається при використанні хромомар-ганцевого маловуглецевого аустеніту у якості основи металу з високою здатністю до зміцнення в процесі зношування, і зміцнюючої фази, що складається переважно з карбіду титану.

2. За використання у якості параметру оптимізації зносостійкості, методом багатофакторного експерименту, розроб-лений склад зносостійкого сплаву 100Х8Г7Т4С для умов інтенсивного абразивного зношування. Ефективним методом, що забезпечує меншу, в порівнянні із статистич-ними методами планування, величину відхилення розрахункових даних від експе-риментальних, є метод штучних нейронних мереж.

3. Структура сплаву 100Х8Г7Т4С складається з високолегованого аустеніту диспе-рсних карбідів (TiC) і невеликої кількості хромистої карбідної ев-тектики.

4. Підвищена схильність до відшаровування характерна для високовуглеце-вих хромомарганцевих зносостійких шарів з мартенсит-ною або мартенситно-бейнітною основою при вмісті залишкового аустеніту менше 40% і більше 80% у верхній частині. Відшаровування зносостійкого шару розвивається як затри-мане руйнування металу зон проплавлення і сплаву з мартенситною або бейнітно-мартенситною структурою.

5. Попередження відшаровувань досягається: зближенням фазового складу металу верхніх шарів і зони проплавлення, зменшенням вмісту вільного вуглецю у розчині і форму-ванням маловуглецевої хромомарганцевої матриці.

6. На підставі експериментальних досліджень встановлено, що підви-щенню зносостійкості сприяє збільшення частки залишкового аусте-ніту і частки зміцнюючої фази у вигляді карбіду TiC. При цьому дис-персна фаза у вигляді TiC має більший вплив на величину зносостійко-сті металу з аустенітною структурою, ніж сталей з переважно мартен-ситною або бейнітно-мартенситною структурою. Максимальна зносо-стійкість досягається при повністю аустенітній структурі матриці. Зносостійкі сталі 30Х10Г10 і 100Х8Г7Т4С з повністю аустенітною структурою матриці мають практично однакову здатність до зміцнення в поверхневому шарі (H ...11000 МПа і H ...12000 МПа відповідно) проте по зносостійкості 100Х8Г7Т4С більш ніж в 2 рази перевершує 30Х10Г10, що свідчить про високу ефективність зміцнення карбідом TiC при вмісті останнього в структурі ~10%.

7. Визначений склад сердечника самозахисного порошкового дроту: гра-фіт – 1,65%, феромарганець – 13,3%, феротитан – 41,0%, ферохром – 22,1%, феросиліцій – 0,24%, залізний порошок – 10% з газошлакоутво-рюючою частиною рутил-флюоритного типу – 11,7%. Розроблений дріт забезпечує зносостійкий шар складу: 0,8...1,2% С, 7,2...9,4%6,4...7,8%3,2...4,3%Ti, 1,5...2,2%

8. Розроблений зносостійкий матеріал пройшов виробничі випробування в умовах роботи ковшів роторної піскометної установки і ковальських бойків ВАТ “Турбо-атом” і показав підвищення зносостійкості наплавлених деталей в 1,5...4 рази у порівнянні з деталями відновленими за заводською технологією.

СПИСОК ПУБЛИКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Петренко А.Н., Кальянов В.Н. Наклеп и изнашивание Fe-C-Cr-Mn-Ti-Si Fe-C-Cr-B-Ti сплавов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2006. – №1. – С. .

2. Кальянов В.Н., Багров В.А., Петренко А.Н., Влияние свойств высокоуглеродистого метастабильного аустенита на износостойкость наплавленного металла / Вісник ХДТУСГ. Вип.14. – 2003. С. .

3. Кальянов В.Н., Багров В.А., Петренко А.Н. Современное направление для разработки ресурсосберегающих сплавов работающих в условиях абразивного и механического изнашивания и технологии их наплавки / Вісник ХДТУСГ. Вип.15. – 2003. С. .

4. Кальянов В.Н., Петренко А.Н. Износостойкость наплавленного металла с повышенной долей карбида титана // Автоматическая сварка. 2004. №12. С. .

5. Кальянов В. Н., Петренко А. Н. Износостойкий наплавленный металл системы C-B-Ti-Ni / Вісник ХДТУСГ. Вип.26. – 2004. С. .

6. Кальянов В.Н., Петренко А.Н. Предупреждение холодных трещин и отслаиваний при наплавке сплавами системы Fe-C-Cr-Mn-Ti // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2005. – №3. – С. .

