WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Маков Дмитрий Анатольевич

ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ С МУЛЬТИМОДАЛЬНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ЧАСТИЦ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ФАЗЫ ПО РАЗМЕРАМ

Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Гнюсов Сергей Федорович

Официальные оппоненты:

Тарасов Сергей Юльевич -доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории физики упрочнения поверхности Гончаренко Игорь Михайлович -кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул

Защита диссертации состоится « 21 » декабря 2012 г. в 1630 на заседании диссертационного совета Д003.038.02 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, проспект Академический, 2/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Автореферат разослан «___» ноября 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор В.И. Данилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: В настоящее время для увеличения износостойкости рабочих поверхностей деталей машин, как при их изготовлении, так и в процессе ремонта, в качестве наплавляемых порошковых смесей применяют твердые и сверхтвердые композиционные материалы, такие, как релит, сормайт, стеллит, которые содержат в качестве упрочняющей фазы твердые карбиды в количестве от 30 до 90 вес. %. Данные покрытия имеют ряд недостатков:

хрупкость, неравномерность распределения частиц упрочняющей фазы по объему наплавленного слоя, склонность к трещинообразованию. Это не позволяет применять их в условиях характеризующихся многофакторным воздействием.

Однако современный уровень развития промышленности требует создания многофункциональных покрытий с равномерной структурой по всей толщине наплавки, удовлетворяющей следующим требованиям: высокой абразивной износостойкости, малым пластическим деформациям, способности противостоять ударным нагрузкам и низкой температуре.

Перечисленные выше обстоятельства требуют кардинально иного подхода к формированию упрочненных слоев. Одним из возможных путей решения данной проблемы мог бы стать способ применения наплавочного материала, в котором карбидные частицы (например, TiC, WC) имеют разную способность к растворению в жидкометаллической ванне и к карбидообразованию. Структура, сформированная таким способом, будет состоять из исходных карбидных частиц (рис. 1а), первичных (эвтектических) частиц (рис. 1б) и мелкодисперсных вторичных частиц (рис. 1в). При этом каждому типу упрочняющих частиц присущ свой масштабный фактор (мультимодальность в распределении частиц твердой фазы по размерам), что будет способствовать повышению общего уровня износостойкости.

В качестве основы необходимо использовать аустенитные стали. Вопервых, из-за своей вязкости они хоа б в а б в рошо удерживают карбидные частицы.

Во-вторых, в аустените растворяется значительное количество легирующих элементов, которые выделяются в виде дисперсных твердых фаз при дальнейшей термической обработке. Дополнительное упрочнение может быть достигнуто переводом аустенитной матРис. 1. Схема построения структуры рицы в метастабильное состояние. Это композиционных покрытий: а – исходпозволит матрице упрочняться в проные карбидные частицы, б – первичцессе эксплуатации за счет деформациные (эвтектические) карбидные частионных мартенситных превращений или цы, в – вторичные карбидные частицы субструктурных изменений.

в объеме зерна В качестве метода формирования упрочненного слоя наиболее подходит электронно-лучевая технология наплавки в вакууме. Она позволяет организовать микрометаллургический процесс с минимальным воздействием на основной металл. Значительный перегрев сварочной ванны будет способствовать растворению твердых частиц, а минимальное время ее существования - формировать пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в аустените.

В процессе изготовления или эксплуатации оборудования зачастую возникает необходимость нанесения покрытия на детали сложной формы либо выполнять их ремонт без демонтажа. В таких условиях применение способа электронно-лучевой наплавки в вакууме технологически невозможно. Необходим простой и широко распространенный способ наплавки, позволяющий формировать покрытие из легированных материалов. Одним из таких способов является ручная дуговая наплавка в среде аргона.

Цель работы – разработка составов и способа наплавки на стальную основу износостойких покрытий с мультимодальным распределением упрочняющей фазы по размерам на основе изучения структуры и свойств композиционных наплавок «легированная Mo и V аустенитная сталь - тугоплавкий карбид титана или вольфрама».

Для достижения цели работы были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать структуру, механические и трибологические свойства композиционных покрытий, полученных с помощью ЭЛН, в зависимости от типа аустенитной матрицы и карбидной фазы.

2. Исследовать структуру и свойства электронно-лучевых композиционных покрытий в зависимости от режимов последующей термической обработки.

3. Провести исследования влияние структуры покрытий на твердость и абразивный износ.

4. На основании анализа структуры и износостойкости покрытий совместить процесс ЭЛН и термической обработки в один технологический цикл.

5. Экспериментально определить режим термической обработки для покрытий, выполненных с помощью аргонодуговой наплавки.

