WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

«ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН Попов С.Н. ...»

-- [ Страница 2 ] --

Другими исследователями обнаруживалась определённая корреляция между износостойкостью и величиной предела текучести (GT) при изнашивании незакреплённым абразивом [53,61]. Однако строгое соблюдение закономерности сохранялось только для определённых сплавов после термообработки. Известны также исследования, в которых указывается на взаимосвязь износостойкости с прочностью [56,57], касательным напряжением среза [53,54], функцией квадрата коэффициента жёсткости решётки (К), определяемого из зависимости:

(3.2) где Н - постоянная Больцмана;

h - постоянная Планка;

m- масса частицы;

Q - характеристическая температура, величина постоянная для данного сплава.

Некоторые исследователи предпринимали попытки отыскать корреляционную связь износостойкости с величиной межатомных связей в решётке метала [62], а также на границе раздела между карбидной фазой и матрицей сплава [63,64].

Таким образом, взаимосвязь между износостойкостью металлов в условиях абразивного изнашивания и их физико-механическими свойствами, полученная в статистических условиях, является неоднозначной. Исходя из приведённых данных, следует, что причиной нарушения или несоблюдения зависимости износостойкости от физико-механических свойств материала является невозможность воспроизведения при стандартных испытаниях всей сложности схемы напряжённого состояния поверхности металлов и сплавов, возникающей при абразивном изнашивании. Естественно, износостойкость представляет собой комплексную характеристику, зависящую не только от набора физико-механических свойств сплава (твёрдости, прочности, степени искажения решётки и т.д.), но и от его химического состава, структуры, свойств составляющих абразивной среды и внешних условий трения.

3.2.2 ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ.

Для увеличения сопротивляемости сплавов абразивному изнашиванию в различных условиях эксплуатации, легирование является одним из наиболее эффективных путей повышения работоспособности деталей и срока их службы. [11,30,35,38,51,63,65]. Основным легирующим элементом, который определяет износостойкость материала, является углерод [38,62,66-72].

Влияние углерода на сопротивление металла изнашиванию существенно зависит от того, в каком виде он находится в сплаве, связан ли в специальные карбиды или растворён в твёрдом растворе [38,67,68]. Углерод является одним из главных компонентов влияющих на износостойкость сталей и сплавов, хотя в железе растворение его сопровождается уменьшением величины сил межатомной связи в феррите, аустените [115] и мартенсите [99].

С увеличением содержания углерода износ сталей уменьшается, однако только до эвтектоидной точки, дальнейшее его увеличение влечёт за собой снижение сопротивляемости металла абразивному воздействию за счёт ослабляющего влияния сетки карбидов. Высоколегированные, но малоуглеродистые стали обладают меньшей износостойкостью чем менее легированные но содержащие большее количество углерода. Влияние легирующих элементов на износостойкость определяется их взаимоотношением с углеродом. Целесообразность легирования износостойких сплавов во многом определяется содержанием в них углерода, в сочетании с которым эффективность влияния легирующих элементов существенно возрастает. Поэтому повышение концентрации углерода в легированных сплавах увеличивает их износостойкость, т.к. позволяет полнее реализовать возможности легирующих элементов.

С увеличением содержания углерода в стали, растёт коэффициент упрочнения аустенита при деформации, что обусловливается, выделением дисперсных карбидов из аустенита, протеканием процессов взаимодействия атомов углерода с дефектами кристаллического строения и изменением плотности и распределения дислокаций. При этом углерод сильно снижает мартенситную точку и при соответствующем его содержании обуславливает получение матрицы, способной при комнатной температуре к превращениям в процессе изнашивания, с образованием по плоскостям скольжения мелкодисперсных карбидов, что вызывает диссипацию энергии абразивных тел. Кроме того, эти карбиды увеличивают твёрдость и способствуют более равномерному распределению плотности дислокаций в изнашиваемом слое, что значительно повышает энергоёмкость металла, а, следовательно, и сопротивляемость сплавов изнашиванию абразивами.

Выбор концентрации углерода для износостойких материалов определяется из условий получения карбидов с высокой прочностью и малым удельным объёмом [69], образования наиболее твёрдого карбида [62,66,70], или образования необходимого количества упрочняющей фазы [71,72].

Легирование карбидообразующими элементами (хромом, ванадием, титаном, молибденом и др.), обуславливающие при достаточном количестве углерода образование специальных карбидов, вызывает прямо пропорциональное увеличение износостойкости сплава в зависимости от количества упрочняющей фазы [38,66,71]. В то же время, легирование низкоуглеродистых сталей карбидообразующими элементами хотя и увеличивает их твёрдость, но повышением износостойкости не сопровождается [66,72].

Значительное повышение твёрдости и износостойкости можно достичь при легировании сплава бором [66,73,74,75]. Обычно бор вводится в конструкционные стали в очень небольших количествах для измельчения зерна и увеличения прокаливаемости. Растворимость бора 0,082% - в феррите, аустените - 0,021%, в карбидах - 40%. Бор образует очень твёрдые карбиды (микротвёрдость В4С - 49,5 ГПа) [115] бориды и карбобориды.

Известно, что бор вызывает повышение твёрдости металла, главным образом за счёт интерметаллидов. Характерно, что исходная твёрдость сплавов, содержащих бор, сохраняется и при повышенных температурах.

При содержании бора в наплавленном металле свыше 0,4-0,5% наблюдается резкое уменьшение ударной вязкости и работоспособности. Наличие бора в сталях, имеющих ферритную структуру, сопровождается уменьшением сил межатомных связей и вследствие этого некоторым ослаблением способности металла противостоять абразивному воздействию. Бор, при его содержании в сплаве 0,4-0,5%, заметно повышает износостойкость, но одновременно в 6-9 раз снижает ударную вязкость.

На основе анализа влияния бора на строение и свойства износостойких сплавов в работе [66] указывается, что легирование хромистых, хромомарганцевых и хромовольфрамовых сплавов бором в количестве 0,15-0,25% нецелесообразно в связи со значительным уменьшением ударостойкости при относительно малом росте износостойкости.

Бор при его большом содержании, достаточно широко используется для повышения износостойкости наплавленного металла. Легирование бором в количестве до 1% применяется в промышленных наплавочных сплавах БХ, КБХ, Н8, а также Т-590, ХР-19, Т-620, КБХ-45.

Износостойкость наплавок согласно [66] повышается благодаря появлению твердых боридов и увеличению твердости хромистых карбидов. Влияние бора на свойства наплавленного металла зависит от содержания других легирующих элементов, в первую очередь, углерода и хрома.

Соотношение легирующих элементов и углерода в сплаве должно быть строго определенным.

Рекомендуемая массовая доля бора в металле колеблется в значительных пределах от 0,0015 до 6, % [66,73,78]. В одних работах указывается, что бор является активным аустенитизатором [79,80], в других отмечается его ферритизирующая способность [66]. Влияние бора на износостойкость сплава связывают не только с образованием боридов, карбоборидов, интерметаллидов [62,68,71,72,81], но и с измельчением зерна [82], повышением твердости, структурных составляющих, получением отбелённой структуры [88]. Обладая низким пределом растворимости в твёрдых растворах и - железа, бор значительно упрочняет их за счёт внедрения в кристаллическую решётку [84,85], однако приводит к сильному охрупчиванию металла [66,85,86].

Хром - один из базовых легирующих элементов, который широко используется в сплавах с углеродом и бором, существенным образом определяет их износостойкость [66,69,71,73,77,78,87,88]. Введение хрома в металл, обуславливает увеличение твердости карбидов типа Fе3С [84], повышает силы межатомных связей в кристаллической решётке карбидов [90,81], способствует образованию боридов, карбидов, карбоборидов [66,68,71,73,76,78,81,89,91,92].

Хром применяется для легирования большинства конструкционных, инструментальных, жаропрочных и других сталей и сплавов специального назначения. Известно, что хром, растворяясь в феррите до 30 % и аустените до 13 %, повышает прочностные свойства и твёрдость матрицы сплавов;

увеличивает стойкость карбидов типа Fе3С, (в которых он может растворятся свыше 23 %) против коагуляции и задерживает процесс снижения механических свойств при нагреве. Он способствует уменьшению износа прокатных валков режущего инструмента и штампов [116].

Введение хрома в сталь повышает силы межатомных связей в кристаллической решётке карбидов и феррита, однако рост величины этих характеристик отмечается при увеличении содержания хрома только до 8%, а дальнейшее увеличение хрома (до 16 %) не приводит к усилению межатомных связей [99].

При содержании в стали более 1% С и 3,5% хрома образуется сложный карбид (Сг, Fе)7С тригональная решётка которого характеризуется параметрами а= 13,89 кХ, С= 4,53 кХ. Твердость такого карбида достигает 14,0 -18,0 ГПа. Железо может замещать в Ме7С3 до 40 % хрома, что влечёт за собой снижение твёрдости карбида. Ме7С3 может растворяться в аустените, однако, в меньшей степени, чем Fе3С. В стали, содержащей углерод (до 1 %), а также Мо или W наряду с Ме7С образуется Ме23С6 твёрдость которого составляет 1000 - 1100 НV. В Ме23С6 до 30 % хрома может замещаться железом, что сопровождается увеличением растворимости карбида в аустените при 950 - 1100°С. В стали типа Х12ВМБФР (0,25 % V, 0,37 % Nb) карбиды хрома типа Ме23С растворяются полностью при закалке с температуры 1050°С.

В твёрдом растворе наиболее распространенных наплавочных материалов находится до 50 % хрома от общего его содержания в сплаве. Таким образом, влияние хрома в износостойких материалах может проявляться как за счёт карбидов, так и за счёт изменения свойств матрицы.

По комплексу технико-экономических факторов, которые приобретает сплав, содержащий хром, он является основным легирующим элементом износостойких наплавочных материалов. С целью обеспечения в наплавленном металле благоприятной для повышения износостойкости карбидной фазы, количество хрома должно выбираться в соответствии с содержанием углерода из условия Сr/С > 2% ат. или Сr/С>9% по массе.

