Получение слоистого композиционного материала с регулируемой структурой и свойствами

Масанский, Олег Александрович

Порошковая металлургия и композиционные материалы

автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Получение слоистого композиционного материала с регулируемой структурой и свойствами

кандидата технических наук: Масанский, Олег Александрович
город: Красноярск
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.16.06

Диссертация по металлургии на тему «Получение слоистого композиционного материала с регулируемой структурой и свойствами»

Автореферат диссертации по теме "Получение слоистого композиционного материала с регулируемой структурой и свойствами"

На правах рукописи

си«

МАСАНСКИИ Олег Александрович

ПОЛУЧЕНИЕ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С РЕГУЛИРУЕМОЙ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16.06 Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ 005017055

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ьмЗ 2012

Красноярск — 2012

005017055

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

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Токмин Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

Кирко Владимир Игоревич, доктор физико-математических наук, профессор; Сибирский федеральный университет, кафедра «Менеджмент производственных и социальных технологий», заведующий кафедрой

Коновалов Юрий Иванович, кандидат технических наук, доцент; Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетне-ва, кафедра «Сварка летательных аппаратов», доцент кафедры

Ведущая организация: ФГУП «ЦКБ «Геофизика»

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

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

Автореферат разослан: апреля 2012 г.

(г. Красноярск)

Ученый секретарь диссертационного совета

Редысин Виктор Ефимович

Актуальность. Развитие современной машиностроительной отрасли связано с разработкой новых материалов, внедрением инновационных технологий и оборудования. Получение слоистых композиционных материалов с регулируемой макро- и микроструктурой позволяет формировать требуемые физико-механические свойства с учетом условий эксплуатации.

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

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

Объект исследования — слоистые композиционные материалы, полученные методом высокоэнергетического индукционного нагрева.

Предмет исследования - технологии и технологические режимы регулирования структурообразованием и свойствами слоистых композиционных материалов.

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

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Получить износостойкий слоистый композиционный материал с регулируемой структурой и свойствами высокоэнергетическим индукционным нагревом.

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

3. Определить влияние технологических режимов, скоростей нагрева и охлаждения, химического состава металлического порошка на структурообра-

зование, физико-механические и эксплуатационные свойства слоистого композиционного материала.

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

5. Экспериментально-промышленные испытания рабочих органов строительно-дорожной техники.

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

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Получен слоистый композиционный материал путем последовательного нанесения слоев одного и того же состава, отличающийся возможностью сохранения свойств предыдущего слоя при нанесении последующего.

2. Установлено, что формирование границы раздела слоистого композиционного материала происходит за счет адгезии расплавленного металлического порошка с твердофазным компонентом и диффузии легирующих элементов в граничную зону на глубину 2-4 мкм.

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

4. Разработаны технологические режимы получения слоистых композиционных материалов, обеспечивающие повышенный уровень эксплуатационных свойств, при различных условиях износа, за счет регулирования структурно-фазового состава и физико-механических свойств.

Практическая значимость и использование результатов работы.

Разработано программное обеспечение и предложены практические рекомендации по выбору технологических режимов получения слоистых композиционных материалов, позволяющие регулировать процессом струкгурообра-зования и свойствами для получения повышенной износостойкости с учетом характера износа.

Предложены и апробированы в экспериментально-промышленных условиях технологические режимы получения ножей отвала на базе дорожной машины ДЗ-180, в Ачинском МУП «АДРСП», получено повышение рабочего ресурса восстановленных и новых изделий.

верситет», обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Материаловедение и технологии материалов».

Достоверность полученных результатов обеспечивается необходимым объемом экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментально полученных зависимостей; непротиворечивостью исследованиям других авторов; использованием регистрирующего и испытательного оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять измерения требуемых параметров, а также использованием обработки полученных результатов с применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.

Апробация результатов работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Всероссийское совещание заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов «Материаловедение и технология конструкционных материалов - важнейшие составляющие компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки» (Волгоград, Волжский 2007 г.), Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (Яропо-лец 2008-2010 г.г.), XIV Международная научная конференция «Памяти генерального конструктора ракешо-космических систем академика М.Ф. Решетнева» (Красноярск 2010 г.), V международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2010» (Волгоград 2010 г.)

Публикации. Основные теоретические результаты диссертации опубликованы в 8 работах, из которых 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК.