7. Кальянов В.Н., Багров В.А., Петренко А.Н. Порошковые проволоки для наплавки сплавами с безуглеродистой мартенситно-стареющей матрицей / Сварочные материалы. Разработка. Технология. Производство. Качество. Сб. докл. 3-й Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ. Днепропетровск, 1-4 июня 2004 г. – С.132-134.

8. Кальянов В.Н., Багров В.А., Петренко А.Н. Керамические флюсы для сварки и наплавки хладостойких сталей высокой прочности / Сварочные материалы. Разработка. Технология. Производство. Качество. Сб. докл. 3-й Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ. Днепропетровск, 1-4 июня 2004 г. – С.200-204.

9. Кальянов В.Н., Петренко А.Н. Экономнолегированные технологичные сплавы стойкие к абразивному изнашиванию / Функциональные покрытия для повышения качества поверхностей изделий машиностроения. Сб. докл. 7-й Международной научно-технической конференции ОТТОМ-6. Харьков, 24-28 апреля, 2005 г. – С. .

У роботах, опублікова-них в співавторстві, особистий внесок полягає в проведенні комплексних до-сліджень по розробці і випробуванням наплавленого металу C-Cr-Mn-Ti-Si, впливу частки метастабільного аустеніту, змісту карбіду титану і бору на величини і розкид значень мікротвердості і зносостійкості; дослідження структури складу і властивостей C-Cr-Mn-Ti-Si, C-Cr-Ti, C-Cr-Ti-B у початковому стані, вторинної структури і перехідних зон; застосування схеми утворення тріщин затриманого руйнування в зоні сплавлення до C-Cr-Mn-Ti-Si, C-Cr-Ti, C-Cr-Ti-B наплавленого металу. Побудова і чисельна реалізація математичних моделей комплексного легування та регресійні залежності для прогнозування зносостійкості.

АНОТАЦІЯ

Петренко А.М. Підвищення зносостійкості і технологічної міцності зносостійких сталей системи C-Cr-Mn-Ti-Si. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.01 - Матеріалознавство. – Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків 2007.

У дисертації сформульоване і виконане нове рішення наукової задачі, яка полягає в удосконаленні зносостійкого наплавленого металу, що призначається для відновлення деталей, шляхом використання різних методів підвищення зносостійкості і стійкості до відшаровування. Це досягається при використанні хромомарганцевого маловуглецевого аустеніту як основи металу з високою здатністю до зміцнення в процесі зношування, і зміцнюючої фази, що складається переважно з карбіду титана.

Проведено дослідження зносостійкості сплавів на основі C-Cr-Mn-Ti-Si, C-Cr-B. Побудовано математичні моделі для прогнозування зносостійкості. Визначено оптимальний хімічний склад – 100Х8Г7Т4С.

Висока здатність до нагартування й утворення мартенситу деформації ефективно зміцнює поверхневий шар, підвищуючи його зносостійкість. Мікротвердість приповерхнього (3,2 мкм від поверхні) шару 100Х8М7Т4С після проходження 1500 м шляху тертя досягає 1000…1200 МПа, і перевищує значення мікротвердості ряду інших, досліджених у роботі зразків даної системи легування, і подібних матеріалів 110М13, 30Х10М10.

Доведено, що підвищена схильність до відшаровування є характерною для високовуглецевих хромомарганцевих зносостійких шарів з мартенситною чи мартенситно-бейнітною основою при змісті залишкового аустеніту <40% і >80% у верхній частині.

Таким чином, одержала підтвердження основна ідея даної роботи про можливість використання декількох механізмів зміцнення в наплавленому металі 100Х8М7Т4С и підвищення стійкості до утворення тріщин і відшаровувань за рахунок зменшення змісту вільного вуглецю шляхом його зв'язування в TіС при співвідношенні Ti/C>4. При цьому стало можливим зниження вмісту карбідоутворюючих елементів (Cr) і виключення енергоємних і дорогих операцій попереднього і супутнього підігріву.

Для одержання наплавленого металу даного складу розроблений самозахисний порошковий дріт. Такий підхід дозволяє виключити використання дорогих і дефіцитних суцільних чи дротів електродів.

Результати досліджень пройшли промислові випробування на підприємстві ОАО “Турбоатом” при відновленні деталей ливарного і ковальського устаткування, які підтвердили їхню придатність для промислового використання.

Ключові слова: деформаційне зміцнення, метастабільний аустеніт, зносостійкість, абразивне зношування, наплавлений метал, тріщини, відшаровування, карбід титана.

