автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование, разработка и внедрение наплавочного материала для условий интенсивного абразивного изнашивания

Б ОН

\ Ц ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

МІТЯЄВ Олександр Анатолійович

УДК 621.791.927.5:669.018.25

ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКА ТА ВПРОВАДЖЕННЯ НАПЛАВОЧНОГО МАТЕРІАЛУ ДЛЯ УМОВ ІНТЕНСИВНОГО АБРАЗИВНОГО ЗНОШУВАННЯ

05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня . кандидата технічних наук

Запоріжжя — 1998 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник- доктор технічних наук, професор Волчок Іван Петрович, Запорізький державний технічний університет, завідувач кафедри технології металів

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Левітін Валім Володимирович, Запорізький державний технічний університет, професор кафедри фізики;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кандратов Іван Яковлевич, завідувач лабораторії порошкових матеріалів інституту “УкрНДІспецсталь”.

Провідна установа - Державна металургійна академія України, кафедра металознавства, Міністерство освіти України, м. Дніпропетровськ.

30

годині

Захист відбудеться _______199</ р. о &

засіданні спеціалізованої вченої ради Д17.052.01 в Запорізькому державному технічному університеті за адресою:

330063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького державного технічного університету за адресою:

330063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розісланий “ " лиетО/гд^сь [ 99<Гп.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради /у

доктор технічних наук, професор Волчок І.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Багато деталей гірничодобувної та переробної техніки, дорожньо-будівних і сільськогосподарських машин, які безпосередньо контактують з абразивним середовищем (руда, грунт, щебінь, пісок і т.п.), мають строк використання в 3...5 разів нище, ніж останні вузли й механізми. Передчасний вихід з ладу деталей, які зазнали вплив абразивної маси, призводить до необхідності їх частої заміни, тобто до зупинки технологічного циклу, що викликає значне зниження рентабельності виробництва й збільшення витрат, пов'язаних з ремонтом і простоєм обладнання.

Витрати на відновлення машин в результаті зносу великі й щорічно збільшуються. На симпозіумі, який було проведено в США з питання зниження зносу в техніці, загальна думка звелась до того, що управління зносом є центральною ланкою у рішенні таких національних проблем, як економія енергії, скорочення витрат матеріалів, забезпечення надійності та безпеки механічних систем. На симпозіумі також було зазначено, що для промисловості США можлива економія за рахунок ефективного впровадження результатів триботехніки у практику складе більш як 12. ..16 млрд. доларів на рік.

У Великобританії протягом 50-х-60-х років економічний ефект від впровадження досягнень триботехніки склав більш як 500 млн. фунтів стерлінгів, що еквівалентно 2 % валового національного продукта. Втрати промисловості ФРН від зносу машин і механізмів складають більш як 100 млрд. марок на рік, тобто більш як 1 % річного бюджету.

Проблема зносостійкості для України актуальна, перш за все, у зв'язку з дефіцитом легуючих елементів, значним зносом обладнання і відсутністю коштів на його відновлення і реконструкцію.

Одним з найбільш ефективних засобів, який дозволяє відновлювати й забезпечувати попереднє зміцнення деталей, що працюють в умовах абразивного зносу, є наплавлення зносостійкими матеріалами, які містять в собі високотверді зносостійкі (зміцнюючі) фази. В наш час в Україні та за кордоном знайшли використання наплавочні матеріали, в яких зміцнюючою фазою є карбіди, карбобориди, бориди й нітриди, які мають відповідно мікротвердість 12... 14,

16...19, 20. ..24, 20,0...24,5 ГПа. В останні роки з'явились праці, які свідчать про можливості отримання в наплавленому металі зміцнюючих фаз типу БіС, які мають мікротвердість 29...34 ГПа, що робить перспективним розробку зносостійких матеріалів з силікокарбідним зміцненням.

Основні етапи роботи виконані згідно з Постановою РМ СРСР “О дополнительных мерах по развитию производства и восстановления деталей и изделий с упрочняющими покрытиями на 1986-1990 г.г.” № 212 від 11.02.1986 р.; Міжвузівською НТП “Разработать и внедрить материалы и техпроцессы изготовления деталей машин и оборудования с повышенной износостойкостью”, наказ № 299 Мінвуза УРСР від 29.12.1986 р.; Постановою РМ УРСР № 340 (додаток № 2) РЦКП “Материалоемкость” від 02.11.1988 р.; Тематичним планом держбюджетних робіт ЗДТУ, затвердженим МО України. Робота є подальшим розвитком наукового напрямку по створенню зносостійких матеріалів, що

розвивається в ЗДТУ М.М. Бриковим, В.М. Гордієнко, С.М. Поповим, А.О. Шуміловим та іншими під керівництвом B.C. Попова.

Мета і завдання дослідження. Основною метою роботи було дослідження процесів структуроутворення в сплавах з наявністю кремнію від 2,2 % до 5,8 %, розробка складу наплавленого металу з силікокарбідним зміцненням.