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

Одним из способов повышения стойкости и долговечности рабочих органов горнодобывающей и строительно-дорожной техники, является применение слоистых композиционных материалов, полученных в условиях высокоэнергетического нагрева, с применением порошковых материалов. Правильный подбор химического состава металлического порошка не всегда позволяет получить требуемый комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств. Создание износостойкого слоистого композиционного материала требует учета широкого круга вопросов, связанных с технологией его получения.

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

Рассмотрены технологии получения слоистых композиционных материалов, путем нанесения расплава металлического порошка на тугоплавком компоненте основы и дан их сравнительный анализ. Показаны преимущества индукционного метода с применением высокочастотного транзисторного генератора УВГ2-25, разработанного в ЦКБ «Геофизика» г. Красноярска. Применение данного генератора позволяет сократить время индукционного нагрева, необходимое для плавления металлического порошка, по сравнению с генератором лампового типа ЛГЗ-60 почти в 2 раза (рис.1) и минимизировать взаимодействие компонентов слоистого композиционного материала.

По результатам проведенного обзора конкретизированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрено влияние легирующих элементов на формирование структурно-фазового состава, физико-механических и эксплуатационных свойств слоистого композиционного материала. Показано влияние углерода и хрома, как основного легирующего элемента износостойких материалов,

ЛГЗ-60 УВГ2-25

0 12 3 4

Толщина слоя шихты, мм

Рисунок 1 - Зависимость времени нагрева от толщины слоя шихты

на формирование структурно-фазового состава и свойств слоистого композиционного материала. Соотношение концентрации хрома и углерода определяет тип карбидной фазы. Хром может частично замещать атомы железа в ортором-бическом карбиде железа (Ре, Сг)3С. При содержании хрома 12-24 % образуются карбиды хрома, в которых часть атомов хрома замещена железом: триго-нальный (Сг, Ре)7С3 и кубический (Сг, Ре)2зС6, что способствует повышению твердости, прочности и износостойкости в условиях абразивного износа с незначительными ударными нагрузками. Совместное легирование высокохромистых сплавов никелем и марганцем, в количестве до 5 %, способствует подавлению у—>а превращения и получению метастабильной аустенитной матрицы, что повышает износостойкость сплава при воздействии нагрузок ударного характера. Такое повышение стойкости связано с превращениями аустенита в поверхностных слоях при контакте с абразивной средой: образование мартенсита деформации, выделение дисперсных карбидов по плоскостям скольжения, перераспределение структурных составляющих и т.д. В зависимости от характера износа, приведены общие рекомендации к структурно-фазовому составу слоистых композиционных материалов:

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

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

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

Приведена классификация и подробная характеристика износостойких материалов, имеющих практическое значение для получения слоистых композиционных материалов, методом высокоэнергетического индукционного нагрева, с учетом характера износа. Установлено, что наиболее перспективными, для решения поставленной задачи, являются высокохромистые чугуны в виде металлического порошка, легированные никелем и марганцем в количестве 4-5 %.

Приведено обоснование выбора материала компонента основы.

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

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

Состав наплавляемой шихты содержит 70-75 % (по объему) металлического порошка, остальное флюс. Так как металлический порошок имеет парамагнитные свойства, то предварительное спекание или брикетирование не обязательно. В качестве компонента основы использована конструкционная низколегированная сталь марки 09Г2С ГОСТ 1577-93.

Таблица 1 - Химический состав металлического порошка сормайта

Элементы с Si Cr Mn Ni Fe

Количество, % 2,5-3,5 2,8-4,2 25,0-31,0 0,5-1,5 3,0-5,0 основа

В третье главе рассмотрено экспериментальное оборудование, оснастка, технология и методика получения слоистых композиционных материалов, а так же научное оборудование и методики исследования полученного слоистого композиционного материла (рис. 2).

Компоненты слоистого композиционного материала

Граница раздела

Рисунок 2 - Модель слоистого композиционного материала

Изложены физико-химические процессы, протекающие при индукционном нагреве, механизм плавления шихты и распределение температуры в основном металле. Изучено влияние частоты тока на кинетику разогрева и плавления частиц металлического порошка. Показано, что с увеличением частоты тока растут энергетические показатели нагрева, но происходит уменьшение толщины скин-слоя (Д), величина которого определяется как:

Д = I 2/) , мкм (1)

V чфоМ

где р — удельное сопротивление наплавляемого материала, Омм; и=2я/' — циклическая частота генератора, Гц; ц0 ~~ магнитная постоянная Гн/м; ц — магнитная проницаемость вещества.

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

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

D — 13,8 ■ exp | ——|, см2/с (2)

где Г—температура, К.

