автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка экономнолегированных наплавочных материалов для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания

Приазовский государственный технически» университет

РГВ од Ю/ГГ*/

ь....; - 1 мллшюв д

Владимир Леонидович ^

УДК 621.791.927.5 (043.3)

РАЗРАБОТКА ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАИНЫХ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ УДАРНО-АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ

Специальность: 05.03.06 - Сварка и родственные технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мариуполь 1999 г.

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Приазовском государственном техническом университете (ТТГТУ) Министерства образования Украины, г. Мариуполь.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Чигарев Валерий Васильевич, Приазовский государственный, технический университет (г. Мариуполь), заведующий кафедрой "Металлургия и технология сварочного производства".

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гулаков Сергей Владимирович, Приазовский государственный технический университет (г. Мариуполь), заведующий кафедрой "Автоматизация технологических процессов и производств";

кандидат технических наук, доцент Карпенко Владимир Михайлович, Донбасская государственная машшюстрои- ■ тельная академия (г. Краматорск), заведующий кафедрой "Сварочное производство".

Ведущая организация: Национальный технический университет

Украины "Киевский политехнический институт'' Министерства образования Украины (г. Киев)

Защита состоится «27» янващ 2000 г. в 12_ часов па заседании специализированного ученого совета К.12.052..01 при Приазовском государственном техническом университете по адресу: 87500, Г1ГТУ, пер. Республики, 7, г. Мариуполь, Донецкой области, Украина.

С диссертацией можно ознакомиться г. библиотеке Приазовского государственного технического университета: 87500, г. Мариуполь, ул. Алатова, 115.

Автореферат разослан ОоА , VX . _ 1999 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета доктор технических наук, профессор

В.А. Маслов

ШЧ-Ъ^О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Большое количество различных деталей машин работает в условиях ударно-абразивного воздействия. В результате этого их поверхность интенсивно изнашивается. Одной из наиболее распространенных технологий восстановления деталей и повышения их долговечности является электродуговая наплавка. В современных условиях производства возрастают требования к долговечности наплавленных деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания, экономичности и технологичности наплавочных материалов. В связи с этим необходима разработка эффективных наплавочных материалов, учитывающих эти требования.

Актуальность темы. Наиболее широко используемые для повышения ударно-абразивной износостойкости наплавочные материалы содержат в большом количестве дорогие и дефицитные легирующие элементы. В ряде случаев для одних и тех же условий ударно-абразивного изнашивания применяются различные по степени легирования, структуре наплавочные материалы, а содержащиеся в них элементы зачастую используются неэффективно. Одной из причин этого является то, что при разработке наплавочных материалов применяется качественная, а не количестветшя (основанная на объективных данных) характеристика условий ударно-абразивного изнашивания. Использование количественной характеристики условий ударно-абразивного изнашивания - коэффициента динамичности (Кд), предложенной И.В. Петровым, - позволяет разработать наиболее экономичные износостойкие наплавочные материалы для конкретных условий ударно-абразивного воздействия.

Никель широко используется для повышения ударостойкости наплавленного металла. Дороговизна и дефицитность этого элемента вызывают необходимость разработки безникелевых наплавочных материалов. Учитывая особенности сырьевых ресурсов Украины, которая богата залежами марганцевой руды, целесообразно в качестве одного из основных легирующих элементов использовать марганец.

Перспективным направлением в разработке новых наплавочных материалов, приметаемых для повышения долговечности деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания, является использование принципа получения в структуре наплавленного металла метастабильного аустенита, превращающегося при нагружешш в мартенсит (деформационное мартенситное превращение). Этот принцип был предложен профессором И.Н. Богачевым еще в конце 50-х годов. Однако для наплавочных материалов, используемых для повышения долговечности деталей, работающих в условиях ударно-абразивного воздействия, он не нашел широкого применения.

Исходя кз этого, разработка экономичных безникелевых наплавочных материалов, позволяющих реализовать эффект деформационного мар-тенситного превращения, является важной народнохозяйственной задачей.

Стппъ работы с научными программам», планами, темами. Работа соответствует направлению исследований, проводимых кафедрой "Металлургия и технология сварочного производства" Приазовского государственного технического университета по темам: "Разработка и внедрение экономнолегированных порошковых электродных материалов для наплавки износостойких и цветных сплавов и технологических процессов" (13/94), "Разработка и внедрение рецептуры и технологии изготовления сварочных электродов с использованием местного сырья вместо поставляемого из стран СНГ" (20/94).

Цель н задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось создание экономнолегированных порошковых лент для повышения долговечности деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-технические задачи:

- отработать методики испытаний на износ, обеспечивающие различные условия ударно-абразивного воздействия, характеризуемые коэффициентом динамичности (Кд);

- выбрать систему экономного легирования наплавленного металла. Изучить зависимость его износостойкости от химического, фазового составов и структуры методом регрессионного анализа при различных. Кд. Построить соответствующие математические модели;

- изучить возможность получения структур наплавленного металла, обеспечивающих наибольшую износостойкость для различных Кд.;

- разработать соответствующие составы порошковых лент и методику расчета состава их шихты с использованием ЭВМ;

- разработать технологию наплавки деталей, провести промышленное опробование и внедрение результатов исследования.

Научная новизна полученных, результатов.

- Получены регрессионные зависимости фазового состава, твердости и ударно-абразивной износостойкости при различных Кд от химического состава наплавленного металла системы Ре-Сг-Мп-С, что явилось основой для создания экономнолегированных наплавочных материалов.

- Установлено влияние количества и стабильности остаточного аустенита в структуре наплавленного металла на его ударно-абразивную износостойкость при различных Кд. Показано, что при ударно-абразивном воздействии с малым коэффициентом динамичности (Кд = 1,2-1,4) следует иметь преимущественно мартенситно-карбидную структуру наплавленного металла. Напротив, при больших значениях Кд (2,0-3,5) структура должна быть преимущественно аустенитной (у > 60 %).