Хром способствует блокированию дислокаций, образующихся при мартенситных превращениях, т.к. образует на дислокациях прочные атмосферы из атомов углерода. Хром делает более дисперсными выделяющиеся карбиды, повышает предел прочности стали не только при испытании на растяжение, но и на изгиб и сжатие, а также увеличивает сопротивление различным видам изнашивания, однако по-разному в конкретных условиях. При ферритной структуре увеличение содержания хрома до 11 % приводит к некоторому возрастанию износостойкости твёрдого раствора. Дальнейшее повышение количества хрома в феррите (до 20 %) не изменяет способности твёрдого раствора к сопротивлению изнашиванию. Введение хрома до 12 % в марганцовистый аустенит при содержании углерода 0,02 - 0,12 % приводит к весьма незначительному увеличению износостойкости в абразивной среде.

Положительное влияние хрома в износостойких сплавах обуславливается возможностью образования карбидов, при высокой дисперсности которых и равномерном распределении в матрице, увеличивается как интегральная твёрдость сплава, так и степень равномерности распределения дислокаций в рабочем слое. Оба фактора приводят к увеличению энергоёмкости и износостойкости сплавов. Однако ещё большее значение имеет способность хрома придавать матрице сплавов чувствительность к структурным превращениям при изнашивании. Известно, что хром является ферритизатором. В тоже время, сдвигая вправо линии с-образной кривой изотермического распада аустенита и понижая точку начала мартенситных превращений, хром создаёт возможность получения нестабильной аустенитной структуры, способной к превращениям под давлением абразивных тел в процессе изнашивания. Хром, стимулируя энергоёмкие процессы в сплавах при изнашивании, наиболее существенно влияет на износостойкость сплавов. Массовая доля хрома в металле определяется из отношения Сr/С, увеличение которого повышает сопротивляемость изнашиванию за счёт образования наиболее твёрдого карбида М23С6 [66,91 - 93]. Однако по данным работ [99,94], массовая доля хрома в сплаве более 15-20 % не приводит к повышению износостойкости.

Результаты исследований [66] показывают, что при массовой доле углерода больше 1,5 % и отношении В/С, равного 1,2 в наплавленном металле обычно образуется карбоборид М23(СВ)6, имеющий меньшую износостойкость, чем карбоборид М2(ВС), который появляется при массовой доле бора более 2 %. Дальнейшее увеличение количества бора в металле приводит к образованию карбоборида М(ВС). При малой массовой доле бора (до 1,5 %) и высокой массовой доле углерода (около 2,1-2,6 %) преимущественно избыточной фазой является карбид М7С3 [6673,92]. Наличие в основе сплава карбидов, боридов и др., обладающих высокой твёрдостью, которая равна или превышает твёрдость абразивных частиц, вносит определяющий вклад в повышение износостойкости материала [30,42,67,74,89,92]. Положительное влияние твёрдой фазы связано с полной или частичной потерей абразивными частицами режущих свойств [95,96]. Кроме этого, вокруг карбидов возникает локальное поле напряжений, которое тормозит перемещение дислокаций, что увеличивает сопротивление пластической деформации и разрушению микрообъёмов металла [38,81,92,96].

С позиции дислокационной теории, износостойкость сплава можно связать со следующим выражением [38,97,98,99,101]:

(3,3) где G- напряжение, необходимое для осуществления движения дислокации;

G- модуль сдвига;

В - вектор Бюргира;

Z- расстояние между частицами твёрдой фазы в плоскости скольжения.

Простой анализ представленной зависимости (3.3) показывает, что чем меньше расстояние между частицами упрочняющей фазы, тем выше напряжение, необходимое для движения дислокаций и, следовательно, меньше интенсивность изнашивания материала. Поэтому с повышением дисперсности и количества твёрдой фазы усиливается эффект торможения дислокаций, что вызывает рост износостойкости металла. В большинстве работ [30,42,63,94,102,103], отмечается наличие зависимости износостойкости сплава от количества, формы и характера распределения упрочняющей фазы. Так, крупные избыточные включения, одновременно с положительным влиянием, оказывают существенное снижение пластичности материалов, что вызывает выкрашивание металла в процессе эксплуатации [30,38,71]. При равномерном распределении мелкодисперсных карбидов происходит повышение механических свойств без снижения износостойкости, что обеспечивает достаточную эксплутационную надёжность [63,66,81,87].

Существенное значение имеет и микротвёрдость карбидов и карбоборидов, их состав и свойства.

Наименьшей износостойкостью обладают сплавы с карбидами цементитами типа М3С.

Образование комплексного карбида М7С3 ведёт к значительному росту износостойкости металла [93]. Переход от М7С3 к карбиду М23С6 приводит к дополнительному увеличению способности металла сопротивляться изнашиванию [66,93,95,102,99]. В работе [77] показано, что максимальная способность металла противостоять абразивному воздействию достигалась при получении в виде избыточной фазы комплексных боридов (Fе;

Сr)2В и (Fе;

Сr) В с микротвёрдостью 23-26 ГПа. Такая зависимость износостойкости сплава от типа упрочняющей фазы прямопропорционально связана с её твёрдостью. Так, микротвёрдость цементита 8-9 ГПа, а карбидов М7С3 и М23С6 16-18 ГПа [99,104]. Высокой твёрдостью обладают специальные карбиды ТiС, VС, WС, NbC, наличие которых в структуре металла способствует снижению интенсивности изнашивания [102,105,107].

Однако, применение таких дефицитных и дорогих элементов, как вольфрам, ниобий, ванадий и титан в больших количествах нерационально из-за высокой стоимости сплавов. Поэтому для материалов, работающих в условиях абразивного изнашивания, наиболее целесообразным является получение в структуре карбидов, боридов и карбоборидов хрома.

Увеличение количества углерода эффективно повышает износостойкость только в случае увеличения содержания карбидной фазы в структуре сплавов. Если основа стали является достаточно прочной и вязкой, то при одинаковой её твёрдости износостойкость будет тем выше, чем больше карбидов в её структуре. Отмечается, что оптимальное количество карбидов в износостойких сплавах должно составлять 20-30% [66]. При отсутствии ударных воздействий высокое сопротивление абразивному изнашиванию может наблюдаться при увеличении карбидной фазы до 45%. Дальнейшее повышение содержания карбидов приводит к снижению износостойкости, что связывается с недостаточным объемом матрицы, которая должна удерживать карбиды или бориды от выкрашивания в процессе эксплуатации.

Тип карбидов, их форма, размеры и характер распределения среди других составляющих играют значительную роль в способности сплавов к сопротивлению разрушению при абразивном изнашивании. С увеличением дисперсности карбидной фазы повышается твёрдость и износостойкость наплавленного металла.

Структура наплавочного карбидно-хромового сплава представляющая собой смесь мелких и крупных карбидов игольчатой и шестигранной формы, расположенных изолированными включениями в основе, позволяет получить хорошее сочетание свойств, обеспечивающих высокую твёрдость и износостойкость. Значительной сопротивляемостью изнашиванию обладают наплавки КХБ-45 с равномерным распределением карбидов средней величины в ледебурите.

Расположение карбидов по осям дендритов, а также скопление крупных карбидов в отдельных участках матрицы обусловливает уменьшение сопротивляемости изнашиванию и ударам наплавленного металла, т.к. при динамическом воздействии крупные карбиды выкрашиваются из за недостаточной связи с матрицей.

Уменьшение количества и твёрдости карбидов, а также твёрдости основы, снижает способность металла к сопротивлению изнашиванию. Кроме этих характеристик имеет значение природа образования и вязкость карбидов. При одинаковом количестве карбидной фазы, хромистые стали, содержащие в структуре кубический карбид (Сr, Fе)23С6 проявляют большее сопротивление.

Образование специальных карбидов способствует снижению износа металлов. Стали, содержащие ниобий и ванадий, образующие в поверхностном слое карбиды NbС и VС существенно превосходят по износостойкости хромистые стали с кубическими карбидами (Сr, Fе)23С26. Дополнительное легирование наплавок крошкой литых карбидов вольфрама, феррохрома или боридов сцементированных соответствующей эвтектикой, приводят при эксплуатации в тяжёлых условиях абразивного изнашивания к значительному увеличению износостойкости и срока службы деталей.

Лучшей сопротивляемости изнашиванию из наплавок, легированных хромом, обладают те, которые содержат наибольшее количество первичных карбидов хрома.

Способность карбидосодержащих сплавов хорошо противостоять изнашиванию связана с тем, что карбиды, обладая большими силами межатомной связи, затрудняют внутренне скольжение при деформации.

Увеличение содержания карбидов в структуре сплавов целесообразно лишь в определённых пределах, т.к. чрезмерное количество карбидов меняет механизм изнашивания и в некоторых случаях, карбиды начинают выкрашиваться. В результате количество карбидообразующего элемента должно быть таким, чтобы весь углерод сверх предельной растворимости в матрице сплава был связан в наиболее износостойкий тип включений. Увеличение количества легирующего элемента сверх этого содержания не приводит к заметному повышению износостойкости.

В углеродо-боро-хромистых сплавах обнаружено образование различных видов твёрдой фазы:

М2(ВС);

М23(СВ)6;

М(ВС);

МВ;

М2В;

М7С3 и др., в тоже время выработать единое мнение о роли конкретного типа упрочняющих включений на износостойкость сплава не удалось [66,105,106,108].

Трудность в оценке влияния упрочняющей фазы на способность сплава сопротивляться изнашиванию, связаны с тем, что углерод и бор могут сравнительно легко растворяться (как фазы внедрения) соответственно в карбидах или боридах, или образовывать карбобориды или борокарбиды [66,73,74,85,109]. Идентификация подобных соединений весьма сложна и требует специальных методик рентгеноспектрального анализа "осадков"[66]. Поэтому трудно разграничить боридные или карбидные соединения с указанием дополнительно внедренных в нем элементов.

При выборе типа упрочняющей фазы следует отметить, что необходимо ориентироваться не на все возможные модификации карбидов и боридов, существующих в природе, подходящих по твёрдости, параметрам решётки и другим свойствам, а на те, которые термодинамически выгодны для образования в углеродистых сплавах [110]. Так, например, карбид хрома Сr3С2 с орторомбической решёткой имеет высокую микротвёрдость Н50=22,8ГПа, практически в металле не образуется и при введении с шихтой переходит в карбид Сr7С3 [106].

