авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Получение слоистого композиционного материала с регулируемой структурой и свойствами

На правах рукописи

МАСАНСКИЙ

Олег Александрович

ПОЛУЧЕНИЕ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО

МАТЕРИАЛА С РЕГУЛИРУЕМОЙ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16.06 Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Красноярск – 2012

Работа выполнена на кафедре «Материаловедения и технологии обработки материалов» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Токмин Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

Кирко Владимир Игоревич, доктор физико-математических наук, профессор;

Сибирский федеральный университет, кафедра «Менеджмент производственных и социальных технологий», заведующий кафедрой Коновалов Юрий Иванович, кандидат технических наук, доцент;

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетне ва, кафедра «Сварка летательных аппаратов», доцент кафедры

Ведущая организация: ФГУП «ЦКБ «Геофизика»

(г. Красноярск)

Защита диссертации состоится 25 мая 2012 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.099.19 в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского 26, в ауд. УЛК 115.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Автореферат разослан: « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Редькин Виктор Ефимович Актуальность. Развитие современной машиностроительной отрасли свя зано с разработкой новых материалов, внедрением инновационных технологий и оборудования. Получение слоистых композиционных материалов с регули руемой макро- и микроструктурой позволяет формировать требуемые физико механические свойства с учетом условий эксплуатации.

Современное представление об эффективном управлении свойствами ма териалов основывается на возможности создания условий, которые могут ради кально влиять на процессы самоорганизации структур. Высокоэнергетическое воздействие позволяет повысить скорости нагрева и охлаждения, что приводит к созданию максимально неравновесных структур, которые, при определенных условиях, могут обеспечить требуемый комплекс физико-механических и экс плуатационных свойств. Управление структурообразованием материалов за данного состава, в условиях далеких от термодинамического равновесия, по зволяет обеспечить требуемую стойкость рабочей зоны изделия при воздейст вии высоких контактных и динамических нагрузок в условиях абразивного, ударно-абразивного и ударного износа.

Применение износостойких слоистых композиционных материалов на рабочих органах горнодобывающей и строительно-дорожной техники позволя ет увеличить не только эксплуатационный срок службы, но и экономить доро гостоящие металлы, за счет применения низколегированного компонента осно вы слоистого композиционного материала. Поэтому, комплексный подход, включающий многофакторное воздействие на фазо- и структурообразование в металлических системах с применением современного оборудования, имеет особую актуальность.

Объект исследования – слоистые композиционные материалы, получен ные методом высокоэнергетического индукционного нагрева.

Предмет исследования – технологии и технологические режимы регули рования структурообразованием и свойствами слоистых композиционных ма териалов.

Цель диссертационной работы. Получение и исследование слоистых композиционных материалов с регулируемой структурой и свойствами, путем последовательного нанесения расплавов из металлических порошков, высоко энергетическим индукционным нагревом.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Получить износостойкий слоистый композиционный материал с регу лируемой структурой и свойствами высокоэнергетическим индукционным на гревом.

2. Установить факторы, влияющие на формирование границы раздела слоистого композиционного материала, определить ее параметры и механизм образования.

3. Определить влияние технологических режимов, скоростей нагрева и охлаждения, химического состава металлического порошка на структурообра зование, физико-механические и эксплуатационные свойства слоистого компо зиционного материала.

4. Разработать технологические режимы обеспечивающие формирование требуемых физико-механических и эксплуатационных свойств слоистого ком позиционного материала методом высокоэнергетического индукционного на грева и разработать программу их расчета на ПЭВМ.

5. Экспериментально-промышленные испытания рабочих органов строи тельно-дорожной техники.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использова лись современные методы исследования и оборудование: металлографические методом оптической и электронной микроскопии, энергодисперсионный, рент генофазовый, анализ твердости и микротвердости, метод сухого трения, пакет прикладных программ для обработки результатов на ПЭВМ.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Получен слоистый композиционный материал путем последовательно го нанесения слоев одного и того же состава, отличающийся возможностью со хранения свойств предыдущего слоя при нанесении последующего.

2. Установлено, что формирование границы раздела слоистого компози ционного материала происходит за счет адгезии расплавленного металлическо го порошка с твердофазным компонентом и диффузии легирующих элементов в граничную зону на глубину 2–4 мкм.

3. Установлено, что при индукционном нагреве, за счет контроля скоро сти нагрева и охлаждения, возможно оказывать воздействие на дисперсность карбидной фазы, средний размер которой может изменяться от 5 до 15 мкм с соответствующим изменением физико-механических свойств слоистого компо зиционного материала.

