автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Особенности структуры и свойства поверхностных слоев углеродистых сталей с плазменным упрочнением и наплавкой комплексно-легированным белым чугуном

На правах рукописи

Нефедьев Сергей Павлович

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

С ПЛАЗМЕННЫМ УПРОЧНЕНИЕМ И НАПЛАВКОЙ КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫМ БЕЛЫМ ЧУГУНОМ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка

металлов и сплавов

005042482

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 П

Магнитогорск — 2012

005042482

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный

технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент,

Петроченко Елена Васильевна

Официальные оппоненты: Пугачева Наталия Борисовна

доктор технических наук-, профессор, Учреждение Российской академии наук Институт машиноведения УрО РАН, старший научный сотрудник

Стеблянко Валерий Леонтьевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский

государственный технический университет им. Г.И. Носова», профессор

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

индустриальный университет»

Защита состоится 22 мая 2012г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 на базе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан « »2012

года.

Учёный секретарь диссертационного совета

Полякова Марина Андреевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большая часть деталей металлургического оборудования выбраковывается вследствие незначительного износа рабочей поверхности, составляющего не более 1...3 мм. В связи с этим актуальным является упрочнение и восстановление изнашиваемых поверхностей деталей оборудования с приданием им свойств, значительно превосходящих свойства новых деталей, прежде всего способности сопротивляться изнашиванию. Этого возможно достичь применением современных и экономически оправданных методов реновации и упрочнения деталей. Использование для восстановления и упрочнения деталей машин плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки двудуговым плазмотроном наиболее полно отвечает требованиям промышленности как по уровню достижимых свойств, так и по экономической эффективности.

Плазменно-порошковая наплавка с использованием двух независимо горящих дуг позволяет исключить деформацию восстанавливаемых тонкостенных деталей в связи с ограниченным тепловым воздействием и минимальной глубиной проплавления и получить физико-механические свойства покрытий близкие к свойствам наплавочного порошкового материала уже в первом наплавленном слое. Однако, отсутствие отечественных наплавочных материалов на железной основе для плазменно-порошковой наплавки приводит к необходимости использовать дорогие наплавочные материалы на никелевой и кобальтовой основах. В связи с чем встает необходимость в разработке порошкового присадочного материала для плазменной наплавки, позволяющего получать относительно толстослойные износостойкие покрытия на углеродистых сталях.

Литые высокоуглеродистые высокохромистые сплавы нашли широкое применение для изготовления деталей, подверженных интенсивному абразивному изнашиванию, таких как цельбепсы, футеровочные плиты, и др., поэтому применение в качестве базового легирующего комплекса наплавочного порошка системы Бе-С-Сг-У является перспективным.

Влияние режимов наплавки порошком на железной основе на формирование структуры и свойств покрытий изучено не в полной мере, в связи с чем необходимо исследовать влияния режимов плазменно-порошковой наплавки на особенности структурообразования и свойства наплавленного металла.

В случаях, когда детали изготавливаются из углеродистых или легированных марок стали, упрочнение их поверхностей возможно обработкой плазменной струей. Плазменная закалка двудуговым плазмотроном наиболее нагруженных участков деталей позволяет значительно повысить их эксплуатационную стойкость за счет формирования упрочненного слоя, имеющего высокую твердость и износостойкость. При

этом упрочнённый слой создаётся в поверхностных объёмах детали, и для его формирования не требуется дополнительного расхода материалов.

Для наиболее полного использования возможностей плазменного упрочнения необходимо определить такие режимы плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки углеродистых сталей, которые обеспечивают формирование покрытий, обладающих наивысшей износостойкостью.

Цель работы: установить влияние режимов плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки на закономерности формирования структуры, химического и фазового составов, износостойкость поверхностных слоев на углеродистых сталях и разработать на этой основе технологию поверхностного упрочнения деталей металлургического оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- на основе закономерностей влияния легирующих элементов на твёрдость и износостойкость литых высокоуглеродистых сплавов, а также процессов, происходящих в сварочной ванне при плазменной наплавке, выбрать состав присадочного порошкового материала, позволяющего производить наплавку износостойких покрытий на углеродистые стали без образования трещин;

- исследовать взаимосвязь химического, фазового состава и структуры плазменно-закалённых и наплавленных слоев на углеродистых сталях с режимами их получения;

- определить влияние режимов плазменно-порошковой наплавки и закалки на твёрдость, микротвёрдость отдельных структурных составляющих и износостойкость покрытий;

разработать и внедрить эффективную технологию бездеформационной плазменно-порошковой наплавки покрытий и плазменной закалки применительно к деталям металлургического оборудования, работающих в условиях абразивного изнашивания.

Научная новизна.

- Предложен химический и гранулометрический состав присадочного порошкового материала, содержащий 3,1...3,3 % углерода, 18,00...20,00 % хрома и 3,00...4,00 % ванадия, 0,4...1,0 марганца, 0,2...0,6 кремния дисперсностью 180...360 мкм для получения износостойких слоев на конструкционных сталях методом плазменно-порошковой наплавки.

- Установлено, что плазменная закалка двудуговым плазмотроном стали 45 приводит к формированию упрочнённого слоя со свойствами, превосходящими аналогичные свойства после лазерной или обычной плазменно-дуговой закалки: глубина упрочнённого слоя превышает 1600 мкм, а его твёрдость составляет 621П1С.

- Установлены закономерности формирования структуры и свойств при плазменно-порошковой наплавке порошком предложенного состава на

подложку из стали 45. Показано, что в зависимости от тепловложения и скорости кристаллизации в покрытиях формируется три типа структур: доэвтектическая, эвтектическая или заэвтектическая при неизменном составе присадочного порошка.