- Показано, что, за счет рациональных режимов нормализации наплавленного металла следует регулировать количество аустенита и степень его стабильности по отношению к деформационному мартенситному превращению, что существенно повышает износостойкость наплавленного металла.

- Предложена методика выбора состава экономнолегированного наплавочного материала для различных условий ударно-абразивного изнашивания, характеризуемых Кд.

Достоверность выводов и рекомендаций работы подтверждается большим количеством экспериментальных данных, хорошей воспроизводимостью результатов, применением м ате м ати к о - стати сти ч е с ких методов, промышленной проверкой и внедрением результатов исследований.

Практическое значение полученных, результатов.

- Для различньгх условий ударно-абразивного изнашивания разработаны следующие наплавочные материалы: ПЛ-Нп-230Х12Г2 и ПЛ-Нп-250Х10Г4ФЗ (Кд = 1,2-1,4), ПЛ-Ш-200Х12Г2 (Кд=1,7-2,0), ПЛ-Нп-160Х12Г5 и ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд=3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4 - 3,5).

- Даны рекомеидадии по выбору рационального фазового, химического составов и структуры наплавленного металла для повышения его ударно-абразивной износостойкости при различных Кд.

- Разработана программа расчета состава шихты порошковых лент на ЭВМ.

- Результаты работы прошли промышленное опробование и внедрены в ОАО "Азов" (г. Мариуполь) при восстановлении плит щековьгх дробилок Кальчикс ко го карьера.

Личный, вклад соискателя.

В диссертацию вошли лишь те научные результаты, которые получены диссертантом лично.

- Автором выполнен аналитический обзор существующих наплавочных материалов, применяемых для восстановления изношенных деталей машин, работающих в различных условиях ударно-абразивного изнашивания, и сделан вывод о том, что существующая качественная оценка условий ударно-абразивного воздействия не позволяет выбрать рациональные экономнолегированные наплавочные материалы для конкретных условий ударно-абразивного изнашивашш. С учетом этого, для количественной оценки условий ударно-абразивного воздействия использован коэффициент динамичности, предложенный И.В. Петровым.

- Выбраны методики испытаний образцов в условиях ударно-абразивного воздействия при различных Кд.

- Проведены системные исследования износостойкости наплавочных сплавов системы Ге-Сг-Мп-С в условиях ударно-абразивного воздействия, характеризуемого различными значениями Кд.

- Установлены регрессионные зависимости фазового состава, твердости и ударно-абразивной износостойкости от химического состава наплавленного металла, что явилось основой для создания экономнолегированных наплавочных материалов.

- Проведены испытания износостойкости экономнолегированных марганцем высокоуглероднстых сталей, при различных Кд, и установлено, что в них проявляются те же закономерности, что и в наплавленном металле системы 17е-Сг-Мп-С.

- Разработана программа расчета состава шихты порошковых лент на ЭВМ.

- С участием автора проведены промышленные испытания и внедрение наплавки порошковой лентой ПЛ-Нп-160Х12Г5 плит щековой дробилки Кальчикского карьера. Эти работы выполнены совместно с сотрудниками НИОСП ОАО "Азов".

В опубликованных с соавторами научных работах диссертантом выполнено: постановка задач, проведение экспериментов и анализ полученных результатов.

Апробация результатов диссертации. Материалы работы докладывались на V научно-технической конференции: "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (сентябрь 1992 г., г. Запорожье), VI международной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (сентябрь 1995, г. Запорожье), 1-У региональных научно-технических конференциях (1992-1998 гг., г. Мариуполь).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубли ковано: в научном журнале - 1 статья, в сборниках - 4, тезисов - 7. Всего -12 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 13! страницах, состоит из введения, 5 разделов, выводов, перечня использо ванных источников, из 105 наименований. Работа содержит 31 рисунок, Г таблиц, 4 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Обоснована актуальность темы, ее научная новизна, дана характеристика современного состояния проблемы, сформулирована цель исследований и основные положешш, которые выносятся на защиту, приведены данные о практической значимости работы, количестве публикаций и структуре диссертационной работы.

Раздел 1. Ударно-абразивное изнашивание. Применяемые для повышения износостойкости наплавочные материалы

Ударно-абразивное изнашивание рабочей поверхности деталей происходит в результате динамического воздействия абразивных частиц. В результате этого в поверхностном слое металла происходит увеличение плотности дислокаций и, как следствие, его упрочнение. Когда плотность дислокаций достигает критической величины, происходит образование и развитие микротрещин, что вызывает разрушение поверхностного слоя.

Скорость разрушения поверхностного слоя зависит от условий ударно-абразивного воздействия (энергии удара частиц, их свойств и размеров), а так же от структуры металла.

В литературе по вопросу ударно-абразивной износостойкости наплавленного металла содержится большое количество несопоставимых и противоречивых данных. Одной из причин этого является то, что для оценки условий ударно-абразивного изнашивания, которые могут существенно отличаться, используется лишь качественная оценка. Встречающиеся определения - «незначительные», «умеренные», «значительные» ударные нагрузки - условны, т.к. они не основаны ия ч*з'слх-либо объективных методах испытаний, отражающее реальные условия службы деталей. В настоящее время не существует стандартных методов определения ударно-абразивной износостойкости. Это, с одной стороны, затрудняет лабораторную оценку, а с другой - усложняет выбор наплавочных материалов для определенных условий эксплуатации. Натурные же испытания наплавленных деталей, которые дают достоверные результаты, очень трудоемки и требуют много времени.

