автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологических основ износостойкой электронно-лучевой наплавки в вакууме самофлюсующихся порошковых материалов

I Г 5 АЛЦЗ^рКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.И.И.П0ЛЗУН0ВА

> О ИЮН 1994

На правах рукописи

Шевцов Юрий Олегович

УДК 621.791.72.92

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ИЗНОСОСТОЙКОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКИ В ВАКУУМЕ САМОФЛЮСУЩИХСЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 1994

Работа выполнена в Проблемной лаборатории "Процессы свг и создания защитных покрытий" Алтайского государственно: технического университета им.И.И.Ползунова

Научный руководитель - академик Международной академии

(МАН) ВШ, член - корр. Академии инженерных наук (АИН) РФ, Засл. деятель науки и техники РФ, лаур Ленинской премии, доктор техниче наук, профессор В.Г.Радченко

Научный консультант - доктор технических наук,

доцент М.В.Радченко

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.Е.Гончаров кандидат технических наук, с.н.с. A.C. Хохловский

Ведущая организация - АО "Алтайский научно-исследовательс институт технологии машиностроения" (АНИТИМ)

Защита состоится "2.9» июня 1994 г. в Ю час.

на заседании специализированного совета К 064.29.05 при

Алтайском государственном техническом университете

им. И.И.Ползунова (АлтГТУ) по адресу:

656099, Россия, г.Барнаул - 99, пр.Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университе

Автореферат разослан мая 1994 г.

Ваши отзывы (в двух экземплярах, заверенных гербовой п чатью), просим направлять в адрес университета на имя уче ного секретаря совета.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

; ^^^-.-.ФРИДМ,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Одной из основных задач машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин, отдельных узлов и механизмов. Существенный резерв увеличения срока службы деталей и инструментов - образование на поверхности этих деталей и элементов слоев и покрытий, обладающих высоким уровнем требуемых функциональных свойств - износостойкости, твердости, коррозионной стойкости и др. Среди существующих энерго - и ресурсосберегающих технологий все более заметную роль приобретают процессы с использованием высококонцентрированных потоков энергии, таких, как плазменная струя, световой и лазерные лучи, -высокоэнергетические пучки релятивистских электронов и низкоэнергетические электронные пучки. Электронно-лучевая наплавка (ЭДН) пучками низкой энергии благодаря ряду преимуществ (более высокий, чем при лагерной наплавке к.п.д., значительно меньшие энергозатраты, вакуумная дегазация и рафинирование наплавляемого материала, возможность полной автоматизации процесса) является од-■шм из наиболее перспективных методов нанесения покрытий.

Несмотря на явные технико-экономические преимущества процесса ЭЛН,- в настоящее время он остается малоизученным как в теоретическом, так и в практическом аспектах, что сдерживает широкое внедрение электронно-лучевой технологии в серийном производстве.

Необходимость широкого внедрения процесса ЭЛН порошковыми материалами в различных отраслях промышленности, разработки спе-даализированного оборудования и автоматизации ЭЛН предопределяет актуальность задачи исследования и разработки рациональных режи-юв ЭЛН, обеспечивающих качественную наплавку при высокой произ-зодительности и минимуме энергетических затрат.

Работа выполнена в Проблемной НИЛ "Процессы сварки и соэда-[ия защитных покрытий" и в Зональной межвузовской НИЛ электрон-ю-лучевой технологии (НИЛ ЭДТ) Алтайского государственного тех-[ического университета (АлтГТУ) в рамках программ, включенных на инкурсной основе: в ГНТП "Перспективные материалы" (1990...91 '.г.), Республиканскую НТП "Исследование, разработка, освоение и шуск мелкосерийной и малотоннажной наукоемкой продукции для »траолей народного хозяйства РФ" (1992 г.), Республиканскую меж-

вузовскую НТП "Сварочное производство"(1992.. .94 г.г.), Рес диканскую НТО "Перспектива" (1990 г.), Республиканскую НТП ' нические университеты России" (1993...94 г.г.).

Цель работы. Разработка технологических основ прямой Э1 ронно-лучевой износостойкой наплавки в вакууме порошковых а люсующихся материалов системы Nl-Cr-B-Si.