- Показано, что введение дополнительных технологических воздействий на сварочную ванну - модуляции тока и принудительного охлаждения подложки, позволяет формировать дендритную или эвтектическую структуры покрытий, направленно-ориентированных перпендикулярно поверхности изнашивания и обладающих максимальной ударно-абразивной и абразивной износостойкостью.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработана технология плазменной закалки деталей подшипниковых узлов прокатных станов. Внедрение разработанной технологии плазменной закалки на ЗАО «МПС-Маш» (г. Магнитогорск) позволило исключить дорогую и неэффективную традиционную технологию термической обработки с печным нагревом, что подтверждено актом внедрения. По результатам эксплуатационных испытаний, проведённых в ЛПЦ-10 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», стойкость деталей подшипниковых узлов возросла в 1,7...2,0 раза, что подтверждается актом испытаний.

Разработана технология плазменно-порошковой наплавки штоков гидроцилиндров малого диаметра, заключающаяся в нанесении на изношенные штоки износостойкого покрытия системы Fe-C-Cr-V. Подтвержденный экономический эффект от внедрения технологии на ООО «ТехНаМет» (г. Магнитогорск) составил более 3 млн. рублей в год (в ценах 2011г.).

Разработана конструкция и изготовлен двудуговой плазмотрон для плазменной закалки и плазменно-порошковой наплавки, позволяющий получать глубину закалённого слоя, превышающую глубину закалённого слоя после лазерной или обычной плазменно-дуговой закалки.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 150105 «Металлургия».

На защиту выносятся:

1. Химический и гранулометрический составы порошкового материала для плазменно-порошковой наплавки, содержащий: 3,1...3,3 % углерода, 18,00...20,00 % хрома и 3,00...4,00 % ванадия, 0,4...1,0 марганца, 0,2...0,6 кремния дисперсностью 180. ..360 мкм.

2. Экспериментальные данные по исследованию влияния режимов наплавки на параметры структуры, фазовый и химический составы

покрытий, твердость и износостойкость при испытании на абразивное и ударно-абразивное изнашивания.

3. Особенности структуры и свойства покрытий при плазменно-порошковой наплавке с дополнительными технологическими воздействиями на сварочную ванну.

4. Результаты исследования фазового состава, структуры и износостойкости упрочненного слоя на стали 45 после плазменной закалки двудуговым плазмотроном и связь режимов плазменной закалки со свойствами поверхности.

Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены на X, XI и XV научно-технических конференциях молодых специалистов ЗАО «МРК» (г. Магнитогорск, 2006, 2007, 2011гг.), 66 научно-технической конференции участников молодёжного научно-инновационного конкурса (г. Магнитогорск, 2008г.), VIII и IX семинарах «Современные технологии обработки металлов с применением инструментов из сверхтвёрдых материалов - новые технологии и направления» (г. Магнитогорск, 2010, 2011гг.), X и XII Международных научно-технических уральских школах-семинарах металловедов - молодых учёных (г. Екатеринбург, 2009, 2011гг.), XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2011г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (г. Орск, 2011г.) 68, 69 и 70 межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования (г. Магнитогорск, 2010, 2011, 2012 гг.).

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях, из которых 2 статьи входят в перечень рецензируемых изданий, рекомендуемых ВАК.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Работа содержит 136 страниц, 52 рисунка, 8 таблиц, 4 приложения, список литературы из 122 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулирована актуальность работы, дана её общая характеристика, сформулированы исследуемые проблемы, обозначены цели и задачи исследования, а также показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены условия эксплуатации деталей подшипниковых узлов прокатных станов и штоков гидроцилиндров,

выполнен критический анализ существующих методов упрочнения деталей и нанесения покрытий на тонкостенные детали металлургического оборудования.

Раскрыты механизмы изнашивания металлических материалов при абразивном изнашивании, обоснованы способы плазменного упрочнения деталей металлургического оборудования. Проведён анализ современного оборудования, применяемого для плазменной закалки и наплавки, и характеристики получаемых слоев.

Обоснован выбор легирующей системы для плазменной наплавки штоков гидроцилиндров. Сформулированы требования к структуре и свойствам покрытий, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания. Предложен химический и гранулометрический составы порошка для плазменно-порошковой наплавки.

Во второй главе приведены основные характеристики материалов и оборудования, а также методика проведения экспериментов по созданию и исследованию свойств упрочнённых слоёв.

Процесс плазменно-порошковой наплавки производили на специально оборудованном стенде на базе токарно-винторезного станка 1К62. Наплавку производили двудуговым плазмотроном с жестко связанными дугами при максимальной силе тока косвенной дуги 30 % от тока дуги прямого действия. Принципиальная схема плазмотрона приведена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция плазмотрона и схема его подключения: 1 - вольфрамовый катод, 2 - подвод плазмообразующего газа, 3 - подвод транспортирующего и защитного газов, 4 - источник питания, 5 - вольтметр, 6 - амперметр, 7 - подложка, 8 - сопло-анод,

9 - защитное сопло

В качестве плазмообразующего, транспортирующего и защитного газа применялся аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-73 с расходом 8, 25 и 10 л/мин, соответственно. Наплавку производили порошком предложенного состава (типа 315Х19ФЗ фракцией 180...360 мкм) при расходе присадочного

4

порошка не менее 5 кг/ч, обеспечивающем минимальное подмешивание металла основы в наплавленный металл.

Наплавку производили на токах 80 А, 120 А, 180 А с охлаждением на спокойном воздухе и обдувом потоком воздуха с модуляцией тока 120/60 А с частотой 1Гц и 180/80 А с частотой 2 Гц. Для определения влияния режимов наплавки на структуру и свойства покрытий изготовляли образцы размерами 30x15x100 мм.

