автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии получения диссипативных макроструктур твердого покрытия на футеровочных плитах

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСЛОВИЯХ РАБОТЫ КАРЬЕРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ БОЛЬШОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ.

1.1. Описание объекта исследования.

1.2. Твердые сплавы для работы при отрицательной температуре.,.

1.3. Современное состояние и перспективы использования дисси-пативных макроструктур для торможения разрушения при отрицательных температурах.

1.4. Постановка задач на исследование.

ГЛАВА 2. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Выбор материала вязких прослоек.

2.2. Выбор твердых наплавочных сплавов.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ВЯЗКИХ ПРОСЛОЕК НА ДЕФОРМАЦИЮ ЗАРОЖДЕНИЯ ТРЕЩИН В ТВЕРДЫХ НАПЛАВОЧНЫХ СПЛАВАХ (ТНС) ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ.

3.1 Исследование стойкости исследуемых ТНС к ударным нагрузкам при отрицательной температуре.

3.2 Исследование влияния введения вязких прослоек на деформацию зарождения трещин в твердых наплавленных сплавах при динамическом на-гружении и отрицательной температуре.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВВЕДЕНИЯ ВЯЗКИХ ПРОСЛОЕК НА АБРАЗИВНУЮ И УДАРНО - АБРАЗИВНУЮ СТОЙ

КОСТЬ КОМБИНИРОВАННЫХ НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ (КНП).

4.1 Абразивная износостойкость.

4.2 Износостойкость при ударе по закрепленному абразиву.

Выводы по главе.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ (НДС) КНП.

5.1 Постановка задачи на численный эксперимент.

5.2 Расчет НДС КНП методом конечного элемента.

5.3 Анализ результатов численного эксперимента

Выводы по главе.

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ КНП НА ФП В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТА-ГИЯ.

6.1 Выбор способа упрочнения.

6.2 Выбор технологических параметров упрочнения.

Выводы по главе.

Подъём экономики страны тесно связан с дальнейшим интенсивным развитием добычи полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера. Многообразие добываемого минерального сырья, специфичность его залегания, способов добычи, транспортирования и использования в условиях вечной мерзлоты обусловливают необходимость особого подхода при выборе используемых материалов для применяемой техники, конструкций и сооружений.

Неблагоприятные воздействия климатических факторов изменяют свойства материалов, условия эксплуатации техники, ухудшают ее служебные характеристики и их недоучет наносит огромный ущерб. При этом большая доля материальных потерь обусловлена несоответствием применяемой техники и технологии требованиям эксплуатации в северных условиях. По данным /1-6 / частота разрушения деталей в зимнее время увеличивается в 2-6 раз, износ увеличивается в 1,5 - 3 раза/7,8/.

Самым распространенным видом транспорта на открытых горных разработках является автомобильный. Около 60% горной массы на карьерах России и стран СНГ перевозится автомобилями большой грузоподъемности. Основной причиной простоев при их ремонте является износ и реже поломка металлоконструкций, из которых наиболее часто выходит из строя кузов. Условия эксплуатации его рабочих поверхностей характеризуются крайне жесткими режимами ударно-абразивного изнашивания в сочетании с охрупчивающим воздействием отрицательных температур (до -60°С). Радикальным средством решения проблемы увеличения межремонтного периода работы кузова в целом является армирование его рабочих поверхностей сменными футеровочными плитами, упрочненных наплавкой твердыми сплавами.

Для получения футеровочных плит (ФП) с требуемыми служебными свойствами требуется, помимо рациональной системы легирования и микроструктуры наплавочного твердого сплава, оптимальная конструкция покры5 тия в целом, достигаемая использованием принципа построения макронеодно-родных наплавленных или комбинированных материалов /9-12/. Он заключается в разбиении общего объема хрупкого наплавленного металла на отдельные участки путем введения пластичных прослоек, способствующих локализации и торможению очагов разрушения. Однако сведения об эффективности применения комбинированных наплавленных покрытий (КНП) в условиях отрицательных температур крайне ограничены.

Целью диссертационной работы является разработка состава, структуры и способа получения упрочняющего покрытия на футеровочных плитах, работающих в условиях отрицательных температур. Решение поставленной задачи достигается исследованием влияния параметров КНП на их поведение в условиях отрицательных температур с последующим применением полученных результатов при практической реализации. 6

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Существующие твердые наплавочные сплавы, используемые для работы при динамических нагрузках и отрицательных температурах, изменяют свои свойства, приобретая повышенную хрупкость.