Для досягнення цієї мети були поставлені й вирішені такі завдання:

- обрана й обгрунтована система легування;

- визначені параметри, які лімітують експлуатаційну стійкість деталей, зміцнених методом наплавлення: твердість, міцність сплавлення з основою й зносостійкість наплавленого металу;

- з використанням методів математичного планування експерименту отримані залежності, які описують комплексний вплив легуючих елементів (1,4...2,6 % С, 0,7...4,3 % В, 2,2...5,8 % Si, 13 % Сг) на механічні й експлуатаційні властивості наплавленого металу;

- оптимізований склад зносостійкого сплаву, який наноситься методом електродугового наплавлення;

- проведене дослідження властивостей і структурно-фазового стану розробленого сплаву;

- відпрацьована й впроваджена технологія відновлення й зміцнення ковшів елеваторів АЗУ Д-597 з використанням розробленого матеріалу.

Наукова новизна. Дістали подальший розвиток дослідження та наукове обгрунтування впливу комплексного легування вуглецем (1,4...2,б %), бором (0,7...4,3 %), кремнієм (2,2...5,8 %), хромом (13 %) на мікроструктуру зносостійких стопів, кількість та розподіл зміцнюючих фаз, на механічні й експлуатаційні властивості зносостійких стопів.

Отримані графічні й регресійні залежності, що описують вилив легуючих елементів: вуглецю, бору й кремнію на твердість HRC, зносостійкість наплавленого металу Є, міцність сплавлення з основою СТСПЛ.

Отримані експериментальні свідчення утворення у стопах Fe-C-Cr-B-Si при електродуговому наплавленні дрібнодисперсних, рівно розповсюджених силікокарбідних зміцнюючих фаз, які мають у порівнянні з боридними, карбоборидними й карбідними більш високу мікротвердість, сприяють здрібнюванню останніх та підвищенню зносостійкості стопів.

Практична цінність і реалізація результатів роботи. Отримані під час роботи залежності дозволили розробити наплавочний електрод ЕН-240Х! ЗС5Р2 для нанесення зносостійких покриттів на ковші елеватора АЗУ Д-597. Наплавочний електрод може використовуватися для відновлення й зміцнення інших деталей, які працюють в умовах інтенсивного зношення без значних ударних навантажень (робочі колеса й уліти насосів, деталі пневмо - й гідротранспорту, грохоти, жолоби й інші деталі гірничозбагачувального обладнання й будівельно-дорожньої техніки).

На склад електродного покриття отримане авторське свідоцтво СРСР № 1731550.

Склад сплаву й технологія його нанесення на ковші елеваторів дорожньо-

з

будівельної техніки дозволили збільшити строк їх використання в 6,65 рази.

Економічна ефективність роботи. Фактичний економічний ефект від впровадження результатів цих досліджень на одній установці АЗУ Д-597 Мелітопольського підприємства МіськДЕД за II місяців 1996-1997 p.p. склав 3,471 тис. гри., очікуваний економічний ефект схладає 378,7 тис. грн.

Автор захищає отримані в роботі:

1. Регресійну модель, яка описує вплив вуглецю, бору, кремнію на механічні й експлуатаційні характеристики наплавленого металу системи Fc-C-Cr-B-Si.

2. Уточнені уявлення про вплив легуючих елементів (С, В, Si) на формування зміцнюючих фаз у структурі наплавленого металу.

3. Склад зносостійкого сплаву, отриманого методом електродугового наплавлення.

4. Матеріали промислового випробування й впровадження.

Особистий внесок здобувача.

1. Методом електродугового наплавлення виготовлені стопи згідно матриці планування експерименту, проведені їх лабораторні випробування, отримані експериментальні дані.

2. Здійснена обробка експериментальних даних, отримані регресійні та графічні залежності, які описують вплив хімічного складу наплавленого металу на механічні та службові властивості.

3. Сумісно з С.М. Поповим і О.Г. Кругліковим оптимізован склад зносостійкого стопу та розроблено склад електродного покриття (а.с. № 1731550), що забезпечує його отримання.

4. За допомогою електронної мікроскопії, мікрорентгеноспектрального та рентгеноструктурного фазового аналізів, Оже-спектроскопії виконані дослідження впливу вуглецю, бору, кремнію та хрому на процеси структуроутворення та властивості зносостійких стопів.

5. Проведені промислові випробування розробленого зносостійкого наллавочного матеріалу і його впровадження у виробництво.

Апробація роботи. Основні матеріали дисертації виголошені й обговорені на III обласній конференції “Молоді вчені й спеціадісти-реалізації регіональних цільових програм, прискоренню науково-технічного прогресу, активізації НТТМ”, Запоріжжя, 1988; на IV Загальносоюзній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі й сплави та методи їх обробки з метою підвищення надійності й довготривалості виробів”, Запоріжжя, 1989; на VI Республіканській науково-технічній конференції “Неметалеві включення й гази в ливарних сплавах”, Запоріжжя, 1991; на науково-технічній конференції “Ресурсозбереження в машинобудівництві”, Запоріжжя, 1992; на III Республіканській науково-технічній конференції “Неметалеві включення й гази в ливарних сплавах”, Запоріжжя, 1994; на VI Міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищення надійності й довговічності виробів”, Запоріжжя, 1995; на IV Міжнародній науково-технічній конференції ІСМВ'96 “Будівельні матеріали й

будівельні конструкції”, Дніпропетровськ, 1996; на II Республіканському науково-технічному семінарі з приводу поліпшення показників теплових двигунів й ресурсозбереженню, Мелітополь, 1996; на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів ТДАТА, Мелітополь, 1996; на Міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів”, Запоріжжя, 1998; на кафедральних і міжкафедраньних семінарах ЗДТУ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 робіт, отримане 1 авторське свідоцтво на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел й додатків. Робота викладена на 96 сторінках машинописного тексту, містить 21 рисунок, 17 таблиць, 3 додатки. Загальний обсяг роботи складає 145 сторінок. Список літератури складається з 113 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета й завдання досліджень, викладена наукова новизна, наведені основні положення, що виносяться на захист, визначена практична цінність виконаної роботи.

