автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка методов прогноза структуры и фазового состава износостойких наплавочных сплавов с карбидным и карбоборидным упрочнением

/¿ГУ.* & &» ./

/ ' ' к. ■•

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

у На правах рукописи

Пименова Ольга Валентиновна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗА СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА ИЗНОСОСТОЙКИХ НАПЛАВОЧНЫХ СПЛАВОВ С КАРБИДНЫМ И КАРБОБОРИДНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: проф., д.т.н. Бороненков В.Н.; проф., к.т.н. Королев Н.В.

Екатеринбург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. УВЕЛИЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НАПЛАВОЧНЫХ СПЛАВОВ ПРИ АБРАЗИВНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИХ СТРУКТУРОЙ 6

1.1 Абразивное изнашивание и факторы, определяющие износостойкость материалов 6

1.2 Роль структурного фактора в износостойкости сплавов 12

1.3 Методы прогнозирования структуры металла твердого раствора 21

1.4 Методы прогноза количества и состава упрочняющих фаз в наплавленном металле 39 ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 47

2 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТИПА И КОЛИЧЕСТВА УПРОЧНЯЮЩИХ ФАЗ В ИЗНОСОСТОЙКИХ НАПЛАВОЧНЫХ СПЛАВАХ 50

2.1 Аналитический метод расчета равновесного количества фаз, выделяющихся из многокомпонентных расплавов 50

2.2 Численный метод расчета типа и количества первичных фаз 56

2.3 Расчет состава и количества упрочняющих фаз эвтектического происхождения 60

2.4 Проверка адекватности математической модели образования упрочняющих фаз 73 Выводы по главе 2 77

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА СТРУКТУРЫ МАТРИЦЫ ИЗНОСОСТОЙКИХ НАПЛАВОЧНЫХ СПЛАВОВ 81

3.1 Коэффициенты влияния легирующих элементов на процесс мар-тенситообразования 82

3.2 Определение структуры наплавленного металла в области промежуточного и диффузионного превращений 90

3.3 Структурная диаграмма матрицы износостойких наплавочных

сплавов 99

Выводы по главе 3 107 4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ

НАПЛАВОЧНЫХ СПЛАВОВ 108

4.1 Алгоритм расчетного определения фазового состава и структуры

наплавленного металла 108

4.2 Использование математической модели для прогноза фазового состава сплавов Ре-С-ТьМэ 111

4.3 Выбор состава наплавленного металла 121

4.4 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА 124

4.4.1 Материалы для исследования 124

4.4.2 Методы исследования структуры и свойств 124

4.4.3 Результаты исследований и их обсуждение 128

4.5 Порошковая проволока для износостойкой наплавки 141 Выводы по главе 4 143 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 144 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 147 ПРИЛОЖЕНИЯ 157

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности и конкурентоспособности машиностроительного производства России требует увеличения надежности и долговечности вновь выпускаемого и находящегося в эксплуатации оборудования. Преждевременный износ отдельных деталей приводит к снижению производительности, увеличению простоев и затрат на ремонт оборудования, приобретению дорогостоящих запасных частей, а часто и к снижению качества выпускаемой продукции.

Одним из эффективных способов повышения срока службы деталей и инструментов горного, дробильно-размольного и металлургического оборудования, дорожно-строительных машин является наплавка их рабочих поверхностей износостойкими сплавами. Применение наплавки при изготовлении и ремонте быстроизнашивающихся деталей позволяет не только продлить сроки их службы, но и, в ряде случаев, заменить легированные стали, применяемые для их изготовления, на более дешевые углеродистые.

В настоящее время для упрочнения деталей предлагается широкий выбор материалов, обладающих различными эксплуатационными свойствами, и обеспечивающих получение наплавленного металла различных структурных классов. Конкретные условия рабочего нагружения детали требуют получения определенного структурно-фазового состояния металла. В связи с разнообразием таких условий выбор оптимального состава наплавленного металла часто связан с необходимостью выполнения большого объема экспериментальных работ, не всегда приводящих к желаемому результату.