6. Провести промышленные испытания разработанных покрытий в условиях наплавленных рабочих поверхностей зубьев каменноугольной дробилки, используемой на ТЭЦ ОАО «Сибирский химический комбинат», г. Северск Томской обл.

Научная новизна 1. Установлены составы порошковых композиционных наплавочных смесей на основе Fe-Ni или Fe-Mn сталей, содержащих 4 вес.% Mo, 4 вес.% V и вес.% WC, нанесение которых позволяет получить структуру покрытия, состоящую из марганцовистого или никелевого аустенита с карбидами VC и M6C.

2. Установлен оптимальный режим старения покрытий (600°С, время выдержки 1...2 часа), обеспечивающий сохранение аустенитной структуры матрицы и получение мультимодального распределения карбидной фазы по размерам в объеме упрочненного слоя.

3. Показано, что сформировать подобное структурно-фазовое состояние композиционного покрытия возможно в условиях совмещения процесса вакуумной электронно-лучевой наплавки и термической обработки.

4. Экспериментально установлено, что мультимодальное распределение карбидной фазы по размерам в объеме упрочненного слоя приводит к увеличению коэффициента относительной износостойкости композиционных покрытий на основе марганцовистого аустенита на ~38...42% и на основе никелевого аустенита на 5...12%.

Практическая значимость работы 1. Разработан наплавочный материал, представляющий собой композиционный порошок на основе легированной Mo и V аустенитной стали и 15 вес. % WC, предназначенный для упрочнения рабочих поверхностей, которые эксплуатируются в условиях ударно-абразивного изнашивания.

2. Отработаны режимы электронно-лучевой и аргонодуговой наплавок для ремонта деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа и низких температур (до -40...-50°С).

3. Разработанные композиционные покрытия применены для упрочнения рабочих поверхностей зубьев каменноугольной дробилки, используемой на ТЭЦ ОАО «Сибирский химический комбинат». Эффект от применения композиционных покрытий состоит в 4-х кратном увеличении межремонтного периода работы оборудования.

Работа выполнялась в рамках гранта государственного задания Министерства образования и науки РФ на проведение научно-исследовательских работ ТПУ №8.3664.2011.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработан композиционный наплавочный материал на основе легированной Mo и V аустенитной стали, содержащий 15 вес. % WC и предназначенный для упрочнения поверхностей, работающих в условиях ударноабразивного износа (защищенный патентом РФ).

2. Предложен способ получения композиционного покрытия с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам, заключающийся в формировании упрочненного слоя за счет многопроходной наплавки, причем последний проход делают расфокусированным электронным лучом без подачи наплавляемого материала, обеспечивая температуру нагрева покрытия 650…700°С (защищенный патентом РФ).

3. Закономерности развития структурно-фазового состояния композиционных покрытий «легированный аустенит - карбид вольфрама или титана», реализующегося в процессе наплавки и термической обработки, которые определяют формирование мультимодальной структуры, обеспечивающей высокий уровень микротвердости и абразивной износостойкости.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IX Международной конференции «Современные техника и технология», г. Томск, 2003 г.; VII International Conference «Computer-Aided Desing of Advanced Materials and Technologies «CADAMT-2003»», Tomsk, 2003; X Международной конференции «Современные техника и технология», г. Томск, 2004 г.; 23 Международной конференции «Сварка и контроль-2004», г. Пермь, 2004 г.; Международной конференции «Славяновские чтения. Сварка - XXI век», г. Липецк, 2004 г.; Научно-практической конференции «Молодеж ЯТЦ – наука и производство», г. Северск, 2004 г.; II Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», г.

Томск, 2004 г.; 24 Международной конференции «Сварка и контроль-2005», г. Челябинск, 2005 г.; V Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии», г. Томск, 2012 г.

Публикации. Результаты работ опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 4-х статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, получено патента РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 166 наименований, приложения, всего 1лист машинописного текста, включая 7 таблиц и 56 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель исследования, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость.

В первом разделе подробно проанализированы литературные данные, посвященные вопросам повышения износостойкости материалов с помощью нанесения защитных (износостойких) покрытий. Рассмотрены процессы наплавки, основанные на применении концентрированных потоков энергии. Особое внимание уделено материалам, использующимся для наплавки. Сформулированы цели и задачи исследований.

Во втором разделе представлены материалы и методы их исследования.

Объектами анализа являются композиционные покрытия, которые наносятся на упрочняемую поверхность с помощью электронно-лучевой или аргонодуговой наплавок. Химический состав порошковой шихты для наплавки композиционных покрытий представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Исходный химический состав порошковой шихты Номер Содержание элемента, вес.% покрытия Fe Ni C Mn Mo V Прочее 1 остальное - 0,9 20 4 4 10%TiC 2 остальное 20 - - 4 4 10%TiC 3 остальное - 0,9 20 4 4 15%WC 4 остальное 20 - - 4 4 15%WC Для электронно-лучевой наплавки (ЭЛН) смеси готовили путем смешивания исходных порошков с размером частиц меньше 50 мкм, спекания, последующего дробления полученных спеков и рассевом их на фракции. Для наплавки использовалась фракция размером 90 - 250 мкм.