Перший розділ містить у собі огляд літератури, де розглядаються шляхи підвищення абразивної стійкості деталей машин, які швидко зношуються. Зазначені існуючі точки зору на процеси абразивного зносу і фактори, що впливають на величину зносу й які визначають зносостійкість матеріалів. Відзначено, що в умовах інтенсивного абразивного зносу, найбільш прийнятним методом с нанесення зносостійких покриттів електродуговим наплавленням.

Розглянуті літературні дані про вплив легування на структуроутворення, вид і кількість надлишкової зміцнюючої фази зносостійкого шару. Особлива увага приділена окремим несистематизованим відомостям про можливість утворення в сплавах з різним складом кремнію (1,6 %, 2,5 %, 3,8 %) силікокарбідних зміцнюючих фаз, що мають в 1,5... 1,8 рази більш високу мікротвердість Н50=29...34 ГПа, ніж карбідні, карбоборидні й боридні фази. Це спроможне підвищити зносостійкість сплавів з силікохарбідною зміцнюючою фазою.

На основі аналізу зносостійких наплавочних матеріалів, що найбільш широко використовуються, обрана система легування Ре-С-Сг-В, яка має високі, ще не вивчені до кінця, потенційні можливості. Показана доцільність її подальшого вивчення, перед усім, на предмет додаткового легування кремнієм.

У другому розділі подані дані про використані матеріали і методики досліджень. На основі аналізу попередньої інформації, як об'єкт дослідження була обрана система Ре-С-Сг-В, яка додатково легована кремнієм в кількості від

2,2 % до 5,8 %.

Наплавочні електроди даних складів виготовлялись методом опресовування на стержень з дроту Св-08 А діаметром 4 мм. Шихта електродного покриття

містила лігатуру ФХБ-2 (ТУ-14-106-78), хром металевий Х97 (ГОСТ 5905-79), феросиліцій ФС-75 (ГОСТ 14-5-78), карбід кремнію зелений 8іС, графіт С, мармур СаСОз, плавиковий шпат СаГ2.

Нанесення зносостійких покрить на зразки здійснювали за допомогою електродугової наплавки на постійному струмі зворотної полярності. Джерелом живлення зварювальної дуги був ВДУ-504.

Металографічні дослідження структури зносостійких наплавок виконувались на травлених шліфах за допомогою мікроскопів МІМ-7 і М1М-8 при збільшенні 100...450 раз, а також методом металографії високого вирішення на растровому електроному мікроскопі “УБМТ 300” з діаметром електроного зонду 100 нм. За його допомогою виконувались також фрактографічні дослідження поверхні руйнування зносостійкого сплаву.

Вивчення процесів утворення зміцнюючих(укршлюючи>§ фаз, розподілення легуючих елементів між фазами, складу матриці зносостійких сплавів відбувалось з залученням методів рентгеноспектрального мікроаналізу (РСМА) структурних складових на мікрозонді МАР-3. Якісне й кількісне розподілення елементів визначалось на електронному Оже-спектрометрі “ЬАй-2000” французької фірми “ЯіЬег”.

Ренггенострукгурішй фазовий аналіз складових матеріалу наплавки виконували на дифрактометрі \\ZG-4I А-2 виробництва Карл-Цейс-Йена (Німеччина) в Со-Ка випромінюванні, а також з використанням фотометоду в камері РКД у монохроматичному Рс-Ка випромінюванні.

Випробування на твердість наплавлених зразків проводились за стандартною методикою з використанням твердоміра Роквелла. Мікротвердість основних структурних складових визначалась за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3 при навантаженні на індентор 50 г.

Визначення міцності сплавлення наплавленого шару з матеріалом основи проводили за допомогою штифтової проби. Міцність сплавлення розраховували за формулою:

4Р

Оспл=—7, МПа, таз

де Р - максимальне значення руйнуючого зусилля, МН; сі - діаметр торця штифта, м.

Для визначення відносної зносостійкості дослідних сплавів і зменшення погрішності її обчислення визначали щільність наплавленого металу за допомогою пікнометричного методу. Під час визначення мас. використовували аналітичні ваги АДВ-200, огріх зважування складав ± 0,0002 г.

Оцінка зносостійкості наплавленого металу в умовах інтенсивного абразивного зносу виконувалась за ГОСТ 23.208-79 “Метод випробування матеріалів на зносостійкість під час тертя об не жорстко закріплені абразивні частки”.