Данная работа посвящена созданию математической модели, позволяющей прогнозировать структуру и фазовый состав наплавленного металла в широком диапазоне его легирования, и методике использования ее при разработке новых, а также оптимальном выборе существующих наплавочных материалов в зависимости от условий их нагружения.

Для решения поставленных задач предложены термодинамические моде-

ли образования первичных карбидных, боридных и нитридных фаз, уточнена модель образования упрочняющих фаз эвтектического происхождения. На основе структурной диаграммы Потака-Сагалевич для хромоникелевого наплавленного металла разработана структурная диаграмма, позволяющая определить количество образующегося аустенита, мартенсита, бейнита, перлита и феррита в наплавленном металле в широком диапазоне изменения концентрации легирующих элементов в твердом растворе; выполнено ее математическое описание.

На основе этих методов создана обобщенная модель формирования структуры и фазового состава сложнолегированного наплавленного металла и компьютерная программа для расчета типа и количества образующихся упрочняющих фаз, а также структуры матрицы наплавленного металла.

Данная программа использована для анализа фазового состава и структуры ряда типовых наплавочных сплавов и создания нового экономнолегирован-ного наплавочного сплава, предназначенного для работы в условиях абразивного и ударно-абразивного воздействия. Для наплавки этого сплава разработана порошковая проволока ПП-ПМ47, производство которой освоено ТОО «МАНЭПРЕМ».

Автор выражает искреннюю признательность коллективам кафедр «Технология сварочного производства», «Металловедение», Проблемной лаборатории металловедения (УГТУ) и ТОО «МАНЭПРЕМ» за помощь, оказанную при работе над диссертацией.

1. УВЕЛИЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НАПЛАВОЧНЫХ СПЛАВОВ ПРИ АБРАЗИВНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ИХ СТРУКТУРОЙ

1.1 Абразивное изнашивание и факторы, определяющие износостойкость материалов

Износостойкость как общая характеристика сопротивления изнашиванию является одним из основных факторов, определяющих эффективность использования машины данной конструкции [1]. Вследствие износа деталей машин ухудшаются их функциональные качества и энергетические показатели работы, снижается производительность, растет вероятность отказов. Износ деталей вызывает необходимость выполнения ремонтных работ и увеличения затрат на приобретение запасных частей.

Одним из наиболее распространенных видов изнашивания, особенно характерных для условий работы горных и дорожно-строительных машин, дро-бильно-размольного и обогатительного оборудования и др., является абразивное изнашивание.

Абразивным называют изнашивание материала при воздействии на него в процессе трения более твердых («абразивных») частиц [1]. Эффективное повышение износостойкости деталей машин, работающих в условиях абразивного изнашивания, возможно лишь на основе достоверной информации о механизме разрушения металлов абразивными телами; знания процессов, происходящих в изнашиваемом слое под воздействием абразива, и факторах, определяющих способность конструкционных материалов сопротивляться разрушению абразивами.

Различие видов абразива и схем силового взаимодействия его с деталью обусловливает существование ряда разновидностей абразивного изнашивания [2]: при трении скольжения по монолиту абразива; при трении единичными частицами незакрепленного абразива, расположенными между поверхностями трения скольжения; при движении детали в незакрепленной абразивной массе; при качении по монолиту и незакрепленному абразиву; при ударе по различным

видам абразива; при воздействии частиц абразива, движущихся в потоке газа или в жидкости.

Существует несколько гипотез механизма абразивного изнашивания. В.Д. Кузнецов [3] рассматривает этот процесс как сумму большого числа элементарных процессов царапания. В работах М.М. Хрущова и М.А. Бабичева [4] показано, что сопротивление абразивному изнашиванию в общем случае возрастает с увеличением твердости материала. Не все абразивные частицы могут резать металл. Большинство из них оттесняет материал и оставляет след в виде канавки. Однако основным процессом, определяющим износ, является микрорезание.