Для достижения этой цели в работе были поставлены след) научные и прикладные задачи:

- выполнение анализа, обоснования и выбора порошковых ь риалов для нанесения износостойких защитных покрытий и дат шего конструирования порошковых составов с требуемыми физике ханическими свойствами; разработка устройства для подачи пс новых материалов в зону наплавки в вакууме;

- выполнение теоретических исследований теплового состс сплавов в процессе ЗЛН для определения влияния технологиче параметров наплавки на основные факторы, ответственные за фо рование качественных наплавленных слоев;

- экспериментальное определение влияния основных технол ческих параметров процесса ЗЛН на геометрические характерно наплавленных слоев;

- определение физико-механических свойств порршковых на вок (твердость, микротвердость, износостойкость, пластичное полученных в различных технологических вариантах; установл зависимости прочностных свойств наплавок от их структурных х, теристик и энергетических параметров электронного луча; иссл вание взаимосвязи структурно-фазовых изменений с характернее износостойкости слоев, наплавленных электронным лучом в ваку

- разработка технологических режимов нанесения упрочнят покрытий методом ЭЛН порошковых сплавов в вакууме на детали шин и инструмент.

Методики исследований. Расчеты и исследования тепла состояния сплавов в процессе ЭЛН выполняли с использованием тематической модели в виде.программ для персонального компы pa IBM PC/AT. Программы для расчетов теплового состояния ш бесконечного тела, нагреваемого сканирующим по пилообразной i ектории электронным лучом, разработаны по гаданию межвузовс НИЛ алт в ИЭС им.Е.О.Патона АН Украины (д.т.н. В.Ф.Демчеш к.т.н. А.В.Мужиченко) и в ИТФ СО РАН (к.ф.-м.н. А.П.Гиря).

Технологические исследования выполнялили на электронно-лу-[евой установке ЭЛУ-1М с источником питания У-2Б0А.

Микроструктурные исследования и профилографирование поверх-юстей наплавок проводили на оптических микроскопах: "№ор-ю1-21", "МеорЬо1-32", МИМ-8М и электронном растровом "Тез1а 5-300" (ЧССР). Фазовый анализ осуществляли с помощью рентге-:овских дифрагсгометров ДР0Н-2.0 и ДР0Н-УМ1. Твердость и микрот-ердость наплавленных слоев измеряли по стандартным методикам на риборах ТК-2 и ПМТ-ЗМ.

Исследования износостойкости проводили по модернизированной етодике со схемой изнашивания неподвижно-закрепленными чаотица-и абразива.

Прочность и плкзтичность наплавленных слоев исследовали на агрывной машине УШ-10ТМ с помощью раэработаного высокоинформа-ивного и чувствительного метода путем определения деформации окрытия до разрушения при его растяжении, позволяющего получать иаграммы деформации именно для защитного слоя и определять пре-елы прочности наплавленных слоев, а также с помощью метода рехточечного изгиба.

Использование современных приборов, оборудования и методик ^следований и анализа для решения поставленных в диссертацион-эй работе задач позволило обеспечить достоверность полученных эзультатов.

Научная новизна. Расчетным путем установлено, что в диапа-эне удельных мощностей от 1,96-Ю5 до 3,08-105 Вт/см2 (при ус-эряющем напряжении иа = 22 кВ, токе луча 1д » 70...110 шА и диметре пятна нагрева с!п = 1,0 мм) и при скоростях движения луча лае 0,2 см/о скорости охлаждения расплава достаточны для обра-звания мелкозерностой структуры наплавленного металла; в диапа-зне скоростей движения луча от 0,1 до 0,5 см/с создаются усло-1Я для активного удаления из расплава неметаллических включе-м, а частота сканирования не оказывает значительного влияния ^ температуру нагрева, время пребывания металла в жидком состоит и скорость охлаждения расплава.

Впервые экспериментальным путем получены данные о влиянии жовных технологических параметров процесса прямой порошковой Ш в вакууме (удельная мощность - ч, определяемая через ускоряла напряжение - иа, ток луча - 1л, скорость движения луча -

Од, рабочее расстояние от среза желоба питателя до изделия -массовый расход порошка - 6П, угол наклона желоба питателя -на геометрические характеристики наплавленных слоев (высота ширина - В наплавленного валика, глубина проплавления - Ьп коэффициент перемешивания - ть-

Получены новые количественные данные о вэаимосвязии мех ческих свойств (твердость - НИЗ и микротвердость - Нд) с роструктурой наплавок. Установлено, что в наплавленных слоя никелевой основе со структурой легированного аустенита возм получение твердости порядка 62...63 Н1?С за счет формирования действием электронного луча мелкозернистых равномерно распр ленных по объему карбидных и боридных включений.