Зносостійкість матеріалу який випробувався, оцінювали шляхом порівняння його зносу зі зносом еталонного зразка. Відносну зносостійкість досліджуваного матеріалу обчислювали за формулою:

о ^ЧзРиКц

ВІДН ЯиР,^’

де Ч,,Чи- значення втрат маси під час випробовування еталонних зразків і зразків матеріалу, що досліджувався, г;

Рз,ри - щільність еталонного й досліджуваного матеріалів, г/см5;

Ыэ^ц- кількість обертів ролика під час випробування еталонного й досліджуваного матеріалів.

За еталон брались зразки зі сталі 45 в відпаленому стані з НВ 190. ..200.

Третій розділ присвячений розробці складу зносостійкого сплаву й питанням дослідження структури й властивостей покриттів, що формуються за допомогою електродугового наплавлення, з метою вибору оптимального складу матеріалу для умов інтенсивного абразивного зносу без значних ударних навантажень.

На основі апріорної інформації й виробничого досліду були визначені критерії оцінювання працездатності й технологічної пришгятності матеріалів, які забезпечують надійну експлуатацію в умовах інтенсивного абразивного зношення без значних ударних навантажень:

- твердість наплавленого металу НЯС 55...65;

- відносна зносостійкість, не нище стандартних наплавних матеріалів (ЦС-1 “Сормайг”, Т-590, ПГІ-АН 170), які широко використовуються,

тобто євідм ¿6;

- мінімально припустима міцність сплавлення наплавленого шару з основною аспл > 100 МПа.

За допомогою методів математичного планування експерименту були проведені дослідження відносно виявлення впливу кремнію на властивості сплаву Ре-С-Сг-В. У дослідженнях використовували центральне композиційне ортогональне уніформ планування другого порядку (табл. 1).

Таблиця 1 - Кодування факторів під час дослідження зони оптімума за допомогою центрального ортогонального уніформ ______________планування другого порядку, к=3______________________________

Інтервали варіювання й рівні факторів Фактори, що вивчаються

Х,(С) Х2(В) Хз(БІ)

Нульовий рівень: Х=0 2,0 2,5 4,0

Інтервали варіювання: 1,0 0,5 1,5 1,5

1,215 0,6 1,8 1,8

Нижній рівень: X— 1 1,5 1.0 Г 2,5

Верхній рівень: Х=+1 2,5 4,0 5,5

Зіркові точки: Х=-1,215 1,4 0,7 2,2

Х=+1,215 2,6 4,3 5,8

За основні фактори, що впливали на параметри оптимізації, були обрані: кількість вуглецю, бору, кремнію в наплавленому металі. Параметрами оптимізації були: твердість НКС, відносна зносостійкість ЄВІДІ{) міцність

сплавлення наплавленого шару з підложкою Оспл .

На основі аналізу попередньої інформації масова доля хрому залишалась постійною і дорівнювалась !3 %.

Обробка отриманих експериментальних даних за комплексним впливом вуглецю, бору й кремнію на параметри оптимізації дозволила, після виключення статистично незначущих коефіцієнтів, отримати такі рівняння регресії в натуральних змінних:

" НКС=24,72+20,22С+7,71В+1,828і-1,17ВС-4,08С2-0,61В2-0,238іг;

Євиш~-6,82+5,75С+3,83В+0,678і-1,48С2-0,42В2-0,1558і2-0,41СВ+

+ 0,51С8і-0,!6В8і;

Оспл=947,14-153,4С-177,23В-193,98і-35,76С2-7,18В2+4,898і2+70163СВ+

+52,80С8і+38,І8В8і-13,45СВ8і.

Аналіз отриманих моделей показав, що залежність твердості, зносостійкості, міцності сплавлення сплаву з підложкою від кількості вуглецю, бору та кремнію описувалися кривими другого порядку. Також, отримані рівняння показали наявність ефекту взаємодії між досліджуваними легуючими елементами.

Вуглець і бор сприяли значному зростанню твердості й зносостійкості сплавів за рахунок збільшення долі надлишкових зміцнюючих фаз (карбідних, боридних, карбоборидних). Вплив бору на агрегатну твердість був більш значним, ніж вуглецю. При цьому, залежність ЬШ.С від кількості бору мала практично лінійний характер: зі збільшенням концентрації бору від 0,7 % до

4,3 % твердість змінювалась від 53 НИС до 64 НЯС.

Вплив кремнію був менш суттєвим, одначе він, розчиняючись у матриці сплаву, витискав вуглець, який потім більш повно використовувався в процесі утворення карбідної й карбоборидної зміцнюючих фаз, що сприяло збільшенню їх кількості й твердості.

Встановлено, що при кількості вуглецю до 2 % збільшення кількості кремнію до 5,8 % практично не вплинуло на зносостійкість сплавів. При кількості вуглецю більш як 2,0 % і зі збільшенням концентрації кремнію спостерігалось підвищення зносостійкості сплавів, яке передбачмо було пов'язане з початком утворення силікокарбідних фаз з мікротвердістю Н5о=29...34 ГПа. Зі збільшенням кількості кремнію з 2,2 % до 5,8 % підвищувалась мікротвердість основи сплавів з Н5о=7...8 ГПа до Н50=10...14 ГПа, що можна було пояснити легуванням твердого розчину, а також утворенням дрібнодисперсних (0,5...2,0 мкм) рівномірно розподілених силікокарбідних фаз у тілі матриці сплавів.