АННОТАЦИЯ

Петренко А.Н. Повышение износостойкости и технологической прочности износостойких сталей системы C-Cr-Mn-Ti-Si. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. – Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков 2007.

В диссертации сформулировано и выполнено новое решение научной задачи, которая состоит в усовершенствовании износостойкого наплавленного металла, который предназначается для восстановления деталей, путем использования разных методов повышения износостойкости и стойкости к отслаиванию. Это достигается при использовании хромомарганцевого малоуглеродистого аустенита в качестве основы металла с высокой способностью к упрочнению в процессе изнашивания, и упрочняющей фазы, которая состоит преимущественно из карбида титана.

Проведены исследования износостойкости C-Cr-Mn-Ti-Si, C-Cr-B наплавленного металла. Построены математические модели для прогнозирования износостойкости. Определен оптимальный химический состав – 100Х8Г7Т4С.

На основании экспериментальных исследований установлено, что повышению износостойкости способствует увеличение доли остаточного аустенита и доли упрочняющей фазы в виде карбида Ti. При этом дисперсная фаза в виде TiС имеет большее влияние на величину износостойкости металла с аустенитной структурой, чем сталей с преимущественно мартенситной или бейнитно-мартенситной структурой.

Методами оптической и растровой электронной микроскопии, а также локальным микрорентгеноспектральным анализом изучен состав отдельных составляющих и структурные изменения, возникающие в поверхностном слое под воздействием процесса абразивного изнашивания, в том числе и при производственных испытаниях.

Показано, что повышенная склонность к отслаиванию характерна для высокоуглеродистых хромомарганцевих износостойких слоев с мартенситной или мартенситно-бейнитной основой при содержании остаточного аустенита <40% и >80% в верхней части.

Таким образом, получила подтверждение основная идея данной работы о возможности использования нескольких механизмов упрочнения в наплавленном металле 100Х8Г7Т4С и повышения стойкости к образованию трещин и отслаиваний за счет уменьшения содержания свободного углерода путем его связывания в TiС при соотношении Ti/C>4. При этом стало возможным снижение содержания карбидообразующих элементов (Cr) и исключение энергоемких и дорогостоящих операций предварительного и сопутствующего подогрева.

Для получения наплавленного металла данного состава разработана самозащитная порошковая проволока. Такой подход позволяет исключить использование дорогостоящих и дефицитных сплошных проволок или электродов.

Результаты исследований прошли промышленную апробацию на предприятии ОАО “Турбоатом” при восстановлении деталей литейного и кузнечного оборудования.

Ключевые слова: наплавленный металл, деформационное упрочнение, метастабильный аустенит, износостойкость, абразивное изнашивание, наплавленный металл, трещины, отслаивание, карбид титана.

ANNOTATION

Petrenko A.M. Increasing of wearing resistance and technological durability of wearproof steels C-Cr-Mn-Ti-Si alloying system. - the manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Science on specialty 05.02.01. -Material science. - The Kharkov National Automobile and Highway University, Kharkov, 2007.

This thesis deals with an elaboration of surfacing material for restoration of critical parts, which works in hard conditions of abrasive wear with high contact loading.

In terms of carried out investigations of C-Mn-Cr-Ti-Si alloying system the composition of the deposited metal has been optimized. Due to chosen contain of carbon, titanium, manganese and chromium in weld metal susceptibility of austenitic matrix to deformation martensitic transformation and strain hardening increased. Using of deformation martensitic transformation in parallel with strain hardening is an addition factor of its strengthening under contact loadings.

In terms of experimental researches was fixed, that increasing of wear-proofness is obtained by increasing fraction of a retained austenite and a fraction of a hardening phase – carbide TiC. Thus the dispersed phase in the form of TiС has major influence on wearing quality of metal with austenitic structure, than steels with mainly martensate or bainite-martensate structures. The maximal wearing resistance is achieved in case of completely austenitic structure of a matrix. Wearproof steels 30Х10Г10 and 100Х8Г7Т4С with completely austenitic structure of the matrix have practically identical hardening ability (Hm = 9800...11000 MPa and Hm = 10200...12000 MPa accordingly) nevertheless by wearing quality 100Х8Г7Т4С more than in 2 times exceeds 30Х10Г10, that takes in evidence high efficiency of hardening by carbide TiС in proportion ~10 %.

Thus, the basic idea of the thesis - possibility of using several strengthening mechanisms in deposited metal 100Х8Г7Т4С and increasing resistance of fracturing and breakaways due to reduction of the contents of free carbon by fixing in TiС in case of Ti/C> 4 has been confirmed. Thus there was possible decreasing the concentration of carbide-stabilizing