Часть образцов для предварительных исследований, с целью имитации структуры после однопроходной ЭЛН, подвергали закалке от 1100±20°С в масло. Старение образцов после наплавки проводили в воздушной печи сопротивления при температурах (Тс) 500, 600 и 700±10°С в течение 1, 2, 3, 5 и 10 часов с последующим охлаждении на спокойном воздухе и непосредственно в наплавочной камере путем дополнительного воздействия электронным лучом без подачи наплавочного порошка.

Аргонодуговой наплавкой были наплавлены две серии образцов, основанные на легированном Mo и V марганцовистом и никелевом аустените и упрочненные карбидом вольфрама. Для наплавки, в качестве присадочного материала, применялись трубчатые электроды, шихтовый материал которых подбирался с таким расчетом, чтобы химический состав наплавленных покрытий соответствовал составам №3 и №4 (таблица 1). Заполняющий шихтовый материал готовили путем смешивания порошков исходных компонентов. Далее порошки засыпались в трубчатый электрод, уплотнялись и подвергались вакуумному спеканию.

Основные методы исследования: оптическая (микроскоп OLYMPUS GX51 с комплектом прикладных программ SIAMS 700) и растровая электронная (Philips SEM 515, снабженный микроанализатором EDAX ECON IV) микроскопия (РЭМ) образцов, микрорентгеноспектральный и рентгеноструктурный анализ (РСА), измерение микротвердости (ПМТ-3). Для определения абразивной износостойкости использовался метод «Испытания материалов на абразивное изнашивание при трении о нежесткозакрепленные абразивные частицы» (ГОСТ 23.208-79). Оценку параметров шероховатости поверхности после испытаний на износ проводили на установке сканирующего интерференционного микроскопа ZYGO NewView 7300.

Третий раздел посвящен исследованию формирования структурно-фазового состава композиционных покрытий в условиях электронно-лучевой наплавки.

На основе анализа данных металлографии (рис. 2 а,б) и рентгеноструктурных а б в г д е Рис. 2. Микроструктура покрытий: а - (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+10%TiC; б - (Fe20%Ni-4%V-4%Mo)+10%TiC; в,д - (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC; г,е - (Fe20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC; а-г - после наплавки, д,е - после старения при 600°С) исследований структура покрытий после наплавки, где в качестве упрочняющей фазы использовали карбид титана, состоит из зерен аустенита и частиц карбида титана. Частицы карбида титана частично растворяются в матрице при электронно-лучевой наплавке. Размер оставшихся частиц упрочнителя полностью определяется гранулометрическим размером исходного порошка карбида титана.

Структура покрытий, где в качестве упрочняющей фазы применен карбид вольфрама (рис. 2 в,г), отличается от предыдущей тем, что в процессе наплавки происходит полное растворение исходных частиц монокарбида WC в матрице.

При последующем охлаждении, согласно данным рентгеноструктурного и металлографического анализа, наблюдается формирование по границам зерна сетки эвтектических карбидов типа М6С. Внутри зерен матрицы выделяются в небольшом количестве вторичный карбид М6С и карбид VC. В марганцовистом аустените данные карбиды в основном расположены по границам зерен в виде тонкой сетки и частично внутри зерен в виде отдельных мелких включений размером меньше 0,5 мкм, а в никелевом аустените они представлены в виде крупных угловатых, грубых сетчатых и отдельных мелких частиц. Матрица в образцах, независимо от их системы легирования, представлена - фазой (аустенит).

Проведенная количественная оценка микроструктуры позволила оценить средний размер и объемную долю частиц упрочняющей фазы: в покрытии (Fe20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC это 1,05 мкм и 18,4 %, а в покрытии (Fe-20%Ni4%V-4%Mo)+15%WC – 1,8 мкм и 22,2 %. Согласно данным гистограммам (рис.

3), размеры карбидных частиц можно разделить на три диапазона: d1=0,3…2, d2=2…4 и d3=4…7 мкм (мультимодальное распределение частиц упрочняющей фазы по размерам). Средний размер зерна в наплавке на основе марганцовистого аустенита равен 8,5 мкм, а в образцах на никелевой основе величина среднего размера между карбидными выделениями равна 4,3 мкм.