2. Придать твердым наплавочным сплавам комплекс приемлемых механических свойств в условиях их работы при отрицательных температурах можно созданием диссипативных макроструктур путем введения в общий объем твердого наплавленного металла вязких прослоек из хладостойких сталей.

3. Введение вязких прослоек до 30% по объему увеличивает стойкость комбинированных наплавленных покрытий к динамическим нагрузкам и способствует торможению очагов разрушения.

4. Введение вязких прослоек до 30% по объему, заметно не снижая абразивную износостойкость твердых наплавочных сплавов, повышает стойкость их к ударно-абразивному изнашиванию, что обеспечивает в комплексе эксплуатационную надежность упрочненных футеровочных плит кузовов автомобилей.

5. Выбранный способ объемного упрочнения с дополнительной доработкой позволяет наносить твердые покрытия глубиной до 20 мм за один проход. Это исключает чередование сжимающих и растягивающих нормальных напряжений по глубине наплавляемого валика, непосредственно влияющее на склонность наплавленного металла к отколу.

6. Для получения твердых составляющих комбинированных наплавленных покрытий рекомендуется экономнолегированный наплавочный сплав 200X15СРТ, выпускаемый в виде порошковой проволоки ПП-АН125. При нанесении сплава 200Х15СРТ происходит дополнительное легирование ванны расплавленного металла азотом воздуха, благоприятно влияющее на ударно-абразивное изнашивание при отрицательной температуре, так как в составе сплава присутствует необходимое количество титана.

129

7. Конструкция футеровочной шиты с волнообразным расположением вязких прослоек смягчает напряженно-деформированное состояние твердого покрытия при больших динамических нагрузках и отрицательных климатических температурах.

8. Износостойкость экспериментальных футеровочных плит, упрочненных по разработанной технологии, превысила стойкость серийных в 3 раза, что позволяет рекомендовать данную конструкцию футеровочной плиты и технологию нанесения твердого покрытия к промышленному внедрению.

130

1. Бескин И.А., Корсак В.К. О технических требованиях к средствам надежного бездорожного транспорта для Севера // Техника для Севера. М.: Экономика, 1966.- С.24-30.

2. Григорьев Р.С., Иванов Е.Е., Яковлев П.Г. Оценка надежности систем экскаваторов // Повышение хладостойкости и несущей способности конструкций. Якутск: Якутский филиал СО АН СССР, 1987. С. 5 - 9.

3. Кудин В.Г., Георгиев М.Н., Коломицкий В.Н. Эксплуатационные критические температуры хладноломкости деталей и элементов конструкций бурового оборудования // Машины и нефтяное оборудование, 1976. № 8. С. 3 - 5.

4. Лосавио Г.С. Эксплуатация автомобилей при низких температурах. М.: Транспорт, 1973. 120 с.

5. Ларионов В Л, Григорьев Р.С. и др. Анализ низкотемпературных разрушений деталей машин и элементов конструкций // Прочность материалов и конструкций при низких температурах. Киев : Наукова думка, 1984. - С. 135-140.

6. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Износ инструмента при резании горных пород.-М.: Недра, 1969. 168 с.

7. Гринберг Н.А., Мамаев П.Н. Наплавочные сплавы для повышения срока службы деталей машин работающих при низких температурах //Автоматическая сварка. 1980. №7. - С.52 - 54.

8. Воротников В.Я., Артеменко Ю.А., Иванов С.В. Технология объемного упрочнения зубьев ковшей экскаваторов //Сварочное производство, 1979. № 3. С. 9- И.

9. Гринберг Н.А., Беликова Н.А. Сопротивляемость ударным нагрузкам наплавляемых деталей при отрицательной температуре // Автоматическая сварка. 1978. №10. -С. 15-17.

10. И. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977. - 360 с.

11. Микляев П.Г., Нешпор Г.С., Кудряшов В.Г. Кинетика разру-шения.-М.: Металлургия, 1979. 279 с.

12. Кулешов А.А. Мощные экскаваторно-автомобильные комплексы карьеров. М.: Недра, 1980. 317 с.

13. Васильев М.В., Смирнов В.П., Кулешов А.А. Эксплуатация карьерного автотранспорта. М.: Недра, 1979. 280 с.