Разработана методика определения показателей механиче< свойств наплавленных слоев и выявлены взаимосвязи их предел деформации - ер, предела прочности - бв и предела текучест: бо. 2 со структурой и удельной мощностью электронного луча - ( Установлена качественная и количественная взаимосвязь ш зателей износостойкости в зависимости от исходного фазового > тава исследуемых материалов и конечной структуры наплавлен) слоя. Разработаны научно обоснованные рекомендации по управл! формированием микроструктуры и фазового состава наплавок с ц( повышения износостойкости создаваемых защитных покрытий.

Разработан новый состав наплавочного материала на основ* ыофлюсующихся порошков, обеспечивающий стойкость наплавле] слоев против абразивного изнашивания в условиях сухого тренш 4,3 раза выше, чем материал основы, а твердость - до 70 I Состав защищен авторским свидетельством на изобретение.

Практическая ценность. На базе результатов исследова! выполненных в рамках диссертации, разработаны конкретные те? логические процессы ЭЛН ряда деталей и инструмента; наплава рабочие поверхности пальцев, седел и сфер запорной арматуры с циальной конструкции для перекачки грунтосадержащей водя пульпы из подземных шахт, а также режущие кромки дисковых для деревообработки, которые были испытаны на АО "ЭТ2М" и А "МЭТ" (г. С.-Петербург). Суммарный расчетный экономический фект от использования технологий на предприятиях составляет тысяч рублей в год (в.ценах 1990 г.).

Диссертационные исследования и разработки используютс

- Б -

учебном процессе АлтГТУ при выполнении дипломных проектов , лабораторных занятии и научно-исследовательских работ студентов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических исследований теплового состояния ¡плавов в процессе ЭЛН порошковых материалов сканирующим элект-юнным пучком в вакууме;

- результаты экспериментальных исследований влияния основных технологических параметров процесса прямой порошковой ЭЛН в |акууме на геометрические параметры наплавленных валиков;

- установленные взаимосвязи показателей износостойкости издаваемых защитных покрытий со структурно-фазовым составом [дплавленных слоев металла;

- разработанный состав порошкового твердого сплава для до-юлнительного повышения износостойкости наплавленных покрытий;

- разработанная методика исследования прочности и пластич-юсти наплавленных слоев с помощью растяжения.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены [а Региональных научно-технических конференциях "Инструменталь-юе обеспечение автоматизированных систем механообработки (г.Ир-утск, 8...11 октября 1990 г.), "Порошковые материалы и покрытия" [г.Барнаул, 25...26 сентября 1990 г.), "Теплофизика технологи-[еских процессов" (г.Рыбинск, 23...25 сентября 1992 г.), на Роо-¡ийских республиканских конференциях "Прогрессивные технологии [роизводства, структура и свойства порошковых изделии, компози-(ионных материалов и покрытий" (г.Волгоград, 29...20 сентября

992 г.), "Электронно-лучевая сварка" (г.Москва, 12...13 октября

993 г.), на IV, Украинской республиканской конференции "Современ-ие покрытия и используемые материалы" (г.Харьков, 20...22 нояб-1Я 1990 г.), на Межреспубликанской конференции "Применение им-[ульсных методов и обработки давлением для производства порошко-;ых изделий, композиционных материалов и покрытий" (г.Волго-рад, 9...10 октября 1990 г.), на советско-американской конфе-юнции "Новые материалы и технологии в трибологии" (г.Минск, ...9 ноября 1992 г.), на 5-й Международной конференции по элек-ронно-лучевой технологии (г.Варна, Болгария, 30 мая...6 июня 991 г.), на объединенном научно-техническом семинаре кафедр варки и металловедения АлтГТУ и АО "АНИТИМ" (апрель 1993 г.).

- б -

Научно-техническая продукция, изготовленная по теме рабо экспонировалась на Всероссийских выставках (Новосибирск, Моек 1993 год).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, том числе авторское свидетельство на изобретение и 4 отчета научным темам, прошедщих государственную регистрацию.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит введения, пяти глав, общих выводов, содержит 126 страниц маши писного текста, рисунков - 46, таблиц - 9, список литературы держит 110 наименований, а также приложения на 4 страницах, том числе акты внедрения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сфор] лирована ее цель и дана общая краткая характеристика работы.