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

Рассмотрен метод получения слоистых композиционных материалов путем последовательного нанесения на компонент-основу двух и более слоев одного и того же состава.

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

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

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

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

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

- рентгенофазовые исследования проводились на дифрактометре T8-ADVANCE;

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

- анализ карбидной фазы, методом количественной металлографии в программной среды SIAMS-600;

- метод регрессионного анализа, для определения функциональных зависимостей между технологическими режимами и свойствами слоистого композиционного материала, с помощью пакета Mathcad 12.0.

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

Энергодисперсионный анализ границы раздела, проведенный с шагом 1 мкм (рис. 3), дает возможность проследить изменение химического состава слоистого композиционного материала в плоскости поперечного сечения, что позволяет определить механизм жидко-твердофазного взаимодействия компонентов. Можно отчетливо наблюдать резкое снижение содержания хрома в ин-

тервале 5-7 спектров и отсутствие никеля в 5 и последующих спектрах. Так как данные элементы отсутствуют в составе компонента основы, то такое изменение легирующих элементов позволяет предположить, что толщина границы раздела слоистого композиционного материала составляет 1—\ мкм, а ее формирование происходит за счет адгезии расплавленного металлического порошка с твердофазным компонентом и диффузии легирующих элементов в граничную зону.

На начальной стадии процесса, диффузия протекает по границам зерен, в дальнейшем, при температурах близких к точке солидуса металлического порошка, характер диффузии элементов изменяется и трансформируется из межкристал-литной в объемную (фронтальную). По мере увеличения времени воздействия переменного электромагнитного поля, температура компонента основы увеличивается, и интенсифицируются диффузионные процессы. Согласно проведенному расчету, коэффициент диффузии хрома в сталь, при температуре ~ 1573 К (температура плавления сормайта), составляет 2,6-10"8 см2/с.

Известно, что одним из критериев повышения износостойкости в условиях абразивного износа является твердость, которая в свою оче-

10(|И1

23456789 II Расстояние между измерениями, мкм

Рисунок 3 - Изменение концентрации легирующих элементов в исследуемой зоне

редь зависит от типа, размера и количества карбидной фазы. Химический состав полученного слоя (рис. 4, табл. 2) и состав фаз соответствующий точечным спектрам (рис. 5) определен энергодисперсионным анализом. Химический состав фаз показывает, что в 1-ом и 2-ом спектрах количество хрома (Сг — 53,31 %; 54,48 %) и углерода (С - 3,29 %; 3,86 %) значительно выше, чем в 3, 4 и 5 спектрах (Сг - 3,38 %; 11,55 %; 12,69 %; С - 1,14%; 1,42 %; 1,82 %;), при этом никель растворен в фазах, соответствующих 3, 4 и 5 (№ — 1,87%; 1,92 %; 1,9 %;) спектрам.

Таблица 2 - Химический состав полученного слоя

Spectrum С Si Сг Мп Ni Бе

Кол-во, % 3,18 0,58 30,60 0,59 1,52 основа

Рисунок 4 - Область, выделенная для Рисунок 5 - Точечные спектры для

определения химического состава определения химического состава фаз

полученного слоя

Концентрациях!, % Рисунок 6 — Изотермическое сечение диаграммы состояния железо-хром-углерод

і * 1 ц

1 т 1

1 І і,

---ми

ЗС 35 И « 50 55 И

20. градус

Рисунок 7 - Рентгенограмма полученного слоя

Согласно диаграмме состояния железо-хром-углерод, изотермическое сечение которой представлено на рисунке 6, в структуре исследуемого сплава, содержащего 3,18 % углерода и 30,6 % хрома (см. табл. 2), присутствуют карбиды типа (Сг,Ре)7С3. Наличие никеля, способствует подавлению у—>а превращения, и формированию ау-стенитной матрицы, легированной хромом и никелем.