Сложность прогнозирования процесса кристаллизации твёрдой фазы заключается и в том, что избыточные включения образуются как правило из пересыщенного твёрдого раствора на базе железа и других элементов, которые в некоторых карбидах способны растворятся до 55-60%, изменяя его начальные свойства [66,106,111]. Однако сведения о свойствах комплексных фаз в литературе практически отсутствует, что вызывает настоятельную необходимость в проведении дополнительных исследований, раскрывающих влияние легирования твёрдых включений на износостойкость сплавов. Поэтому важным резервом в повышении стойкости материалов, по нашему мнению, является возможность изменения свойств карбидной, боридной и карбоборидной фазы за счёт их легирования другими карбидообразующими элементами.

Наиболее подходит для этих целей ванадий, который при легировании в небольших количествах является относительно доступным элементом.

Ванадий обычно применяется в инструментальных и теплоустойчивых сталях, где используется его способность к измельчению зерна и, главным образом, увеличение стойкости против снижения твёрдости при отпуске, что важно для наплавленного металла, предназначенного для деталей, работающих при повышенных температурах. Способность ванадия образовывать специальные карбиды в сочетании с повышением сил межатомной связи в карбидах железа, где он может растворятся до 0,1 %, в феррите при высокой температуре сильно повышает износостойкость штампов и режущего инструмента [116].

Ванадий способствует образованию прочных атмосфер из атомов углерода на дислокациях, возникших при мартенситных превращениях, и делает более дисперсным выделяющиеся карбиды.

Это должно положительно отражаться на способности сталей с ванадием к сопротивлению абразивному воздействию при изнашивании.

Несмотря на благотворное влияния ванадия на многие свойства сталей, его содержание обычно ограничивается 2 %, хотя известно, что при большем его количестве сильно повышается износостойкость инструмента. Это связано со снижением технологичности сталей, легированных ванадием, в присутствии которого сильно ухудшается ковкость и шлифуемость [116].

Ванадий уже при содержании 0,1 % образует карбид типа VС, который присутствует в стали наряду с цементитом. Карбид ванадия обычно не растворим в аустените, однако при наличии в сплаве 1 - % марганца и хрома VС может в нём растворятся.

Карбид ванадия VС имеет кубическую кристаллическую решётку типа NаСl и содержит 19 % С.

Микротвёрдость карбида ванадия составляет 18,0-20,0 ГПа, что значительно больше, чем Ме6С и Ме23С6. В работе [66] указывается, что содержание ванадия и углерода в износостойких сплавах, обеспечивающее образование наиболее твёрдых карбидов, должно соответствовать отношению V/С = 0,24 - 0,45 ат. %. По другим данным V/С около 1 % ат. образуют устойчивый карбид VС.

Применение ванадия для легирования сплавов, работающих в абразивной среде, показало, что износостойкость при этом увеличивается.

Изменение износостойкости ванадиевых сплавов с аустенитной матрицей обязано главным образом карбидам, так как растворимость ванадия в аустените составляет 1,5 % при 1150°С. В безуглеродистых аустенитных сплавах повышение износостойкости отмечается только при содержании ванадия до 0,5 %.

Ванадий образует устойчивый карбид VС с высокой микротвёрдостью (29 ГПа) и температурой кристаллизации Tкр = 2830°С. Образуясь первым, он служит центром кристаллизации для других включений, что вызывает увеличение количества и дисперсности упрочняющей фазы. По данным ряда работ [66,71,112-114] введение ванадия в сплав в небольших количествах (до 3%) вызывает увеличение износостойкости и пластичности металла, повышает плотность наплавки, измельчает избыточную фазу. Легирование хромистых сплавов ванадием качественно улучшает упрочняющую фазу за счёт образования кроме карбида VС также комплексных соединений типа (Сr;

Fе;

V)7С3;

(Сr;

Fе;

V)23С26;

(Сr;

Fе;

V)В и др. Влияние ванадия в этих соединениях на повышение износостойкости металла должно играть положительную роль, поскольку он уменьшает в них содержание железа, которое, растворяясь в карбидах, значительно снижает их твёрдость [66,71,112 114]. В то же время способность металла к сопротивлению абразивному изнашиванию зависит не только от типа и количества карбидов или боридов, но и от способности основы прочно удерживать твёрдые включения. Так, при неблагоприятной структуре, сплавы с большим количеством упрочняющей фазы могут оказаться весьма малоизносостойкими вследствие как недостаточной твёрдости, так и чрезмерной хрупкости металлической матрицы. При отсутствии достаточной связи на границе раздела фаз, происходит выкрашивание твёрдых включений, которые не успевают реализовать свои потенциальные возможности.

По результатам работ [29,30,38,68,72,81] ферритокарбидная структура обладает наименьшей способностью противостоять абразивному изнашиванию, что связано с низкой твёрдостью, прочностью и способностями кристаллографического строения феррита, которое обусловливает лёгкое выкрашивание карбидов из матрицы, снижая тем самым работоспособность материала.

По мнению ряда исследований [50,117,118], высокой износостойкостью обладают стали с мартенсито-карбидной структурой, которые характеризуются значительной твёрдостью и повышенным сопротивлением мартенсита сдвигу. Другие авторы [119] считают, что мартенсит может уступать по сопротивляемости изнашиванию сплавам, матрица которых состоит из троостита и сорбита. Недостатком сплава с мартенситной структурой является хрупкость, которая ограничивает область применения, вследствие растрескивания и сколов металла [38,66,120,121].

Широкое распространение для работы в условиях ударных нагрузок получили материалы с аустенитной структурой. Легированный аустенит по прочности занимает промежуточное место между ферритом и мартенситом, обладает значительной вязкостью, имеет близкие параметры решётки с карбидной фазой, что обусловливает лучшее закрепление карбидов в основе материала.

В тоже время недостаточная износостойкость стабильного аустенита приводит к необходимости применения комплексной матрицы, содержащей аустенит и мартенсит. Определение оптимального соотношения фаз М/А, зависит от количества и свойств твёрдой фазы, а также от условий изнашивания.

Значительного увеличения износостойкости можно добиться при использовании сплавов, с остаточным аустенитом, который под воздействием абразивных частиц, а тонком поверхностном слое превращается в мартенсит деформации [38]. Поверхность такого материала обладает высокой сопротивляемостью абразивному изнашиванию, а наличие вязкой аустенитной сердцевины обеспечивает отсутствие трещин и отколов металла. Однако степень упрочнения сплавов с метастабильным аустенитом в значительной степени зависит от свойств металла, а также внешних условий, давления и температуры, при которых происходит взаимодействие с абразивом.

Изложенное выше показывает, что за всё время изучения сопротивляемости большого числа металлов и сплавов изнашиванию в широком диапазоне условий - давления, температуры, скоростей наработан обширный объём знаний о взаимодействии металлов деталей машин и изнашивающих сред. Мы попытались использовать весь этот богатый научный опыт многих исследователей к изучению проблемы срока службы конкретных деталей машин, интенсивно изнашивающихся и не имеющих однозначных решений.

1. К наиболее быстроизнашиваемым рабочим органам, в частности асфальтосмесителей относятся лопатки роторов, срок службы которых не превышает 2-2,5 месяца работы установки, что снижает технико-экономические показатели производства. Приведённый выше анализ большого числа исследований металлов и сплавов в различных условиях эксплуатации показывает, что имеющиеся данные использовать непосредственно для увеличения износостойкости и срока службы лопаток, невозможно без дополнительных направленных исследований. Поэтому проблема повышения их долговечности остаётся крайне актуальной. В целом по стране расходы, связанные с изготовлением и заменой лопаток составляет 200 млн. рублей в год (в ценах 1991 г.) 2. Разрушение материала лопатки происходит при циклическом ударно-скользящем характере воздействия абразивных частиц, обладающих высокой твёрдостью и прочностью.

3. Отсутствует единое мнение о механизме абразивного разрушения и критериях оценки износостойкости материала в условиях аналогичных тем, в которых работают лопатки асфальтосмесителей.

4. Недостаточность и противоречивость сведений о влиянии структуры и химсостава на способность сплавов сопротивляться изнашиванию в условиях эксплуатации лопаток вызывают необходимость в проведении направленных исследований для существенного повышения срока службы лопаток асфальтосмесителей.

Поэтому мы поставили перед собой задачу разработать и внедрить на предприятиях износостойкие экономно легированные материалы для рабочих органов оборудования по производству дорожно строительных материалов, с целью получения научного, производственного и экономического эффекта.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные вопросы:

1) изучить условия эксплуатации, характер разрушения, а также влияние свойств перемешиваемых материалов на интенсивность изнашивания металла в условиях работы лопаток асфальтосмесителей;

2) разработать методику испытаний материалов для условий эксплуатации лопаток;

3) исследовать связь между структурным состоянием и износостойкостью сплавов в условиях работы лопаток;

4) определить наиболее приемлемый тип сплава и исследовать влияние легирующих элементов на его износостойкость в условиях эксплуатации лопаток;

5) на базе статистических методов планирования эксперимента описать математически зависимость влияния химического состава металла на его износостойкость и разработать оптимальный экономно легированный наплавочный сплав, позволяющий значительно повысить срок службы лопаток;

6) разработать технологию наплавки лопаток оптимальными сплавами и внедрить результаты работы в производство.

7) комплексная многокритериальная оценка.

4. ИЗНАШИВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СМЕСИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

При безусловной актуальности, проблема увеличения срока службы лопаток за счет применения более износостойких материалов не нашла заслуживающего внимания исследователей. Имеющиеся в литературе немногочисленные сведения [15,16,19,20,22,58] касаются небольшого количества испытанных материалов (сталь 35Л [22];

чугуны, модифицированные теллуром [12,22,58], никелем и хромом [19,20], бором и марганцем [58], сталь Г13Л [20], наплавка "Сормайтом" [16] и порошковой проволокой ПП-АН125 [45]), не имеют системного подхода и содержат даже противоречивые рекомендации. Например, оценка различными авторами износостойкости чугуна, легированного теллуром, отличается более чем в 3 раза [22,23,58]. В связи с этим совершенно очевидна необходимость в проведении направленных исследований, включающих изучение условий эксплуатации и характер разрушения лопаток асфальтосмесителей и определения для этих условий изнашивания влияния как металла лопатки на его износостойкость, так и свойств изнашивающей среды и внешних условий изнашивания - давления, температуры.