Термическая обработка (ТО) покрытий, упрочненных карбидом вольфрама, приводит к выделению дисперсных равноосных частиц типа М6С, которое начинает заметно проявляться при температуре 600°С (1…2 ч) (рис. 2 д,е). При этом мультимодальное распределение частиц упрочняющей фазы не только сохраняется, но и более явно проявляется (рис. 3 в,г).

50 N, % N, % 40 30 20 10 0 0 1 2 3 d, мкм 0 2 4 6 d, мкм а б 40 N, % N, % 0 0 2 4 6 d, мкм 0 2 4 6 d, мкм в г Рис. 3. Распределение карбидных частиц по размерам в покрытиях: а,в - (Fe-20%Mn4%V-4%Mo)+15%WC; б,г - (Fe-20%Ni -4%V-4%Mo)+15%WC; а,б - после наплавки;

в,г - после наплавки и старения при 600 °С в течение 3 ч Анализ рентгеновских данных свидетельствует, что после 2 ч старения матрица на основе марганцовистого -твердого раствора остается полностью в аустенитном состоянии и только после 3 ч старения в покрытиях появляется 3…5 % -фазы, что связано с обеднением -твердого раствора марганцем, который входит в состав карбида М6С. В никелевом аустените старение не вызывает-превращения.

В процессе старения происходит изменение объемного содержания твердых частиц, находящихся в покрытии (рис. 4). Для всех кривых распределения достаточно явно выделяются два этапа старения. Этап резкого увеличения количества N, % 18 , % N, % , % 12 26 N, % d1 d2 dN, % N, % N, % d1 d3 d24 N, % N, % 18 12 0 d1 d2 dd1 d2 0 d1 d2 d3 dd1 d22 dN, % d1 d2 d14 N, % d1 dd20 N, % N, % d1 d16 d3 d1 d2 d18 20 d1 d2 dd1 d2 d0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 , ч , ч а б Рис. 4. Изменение объемной доли частиц упрочняющей фазы в покрытиях (Fe20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC (а) и (Fe-20%Ni -4%V-4%Mo)+15%WC (б), температура старения 600 °С. На вставках изменения объемных долей частиц упрочняющей фазы каждого из рассматриваемых диапазонов (d1, d2 и d3) упрочняющих частиц (начальный этап 1…2 ч) и второй этап – менее интенсивного увеличения их содержания (3…10 ч старения). С увеличением времени и температуры старения происходит увеличение вклада крупных частиц, что говорит о преобладании процессов коагуляции над выделением (см. вставки на рис. 4).

Подробный анализ микроструктуры покрытий на основе марганцовистого аустенита (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC, полученной с помощью РЭМ и РСА, свидетельствует о наличии в объеме наплавленного металла после наплавки и после старения дисперсных округлых выделений частиц карбида VC размером до 150 нм (рис. 5). Данный факт хорошо согласуется с результатами исследований механизмов образования карбидов в сталях на основе марганцовистого аустенита. Авторами [1] установлено, что для всех исследуемых сталей характерно гомогенное матричное выделение карбидов ванадия. Однако в марганцовистом аустените образуются самые мелкие карбиды (3…6 нм) с плотностью распределения (2…10)·1016 см –3.

Рис. 5. Микроструктура (РЭМ) покрытий (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC после наплавки и старения при температуре 600С в течение 2 ч Термическая обработка наплавленных покрытий, содержащих карбид титана, приводит к выделению дисперсных частиц в объеме аустенитной матрицы, независимо от системы ее легирования. По данным рентгеноструктурного анализа образцов на основе никелевого аустенита, вновь образовавшиеся частицы имеют кубическую решетку с параметром, несколько отличающимся от параметра решетки исходного карбида титана. Это связано с легированием карбида титана молибденом и ванадием при выделении его из твердого раствора при старении. Необходимо отметить, что структура данных покрытий после старения также характеризуется мультимодальным распределением твердых частиц по размерам.

Вышеуказанные превращения в процессе термической обработки приводят к изменению характера распределения средней величины микротвердости наплавленных покрытий (рис. 6). Так в образцах (Fe-20%Mn-4%V4%Mo)+15%WC после старения при 600 и 700°С уже в течение 1 ч твердость резко увеличивается, что связано с интенсивным выделением дисперсных карбидов типа М6С. Далее, с увеличением времени выдержки микротвердость практически не меняется.

8 Hµ, Hµ, ГПа ГПа 7 4.6 2 3.2., ч 0 2 4 6 8 , ч 0 2 4 6 8 а б Рис. 6. Изменение средней величины микротвердости покрытий (Fe-20%Mn-4%V4%Mo)+15%WC (а) и (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC (б) в зависимости от времени старения и температуры:1) 500°С; 2) 600°С; 3) 700°С В образцах (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC зависимость микротвердости от времени старения для всех рассматриваемых температур имеет более сложную зависимость. В интервале времен старения до 3…5 ч микротвердость образцов для всех температур изменяется по кривым с максимумом и далее плавно уменьшается по линейному закону. Упрочнение на первом этапе старения связано с конкурирующими процессами образования новых дисперсных частиц карбидов и их коагуляции.

