Формирование структуры и свойств при плазменной наплавке износостойких покрытий на медь и высокоуглеродистую, марганцовистую стали – часть 1

Металлургия      Постоянная ссылка | Все категории

На правах рукописи

ИЛЬИЧЕВ Максим Валерьевич

формирование структуры и свойств при плазменной наплавке износостойких покрытий на медь и высокоуглеродистую, марганцовистую стали

05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2007

Работа выполнена в Институте качественных сталей ФГУП ЦНИИчермет им. И. П. Бардина и в отделе энергосбережения в металлургии и на транспорте Института новых энергетических проблем ОИВТ РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук,

Филиппов Г. А.

Консультант: доктор технических наук,

Исакаев М.-Э. Х.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ушаков Б. К.

кандидат физико-математических

наук Лясоцкий И. В.

Ведущая организация: Федеральное государственное

унитарное предприятие Всероссийский

Научно-Исследовательский Институт

Железнодорожного Транспорта

Защита диссертации состоится « 23 » мая 2007 г. в 12 часов на засе-дании диссертационного совета Д 217.035.01 ФГУП ЦНИИчермет им. И. П. Бардина по адресу: 105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул. д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомится в технической библиотеке ЦНИИчермет им. И. П. Бардина.

Автореферат разослан 20 апреля 2007 г.

Телефон для справок: 777-93-50

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук,

старший научный сотрудник Н. М. Александрова

ã Объединенный институт высоких температур РАН, 2007

ã Институт качественных сталей ФГУП ЦНИИчермет

им. И. П. Бардина, 2007

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективным и экономичным путем повышения долговечности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, контактной усталости и истирания, является создание на их поверхностях прочных, долговечных и износостойких слоев. Упрочнение тонкого поверхностного слоя массивных деталей из обычных конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные материалы, повышать ресурс механизмов, успешно решать проблему восстановительного ремонта. К таким деталям относятся элементы металлургического оборудования – стенки кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок и изделия железнодорожного транспорта – в частности крестовины стрелочных переводов.

В производстве непрерывного литья заготовок одной из проблем является непродолжительность срока службы медного кристаллизатора из-за интенсивного износа материала стенок. В связи с этим перед исследователями встает задача повышения износостойкости медных стенок кристаллизатора.

Наиболее перспективным направлением на пути к повышению долговечности стенок медных кристаллизаторов является нанесение покрытий. Нашли применение покрытия из хрома, никеля и сплавов на их основе, основным недостатком которых является их незначительная толщина (до 1 мм). Получение покрытий большей толщины сопряжено с опасностью снижения прочности сцепления покрытия с медной основой. Поэтому разработка новых технологий плазменных покрытий большей толщины являются важной практической задачей.

Железнодорожные крестовины изготовленные из стали 110Г13 (сталь Гатфильда) являются главным элементом верхнего строения пути. Они подвержены вертикальным и боковым циклическим нагрузкам, которые могут быть достаточно большими в зависимости от интенсивности движения.

Срок службы крестовин определяется величиной износа, который зависит от работы под подвижной нагрузкой, качества материала и технологии изготовления, условий эксплуатации и содержания крестовин.

В последнее время усилилось внимание исследователей к вопросам восстановления изношенных крестовин и создания биметаллических крестовин на основе более простых марок сталей.

Восстановление работоспособности изношенных крестовин стрелочных переводов является важным резервом экономии в условиях недостаточного финансирования железных дорог и удорожания новых крестовин. К вопросу восстановления добавляется вопрос качества производимой наплавки, которая проводится вручную.

Одним из наиболее перспективных способов наплавки является плазменные методы с подачей порошка вместе с плазмообразующим газом. Однако, при разработке технологий нанесения покрытий (наплавки) существуют 2 основные проблемы:

· обеспечение максимальной прочности сцепления покрытия и металла основы;

· предотвращение остаточных напряжений и растрескивания в наплавленном слое.

Цель работы.

На основе исследования физико-технических характеристик плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток, и установления закономерностей формирования структуры, фазового состава и механических свойств наплавленного слоя разработать установку для плазменной наплавки металлов и технологию плазменной наплавки жароизносостойкого сплава на медь, рельсовую сталь и сталь 110Г13, из которой изготавливают железнодорожные крестовины, обеспечивающие надежное сцепление покрытия с металлом основы и предотвращающие ее растрескивание.