14. Кузьмин В.Р., Ишков A.M. Прогнозирование хладостойкости конструкций и работоспособности техники на Севере. М.: Машиностроение, 1996. -304 с.

15. Казарез А.Н., Кулешов А.А. Эксплуатация карьерных автосамосвалов с электромеханической трансмиссией. М.: Недра, 1988. 264 с.

16. Шрейнер JI.A. Механические и абразивные свойства горных пород. 1959. 125 с.

17. Лившиц Л.С., Гринберг Н.А., Куркумелли Э.Г. Основы легирования наплавленного металла. -М.: Машиностроение, 1969. 186 с.

18. Гринберг Н.А., Кошелев И.К. Свойства металла при положительных и отрицательных температурах, полученного при дуговой наплавке различными износостойкими материалами // Сварочное производство, 1973. №1. -С. 9 12.

19. Бондарович Л.А., Подгорный А.С. и др. Сопротивляемость сварных соединений развитию трещин при низких температурах // Прочность материалов и конструкций при низких температурах: Сб. науч. тр. АН УССР. Киев: Наукова думка, 1990. С. 38 - 43.

20. Павлов И.М., Крупин А.В. Графический метод приближенного определения концентрации напряжений, вызываемой дефектами в металле // Тр. ИМЕТим. А.А. Байкова. -Вып. 7. -М.: Изд-во АН СССР, 1960. -С. 31-36.

21. Павлов И.В. Причины образования неметаллических включений в металле швов хладостойкой никелевой стали 0Н9 // Автоматическая сварка, -1996. №8.-С. 44-47.

22. Вязкость разрушения высокопрочных материалов. Сб. М.: Металлургия, 1973. - 303 с.

23. Овсянников Б.М., Лазько В.Г. О методологических принципах и методах механических испытаний для оценки влияния неметаллических включений на конструктивную прочность стали. Сб. Сталь и неметаллические включения М.: Металлургия, 1976. № 1. - С. 100-114.

24. Штремель М.А. Количественный анализ структуры сплавов. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1977. № 5. С. 69 - 76.

25. Фонштейн Н.М. Применение критериев линейной механики разрушения в металловедении. -М.: Машиностроение, 1979. 55 с.

26. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. -М.: Машиностроение, 1981.-247 с.

27. Шекера В.М. Раечетно-эксперименгальное исследование напряжений при наплавке массивных деталей // Тр. Всесоюзного симпозиума по остаточным напряжениям и методам регулирования. М.: 1982. - С. 395 - 402.133

28. Левин В.В. Влияние химического состава высокомарганцевой стали на образование горячих трещин при наплавке ее поверхности хромомолибдено-вым чугуном//Сварочное производство, 1972. №7. -С. 7-8.

29. Cookson С.Р. The sense and nonse of weld defects // Surfacing J. 198213, №1 -p.55 58.

30. Петров И.В., Домбровская И.К. Повышение долговечности рабочих органов дорожных машин наплавкой. ~М.: Транспорт, 1970. 104 с.

31. Копьев И.М., Овчинский А.С. Разрушение металлов, армированных волокнами. М.: Наука, 1977. - 240 с.

32. Композиционные материалы: Справочник / Васильев В.В., Протасов

33. B. Д., Болотин В.В. и др. М.: Машиностроение, 1990. -512 с.

34. Колпашников А.Й., Белоусов А.С., Мануйлов В.Ф. Высокопрочная нержавеющая проволока. М.: Металлургия, 1971. - 184с.

35. Самойлов А.И., Светлов И.Л., Кривко А.И. Рентгеновское исследование термических напряжений в алюминиевых композициях, армированных борными волокнами // Физико химия обработки материалов, 1977. № 3.1. C.121 -127.

36. Портной К.И. и др. Структура и свойства композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1979. - 255 с.

37. Максимович Г.Г., Филиповский А.В., Михеев В.И. и др. Влияние температуры на структуру и механические свойства волокнистого композитного материала магний бор. // Механика композитных материалов, 1988. № 3. -С. 468-471.

38. Максимович Г.Г., Филиповский и др. Особенности разрушения волокон в композиционном материале алюминий бор при термоциклировании. Физика разрушения. Тез. докл. 5 Респ. конф. Черновцы. - Киев, 1985. - 225 с.