Характер отриманих залежностей показав, що вуглець, бор і кремній знижують міцність сплавлення сплавів з підложкою СГсп„, підвищуючи структурну неоднорідність перехідної зони. Високі позитивні значення коефіцієнтів при членах рівнянь які характеризують парну взаємодію елементів СВ, СБі, В8і та Зі2 під час негативної взаємодії С2, В2, СВБі свідчать про

складний механізм впливу легуючих елементів на механічні властивості зони сплавлення та її структурно-фазовий стан. Найменшу міцність сплавлення мали сплави, в яких була наявна різка межа у вигляді світлої смуги нетравленого мартенсита завширшки 3...4 мкм з мікротвердістю Н5о=6,44...8,57, ГПа з боку наплавленого шару й темної зони навуглецювання завширшки 25...ЗО мкм з боку підложки. У сплавах, що мали більш високу міцність сплавлення, спостерігався відносно плавний перехід від структури наплавленого металу, до структури основного.

З метою визначення концентрацій вуглецю, бору й кремнію, при яких показники властивостей мали екстремальні значення, була вирішена система часних похідних від отриманих рівнянь регресій. Однак, її рішення не дозволило визначити концентрацію легуючих елементів, яка відповідала б найбільш високим показниками НКС, СУСШ1 і Е,іл„ одночасно. Тому, при достатньому рівні міцності сплавлення сплавів з підложкою, основним параметром оптимізації була обрана відносна зносостійкість.

У зв'язку з тим, що максимальні значення НЯС і Євід„ досягались при різних значеннях рівня концентрацій легуючих елементів, виникла необхідність у вивченні всього факторного простору. З цією метою був проведений графічний аналіз рівнянь і побудовані просторові діаграми, які описують вплив двох елементів на параметри оптимізації при фіксованому значенні третього елементу, який забезпечує максимальну зносостійкість. Для основного параметра оптимізації Є від„ діаграми подані на рис. 1, на них відзначена точка, яка відповідає максимальному значенню зносостійкості.

ВМІСТ КРЕМНІЮ, •/.

а

ВМІСТ КРЕМНІЮ - 4,9 %

00

и 1,9 2.5

ВМІСТ ПОРУ.

ВМІСТ ВУГЛЕЦЮ

г,2 3,1 4.0 4,9

ВМІСТ КРЕМНІЮ. %

СлЗ

ч2

в

Рис. і Вплив на відносну зносостійкість:

а- кремнію й вуглецю; б- бору й вуглецю; в- кремнію й бору.

ВІДНОСНА

НЮСОСТЇЙКЇСТЬ

Сплав, який мав максимальну зносостійкість, був такого хімічного складу:

2,4 % С, 13 % Сг, 4,9 % Бі, 2,4 % В. Електроду для нашивки сплаву цього складу була надана марка ЕН-240Х13С5Р2. Найбільш висока зносостійкість сплаву забезпечувалась, передбачно, з'явленням крім карбоборидних і боридних зміцнюючих фаз, ще й дрібнодисперсних силікокарбідних фаз. Агрегатна твердість сплаву складала 60...63 НЯС, а міцність сплавлення з основою СТШЛ= 170+20 МПа.

Для підтвердження передбачення відносно утворення силікокарбідів були проведені дослідження зміцнюючих фаз у сплаві 240X1ЗС5Р2 методами мікрорентгеноспектрального, рентгеноструктурного, якісного і кількісного Оже-аналізів.

МРСА дозволив установити, що в типових великих включеннях зміцнюючої фази спостерігалось збільшення кількості хрому й зниження кількості заліза й кремнію. Це дозволило передбачити, що включення такого типу с карбідами і карбоборидами з боридами. Сканування через дрібні включення виявило піки концентрацій кремнію, відстані між якими приблизно відповідали відстаням між окремими групами дрібних включень або між найбільшими з них. В цілому результати МРСА показали, що дрібні включення мають підвищений вміст кремнію.

Використання електронної Оже-спектроскопії (ЕОС) дозволило виконати кількісний і якісний аналіз щодо визначення хімічного складу металевої матриці й зміцнюючих фаз сплаву 240Х13С5Р2. Під час сканування великих включень були відзначені співпадаючі піки хрому й бору, а також заліза, хрому й вуглецю. Це дозволило припустити, що великі включення у сплаві представлені евтектичними боридами типу М2В і карбоборидами типу М7(СВ)з. Результати кількісного аналізу показали, що евтектичні бориди у сплаві мають склад (Ие, Сг)2В. Отримане за допомогою кількісного ЕОС середнє співвідношення валентностей для карбоборидного включення, що дорівнює (Ре, Сг)7 (СВ)2,2, дозволяє з достатньою ступеню ймовірності вважати, що карбоборидна зміцнююча фаза дійсно подана сполученням типу (Ре,Сг)7(ОВ)3. В деяких випадках якісний Оже-аналіз відзначав частки, які припадали на дрібнодисперсну фазу, одночасно збагачені вуглецем і кремнієм при низькій кількості інших легуючих елементів. Однак, кількісний метод ЕОС одночасно не підтвердив, що включення є силікокарбідами. Це можна пояснити тим, що діаметр відображеного пучка зонда, який несе інформацію про склад сплаву, дорівнювався 3...5 мкм, при ширині включення 0,5...2,0 мкм. Отже, при скануванні через дрібні включення аналізувався сумарний склад цих включень й металевої матриці.