Рентгенофазовые исследования показали наличие нескольких пиков интенсивности (рис. 7). Их анализ свидетельствует о наличии в полученном слое карбидов типа (Сг,Ре)7С3 и легированного никелем и хромом аустенита. Большая ширина пиков может быть обусловлена как высоким уровнем внутренних напряжений в соответствующей фазе, так и ее мелкокристаллическим

строением. При кристаллизации аустенитной хромисто-карбидной эвтектики, карбиды типа Ме7С3, в отличие от ледебурита с карбидами типа Ме3С, не образуют непрерывную фазу, а располагаются в виде изолированных тригональных карбидов в аустенитной матрице (рис. 8). Чугуны, имеющие в структуре карбиды типа Ме7С3, обладают более высокой твердостью и износостойкостью, по отношению к чугунам, в структуре которых, присутствуют карбиды цементит-

В случае индукционного нагрева, при котором происходит высокоэнергетическое воздействие на материал, далекое от условий равновесной термодинамики, скорость роста температуры составляет ~ 800 °С/с, определяющую роль в кинетике нагрева частицы будут играть неравновесные процессы. Толщина скин-слоя частиц сормайта, которая во многом определяется частотой тока в индукторе и параметрами материала, может существенно изменяться в зависимости от режимов нагрева. При рабочей частоте тока генератора 44 или 66 кГц, толщина скин-слоя составляет 150-300 мкм, что сравнимо со средним размером частиц. В случае применения парамагнитных порошков, у которых магнитная проницаемость ц = 1, возможно управление толщиной скин-слоя за счет изменения частоты тока. Это позволяет управлять кинетикой плавления частиц в широком диапазоне: 1-е частичным растворением карбидов в жидкой фазе, 2-е полным растворением, 3-е полным растворением и изотермической выдержкой в течение определенного времени.

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

Исследовано влияние технологических режимов на формирование структуры полученного слоя, строение и размер границы раздела. При получении слоистого композиционного материала со скоростью 6,5 м/час, граница раздела имеет не большую толщину и практически вырождена в линию, а образующаяся карбидная фаза дисперсное строение (рис.9, а). При снижении скорости до 5 м/час (рис.9, б), наблюдается обеднение участка полученного слоя, приближен-

ного типа или карбиды типа (Сг, Ре)г3Сб.

ТМ-1000_0043 2008.04.04 09:20 L xl.Ok 1C0um

Рисунок 8 - Тригональные карбиды типа Ме7С3

ного к границе раздела карбидной фазой, а также увеличение ее толщины. Такая разница в структуре очевидна и связана с более длительным временем воздействия высокоэнергетического индукционного нагрева. Получение слоистого композиционного материала со скоростью 8-9 м/час, приводит к появлению дефектных участков на границе раздела (рис. 9, в), что объясняется недостаточным временем взаимодействия расплавленной шихты с твердофазным компонентом основы.

а б в

Рисунок 9 - Влияние скорости на формирование структуры слоя (в левом углу), строение и размер границы раздела: а - 6,5 м/час, б -5 м/час, в - 8-9 м/час

Проведенные металлографические исследования позволили определить влияние качества поверхности компонента основы на формирование границы

раздела слоистого композиционного материала. Наличие на поверхности загрязнений, окислов различного происхождения и т.п. приводит к возникновению грубых дефектов в виде разветвленных пор. Образование подобного рода дефектов обусловлено недостаточным временем жидко-твердофазного взаимодействия компонентов, что способствует не полному рафинированию поверхности компонента основы (рис. 10).

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

РЭМ-ЮОУ * 30kv х 500 -40mk*

Рисунок 11 - Структура слоя толщиной 4 мм. Расстояние от поверхности 1,0 мм.

РЭМ-ЮОУ * 30kv х 500 -40rnk«

Рисунок 12 - Структура слоя толщиной 2 мм. Расстояние от поверхности 1,0 мм.

Изменение твердости, в зависимости от скорости наплавки и толщины слоя, представлено на рисунке 13. Показано, что снижение скорости и увеличение толщины слоя способствует снижению твердости. Высокодисперсные карбиды, равномерно распределенные в металлической матрице, обеспечивают максимальные значения твердости - 55-57 НЛС. Получение высокой твердости возможно при толщине слоя не более 1—2 мм.

бо ---------Отметим, что получение

высокой твердости необходимо при условии абразивного износа, а при воздействии ударных нагрузок высокая твердость способствует ох-рупчиванию материала. Увеличение времени воздействия высокоэнергетического индукционного нагрева на шихту, может способствовать и увеличению количества мета-стабильного аустенита. Согласно проведенному анализу износостойких материалов, наличие метастабильной ау-стенитной структуры, при условии ударно-абразивного и ударного износа, способствует повышению износостойкости. Получение требуемой износостойкости обеспечивается за счет протекания структурно-фазовых превращений метастабильного аустенита в поверхностном слое, слоистого композиционного материала, при воздействии нагрузок ударного характера в процессе эксплуатации.