Разработка износостойкого материала для лопаток асфальтосмесителей связана с последовательным решением комплекса взаимосвязанных вопросов, в которые включены основные этапы исследований.

В начале изучались изнашивающая среда, условия изнашивания, характер разрушения рабочей поверхности лопаток и разрабатывалась методика испытаний материалов, которая позволила бы получить достоверные результаты. Затем были проведены исследования изнашиваемого материала, включающие тип металлической матрицы и количества упрочняющей фазы и их взаимосвязь с износостойкостью металла в условиях эксплуатации лопаток. По результатам этого этапа исследований сформулированы требования, предъявляемые к износостойким сплавам в реальных условиях изнашивания, что позволило выбрать для дальнейшего изучения из существующих стандартных материалов наиболее перспективные и разработать технологию наплавки ими рабочих поверхностей лопаток. Однако эти материалы, не могут оцениваться как оптимальные, хотя и имеют сравнительно высокую износостойкость, так как содержание легирующих элементов в них нельзя признать окончательно рациональным ни по набору легирующих добавок, ни по количеству каждого из них, поскольку создавались эти сплавы для других условий эксплуатации. Поэтому мы были вынуждены разрабатывать новый сплав для конкретных условий изнашивания лопаток, химический состав и структура которого, оптимизировались с использованием математических методов планирования эксперимента, и проверялись в производственных условиях работы асфальтосмесителей.

Изыскание износостойкого материала для лопаток смесителей требует проведения всесторонних испытаний различных материалов. Однако использование при исследованиях только лабораторных установок, механизм изнашивания, на которых не строго адекватен изнашиванию в реальных условиях эксплуатации лопаток, может привести не только к недостаточно достоверным, но и противоположным результатам [122].

Применение биметаллических материалов позволяет не только повысить надежность и долговечность деталей и оборудования, но и значительно снизить расходы на изготовление за счет экономии дорогостоящих легирующих элементов. Для получения износостойких композиций в качестве плакирующего рабочего слоя применяют стали и сплавы, обладающие высокой стойкостью против абразивного износа, а основным слоем обычно служит низкоуглеродистая сталь.

Основная задача создания слоистых биметаллических композиций заключается в обеспечении высокой износостойкости рабочего покрытия и прочного соединения составляющих по всей поверхности контакта. Недостаточные и противоречивые сведения о механизме получения твердых слоев при соединении металлов в твердой и жидкой фазах не позволяют выявить аналитические зависимости, необходимые для практических расчетов. Поэтому, разработки теоретических основ по созданию высокоизносостойких экономно - легированных биматериалов и технологий их нанесения на различные типы подложек требуют более детального рассмотрения и тщательного изучения.

Известно, что при проведении исследований по увеличению срока службы конкретных деталей наиболее достоверные данные по износостойкости материалов можно получить на основании испытаний в реальных условиях эксплуатации. При этом сравнительные испытания значительного количества опытных натурных деталей из различных материалов требуют больших материальных расходов и занимает много времени.

Нами разработана методика испытания образцов, которая позволяет при небольших затратах времени и средств оценить износостойкость широкого ряда материалов в реальных условиях изнашивания лопаток роторов асфальтосмесителей.

Образцы крепятся в теле сборных лопаток (рис. 4.1), которые попарно устанавливаются на центральной стойке ротора в районе выгружающего люка, где отмечена максимальная интенсивность изнашивания [16,19,44]. Выбор места установки сборных лопаток с образцами связан с тем, что в средней части смесителя траектории движения соседних лопаток не перекрывают друг друга, что исключает возникновение "теневого эффекта", искажающего результаты испытаний.

Сменная обойма 3 (см. рис. 4.1) крепится к корпусу 1 двумя болтами 9. Такая конструкция обеспечивает быструю замену обойм с образцами, чем достигается высокая мобильность при проведении испытаний в промышленных условиях на асфальтосмесительной установке, находящейся в производственном цикле. Корпус 1 сборной лопатки защищается износостойкими наплавочными материалами (Т-590, ИТС-01) и не демонтируется в течение всего срока испытаний.

Сменная обойма имеет паз, в который устанавливаются образцы 5 (размер 8x10x15 мм^3), которые с тыльной стороны прижимаются крышкой (на схеме не показана). Для предотвращения смещения в продольном направлении образцы прижимаются винтом 7 с потайной головкой.

Замену сменных обойм производили в зависимости от необходимого количества выработанной смеси, а способность сплавов сопротивляться изнашиванию определяли по изменению линейного размера образца ( L мм) за цикл испытаний. Для измерения абсолютной величины линейного износа образцов использовали специальное приспособление (рис 4.2). Образец 2 изношенной поверхностью вверх устанавливается на скобу 13 и поджимается к толкателю 1 при помощи пружин 6 и 8 упором 10. Изменение положения образца относительно микрометра 12, осуществляется вращением винта 2. Линейный износ определяется как среднее арифметическое значение, полученное из 4-5 измерений, что обеспечивало, при доверительной вероятности 0, получение погрешности измерений до 10%.

Интенсивность изнашивания материалов вычислялась по отношению:

(4.1) где IL - интенсивность изнашивания, мм/т;

L - изменение линейного размера образца за время испытаний, мм;

Q- масса выпущенной смеси, т.

Сравнение износостойкости испытанных материалов производились по значению относительной износостойкости:

, (4.2) где ILЭТ, ILО - соответственно линейная интенсивность изнашивания стали 45 в отожженном состоянии принятой за эталон и испытанного образца.

По представленной методике проводились испытания различных материалов в условиях Запорожского Областного Объединенного асфальтобетонного завода на установке ДС-117-2Е в процессе приготовления асфальтобетонной смеси из гранитного щебня фракции 10-25 мм, микротвёрдостью Н50= 12-14 ГПа и прочность 12 ГПа при начальном радиальном зазоре между торцом лопатки и броней смесителя 5 мм.

Статистическая обработка результатов испытаний показала, что погрешность измерений при доверительной вероятности 0,85 не превышает 10%.

Анализ результатов изнашивания в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей и данных, полученных при испытаниях на различных лабораторных установках [66], свидетельствует не только о значительном расхождении уровней износостойкости испытанных материалов, но и явной инверсии рядов износостойкости (табл. 4.1). Так, в условиях изнашивания на установках "вращающаяся чаша" и Х4-Б износостойкость металла, наплавленного электродами ЦС- "Сормайт" в несколько раз ниже износостойкости металла, наплавленного электродами Т-590 и порошком КБХ. В тоже время, проведенные испытания на установке ВНИИСТОММАШ показали практически одинаковую износостойкость этих материалов.

Одним из главных противоречий при выборе материалов для лопаток, основанным на испытаниях образцов в лабораторных условиях, является то, что при использовании результатов изнашивания на установке "вращающаяся чаша" можно было рекомендовать наплавку рабочей части лопаток смесью КБХ, а результаты испытания на машине Х4-Б и установке ВНИИСТОММАШ свидетельствуют о необходимости применения для этой цели наплавочных электродов ЭН-Т590, имеющих максимальную износостойкость. Однако в действительности в реальных условиях изнашивания лопаток асфальтосмесителей, металл, наплавленный порошком КБХ и электродами ЭН-Т 590, более чем в 2 раза ниже по износостойкости, чем наплавки Релитом (табл. 4.1).

Столь существенные различия в уровне износостойкости материалов при испытаниях на различных лабораторных установках не только не могут помочь в выборе наиболее износостойкого металла для лопаток асфальтосмесителей, но и приводят к противоположном выводам о приемлемости того или иного сплава. Поэтому при проведении исследований по увеличению износостойкости конкретной детали следует с осторожностью относится к результатам испытаний в лабораторных условиях. Различие в механизме изнашивания на лабораторных установках и в реальных условиях эксплуатации может явиться причиной получения недостаточно обоснованных выводов и рекомендаций по увеличению срока службы деталей.

Таким образом, разработанная нами методика испытаний образцов, включающая конструкцию экспериментальной лопатки и способ замера величины износа образцов после изнашивания, обеспечивает при небольших затратах времени и средств надёжное определение уровня износостойкости большого количества различных материалов в реальных условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей [24]. Использование этой методики позволило определить закономерности изнашивания лопаток, на основе этих знаний разработать износостойкие материалы, а также технологические процессы изготовления из них рабочих органов машин с высоким сроком службы. В результате увеличения срока службы лопаток асфальтосмесителей было достигнуто повышение производительности установки, а также снижение ремонтно эксплутационных затрат.

4.1 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ, ДЮРОМЕТРИЧЕСКИЕ И РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В работе проводилось комплексное изучение выбранных материалов, включающее металлографические исследования структуры сплавов, определение агрегатной твёрдости и микротвёрдости структурных составляющих: основы металла и упрочняющей фазы, рентгеноструктурные исследования поверхности трения до и после изнашивания, использовались рентгеноспектральные методы, позволяющие оценить распределения легирующих элементов между фазами сплавов.

Металлографические исследования микрошлифов сплавов проводили на микроскопах МИМ-8М, "НИОФОТ" при увеличениях 100-2000. Для выявления структуры образцов применяли химическое травление поверхности 4-х процентным раствором азотной кислоты.

Микротвёрдость структурных составляющих определялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,5Н, за истинное значение микротвёрдости принимались среднеарифметические значения, полученные от 10-15 измерений. Доверительные интервалы при надёжности 0,95 по генеральной средней Хо составили от 2,3 до 4,5%, а по генеральной квадратичной - 1,8 до 3,9 %.

Рентгеноструктурный анализ испытанных материалов осуществлялся на дифрактометре " ДРОН-3" в кобальтовом излучении по методу градуировочной кривой [124]. Для повышения точности съёмку выполняли при прямом и обратном вращении образца и счётчика гониометра.