Исходя из вышесказанного, необходима количественная оценка условий ударно-абразивного изнашивания, позволяющая объективно оценивать реальные условия работы деталей; сопоставлять данные различных исследователей, использующих неодинаковые методики определения износостойкости; выбирать наиболее эффективные наплавочные материалы для конкретных условий эксплуатации; использовать математические модели для установления зависимостей износостойкости от твердости, фазового и химического составов.

Еще в 1965 году И.В. Петровым был предложен количественный критерий интенсивности ударно-абразивного воздействия, названный им коэффициент динамичности (Кд). Он определяется как отношение твердости образца из стали 110Г13Л после износа к его исходной твердости. Данная сталь способна накапливать энергию внешнего воздействия, упрочняясь при этом, а величина упрочнения позволяет судить об интегральной интенсивности ударно-абразивного воздействия частиц. Известно, что энергия воздействия абразивных частиц при изнашивании, поглощенная металлом, расходуется на упругую и пластическую деформацию, а также его разрушение. В свою очередь, Кд объективно характеризует энергию та-

кого воздействия, поглощенную сталью 110Г13Л в процессе изнашивания в конкретных условиях. Чем больше энергия ударно-абразивного воздействия, тем больше степень наклепа. Однако оценка условий ударно-абразивного воздействия с использованием Кд не получила широкого распространения при выборе и разработке наплавочных материалов. Следствием этого является то, что доя одних и тех же условий ударно-абразивного изнашивания применяются различные по степени легирования, структуре наплавочные материалы и неэффективно используются дорогие и дефицитные легирующие элементы.

Для повышения износостойкости в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания применяется более ста наплавочных материалов. Как правило, они содержат большое количество дорогих и дефицитных элементов (XV, V, N1 и др.). Примером могут служить: ПЛ-АН-101 (ЗООХ28НЗСЗГ2), ВСН-6 (11Х14В13Ф2ГС), ОЗИ-1 (80Х4В14ФГС).

В связи с этим разработка экономнолегированных наплавочных материалов является актуальной народно-хозяйственной задачей. Она должна решаться на основе системных исследований влияния химического, фазового состава и структуры на износостойкость в различных условиях ударно-абразивного воздействия, характеризуемых коэффициентом динамичности. С учетом этого сформулирована цель работы и задачи исследования.

Раздел 2. Исследование влияния химического состава наплавленного металла системы Ге-Сг-Мп-С' на его фазовый состав, структуру и ударно-абразшшуго износостойкость.

Учитывая дефицитность и высокую стоимость никеля, используемого в качестве одного из основных легирующих элементов порошковых лент, в данной работе были проведены системные исследования по созданию порошковых лент на основе системы Ре-Сг-Мп-С.

Для количественной оценки различных условий ударно-абразивного изнашивания был использован коэффициент динамичности (Кд). Для варьирования Кд в широких пределах (Кд = 1,2; 1,4; 1,7; 2,0; 3,5) были применены лабораторные установки, обеспечивающие указанные значения Кд. За основу взяты следующие схемы испытаний:

- Схема 1. Между цилиндрической поверхностью вращающегося диска и плоской поверхностью образца перемещаются абразивные частицы, захватываемые диском, изнашивая при этом образец (Кд = 1,2);

- Схемы 2,3,4. Изнашивание осуществлялось абразивными частицами, транспортируемыми потоком воздуха. При этом испытуемые образцы устанавливались под углом к абразивному потоку 30°, 60° и 90° (Кд = 1,4, 1,7 и 2,0);

- Схема 5. Образцы крепились на вращающемся с большой скоростью диске, и изнашивались при соударении с падающими на них абразивными частицами (Кд = 3,5).

Для проверки применимости использованных в настоящей работе методик испытаний ударно-абразивной износостойкости, оцениваемых Кд, сравнивали износостойкость ряда материалов (ЭТН-2, Сормайт-1 и др.), испытанных И.В. Петровым по его методикам при близких значениях Кд. При этом были получены примерно одинаковые значения износостойкости указанных материалов. Полученные данные подтвердили вывод о том, что не сама по себе схема испытаний, а энергия воздействия абразивных частиц, и, соответственно, ее доля, поглощаемая металлом и оцениваемая Кд, является определяющим фактором для характеристики условий изнашивания. Исследования были выполнены с использованием метода планирования эксперимента. Для проведения многофакторного эксперимента была выбрана математическая модель - симметричный ортогональный композиционный план второго порядка. Варьировалось содержание легирующих элементов в наплавленном металле в следующих пределах: С = 1-3 %, Мп = 2-6 %, Сг = 6-12 %. Использована матрица планирования 2:\ дополненная звездными точками и опытом в центре плана. Звездное плечо ос = + 1,215. Матрица эксперимента состоит из 15 опытов. По полученным экспериментальным данным рассчитаны регрессионные зависимости твердости (1ШС), относительной ударно-абразивной износостойкости наплавленного металла (б) и количества остаточного аустенита (у, %) от химического состава (мае. %). Уравнения регрессии представляли в виде полинома второго порядка:

ШС = 50,66 +- 7,14-С + 4,27-Сг + 0,79-Мп + 0,58-С-Сг + 0,62-С-Мп -- 1,84-С2 + 0,17-Сг2 - 0,46-Мгг,

(1)

Е(кд=и) = 0,98 + 0,68-С + 0,087-Мп - 0,027-Сг + 0,021-С-Сг -- 0,2-С2 - 0,017-Мп2,

(2)

Б(Кл=1,4) = 0,93 + 0,6-С + 0,11-Мп - 0,018-Сг + 0,017-С-Сг -- 0,18-С2 - 0,019-Мп2,

(3)

£осд=1.7> = 1,17 + 0,41 -С + 0,044-Мп -0,018-Сг + 0,017-С-Сг + + 0,025-С-Мп - 0,16-С2 - 0,015-Мп2,

(4)

е<!СК!.о) = 1,19 + 0,36-С + 0,023-Мп - 0,015-Сг + 0,017-С-Сг + + 0,037-С-Мп - 0,18-С2 - 0,012-Мп2,

(5)

£(№3.5) = 0,77 + 0,866-С +■ 0,002-Мп - 0,014-Сг + 0,031 -С-Мп + + 0,01-Сг-Мп - 0,34-С: - 0,017-Мп2,

(6)

у, % = 15,34 - 57,77-С + 0,03-Мп - 16,92-Сг + 2,01-С-Мп + + 9,52-С2 + 0,79-Сг2 + 0,67-Мп2.