Следовательно, получение слоистого композиционного материала при пониженных скоростях и толщине наплавляемого слоя более 3 мм, повышает эксплуатационную стойкость изделий, работающих при воздействии ударных нагрузок.

5,5 6 6,5 7 7,5 8 Скорость наплавки, м/ч

Рисунок 13 - Зависимость твердости от скорости наплавки, при различной толщине слоя

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

5,5

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Толщина слоя, мм

Рисунок 14 - Зависимость скорости от толщины слоя

ей 50

Й 45 о ч о.

а 40 н

30 ------------

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Толщина слоя, мм.

Рисунок 15 - Зависимость твердости от толщины слоя

Изменение относительной величины износостойкости (Ш, %) в зависимости от толщины слоя, по отношению к эталонному образцу, выполненного из стали 65Г методом сухого трения, показано на рисунке 16. Изменение износостойкости носит нелинейный характер. При толщине слоя более 4,0-4,5 мм интенсивность увеличения износостойкости резко снижается, что объясняется значительным снижением твердости.

Проведенный комплекс исследований позволил установить закономерности формирования структуры и свойств слоистого композиционного материала и определить технологические режимы его получения. На рисунке 17 приведены области показывающие оптимальную скорость, в зависимости от толщины слоя, для получения требуемых механических свойств с учетом характера износа. Выделенная область на графике показывает интервалы технологических режимов получения слоистых композиционных материалов.

80 70 60 50 40 30 20 10 о

Л ? ' 1,8 7 1,9

"'63 г О-

^ 36, 1

' 27 і

' 18

о 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5

Толщина слоя, мм Рисунок 16 - Изменение износостойкости в зависимости от толщины полученного слоя

5,5 6

Скорость наплавки, м/ч

Рисунок 17 - Зависимость технологических параметров: а - абразивный износ, б — ударно-абразивный износ, в — ударный износ

В некоторых случаях исходя из эксплуатационных требований необходимо наличие слоя высокой твердости толщиной 3 мм и более.

Получение слоистого композиционного материала путем последовательного нанесения слоев одного и того же состава, способствует повышению твердости. Твердость образцов, полученных таким методом, представлена в табл. 3. За один проход формируется слой толщиной 1,5-2,5 мм.

Измерение твердости полученных образцов проводилось на поверхности образца, т.е. на поверхности второго слоя. Проведенный анализ микротвердости слоев по его толщине (рис. 18) позволяет установить, что при формировании второго слоя, микротвердость первого слоя не изменяется. Можно предположить, что изменение твердости по толщине слоя имеет аналогичный характер.

Таблица 3 - Твердость наплавленных слоев, полученных различными методами

Толщина слоя, мм. 3,0 4,0 5,0

Твердость, НЯС

Метод получения За один проход индуктора 51 47 43

Последовательное нанесение 54 53 51

Испытания по определению повышения величины относительной износостойкости образцов, полученных путем последовательного нанесения слоев, показали ее увеличение (рис. 19).

100

и 60 70

а 60

«я

о 50

с.»

о 40

в Г" 30

5 20

—за 01 ин про ¡од

—я— последовательное

нане :ение с юев

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Толщина слоя, мм Рисунок 18 - Микротвердость слоев, полу-

2 3 4 5 Толщина слоя, мм Рисунок 19 - Износостойкость слоистых

ченных путем последовательного нанесения композиционных материалов, полученных

различными методами

Экспериментально-промышленные испытания показали увеличение эксплуатационного срока службы ножей (рис. 20), установленных на отвале дорожной машины. При толщине слоя 4 мм срок службы составил 290 часов, что повышает стойкость в 1,6 раза, а при этой же толщине, полученной методом двойной нанесения в 1,8 раза, при толщине слоя 5мм - в 1,7 раза.

Полученные результаты свидетельствуют о комплексной взаимосвязи между следующими параметрами: скоростью, толщиной слоя, износостойкостью и твердостью.

В пятой главе методом регрессионного анализа определены функциональные зависимости между следующими параметрами: скоростью, толщиной слоя, величиной повышения износостойкости слоистого композиционного материала и твердостью

Интерпретирование значения параметров, приведенных в таблице 4, осуществлялось как значения случайных величин хну, которые имеют некоторое совместное распределение вероятностей (эти значения обозначены х, и у„ 1=1... 10).