При изготовлении шлифов с целью исключения влияния изменений фазового состава при шлифовании, с поверхности образца электролитически удалялся слой толщиной 30-40 мкм (упрочнение от шлифования не превышает 25 мкм 38). В качестве электролита использовался следующий состав: Н3Р04=400мл;

Н2S04=100 мл;

Сr203=50г;

Н20=50 мл. Глубина электролитически удалённого слоя контролировалась с точностью ± 1 мкм.

Распределение легирующих элементов между фазами изучали на энергодисперсионном спектрометре системы "ЛИНК-860", раствором сканирующем микроскопе "КАМЕКА МS - 47" и микрорентгеноспектральном анализаторе "КОМИБАКС". Качественный микрорентгеноспектральный анализ проводили в хромовом, железном, ванадиевом K? излучениях [125]. Выделение карбидных и боридных осадков для рентгеноструктурных исследований упрочняющей фазы выполняли по методике [66,126].

После проведения исследований осуществляли математическую обработку результатов прямых измерений. По данным параллельных опытов вычисляли: среднее измеряемой величины (Хо), погрешность отдельных измерений ( Хi) среднеквадратическую погрешность измерений (G0), величину доверительного интервала ( Х), а окончательный результат записывали в виде: Х = Хо+ Х [127].

Таблица 4.1 – Относительная износостойкость материалов, испытанных в различных условиях изнашивания Относительная износостойкость Установка Условия работы Испытанный Твёрдость Машина Установки "вращающаяся лопаток Материал HRC Х4-Б ВНИИСТОММАШ чаша" асфальтосмесительной установки По данным работы [66] Сталь Х 65 -- -- -- 5, (t3=975 °С) Износостойкий чугун По СТП-564 45-50 -- -- -- 2, ПО "Дормашина" Наплавка 45-54 2,3 2,2 3,35 5, "Сормайт" ЦС Наплавка 50-55 6,4 4,7 4,9 5, ЭН-Т Наплавка 90 НRА 7,1 4,0 -- 13, Релит Наплавка 66-68 8,2 4,1 4,3 6, КБХ • эталон – сталь 45 отожженная, 166 HV 4.2 МАТЕРИАЛЫ Создание износостойкого материала для лопаток асфальтосмесителей основывается на исследовании влияния на износостойкость структурного состояния металлической матрицы сплава, а также количества и распределения в ней упрочняющей фазы.

Для определения влияния основы сплава на его износостойкость испытывали сталь Х12Ф1 (ГОСТ 5950-73), позволяющую в результате термической обработки получить все типы структурного состояния матрицы сплава, от ферритной до мартенситной.

Для исследования влияния количества карбидной фазы на способность металла сопротивляться изнашиванию, испытывались образцы из стали X12 (ГОСТ 5950-73), в которой после термической обработки можно обеспечить то же структурное состояние основы, что и у стали Х12Ф1, но при большем в 1,5 раза содержании карбидов.

Для исключения влияния химического состава сталей, для каждого варианта термической обработки изготавливались по семь образцов из кованных полос одной плавки ( сталь Х12Ф1с массовой долей, % : 1,4 С;

0,32 Si;

0,З Мп;

12,2 Сr;

0,95V;

сталь Х12 с массовой долей, % : 2,03 С;

0,29 Si;

0,31 Мn;

12,41 Сr).

Нагрев под закалку осуществляли в соляной ванне в расплаве ВаС13, охлаждение - в масле.

Температура в ванне контролировалась платинородиевой термопарой и потенциометром типа КСП.

Исследование влияния износостойкости сплавов в зависимости от типа, количества и распределения упрочняющей фазы проводили на образцах, наплавленных стандартными и экспериментальными износостойкими материалами. Выбор стандартных материалов для испытаний производился преимущественно на базе систем Fе-С-Сr с легированием в небольшом количестве другими элементами: ванадием, титаном, молибденом, вольфрамом, никелем, марганцем и др. Данная система легирования при различном содержании элементов позволяет получить широкий ряд сплавов, обладающих разнообразным структурным состоянием, типом и количеством упрочняющей фазы. В число исследуемых наплавочных материалов вошли стандартные, которые условно можно разбить на несколько групп:

– наплавочные материалы, обеспечивающие получение наплавленного металла с ферритной (ПП ЗХ2В8), мартенситной (ЭН-Н60), аустенитной (ПП-АН105) основой;

– наплавочные материалы, образующие в наплавленном слое аусте-нитно - мартенситную основу с различным по количеству и дисперсности карбидов (ПП-АН104, ПП-АН125, ПП-АН101);

– наплавочные материалы с за эвтектической структурой, состоящей из ледебуритной эвтектики с избыточными комплексными карбидами, боридами и карбоборидами (ЦС-1 “Сормайт”, ЭН-Т620, ЭН-ИТС 01, КБХ-45, ПП-160Х14Р4, Релит-Т3).

Экспериментальные наплавочные материалы изготавливались в виде порошковой проволоки, в состав которой до 43-45% может быть введено порошкообразной шихты из легирующих элементов, что позволяет изменять химический состав наплавленного в достаточно широких пределах.

Известно, что структурная гетерогенность оказывает значительное влияние на процессы повреждаемости при трении. Фрактографическим анализом изнашиваемых поверхностей установлено, что трещины зарождаются, как правило, на макродефекте как на концентраторе напряжений и распространяются до следующего ближайшего включения или поры, где замыкаются в них [217].

Определение склонности наплавленного металла к образованию холодных трещин осуществляли па основе метода технологических проб, который заключается в том, что на жестко закреплённую пластину из малоуглеродистой стали, установленную в специальном кристаллизаторе (рис. 4.3), наплавляются валики одинаковой длины. Размеры пластин, режимы наплавки, а также температура подложки оставались постоянными. Жёсткое закрепление пластин необходимо для моделирования процесса наплавки на массивную деталь, при котором затрудняется свободное деформирование металла и возможное количество образующихся трещин максимально.

Количество холодных трещин определяли визуальным осмотром, а для получения достоверных результатов при проведении каждого опыта наплавляли 5-7 пластин.

Использование рассмотренных выше подходов в проведении исследований, а также указанных оборудования и приборов позволили определить для лопаток роторов асфальтосмесителей наиболее приемлемый тип сплава и его оптимальное структурное состояние, обеспечивающее значительное повышение срока службы лопаток. Проведенные испытания образцов различных металлов для условий изнашивания лопаток асфальтосмесителей, по предложенной программе включающей конструкцию экспериментальной лопатки и способ замера величины износа образцов после изнашивания, позволили получить достоверные данные об износостойкости материалов при наименьших затратах времени и средств.

Сравнение износостойкости материалов, полученных при испытаниях на различных лабораторных установках и в реальных условиях работы лопаток асфальтосмесителя, показали, что различие в механизме изнашивания в лабораторных и реальных условиях эксплуатации является причиной недостаточно обоснованных выводов по выбору материала для конкретных деталей. Исследование энергии разрушения абразивных частиц, по разработанной методике с использованием усовершенствованной установки имитирующей условия заклинивания и дробления гранитных зёрен в зоне радиального зазора между рабочей кромкой и броней смесителя позволяет получить достоверные результаты о характере взаимодействия поверхности лопатки и абразивных частиц и полнее оценить вклад изнашивающей среды в процесс изнашивания детали. Таким образом, анализ данной проблемы показал, что только учёт всех обстоятельств изнашивания, включающих свойства абразивных тел, внешние условия изнашивания характер воздействия изнашивающих сред, величины их давления на рабочую поверхность детали, температуру в месте их контакта, скорость перемещения и степень коррозионного воздействия на металл позволяет сформулировать требование по химическому составу и структуре, которым должен удовлетворять износостойкий материал.

4.3 МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ В двухвальном асфальтосмесителе нижняя часть корпуса, образуемая при пересечении поверхностей двух цилиндров (см. рис. 3.2) покрыта броневыми плитами из износостойкого чугуна.

При сборке смесителя между броней и рабочими кромками лопаток ротора устанавливают гарантированный радиальный зазор 5мм (рис. 4.4). При соприкосновении рабочей кромки лопатки с абразивом грани частиц образуют с поверхностью днища смесителя угол. Если угол больше двойного угла внешнего трения 2 =44-54° [131-133], образующегося между рабочей кромкой лопатки и плоскостью броневого листа, то частица испытывает ударное воздействие. Удар произойдёт также и при условии < 2, если величина малой грани hmin больше величины радиального зазора (т.е. Dcp>> ).

Наиболее интенсивное разрушение рабочей кромки лопатки происходит в результате заклинивания и дробления каменных материалов, когда <2 и hmin< <

Если hmax незначительно превышает, а создаваемое давление в зоне контакта не превышает предел прочности каменного материала, происходит внедрение частицы в поверхность трения на глубину h= hmax - с последующим деформированием металла (образование канавки).

Исследование характера распределения величины износа лопатки асфальтосмесителя (рис. 4.5) показало, что максимальная интенсивность изнашивания отмечена на рабочей и торцовой кромках в зоне точек 2-7. В работе [19] на основе измерения 100 изношенных лопаток, предложено уравнение регрессии, описывающее изменение толщины изношенной лопатки в радиальном направлении от точки 1 до точки 6:

h1-6=9,7 - 0,012Х - 0,00033Х2, (4.3) где h1-6-толщина лопатки в радиальном направлении, мм;

Х - расстояние от точки 6, мм.

Установленный характер распределения износа на данном участке лопатки можно объяснить изменением давления смеси на различные точки рабочей кромки. Так, при движении по окружности лопатка, за счёт установки её под углом 45° к плоскости вращения, сдвигает смесь не только в направлении движения, но и вдоль оси смесителя. Поэтому каждая последующая точка на линии, ограниченной позициями 1-6 (рис. 4.5) входит в уплотнённую абразивную массу, оказывающую большее давление, а, следовательно, и вызывающую более интенсивное разрушение.