39. Lin J. М. Temperature dependence and hysteresis of Young's modulus in a graphite / aluminum metal matrix composite. Appl. Phys. Lett. -1986. v.48. - № 7.-p. 469-471.

40. Потапов И.Н., Лебедев В.Н., Кобелев А.Г. и др. Слоистые металлические композиции. Учебное пособие. М.: Металлургия, 1986. - 216 с.

41. Абабков В.Т., Гуляев А.П, Разрушение биметаллов при динамическом нагружении // Металловедение и термическая обработка металлов, 1968. №7.-С. 49-53.

42. Навроцкий И.В., Томенко Ю.С., Долженков Ф.Е. Деформация многослойных сталей при статическом растяжении // Изд. АН СССР. Металлы. 1970. № 3. С. 119-125.

43. Навроцкий И.В., Томенко Ю.С., Долженков Ф.Е. Разрушение многослойных сталей при динамическом и статическом приложении нагрузки // Изв. АН СССР . Металлы. 1970. № 5. С. 132 - 136.

44. Махутов Н.А., Тананов А.И., Черняев А.П. Вязкость разрушения плакированных сталей // Прочность материалов и конструкций при низких температурах. 1984. С. 154 - 159.

45. Yum Y.H., Shin С.К. An experimental study on the fracture behavior of laminated steel composites. Fract. Mech. Technol. Appl. Mater. Evaluat. and Struct Design. The Hague e.a., 1983.- p. 131-147.

46. Embury,J.S., Petch., N.S. Trans TMS AIME 245, 1967. p. 25292536.

47. Almond, E.A. J. Iron Steel Inst. 207, p. 1319 - 1323.

48. Бондарович Л.А., Злочевский А.Б., Навроцкий И.В. Особенности деформирования и разрушения многослойных стальных пластин // Физико- химическая механика материалов, 1981, т. 17. № 3. С. 45 - 50.

49. Упрочнение металлов волокнами / Под ред. Ивановой B.C. М.: «Наука», 1973.-208 с.

50. Якушин Б.Ф., Куценко В.Н., Воротников В.Я. Повышение качества и производительности наплавки на детали из закаливающихся сталей // Автоматическая сварка, 1983, №8 С.48 - 50.

51. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985.-240 с.135

52. Юзвенко Ю.А., Шимановский В.П., Мельник А.В. и др. Увеличение срока службы зубьев ковшей экскаваторов наплавкой порошковой проволокой // Автоматическая сварка, 1966. № 5. С. 51 ~ 53.

53. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. -М.: Металлургия, 1983. 176 с.

54. Михайлов A.M., Сарлин М.К., Филатов В.Н. и др. Повышение износостойкости рабочих поверхностей зубьев ковшей экскаваторов // Литейное производство, 1970. № 10. С. 9 - 11.

55. Иванов С.В., Артеменко Ю.А., Воротников В.Я. и др. Исследование влияния режимов объемного упрочнения на размеры упрочненных участков // Прогрессивные методы сварки в тяжелом машиностроении и наплавки в черной металлургии. Жданов: 1977. - С. 173-174.

56. Старцев В.И., Ильичев В.Я., Пустовалов В.В. Пластичность и прочность металлов и сплавов при низких температурах. М.: Металлургия, 1975. -328 с.

57. Гривняк И. Свариваемость сталей. М.: Машиностроение. - 1984.216 с.

58. Солнцев Ю.П., Андреев А.К., Гречин Р.И. Литейные хладостойкие стали. М.: Металлургия. 1991. 176 с.136

59. Петров И.В. Исследование износостойкости наплавленных материалов при абразивном изнашивании под действием динамических нагрузок. -Дис. канд. техн. наук. М., 1965. - 180 с.

60. Вуллерт Р. Области применения ударных испытаний с осциллогра-фированием // Ударные испытания металлов. М.: Мир, 1973. - с. 154 - 174.

61. Александров Е.В. Прикладная теория и расчеты ударных систем. -М.: Наука, 1969. 199 с.

62. Жлобинский Б. А. Динамическое разрушение горных пород при вдавливании. -М.: Недра, 1970. 152 с.

63. Венци С., Прист А., Мей М. Влияние инерционной нагрузки при ударных испытаниях с оецшшографированием // Ударные испытания металлов. М.: Мир, 1973. - С. 175 -188.