Плазменную закалку производили этим же плазмотроном на токарно-карусельном станке с числовым программным управлением. При плазменной закалке варьировали силу тока основной и косвенной дуги и степень перекрытия упрочнённых дорожек.

Металлографические исследования проводили на микроскопе Meiji IM-7000, количественный фазовый анализ производили с помощью автоматического анализатора изображений Thixomet PRO, измерение микротвёрдости производили на микротвердомере ПМТ-ЗМ.

Микрорентгеноспектральный анализ проводили на сканирующем электронном микроскопе VEGA II LMU со спектральным микроанализатором INCA Energy 450 с дисперсией по энергии.

Съёмку полнопрофильных дифрактограмм проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 с компьютерным управлением. Определяли количество у-фазы, a-фазы, количество углерода в мартенсите и аустените, степень тетрагональности мартенсита.

Испытания на износостойкость производили по ГОСТ 23.208-79, на ударно-абразивную износостойкость по ГОСТ 23.207-79.

Третья глава посвящена исследованию структуры, химического и фазового составов упрочненных поверхностных слоев стали 45 после плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки двудуговым плазмотроном.

Проведено исследование влияния режимов плазменной закалки на фазовый состав и структуру упрочнённого слоя стали 45. Плазменное упрочение поверхности образцов производили по режимам (табл. 1), отличающимся плотностью мощности плазменной струи и степенью перекрытия упрочненных полос, а также получаемым при этом распределением твердости. Плазменная закалка стали 45 с расположением упрочненных полос встык приводит к получению наименьшей твердости из исследованных, но большей чем при традиционной термической обработкой с печным нагревом. Твердость (Н100) упрочненных полос в поперечном направлении изменяется от 3000 до 7000 МПа. При наложении упрочненных полос с перекрытием на четверть их ширины встречаются участки как с однократным и двукратным плазменным воздействием, так и участки с однократным воздействием и наложенной на них зоной отпуска, в связи с чем распределение твердости более неоднородно от 3000 до 8500 МПа. При

наложении упрочненных полос с перекрытием на половину их ширины твердость, измеренная поперек упрочненных дорожек, находится на наивысшем уровне - 7000.. .8500 МПа.

Таблица 1

Режимы плазменной закалки стали 45

№ Мощность струи Удельная мощность, Наложение

п/п (дуги), кВт кВт/см2 дорожек

1 4,32 15,12 Оплавление

2 2,88 10,08 0

3 2,88 10,08 1/4

4 2,88 10,08 '/2

5 4,32 15,12 0

6 4,32 15,12 %

7 4,32 15,12 1/2

Показано, что с увеличением плотности мощности плазменной струи и степени перекрытия упрочненных полос происходит снижение степени тетрагональности мартенсита, но при этом повышается количество мартенсита в упрочненном слое (рис. 26) в связи с более полным протеканием процесса распада остаточного аустенита, что приводит к повышению твёрдости упрочнённого слоя.

1,35

Ш

I 1.3

11,25 о.

3 1,2

О

§1,15

О

& 1,1 5

£

1

П .......

85

я

5 80 1 и

I75

Е

^70 65 60

^ количество мартенсита Птвердостъ

вб

О

К

64 И

и

62

&

60 В

1-

58

2 3 4 5 6 7

режимы плазменной закалки

2 3 4 5 6 7 режимы плазменной закалки

а б

Рис. 2. Влияние режима плазменной закалки на свойства упрочненного слоя: а - количество углерода в мартенсите закалённого слоя; б - твёрдость и количество мартенсита в закалённом слое

Наибольшая твёрдость упрочнённого слоя стали 45 достигается при закалке на режиме № 7 с максимальным тепловложением при наложении упрочненных полос на '/г ширины. При этом в зоне закалки и переходной зоне формируется микроструктура, представленная на рис. 3. Аустенито-

мартенситная композиция зоны закалки имеет микротвердость 8000...8200 МПа со средним баллом мартенсита 3. Среднее содержание углерода в мартенсите зоны закалки составляет 1,09 %, а степень его тетрагональности -1,049. Количественное соотношение мартенсита и остаточного аустенита составляет 81,7 % к 18,3 %, соответственно (без учета карбидной фазы). Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют, что при закалке на режиме № 7 в структуре закалённого слоя отсутствуют карбиды типа М3С. Глубина зоны закалки составляет 2 мм, а переходной зоны - 0,75 мм.

а б

Рис. 3. Микроструктура стали 45, закалённой по режиму № 7 с наложением полос на 1А ширины: а - зона закалки, х 1800; б - переходная зона, х 1000

На рис. 4 представлено панорамное изображение переходной зоны стали 45, упрочненной по режиму № 7. Видно, что непосредственно к зоне закалки примыкает тонкая прослойка структур неполной закалки, состоящая из мартенсита и феррита, плавно переходящая в троосто-мартенсито-ферритную и троосто-ферритную структуру, граничащую с металлом основы. Четких границ раздела между этими прослойками нет. Встречаются участки, где одновременно могут присутствовать несколько структурных составляющих.

Для упрочнения поверхности деталей металлургического оборудования, испытывающего при эксплуатации абразивное изнашивание, необходимо использовать режим закалки № 7 с наибольшим тепловложением при плотности мощности плазменной струи 15,12 кВт/см2 и наложением упрочнённых полос на '/г ширины.

В случаях, когда необходимо не только упрочнить детали, но и восстановить их поверхность, целесообразно использовать плазменно-порошковую наплавку износостойкими сплавами. Применение двудугового плазмотрона для этой цели позволяет получать заданный химический состав и свойства покрытий уже в первом наплавленном слое.