С использованием программы "МаШсас! 5+" построены трехмерные поверхности отклика, дающие пространственное изображение регрессионных зависимостей, что позволяет наглядно представить совместное влияние 2-х факторов, при фиксированном значении третьего. Также построены проекции этих поверхностей на координатную плоскость в виде линий плана, соединяющих точки с равными значениями отклика в уравнениях регрессии, что позволило проанализировать полученные регрессионные зависимости и определить координаты экстремума отклика.

Был определен химический состав наплавленного металла, обеспечивающий наибольшую ударно-абразивную износостойкость для каждого из рассмотренных коэффициентов динамичности. На основании анализа полученных данных можно заключить, что:

- при малых коэффициентах динамичности (Кд = 1,2—1,4) следует в наплавленном металле иметь повышенное содержание углерода (2-2,5 %), количество марганца должно быть сравнительно небольшим (2-3 %) и хрома 12 %. Структура должна быть преимущественно мартенситно-карбидной. Наличие в струюуре наплавленного металла повышенного количества мартенсита и карбидов увеличивает способность сопротивляться внедрению абразивных частиц и повышает износостойкость;

- с увеличением коэффициента динамичности необходимо уменьшать содержание углерода и увеличивать количество марганца в наплавленном металле. Так при Кд = 3,5 оптимальным является содержание углерода 1,0-1,7 %, марганца 5—6 % и хрома 12 %. Следует обеспечивать при этом преимущественно аустенитную структуру. Количество мартенсита и. карбидов должно составлять не более 40 %. В условиях интенсивного ударно-абразивного изнашивания следует увеличить сопротивление образованию и развитию трещин, что и определяет необходимость получения повышенного количества аустенита (> 60 %).

Для экспериментальной проверки математических моделей изготовлены порошковые ленты, обеспечивающие получение наплавленного металла, имеющего химический состав близкий к оптимальному (расчетному) для различных Кд. Было изготовлено по 3 ленты каждого из составов ПЛ-Нп-230Х12Г2, ПЛ-Нп-200Х12ГЗ, ПЛ-Нп-160Х12Г5, соответственно, для Кд = 1,2, Кд = 1,7 и Кд = 3,5. Полученные данные свидетельствуют о том, что химический, фазовый составы и структура наплавленного металла близки к оптимальным, рассчитанным на основании математических моделей.

Данные по ударно-абразивной износостойкости металла, наплавленного изготовленными лентами ПЛ-Нп-230Х12Г2, ПЛ-Нп-200Х12ГЗ, ПЛ-Нп-160Х12Г5 свидетельствуют, что существует хорошее совпадение расчетных и экспериментальных результатов (коэффициент корреляции 0,97). Это являегся дополнительным подтверждением адекватности полученных математических моделей.

Изучалось влияние стабильности остаточного аустенита на ударно-абразивную износостойкость наплавленного металла при различных Кд. Установлено, что при увеличении Кд необходимо не только увеличивать количество остаточного аустенита в структуре, но и повышать его стабильность по отношению к деформационному мартенситному превращению.

На основании проведенных исследований предложена методика выбора оптимального состава наплавочных материалов для конкретных условий ударно-абразивного изнашивания. Она заключается в следующем:

- определяется коэффициент динамичности (Кд), для чего образцы из стали 110Г13Л размешаются на изнашиваемой поверхности деталей;

- на основании полученного значения Кд выбирается соответствующая математическая модель и определяется требуемый химический состав наплавленного металла;

- определяется состав шихты порошковой ленты, обеспечивающий требуемый химический состав наплавленного металла.

- после опытной наплавки определяются химический, фазовый состав, структура и твердость наплавленного металла и проводится сравнение с оптимальными их значениями. При необходимости состав шихты порошковых лент корректируется.

Раздел 3. Регулировать фазового состава и структуры наплавленного металла для повышения его ударно-абразивной износостойкости

В предыдущем разделе было показано, что для обеспечения наибольшей ударно-абразивной износостойкости необходимо иметь оптимальный фазовый состав и структуру применительно к конкретным условиям нагружения. Однако при наплавке это не всегда удается обеспечить. В связи с этим, несомненный интерес представляет возможность регулирования фазового состава и структуры за счет термической обработки. Наиболее простым ее способом является нормализация. В данной работе изучалось влияние температуры нагрева при нормализации, которая варьировалась от 800 до 1100 °С. Время выдержки в печи составляло 20 минут, размер образцов 10 х 10 мм. Во избежание трещин при нагреве проводился предварительный подогрев при 650 °С. Наплавленный металл, получен при использовании порошковых лент ПЛ-Нп-200Х12Г5. ПЛ-Нп-250Х10Г4ФЗ. При этом определяли твердость, относительное изменение количества остаточного аустенита, а также износостойкость при различных Кд. Полученные результаты показывают, что при малых Кд (1,2-1,4) наибольшую износостойкость обеспечивает нормализация со сравнительно невысоких температур (800 °С). При этом получаемая структура является преимущественно мартенсигно-карбидной, количество остаточного аустенита составляет 20-30 %. При этом наплавленный металл, содержащий ванадий, обладает более высокой износостойкостью, что обеспечивается прнсутст-

вием в структуре карбидов ванадия высокой твердости. Напротив, при больших Кд (2,0-3,5) наиболее высокую ударно-абразивную износостойкость удается получить после нормализации с повышенных температур (1100 °С). В этом случае в структуре преобладает аустенит (>70 %), который имеет повышенную стабильность по отношению к деформационному мартенситному превращению. Увеличение количества мартенсита и карбидов в структуре снижает износостойкость. При больших Кд металл, наплавленный ПЛ-Нп-250Х10Г4ФЗ, имеет примерно такую же ударно-абразивную износостойкость, как и наплавка ПЛ-Нп-200Х12Г5, не содержащая ванадий.