Износ рабочей поверхности по толщине не оказывает существенного влияния на качественные показатели приготовляемой смеси. Однако утонение лопатки за счёт образования шлейфов (канавок) (см. рис. 4.5 сеч.А-А), начинающихся сразу за крепежными отверстиями может привести к разрушению болтового соединения и возникновению аварийной ситуации. Анализ механизма образования шлейфов показал, что он обусловлен различной интенсивностью изнашивания металла лопатки и крепёжных болтов. Так, износ болтов, выполненных из закалённой стали 45 (28-32 НRС), значительно выше металла, из которого изготовлена лопатка (55-65НRC). Проведенные исследования показали, что при одинаковом (или близким по свойствам) материале крепежных болтов и лопатки и шлейфы в процессе изнашивания не образуются. Поэтому для исключения возникающего утонения лопатки за крепёжным отверстием необходимо предусмотреть возможность упрочнения шляпок болтов износостойкими материалами.

Таким образом, исследование условий эксплуатации и анализ профиля износа лопаток асфальтосмесителя позволило установить, что в зоне радиального зазора происходит сложный процесс перемещения, заклинивания и дробления абразивных частиц, вызывающий интенсивное изнашивание лопатки в зоне рабочей кромки. Величина радиального зазора является одним из основных эксплуатационных параметров, в значительной степени определяющих механизм разрушения.

Рассмотрение механизма разрушения с энергетических позиций показывает, что абразивное изнашивание можно представить как процесс, при котором энергия абразивной частицы Еа расходуется на насыщение металла энергией для зарождения и развития трещин. Расход энергии на трение, тепловой эффект и процессы, происходящие в сомой частице, можно принять постоянными [35]. Тогда величина интенсивности изнашивания тем меньше, чем больше энергии может поглотить сплав до разрушения - Ем и чем меньше величина энергии разрушения абразивного тела - Еа. Знание реальной величины энергии разрушения абразивных частиц в конкретных условиях эксплуатации рабочей кромки лопатки, позволит более обосновано подойти к разработке износостойкого материала для данных условий изнашивания и выработать рекомендации относительно режимов работы, при которых достигаются минимальные значения энергии разрушения абразивных частиц, а, следовательно, менее интенсивное изнашивание поверхности трения.

Для выявления взаимного влияния величины радиального зазора ( ), диаметра (Dcp) и прочности (Gсж) абразивных материалов на энергию разрушения частиц, был спланирован и проведён полнофакторный эксперимент.

Для оценки энергии разрушения абразивных частиц был усовершенствован прибор (см. рис. 2.8) и разработана методика расчёта, описанная в разделе [2.2.2].

Таблица 4.2 – Уровни факторов и интервалы варьирования Факторы Показатель Dср,мм,мм Gсж,ГПа Основной уровень 23 10 Интервал варьирования 7 4 Верхний уровень 30 14 Нижний уровень 16 6 Кодовое обозначение Х1 Х2 Х При реализации матрицы планирования было осуществлено три серии экспериментов, включающих по 25 опытов. Обработка результатов эксперимента при вычислении коэффициентов регрессии проводилась на персональном ЭВМ NOTEJET 486 фирмы "Canon" с использованием метода наименьших квадратов. Оценка статической зависимости найденных коэффициентов и проверка адекватности уравнения регрессии осуществлялась по методике [36,37].

Полученное адекватное уравнение имеет вид:

А=523-27,17Х1-10,1Х2-46,7Х3+0,12Х1Х2+1,31Х1Х3+0,15Х2Х3+0,36Х1^2+ 0,39Х2^2+1,1Х3^2, где Х1 – средний диаметр частиц Dср,мм;

Х2 – величина радиального зазора, мм;

Х3 – передел прочности частиц гранита на сжатие GСЖ, ГПа.

Планирование эксперимента проводили на трёх уровнях [134,135]. Выбор уровней и интервалов варьирования величины радиального зазора и диаметра частиц (табл. 4.2) осуществляли при условии, что при любом сочетании уровней факторов выполняется заклинивание и дробление частицы. Интервал варьирования и основной уровень предела прочности абразивного материала на сжатие взяты на основании требований, предъявляемых к минералам, используемых для изготовления асфальтобетона [12,20]. Пространственная модель (рис. 4.6) характеризует взаимосвязь радиального зазора, среднего диаметра и прочности частицы с энергией её разрушения.

Анализ полученных зависимостей показал, что в исследованном интервале факторного пространства энергия разрушения абразивных зёрен возрастает с увеличением их Dср и Gсж. Такой характер зависимостей согласуется с известной формулой работы разрушения [136]:

(4.5) где V - объём дробимого материала, м^3;

Gсж - предел прочности материала на сжатие, Па;

Е - модуль упругости первого рода.

Заменяя действительные формы дробимых частиц шаровой поверхностью, получаем:

, (4.6) тогда выражение (4.5) примет вид:

Из формулы (4.8) видно, что Gсж и Dср входят в числитель и их увеличение связанно с ростом энергии разрушения абразивной частицы. Энергия разрушения частиц гранита, согласно приведённых исследований, изменяется в широких пределах от 8,3 до 169,5 Дж.

Минимальный интервал энергии соответствует величине радиального зазора в пределах = 6-10 мм (рис. 4.6;

рис. 4.7). Дальнейшее увеличение величины радиального зазора неоправданно, т.к.

повышение энергии разрушения частиц будет способствовать более интенсивному изнашиванию поверхности трения рабочей кромки лопатки асфальтосмесителя.

Рисунок 4.7 – Влияние величины радиального зазора ( ) на энергию разрушения (А) абразивной частицы Рост энергии разрушения при увеличении радиального зазора можно объяснить следующим.

Значение энергии, при которых разрушаются заклинившие частицы одного диаметра и прочности, неодинаковы по сечению гранитных зерен. Энергия разрушения зависит от размера частицы в сечении, где произошло заклинивание и дробление, что в свою очередь определяется углом наклона и величиной радиального зазора (см. рис. 4.3 и рис. 4.6). Поскольку угол наклона грани каменного материала изменяется в узком интервале от 44° до 54°, то его значение можно принять постоянным [131]. Следовательно, энергия разрушения заклинившей частицы (при DСР=const и GСЖ = const) практически полностью определяется величиной радиального зазора.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что энергия разрушения абразивных частиц в значительной степени зависит от их диаметра и прочности. Однако данные параметры регламентируются рецептом приготовляемой смеси и в процессе смешивания остаются постоянными. Поэтому уменьшить размер дробимых частиц можно только регулированием радиального зазора между рабочей кромкой лопатки и броней асфальтосмесителя, который по технологическим условиям не должен превышать 10 мм.

Таблица 4.5 – Термообработка фазовый состав и свойства образцов из стали Х12Ф1 и Х12, испытанных в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителя Таблица 4.6 – Фазовый состав и свойства наплавочных материалов и сплавов, испытанных в условиях работы рабочих органов асфальтосмесителей (Просмотреть) 4.4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ И КОЛИЧЕСТВА КАРБИДНОЙ ФАЗЫ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЛИТЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ СМЕСИТЕЛЯ.

Проблема разработки износостойкого материала для конкретных условий абразивного изнашивания является чрезвычайно сложной и поэтому даже при целенаправленных работах по ее изучению до настоящего времени не получила своего полного решения. С одной стороны еще недостаточно накоплено фактического экспериментального материала о влиянии структурного состояния, количества карбидной фазы металла на его способность к сопротивлению абразивному разрушению, а с другой почти все исследования влияния химического состава сталей и сплавов на их износостойкость проводились для конкретных частных условий, поставленных перед каждым исследователем, как правило, не охватывают проблему в целом.

Очевидно, что более глубокие представления о повышении работоспособности сталей и сплавов, срока службы быстроизнашиваемых деталей машин и об их свойствах, контролирующих способность материалов к сопротивлению изнашиванию, может быть получено только при системном подходе к изучению зависимости от химического состава сплава, его структурного состояния, механических свойств в общей проблеме: абразивная среда, внешние условия и изнашиваемый материал.

Однако имеющиеся в литературе сведения, еще не позволяют достаточно обосновано выбрать структурное состояние материала для работы в заданных условиях эксплуатации.

В настоящем разделе работы мы поставили задачу последовательно исследовать все факторы участвующие в процессе изнашивания, начиная с выявления зависимости между износостойкостью и структурным состоянием различных сталей и сплавов для условий изнашивания лопаток асфальтосмесителей, и попытаться сформулировать некоторые общие положения для решения этой проблемы.

В работе [35] показано, что в большинстве случаев карбидная фаза является одним из основных факторов, повышающих сопротивляемость сплавов разрушению при изнашивании. При этом отмечается, что не меньшее значение имеет металлическая матрица, в которой расположены карбиды или другие твёрдые включения. В случае неблагоприятного типа основы сплава даже в сочетании со значительным количеством упрочняющей фазы в их структуре могут оказаться весьма малоизносостойкими.

Считается, что изнашивание стали с ферритно - цементитной структурой под воздействием закреплённых и не жестко закреплённых абразивных частиц определяется морфологией и дисперсностью цементитной составляющей. Так скорость изнашивания стали 48 с карбидами пластинчатой формы меньше, чем с карбидами глобулярной формы [218].

Для выяснения наиболее приемлемого типа металлической матрицы сплава в условиях изнашивания лопаток, необходимо было выбрать сталь, которая позволяет после соответствующей термической обработки получить весь диапазон типов структурных составляющих основы от перлита до 100% остаточного аустенита (перлит, промежуточные структуры, мартенсит, остаточный аустенит). При этом состав стали, особенно количество углерода выбирают таким образом, чтобы после закалки на преимущественно аустенитное состояние количество карбидов было минимальным с целью меньшего влияния на показатели уровня износостойкости металлической матрицы.

Из стандартных сталей наиболее приемлемой для этих целей оказалась сталь Х12Ф1, в структуре которой после закалки на 100% остаточного аустенита, содержится не более 5% карбидной фазы.

Для выявления влияния количества карбидной фазы были испытаны в различном структурном состоянии образцы из стали X12, имеющей близкий со сталью Х12Ф1 химический состав и отличающиеся практически только большей массовой долей углерода.

Испытание образцов (табл. 4.5) проводили в производственных условиях Запорожского Областного объединенного асфальтобетонного завода на установке ДС-117-2Е.

В результате испытаний установлена пропорциональная зависимость между твёрдостью и износостойкостью (рис. 4.8;

рис. 4.9).