Анализ всего комплекса полученных данных по микроскопии, изменению объемной доли частиц упрочняющей фазы в зависимости от температуры и времени старения композиционных покрытий, их микротвердости, а также литературных данных свидетельствует, что оптимальная структура с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам формируется при температуре старения 600°С в течение 1…2 ч.

а б Рис. 7. Микроструктура композиционного покрытия (Fe-20%Mn-4%V4%Mo)+15%WC после наплавки и последующего старения при 600оС в течение 1 ч (а), и после совмещения процесса наплавки и старения (б) Проведенное исследование полученных структур непосредственно после наплавки и после дополнительной термической обработки дает возможность внести изменения в технологический режим электронно-лучевой наплавки – производить одновременно операцию наплавки и старения. Это осуществляется за счет предварительного подогрева подложки, многопроходного режима наплавки и окончательного подогрева наплавленной поверхности расфокусированным лучом. Данное обстоятельство хорошо подтверждается микроструктурой, представленной на рис. 7. Видно, что количество и размер карбидных выделений непосредственно после наплавки с подогревом близок к структуре образцов, подвергшихся наплавке и старению при 600оС.

Четвертый раздел посвящен исследованию формирования структурнофазового состава композиционных покрытий в условиях аргонодуговой наплавки (АДН).

Структура покрытий на основе никеля представляет собой однофазную матрицу с частицами упрочнителя, основное количество которых располагается вдоль границ зерен и в меньшей степени по их объему. Средний размер этих частиц составляет d = 3,3 мкм. По данным микрорентгеноспектрального анализа, покрытия имеют следующий химический состав (вес. %): W - 10,88, Mo - 3,61, V - 3,58, Mn - 0,41, Ni - 14,52, Fe – основа.

Микроструктура покрытий на основе марганцовистого аустенита несколько отличается от полученной способом ЭЛН тем, что в процессе наплавки по всему объему формируется более выраженная дендритная структура упрочняющей фазы, которая находится в аустенитно-мартенситной матрице. По данным рентгеноструктурного анализа, количество - фазы не превышает 3…5%. Дендриты представляют собой сложный карбид типа М6С. Микрорентгеноспектральный анализ выявил в покрытии следующий химический состав (вес. %): W – 10,99, Mo – 3,51, V – 3,95, Mn – 10,07, Cr – 0,4, Fe – основа.

При старении мультимодальность в распределении твердых частиц не только сохраняется, но и более явно проявляется (рис. 8) в виде 3-х четких максимумов: 4, 11 и 15 мкм. При этом в образцах на основе никелевого аустенита а б Рис. 8. Распределение частиц твердой фазы по размерам в покрытии (Fe-20%Ni-4%V4%Mo)+15%WC: а - после наплавки; б - после наплавки и старения (600°С, 1 ч) наблюдаются два процесса, влияющих на размер карбидных выделений. Первый – коагуляция дисперсных частиц вдоль границ зерен, что приводит к увеличению как среднего размера частиц с 3,3 до 5,4 мкм, так и к смещению пиков мультимодальности в сторону больших размеров. Второй – выпадение дисперсных частиц как вдоль границ зерен, так и по их объему. При этом количество мелких частиц остается преобладающим, а размер зерна матрицы уменьшается с 9,5 до 8,5 мкм, и она после старения остается в однофазном ( - фаза) состоянии.

Старение образцов на основе марганцовистого аустенита приводит к образованию дисперсных равноосных частиц карбида типа М6С при сохранении первичных двойных карбидов, имеющих дендритную морфологию. Выделение равноосной дисперсной твердой фазы в ходе старения происходит как по границам зерен, так и в самом зерне. В данных образцах процесс карбидообразования способствует дополнительному превращению в ходе старения и увеличению содержания -фазы до 9…11%.

Структурные изменения в процессе термической обработки влияют на характер распределения микротвердости в наплавленном слое. В образцах на основе марганцовистого аустенита, в результате старения при температуре 600оС в течение 1 ч, значение микротвердости наплавленного слоя увеличивается с 4,7±0,34 до 6±0,3 ГПа. В образцах на основе никелевого аустенита – с 2,9±0,до 3,3±0,1 ГПа.

Пятый раздел посвящен исследованию износостойкости композиционных покрытий и их промышленным испытаниям.