Результати рентгеноструктурного аналізу разом з іншими методами досліджень показали, що матриця сплаву 240X1ЗС5Р2 є а - фаза - мартенсит з незначною кількістю (3...5 %) залишкового аустеніту.

У складі зміцнюючої фази виявлені включення з параметрами кристалічної решітки які відповідають сполученням типу Сг7С3, М2В та БІС.

Результати комплексних досліджень дозволили зробити висновки, що зміцнююча фаза сплаву 240Х13С5Р2 складається з боридів типу (Ре,Сг)2В,

карбоборидів (Fe,Cr)7(CB)3 та силікокарбідів SiC.

Фрактографічний аналіз поверхні зруйнування наплавленого металу і зони сплавлення показав наявність переважно частин крихкого руйнування.

Експериментальна перевірка зносостійкості розробленого сплаву 240X1ЗС5Р2, яка проведена згідно з вимогами ГОСТ 23.208-79, показала, що відносна зносостійкість сплаву в 1,15... 1,4 рази вища, ніж у стандартних наплавочних матеріалів системи Fe-C-Cr-B ( ЦС-1 «Сормайт», ЕН-ИТС01, ЕН-Т590, ПП-АН170 ) і на 10...11 % вища у порівнянні з експериментальним матеріалом ЕН-150ХПРЗФ (а. с. 1587804). -

У четвертому розділі подані відомості стосовно промислової перевірки результатів досліджень, розробки й впровадження технологічного процесу наплавлення ковшів елеваторів асфальтозмішувальної установки Д-597 продуктивністю 25 тон готової суміші за годину на Мелітопольському підприємстві МіськДЕД.

Впровадженню передували лабораторні й натурні випробування. Результати випробувань показані а табл. 2, з якої видно, що використання сплаву 240X1ЗС5Р2 і технології його нанесення забезпечило збільшення строку використання ковшів елеваторів в 6,65 раз.

Фактичний економічний ефект за 11 місяців 1996-97 p.p. у розрахунку на одну установку АЗУ Д-597 склав 3,471 тис. грн. Очікуваний річний економічний ефект у розрахунку на 100 установок типу Д-597, які експлуатуються в Запорізькій області, складає 378,7 тис. грн.

Таблиця 2 - Відносна зносостійкість випробуваних матеріалів

Випробуваний матеріал (наплавка) Твердість HRC Відносна зносостійкість, Є„ід„

Лабораторні випробування за ГОСТом 23.208-79 Промислові випробування в умовах експлуатації ковшів елеваторів АЗУ Д-597

ЦС-1 "Сормайт"' ГОСТ 21449-75 (Тип ПрН -УЗОХ28Н4СЗ) 45...54 4,9 4,7

ЭН-Т590 ГОСТ 10051-75 (ТииЭ-320Х25С2ГР) 57...59 5,8 5,4

ПП-АН 170 ТУ 14-4-800-77 (Тип 80Х20РЗТ) 60...63 6,1 5,8

ЭН-ИТС 01 ТУ 19-4206-35-75 (Тип Э-350Х34Р) 59...62 5,5 5,0

ЭН-150ХПРЗФ <а.с. 1587804) 62...64 6,5 6,1

ЭН-240Х13С5Р2 (а.с 1731550) 60...62 6,9 6,65

•эталон сталь 45 відпалена, НВ 190. 200

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Згідно з літературними даними, у промисловості знаходять використання наплавочні матеріали, в яких основними зміцнюючими фазами є карбіди й бориди, які мають мікротвердість 12... 14 ГПа і 19...24 ГПа відповідно. В той же час у літературі є свідчення про те, що у високовуглецевих сплавах, з вмістом кремнію більш як 2,0 %, можливе утворення силікокарбідів типу Fe„SiC і SiC з мікротвердістю до 34 ГПа. Це робить перспективною розробку зносостійких наплавочних матеріалів з силікокарбідною зміцнюючою фазою.

2. З застосуванням активного багатофакторного експерименту другого порядку отримана математична модель, яка описує вплив вуглецю, бору й кремнію на зміну твердості, міцності сплавлення і зносостійкості Fe-C-Cr-B-Si сплавів. З використанням методів аналітичної й графічної оптимізації запропонований склад наплавленого металу: 2,4...2,5 % С, 12... 14 % Сг,

4,8...5,0 % Si, 2,4...2,5 % В (сплав 240Х13С5Р2), що володіє в досліджуваному факторному просторі максимальною абразивною зносостійкістю. Розроблено склад електродного покриття (а.с. СРСР № 1731550), що забезпечує отримання сплаву 240X1ЗС5Р2.

3. Методами мікрорентгеноспектрального, рентгеноструктурного, якісного і кількісного Оже-аналізів установлено, що кремній у кількості 4...6 % забезпечує утворення в наплавленому металі силікокарбідів типу SiC, а також здрібнення карбоборидної й боридної зміцнюючих фаз.