Полученные данные показывают, что за счет нормализации можно в широких пределах изменять количественное соотношение фаз, стабильность аустенита и за счет оптимизации структуры существенно повышать ударно-абразивную износостойкость применительно к конкретным условиям работы.

Раздел 4. Разработка порошковых лент. Методика автоматизированного расчета состава шихты. Исследование наплавочно - технологических свойств

Разработка порошковых лент включала: определение количественного соотношения стальной оболочки и компонентов порошкового наполнителя (шихты) обеспечивающих получение наплавленного металла высокой ударно-абразивной износостойкости

В настоящее время состав шихты для изготовления порошковых лент рассчитывается в соответствии с существующей методикой по коэффициенту заполнения (Кз). Он представляет собой отношение веса шихты к весу порошковой ленты и определяется обычно опытным путем.

В работе предложена методика автоматизированного расчета шихты порошковой ленты с использованием ЭВМ. Она исключает необходимость опытного определения Кз и позволяет его рассчитать на основании требуемого химического состава наплавленного металла.

Сущность предложенной методики состоит в том, что при расчете учитывается насыпной вес компонентов и конструктивные параметры порошковой ленты, в частности, отношение площадей поперечного сечения оболочки и сердечника. Это описано итоговым уравнением, приведенным ниже. Оно представляет собой квадратный трехчлен и решается стандартным математическим приемом.

100-(Уж11 +Ь)-Кзг +(2Р. 7. -г™ -Ер, -юо Гжп).кз-

где Р, - количество i-ro компонента в составе сердечника в 100 г порошковой ленты, г;

L - является величиной постоянной, численно равной отношению произведения площади поперечного сечения оболочки (F„->) и плотности материала оболочки (-/об) к площади поперечного сечения шихты (Fm), L=(Fo6*yo6)/Fln; у)кп - насыпная масса балластной добавки - железного порошка; yi - насыпная масса i-того компонента.

С использованием полученного уравнения составлена программа расчета на ЭВМ состава шихты порошковых лент и проведены необходимые расчеты состава разработанных порошковых лент.

Порошковые ленты разработанных составов изготавливали на специальном стане. При этом профиль оболочки задавался формообразующими роликами. Оболочка порошковой ленты заполнялась шихтой, а затем закрывалось замковое соединение, и наносился рельеф, уплотняющий шихту. Для оболочки использовали сталь 08 кп толщиной 0,4 мм. Ширина верхней полосы оболочки составляла 22 мм, а нижней - 24 мм.

В состав шихты наряду с феррохромом, ферромарганцем, графитом, обеспечивающими получение заданного химического состава в наплавленном металле, вводились дополнительные компоненты - ПАМ-4 и Ф-4. Порошок алюминиево-магниевый марки ПАМ-4 использовали в качестве активного раскислителя, а фторопласт Ф-4 - для удаления водорода из сварочной ванны и дополнительного уплотнения шихты порошковой ленты.

Наплаво'шо-технологичсские характеристики лепт исследовались на установке У-75, оснащенной автоматической сварочной головкой AI 401. Источник питания - ВДУ 1001. Для наплавки выбраны следующие режимы:

1св = 600 - 650 А; 0д= 30 - 32В; Усв=35м/ч. В процессе наплавки наблюдалось устойчивое горение дуги, плавный переход от основного к наплавленному металлу и хорошее сплавление между двумя смежными валиками. Разработанные порошковые ленты имеют хорошие наплавочно-технологические характеристики:

- производительность процесса расплавления ленты q - 12600-13650 г/час;

- удельная производительность процесса наплавки оц - 20-22 г/А-час;

- коэффициентом потерь Ч', - 4,5-4,9 %

Для создания нормальных санитарно-гигиенических условий при наплавке предложено использовать флюс АН-26 и приточно-вытяжную вентиляцию (15000 м3 воздуха на 1 кг расплавленной порошковой ленты). Анализ воздушной среды на уровне дыхания оператора показал, что выделение вредных веществ не превышает установленных норм ПДК.

Раздел 5. Промышленное опробование и внедрение наплавочного материала ПЛ-Нп-160Х12Г5 для восстановления плит шоковых дробилок

Промышленное опробование и внедрение порошковой ленты ПЛ-Нп-160Х12Г5 было проведено в условиях ОАО "Азов" для восстановления плит щековых дробилок Кальчикского карьера.

Плиты щековых дробилок, применяемые для получения щебня, работают в условиях интенсивного ударно-абразивного воздействия и являются быстро изнашиваемыми деталями, требующими частой замены. Поэтому проблема восстановления плит является весьма актуальной задачей.