Зона закалки

Мартенсита-ферритная структура

Троаста-мщтенсита-ферритная структура

Троосто-ферритная структура

Ферритная неоинорадтапь1Ф*Ф4У

Металл основы

Рис. 4. Панорамное изображение переходной зоны стали 45, упрочненной по режиму №7

В работах М.Е. Гарбера, Д.А. Мирзаева, И.И. Цыпина, H.A. Гринберг, JI.C. Лившица, В.М. Колокольцева, А.Н. Емелюшина и др. исследователей показано, что хромованадиевые чугуны нгшли широкое применение для изготовления цельбепсов, режущего и холодноштампового инструмента, рабочих элементов шламовых насосов и других деталей, испытывающих при эксплуатации абразивное изнашивание. На основе теоретических исследований был предложен состав порошка для плазменно-порошковой наплавки, содержащий 3,1...3,3 % углерода, 18,00...20,00 % хрома и 3,00...4,00 % ванадия, 0,4... 1,0 марганца, 0,2...0,6 кремния, по химическому и фазовому составам представляющий собой белый хромованадиевый чугун.

Исследование плазменных покрытий на стали 45 с применением порошка данного состава в качестве присадочного материала проводили, варьируя режимы наплавки (табл. 2).

Таблица 2

Режимы плазменно-порошковой наплавки_

№ п/п Ток импульса, А Ток паузы, А Частота, Гц Охлаждение Средняя скорость охлаждения °С/с Средняя температура сварочной ванны, °С

1 80 - - на спокойном воздухе 71,6 1450

2 120 - - -II- 279,6 1600

3 180 - - -II- 186,4 1850

4 120 60 1 -II- 372,8 1500

5 180 80 2 -II- 258,1 1700

6 180 - - обдув (р=2 МПа) 395,9 1850

Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что при всех режимах наплавки фазовый состав металлической основы покрытия является у-фаза (аустенит), а также а-фаза (мартенсит). Упрочняющими фазами в покрытии являются специальные карбиды хрома (М23Сб и М7С3), карбид ванадия (VC) и легированный цементит (М3С). Металлографические исследования показали, что в покрытиях формируются три типа структур: доэвтектическая, эвтектическая или заэвтектическая.

Установлено, что наличие тех или иных фаз и структурных составляющих зависит от режима и термического цикла наплавки, определяющих температуру перегрева сварочной ванны, скорость ее кристаллизации и последующего охлаждения покрытия.

При наплавке порошком предложенного состава на режиме № 6 при токе 180 А и дополнительном обдуве подложки воздухом формируется покрытие со структурой эвтектического типа (рис. 5) взамен доэвтектической, формируемой при наплавке на токе 180 А без обдува воздухом (режим № 3). Металлографически выявляется незначительное количество первичных карбидов М7С3 в количестве 3,2 % со средним размером 16,4 мкм. Столь малое количество металлографически выявимых карбидов хрома типа М7С3 не приводит к изменению в целом эвтектической структуры. Эвтектические колонии имеют веерное или розеточное строение. Микротвердость эвтектики составляет 9800 МПа. Режим наплавки в значительной степени определяет и структуру зоны сплавления. Наплавка на режиме № 6 приводит к формированию ровной линии границы раздела наплавленного металла и подложки (рис. 56). Со стороны покрытия к границе раздела примыкает кристаллизационная прослойка, образованная аустенитом. Ее толщина составляет 7... 10 мкм, что вполне достаточно для

обеспечения демпфирующих свойств покрытия и снижения склонности к трещинообразованию наплавленного металла при эксплуатации.

а б

Рис. 5. Микроструктура покрытия наплавленного на токе 180А с обдувом воздухом 2 МПа: а - средняя часть валика, х 1000; б - зона сплавления, х200

Плазменно-порошковая наплавка на режиме № 4 с введением модуляции тока 120/60 А с частотой 1 Гц приводит к формированию направленно-ориентированной структуры доэвтектического типа с развитыми осями первого и второго порядка дендритов аустенита. Периодическое изменение размеров сварочной ванны и связанный с этим направленный теплоотвод способствуют ориентации главных осей дендритов перпендикулярно границе сварочной ванны при токе паузы (рис. 6).

а б

Рис. 6. Микроструктура покрытия наплавленного по режиму № 4 с модуляцией тока 120/60 А с частотой 1 Гц: а - средняя часть валика, х 1000; б - зона сплавления, х 1000

Введение дополнительных технологических воздействий на сварочную ванну при плазменно-порошковой наплавке позволяет значительно изменять условия кристаллизации покрытия, что приводит к изменению типа формирующейся структуры от доэвтектической (режимы №№ 3, 4, и 5) к эвтектической (режим № 6) и заэвтектической (режимы №№ 1 и 2). Это позволяет получать псевдоэвтектические структуры наплавленного покрытия.

Введение модуляции тока приводит к образованию структуры доэвтектического типа, а при охлаждении подложки потоком воздуха структура приобретает эвтектический характер. При этом и модуляция тока и ускоренное охлаждение воздухом приводят к повышению дисперсности формирующейся структуры и уменьшению расстояния между частицами в эвтектике.

Регулируя температурно-временные параметры процесса наплавки, можно получать различные структурно-фазовые состояния наплавленного металла, и, тем самым, регулировать уровень абразивной стойкости покрытия.

Четвёртая глава посвящена анализу влияния режимов плазменно-порошковой наплавки и закалки на твёрдость и износостойкость упрочнённых поверхностей.