Главной причиной изнашивания о закрепленные абразивные частицы считается усталостное разрушение микрообъемов металла вследствие многократного пластического «преддеформирования» одних и тех же участков рабочей поверхности [5]. Микрорезание может происходить только при внедрении абразивного зерна на достаточную глубину. При малом углублении возможно пластическое оттеснение металла. Критерием перехода от пластического оттеснения к микрорезанию служит соотношение между глубиной внедрения (к) и радиусом частицы (г) (при к/г <0,3 происходит пластическое оттеснение).

П.Н. Львов [6] считает, что абразивное изнашивание происходит вследствие образования на рабочей поверхности пластически выдавленной канавки с последующим удалением выдавленного металла повторным воздействием абразивных частиц.

Считают также [7], что абразивное изнашивание - один из видов диспергирования или механического разрушения поверхности, которое является преобладающим и осуществляется при условии, когда скорость разрушения вторичных структур, возникающих в процессе трения, превышает скорость их образования.

Б.И. Костецкий [8] показывает, что при абразивном изнашивании микрорельеф, структура и прочностные характеристики металла претерпевают необ-

ратимые изменения, в результате которых формируется своеобразное остаточное состояние поверхностных слоев после снятия нагрузки. Оно оценивается комплексом геометрических параметров поверхности, ее механическими, физическими и химическими свойствами. Остаточные изменения представляют собой механическое упрочнение и разупрочнение, фазовое упрочнение и разупрочнение с изменением химического состава, микрорельефа и напряженного состояния поверхностного слоя. Иными словами, износостойкость определяется не только исходными свойствами металла, но и состоянием его рабочего слоя, сформировавшимся в процессе изнашивания.

Различия в интерпретации механизма абразивного изнашивания говорят о том, что разрушение металлов при этом виде воздействия весьма сложно и состоит из ряда взаимосвязанных процессов. Однако для всех разновидностей абразивного изнашивания общим является прямое внедрение абразивной частицы в поверхность контакта и последующее перемещение по ней (при трении) или вглубь металла (при ударе по абразиву и трении качения). Движение частицы вдоль или вглубь поверхностного слоя металла приводит к его разрушению путем микрорезания, пластического деформирования или выкрашивания. Интенсивность и полнота протекания каждой из составляющих процесса разрушения определяются характером взаимодействия абразивных тел с металлом, а также свойствами изнашиваемого металла.

В большинстве исследований указывается на зависимость износостойкости от отдельных механических свойств материала изделия, чаще всего от твердости, что объясняется простотой определения этого параметра.

Наиболее подробно зависимость износостойкости от твердости материалов в широком диапазоне структурных состояний исследована М.М. Хрущовым с сотрудниками [4]. Ими установлено, что для каждой марки стали существует своя линейная зависимость между относительной износостойкостью и твердостью. С повышением твердости износостойкость чистых металлов и сталей увеличивается. Однако при одной и той же твердости стали различного состава от-

личаются по износостойкости. Ими же показана неравноценность влияния твердости, полученной различными способами, на износостойкость, а также различие этого влияния для материалов с разным типом атомной решетки. Кроме того, установлена зависимость износостойкости от соотношения твердости абразивных частиц (На) и изнашиваемого металла (Нт). Если соотношение На /Нт велико, то оно не оказывает влияния на износостойкость, линейно зависящую от твердости металла. При На!Нт < 1,46 линейная зависимость относительной износостойкости от твердости нарушается и износостойкость сплава увеличивается с уменьшением этого отношения. Если твердость абразива ниже твердости металла, то износ быстро уменьшается с увеличением разницы Нт-На. При На /Нт <(0,7-1,1) износ металла не происходит, а при

На /Нт >{1,3-1,7) износ уже не зависит от соотношения твердости взаимодействующих материалов.