В ОАО "Азов" освоено восстановление плит щековых дробилок Кальчикского карьера наплавкой порошковой лентой ПЛ-АН-101 (ЗООХ28НЗСЗГ2). Плиты из стали 110Г13Л, наплавленные этой лентой, показали эксплуатационную стойкость в 1,2 - 1,3 раза более высокую, чем без наплавки. Однако лента ПЛ-АН-101 содержит большое количество хрома и дефицитный никель. В связи с этим в данной работе ставилась задача выбрать наплавочный материал на основе системы Fe-Cr-Mn-C для восстановления этих деталей. Выбор наплавочного материала был осуществлен с использованием разработанной авторами методики (см. раздел 2). Для определение Кд из изношенной плиты вырезались образцы, на которых измерялась твердость (по Бринелю). На изношенной поверхности она составляла HB 490-520, по сравнению с исходной твердостью HB 140-150. В соответствии с этим коэффициент динамичности Кд составил 3,5.

Для этого значения Кд соответствующая математическая модель описывается уравнением б (см. раздел 2). С его помощью определен химический состав наплавленного металла, обеспечивающий наиболее высокую износостойкость в данных условиях ударно-абразивного воздействия. Содержание элементов в наплавленном металле таково: углерод - 1,6 %, марганец - 5,2 %, хром - 12 %.

Используя методику расчета состава шихты порошковых лент на ЭВМ (см. раздел 4), определен требуемый состав шихты порошковой ленты ПЛ-Нп-160Х12Г5.

Была отработана технология наплавки плит щековой дробилки данной порошковой лентой, уменьшающая их деформацию. Для этого перед наплавкой осуществлялась предварительная парная сборка плит. Плиты состыковывались внутренними поверхностями и удерживались планками по длине зазора. Приварку планок производили аустенитными электродами.

Наплавка проводилась под флюсом АН-26 при следующих режимах: . 1св = 600 - 650 А; Щ = 28 - 32 В; Vcb = 35 м/ч.

Было подтверждено, что порошковая лента ПЛ-Нп-160Х12Г5 обладает хорошими наплавочно-технологическими характеристиками.

Структура наплавленного металла представляла собой: аустенитно-мартенситную матрицу (количество аустенита 60-65 %), армированную карбидами хрома (10-12%).

Как показали результаты эксплуатации 12 плит, наплавленных ПЛ-Нп-160Х12Г5, их долговечность не уступает таковой при использовании ПЛ-АН-101 (ЗООХ28НЗСЗГ2). Фактический экономический эффект от внедрения наплавки 12 плит составил 24502,68 грн., а годовой ожидаемый эффект - 90659,37 грн.

Обшпе выводы

1. В работе использована вместо качественной (описательной) количественная оценка условий ударно-абразивного воздействия с помощью коэффициента динамичности (Кд), предложенного И.В. Петровым. Это позволило осуществить дифференцированный подход при выборе эко-номнолегированных наплавочных материалов системы Ре-Сг-Мп-С для различных условий изнашивания. Получены регрессионные зависимости твердости, фазового состава и ударно-абразивной износостойкости от химического состава наплавленного металла, позволяющие его оптимизировать для различных Кд. Эти зависимости представлены в виде полиномов второго порядка.

2. Показано, что в структуре наплавлешюго металла наряду с мартенситом и карбидами необходимо иметь метастабильный аустенит, количество и степень стабильности которого должны регулироваться с учетом конкретных условий ударно-абразивного воздействия. При малых коэффициентах динамичности (Кд = 1,2-1,4) необходимо иметь следующий химический состав наплавленного металла: 2-2,5 % С, 12 % Сг, 2-3 % Мп. Твердость 45-50 НТ1С. Структура должна быть преимущественно мар-тенситно-карбидной.

Для этих, условий изнашивания легирование наплавленного металла ванадием в количестве до 3 % при одновременном увеличении содержания углерода до 2,5-3,0 % повышает его износостойкость на 10-15 %. Однако, следует учитывать высокую стоимость этого легирующего элемента.

3. С увеличением коэффициента динамичности необходимо уменьшать содержание углерода и увеличивать количество марганца в наплавленном металле. Так при Кд = 3,5 оптимальным является следующее содержание элементов 1,0 - 1,7 % С, 5 - 6 % Мп, -12 % Сг. Твердость < 40 НЯС. При этом следует обеспечивать преимущественно аустенитную структуру. Количество мартенсита и карбидов должно составлять менее 40 %. В рассматриваемых условиях изнашивания легирование ванадием неэффективно.

4. Для различных условий ударно-абразивного изнашивания разработаны следующие наплавочные материалы: ПЛ-Нп-230Х12Г2 и ПЛ-Нп-250X10Г4ФЗ (Кд = 1,2-1,4), ГШ-Нн-200Х12Г2 (Кд= 1,7-2,0), ПЛ-Нн-160X12Г5 и ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд=3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4 -3,5). Разработанные порошковые ленты обладают хорошими наплавоч-но-технологическими характеристиками.

5. Показано, что г, тех случаях, когда после наплавки структура и фазовый состав отличаю 1ся от оптимальных, эффективным способом их регулирования является нормализация. Ее режимы должны выбираться с учетом интенсивности ударно-абразивного воздействия. С увеличением Кд необходимо {'Спользовагь более высокие температуры нагрева при проведении ,нормализации с целью увеличения количества аустенита в структуре счсиени его стабильности.

6. Разработана программа автоматизированного расчета состава шихты порошков!.; \ лент с применением ЭВМ, основанная на использовании расчетного значения коэффициента заполнения (Кз). Это повышает точность расчета я сокращзет время на его проведение.

7. На основании проведенных исследований предложена методика выбора состава порошковых лент системы Ре-Сг-Мп-С применительно к конкретным условиям ударно-абразивного воздействия включающая:

- определение Ю для данных условий работы деталей;

выбор соответствующей математической модели и определение с ее помощью оптимального химического и фазового составов наплавленного металла,

- автоматизированный расчет на ЭВМ требуемого состава шихты порошковой ленты;

- регулирование фазового состава и структуры при отклонении их от расчетных оптимальных значений, за счет корректировки состава шихты порошковых лент или проведения термической обработки (нормализации).