На рис. 9 представлены данные по относительной износостойкости композиционных покрытий непосредственно после наплавки и термической обработки (старение при 600°С, 1 ч). Видно, что независимо от типа применяемых карбидных частиц, покрытия, основанные на марганцовистом аустените, показывают большую износостойкость по сравнению с никелевым. При этом в 4 3 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Рис. 9. Значения коэффициента относительной износостойкости покрытий: 1 - эталон (сталь 45); 2 - (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+10%TiC; 3 - (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+10%TiC после наплавки и ТО; 4 - (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+10%TiC совмещение наплавки и ТО;

5 - (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+10%TiC; 6 - (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+10%TiC после наплавки и ТО; 7 - (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+10%TiC совмещение наплавки и ТО; 8 - (Fe-20% Mn -4%V-4%Mo)+15%WC; 9 - (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC после наплавки и ТО;

10 - (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC совмещение наплавки и ТО; 11 - (Fe-20%Ni-4% V-4%Mo)+15%WC; 12 - (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC после наплавки и ТО; 13 - (Fe20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC совмещение наплавки и ТО; 14 - (Fe-20%Mn-4%V- 4%Mo) +15%WC; 15 - (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC после наплавки и ТО; 16 - (Fe-20%Ni4%V-4%Mo)+15%WC; 17 - (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC после наплавки и ТО. Покрытия 2-13 выполнены ЭЛН, 14-17 выполнены АДН.

образцах, упрочненных с помощью частиц карбида титана, термическая обработка или совмещение процесса наплавки и старения не приводят к значительному увеличению коэффициента относительной износостойкости. Это напрямую связанно с тем, что частицы карбида титана практически не растворяются в жидкой металлической ванне при наплавке. В связи с этим процессы выделения твердых частиц не столь интенсивны и значительно не влияют на свойства покрытий. Более того в образцах на основе никелевого аустенита исходный материал показывает большую стойкость нежели подвергнутый термообработке.

Анализ поверхностей износа с помощью РЭМ (рис. 10 а) выявил, что мелкие лунки, характерные для покрытий (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+10%TiC, образуются в результате выкрашивания исходных карбидных частиц TiC, присутствующих в исходном материале (рис. 2 а). Более крупные лунки на поверхности износа покрытий (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+10%TiC (рис. 10 б) связаны с выкрашиванием крупных карбидных частиц TiC или их конгломератов и формированием разветвленных трещин, по которым в ходе износа происходит дальнейшее выкрашивание частиц твердой фазы.

а б Рис. 10. Поверхность износа композиционных покрытий (РЭМ) (Fe-20%Mn-4%V4%Mo)+10%TiC (а) и (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+10%TiC (б) после испытаний на абразивный износ; оба покрытия после наплавки были подвернуты старению при 600°С (1 ч) Таким образом, покрытия, упрочненные карбидом титана, не могут эксплуатироваться в условиях абразивного износа с ударными нагрузками из-за того, что матрица не обеспечивает надежного закрепления карбидных частиц.

В образцах, упрочненных карбидом вольфрама, дополнительная термическая обработка или совмещение процесса наплавки и старения приводит к увеличению коэффициента относительной износостойкости композиционных покрытий (на основе марганцовистого аустенита на ~38...42%, никелевого – ~5...12%). Значительное повышение износостойкости связано с выделением дисперсных частиц сложного карбида типа М6С (рис. 2 д) и карбида ванадия (рис. 5) в объеме аустенитной матрицы в процессе старения, что обеспечивает явно выраженное мультимодальное распределение частиц по размерам и, следовательно, способствует формированию более однородной композиционной структуры.

Анализ поверхностей износа с помощью РЭМ выявил, что для покрытий (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC характерно равномерное изнашивание по всей контактной поверхности (рис. 11 а). Явно просматривается наличие многочисленных дисперсных (< 1мкм) частиц упрочнителя в виде мелкой сетки по всей поверхности износа. Аналогичные карбидные выделения характерны и для композиционного покрытия на основе никелевого аустенита (рис. 11 б). Однако их размер примерно в два раза больше, чем для покрытий на основе марганцовистого аустенита. Более того, в данных покрытиях присутствуют крупные частицы упрочняющей фазы или их конгломераты, которые подвергаются выкрашиванию и, следовательно, формируется более грубый рельеф поверхности.

а б Рис. 11. Поверхность износа композиционных покрытий (Fe-20%Mn-4%V4%Mo)+15%WC (а) и (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC (б) после испытаний на абразивный износ (старение при 600°С) Для композиционных покрытий (Fe-20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC наибольшая высота неровностей профиля (Rmax) не превышает 1,6...2 мкм, а среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) – 0,45...0,24 мкм (рис. 12 а). Поверхность износа композиционных покрытий (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC характеризуется в три раза большей высотой неровностей профиля (Rmax = 5,1...6,3 мкм) и его средним арифметическим отклонением (Ra = 0,63...0,71 мкм) (рис. 12 б). Это связано с выкрашиванием крупных конгломератов карбидов в процессе износа (рис. 11 б).

а б Рис. 12. Результаты измерения микрогеометрии поверхности трения покрытий (Fe20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC (а) и (Fe-20%Ni-4%V-4%Mo)+15%WC (б) после испытаний на абразивный износ (старение при 600°С, 1 ч) Анализ относительной износостойкости композиционных покрытий полученных ЭЛН и АДН свидетельствует о том, что одноименные электроннолучевые покрытия имеют на ~20% бльшую износостойкость по сравнению с аргонодуговыми (рис. 9). Такое различие вызвано формированием более грубой структуры, что связано с увеличением объема жидкометаллической ванны и длительностью ее существования при АДН.

На ТЭЦ ОАО “Сибирский химический комбинат” для дробления крупных кусков угольный породы, не прошедшей через сепаратор, применяется барабанная дробилка. Дробление породы происходит с помощью зубьев, расположенных на барабане. Сам зуб изготавливается из низкоуглеродистой стали, а его рабочая поверхность упрочняется защитным покрытием, наносимым ручной дуговой наплавкой с помощью электродов Т-590 (Э-320Х25С2ГР). Дробилка работает в условиях одновременного воздействия абразивных частиц, ударных нагрузок и низкой температуры (до -40...-50°С). При таких условиях эксплуатации покрытия, выполненные электродами Т-590, не могут обеспечить необходимую износостойкость.

Для наплавки рабочих поверхностей зубьев каменноугольной дробилки была применена разработанная композиционная порошковая шихта (Fe-0,9%С20%Mn-4%V-4%Mo)+15%WC. Нанесение покрытий осуществляли с помощью ЭЛН и АДН, по технологии, способствующей получению мультимодального распределения частиц упрочняющей фазы по размерам. Проведенные исследования показали, что применение разработанного покрытия позволило увеличить износостойкость зубьев каменноугольной дробилки более чем в 4 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе проведенных исследований в работе сделаны следующие выводы.

1. Разработаны оптимальные составы композиционных порошков для наплавки на основе легированного молибденом и ванадием марганцовистого аустенита и 15вес.% WC, предназначенные для упрочнения поверхностей, работающих в условиях ударно-абразивного износа и низкой температуры (защищенные патентом РФ).

2. В процессе электронно-лучевой наплавки частицы карбида вольфрама полностью растворяются в жидкой металлической ванне и при последующем охлаждении выделяются в виде карбида М6С. Карбид ванадия в покрытиях представлен в виде отдельных равноосных частиц, размер которых в марганцовистой матрице не превышает 150 нм, а в никелевой – ~1 мкм.

3. На основе исследований температурно-временных параметров режимов старения наплавленных покрытий установлен рациональный режим старения (600 °С, время выдержки 1…2 ч), обеспечивающий сохранение аустенитной структуры матрицы и равномерное мультимодальное распределение карбидной фазы по размерам в объеме упрочненного слоя, что обеспечивает прирост среднего значения микротвердости на 35% по сравнению с только наплавленными покрытиями.

4. Разработан способ совмещения вакуумной электронно-лучевой наплавки и старения, позволяющий получить в объеме упрочненного слоя однородную дисперсно-упрочненную структуру с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам (защищенный патентом РФ).

5. Мультимодальное распределение карбидных частиц по размерам в композиционных покрытиях в условиях однопроходной аргонодуговой наплавки возможно только при дополнительной термической обработке – старении. Дополнительное выделение карбидных частиц в процессе старения способствует увеличению содержания -фазы с 3...5 до 9…11 об.%.

6. Дополнительная термическая обработка или совмещение процесса наплавки и старения приводит к увеличению коэффициента относительной износостойкости композиционных покрытий на основе марганцовистого аустенита на ~38...42%, а на основе никелевого аустенита – 5...12 %. Показано, что одноименные электронно-лучевые покрытия имеют на ~20% бльшую износостойкость по сравнению с аргонодуговыми.

7. Износостойкость рабочих органов каменноугольной дробилки, наплавленных композиционным материалом на основе аустенитной высокомарганцовистой стали ((Fe-20%-Mn-4%V-4%Mo)+15%WC) как электронно-лучевым, так и аргонодуговым методом, позволяет увеличить их износостойкость более чем в 4 раза по сравнению с покрытиями, нанесенными электродами типа Э320Х25С2ГР (марка Т-590).

Список цитируемой литературы 1. Косицина И.И., Сагарадзе В.В. Аустенитные стали различных систем легирования с карбидным упрочнением // Металлы. - 2001. - №6. - С. 65 - 74.

Основные публикации по теме диссертации В рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Гнюсов С.Ф., Маков Д.А., Дураков В.Г. Формирование износостойких аустенитных покрытий с регулируемым карбидным упрочнением // Физика и химия обработки материалов. - 2004. - № 6 - С.54 - 60.

2. Гнюсов С.Ф., Маков Д.А., Дураков В.Г. Особенности формирования износостойких аустенитных покрытий с помощью аргонодуговой наплавки // Известия ТПУ. - 2005. - Т. 308. - № 5 - С.119 - 123.

3. Гнюсов С.Ф., Маков Д.А., Дураков В.Г., Советченко Б.Ф. Повышение износостойкости оборудования, применяемого для измельчения смерзшегося и крупнокускового угольного топлива // Тяжелое машиностроение. 2006. - № - С.22 - 24.

4. Патент Российской Федерации №2309827 от 10.11.2007г. БИ №31 Способ электронно-лучевой наплавки покрытий с мультимодальной структурой / Гнюсов С.Ф., Гнюсов К.Ф., Дураков В.Г., Маков Д.А., Советченко Б.Ф.

5. Патент Российской Федерации №2322335 от 20.04.2008г. БИ №12 Композиционный материал для износостойкой наплавки электронным лучом / Гнюсов С.Ф., Дураков В.Г., Маков Д.А., Советченко Б.Ф.

6. Гнюсов С.Ф., Маков Д.А. Влияние режимов старения на эволюцию структурно-фазового состава и свойства композиционных покрытий // Известия ТПУ. - 2012. - Т. 321. - № 2 - С.100 - 106.

В других научных изданиях:

1. Маков Д.А., Малюк Е.О., Гнюсов С.Ф., Дураков В.Г. Формирование износостойких покрытий с регулируемым карбидным упрочнением // Современные техника и технология: Тезисы докл. IX Межд. конф. - 7-11 апреля, Томск.

2003. - Т.1. - С.34 - 35.

2. Makov D.A., Durakov V.G., Gnyusov S.F. Formation of austenitic wearresistance coatings with adjustable carbide hardening // VII International Conference «Computer-Aided Desing of Advanced Materials and Technologies «CADAMT2003»» / August 18-23, Russia, Tomsk. 2003. - P.111.

3. Маков Д.А., Гнюсов С.Ф., Дураков В.Г. Формирование износостойких аустенитных покрытий с регулируемым карбидным упрочнением // Современные техника и технология: Тезисы докл. X Межд. конф. - 29 марта - 2 апреля, Томск. 2004. - Т.2. - С.55 - 56.

4. Маков Д.А., Гнюсов С.Ф., Дураков В.Г. Формирование мультимодальной структуры аустенитных покрытий с карбидным упрочнением // Сварка и контроль-2004: Тезисы докл. 23 Межд.конф. - 17-20 мая, Пермь. 2004. - Т.3. - C.170 - 176.

5. Гнюсов С.Ф., Дураков В.Г., Маков Д.А. Получение износостойких композиционных покрытий с помощью аргонодуговой наплавки // Славяновские чтения. Сварка - XXI век: Труды Межд. научно-техн. конф. - 21-23 октября, Липецк. 2004. - Т.2. - C.440 -443.

6. Маков Д.А., Гнюсов С.Ф., Дураков В.Г. Возможность регулирования количества карбидной фазы в износостойких аустенитных покрытиях // Молодёжь ЯТЦ – наука и производство: Тезисы докл. научно-практич. конф. - 28-октября, Северск. 2004. - C.67 - 69.

7. Маков И.А., Дураков В.Г., Маков Д.А. Получение износостойких композиционных покрытий с помощью аргонодуговой наплавки // Современные проблемы машиностроения: Труды II Межд. научно-техн. конф. - 8-10 декабря, Томск. 2004. - C.218 - 222.

8. Маков Д.А., Дураков В.Г., Гнюсов С.Ф. Получение износостойких композиционных покрытий с помощью электронно-лучевой наплавки // Современные проблемы машиностроения: Труды II Межд. научно-техн. конф. - 8-10 декабря, Томск. 2004. - C.222 - 226.

9. Гнюсов С.Ф., Маков Д.А., Дураков В.Г. Получение износостойких композиционных покрытий с мультимодальным распределением упрочняющей фазы // Сварка и контроль-2005: Тезисы докл. 24 Межд. конф. - 16-18 марта, Челябинск. 2005. - C.74 - 82.

10. Гнюсов С.Ф., Маков Д.А. Разработка композиционных покрытий на основе аустенитных сталей для работы в условиях ударно-абразивного износа // Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии: Тезисы докл.

V Всероссийская конференция молодых ученых. 17-19 октября, Томск. 2012. - Т.2. - С.69-72.






© 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.