Регулировать комплекс формирующихся механических и эксплуатационных свойств возможно, управляя режимами плазменной закалки. На рис. 7 показано влияние режима плазменной закалки двудуговым плазмотроном на абразивную износостойкость упрочнённых слоёв на стали 45.

а Твёрдость □ Износостойкость

режимы плазменной закалки Рис. 7. Твердость и абразивная износостойкость стали 45 в зависимости от режима закалки

Наивысшая абразивная износостойкость достигается при закалке стали 45 по режиму № 7 с максимальным тепловложением. Это объясняется

повышенным содержанием мартенсита в упрочненном слое (рис. 26) и высокой интегральной микротвердостью формирующейся мартенсито-аустенитной композиции.

На рис. 8 показано влияние режима плазменно-порошковой наплавки на твёрдость и износостойкость наплавленных покрытий. Увеличение тепловложения при наплавке сопровождается снижением твердости и абразивной износостойкости, что объясняется переходом от заэвтектических структур к доэвтектическим структурам. Повышение скорости охлаждения наплавленного металла за счёт введения модуляции тока или принудительного охлаждения воздухом приводит к повышению твёрдости и износостойкости покрытий вследствие формирования направленно-ориентированной структуры (см. рис. 5а и 6а) и увеличения дисперсности эвтектики. Наибольшей твердостью и износостойкостью обладает покрытие, наплавленное по режиму № 6, обладающее структурой тонкой эвтектики.

62,5 62 61,5 61 60,5 , 60 59,5 ■ 59 58,5 58 57,5 57

ОТвёрдость О Абразивная износостойкость

1__ I —

-

5,5

4,5

3,5

-е--е-

2,5 И

режимы плазменно-порошковой наплавки Рис. 8. Зависимость твердости и абразивной износостойкости от режима наплавки

Таким образом, упрочнение деталей металлургического оборудования, испытывающего абразивное изнашивание при эксплуатации, необходимо производить наплавкой по режиму № 6.

В пятой главе приводятся примеры внедрения разработанных технологий (рис. 9).

Технология плазменной закалки внедрена на машиностроительном заводе холдинга «Металлпромсервис» ЗАО «МПС-Маш» (г. Магнитогорск). Плазменную закалку производят для следующих деталей:

- втулка дистанционная 11... 13 клети стороны привода;

- крышка задняя 7... 10 клети;

- кольцо дистанционное;

- кольцо упорное.

Рис. 9. Детали после упрочнения: а - дистанционная втулка после плазменной закалки; б - шток гидроцилиндра после плазменно-порошковой наплавки

Плазменная закалка производится в чистовой размер и является предфинишной технологической операцией.

Испытание плазменно-упрочненных подшипниковых узлов производили в ЛПЦ-10 ОАО «ММК» (г. Магнитогорск). Результаты производственных испытаний показали, что эксплуатационная стойкость плазменно-упрочнённых деталей подшипниковых узлов превышает стойкость деталей с традиционной термической обработкой в 1,7.. .2,0 раза.

Технология плазменно-порошковой наплавки хромованадиевого покрытия разработанного состава внедрена на ООО «ТехНаМет» (г. Магнитогорск). Наплавке повергаются изношенные штоки гидроцилиндров малого диаметра. Внедрение этой технологии позволило получить экономический эффект более 3 млн. рублей в год (в ценах 2011г.).

Основные выводы

1. Установлено, что плазменная закалка двудуговым плазмотроном конструкционных сталей приводит к формированию более глубокого упрочнённого слоя по сравнению с обычной плазменно-дуговой закалкой и лазерной закалкой. Показано, что повышение плотности мощности плазменной струи до 15,12 кВт/см2 и наложением упрочнённых полос на И> ширины приводит к более полному протеканию процесса распада остаточного аустенита и увеличению количества мартенсита в упрочнённом слое, что приводит к повышению твёрдости и износостойкости.

2. Определено что использование порошкового материала содержащего 3,1...3,3 % углерода, 18,0...20,0 % хрома и 3,0. ..4,0 % ванадия гранулометрическим составом 180...360 мкм для плазменно-порошковой

наплавки позволяет получать качественные покрытия на углеродистых сталях высокой износостойкости без пор и трещин.

3. Исследовано изменение структуры и свойств наплавленных покрытий в зависимости от режимов наплавки. Доказано, что режимы наплавки определяют тип и морфологию формирующихся структур. Повышая скорость кристаллизации с 70°С/с до 350°С/с и снижая перегрев сварочной ванны до 1500°С, возможно получать структуру покрытий дисперсностью менее 2 мкм.

4. Показано, что применение модуляции тока при плазменно-порошковой наплавке с параметрами: ток импульса 120 А, ток паузы 60 А, частота 1 Гц приводят к формированию дендритной структуры, направленно ориентированной перпендикулярно границам сварочной ванны, что обеспечивает получение покрытия, обладающего наилучшей ударно-абразивной износостойкостью.

5. Наилучшей абразивной износостойкостью обладает покрытие эвтектического типа, состоящее из аустенита и карбидов хрома типа М7С3, ориентированно направленных перпендикулярно подложке, полученное наплавкой на токе 180 А с охлаждением подложки воздухом давлением 0,2 МПа.