8. Порошковая лента ПЛ-Нп-160Х12Г5, разработанная с использованием предложенной методики, прошла промышленное опробование и была внедрена в условиях ОАО "Азов" для восстановления плит щековых дробилок Кальчикского карьера. Это позволило повысить долговечность деталей в 1,5 раза по сравнению с базовым изделием и получить фактический экономический эффект - 24502,68 грн., при этом ожидаемый годовой эффект составит 90659,37 грн.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Малинов В.Л., Чигарев В.В. Влияние структуры на износостойкость наплавленного металла при различных видах ударно-абразивного износа // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр., вып. 3. - Мариуполь. - 1997. - С. 141 - 144.

2. Малинов В.Л., Чигарев В.В. Методика оптимизации химического состава наплавочных материалов системы Fe-Cr-Mn-C для различных условий ударно-абразивного износа // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та; Сб. науч. тр., вып. 6. - Мариуполь. - 1998 - С. 153-154.

3. Влияние Термической обработки на износостойкость высокоуглеродистых аустенитных сталей, содержащих менее 9 % марганца / Л.С. Малинов, Е.Я. Харланова, В.Л. Малинов и др. // Металлы, 1997. -№6.-С. 74-77.

4. Малинов В.Л., Чигарев В.В. Регрессионный анализ и оптимизация состава наплавленного металла на основе Fe-Cr-Mn-C при различных условиях ударно-абразивного воздействия // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр., вып. 3. - Мариуполь. - 1997. - С. 149-152.

5. Малинов В.Л., Чигарев В.В. Методика автоматизированного расчета порошковой ленты // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр., вып. 3.- Мариуполь. - 1997. -С. 164-166.

6. Белоусов Ю.В., Корягин Е.И., Малинов В.Л. Новые материалы для наплавки деталей металлургического оборудования. // Тез. докл. 4 научн.-техн. конф. "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий". - Запорожье. - Септ., 1992. - С. 226.

7. Чигарев В.В., Малинов В.Л. Разработка экономнолегированного наплавочного материала, стойкого в условиях ударно-абразивного износа. // Тез. докл. 2 регион, науч.-техн. конф. - Том 2. - Мариуполь: Машиностроение. - Май, 1993. - С. 54.

8. Чигарев В.В., Малинов В.Л. Наплавочные материалы на основе высокоуглеродистых сталей, экономнолегировашшх марганцем. // Тез. докл. 2 регион. науч,-техн. конф. - Том 2. - Мариуполь: Машиностроение.-Май, 1993.-С. 55.

9. Харланова Е.Я., Малинов В.Л., Белоногой A.B. Экономно легированные марганцем износостойкие стали взамен 110Г13Л. // Тез. докл. 2 регион. науч.-техн. конф. - Том 1. - Мариуполь: Машиностроение. - Май, 1993.-С. 130.

10. Чигарев В.В., Малинов В.Л. Экономнолегнрованные наплавочные материалы для повышения долговечности деталей машин, подвергающихся ударно-абразивному изнашиванию. // Тез. докл. 6 Междупародн. науч.-техн. конф. "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их

обработки для повышения надежности и долговечности. - Часть 3.

- Запорожье: ЗГТУ. - Сент., 1995. - С. 72.

11. Чигарев В.В., Мапинов В.Л. Разработка экономнолегированных наплавочных материалов // Тез. докл. 4 регион, науч.-техн. конф. - Том 2.

- Мариуполь: Машиностроение. - Апр., 1997. - С. 11.

12. Чигарев В.В., Малинов В.Л. Влияние количества и стабильности остаточного аустенита на износостойкость наплавленного металла // Тез. докл. 4 регион, науч.-техн. конф. - Том 2. - Мариуполь: Машиностроение.-Апр., 1997.-С. 12.

Апотащя

Малшов В. Л. Розробка економнолегованих наплавлювалышх мате-р1алш для пщвищення зносостшкоеп деталей, що пранюють в умовах ударно-абразивного зношування. - Рукопис.

Дисертащя на здобутгя вченого ступеня кандидата техшчних наук ¡3 спешальност! 05.03.06 - Зварювання 1 спорщнеш технологи -Приазовський державний техшчний ушверситет Мнистерства освгги Украпш, Мар1уполь, 1999 р.

Дисертащя присвячена питанию розробки економнолегованих наплавлювалышх матер1атв для пщвищення довгогичиосп деталей, що пранюють в умовах ударно-абразивного зношування. Проведен! систсмш дослщження знососпйкос-п наплавленого металу системи Ре-Сг-Мп-С в умовах ударно-абразивного впливу при рвних коефщктпах динам1чносп (Кд). Встановлеш регресшш залежносп твердосп, фазового складу I ударно-абразивно1 зносостшкоси вщ х1м!чного складу наплавленого мегалу, що стало основою для створення економнолегованих наплавлювальних малеришв.

Запропонована методика вибору складу економнолегованих порошкових стр!чок для р1зних умов ударно-абразивного зношування, що характеризуются Кд. Розроблеш таю наплавлювалып матер1али: ПЛ-Нп-230X12Г2 та ПЛ-Нп-250Х10Г4ФЗ (Кд = 1,2-1,4), Ш1-Нп-200Х12ГЗ (Кд = 1,7-2,0), ГШ-НП-160Х12Г5 та ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд = 3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4-3,5). Запропонована програма розрахунку складу шихти порошкових стр1чок на ЕОМ. Результата робота впроваджеш у ВАТ "Азов" (м. Мар1уполь) при вiднoвлeннi плит щокових дробарок Кальчицького кар'еру. Це дозволило ищвищити довгов1чшсть цих деталей у 1,5 рази, та отримати еконо\нчний ефект 24502,68 грн.