Рисунок 4.8 – Изменение интенсивности изнашивания (IL), твердости (HRCэ), содержания карбидной фазы (К) и количества остаточного аустенита (А) стали Х12Ф1 в зависимости от температуры закалки В обеих сталях минимальная интенсивность изнашивания достигается после закалки на максимальную твёрдость, когда структура состоит из комплексных карбидов железа и хрома, расположенных в мартенситной матрице с небольшим количеством остаточного аустенита.

А1 – до испытаний;

А2 – после испытаний Рисунок 4.9 – Изменение интенсивности изнашивания (IL), твердости (HRCэ), содержания карбидной фазы (К) и количества остаточного аустенита (А) стали Х12Ф1 в зависимости от температуры закалки.

Анализ микрорельефа поверхности трения образцов из сталей Х12Ф1 (рис. 4.10), испытанных в условиях работы лопаток асфальтосмесителя, показал, что характер и количество повреждений полностью отражают полученные значения интенсивности изнашивания данных сталей в различном структурном состоянии.

Так, при испытании сталей Х12Ф1 в преимущественно мартенситном состоянии, на поверхности образцов образуется характерный рельеф с малым количеством рисок и царапин. Как снижение, так и повышение температуры закалки приводит к падению твёрдости (в первом случае за счёт появления в структуре ферритной составляющей в составе троостита, во втором за счёт увеличения количества остаточного аустенита) и увеличению интенсивности изнашивания (см. рис. 4.8;

рис.

4.9). Однако замечено, что интенсивность изнашивания образцов со структурой остаточного аустенита несколько ниже, чем образцов с той же исходной твёрдостью, но с ферритной составляющей структуры (см. табл. 4.6, образцы 01 и 08 из стали Х12Ф1;

10и16из стали X12).

Причём, важно отметить, что хотя износостойкость отличается незначительно, но образцы с остаточным аустенитом содержат в структуре 2,5 раза (Х12Ф1) и в 2,1 раза (Х12) меньше карбидной фазы, чем образцы с той же исходной твёрдостью, но содержащие феррит, что связано с некоторым упрочнением аустенита в процессе изнашивания (см. табл. 4.5) [38]. Недостаточная степень упрочнения аустените, повидимому, связана с наличием жидкой битумной связки асфальтобетонной смеси. Разогретый битум образует Таблица 4.5 – Термообработка фазовый состав и свойства образцов из стали Х12Ф1 и Х12, испытанных в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителя устойчивую плёнку [12,17] между поверхностью трения и изнашиваемыми частицами гранита, что и не позволяет аустениту реализовать свои потенциальные возможности к упрочнению. Поэтому твёрдость поверхности трения не возрастает, в результате чего наблюдается прямое ее разрушение со значительным числом рисок, канавок, следов пластического оттеснения микрообъемов металла (см. рис. 4.10).

Рисунок 4.10 – Поверхность трения образцов из сталей Х12 и Х12Ф1 после изнашивания x Таким образом, испытания образцов обеих сталей во всём возможном диапазоне структур металлической матрицы позволило установить, что в условиях эксплуатации лопаток роторов асфальтосмесителей потенциальные возможности остаточного аустенита к упрочнению обеспечивающие в других условиях [38] существенное повышение поверхностной твёрдости и износостойкости в нашем случае практически не реализуются. Максимальная износостойкость сплавов достигается при их наивысшей исходной твёрдости, а снижение твёрдости как, за счёт увеличения в структуре феррита, так и аустенита приводит к увеличению интенсивности изнашивания. Влияние количества карбидной фазы на износостойкость сплавов в условиях лопаток выявлено при сравнении интенсивности сталей Х12 и Х12Ф1 (рис. 4.11), которые аналогичны по химическому составу и практически отличаются только количеством карбидов (в 1,5-1,6 раза) из-за различной массовой доли углерода (1,20-1,45%С в стали Х12Ф1 и 2,00-2,20%С в стали Х12).

Эти исследования показали значительное влияние количества карбидной фазы на износостойкость сталей. Повышение износостойкости за счёт увеличения количества карбидной фазы настолько существенно, что интенсивность изнашивания отожженной стали Х12 при твёрдости 218 НV (образец 18) меньше интенсивности изнашивания сталей Х12Ф1 в преимущественно аустенитном состоянии (образцы 08, 07) и находится на уровне износостойкости Х12Ф1 с аустенитно мартенситной структурой при твёрдости 46-47 HRС.

Рисунок 4.11 – Изменение относительной износостойкости ( ) и количества карбидной фазы (К) в зависимости от содержания в структуре сталей остаточного аустенита (А) Износостойкость сталей в нашем случае существенно зависит не только от общего содержания упрочняющей фазы в их структуре но и от ориентации карбидных и боридных зёрен по отношению к рабочей поверхности.

Для защиты деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного, и гидроабразивного изнашивания, широкое применение получили наплавочные материалы системы Fе-С-Сr-В с высоким (3-6 %) содержанием бора кристаллизующиеся с боридной упрочняющиеся фазой типа (Fе;

Сr)2;

(Fе;

Сr)В, микротвёрдость которой составляет 22-26 ГПа. Однако в конкретных условиях изнашивания высокая износостойкость таких сплавов определяется не только значительным количеством (50-80%) и твёрдостью включений, но и зависит также от пространственного расположения упрочняющей фазы относительно поверхности изнашивания. Это связано с особенностями формирования избыточной боридной фазы имеющей форму игл, ориентация которых совпадает с направлением теплоотвода, что обеспечивает им максимальную скорость роста и подавляет тем самым рост кристаллов, ориентированных под углом к градиенту теплоотвода. В то же время известно, что максимальное увеличение способности сплава к сопротивлению абразивному разрушению достигается при ориентации боридных игл перпендикулярно плоскости изнашивания. Поэтому главной особенностью при на плавке данной группы сплавов является необходимость учёта конкретных условий эксплуатации деталей, заключающихся в изменении их конструкции, которая обеспечит условия для направленной кристаллизации твердых включений под углами, близкими к 90° по отношению к плоскости изнашивания, что позволит в максимальной степени реализовать потенциальные возможности, заложенные в износостойких материалах. Исходя из этого, была усовершенствована конструкция лопаток асфальтосмесителей (А. С. 1675103) с канавкой на рабочей кромке детали, при наплавке которой сплавом 150Х13РЗФ (А. С. 1676174), обеспечивается получение структуры металла с избыточной фазой, ориентированной под углами =80-100° к плоскости изнашивания.

Производственные испытания асфальтосмесителей показали, что упрочнённые лопатки по разработанной технологии имеют срок непрерывной работы в 2-2,5 раза выше, чем серийно выпускаемые лопатки из чугуна по СТП 561-71 ПО "Дормашина" г. Кременчуг [142].

Представленные результаты позволяют утверждать, что для рассматриваемых условий эксплуатации лопаток количество карбидной фазы, а также её ориентация относительно рабочей поверхности вносят более значительный вклад в повышение износостойкости сплава, чем структурное состояние матрицы. Поэтому главным резервом при разработке износостойкого материала для этих условий изнашивания является получение сплава с максимально возможным количеством упрочняющей фазы и её благоприятной ориентацией к поверхности изнашивания. При этом важно отметить, что тип металлической матрицы выбирается из условий конструкционной прочности лопаток и технологичности их изготовления.

4.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАНДАРТНЫХ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Учитывая размеры рабочих органов строительного оборудования, а также величину допустимого износа рабочих поверхностей можно считать наиболее экономически целесообразным методом повышения их срока службы электродуговую наплавку слоем износостойкого материала. Поэтому с целью определения приемлемости стандартных наплавочных материалов с различным типом, количеством упрочняющей фазы, а также структурой сплава, обеспечивающих максимальную износостойкость лопаток асфальтосмесителей, были проведены промышленные испытания в условиях Запорожского Областного Объединённого асфальтобетонного завода на установке ДС 117-2Е.

Исследование изнашивания образцов из сталей X12 и Х12Ф1 позволило установить, что в условиях эксплуатации лопаток сплавы характеризуются максимальной износостойкостью при наивысшей исходной твёрдости, когда в их аустенито - мартенситной структуре содержится наибольшее количество мартенсита. Кроме этого, довольно чётко показана связь между содержанием карбидной фазы и износостойкостью сталей, указывающая на то, что карбиды значительно увеличивают способность сплавов к сопротивлению абразивному разрушению. Исходя из этого для условий изнашивания лопаток асфальтосмесителей наиболее перспективными следует считать сплавы с аустенитно-мартенситной основой и значительным содержанием упрочняющей фазы.

Поскольку сплавы с мартенситной основой имеют повышенную хрупкость, а материалы с преимущественно аустенитной структурой, не претерпевающей структурных превращений при изнашивании, отличаются низкой износостойкостью. Для испытаний были отобраны материалы, позволяющие получить в наплавленном металле различное сочетание аустенито - мартенситной основы и упрочняющей фазы. Включение в число исследуемых сплавов материалов с высоким и низким содержанием упрочняющей фазы необходимо для выяснения границ возможного повышения количества карбидов, при котором сохраняется достаточная эксплуатационная надёжность. Для сравнения испытывали наплавки с аустенитной, ферритной и мартенситной структурой кроме того, определяли износостойкость чугуна 250Х5С2ГАТ (А.С. 429130), применяемого на ПО "Дормашина" г. Кременчуг для изготовления стандартных лопаток асфальтосмесителей.

Проведенные испытания показали (табл. 4.6), что низкой износостойкостью ( =1,32) обладает сплав ЗХ2В8 (№11), структура которого состоит из перлитной основы с незначительными выделениями по границе зёрен карбидной фазы (рис. 4.11). Небольшую износостойкость имеют также материалы, обеспечивающие в наплавленном металле чисто аустенитную (ПП-АН105) и мартенситную (ЭН-Н60) структуры. Так, металл, наплавленный порошковой проволокой ПП АН105, имеет структуру марганцовистого аустенита и в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей имеет крайне малую износостойкость ( =1,6), что можно объяснить низкой микротвёрдостью стабильного аустенита (Н50=3,8-4,5 ГПа) и отсутствием упрочняющей фазы.