4. Встановлено, що при електродуговому наплавленні сплава 240Х13С5Р2, разом з карбоборидною та боридною зміцнюючими фазами, утворюється дрібнодисперсна (до 0,5...2,0 мкм) силікокарбідиа фаза (близько 50 % від загальної кількості). Її поява сприяла підвищенню мікротвердості основи сплаву з Н5о = 7,0...9,0 ГПа до Н5о = 10,0... 13,5 ГПа, що у поєднанні з роздрібненням карбоборидів призвело до підвищення зносостійкості в 1,15... 1,4 рази в порівнянні з стандартними наплавочними матеріалами системи Fe-C-Cr-B-Si: 320Х25С2ГР (Т-590), 80Х20РЗТ (ПП-АН 170) та ін.

5. Структура розробленого сплаву 240Х13С5Р2 складається з Fea матриці з незначною кількістю (до 5 %) y-фази та 55...60 % карбоборидної, боридної та силікокарбідної зміцнюючих фаз. Сплав має твердість 60...63 HRC, міцність сплавлення з основою (сталь 45) <7ШЛ = 170±20 МПа і відносну зносостійкість (еталон сталь 45 у відпаленому стані) Є вшн = 6,90 ± 0,23.

6. З використанням сплаву 240Х13С5Р2 розроблена технологія збільшення терміну використання ковшів елеваторів для транспортування сипкових абразивних матеріалів. Технологія випробувана і впроваджена на установці Д-597 Мелітопольського підприємства МіськДЕД. Строк використання ковшів елеваторів збільшився у 6,65 рази.

7. Фактичний економічний ефект за 11 місяців 1996-97 рр. у розрахунку на одну установку Д-597 склав 3,471 тис. грн. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження технології зносостійкої наплавки ковшів елеваторів у розрахунку на 100 установок типу АЗУ Д-597, що експлуатуються в Запорізькій області, складає 378,7 тис. грн.

.. . ОСНОВНІ ДРУКОВАНІ ПРАЦІ

1. Митяев A.A. Хромборкремнистые сплавы для работы в условиях интенсивного абразивного изнашивания // Проблеми трибології. (Problems of Tribology). - 1997. - № 1. - C.20-24.

2. Митяев A.A., Волчок И.П., Попов С.Н. Повышение абразивной

стойкости ковшей элеваторов дорожно-строительной техники // Придніпровський науковий вісник. - 1997.-№ 8 (19). - C. 23-28.

3. Попов C.H., Митяев A.A. Математическое моделирование и разработка высокоизносостойких рабочих покрытий биматериалов на базе системы легирования Fe-C-Cr-B-Si // Придніпровський науковий вісник.-1998.- №12 (79).-С. 9-14.

4. A.c. 1731550 СССР, МКИ2 В23К 35/365. Состав электродного покрытия / С.Н. Попов, A.A. Митяев, А.Г. Кругликов (СССР). - № 4777651/08; Заявлено 04.01.90; Опубл. 07.05.92, Бгол. № 17. - 6 с.

5. Митяев A.A., Попов С.Н., Волчок И.П. Исследование структурно-

фазового состояния износостойкого сплава 240Х13С5Р2 // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: 36. наук. пр. ЗДТУ. - Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. - С. 171-172.

6. Попов С.Н., Митяев A.A. Наплавочные материалы системы Fe-C-Cr-B для зашиты деталей, работающих в условиях интенсивного газоабразивного и абразивного изнашивания // Повышение надежности и долговечности деталей машин и конструкций: Сб. научи, тр. ЗМИ. - К.: УМК ВО, 1988. - С.8-11.

7. Попов C.H., Гордиенко В.H., Митяев A.A. Исследование

закономерностей абразивного изнашивания материалов в условиях эксплуатации рабочих органов асфальтосмесителей // Повышение износостойкости и

долговечности деталей машин и оборудования: Сб. научн. тр. ЗМИ,- К.: УМК ВО, 1989.-С.76-84.

8. Митяев A.A., Акимов И.В. Материалы для деталей, работающих в условиях абразивного износа: Сб. научн. тр. ТГАТА. - Мелитополь: ТГАТА,

1996.-С.58-60.

9. Митяев A.A., Попов С.Н. Износостойкие сплавы системы Fe-C-Cr-B-Si // Труды ТГАТА. Том. 1. Выпуск 3. Машиноведение. - Мелитополь: ТГАТА,

1997.-С.32-36.

10. Попов C.H., Митяев A.A., Фанагей Н.В. Исследование

износостойкости сплавов с различным структурно-фазовым состоянием в условиях работы рабочих органов асфальтосмесителей //Тез. докл. III обл. научн.

- техн. конф. «Молодые ученые и специалисты - реализации региональных целевых комплексных программ, ускорению научно-технического прогресса, активизации НТТМ».-Запорожье: ЗМИ. - 1988.-С.46-47.

11. Попов C.H., Митяев A.A. Технология и материалы для

восстановительной наплавки рабочих органов асфальтосмесителей // Тез. докл.

IV Всесоюзн. научн. - техн. конф. «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий». -Запорожье: ЗМИ. - 1989. - С.285.

12. Попов С.Н., Митяев A.A. Использование направленной кристаллизации упрочняющей фазы для повышения срока службы наплавляемых деталей // Тез. докл. V научн. - техн. конф. «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий». -Запорожье: ЗМИ. - 1992. - С. 225-226.