Ключов1 слова: наплавлювальний матер{ал, порошкова стр1чка, коефвдент заповнення, технолога наплавлення, структура, метастабшьний аустешт, ударно-абразивна знососпГнасть, коефщшт динам1чностг

Summary

Malinov V.L. The development of economically alloyed surfacing materials for increase of wear-resistance of parts working in impact-abrasive conditions wearing. - Manuscript.

Thesis for competition scientific degree of Candidate of technical science in speciality 05.03.06 - Welding and related techniques. - Priazovskiy State Technical University. - Ministry of Education of Ukraine, Mariupol, 1999.

The dissertation is devoted to a question of development economically alloyed surfacing materials working in conditions of impact-abrasive wearing. Systematic researches of wear-resistance of Fe-Cr-Mn-C surfacing alloys were carried out. Tlie impact-abrasive wearing conditions are characterized by dynamic coefficient (Кд). Regression dependencies of phase composition, hardness and wear-resistance from chemical composition of the surfacing alloys were obtained. It was used as basis for development of new surfacing materials.

The method of choice of chemical compositions of economically alloyed surfacing materials for various impact-abrasive wearing conditions is offered. The recommendations of rational alloying of powder-cored electrodes and optimum phase structure of surfacing metals are given. On this basis the following powder-cored electrodes: ПЛ-Нп-230Х12Г2 & ГШ-Нп-250Х10Г4ФЗ (Кд = 1,2-1,4), ПЛ-НП-200Х12ГЗ (Кд - 1,7-2,0), ГШ-Нп-160Х12Г5 & ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд = 3,5), ПЛ-Нп-200Х 12Г5 (Кд = 1,4-3,5) were developed. The computer program of determination of powder-cored electrodes composition was developed. The research results were implemented in "Azov" machine building plant (Mariupol) for restoration of jaw-cnisher machine plates. It has allowed to increase durability of these parts in 1,5 times and receive economical effect of 24502,68 grn.

Key words: surfacing material, powder-cored electrode, coefficient of filling, surfacing technology, structure, metastable austenite, impact-abrasive wear-resistant, dynamic coefficient.

Аннотация

Малннов В.Л. Разработка экономнолегнрованиых наплавочных материалов для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - сварка и родственные технологии. - Приазовский государственный технический университет Министерства образования Украины, Мариуполь, 1999 г.

Диссертация посвящена вопросу разработки экономнолегированных наплавочных материалов для повышения долговечности деталей, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. Одной из наиболее

распространенных технологий восстановления деталей и повышения их износостойкости является электродуговая наплавка порошковыми лентами.

В отличие от широко распространенной в литературе качественной характеристики условий ударно-абразивного изнашивания в работе использован коэффициент динамичности (Кд), предложенный И.В. Петровым, позволяющий оценивать их количественно. Для этого исследование износостойкости наплавленного металла осуществляли по 5 схемам ударно-абразивного изнашивания с различными значениями Кд в интервале от 1,2 до 3,5.

Проведены системные исследования износостойкости наплавленного металла системы Ре-Сг-Мп-С в условиях ударно-абразивного воздействия при различных Кд. Установлены регрессионные зависимости твердости, фазового состава и ударно-абразивной износостойкости от химического состава наплавленного металла, что явилось основой для создания эко-номнолегированных наплавочных материалов. Установлено влияние количества и стабильности остаточного аустенита в структуре наплавленного металла на его ударно-абразивную износостойкость при различных Кд.

Предложена методика выбора состава экономнолегированных порошковых лент для различных условий ударно-абразивного изнашивания. Она заключается в определении коэффициента динамичности (Кд) в реальных условиях эксплуатации деталей, выборе для полученного значения Кд соответствующей математической модели, на основании которой рассчитывается требуемый химический состав наплавленного металла. Затем по разработанной программе на ЭВМ рассчитывается состав шихты порошковой ленты.

Даны рекомендации но рациональному легированию порошковых лент и оптимальному фазовому составу и структуре наплавленного металла. С учетом этого разработаны следующие наплавочные материалы: ГШ-Нп-230Х12Г2 и Ш1-Нп-250Х10Г4ФЗ (Кд = 1,2-1,4), ПЛ-Нп-200Х12ГЗ (Кд = 1,7-2,0), ПЛ-Нп-160Х12Г5 и ПЛ-Нп-100Х6Г4 (Кд = 3,5), ПЛ-Нп-200Х12Г5 (Кд = 1,4-3,5). Разработана программа расчета состава шихты порошковых лент на ЭВМ.

Установлено влияние количества и стабильности остаточного аустенита в структуре наплавленного металла на его ударно-абразивную износостойкость при различных Кд. Показано, что при ударно-абразивном воздействии с малым коэффициентом динамичности (Кд = 1,2-1,4) следует иметь преимущественно мартенситно-карбидную структуру наплавленного металла. Напротив, при больших значениях Кд (2,0-3,5) структура должна быть преимущественно аустенитной (у > 60 %).

Показано, что за счет рациональных режимов нормализации наплавленного металла следует регулировать количество аустенита и степень его стабильности по отношению к деформационному мартенситному пре-

вращению, что существенно повышает износостойкость наплавленного металла.

Результаты работы прошли промышленное опробование и внедрены в ОАО "Азов" (г. Мариуполь) при восстановлении плит щековых дробилок Кальчикского карьера. Это позволило повысить долговечность этих деталей в 1,5 раза и получить экономический эффект 24502,68 грн.

Ключевые слова: наплавочный материал, порошковая лента, коэффициент заполнения, технология наплавки, структура, метастабиль-ный аустенит, ударно-абразивная износостойкость, коэффициент динамичности.