Однако выбор износостойкого материала и режимов его термической обработки из условий получения максимальной твердости не всегда приводит к желаемому результату, поскольку максимальный уровень сопротивляемости абразивному изнашиванию не всегда совпадает с максимальной твердостью [7]. Величина твердости не может дать полного представления о работоспособности материала в абразивной среде, поскольку служит оценкой сопротивления металла пластическим деформациям, но не разрушению.

Приведенные в различных работах данные говорят о том, что, наряду с твердостью, на износостойкость сплавов оказывают влияние и другие их механические свойства. При одинаковой твердости, чем больше прочность металла, тем больше сопротивление его вдавливанию и разрушению, а также выше его износостойкость в абразивной среде [2, 10]. На связь между ударной вязкостью и износостойкостью при динамическом воздействии абразива указывается в работе В.Н. Виноградова [11].

В качестве износостойких материалов чаще всего применяются гетерогенные сплавы. Наиболее износостойкими из них являются те, в структуре ко-

торых в процессе изнашивания происходят фазовые или структурные превращения [7, 12]. В отличие от чистых металлов, для таких сплавов не обнаруживается однозначная зависимость износостойкости от отдельных механических характеристик. Анализ зависимости износостойкости от отдельных механических свойств сплавов показывает, что корреляция между ними наблюдается лишь в ограниченных условиях для определенного структурного состояния изнашиваемого материала. Попытки построить математические модели или найти эмпирические зависимости между износостойкостью в условиях абразивного изнашивания гетерогенных сложнолегированных сплавов, особенно с нестабильной структурой, и их механическими свойствами из-за сложности процесса нагружения и реакции на него изнашиваемого материала на сегодняшний день не увенчались успехом [7].

Подробнее роль структуры и фазового состава в формировании износостойкости гетерогенных сплавов рассмотрена в разд. 1.2.

Весьма перспективным представляется энергетический подход к оценке износостойкости в условиях абразивного разрушения [7, 13, 14], основанный на анализе расхода энергии, сообщаемой металлу абразивным телом в процессе их взаимодействия. Способность металла аккумулировать энергию, передаваемую ему абразивом без разрушения, определяет его износостойкость.

За каждый рабочий цикл абразивное зерно может передать металлу максимум столько энергии, сколько необходимо для его собственного разрушения. Величина износа V будет тем меньше, чем больше энергии может поглотить металл, не разрушаясь (Ет), и чем меньше величина энергии разрушения абразивного материала (Еа) [15]:

К = Л —. (1.1)

Ет

Энергия, поглощаемая металлом, может расходоваться на его упрочнение (еУпР) и разрушение (Еразр):

Ет= ЕуПр+Еразр- (I-2)

Энергия упрочнения складывается из энергии, затрачиваемой на мартен-ситное превращение (Емп); энергии образования новых фаз [Еф); энергии создания внутренних напряжений [Евн); энергии зарождения дислокаций (Ед) и энергии взаимодействия дислокаций (Евз):

Еупр=Емп+Еф+Евн+Ед+Евз. (1.3)

Энергия разрушения включает в себя энергию, затрачиваемую на вдавливание зерна абразива в металл (Евд); энергию разрушения матрицы сплава

(ЕР. матр.) И карбидов (ер к); энергию образования новых поверхностей (Еп):

Ер=Евд+Ерматр+Ерж+Еп. (1.4)

Если сплав не упрочняется при нагружении (Еу = то его износостойкость будет пропорциональна энергии разрушения. При этом наибольший вклад в энергоемкость разрушения будет принадлежать упрочняющим фазам (карбидам, боридам и нитридам). Увеличение твердости приводит к увеличению энергии вдавливания (Евд), чего можно достичь увеличением концентрации углерода в матрице и количества упрочняющих фаз. Таким образом, износостойкость неупрочняющихся сплавов во многом определяется их твердостью, а также типом, морфологией и количеством упрочняющих фаз.

При изнашивании сплавов с нестабильной основой, способной упрочняться под дей