Таблица 4 - Значения случайных величин

Рисунок 20 - Ножи грейдера с двухсторонней наплавкой

Скорость наплавки, х 6 6,1 6,3 6,5 6,7 7 7,5 8 8,2 8,5

Толщина наплавленного слоя, у 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,7 0,5

Величина повышения ИЗНОСОСТОЙКОСТИ, 2 71,8 68,2 63,2 58,4 52,2 44,6 36,7 27,6 22,3 18

Значение твердости, г 45 47 49 51 53 54 56 57 58 58

Зависимости между параметрами слоя имеют следующий вид:

- скорости от толщины слоя:

*Су) = -1.2691п.у+7.887 (3)

- износостойкости от толщины слоя:

гСу) = 47.114-1п (у+ 1.263)-10.415 (4)

- толщины слоя от износостойкости:

у(г) = 1.267е° 0212 -1.282 (5)

—твердости слоя от толщины:

г(у) = -3.353^+60.553 (6)

По полученным аналитическим выражениям функциональной зависимости построены графики регрессии (рис. 21). Точками на графике изображены данные, полученные в результате эксперимента, сплошная линия — линия регрессии, определяющая функциональную зависимость.

а б в

Рисунок 21 - Графики регрессии: а-у(х), б -1 (у), в - г(у)

Полученные аналитические зависимости были использованы при разработке программного обеспечения для расчета технологических режимов и параметров наплавляемого слоя на ПЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получен износостойкий слоистый композиционный материал, путем нанесения расплава высоколегированного металлического порошка Ре-Сг-С-№-Мп-Бі на тугоплавком компоненте основы, выполненном из низколегированной конструкционной стали 09Г2С с применением высокочастотного транзисторного генератора нового поколения УВГ2-25.

2. Установлено, что толщина границы раздела компонентов слоистого композиционного материала составляет 2-А мкм и определяется продолжи-

тельностью высокоэнергетического индукционного нагрева. Формирование границы раздела слоистого композиционного материала происходит с момента плавления металлического порошка, путем адгезии жидкой фазы с тугоплавким компонентом основы и диффузии легирующих элементов.

3. Установлены закономерности структурообразования слоистого композиционного материала, определяющие формирование механических и эксплуатационных свойств, при индукционном нагреве. Снижение времени высокоэнергетического воздействия способствует формированию дисперсных карбидов типа (Cr, Fe)7C3. Полученный слой характеризуется повышенной твердостью (53-58 HRC) и износостойкостью в условиях абразивного износа. Увеличение времени нагрева приводит к увеличению размера карбидной фазы, твердость слоя снижается до 42-43 HRC. Продолжительность индукционного нагрева определяется скоростью перемещения получаемого слоистого композиционного материала относительно индуктора.

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

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

6. Эксперементально-промышленные испытания полученного слоистого композиционного материала показали увеличение эксплуатационного срока службы ножей установленных на отвале дорожной машины. При толщине слоя 4 мм, срок службы составил 290 часов, что превышает стойкость стандартных ножей в 1,6 раза, а при этой же толщине, полученной путем последовательного нанесения двух слоев в 1,8 раза, при толщине наплавленного слоя 5 мм в 1,7 раза.

7. Составлены рекомендации по выбору технологических режимов получения слоистого композиционного материала, обеспечивающих стойкость изделия в зависимости от характера износа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Масанский O.A., Исследование структуры и свойств слоя, полученного индукционной наплавкой металлических порошков / Токмин A.M., Теремов С.Г. // Технология машиностроения. 2008. — №9. - С. 15-18, Москва.

2. Масанский O.A., Взаимосвязь параметров индукционной наплавки со структурой и свойствами наплавленного слоя /Токмин A.M., Свечникова J1.A. // Сварочное производство. 2011. №5,С. 9 — 13, Москва.

Статьи опубликованные в других изданиях и материалах научно-технических конференций:

3. Масанский O.A. Исследование структуры и свойств слоя, полученного индукционной наплавкой порошкового сормайта / A.M. Токмин, Л.А. Быконя, O.A. Масанский // Всероссийское совещание заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов: Сборник статей. — Волгоград, Волжский 2007г. — С. 94—96.

4. Масанский О.А.Микроструктура и свойства слоя, полученного индукционной наплавкой порошкового сормайта / Быконя JI.A., Теремов С.Г., Токмин А.М, O.A. Масанский // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы XIV Международного симпозиума имени А.Г. Горшкова. — Ярополец, 2008г. — С. 50—52.

5. Масанский O.A. Исследование особенностей индукционной наплавки ферромагнитных порошков / Токмин A.M., Быконя JI.A., Теремов С.Г., Масанский O.A., Шалаев П.О. // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы XV международного симпозиума имени А.Г. Горшкова. — Ярополец, 2009 г. — Т. 1. — С. 33 — 35.