Низкой износостойкостью ( =2,1) в данных условиях изнашивания обладает металл, наплавленный электродами ЭН-Н60, имеющий мартенситную структуру с незначительным количеством карбидов (5,3%). Таким образом, наплавочные материалы данной группы (ПП-ЗХ2В8;

ЭН-Н60;

ПП-АН 105) имеют хорошую технологическую и эксплуатационную надёжность, однако вследствие практически полного отсутствия в структуре карбидной фазы имеют износостойкость в 1,3-2.1 раза ниже, чем чугун 250Х5С2ГАТ, применяемой для изготовления лопаток (см. табл. 4.7), что обусловливает их полную непригодность для использования в данных условиях эксплуатации.

Наплавочные материалы II группы (ПП-АН140;

ПП-АН125;

ПП-Х12Ф1;

ПП-АН101) обеспечивают в наплавке металл с аустенито - мартенситной основой и 10-15% карбидов. Анализ результатов испытаний (см. таб. 4.6.) показал, что при примерном равенстве карбидной фазы износостойкость этой группы сплавов определяется твёрдостью матрицы, характеризующей количество в ней, фазы. Так, при соотношении / равном 50/50 (ПП-Х12Ф1) износостойкость составляет 2,15, а при соотношении 60/40 (ПП-АН140) и 90/10 (ПП-АН125) соответственно равна 3,60 и 3,86. Однако количество карбидной фазы оказывает более существенное влияние, чем агрегатная твёрдость, повышенная только за счёт увеличения микротвёрдости основы металла. Так, увеличение количества упрочняющей фазы до 35% (ПП-АН101) даже при соотношении / равном 25/75, наблюдается увеличение износостойкости до 4,2. Сплавы данной группы мало склонны к трещинообразованию, обладают хорошей технологической и эксплутационной надёжностью. В то же время недостаточное количество карбидной фазы в структуре наплавленного металла не обеспечивает им достаточного уровня износостойкости.

Наибольшей сопротивляемостью изнашиванию обладают сплавы III группы (табл. 4.6) со значительным содержанием (50-80%) избыточной фазы (рис. 4.11). Самую низкую износостойкость ( = 5,1 см. табл. 4.6) в данной группе имеет металл, наплавленный электродами ЦС-1 (Сормайт), имеющий 60% избыточных карбидов. Недостаточная износостойкость данного материала связана с малой микротвёрдостью карбидов Сr7Сз (Н50= 12,25-13,4 ГПа) по сравнению с микротвёрдостью абразивных частиц (Н50=13,9-16,8 ГПа), что вызывает малоцикловое разрушение поверхности трения (рис. 4.12). Более высокой износостойкостью обладает металл, наплавленный электродами ЭН-Т590 ( =5,4) и ЭН-Т620 ( =5,6). Увеличение износостойкости данных материалов вызвано дополнительным легированием металла бором, что способствует повышению твёрдости карбидной фазы и основы сплава. Так, микротвёрдость избыточной фазы в этих материалах повышается до Н50=14,3-16,5 ГПа, а матрицы сплава до Н50= 6,2-7,9 ГПа [71]. Высокой износостойкостью в условиях эксплуатации рабочих органов смесителя обладают стандартные наплавочные материалы ЭН-ИТС 01 ( =5,9), КБХ-45 ( =6,2), ПП-АН170 ( =6,5), опытный сплав ЭН-180 Х14Р4Т ( =7,1).

Увеличение способности данной группы материалов сопротивляться изнашиванию связано с тем, что микротвёрдость избыточных включений сравнима или больше (Н50=15-18 ГПа) микротвёрдости абразивных частиц. Металлографические исследования изношенной поверхности (рис. 4.12) показали, что при таком соотношении микротвёрдости, абразивная частица сталкиваясь с упрочняющей фазой разрушается частично или полностью. В результате этого она теряет свои режущие свойства и практически прекращает разрушительное действие. При этом длина образующегося следа от пластического деформирования металла или снятия микростружки ограничивается расстоянием между двумя твёрдыми включениями.

В процессе изнашивания за счёт многократного повторения актов разрушения микрообъёмов металла в пространстве между избыточной фазой поверхность матрицы имеет более глубокие следы пластического деформирования, что вызывает выход твёрдой фазы над поверхностью основы сплава. Следовательно, в условиях эксплуатации рабочих органов асфальтосмесителей высокая износостойкость гетерогенных сплавов, содержащих значительное количество упрочняющей фазы, связано с избирательным характером в полной степени отвечающим принципу Шарпи [71], т.е. в первую очередь разрушается более мягкая структурная составляющая (основа сплава).

В тоже время, имеющиеся стандартные сплавы с большим количеством крупных избыточных включений мало приемлемы для использования их в данных условиях изнашивания, поскольку они обладают высокой склонностью к трещинообразованию и чрезмерной хрупкостью, что приводит к отколам наплавленного металла в процессе эксплуатации. Максимальной износостойкостью из всех исследованных наплавочных материалов обладает металлокерамический сплав ТЗ "Релит" ( =13,5), микроструктура которого состоит из твёрдого раствора с крупными частицами дробленного монокарбида вольфрама WС (рис. 4.13). Интенсивность изнашивания этого сплава значительно меньше, чем у рассмотренных выше наплавочных материалов вследствие значительной твёрдости карбида вольфрама (Н50=24-30 ГПа), которая в 1,6-2 раза выше твёрдости абразивных частиц.

Однако, применение релита в качестве защитного материала несмотря на его значительную износостойкость, ограничено его недостаточной эксплуатационной приемлемостью, высокой стоимостью, малой производительностью и трудоёмкостью газопламенной наплавки.

Проведенными исследованиями установлено, что износостойкость наплавленного металла в условиях работы асфальтосмесителей зависит от микротвёрдости матрицы и упрочняющей фазы сплава (рис. 4.14 и рис. 4.15). При примерном равенстве карбидной фазы, износостойкость определяется микротвёрдости основы. Однако даже при самом высоком значении микротвёрдости Н50=9,5 ГПа (табл. 4.5) основа сплава не может обеспечить высокую сопротивляемость изнашиванию, т. к. микротвёрдость абразивных частиц (Н50=13,9-16,8 ГПа) в 1,40-1,76 раза выше микротвёрдости матрицы.

Рисунок 4.12 – Микроструктура наплавленных сплавов, испытанных в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей x Рисунок 4.13 – Поверхность трения после изнашивания материалов, испытанных в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей x500x Анализ зависимостей влияния количества и микротвёрдости упрочняющей фазы на способность металла сопротивляться изнашиванию в условиях эксплуатации лопаток (рис. 4.15) показал, что значительное увеличение износостойкости наступает при количестве твёрдых включений не менее 50% и отношении микротвёрдости избыточной фазы и абразива Нм/На равном или больше 1.3,т.е.

с микротвёрдостью карбидов (боридов) около 19-22 ГПа.

В тоже время, при разработке износостойкого материала с высоким содержанием карбидов выбор металлической матрицы должен заключатся в получению основы несколько с высокой микротвёрдостью, что может стать причиной значительной хрупкости, сколько со способностью матрицы сплава прочно удерживать упрочняющую фазу. Таким образом, результаты испытаний стандартных и опытных наплавочных материалов показали, что в условиях эксплуатации лопаток асфальтосмесителей сплавы, имеющие в структуре малое количество карбидов, хотя и менее склонны к образованию трещин, 1 – сплавы с содержанием упрочняющей фазы менее 16% 2 – сплавы с содержанием упрочняющей фазы менее 30% Рисунок 4.14 – Изменение относительной износостойкости исследованных наплавочных материалов в зависимости от микротвердости основы сплава Рисунок 4.15 – Изменение относительной износостойкости исследованных наплавочных материалов в зависимости от количества и микротвердости упрочняющей фазы имеют низкую износостойкость и их использование не позволяет в конкретных условиях изнашивания увеличить срок службы деталей. Уровень износостойкости сплава ЦС-1 "Сормайт", а также металла, наплавленного электродами ЭН-Т590, ЭН-Т620, ЭН-ИТС 01 в 1,8-1,0 раза выше, чем у материала, применяемого для изготовления лопаток (чугун 250X5С2ГАТ, Т3=8600С), поэтому их можно использовать для износостойкой наплавки рабочих поверхностей лопатки. В то же время, износостойкость данных материалов не является предельно возможной для системы легирования Fе-С-Сr-В. Этому свидетельствует высокий уровень сопротивляемости изнашиванию наплавочных материалов ПП-АН170, КБХ-45, ЭН-180Х12Р4, микротвёрдость упрочняющей фазы которых достигает 18-22 ГПа. Однако такие сплавы неприемлемы для наплавки лопаток, поскольку склонны к трещенообразованию и чрезмерной хрупкости, что приводит к выкрашиванию металла в процессе работы.

В результате исследования условий эксплуатации и характера изнашивания лопаток асфальтосмесителей, установлено что, лопатки подвержены интенсивному абразивному изнашиванию. Показано, что величина радиального зазора между лопаткой и броней смесителя является одним из основных эксплуатационных параметров, который определяет сложный процесс перемещения, заклинивания, и дробления абразивных частиц в зоне рабочей кромки лопатки, в которой отмечена максимальная интенсивность изнашивания. Увеличение величины радиального зазора более 10мм вызывает значительное повышение числа и энергии дробимых абразивных частиц и вызывает повышение износа лопатки. В условиях работы лопаток асфальтосмесителей не наблюдается существенного упрочнения поверхности трения и максимальной износостойкостью обладают сплавы при высокой исходной твёрдости.

Определена роль упрочняющей фазы и её ориентация относительно рабочей поверхности детали лопаток асфальтосмесителей. Показано, что количество карбидной фазы вносит более значительный вклад, чем структурное состояние матрицы сплава. При одинаковой структуре основы увеличение карбидов в 1,5 раза (для стали типа Х12) обеспечивает повышение износостойкости материала 1,6 раза.

Анализ результатов исследования изнашивания наплавочных сплавов показал, что для эксплуатации в условиях лопаток наиболее перспективными являются высокоуглеродохромбористые износостойкие материалы. Для обеспечения высокой износостойкости сплав должен содержать 50-60% упрочняющей фазы, с микротвёрдостью не менее Н50=19-22 ГПа.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.