6. Разработана эффективная технология плазменно-порошковой наплавки штоков гидроцилиндров и плазменной закалки деталей подшипниковых узлов клетей прокатных станов, показавшая высокую эффективность. Эксплуатационная стойкость деталей подшипниковых узлов после плазменной закалки возросла в 1,7.. .2,0 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Емелюшин А. Н., Петроченко Е. В., Нефедьев С.П. Исследование структуры и ударно-абразивной износостойкости покрытий системы Fe—С— Сг—Mn—Si, дополнительно легированных азотом // Сварочное производство. 2011. № 10. С. 18-22. (издание из перечня ВАК)

2. Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П. и др. Формирование структуры и свойств зоны сплавления при плазменно-порошковой наплавке покрытия типа 250X15Г20С // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2011. № 3. С. 70-73. (издание из перечня ВАК)

3. Нефедьев С.П. Применение плазменной закалки для упрочнения бандажей валков коксовых дробилок / Инновации молодых учёных: сб. докл. на 66-ой научн.-техн. конф. Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ. 2008. С. 14-19.

4. Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П. и др. Исследование структуры и свойств плазменно-упрочнённых ножей холодной резки металла / Инновационные технологии размерной обработки с применением инструментов из сверхтвёрдых материалов и упрочнения

изделий: Сб. научн. тр. Вып. 4. Магнитогорск: ФГБОУ ВПО МГТУ. 2011. С. 35-39.

5. Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П. и др. Повышение стойкости бандажей коксовых дробилок, упрочнённых плазменноструйной закалкой / Технологическая механика материалов. Межвузовский сборник научных трудов под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 2008. С. 2832.

6. Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П. и др. Исследование возможности применения плазменной закалки для повышения стойкости стали 40Х к абразивному износу / Материаловедение и термическая обработка металлов. Межд. сб. научн. трудов под ред. А.Н. Емелюшина и Е.В. Петроченко. Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ. 2009. С. 4449.

7. Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П. и др. Температурный режим обработки сталей плазменным источником тепла / Материаловедение и термическая обработка металлов. Межд. сб. научн. трудов под ред. А.Н. Емелюшина и Е.В. Петроченко. Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ. 2009. С. 115-119.

8. Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Шекунов Е.В., Нефедьев С.П. Применение низкотемпературной плазмы для модифицирования поверхности металлов / X Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов - молодых учёных: материалы семинара. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2009. С. 378-380.

9. Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П. и др. Упрочнение серого чугуна поверхностным отбелом при микроплазменном оплавлении / Современные технологии обработки металлов с применением инструментов из сверхтвёрдых материалов - новые технологии и направления: Сб. научн. тр. Вып.З. Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ. 2010. С. 80-87.

10.Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П., Шекунов Е.В. Влияние азота на структуру и ударно-абразивную износостойкость хромомарганцевых наплавок / Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве: материалы Всероссийской научн.-практ. конф. Отв. ред. A.A. Веселовский. Орск: Издательство ОГТИ. 2011. С. 82-86.

11. Нефедьев С.П., Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В. Ударно-абразивная износостойкость азотистых хромо-марганцевых наплавок / Высокие технологии, образование, промышленность. Т.1: сб. статей XI международной научн.-практ. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Под ред. А.П. Кудинова. СПб.: Издательство Политехнического университета. 2011. С. 403-404.

Подписано в печать 16.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 259.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

61 12-5/3678

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Г.И. НОСОВА»

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

С ПЛАЗМЕННЫМ УПРОЧНЕНИЕМ И НАПЛАВКОЙ КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫМ БЕЛЫМ ЧУГУНОМ

Специальность 05.16.01- «Металловедение и термическая обработка

металлов и сплавов»

На правах рукописи

Нефедьев Сергей Павлович

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -канд. техн. наук, доцент Е.В. Петроченко

Магнитогорск, 2012

Содержание

Содержание.................................................................................................................2

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса........'...........................................................................10

1.1. Износ деталей подшипниковых узлов и способы их упрочнения.................10

1.2. Условия эксплуатации штоков гидроцилиндров............................................13

1.3. Механизмы изнашивания металлических материалов...................................15

1.3.1. Механизм абразивного изнашивания металлов...........................................17

1.3.2.Усталостное изнашивание металлов при трении скольжении....................18

1.4. Способы поверхностного упрочнения деталей...............................................20

1.4.1. Плазменная закалка конструкционных сталей.............................................22

1.4.2. Плазменно-порошковая наплавка износостойких покрытий.....................25

1.5. Выбор материалов, для работы в условиях абразивного изнашивания и изнашивания трением................................................................................................28

1.5.1. Классификация наплавочных материалов....................................................28

1.5.2. Белые хромованадиевые чугуны....................................................................30

1.5.3. Требования к свойствам и структуре сплавов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания........................................................................31

1.5.4. Материалы для работы в условиях трения скольжения..............................34

1.6. Оборудование для нанесения плазменных покрытий и модифицирования поверхностей..............................................................................................................35

1.7. Выводы................................................................................................................36

1.8. Постановка задачи исследования......................................................................37

Глава 2. Материалы и методика исследования................................................38

2.1. Характеристика применяемых материалов.....................................................38

2.2. Применяемое оборудование и технология......................................................39

2.3. Методика проведения исследований................................................................40

2.3.1. Испытания на абразивную и ударно-абразивную износостойкость..........40

2.3.2. Рентгеноструктурный анализ. Определение количества углерода в мартенсите, степени тетрагональности мартенсита и количества углерода в аустените .....................................................................................42

2.3.3. Металлографические и дюрометрические исследования...........................46

2.4. Моделирование температурных полей при плазменной закалке и наплавке47 Глава 3. Фазовый состав и структура поверхностных слоев стали 45 после

плазменно-порошковой наплавки и закалки....................................................50

2

3.1. Разработка технологии плазменной закалки стали 45 двудуговым плазмотроном .............................................................................. 5 О

3.1.1. Фазовый состав и структура стали 45 после плазменной закалки на различных режимах...................................................................................................54

3.2. Плазменно-порошковая наплавка порошком типа 315X19ФЗ......................69

на подложку из стали 45...........................................................................................69