В первой главе выполнен аналитический обзор технической . тературы по созданию износостойких слоев различными метод; наплавки. Анализ рассмотреных работ показал, что электронно-; чевая наплавка порошковых сплавов в вакууме, сочетающая прет щества вакуума как защитной среды, в которой допвлнительно вс можно рафинирование и дегазация расплава, особенности низкоэн« гетического потока энергии, достоинства порошковых материале обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с традш онно применяемыми методами и является одним из наиболее перспс тивных процессов создания поверхностей деталей машин и инсц мента с заданными служебными свойствами, имеющим самостоятелы научное и прикладное значение.

Широко известны работы, в которых рассматриваются различи аспекты создания защитных покрытий с использование энерг электронных лучей таких авторов, как Б.Е.Патон, Н.А.Ольшанскк И.В.Зуев, Б.А.Мовчан, О.К.Наэаренко, А.Л.Тихоновский, Г.А.Меся И.Л.Поболь, С.И.Белюк, В.В.Башенко, Л.П.Фоминский, Р.А.Салимс В.А.Стародубцев, Д.В.Ценников, и др.

Однако, несмотря на большое количество научных публикаци разные исследователи подходили к вопросу о выборе технологиче ких параметров процесса создания защитных покрытий электрс но-лучевым оплавлением поверхности сплавов с различных позицк

в основном определенных конкретными технологическими задачами.

На момент начала исследований в технической литературе только эпизодически появлялись сведения о возможности наплавки электронными пучками низких энергий в вакууме порошковых сплавов (в работах сотрудников межвузовской НИЛ ЗЛТ) и некоторых характеристиках наплавленных слоев металла. Чаще всего авторы работ ограничивались констатацией факта повышенной твердости и иногда износостойкости наплавленных слоев по сравнению с материалом основы.

В литературе практически отсутствуют количественные данные о взаимосвязи таких важных для практики эксплуатационных характеристик, как износостойкость, прочностные свойства наплавок, макро- и микроструктуры основного и наплавленного металла и основных параметров процесса прямой порошковой ЭЛН в вакууме. Не приводятся данные о создании простых и надежных методик определения деформационных, характеристик электронно-лучевых наплавок. Отсутствуют подробные описания амплитудно-частотных характеристик сканирования электронного луча в вакууме при ЭЛН.

Мало освещены вопросы влияния легирующих элементов на свойства наплавленных защитных покрытий. Однако, создание композиционных слоев, сочетающих в себе относительно мягкую и пластичную матрицу и вводимых в нее высокотвердых упрочняющих частиц, является одной из самых перспективных областей использова-шя электронно-лучевой наплавки в вакууме.

Среди всего комплекса параметров ЭЛН, обеспечивающих полу-гание качественного наплавленного слоя, наиболее сложно обеспе-шть стабильность подачи порошка. Тем не менее, в рассмотренных >аботах не показан надежно работающий в условиях вакуума порош-совый питатель. Подача порошка в зону действия теплового источ-[ика осуществляется методом насыпки на упрочняемую поверхность с юсдедующим оплавлением , что значительно снижает технологичес-ме возможности порошковой электронно-лучевой наплавки в вакууме.

В отдельных публикациях изложены основные принципы органи-'ацш! процесса наплавки электронным лучом в вакууме порошковых плавов, но не приводятся сведения о возможности их распростра-ения на конкретные технологические задачи.

Поэтому, в соответствии с общей целью работы были поставле-ы изложенные выше научные и прикладные задачи, которые в про-

цессе выполнения исследований были полностью решены.

Во второй' главе выполнен анализ и обоснование выбора мат риалов для наплавки; сформулированы требования и разработан э фективно работающий в условиях вакуума питатель для подачи п рошковых материалов непосредственно в зону наплавки электронн лучом в вакууме; для исследований по разработке технологическ основ ЭЛН модифицирован прибор управления лучом; экспериментал но-аналитическим путем создана методика прямой порошковой а лек ронно-лучевой наплавки в вакууме; модернизированы и разрайота методики изучения физико-механических свойств наплавленных по рытий, описаны использованные методики исследований микрос руктуры и фазового состава наплавок.

Как известно, эффективность противодействия наплавленн слоев абразивному изнашивании определяется твердой мартенситн основой или наличием большого количества частиц твердой фа (карбидов, боридов тугоплавких металлов), распределенных в вя кой матрице, например, на основе г- фазы. Таким строением обл дают твердые сплавы особого класса - износостойкие металлическ материалы, имеющие высокую твердость и сохраняющие ее при пов: ценных температурах в процессе эксплуатации.