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

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

8. Масанский O.A. Особенности строения слоистых материалов полученных различными способами / Токмин A.M., Масанский О. А., Падар В.А., Шалаев П.О. // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ)—2010: Материалы V международной конференции.—Волгоград, 2010 г.—С. 85-87.

Подписано в печать 12.04.2012. Печать плоская. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 7316

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел/факс (391)206-26-58,206-26-49 E-mail. print_sfu@mail.ru; http'.//Hb.sfu-kras.ru

Текст работы Масанский, Олег Александрович, диссертация по теме Порошковая металлургия и композиционные материалы

61 12-5/2984

ФГАО ВПО

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

МАСАНСКИЙ ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С РЕГУЛИРУЕМОЙ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные материалы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Токмин А. М.

Красноярск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................................................................5

1 Анализ факторов определяющих формирование структурно-фазового состава и свойств слоистых композиционных материалов..........................................................................................................................................10

1.1 Влияние структурно-фазового состава на износостойкость материалов................................................................................................................................................10

1.2 Анализ факторов влияющих на процесс формирования структурно-фазового состава..................................................................................................13

1.3 Анализ технологий получения слоистых композиционных

материалов методом высокоэнергетического воздействия......................15

Выводы......................................................................................................................................................23

2 Выбор материалов......................... ................................................................25

2.1 Выбор материала формируемого слоя..................................................................25

2.1.1 Общая характеристика износостойких материалов и требования предъявляемые к ним................................................................................................................25

2.1.2 Влияние химического состава на формирование структуры и свойств материалов........................................................................................................................27

2.1.3 Классификация износостойких материалов..............................................30

2.2 Выбор компонента основы слоистого композиционного материала..................................................................................................................................................38

2.3 Выбор флюса..................................................................................................................................39

2.3.1 Требования к флюсам........................................................................................................39

2.3.2 Выбор флюса для проведения эксперимента................................................41

Выводы......................................................................................................................................................44

3 Технология получения слоистого композиционного материала и методы проведения исследований......................................................45

3.1 Экспериментальное оборудование и оснастка..............................................45

3.2 Анализ высокоэнергетического индукционного нагрев........................48

3.2.1 Физико-химические процессы при индукционном нагреве... 48

3.2.2 Кинетика плавления металлических частиц порошка......................50

3.2.3 Особенности формирования структурно-фазового состава.... 51

3.2.4 Образование границы раздела слоистого композиционного материала................................................................................................................................................52

3.2.5 Выбор технологических режимов......................................................................55

3.3 Технология получения слоистого композиционного материала

на установке УВГ 2-25............................................................................................................58

3.4 Методы проведения исследований и применяемое научное оборудование......................................................................................................................................60

3.4.1 Металлографические исследования..................................................................61

3.4.2 Определение твердости и микротвердости................................................63

3.4.3 Испытания на износ........................................................................................................64

Выводы..................................................................................................................................................66

4 Экспериментальные исследования......................................................................67

4.1 Энергодисперсионный анализ....................................................................................67

4.1.1 Исследование границы раздела слоистого композиционного материала..................................................................................................................................................67

4.1.2 Исследование структурно-фазового состава............................................71

4.2 Рентгенофазовые исследования................................................................................76

4.3 Металлографические исследования....................................................................77

4.3.1 Влияние технологических режимов на формирование границы раздела слоистого композиционного материала..................................78

4.3.2 Влияние технологических режимов и толщины слоя на формирование структурно-фазового состава........................................................84

4.4 Анализ карбидной фазы....................................................................................................87

4.5 Анализ твердости и микротвердости....................................................................88

4.6 Анализ относительной износостойкости..........................................................93

4.7 Определение технологических режимов с учетом характера износа..........................................................................................................................................................96

4.8 Метод последовательного получения слоев..................................................98

4.8.1 Выбор технологических режимов......................................................................98

4.8.2 Исследование образцов полученных путем последовательного нанесения слоев....................................................................................................................99

4.9 Экспериментально-промышленные испытания..........................................102

5 Определение функциональных зависимостей, характеризующих взаимосвязь параметров и свойств полученного слоя 104

Выводы....................................................................................................................................................110

Основные выводы и результаты работы............................................................111

Список литературы..........................................................................................................................113

Приложение А......................................................................................................................................122

Приложение Б......................................................................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Современное представление об эффективном управлении свойствами материалов основывается на возможности создания условий, которые могут радикально влиять на процессы самоорганизации структур. Высокоэнергетическое воздействие позволяет повысить скорости нагрева и охлаждения, что приводит к созданию максимально неравновесных структур, которые, при определенных условиях, могут обеспечить требуемый комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств. Управление структурообразова-нием материалов заданного состава, в условиях далеких от термодинамического равновесия, позволяет обеспечить требуемую стойкость рабочей зоны изделия при воздействии высоких контактных и динамических нагрузок в условиях абразивного, ударно-абразивного и ударного износа.