3.2.1. Фазовый состав наплавленных покрытий.....................................................70

3.2.2. Формирование структуры при плазменно-порошковой наплавке.............72

3.2.3. Влияние дополнительных технологических воздействий на формирование структуры покрытий..................................................................................................82

3.3. Выводы................................................................................................................88

Глава 4. Исследование износостойкости и свойств упрочненных слоев.....90

4.1. Влияние режимов плазменной закалки двудуговым плазмотроном на износостойкость стали 45 ........................................................................................90

4.2. Влияние технологических параметров на твёрдость и износостойкость наплавленного покрытия..........................................................................................96

4.3. Исследование свойств зоны сплавления покрытия с подложкой...............105

4.4. Выводы ..............................................................................................................113

Глава 5. Опытно-промышленное опробование и внедрение технологии плазменной закалки и плазменно-порошковой наплавки...........................114

5.1. Промышленные испытания и внедрение технологии плазменной закалки 114

5.2. Внедрение технологии плазменно-порошковой наплавки штоков гидроцилиндров.......................................................................................................115

5.3. Выводы..............................................................................................................119

Основные выводы.................................................................................................120

Список используемой литературы.....................................................................122

Приложение № 1....................................................................................................133

Приложение № 2....................................................................................................134

Приложение № 3....................................................................................................135

Приложение № 4....................................................................................................136

Введение

Актуальность проблемы. ГОСТ 27674-88 классифицирует изнашивание металлических материалов на: механическое изнашивание абразивными частицами, коррозионно-механическое и изнашивание при воздействии электрического тока. Однако чаще всего детали выходят из строя по причине абразивного изнашивания.

Большая часть деталей металлургического оборудования выбраковывается вследствие незначительного износа рабочей поверхности, составляющего не более 1...3 мм. В связи с этим, актуальным является упрочнение и восстановление изнашиваемых поверхностей деталей машин и оборудования с одновременным приданием им свойств, значительно превосходящих свойства новых деталей, прежде всего способности сопротивляться изнашиванию. Этого возможно достичь применением современных и экономически оправданных методов реновации и упрочнения деталей. Использование для восстановления и упрочнения деталей машин плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки двудуговым плазмотроном наиболее полно отвечает требованиям промышленности как по уровню достижимых свойств, так и по экономической эффективности.

Плазменно-порошковая наплавка с использованием двух независимо горящих дуг имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами наплавки: отсутствие деформации деталей; возможность получения физико-механических свойств покрытий близких к свойствам наплавочного порошкового материала уже в первом слое; возможность нанесения на изношенную поверхность порошков различных составов и получения покрытий с заданными физико-механическими свойствами. Всё это обеспечивает получение первичной структуры покрытия обладающей максимально достижимым уровнем твёрдости, износостойкости и механических свойств.

Многие детали, например штоки гидроцилиндров, ножи гильотин, и др. выходят из строя при износе менее 1 мм на сторону. А в некоторых случаях,

(дисковые ножи резки металлопроката и пр.) критическим является износ в 0,4...0,6 мм. Поэтому необходимо обеспечить эксплуатационные свойства таких деталей в тонком поверхностном слое.

Плазменная наплавка обеспечивает минимальную по толщине зону сплавления, что гарантирует получение высоких эксплуатационных свойств наплавленного слоя. Плазменно-порошковая наплавка позволяет в широких пределах регулировать величину термического воздействия на наплавленный металл и дополнительно легировать базовые наплавочные смеси, что приводит к получению широчайшей гаммы покрытий с различными химическим и структурно фазовым составом, а также, физико-химическими и эксплуатационными свойствами.

Плазменно-порошковая наплавка позволяет в широких пределах регулировать параметры кристаллизации и последующего охлаждения наплавленных слоев, использовать дополнительные технологические приёмы для изменения условий кристаллизации металла и в значительной степени изменять тип кристаллизации и образующиеся при этом структуры.

Влияние технологических параметров наплавки и дополнительного легирования изучено не в полной мере, в связи, с чем встаёт необходимость изучения связи режима наплавки и технологических воздействий, легирования и термического цикла плазменно-порошковой наплавки со структурой и свойствами наплавленного металла.

В случаях, когда плазменная наплавка технологически или

экономически не оправдана, а детали изготавливаются из углеродистых или

легированных марок сталей, упрочнение их поверхностей возможно

обработкой плазменной дугой или струёй. Например, детали подшипниковых

узлов клетей прокатных станов (втулки, кольца, крышки и т.д.),

изготавливаемые из среднеуглеродистых сталей, эксплуатируются в условиях

трения скольжения при наличии высоких контактных нагрузок и циклического

нагружения. Изнашивание их рабочих поверхностей происходит как

попадающими в зону трения абразивными частицами, так и за счёт

5

усталостного выкрашивания поверхностных микрообъёмов металла из за многократного их деформирования и передеформирования.

Повысить эксплуатационную стойкость этих деталей возможно при плазменной поверхностной закалке наиболее нагруженных участков их поверхностей. При этом упрочнённый слой создаётся в поверхностных объёмах детали, и для его формирования не требуется дополнительного расхода материалов.