64. Воротников В .Я., Иванов С.В., Артеменко Ю.А. Методика определения стойкости наплавочных сплавов к ударным нагрузкам // Автоматическая сварка. -1983. № 9. С. 67 ~ 68.

65. Виноградов В.Й., Шрейбер Г.К., Сорокин Г.М. Метод испытания на изнашивание при ударе об абразивную поверхность // Заводская лаборатория. -1966. №11.-С. 1407-1409.

66. Рыжков Ф.Н., Замулина И.Н., Воротников В.Я. Трещиностойкость твердых наплавленных сплавов // Сварочное производство. 1994. №2. - С.15 -16.

67. Гаркунов Д.Н. Триботехника. -М.: Машиностроение. 1985. - 424 с.

68. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. М.: Машиностроение, 1982. 192 с.

69. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Машиностроение, 1976. - 270 с.

70. Труфяков В.И. Усталость сварных соединений. Киев: Наукова думка, 1973.-216 с.137

71. О предотвращении дефектов формирования при форсированных режимах упрочнения плазменной дугой / В .Я. Воротников, Ю.А. Артеменко, С.В. Иванов // Сварочное производство. -1999. №4. С. 10-11.

72. Сорокин Г.М. Методы испытания на изнашивание при ударе // Вестник машиностроения, 1976, №4. -С. 11-16.

73. Попов B.C., Нагорный П.Л., Шумикин А.Б. Связь между износостойкостью и энергией разрушения упрочняющей фазы сплавов // Физико-химическая механика материалов. 1971. - т.7. №4. - С. 41 - 47.

74. Gurland J. Trans. ASM, 1958, vol. 50. 1063.

75. Окерблом H.O. Сварочные деформации и напряжения. М.: МАШ-ГИЗ. 1948.-252 с.

76. Ушаков Б.Н., Фролов И.П. Напряжения в композитных конструкциях. М.: Машиностроение, 1979. 134 с.

77. Артеменко Ю.А. Особенности разрушения износостойких наплавленных покрытий повышенной толщины и разработка технологии их получения с применением плазменной и вспомогательной дуг. Дис.канд. техн. наук. -М.: МИНГ им. И.М. Губкина, 1988. 198 с.

78. Кречмар Э. Методы испытания наплавленного металла // Теоретические и технологические основы наплавки. Свойства и испытания наплавленного металла. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1979. - С. 3 - 22.

79. Степанов Б.В., Шевнев С.А., Бабина Ф.М. Механизированная наплавка твердыми сплавами броней корпусных дробилок // Производство крупных машин. Сварка стальных конструкций, вып. 20. М. : Машиностроение, 1971. ~ С. 91-95.

80. Финкель В.М., Головин Ю.П., Родюков Г.Б. Холодная ломка проката. -М.: Металлургия, 1982. 192с.

81. О влиянии термоупругих полей на кинетику распространения трещин в пластинах кремнистого железа / В.М. Финкель, Г.Б. Муравин, A.M. Савельев и др. // Проблемы прочности. 1974. №4. - С. 49 - 53.138

82. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Часть 1. Деформация и разрушение. М.: Машиностроение, 1974. - 472 с.

83. Кильчевский Н.А. Динамическое контактное сжатие твердых тел. -Киев: Наукова думка, 1976. 315 с.

84. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справочник. М.: Машиностроение, 1983. - 248с.

85. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента. ~ М.: Легкая индустрия, 1974. -263 с.

86. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971. 192 с.

87. Кассаддрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970. 89 с.

88. Зейдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. М.:Наука, 1967.-104 с.1. ПРИЛОЖЕН^

89. Методика математической обработки результатов эксперимента

90. Для уменьшения суммарной случайной ошибки опыты повториаблишраз и результаты каждого измерения заносили в 1 Среднеарифметическое значение у для п опытов вычисляли поформуйп игде: yi результат i-oro опыта,п количество опытов (измерений). -с<:

91. Если один (или два) результат резко отличается от остал^ проверку, не является ли он промахом при наличии случайных 11 нарушений условий опыта, производили с помощью t-критерия /89/

92. У-У* : t J 1 1расч--<3'. >

93. S приближенное значение средней квадратики0*1учитывается вместо сг при сравнительно небольшом числе измерь* -v\

94. В случае, если расчетное значение tpaC4. больше t^. , оггре-де tv