Основные задачи работы:

· провести исследования физико-технических характеристик и определить оптимальные конструктивные параметры плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток вместе с плазмообразующим газом;

· выявить закономерности формирования фазового состава, структуры, механических свойств и сопротивления разрушения жароизносостойкого покрытия из порошкового сплава ПР-НХ15СР2 на медную основу и разработать технологию наплавки, обеспечивающую высокие прочность сцепления и износостойкость;

· установить механизм образования поперечных трещин в наплавленном металле при производстве наплавки на сталь 110Г13Л;

· разработать способ релаксационной обработки, предотвращающий растрескивание при производстве наплавки;

· исследовать закономерности формирования фазового состава, структуры, уровня остаточных напряжений, механических свойств и сопротивления разрушению наплавки порошкового сплава 65Х25Г13Н3 на рельсовую сталь типа 76Ф и высоколегированную сталь 110Г13;

· создать опытно-промышленную установку и технологию плазменной наплавки для восстановления железнодорожных крестовин из стали 110Г13Л, обеспечивающие увеличение в 2 раза эксплуатационного ресурса.

Научная новизна работы включает в себя:

· закономерности формирования фазового состава, структуры, механических свойств и сопротивления разрушения жароизносостойкого покрытия из порошкового сплава ПР-НХ15СР2 на медную основу, обеспечивающие толщину покрытия 4-6 мм, надежное сцепление с основой и увеличение износостойкости в 4-5 раз, что позволяет ожидать увеличения эксплуатационной стойкости стенок медного кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок с покрытием данного типа до 500-1000 плавок;

· оптимальные конструктивные параметры плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток вместе с плазмообразующим газом, обеспечивающие повышение КПД, надежности работы и эффективности наплавки, а также технологические параметры процесса наплавки;

· механизм образования поперечных трещин в наплавленном металле – как результат долома под действием остаточных напряжений не залеченных внутренних интеркристаллитных трещин возникающих при оплавлении границ зерен металла основы;

· способ релаксационной обработки, заключающийся в синхронном с процессом наплавки теплом ударном наклепе, приводящем к релаксации остаточных напряжений за счет фазового g-a превращения и предотвращающем растрескивание при производстве наплавки;

· закономерности формирования фазового состава, структуры, уровня остаточных напряжений, механических свойств и сопротивления разрушению наплавки порошкового сплава 65Х25Г13Н3 на рельс, подтвердившие принципиальную возможность создания биметаллической железнодорожной крестовины из низколегированной стали типа 76ГФ с наплавкой наиболее подверженных износу областей крестовины взамен высоколегированной стали 110Г13.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

Использование полученных результатов позволяет снизить расходы на эксплуатацию и ремонт стенок медных кристаллизаторов МНЛЗ и железнодорожных крестовин стрелочных переводов. Создана опытно-промышленная установка, разработана и освоена технология плазменной наплавки для восстановления железнодорожных крестовин из стали 110Г13Л, обеспечивающая увеличение эксплуатационного ресурса в 2 раза. Разработаны и согласованы с МПС РФ технические условия.

Надежность и достоверность результатов обеспечена использованием современных научно-исследовательских приборов и методов исследования, автоматизированных технологических средств нанесения покрытий, всестороннего и тщательного проведения экспериментов, комплексным анализом результатов исследований, а также подтверждается отсутствием аварийных разрушений восстановленных железнодорожных крестовин.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на: 15-ой интернациональном симпозиуме по физике плазмы (Орлеан, Франция, 2001 г.); 15-ой Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003 г.); на 16-ой интернациональном симпозиуме по физике плазмы (Таурмина, Италия, 2003 г.); Стародубовские чтения «Строительство, материаловедение, машиностроение» (Днепропетровск, 2003 г.); конференции по низкотемпературной плазмы (Киев, 2004 г.); 7-ой Международной практической конференции-выставки «Технология ремонта, восстановления и упрочнения машин, механизмов оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, 2005 г.); 1-ой конференции по инновационной деятельности НТЦ ЭПУ ОИВТ РАН (Москва, 2005 г.); 3-ей Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (Мосвка, 2006 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, приложения и содержит 158 страниц текста, 68 рисунка, 17 таблиц и список литературы из 75 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируются цели и задачи.