Цель работы: установить влияние режимов плазменно-порошковой наплавки и плазменной закалки на закономерности формирования структуры, химического и фазового составов, износостойкость поверхностных слоев на углеродистых сталях и разработать на этой основе технологию поверхностного упрочнения деталей металлургического оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- на основе закономерностей влияния легирующих элементов на твёрдость и износостойкость литых высокоуглеродистых сплавов, а также процессов, происходящих в сварочной ванне при плазменной наплавке, выбрать состав присадочного порошкового материала, позволяющего производить наплавку износостойких покрытий на углеродистые стали без образования трещин;

- исследовать взаимосвязь химического, фазового состава и структуры плазменно-закалённых и наплавленных слоёв на углеродистых сталях с режимами их получения;

- определить влияние режимов плазменно-порошковой наплавки и закалки на твёрдость, микротвёрдость отдельных структурных составляющих и износостойкость покрытий;

- разработать и внедрить эффективную технологию бездеформационной плазменно-порошковой наплавки покрытий и плазменной закалки применительно к деталям металлургического оборудования, работающих в условиях абразивного изнашивания.

Научная новизна.

- Для получения покрытий на углеродистых сталях высокой износостойкости предложен состав порошкового материала для плазменно-порошковой наплавки, содержащий: 3,1...3,3 % углерода, 18,0...20,0 % хрома, 3,0...4,0 % ванадия, 0,4...1,0 % марганца, 0,2...0,6 % кремния гранулометрическим составом 180...360 мкм, при использовании которого формируются качественные покрытия без пор и трещин.

- Установлено, что плазменная закалка двудуговым плазмотроном стали 45 приводит к формированию упрочнённого слоя со свойствами, превосходящими аналогичные свойства после лазерной или обычной плазменно-дуговой закалки: глубина упрочнённого слоя превышает 1600 мкм, а его твёрдость составляет 621ЖС.

- Установлены закономерности формирования структуры и свойств при плазменно-порошковой наплавке порошком предложенного состава на подложку из стали 45. Показано, что в зависимости от тепловложения и скорости кристаллизации в покрытиях формируется три типа структур: доэвтектическая, эвтектическая или заэвтектическая при неизменном составе присадочного порошка.

- Показано, что введение дополнительных технологических воздействий на сварочную ванну - модуляции тока и принудительного охлаждения подложки, позволяет эффективно управлять структурообразованием покрытий при плазменно-порошковой наплавке и получать направленно-ориентированную структуру, обладающую максимальной ударно-абразивной и абразивной износостойкостью.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректностью поставленных задач, применением апробированных методик исследований и современного оборудования, необходимым и достаточным количеством экспериментальных данных для статистической обработки и сопоставления с данными других авторов.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработана технология плазменной закалки деталей подшипниковых узлов прокатных станов. Внедрение разработанной технологии плазменной закалки на ЗАО «МПС-Маш» (г. Магнитогорск) позволило исключить дорогую и неэффективную традиционную технологию термической обработки с печным нагревом, что подтверждено актом внедрения. По результатам эксплуатационных испытаний, проведённых в ЛПЦ-10 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», стойкость деталей подшипниковых узлов возросла в 1,7.. .2,0 раза, что подтверждается актом испытаний.

Разработана технология плазменно-порошковой наплавки штоков гидроцилиндров малого диаметра, заключающаяся в нанесении на изношенные штоки износостойкого покрытия системы Fe-C-Cr-V. Подтвержденный экономический эффект от внедрения технологии на ООО «ТехНаМет» (г. Магнитогорск) составил более 3 млн. рублей в год (в ценах 2011г.).

Разработана конструкция и изготовлен двудуговой плазмотрон для плазменной закалки и плазменно-порошковой наплавки, позволяющий получать глубину закалённого слоя, превышающую глубину закалённого слоя после лазерной или обычной плазменно-дуговой закалки.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 150105 «Металлургия».

На защиту выносятся:

1. Химический и гранулометрический составы порошкового материала для плазменно-порошковой наплавки, содержащий: 3,1...3,3 % углерода, 18,00...20,00 % хрома и 3,00...4,00 % ванадия, 0,4... 1,0 % марганца, 0,2...0,6 % кремния дисперсностью 180...360 мкм.

2. Экспериментальные данные по исследованию влияния режимов наплавки на параметры структуры, фазовый и химический составы покрытий,

твердость и износостойкость при испытании на абразивное и ударно-абразивное изнашивания.

3. Особенности структуры и свойства покрытий при плазменно-порошковой наплавке с дополнительными технологическими воздействиями на сварочную ванну.

4. Результаты исследования фазового состава, структуры и износостойкости упрочненного слоя на стали 45 после плазменной закалки двудуговым плазмотроном и связь режимов плазменной закалки со свойствами поверхности.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Работа содержит 136 страниц, 8 таблиц, 52 рисунка, 4 приложения, список литературы из 122 наименований.

Глава 1. Состояние вопроса

Детали металлургического оборудования в процессе работы изнашиваются и с течением времени выходят из строя теряя свои первоначальные свойства. Износ приводит в первую очередь к ухудшению качества выпускаемой продукции. Главную роль в снижении качества металлопродукции играют те механизмы, которые изменяют форму и свойства объекта труда (прокатные валки, режущие ножи и т.д.) [1...4]. В прокатном производстве такими механизмами являются прокатные станы. Именно износ определённых частей прокатных клетей сказывается на выходных характеристиках продукции и определяет параметрическую надёжность прокатного стана. Например, износ валков и их опор в прокатных станах приводит к снижению качества выпускаемой продукции или полной выбраковки металлопроката [5].

1.1. Износ деталей подшипниковых узлов и способы их упрочнения

Детали подшипниковых узлов прокатных станов со временем выбраковывают вследствие изменения размеров. Резервом повышения эксплуатационной стойкости узлов является применение материалов, обеспечивающих высокую износостойкость в условиях трения скольжения. А так как использование дорогих легированных сталей нецелесообразно по экономическим соображениям, единственным выходом является применение современных высокоэффективных способов термообработки дешёвых углеродистых сталей, с приданием им необходимых эксплуатационных свойств.

Рабочими элемен