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

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

3. Определить влияние технологических режимов, скоростей нагрева и охлаждения, химического состава металлического порошка на структурооб-разование, физико-механические и эксплуатационные свойства слоистого композиционного материала.

5. Экспериментально-промышленные испытания рабочих органов строительно-дорожной техники.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались современные методы исследования и оборудование: металлографические - методом оптической и электронной микроскопии, энергодисперсионный, рентгенофазовый, анализ твердости и микротвердо-

сти, метод сухого трения, пакет прикладных программ для обработки результатов на ПЭВМ.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

Практическая значимость и использование результатов работы.

Разработано программное обеспечение и предложены практические рекомендации по выбору технологических режимов получения слоистых композиционных материалов, позволяющие регулировать процессом структуро-образования и свойствами для получения повышенной износостойкости с учетом характера износа.

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

Апробация результатов работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Всероссийское совещание заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов «Материаловедение и технология конструкционных материалов - важнейшие составляющие компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки» (Волгоград, Волжский 2007 г.), Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (Ярополец 2008-2010 г.г.), XIV Международная научная конференция «Памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева» (Красноярск 2010 г.), V международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2010» (Волгоград 2010 г.)

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

1 Анализ факторов определяющих формирование структурно-фазового состава и свойств слоистых композиционных материалов

Одним из способов получения слоистых композиционных материалов является нанесение на компонент основу расплава металлического сплава, в условиях высокоэнергетического нагрева. Применение таких технологий дает возможность получения на поверхности детали слоев различного химического состава, обеспечивающих формирование требуемого комплекса физико-механических свойств, в зависимости от характера износа. Стойкость изделия к износу определяется структурно-фазовым составом, формирование которого зависит не только химического состава, но и технологии его получения. Получение слоистых композиционных материалов в условиях высокоэнергетического воздействия, путем нанесения расплава высоколегированного металлического порошков на тугоплавкий компонент-основу, создает широкий диапазон скоростей нагрева и охлаждения, что приводит к формированию различных структурно- фазовых состояний слоистого композиционного материала. Регулирование структурообразованием получаемого слоя слоистых композиционных материалов, дает возможность применением металлических порошков одного и того же состава, для получения требуемого комплекса физико-механических свойств, с учетом характера износа.

1.1 Влияние структурно-фазового состава на износостойкость материалов

Исследованию закономерностей износа материалов при различных условиях посвящены работы Виноградова В.Н., Фурмина И.И., Ткачева В.Н., Лившиц Л.С., Гринберг H.A., Куркумели Э.Г., Хрущева М.М., Бабичева М.А. [1,2,3,4, 5,6, 7] и др.

Одним из важнейших факторов, определяющих сопротивление металлических сплавов изнашиванию, является их структурно-фазовое состояние,

а также свойства, взаимное расположение, количественное соотношение и характер связи отдельных составляющих структуры [8, 9].

Сопротивление изнашиванию легированного металла обычно характеризуется двумя главными параметрами: способностью металлической матрицы и карбидной фазы претерпевать превращения в поверхностных слоях, приспосабливаться к условиям трения и иметь минимальный износ.

Основными видами износа, которым подвергаются рабочие органы строительно-дорожной и горнодобывающей техники в процессе эксплуатации, являются абразивный, ударно-абразивный и ударный износ. Стойкость изделий к износу определяется их структурно-фазовым составом.

При абразивном изнашивании ведущими, являются процессы многократного деформирования поверхности скользящими по ней частицами и микрорезание. Степень развития этих процессов зависит от давления и соотношения твердости материала и абразивных частиц. Поэтому основным требованием к структуре износостойких сплавов является гетерогенность. Поскольку мягкие структуры в процессе абразивного износа изнашиваются сильнее, удельная нагрузка увеличивается на износостойкие. Основной вклад в сопротивление мате�

Похожие работы

Металлургия
05.16.00