13. Попов C.H., Митяев A.A. Выбор стандартных наплавочных материалов для защитных деталей асфальтосмесителей // Тез. докл. V науч. - техн. конф. «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий». - Запорожье: ЗМИ. - 1992. - С. 229-230.

14. Попов С.Н., Митяев A.A. Влияние скорости кристаллизации на образование избыточных фаз в износостойких сплавах системы Fe-C-Cr-B-Si // Тез. докл. 111 научн. - техн. конф. «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах». - Запорожье. - 1994. - С.72.

15. Попов С.Н., Митяев A.A. Перспективы создания биметалла с высокоизносостойким рабочим слоем // Мат. VI Междунар. научн. - техн. конф. «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий». - Часть 2,- Запорожье: ЗГТУ. - 1995,-С. 25.

16. Митяев A.A. Высокоизносостойкие материалы для деталей оборудования по производству строительных материалов // Мат. IV Междунар. научн. - метод, конф. 1СМВ’96 «Строительные материалы и строительные конструкции». - Днепропетровск: ПГАСА. - 1996. - С.99.

' АНОТАЦІЯ

Мітяєв O.A. Дослідження, розробка та впровадження наплавочного матеріалу для умов інтенсивного абразивного зношування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 “Матеріалознавство” - Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 1998.

Дисертація присвячена розробці на базі системи легування Fe-C-Cr-B-Si високозносостійкого наплавочного матеріалу з силікокарбідним зміцненням для деталей, які експлуатуються в умовах інтенсивного абразивного зносу без значних ударних навантажень.

Розроблений склад електродного покриття, що дозволяє під час електродугового наплавлення отримати високозносостійкий сплав 240X1ЗС5Р2. Вивчений вплив вуглецю, бору й кремнію на твердість наплавленого металу, міцність сплавлення з основою, зносостійкість. Методами мікрорентгеноспектрального, рентгеноструктурного аналізів і кількісної Оже-спектроскопії у сплаві 240X1ЗС5Р2 виявлені три зміцнюючі фази: карбіди М7С3, бориди М2В і силікокарбіди SiC.

Результати досліджень пройшли промислову апробацію й впроваджені з метою збільшення строку використання ковшів елеваторів для транспортування сипучих абразивних матеріалів.

Ключові слова: наплавочні матеріали, карбіди, бориди, силікокарбіди, зміцнюючі фази, твердість, мікротвердість, міцність сплавлення, зносостійкість.

АННОТАЦИЯ

Митяев А.А. Исследование, разработка и внедрение наплавочного материала для условий интенсивного абразивного изнашивания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01-“Материаловедение”.-Запорожский государственный технический университет, Запорожье, 1998.

Диссертация посвящена разработке на базе системы легирования

Fe-C-Cr-B-Si высокоизносостойкого наплавочного материала с силикокарбидным упрочнением для деталей, эксплуатирующихся в условиях интенсивного абразивного изнашивания без значительных ударных нагрузок.

Разработан состав электродного покрытия, позволяющий при электродуговой наплавке получить высокоизносостойкий сплав 240X1ЗС5Р2. Изучено влияние углерода, бора и кремния на твердость наплавленного металла, прочность сплавления с основой, износостойкость. Методами микрорентгеноспектрального, рентгеноструктурного анализов и количественной Оже-спектроскопии в сплаве 240Х13С5Р2 обнаружены три упрочняющие фазы: карбиды M7Cj, бориды М2В и силикокарбиды SiC.

Результаты исследований прошли промышленную апробацию и внедрены для увеличения срока службы ковшей элеваторов для транспортировки сыпучих абразивных материалов.

Ключевые слова: наплавочные материалы, карбиды, бориды,

силикокарбиды, упрочняющая фаза, твердость, микротвердость, прочность сплавления, износостойкость.

SUMMARY

Mityayev А.А. Investigation, development and reduction to practice of facing material for severe abrasive wear conditions. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences on speciality 05.02.01-“Material science”-Zaporozhye State Technical University, Zaporozhye,

1998.

The dissertation concerns the development of highly wear-resistant facing material on basis of Fe-C-Cr-B-Si alloying system with silicon carbide reinforcement for parts used in severe abrasive wear conditions without substantial impact loading.

F.lectrode luting composition has been developed which enables to produce highly wear-rcsistant alloy 240X13C5P2 as a result of electric arc facing. The influence of carbon, boron and silicon on hardness of deposited material, strength of mutual fusion of the deposited and base materials and wear resistance has been studied. Three reinforcing phases: carbides M7C3, borides M2B and silicon-carbides SiC-have been revealed by means of X-ray spectrum microprobe analysis, X-ray structure analysis and quantitative Auger spectroscopy.

The result of the investigation have passed evaluation tests and have been reduced to practice to increase service life of elevators’ dippers for conveying of free' flowing abrasive materials.

Key words: facing materials, carbides, borides, silicon-carbides, reinforcing phase, hardness, microhardness, strength of mutual fusion, wear resistance.

Підписано до друку 6.11.98. Формат 60x84 1/16, 1.3 п.л. Тираж 100 прим. З а м. № 1078 330600 м.Запоріжжя, ЗДТУ, Друкарня, вул.Гоголя, 64