4. Разработаны технологические режимы получения слоистых компози ционных материалов, обеспечивающие повышенный уровень эксплуатацион ных свойств, при различных условиях износа, за счет регулирования структур но-фазового состава и физико-механических свойств.

Практическая значимость и использование результатов работы.

Разработано программное обеспечение и предложены практические ре комендации по выбору технологических режимов получения слоистых компо зиционных материалов, позволяющие регулировать процессом структурообра зования и свойствами для получения повышенной износостойкости с учетом характера износа.

Предложены и апробированы в экспериментально-промышленных усло виях технологические режимы получения ножей отвала на базе дорожной ма шины Д3-180, в Ачинском МУП «АДРСП», получено повышение рабочего ре сурса восстановленных и новых изделий.

Выбор технологических режимов получения слоистых композиционных материалов, методом индукционного нагрева, включены в курс лекций и лабо раторных занятий по дисциплине «Оборудование и технология спецпокрытий в машиностроении» для студентов ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный уни верситет», обучающихся по направлению подготовки дипломированных спе циалистов «Материаловедение и технологии материалов».

Достоверность полученных результатов обеспечивается необходимым объемом экспериментальных исследований;

удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментально полученных зависимостей;

непротиворечи востью исследованиям других авторов;

использованием регистрирующего и испытательного оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуще ствлять измерения требуемых параметров, а также использованием обработки полученных результатов с применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.

Апробация результатов работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Все российское совещание заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов «Материаловедение и технология конструкцион ных материалов - важнейшие составляющие компетенции современного инже нера. Проблемы качества технологической подготовки» (Волгоград, Волжский 2007 г.), Международный симпозиум «Динамические и технологические про блемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (Яропо лец 2008-2010 г.г.), ХIV Международная научная конференция «Памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева» (Красноярск 2010 г.), V международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2010» (Волгоград 2010 г.) Публикации. Основные теоретические результаты диссертации опубли кованы в 8 работах, из которых 2 публикации в ведущих рецензируемых изда ниях, рекомендованных в действующем перечне ВАК.

Личный вклад автора. Автору принадлежит идея работы (частично), определение цели и постановка задач данного исследования, обоснование, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну, теоретическую и практическую значимость, получение экспериментальных и обработка статистических данных, анализ и обобщение результатов, формули ровка выводов и заключения для принятия решений. Около 60 % результатов исследований в совместных публикациях принадлежит автору.

Объем и структура диссертации. Материалы диссертационной работы изложены на 121 странице основного текста, включающих 46 рисунков и 18 таблиц. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и списка литературы из 94 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуаль ность темы, поставлена цель и определены задачи исследования. Сформулиро ваны научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, а так же практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены условия износа рабочих органов горнодо бывающей и строительно-дорожной техники. Показано влияние структурно фазового состава материалов, на эксплуатационную стойкость при различных условиях износа, а так же влияние условий износа на структурные и фазовые изменения, протекающие в контактирующей поверхности материала.

Исследованию закономерностей износа материалов при различных ус ловиях посвящены работы Бабичева М.А., Виноградова В.Н., Гринберг Н. А., Куркумели Э. Г., Лившиц Л. С., Ткачева В.Н., Фурмина И.И., Хрущева М.М. и др.

Одним из способов повышения стойкости и долговечности рабочих орга нов горнодобывающей и строительно-дорожной техники, является применение слоистых композиционных материалов, полученных в условиях высокоэнерге тического нагрева, с применением порошковых материалов. Правильный под бор химического состава металлического порошка не всегда позволяет полу чить требуемый комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств.

Создание износостойкого слоистого композиционного материала требует учета широкого круга вопросов, связанных с технологией его получения.

Широкий диапазон скоростей нагрева и охлаждения, время жидко твердофазного взаимодействия компонентов, в условиях высокоэнергетическо го нагрева, приводит к формированию различных структурно-фазовых состоя ний слоистого композиционного материала.

Рассмотрены технологии полу чения слоистых композиционных материалов, путем нанесения рас Время нагрева, с плава металлического порошка на тугоплавком компоненте основы и дан их сравнительный анализ. По ЛГЗ- казаны преимущества индукцион УВГ2- ного метода с применением высо кочастотного транзисторного гене ратора УВГ2-25, разработанного в 0 1 2 3 ЦКБ «Геофизика» г. Красноярска.

Толщина слоя шихты, мм Применение данного генератора позволяет сократить время индук Рисунок 1 – Зависимость времени нагрева от ционного нагрева, необходимое для толщины слоя шихты плавления металлического порош ка, по сравнению с генератором лампового типа ЛГ3-60 почти в 2 раза (рис.1) и минимизировать взаимодействие компонентов слоистого композиционного материала.

По результатам проведенного обзора конкретизированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрено влияние легирующих элементов на форми рование структурно-фазового состава, физико-механических и эксплуатацион ных свойств слоистого композиционного материала. Показано влияние углеро да и хрома, как основного легирующего элемента износостойких материалов, на формирование структурно-фазового состава и свойств слоистого компози ционного материала. Соотношение концентрации хрома и углерода определяет тип карбидной фазы. Хром может частично замещать атомы железа в ортором бическом карбиде железа (Fe, Cr)3C. При содержании хрома 12–24 % образуют ся карбиды хрома, в которых часть атомов хрома замещена железом: триго нальный (Cr, Fe)7C3 и кубический (Cr, Fe)23C6, что способствует повышению твердости, прочности и износостойкости в условиях абразивного износа с не значительными ударными нагрузками. Совместное легирование высокохроми стых сплавов никелем и марганцем, в количестве до 5 %, способствует подав лению превращения и получению метастабильной аустенитной матрицы, что повышает износостойкость сплава при воздействии нагрузок ударного ха рактера. Такое повышение стойкости связано с превращениями аустенита в по верхностных слоях при контакте с абразивной средой: образование мартенсита деформации, выделение дисперсных карбидов по плоскостям скольжения, пе рераспределение структурных составляющих и т.д. В зависимости от характера износа, приведены общие рекомендации к структурно-фазовому составу слои стых композиционных материалов:

- для условий абразивного изнашивания, износостойкость обеспечивает мартенситно-карбидная структура, а также сплавы с матрицей, состоящей из высокодисперсных карбидов и метастабильного аустенита;

- при больших нагрузках или для условий ударно-абразивного износа не обходимо обеспечить в сплавах аустенитно-карбидную структуру (стабильные и метастабильные аустенитные стали, белые чугуны с высоким содержанием аустенита).

- сплавы с метастабильной аустенитной структурой обладают высокой износостойкостью при условиях ударного износа, что связано с превращениями в поверхностных слоях слоистого композиционного материала в процессе из носа.

Приведена классификация и подробная характеристика износостойких материалов, имеющих практическое значение для получения слоистых компо зиционных материалов, методом высокоэнергетического индукционного нагре ва, с учетом характера износа. Установлено, что наиболее перспективными, для решения поставленной задачи, являются высокохромистые чугуны в виде ме таллического порошка, легированные никелем и марганцем в количестве 4–5 %.

Приведено обоснование выбора материала компонента основы.

Для защиты расплавленного металла от взаимодействия с кислородом воздуха и удаления окисных пленок с поверхности компонента основы и частиц металлического порошка, были рассмотрены и подобраны защитные флюсы.

По результатам проведенного анализа для получения экспериментальных образцов слоистых композиционных материалов был применен сплав "Сор майт" ГОСТ 21448-75 в виде порошка (табл.1), в смеси с борсодержащим флю сом следующего состава: флюс П-1 (30 % – борного ангидрида, 30 % – буры, 5 % – силикокальция) с добавлением 35 % – флюса марки АН-348, для улучше ния отделения шлаковой корки.

Состав наплавляемой шихты содержит 70–75 % (по объему) металличе ского порошка, остальное флюс. Так как металлический порошок имеет пара магнитные свойства, то предварительное спекание или брикетирование не обя зательно. В качестве компонента основы использована конструкционная низко легированная сталь марки 09Г2С ГОСТ 1577-93.

Таблица 1 – Химический состав металлического порошка сормайта Элементы C Si Cr Mn Ni Fe Количество, % основа 2,5-3,5 2,8-4,2 25,0-31,0 0,5-1,5 3,0-5, В третье главе рассмотрено экспериментальное оборудование, оснастка, технология и методика получения слоистых композиционных материалов, а так же научное оборудование и методики исследования полученного слоистого композиционного материла (рис. 2).

Компоненты слоистого композиционного Компоненты материала Граница раздела Рисунок 2 – Модель слоистого композиционного материала Изложены физико-химические процессы, протекающие при индукцион ном нагреве, механизм плавления шихты и распределение температуры в ос новном металле. Изучено влияние частоты тока на кинетику разогрева и плав ления частиц металлического порошка. Показано, что с увеличением частоты тока растут энергетические показатели нагрева, но происходит уменьшение толщины скин-слоя (), величина которого определяется как:

, мкм = (1) где – удельное сопротивление наплавляемого материала, Ом·м;

=2f – циклическая частота генератора, Гц;

µ0 – магнитная постоянная Гн/м;

µ – магнитная проницаемость вещества.

Толщина скин-слоя при рабочей частоте генератора 44 или 66 кГц составляет 150–300 мкм, что сравнимо со средним размером частиц металлического порошка.

Рассмотрено формирование структурно-фазового состава и образование границы раздела слоистого композиционного материала, с учетом технологиче ских особенностей индукционного метода. Приведен расчет коэффициента диффузии хрома в железо:

, см2/с (2) где Т – температура, К.

На основе анализа, была разработана технология получения слоистого композиционного материала системы Fe-Cr-Ni-C-Si – Fe-C-Mn-Si, путем нане сения расплава металлического порошка на компонент основы, с применением высокочастотного транзисторного генератора УВГ 2-25. Индуктор, торцевого типа с ферритовым усилителем располагали над деталью, на поверхность кото рой предварительно наносился слой шихты, состоящей из металлического по рошка и флюса, в соответствующей пропорции. Соотношение толщины полу чаемого слоя к толщине слоя шихты составляет ~ 1:2.

Рассмотрен метод получения слоистых композиционных материалов пу тем последовательного нанесения на компонент-основу двух и более слоев од ного и того же состава.

Исследование границы раздела, химического и фазового состава, механи ческих и эксплуатационных свойств слоистого композиционного материала, проводилось с применением следующих методик и научного оборудования:

- металлографические - методом оптической микроскопии с применением светового микроскопа "Carl Zeiss Axio Vision", оснащенного устройством ви зуализации изображения, электронной микроскопии с применением растровых электронных микроскопов "HITACHI TM-1000", РЭМ-100У и JEOL JSM 7001F;

- энергодисперсионный и химический анализ в растровом электронном микроскопе JEOL JSM 7001F, оснащенном энергодисперсионным спектромет ром фирмы Oxford Instruments;

- анализ твердости на приборе ТК-2М по методу Роквелла в соответствии с ГОСТ 2999-75;

- анализ микротвердости на приборе ПМТ-3М в соответствии с ГОСТ 9450-76;

- рентгенофазовые исследования проводились на дифрактометре Т8-ADVANCE;

- испытания по методу сухого трения на модернизированном шлифоваль ном станке с применением абразивного материала ГОСТ 5009-84;

- анализ карбидной фазы, методом количественной металлографии в про граммной среды SIAMS–600;

- метод регрессионного анализа, для определения функциональных зави симостей между технологическими режимами и свойствами слоистого компо зиционного материала, с помощью пакета Mathcad 12.0.

В четвертой главе представлены результаты исследований образцов слоистых композиционных материалов, полученных экспериментальным путем.

Энергодисперсионный анализ границы раздела, проведенный с шагом мкм (рис. 3), дает возможность проследить изменение химического состава слоистого композиционного материала в плоскости поперечного сечения, что позволяет определить механизм жидко-твердофазного взаимодействия компо нентов. Можно отчетливо наблюдать резкое снижение содержания хрома в ин тервале 5–7 спектров и отсутствие никеля в 5 и последующих спектрах. Так как данные элементы отсутствуют в составе компонента основы, то такое измене ние легирующих элементов позволяет предположить, что толщина границы раздела слоистого композиционного материала составляет 2–4 мкм, а ее фор мирование происходит за счет адгезии расплавленного металлического порош ка с твердофазным компонентом и диффузии легирующих элементов в гранич ную зону.

На начальной стадии про цесса, диффузия протекает по границам зерен, в дальнейшем, при температурах близких к точке солидуса металлическо го порошка, характер диффу зии элементов изменяется и трансформируется из межкри сталлитной в объемную (фрон тальную). По мере увеличения времени воздействия перемен ного электромагнитного поля, Количество элемента, % температура компонента осно вы увеличивается, и интенси Ni фицируются диффузионные Cr процессы. Согласно проведен ному расчету, коэффициент диффузии хрома в сталь, при температуре ~ 1573 К (темпе 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Расстояние между измерениями, мкм ратура плавления сормайта), Рисунок 3 – Изменение концентрации легирующих составляет 2,6·10-8 см2/с.

элементов в исследуемой зоне Известно, что одним из критериев повышения износостойкости в условиях абразивного износа является твердость, которая в свою очередь зависит от типа, размера и количества кар бидной фазы. Химический состав полученного слоя (рис. 4, табл. 2) и состав фаз соответствующий точечным спектрам (рис. 5) определен энергодисперси онным анализом. Химический состав фаз показывает, что в 1-ом и 2-ом спек трах количество хрома (Cr – 53,31 %;

54,48 %) и углерода (С – 3,29 %;

3,86 %) значительно выше, чем в 3, 4 и 5 спектрах (Cr – 3,38 %;

11,55 %;

12,69 %;

С – 1,14%;

1,42 %;

1,82 %;

), при этом никель растворен в фазах, соответствующих 3, 4 и 5 (Ni – 1,87%;

1,92 %;

1,9 %;

) спектрам.

Таблица 2 – Химический состав полученного слоя Spectrum C Si Cr Mn Ni Fe Кол-во, % основа 3,18 0,58 30,60 0,59 1, Рисунок 4 – Область, выделенная для Рисунок 5 – Точечные спектры для определения химического состава определения химического состава фаз полученного слоя Согласно диаграмме со стояния железо–хром– углерод, изотермическое сечение которой представ лено на рисунке 6, в струк туре исследуемого сплава, содержащего 3,18 % угле рода и 30,6 % хрома (см.

табл. 2), присутствуют кар биды типа (Cr,Fe)7C3. Нали чие никеля, способствует подавлению превра щения, и формированию ау стенитной матрицы, леги рованной хромом и нике Рисунок 6 – Изотермическое сечение диаграммы лем.

состояния железо–хром–углерод Рентгенофазовые иссле дования показали наличие нескольких пиков интен сивности (рис. 7). Их анализ свидетельствует о наличии в полученном слое карбидов типа (Cr,Fe)7C3 и легиро ванного никелем и хромом аустенита. Большая ширина пиков может быть обуслов лена как высоким уровнем внутренних напряжений в соответствующей фазе, так и ее мелкокристаллическим Рисунок 7 – Рентгенограмма полученного слоя строением. При кристаллизации аустенитной хромисто-карбидной эвтектики, карбиды типа Ме7С3, в отличие от ледебурита с карбидами типа Me3C, не обра зуют непрерывную фазу, а располагаются в виде изолированных тригональных карбидов в аустенитной матрице (рис. 8). Чугуны, имеющие в структуре карби ды типа Ме7С3, обладают более высокой твердостью и износостойкостью, по отношению к чугунам, в структуре которых, присутствуют карбиды цементит ного типа или карбиды типа (Cr, Fe)23C6.

В случае индукционного нагре ва, при котором происходит высо коэнергетическое воздействие на материал, далекое от условий рав новесной термодинамики, скорость роста температуры составляет ~ С/с, определяющую роль в кинети ке нагрева частицы будут играть неравновесные процессы. Толщина скин-слоя частиц сормайта, которая во многом определяется частотой тока в индукторе и параметрами материала, может существенно из Рисунок 8 – Тригональные карбиды типа Ме7С3 меняться в зависимости от режимов нагрева. При рабочей частоте тока генератора 44 или 66 кГц, толщина скин-слоя составляет 150–300 мкм, что сравнимо со средним размером частиц. В случае применения парамагнитных порошков, у которых магнитная проницаемость = 1, возможно управление толщиной скин-слоя за счет изменения частоты тока. Это позволяет управлять кинетикой плавления частиц в широком диапазоне: 1 – с частичным растворе нием карбидов в жидкой фазе, 2 – с полным растворением, 3 – с полным раство рением и изотермической выдержкой в течение определенного времени.

Структура порошка сормайта представляет высокодисперсную смесь карбидов в матрице -раствора. Плавление металлической части шихты разви вается за счет растворения карбидов в жидкой фазе. Уменьшение времени воз действия высокоэнергетического индукционного нагрева характеризуется час тичным растворением карбидов, и к моменту выключения нагрева, в жидкой фазе может сохраняться сравнительно большое число готовых центров кри сталлизации, при этом прогрев компонента основы снижается, а скорость кри сталлизации увеличивается, что способствует получению высокодисперсной карбидной фазы в структуре полученного слоя.

Исследовано влияние технологических режимов на формирование струк туры полученного слоя, строение и размер границы раздела. При получении слоистого композиционного материала со скоростью 6,5 м/час, граница раздела имеет не большую толщину и практически вырождена в линию, а образующая ся карбидная фаза дисперсное строение (рис.9, а). При снижении скорости до м/час (рис.9, б), наблюдается обеднение участка полученного слоя, приближен ного к границе раздела карбидной фазой, а также увеличение ее толщины. Та кая разница в структуре очевидна и связана с более длительным временем воз действия высокоэнергетического индукционного нагрева. Получение слоистого композиционного материала со скоростью 8–9 м/час, приводит к появлению дефектных участков на границе раздела (рис. 9, в), что объясняется недостаточ ным временем взаимодействия расплавленной шихты с твердофазным компо нентом основы.

а б в Рисунок 9 – Влияние скорости на формирование структуры слоя (в левом углу), строение и размер границы раздела: а – 6,5 м/час, б –5 м/час, в – 8–9 м/час Проведенные металлографические исследования позволили определить влияние качества поверхности компонента основы на формирование границы раздела слоистого композиционного материа ла. Наличие на поверхности загрязнений, оки слов различного происхождения и т.п. приво дит к возникновению грубых дефектов в виде разветвленных пор. Образование подобного рода дефектов обусловлено недостаточным временем жидко-твердофазного взаимодейст вия компонентов, что способствует не полному рафинированию поверхности компонента ос Рисунок 10 – Грубые дефекты по новы (рис. 10).

Повышение толщины слоя, как и в случае границе раздела, снижения скорости, приводит к увеличению времени воздействия высокоэнергетического индукционного нагрева, полному растворению карбидов в жидкой фазе и более сильному прогреву компонента основы. После прохождения индуктором зоны плавления металлического по рошка, охлаждение идет с меньшими скоростями, что приводит к увеличению размера карбидной фазы (рис. 11). При условии частичного растворения карби дов в жидкой фазе, за счет уменьшения толщины слоя, формируется высоко дисперсная структура (рис. 12), которая свойственна частицам металлического порошка сормайта. Проведенный анализ карбидной фазы, методом количест венной металлографии показывает, что средний размер зерна, в зависимости от продолжительности нагрева и скорости охлаждения составляет от 5 до 13 мкм.

Рисунок 11 – Структура слоя толщиной 4 мм. Рисунок 12 – Структура слоя толщиной 2 мм.

Расстояние от поверхности 1,0 мм. Расстояние от поверхности 1,0 мм.

Изменение твердости, в зависимости от скорости наплавки и толщины слоя, представлено на рисунке 13. Показано, что снижение скорости и увеличе ние толщины слоя способствует снижению твердости. Высокодисперсные кар биды, равномерно распределенные в металлической матрице, обеспечивают максимальные значения твердости – 55–57 HRC. Получение высокой твердости возможно при толщине слоя не более 1–2 мм.

Отметим, что получение высокой твердости необходи мо при условии абразивного износа, а при воздействии ударных нагрузок высокая Твердость, НRC твердость способствует ох рупчиванию материала. Уве 1 мм личение времени воздействия 2 мм 3 мм высокоэнергетического ин 4 мм дукционного нагрева на ших ту, может способствовать и увеличению количества мета 8,5 стабильного аустенита. Со 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 Скорость наплавки, м/ч гласно проведенному анализу износостойких материалов, Рисунок 13 – Зависимость твердости от наличие метастабильной ау скорости наплавки, при различной толщине слоя стенитной структуры, при ус ловии ударно-абразивного и ударного износа, способствует повышению изно состойкости. Получение требуемой износостойкости обеспечивается за счет протекания структурно-фазовых превращений метастабильного аустенита в по верхностном слое, слоистого композиционного материала, при воздействии на грузок ударного характера в процессе эксплуатации.

Следовательно, получение слоистого композиционного материала при по ниженных скоростях и толщине наплавляемого слоя более 3 мм, повышает экс плуатационную стойкость изделий, работающих при воздействии ударных нагрузок.

Интерпретация значений твердости позволила определить оптимальную скорость получения слоистого композиционного материала, в зависимости от требуемой толщины слоя, для получения максимальной твердости и формиро ванию бездефектной границы раздела слоистого композиционного материала (рис. 14, 15).

9 58 8,5 Скорость наплавки, м/ч 8 Твердость, HRC 7, 45 43 6, 5,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5, Толщина слоя, мм.

Толщина слоя, мм Рисунок 14 – Зависимость скорости от Рисунок 15 – Зависимость твердости от толщины слоя толщины слоя Изменение относительной величины износостойкости (W, %) в зависимо сти от толщины слоя, по отношению к эталонному образцу, выполненного из стали 65Г методом сухого трения, показано на рисунке 16. Изменение износо стойкости носит нелинейный характер. При толщине слоя более 4,0–4,5 мм ин тенсивность увеличения износостойкости резко снижается, что объясняется значительным снижением твердости.

Проведенный комплекс ис следований позволил устано 73, 71, Относительная износостойкость, W % 68,2 74, 70 73, вить закономерности форми 63, рования структуры и свойств 58, 52, слоистого композиционного 44, материала и определить тех 36, нологические режимы его по 27, 20 лучения. На рисунке 17 при ведены области показываю щие оптимальную скорость, в 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6, зависимости от толщины Толщина слоя, мм слоя, для получения требуе Рисунок 16 – Изменение износостойкости в за мых механических свойств с висимости от толщины полученного слоя учетом характера износа. Вы деленная область на графике показывает интервалы технологических режимов получения слоистых композиционных материалов.

В некоторых случаях исходя из эксплуатацион Толщина слоя, мм ных требований необходи мо наличие слоя высокой 47-58 HRC твердости толщиной 3 мм и более.

Получение слоистого композиционного материа ла путем последовательно 6 6,5 7 7,5 8 8, Скорость наплавки, м/ч го нанесения слоев одного а и того же состава, способ ствует повышению твердо Толшина слоя, мм сти. Твердость образцов, полученных таким мето 41-52 HRC дом, представлена в табл. 3. За один проход формируется слой толщи ной 1,5–2,5 мм.

5 5,5 6 6, Измерение твердости Скорость наплавки, м/ч полученных образцов про б водилось на поверхности образца, т.е. на поверхности Толщина слоя, мм 5, второго слоя. Проведенный анализ микротвердости сло 4, ев по его толщине (рис. 18) 3, позволяет установить, что 40-48 HRC при формировании второго 2, слоя, микротвердость пер 5 5,5 Скорость наплавки, м/ч вого слоя не изменяется.

в Можно предположить, что Рисунок 17 – Зависимость технологических параметров: изменение твердости по а – абразивный износ, б – ударно-абразивный износ, в – толщине слоя имеет анало ударный износ гичный характер.

Таблица 3 – Твердость наплавленных слоев, полученных различными методами Толщина слоя, мм. 3,0 4,0 5, Твердость, HRC За один проход индуктора Метод 51 47 получения Последовательное нанесение 54 53 Испытания по определению повышения величины относительной износо стойкости образцов, полученных путем последовательного нанесения слоев, показали ее увеличение (рис. 19).

7300 Микротвердость, МПа Износостойкость, % 3 мм 4 мм 7000 5 мм за один проход последовательное 6600 нанесение слоев 6500 6400 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 0 1 2 3 4 5 Толщина слоя, мм Толщина слоя, мм Рисунок 18 – Микротвердость слоев, полу- Рисунок 19 – Износостойкость слоистых ченных путем последовательного нанесения композиционных материалов, полученных различными методами Экспериментально-промышленные испы тания показали увеличение эксплуатационно го срока службы ножей (рис. 20), установлен ных на отвале дорожной машины. При тол щине слоя 4 мм срок службы составил 290 ча сов, что повышает стойкость в 1,6 раза, а при этой же толщине, полученной методом двой ной нанесения в 1,8 раза, при толщине слоя 5мм - в 1,7 раза.

Полученные результаты свидетельствуют Рисунок 20 – Ножи грейдера с двух- о комплексной взаимосвязи между следую сторонней наплавкой щими параметрами: скоростью, толщиной слоя, износостойкостью и твердостью.

В пятой главе методом регрессионного анализа определены функцио нальные зависимости между следующими параметрами: скоростью, толщиной слоя, величиной повышения износостойкости слоистого композиционного ма териала и твердостью Интерпретирование значения параметров, приведенных в таблице 4, осу ществлялось как значения случайных величин x и y, которые имеют некоторое совместное распределение вероятностей (эти значения обозначены xi и yi, i=1…10).

Таблица 4 – Значения случайных величин Скорость наплавки, x 6 6,1 6,3 6,5 6,7 7 7,5 8 8,2 8, Толщина наплавленного слоя, y 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,7 0, Величина повышения износостойкости, z 71,8 68,2 63,2 58,4 52,2 44,6 36,7 27,6 22,3 Значение твердости, r 45 47 49 51 53 54 56 57 58 Зависимости между параметрами слоя имеют следующий вид:

– скорости от толщины слоя:

(3) x( y ) 1.269ln y 7. – износостойкости от толщины слоя:

(4) z ( y) 47.114 ln y 1.263 10. – толщины слоя от износостойкости:

(5) 1.267e 0.021z y( z ) 1. –твердости слоя от толщины:

(6) r ( y) 3.353 y 60. По полученным аналитическим выражениям функциональной зависимости построены графики регрессии (рис. 21). Точками на графике изображены дан ные, полученные в результате эксперимента, сплошная линия – линия регрес сии, определяющая функциональную зависимость.

8, 7, 6, 5, 30 0 2 4 6 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 r(y) x(y) z(y) а б в Рисунок 21 – Графики регрессии: а – y(x), б – z(y), в - r(y) Полученные аналитические зависимости были использованы при разработ ке программного обеспечения для расчета технологических режимов и пара метров наплавляемого слоя на ПЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Получен износостойкий слоистый композиционный материал, путем нанесения расплава высоколегированного металлического порошка Fe-Cr-C-Ni Mn-Si на тугоплавком компоненте основы, выполненном из низколегированной конструкционной стали 09Г2С с применением высокочастотного транзисторно го генератора нового поколения УВГ2-25.

2. Установлено, что толщина границы раздела компонентов слоистого композиционного материала составляет 2–4 мкм и определяется продолжи тельностью высокоэнергетического индукционного нагрева. Формирование границы раздела слоистого композиционного материала происходит с момента плавления металлического порошка, путем адгезии жидкой фазы с тугоплавким компонентом основы и диффузии легирующих элементов.

3. Установлены закономерности структурообразования слоистого компо зиционного материала, определяющие формирование механических и эксплуа тационных свойств, при индукционном нагреве. Снижение времени высоко энергетического воздействия способствует формированию дисперсных карби дов типа (Cr, Fe)7С3. Полученный слой характеризуется повышенной твердо стью (53-58 HRС) и износостойкостью в условиях абразивного износа. Увели чение времени нагрева приводит к увеличению размера карбидной фазы, твер дость слоя снижается до 42-43 HRС. Продолжительность индукционного нагре ва определяется скоростью перемещения получаемого слоистого композицион ного материала относительно индуктора.

4. Формирование слоистого композиционного материала путем последо вательного нанесения на компонент-основу двух и более слоев одного и того же состава позволяет повысить износостойкость слоистого композиционного материала в условиях абразивного износа. Значительное повышение износо стойкости наблюдается при получении суммарной толщины слоя более 3,5–4 мм.

5. Определены функциональные зависимости между параметрами: ско рость, твердость, износостойкость, толщина слоя. Полученные аналитические зависимости были использованы при разработке программного обеспечения для расчета технологических режимов и толщины слоя, обеспечивающие фор мирование требуемого комплекса физико-механических свойств с учетом ха рактера износа.

6. Эксперементально-промышленные испытания полученного слоистого композиционного материала показали увеличение эксплуатационного срока службы ножей установленных на отвале дорожной машины. При толщине слоя мм, срок службы составил 290 часов, что превышает стойкость стандартных но жей в 1,6 раза, а при этой же толщине, полученной путем последовательного на несения двух слоев в 1,8 раза, при толщине наплавленного слоя 5 мм в 1,7 раза.

7. Составлены рекомендации по выбору технологических режимов полу чения слоистого композиционного материала, обеспечивающих стойкость из делия в зависимости от характера износа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Масанский О.А., Исследование структуры и свойств слоя, полученного индукционной наплавкой металлических порошков / Токмин А.М., Теремов С.Г. // Технология машиностроения. 2008. – №9. – С. 15–18, Москва.

2. Масанский О.А., Взаимосвязь параметров индукционной наплавки со структурой и свойствами наплавленного слоя /Токмин А.М., Свечникова Л.А. // Сварочное производство. 2011. №5,С. 9 – 13, Москва.

Статьи опубликованные в других изданиях и материалах научно технических конференций:

3. Масанский О.А. Исследование структуры и свойств слоя, полученного индукционной наплавкой порошкового сормайта / А.М. Токмин, Л.А. Быконя, О.А. Масанский // Всероссийское совещание заведующих кафедрами материа ловедения и технологии конструкционных материалов: Сборник статей. – Вол гоград, Волжский 2007г. – С. 94–96.

4. Масанский О.А.Микроструктура и свойства слоя, полученного индук ционной наплавкой порошкового сормайта / Быконя Л.А., Теремов С.Г., Токмин А.М, О.А. Масанский // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы ХIV Международного симпозиума имени А.Г. Горшкова. – Ярополец, 2008г. – С. 50–52.

5. Масанский О.А. Исследование особенностей индукционной наплавки ферромагнитных порошков / Токмин А.М., Быконя Л.А., Теремов С.Г., Масан ский О.А., Шалаев П.О. // Динамические и технологические проблемы механи ки конструкций и сплошных сред: Материалы ХV международного симпозиума имени А.Г. Горшкова. – Ярополец, 2009 г. – Т. 1. – С. 33 – 35.

6. Масанский О. А. Физико-химические процессы при индукционной наплавке износостойких материалов / Масанский О. А., Свечникова Л. А., Ток мин А. М. // Динамические и технологические проблемы механики конструк ций и сплошных сред: Материалы XVI Международного симпозиума имени А.Г. Горшкова. – Ярополец, 2010г. – С. 68–70.

7. Масанский О.А. Определение функциональных зависимостей пара метров индукционной наплавки. / Масанский О. А., Свечникова Л.А., Токмин А.М., Шалаев П.О. // ХIV Международная научная конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. – Красноярск, 2010 г. – Т. 2. – С. 402 – 403.

8. Масанский О.А. Особенности строения слоистых материалов полу ченных различными способами / Токмин А.М., Масанский О. А., Падар В.А., Шалаев П.О. // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) – 2010: Материалы V международной конференции. – Волгоград, 2010 г. – С. 85–87.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

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.