В первой главе рассмотрены процессы поверхностного упрочнения и восстановления деталей путем создания покрытий, физические основы и схемы получения плазменной дуги. Проведена классификация способов наплавки и изложены основные принципы электродуговой наплавки, наплавки заливкой жидкого металла, наплавка расплавлением облицовок и плазменной наплавки, а так же характеристика наплавочных материалов и причины образования трещин при наплавке. Рассмотрены условия работы и основные методы повышения эксплуатационной стойкости медных кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и железнодорожных крестовин. Показано, что наибольшему повышению износоустойчивости медных стенок кристаллизатора является увеличение твердости рабочих поверхностей. При этом используют материалы на основе никеля, хрома и их сплавов, применяя следующие способы нанесения, такие как: гальванические, напыление, наплавку, термодиффузионное насыщение поверхностного слоя, плакирование меди листовым материалом. Нашли широкое применения многослойные покрытия.

По улучшению высокомарганцовистой стали из которой изготавливаются железнодорожные крестовины ведутся работы в следующих четырех направлениях: 1) поиск оптимального химического состава, включая легирование и модифицирование следующими элементами углерод, марганец, кремний и фосфор; 2) поиск оптимальной технологии изготовления (режим плавки, вакуумная обработка, термической обработки, применение холодильников); 3) улучшение прочностных характеристик стали за счет предварительной обработки отливок давлением (упрочнение взрывом, электрогидравлический удар, метод науглероживания, холодная накатка); 4) восстановления крестовин методом наплавки.

Во второй главе описаны материалы, методики и оборудование исследований, позволяющих оценить параметры физико-механических и фазово-структурных характеристик металла.

В работе исследовали рельсовую сталь ГОСТР 51685, сталь 110Г13 (сталь Гатфильда) ГОСТ 2176, электролитическую медь и материалы наплавочных порошков: порошок наплавочный марки ПР-65Х25Г13Н3 (для наплавки на рельсовую сталь и сталь 110 Г13), порошок наплавочный марки ПР-НХ15СР2 (для наплавки на медь).

При проведении исследования химического и фазового составов, микроструктуры и механических свойств после плазменного нанесения хромоникелевого порошка использовали следующие методы.

Для проведения исследования распределения твердости по сечению покрытия и медной основы из образца наплавки вырезались поперечные темплеты размером ~ 20х30 мм, захватывающие зоны металла наплавки и основного металла Cu. Травление осуществлялось в «нитале» (3% HNO3) при комнатной температуре.

Твердость по глубине наплавленного слоя определялась по методу Роквелла шариком при нагрузке 100 кг в соответствии методикой ГОСТ 9013.

Замеры микротвердости по глубине наплавленного слоя проводились на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 0,981 Н.

Для определения прочности покрытия проводили испытания на растяжение образцов, вырезанных из поверхности наплавленного металла. Испытания проводили на машине “ ИНСТРОН ” со скоростью деформации 1,1*10-3 сек-1 на плоских образцах длиной 30 мм.

Испытания на срез, моделирующие напряжения в поверхностном слое стенки кристаллизатора, возникающие в процессе эксплуатации, проводили на машине “ ИНСТРОН ” со скоростью движения траверсы 0,2 см/мин с записью диаграммы нагрузка-деформация. Поперечные образцы имели сечение 10х3,5 мм. Испытывали металл наплавки, переходной зоны и медную подложку.

Исследования износостойкости металла покрытия проводили методом нанесения непрерывной царапины на поперечном шлифе образца с покрытием. Царапина наносилась алмазной пирамидкой при постоянная нагрузке 50 г. При увеличении х470 проводили замер лунки через каждые 0,05 мм. Износ оценивали, как величину пропорциональную квадрату ширины лунки, поскольку именно эта величина отражает потери материала при нанесении царапины конусом пирамиды.

Микроструктура наплавленной зоны исследовалась на поперечных и косых шлифах, протравленных в 3% растворе HNO3.

В образцах наплавки на медную основу рентгеноструктурным методом оценивали уровень остаточных микронапряжений (по ширине рентгеновских интерференций (311) металла). Рентгенографировали образцы с наплавкой как с поверхности наплавки, так и по сечению образца, в том числе и медной подложки, на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в Fe – излучении в режиме записи дифрактограмм, в диапозоне углов Вульфа – Брегга от 52-1460. Угловая скорость счетчиков импульсов 10/мин, скорость движения диаграммной ленты 2400мм/час, щели гониометра 1х0,5 мм. Отметка углов через 0,10.

Металлургия      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника