автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование анизотропии свойств аустенитной наплавки и разработка методов ее учета для повышения усталостной прочности деталей

л о од

- У Дс11 №

На правах рукописи

Бомко Николай Федорович

ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ СВОЙСТВ АУСТЕНИТНОЙ НАПЛАВКИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЕЕ УЧЕТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.01 - материаловедение в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Благовещенск - 1997

Работа выполнена на кафедре литейного производства и технологии металлов Хабаровского государственного технического университета и в Хабаровском филиале ЦНИИ технологии судостроения.

Научные руководители доктор технических наук,

профессор Ри Хосен кандидат технических наук, доцент Коньков Ю.Д. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Марвин В.Б. член-корреспондент ААО, кандидат технических наук, профессор Коваль A.B. Ведущее предприятие: Институт материаловедения ДВО РАН,

г. Хабаровск

Защита состоится 24 декабря 1997 г. в 12 часов на заседании специализированного совета К 064.52.02 Амурского государственного университета по адресу: 675027, г. Благовещенск, Игнатьевское шоссе, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Амурского государственного университета.

Автореферат разослан JH ноября 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Дектярев Е.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Одной из наиболее трудноразрешимых проблем, возникающих при электродуговой наплавке деталей судовых машин и механизмов, является проблема резкого снижения усталостной прочности наплавленных деталей.

Характерной особенностью наплавочных работ в судостроении и судоремонте является широкое использование высоколегированных коррози-онностойких сварочных материалов аустенитного и аустенитно-ферритного классов. Сочетание антифрикционных свойств и коррозионной стойкости получаемых покрытий позволяет, в целом, обеспечить приемлемую работоспособность наплавленных изделий в специфических условиях эксплуатации, однако существование упомянутой проблемы препятствует полномасштабному применению наплавки при ремонте ответственных деталей судовых машин и механизмов, в частности, деталей винто-рулевого комплекса кораблей и судов с неограниченным районом плавания.

Среди причин, вызывающих снижение усталостной прочности деталей после наплавки, в первую очередь, называют большие по величине остаточные напряжения, наличие сварочных дефектов и неблагоприятную литую структуру наплавленного металла. Существенная роль третьего из перечисленных факторов обусловлена тем, что наплавленный металл занимает значительную часть поверхности и расположен, как правило; в наиболее нагруженных областях изделия, поэтому комплексом его свойств во многом определяется надежность и работоспособность изделия в целом.

Особый интерес представляет тот факт, что аустенитная основа высоколегированных сварочных материалов не претерпевает полной фазовой перекристаллизации в процессе охтаждения после наплавки н в силу этого сохраняет исходную текстуру кристаллизации. В свою очередь, наличие текстуры обуславливает анизотропию свойств наплавленного металла и в конечном счете влияет на работоспособность наплавленных изделий. Эта логически связанная цепочка текстура-анизотропия-работоспособность составляет предмет исследования данной работы.

Текстурообразование при кристаллизации и анизотропия свойств литого и наплавленного металлов неоднократно исследовались рядом отечественных и зарубежных авторов. Имеется опыт успешного использования анизотропии износостойкости наплавленного металла для повышения срока службы деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания. Однако, несмотря на большое количество работ рассматриваемого направления, многие вопросы остаются недостаточно изученными. Гак сведения о текстуре аустенитной наплавки носят качественный характер, полностью отсутствуют сведения о влиянии текстуры наплавки на усталостную проч-

ность, недостаточно разработаны методы использования анизотропии или ее подавления для повышения эксплуатационных свойств наплавленных деталей.

Поэтому актуальной задачей является разработка и внедрение новых эффективных методов повышения эксплуатационных свойств восстановленных деталей путем учета текстуры и анизотропии свойств аустешггной наплавки.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ. Целью работы являлась разработка методов управления текстурой кристаллизации и анизотропией свойств наплавленного металла для повышения надежности и долговечности ответственных деталей судовых машин и механизмов, работающих в условиях знакопеременного нагружения.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- исследование особенностей текстурообразования при элеюродуго-вой наплавке высоколегированных коррозионностойких сталей;

- оценка уровня анизотропии физико-механических свойств наплавленного металла, имеющего текстуру кристаллизации различной степени совершенства и однородности;

- изучение влияния текстуры и анизотропии свойств на усталостное разрушение наплавленного металла;

- создание методов учета, использования или подавления текстуры кристаллизации и анизотропии свойств наплавленного металла и разработка на этой основе технологии восстановления и упрочнения деталей судовых машин и механизмов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые проведено системное исследование текстуры наплавок, выполненных электродуговым способом с использованием высоколегированных сварочных материалов аустенитного, аустениг-но-феррнтного и ферритного классов. Установлено, что в условиях направленного теплоотвода все исследованные материалы кристаллизуются с образованием в основной фазе наплавленного металла острой аксиальной текстуры типа <100> высокой степени совершенства, причем рассеяние текстуры не зависит от наличия и количества второй фазы.

Исследована анизотропия физико-механических свойств металла, наплавленного широкой электродной лентой аустенитного и аустенитно-ферритного классов. Установлено, что анизотропия сопротивления металла пластическому деформированию проявляется наиболее резко на начальной стадии деформирования при напряжениях, находящихся на уровне эксплуатационных. Расчетно-экспериментальным методом получены количественные оценки модуля нормальной упругости для базовых кристаллографических направлений монокристалла высоколегированного аустенита.

Установлен факт анизотропии усталостной прочности образцов с ау-стенитной наплавкой. Определены основные причины этого явления. Показано, что наличие аксиальной текстуры кристаллизации является негативным фактором, способствующим развитию усталостной трещины, так как разрушение кристаллитов наплавки происходит избирательно по кристаллографическим плоскостям типа {100} с минимальной сопутствующей пластической деформацией, а границы наклона не. оказывают заметного тормозящего действия на трещину.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Разработаны рекомендации по учету и использованию анизотропии свойств наплавленного металла для повышения усталостной прочности изделий по а.с.№750876 путем согласования направления наложения валиков наплавки с направлением действия в изделии переменных эксплуатационных нагрузок.

Осуществлена технологическая и конструкторская разработка приставок к наплавочным автоматам для осуществления электромагнитного воздействия на процесс кристаллизации по а.с.Л'а 122023 6 применительно к технологии механизированной наплавки деталей судовых машин и механизмов.

Рекомендации по учету анизотропии и использованию приставок введены в отраслевые стандарты ОСТ 5.9873-81 и ОСТ 5.9573-84. Опытная серия приставок внедрена на судоремонтных и судостроительных предприятиях: «Дальзавод» (г. Владивосток), завод "Звезда" (п. Большой Камень Приморского края), судостроительный завод им. С. М. Кирова (г. Хабаровск),судоремонтный завод ММФ (г. Советская Гавань Хабаровского края), ЗЛК (г. Комсомольск-на-Амуре Хабаровского края), Невельской СРЗ (г. Невельск Сахалинской области), завод "Звездочка" (г. Северодвинск Архангельской области).

Подтвержденный экономический эффект от внедрения разработок составил 127 тыс. руб. в ценах 1991 г.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы работы докладывались и обсуждались на: краевом семинаре "Опыт внедрения технологии сварки, наплавки и контроля изделий судового машиностроения" (г. Хабаровск, 1980 г.); Всесоюзной конференции, посвященной 50-летию подготовки инженеров-сварщнков (г. Владивосток, 1980г.); межзаводской школе "Электромагнитное управление сварочной дугой при наплавке изделий машиностроения" (п. Большой Камень Приморского края, 1981г.); Всесоюзной конференции по сварке в судостроении и судоремонте (г. Владивосток,19831'.); Дальневосточной конференции "Пути ускорения технического прогресса в сварочном производстве" (г. Владивосток, 1987г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 7 работ в научно-технических журналах и сборниках, получено два авторских свидетельства на изобретения.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из наименований и приложения; содержит /%£Ьтраницы машинописного текста, таблиц,¿^рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследований,- отражена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние технологии восстановления изношенных деталей судовых машин и механизмов методом электродуговой наплавки покрытий из высоколегированных коррозионно-стойких сталей аустенитного и аусгенитно-ферритного классов. Анализ литературы выявил ряд проблем, наиболее серьезной из которых является проблема резкого снижения усталостной прочности наплавленных изделий. Основные причины этого снижения достаточно хорошо изучены, разработано большое число способов их нейтрализации. Однако, проблема сохраняет свою остроту, а поиск дополнительных резервов повышения усталостной прочности наплавленных изделий - свою актуальность. Рассмотрена анизотропия свойств наплавки как фактор, влияющий на работоспособность изделий. Конкретизированы задачи исследования.

Во второй главе изложена методика исследований. В связи с разноплановым характером поставленных задач разработаны усовершенствованные методики по ряду разделов работы:

- методика получения образцов с однородной текстурой при электродуговой наплавке проволочным электродом;

- метод качественного определения типа текстуры кристаллизации путем анализа вида обзорных дифрактограмм;

- усовершенствованный метод локальной рентгеновской съемки, позволяющий определить кристаллографическую ориентировку отдельных зерен металла размером до 0,1 мм;

- методика установления ориентационной связи усталостных трещин с кристаллический сгрукгурой зерен;

- методика электромагнитного воздействия при наплавке в неоднородном поперечном магнитном поле.

Механические испытания для определения ов, а0 2, 6, у и а„ проводили по стандартным методикам, изложенным в ГОСТ 1497-84 (испытания на

растяжение) и ГОСТ 9454-78 (испытания на ударный изгиб). Модуль нормальной упругости определяли резонансным методом.

Исследование микроструктуры и изломов образцов выполняли с использованием оптических микроскопов ММР-2Р и МГ1С-2, соответственно.

Расшифровку лауэграмм и определение ориентировки кристаллов относительно внешних базовых направлений проводили по стандартной методике, принятой при определении ориентировки монокристаллов.

Усталостные испытания проводили на пульсаторе немецкого производства типа гБМ-ЮРу и резонансной машине УП-50.

Испытания на износ проводили на модернизированной машине трения типа СМЦ-2.

В третьей главе приведены результаты исследования особенностей текстурообразования при электродуговой наплавке высоколегированных коррозионностойких сталей.

Большинство известных работ по исследованию текстур кристаллизации выполнено на слитках чистых металлов или бинарных сплавов. Сложный многокомпонентный состав применяемых для наплавки материалов и существенное отличие условий кристаллизации при электродуговой наплавке от условий кристаллизации слитков обусловили необходимость выполнения данного раздела работы и определенную новизну полученных результатов.

Исследование проводили на материалах, указанных в табл. 1.

Таблица 1

Исследованные сварочные материалы

N Марка Содержание ферритной Примечания

п/п материала фазы в наплавленном металле, об.%

1 10Х16Н25АМ6 0 Рекомендованы для

2 08Х19Н10Г2Б 2...5 наплавки по

3 04Х19Н11МЗ 3...8 ОСТ 5.9873-81

4 07Х25Н13 5...9

5 07Х25Н12Г2Т 6...12

6 08Х20Н9С2БТЮ >50 Не входят в число

7 08Х22Н5ТМФ >50 рекомендованных

«г 13Х25Т 100

Шлифы для рентгеновской съемки приготавливали в плоскости наплавки на различном расстоянии от дезориентированной бестекстурной подложки. Всего было снято и построено около 40 полюсных фигур. Шли-

фы для металлографического анализа приготавливали преимущественно нормально к плоскости наплавки.

Анализ макроструктуры наплавленных образцов показал, что все без исключения исследованные сварочные материалы при электродуговой наплавке кристаллизуются с образованием столбчатых кристаллитов, ориентированных в направлении теплоотвода. При этом в случае наплавки ленточным электродом зона столбчатых кристаллитов начинается в непосредственной близости от подложки и занимает все сечение наплавленного валика.

Анализ полюсных фигур показал следующее:

- все исследованные материалы вне зависимости от структурного класса, химического состава и количества второй фазы кристаллизуются с образованием в основной фазе аксиальной текстуры типа <100>;

- первичный 5-феррит в материалах поз. 2, 3, 4 и 5 (табл.1) имеет аксиальную текстуру кристаллизации, аналогичную текстуре аустенитной основы; вторичный (у') аустенит в материалах поз. 6 и 7 также текстурован, но его текстура по типу отличается от текстуры ферритной основы этих материалов и своим происхождением обязана, по-видимому, когерентности кристаллических решеток выделений аустенита и ферритной матрицы на стадии образования зародышей второй фазы в твердом состоянии;

- наплавки, выполненные с использованием широкой электродной ленты, имеют очень острую текстуру кристаллизации высокой степени совершенства и однородности; ось текстуры примерно совпадает с направлением нормали к плоскости наплавки, отклоняясь от нее на угол не более 5...8 градусов в направлении наплавки; плотность полюсов на полюсных фигурах снижается в 2 раза при отклонении от оси текстуры на угол 6...8 градусов и падает до нуля при отклонении на угол более 15 градусов: степень совершенства текстуры (рассеяния текстуры) практически не зависит от химического и фазового состава наплавленного металла и расстояния от бестекстурной подложки; при выполнении многослойной наплавки рассеяние текстуры не зависит от числа слоев наплавки;

- формирование в наплавленном металле столбчатой структуры является практически достоверным металлографическим признаком наличия текстуры кристаллизации.

В четвертой главе приведены результаты исследования анизотропии ф1ПРко-механи""'-^и\ свойств наплавленного металла. Исследовали наплавки, выполненные с использованием как ленточных, так и проволочных электродов. Существенное отличие этих наплавок состоит в том, что в первом случае металл имеет однородную текстуру кристаллизации, в то время как во втором случае текстура характеризуется явно выраженной неоднородностью. Последнее объясняется тем, что при наплавке проволочным

электродом сварочная ванна и фронт кристаллизации имеют сложную пространственную форму, вследствие чего направление теплоотвода и ориентация столбчатых кристаллитов заметно изменяется при переходе от одной точки наплавки к другой.

Для металла, наплавленного ленточным электродом, все направления, лежащие в плоскости наплавки, составляют с осью текстуры примерно один и тот же угол (90 градусов) и поэтому физически и механически эквивалентны. Другими словами металл в плоскости наплавки является изотропным. Анизотропия проявляется только для направлений, не лежащих в плоскости наплавки и составляющих различные углы с осью текстуры. По существующей классификации такой металл относится к транстропным (трансверсально изотропным) материалам. В связи с изложенным, образцы для исследования вырезали в плоскости, нормальной к плоскости наплавки под различными углами к оси текстуры. Результаты испытаний приведены на рис. 1 а, б.

Испытания выявили анизотропию модуля упругости, выраженную более резко, чем в ранее известных работах, что объясняется высокой степенью совершенства и однородности текстуры. Принципиальным является получение значений, существенно превышающих значение модуля упругости квазиизотропной деформированной аустенитной стали, равного 205 ГПа. На основе модели транстропного материала была проведена математическая обработка результатов эксперимента, что позволило получить количественные оценки модуля нормальной упругости для базовых кристаллографических направлений монокристалла высоколегированного аустени-та Еюо и Еш, которые составили, соответственно, 128 и 319 ГПа.

Анализ результатов механических испытаний выявил периодичность изменения механических свойств в зависимости от угла вырезки, причем, ход кривых ов и сто,2 находится в "противофазе" с ходом кривых 5,ч< и а„. Важно отметить, что разность наибольших и наименьших значений временного сопротивления о. равна такой же разности для условного предела текучести <т0,2 и составляет величину порядка 100 МПа. Это свидетельствует о том, что анизотропия сопротивляемости металла пластическому деформированию проявляется более резко на начальном этапе деформирования при относительно низком уровне напряжений.

Полученные данные позволяют прогнозировать поведение под нагрузкой металла с неоднородной текстурой кристаллизации, используя ориентацию столбчатых кристаллитов в той или иной зоне металла в качестве структурного (металлографического) признака текстуры. Используя этот признак, результаты механических испытаний (рис. 1, б) можно трактовать следующим образом: наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию при одноосном нагружении будут оказывать зоны наплав-

ленного металла, в которых столбчатые кристаллиты ориентированы под углом 60...75 градусов к направлению действия нагрузки, а наименьшую сопротивляемость - зоны, в которых столбчатые кристаллиты ориеггтированы под углом порядка 15 градусов.

б

Рис. 1. Зависимость модуля нормальной упругости (а) и механических свойств (б) металла ленточной наплавки от направления вырезки образцов

Для металла, наплавленного проволочным электродом, практическое значение имеет проявление анизотропии свойств в плоскости наплавки. Как и следовало ожидать, испытания образцов, вырезанных в плоскости наплавки под различными углами к направлению наложения раликов не выявили заметного различия значений механических характеристик. Полученные результаты объясняются тем, что характерные размеры зон неоднородности текстуры относительно малы и на рабочей части образцов размещается несколько зон с различной ориентацией кристаллитов. Это приводит к усреднению определяемых характеристик и внешне проявляется как отсутствие анизотропии. Однако более детальный анализ результатов испытаний и состояния разрушенных образцов показал, что для металла с неоднородной текстурой анизотропия также является важным действующим фактором. Конкретным проявлением анизотропии свойств в данном случае является повышенный разброс значений определяемых механических характеристик и резко выраженная неоднородность распределения пластической деформации с локализацией ее в зонах с неблагоприятной ориентировкой столбчатых кристаллитов. Следует подчеркнуть важность последнего замечания, так как надежность деталей машин и механизмов, работающих в условиях переменного нагружения, в значительной мере определяется именно локальными, а не усредненными свойствами конструкционных материалов. Исследование образцов после испытаний показало, что наиболее выраженная локализация пластической деформации в форме поперечных полос наблюдается на образцах, вырезанных перпендикулярно направлению наложения валиков наплавки. Очевидно при усталостном нагружении внешнее проявление локализации пластической деформации будет не столь заметным, но ее негативное влияние на зарождение и развитие усталостных трещин безусловно будет иметь место.

В пятой главе представлены результаты исследования проявлений текстуры и анизотропии свойств в условиях усталостного нагружения и трения. Были проведены сравнительные усталостные испытания призматических образцов из стали 35 с двусторонней аустенитной наплавкой. Образцы вырезали из наплавленных заготовок так, что направление наложения валиков наплавки составляло с направлением действия нагрузки при испытаниях угол 0, 45 и 90 градусов. Размер рабочей части образцов составлял 50x65x270 мм. Испытания проводили по схеме "чистый изгиб" на машине УП-50 при нагрузке, т^т^й ?05 мпч "" полного разрушения обпячпоп Результаты испытаний представлены в табл.2.

Анализ результатов показал, что образцы с продольным расположением валиков наплавки имеют долговечность в 4...5 раз превышающую долговечность образцов с поперечным расположением валиков. Одна из вероятных причин наблюдаемой анизотропии усталостной прочности (выра-

женная локализация пластической деформации при поперечном расположении валиков) обсуждена в предыдущем разделе. Среди других причин следует выделить ориентированное расположение неровностей границы сплавления наплавленного металла с основой, а также текстурный фактор.

Таблица 2

Результаты усталостных испытаний образцов с двусторонней наплавкой

ЫпУп Расположение валиков Долговечность, млн. циклов

1 Продольное 1,11

2 Тоже 1,38

3 1,20

4 под углом 45 градусов 0,49

5 Тоже 0,33

6 -"- 0,29

7 Поперечное 0,25

8 То же 0,30

9 и 0,23

При наплавке одиночного валика граница сплавления валика с основой имеет в центральной части характерный завал, появление которого вызвано сосредоточенным воздействием тепла электрической дуги. При последовательном наложении нескольких валиков граница сплавления состоит из чередующихся выступов и впадин. Различие физико-механических свойств основного и наплавленного металла, особенно заметное при наплавке изделий из высокопрочных сталей, приводит к тому, что неровности границы играют роль концентраторов напряжений, провоцирующих зарождение усталостных трещин. Очевидно, эффективность действия этих концентраторов зависит от их ориентации относительно направления действия переменных нагрузок и в наибольшей степени проявляется при поперечном расположении. Для проверки этого предположения были проведены усталостные испытания малогабаритных цилиндрических образцов при нагру-жении по схеме "растяжение-сжатие". Заготовки для образцов наплавляли проволочным электродом марки Св-10Х16Н25АМ6 на пластину из стали 45. Образцы вырезали вдоль и поперек валиков наплавки так, что половину сечения рабочей части образца занимала наплавка, а вторую половину - металл основы (образцы типа I).

Параллельно были проведены аналогичные испытания образцов, вырезанных из металла, наплавленного двухфазной аустенито-ферритной про-

волокой состава Св-07Х25Н12Г2Т, причем наплавленный металл занимал все сечение рабочей части образцов (образцы типа II). Результаты испытаний образцов обоих типов приведены на рис. 2.

ст, МПа

220

200

180

160

140

120

104 105 106 107

число циклов

Рис. 2. Результаты усталостных испытаний малогабаритных образцов

1,3 - продольные образцы; 2,4 - поперечные образцы; А О - обр~зцх-; типа I; д О - оСр^зцы типа II.

Анализ результатов испытаний подтверждает предположение о значительном влиянии неровностей границы сплавления на усталостную прочность. Проведенное после испытаний исследование строения усталостных

изломов показало, что изломы образцов с чисто аустенитной наплавкой имеют четкие признаки проявления текстурного (кристаллографического) фактора, в то время как на изломах образцов с двухфазной аустенито-ферритной наплавкой такие признаки отсутствуют.

Выяснению роли текстурного фактора при усталостном разрушении чисто аустенитной наплавки в работе было уделено большое внимание в связи с почти полным отсутствием данных по этому вопросу. Основным методом исследований служил усовершенствованный метод локальной рентгеновской съемки, который давал возможность определять кристаллическую ориентировку отдельных кристаллитов с проходящей по их телу усталостной трещиной. Всего было снято и обработано 46 лауэграмм. Полученный фактический материал позволяет сформулировать следующие положения:

- усталостное разрушение кристаллитов чисто аустенитной наплавки происходит избирательно по плоскостям типа {100};

- строение трещины в пределах отдельного кристаллита в первую очередь определяется его ориентировкой относительно плоскости преимущественного развития магистральной трещины, а также разориентировкой его кристаллической решетки относительно ближайших соседних (по ходу трещины) кристаллитов;

- геометрически четкое разрушение кристаллита по единичной плоскости наблюдается в том случае, когда одна из плоскостей типа {100} совпадает с плоскостью развития магистральной трещины; если с плоскостью магистральной трещины совпадает одна из плоскостей типа {110}, то в процесс разрушения вовлекаются две системы пересекающихся плоскостей типа {100} и трещина приобретает характерный ступенчатый вид; в общем случае при произвольной ориентировке кристаллита трещина состоит из отдельных участков различного строения и может потерять геометрические признаки связи с кристаллической решеткой разрушаемого кристаллита;

- признаки торможения (в виде искривления трещины, усиленного ее ветвления и появления множества вторичных трещин) наблюдаются только в случае пересечения трещиной смешанной границы с большей компонентой кручения; границы наклона пересекаются трещиной без заметного торможения; при аксиальной текстуре границы между кристаллитами являются границами наклона и поэтому не являются препятствием для развития усталостных трещин.

Работами ряда авторов установлен факс анизотропии износостойкости наплавленного металла в условиях абразивного изнашивания. В настоящей работе имитировались условия эксплуатации пары трения "наплавленный гребной вал (обечайка) - капролоновый дейдвудный подшипник" в

сильно замутненной воде. Такие условия эксплуатации характерны для речных судов, портовых буксиров и т.д.

Показано, что анизотропия износа наплавленного металла сопровождается анизотропией износа подшипника, причем линейный износ подшипника в 4...5 раз и более превышает линейный износ вала. Одной из предполагаемых причин анизотропии износа является слоистая неоднородность наплавленного металла, которая совместно с кристаллографической текстурой определяет различную "прирабатываемость" наплавленного металла в зависимости от направления износа. В свою очередь состояние поверхности вала определяет величину износа подшипника. Согласование направления наплавки с направлением вращения вала при эксплуатации позволяет в 1,5...2 раза уменьшить износ подшипника и, соответственно, удлинить межремонтный срок службы пары трения.

В шестой главе приведены результаты разработки методов использования или подавления анизотропии с целью повышения надежности наплавленных изделий. Учет и использование анизотропии свойств наплавленного металла не предполагает активного вмешательства в процесс наплавки и сводится к разработке рекомендаций по согласованию условий наплавки с условиями механической обработки, испытаний и эксплуатации наплавленных изделий. В частности, для повышения достоверности результатов механических испытаний наплавленного металла рекомендуется образцы для испытаний на растяжение и ударный изгиб вырезать поперек валиков наплавки, а для испытаний на статический изгиб - вдоль валиков.

Для снижения трудоемкости процесса и улучшения качества поверхности рекомендуется при токарной обработке вращать наплавленные валы в направлении, противоположном направлению их вращения при механизированной наплавке. Аналогичные рекомендации позволяют удлинить срок службы пары трения "вал-подшипник", а именно, при механизированной наплавке рекомендуется вращать вал в направлении, противоположном направлению его вращения при эксплуатации.

Для повышения усталостной прочности наплавленных изделий рекомендуется наплавку вести так, чтобы направление наложения валиков совпадало с направлением действия в изделии эксплуатационных нагрузок.

В качестве метода активного управления текстурой и анизотропией свойств аустнитной наплавки был выбран метод электромагнитного воздействия (ЭМВ). Достоинством метода является относительная простота применяемого оборудования и значительность достигаемого эффекта.

Электромагнитное воздействие на процесс кристаллизации осуществляли путем создания в области электрической дуги и сварочной ванны управляющего магнитного поля различной пространственной конфигурации и с различным законом изменения во времени. Использовали известные

технические решения, адаптируя их к задачам настоящей работы, и собственные разработки.

Задачи заключались в устранении или снижении негативного влияния на усталостную прочность факторов, выявленных в предыдущих разделах работы, а именно, неоднородности механических свойств (связанной с неоднородностью текстуры), собственно текстурного фактора (связанного с кристаллографией усталостного разрушения) и концентраторов напряжений в форме неровностей границы сплавления.

Выполненные эксперименты по наплавке с ЭМВ показали широкие возможности управления струюурой и текстурой наплавки. При реализации режима электромагнитного перемешивания (ЭМП) расплава сварочной ванны в реверсируемом продольном магнитном поле удалось добиться выраженной дезориентации структуры двухфазных аустенитно-ферритных наплавок, однако, это потребовало принципиального изменения существующей технологии наплавки (перехода с отрицательной на положительную полярность сварочного тока с сопутствующим изменением режима, заменой флюса и т. д.). Чисто аустенитная наплавка проявила более высокую устойчивость по отношению к ЭМП. Параметры управляющего магнитного поля в экспериментах были близки к известным (амплитуда индукции магнитного поля до 40...60 мТл, частота реверсирования 7...15 Гц). Исследования данного направления представляются перспективными, но связаны с пересмотром технологии наплавки.

В рамках существующей технологии реализация режима ЭМП оказалась невозможной, т. к. при этом наблюдалось неприемлемое ухудшение формирования валиков и увеличение доли основного металла в наплавке. Положительный эффект был получен при повышении частоты реверсирования до 50 Гц. Дезориентации структуры при этом не происходило, однако удалось получить практически ровную границу оплавления, повысить однородность структуры, сформировать более благоприятную пространственную схему кристаллизации. Применение ЭМВ на оптимальном режиме сопровождалось рядом положительных эффектов технологического плана: повышалась технологическая прочность наплавляемого металла, стабильность дугового процесса, отделяемость шлаковой корки. При наплавке валов большого диаметра хороший эффект был достигнут при использовании неоднородного управляющего магнитного поля по а.с. №1220236.

Испытания валов, наплавленных по существующей технологии и с применением ЭМВ, показали увеличение коррозионно-усталостной прочности последних на 25% при базе испытаний 5x106 циклов.

Ввиду отсутствия промышленного выпуска оборудования для осуществления ЭМВ было разработано и изготовлено несколько вариантов при-

ставок к наплавочном автоматам. Серия приставок внедрена на семи судостроительных и судоремонтных заводах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проблема повышения усталостной прочности наплавленных изделий должна решаться с учетом всех действующих факторов. Одним из таких факторов является анизотропия свойств наплавленного металла.

2. В условиях электродуговой наплавки высоколегированные корро-зионностойкие материалы с аустенитной основой вне зависимости от наличия и количества второй фазы кристаллизуются с образованием острой аксиальной текстуры типа <100>.

3. Рассеяние текстуры металла, наплавленного широкой электродной лентой, не превышает ±15 градусов и не зависит от расстояния до бестекстурной подложки. Высокая степень совершенства и однородности текстуры позволяет рассматривать такой металл в качестве модельного при исследовании анизотропии свойств.

4. Формирование в наплавленном металле столбчатой структуры является практически достоверным металлографическим признаком наличия текстуры кристаллизации. Данный признак может быть использован при анализе поведения под нагрузкой металла с неоднородной текстурой.

5. Анизотропия сопротивляемости наплавленного металла пластическому деформированию более резко проявляется на начальном этапе деформирования.

6. Одной из причин неоднородности механических свойств металла, наплавленного проволочным электродом, является неоднородность его текстуры. Неоднородность текстуры и свойств ведет к локализации пластической деформации в зонах с неблагоприятной ориентировкой столбчатых кристаллитов, что отрицательно сказывается на усталосшой прочности изделий.

7. Причиной анизотропии усталостной прочности наплавленных изделий является ориентированное расположение концентраторов напряжений на границе сплавления, наличие текстуры кристаллизации и ориентированное расположение ее неоднородностей.

8. Существенное повышение надежности и долговечности наплавленных изделий может быть получено путем простого согласования направления наложения валиков наплавки с направлением действия в изделии эксплуатационных нагрузок или с направлением изнашивания.

9. Применение электромагнитного воздействия при электродуговой наплавке позволяет улучшить структуру наплавленного металла, повысить ее однородность, устранить концентраторы напряжений на границе сплавления и в итоге повысить коррозионно-усталостную прочность наплавлен-

ных изделий. Применение ЭМВ сопровождается рядом положительных эффектов технологического плана - улучшается стабильность процесса и отделяемость шлаковой корки, повышается технологическая прочность наплавленного металла.

Перспективным направлением исследований является использование ЭМВ в сочетании с переходом на прямую полярность сварочного тока.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бомко Н. Ф., Коньков Ю. Д., Макаров В. К. Анизотропия усталостной прочности перлитной стали с аустенитной наплавкой // Технология судостроения. 1981. №12. С. 106-108.

2. Бомко Н.Ф., Метлицкая Л.П. Определение кристаллографической ориентировки зерна методом локальной рентгеновской съемки II Заводская лаборатория. 1983. №9. С. 53-55.

3. Бомко Н.Ф., Коньков Ю.Д. Использование анизотропии износостойкости наплавленного металла для повышения срока службы пары трения "вал-подшипник" // Всесоюзная конференция по сварке в судостроении и судоремонте 13-16 сентября 1983 г.: Тез. докл. Владивосток, 1983. С. 79.

4. Бомко Н.Ф. Анизотропия физико-механических свойств металла, наплавленного ленточным электродом // Вопросы судостроения. Серия Металловедение, металлургия. Ленинград, "Румб", 1985. Вып.4& С. 32-40.

5. Бомко Н.Ф., Макаров В.К. Приставка для электромагнитного управления сварочной дугой // Дальневосточная конференция. "Пути ускорения научно-технического прогресса в сварочном производстве" 14-16 октября 1987 г.: Тез докл. Владивосток, 1987. С.16.

6. Способ электродуговой наплавки изделий. Коньков Ю.Д., Бомко Н.Ф.. Макаров В.К. A.c. №750876 (СССР), МКИ В 23 К 9/04, В 23 К 28/00

7. Способ сварки магнитоуправляемой дугой и устройство для его осуществления: Бомко Н.Ф., Макаров В.К. A.c. №1220236 (СССР) МКИ В 23 К 9/08