Среди широкого спектра выпускаемых отечественной промьшле: ностью твердых сплавов известны высоколегированные самофлюсующ еся порошки аустенитного класса системы Ni-Cr-B-Si ПР-Н70Х17С4Р4, ПГ-СРЗ, ПГ-СР4, ПС-12НВК-01, ПГ-ЮН-01, котор широко применяются в методах напыления для восстановления и у рочнения различных деталей в автомобилестроении, сельскохоаяй твенном машиностроении и других отраслях.

В таких порошковых сплавах наличие хрома содержанием от до 18 X обеспечивает антикоррозийность, а образование в структ ре покрытия упрочняющей фазы - сложных карбидов, боридов и сил: цидов, обуславливает повышенную твердость и износостойкое Последние две характеристики наплавок из этих порошков превыша аналогичные показатели покрытий из широко применяющихся в тех» логиях напыления, плазменной и ТВЧ-наплавок порошков ПГ-С1 (coi майт), ПГ-УС25, ПГ-С27, ПН70Ю30, ПН85Ю15 и порошковых смео ПС-14-60, ПС-14-80. Стоимость хромоникелевых порошков по орава нию со стоимостью вольфрамосодержащих твердых сплавов Релит "3 ВК-25 (28,8 и 38,8 рублей за килограмм в ценах 1990 г.) невели

и в зависимости от химического и гранулометрического состава находится в пределах от 7 до 15 рублей за 1 килограмм. Хорошая смачиваемость сплавов на основе Ш., низкая температура плавления (температура плавления эвтектики 1050 °С), а также наличие флю-сообразующих компонентов в исходном составе предопределяет равномерность распределения легирующих элементов в материале наплавленного слоя, эффективность и технологичность процесса ЭЛН.

С учетом изложенных особенностей порошковых сплавов системы Ш-Сг-В-51 последние были приняты за основу в качестве используемых в выполненных исследованиях.

На основе длительных экспериментальных исследований разработана научно обоснованная методика, содержащая схему, перечень условий и диапазоны технологических режимов, соблюдение которых позволяет эффективно проводить процесс прямой порошковой электронно- лучевой наплавки в вакууме.

Для определения деформационных характеристик наплавок апробирована методика трехточечного изгиба. В ходе испытаний образцов с наплавленными покрытиями проводили измерение параметров процесса тензометрическим силоизмерителем и деформометром с одновременной записью диаграммы "сила - прогиб". Величина удлинения крайнего волокна в зависимости от прогиба образца определялась по формулам, учитывающим перерезывающие силы, т.к. образец является короткой балкой:

Д = 6 Ы0/П-2 + 2,4Ь2 (1 + |1)] , (1)

где И - высота образца, мм; £о ~ прогиб, мм;

Ь - расстояние между опорами, мм; и - коэффициент Пуассона.

Растягивающие напряжения при изгибе в слое:

б - РиагНо /М , (2)

'Де Риаг " изгибающее усилие, кгс;

J - момент инерции поперечного сечения, кг*мм2; 1о - расстояние от слоя до нейтральной оси, мы.

С целью получения более точных данных разработана мето-;ика исследования пластичности и прочности с помощью растя-¡ения наплавленных слоев, более информативная и чувствительная, [ем первая. Она позволяет при испытании наплавленного слоя вмес-■е о подложкой построить диаграмму деформации именно для защит-

ного слоя. При построении диаграмм были использованы закономе, ности, установленные для композиционных материалов:

Ей - Есл'Усл + Em'Vm , С

бк ** 6Cji'VCfl + би'Уи , (

где Ек и бк - модуль упругости и среднее напряжение композицио: ного материала;

ЕСл и бел ~ то же для наплавленного слоя;

Ем и би ~ то же для матрицы;

VCji и VM - объемные доли для слоя и матрицы.

Для удобства расчетов напряжений объемные доли можно зам нить величинами толщин наплавки и матрицы. Тогда формула для Mi териала матрицы примет вид:

бел ■ 3,35 б0ёр - 2,35 бu * (I

где боер - напряжение образца.

По построенной диаграмме возможно более точное определен] деформации до разрушения и предела прочности, чем по методи трехточечного изгиба.

Третья глава посвящена теоретическому изучению теплов1 процессов в зоне формирования наплавляемого защитного покрыта Расчеты и исследования выполняли с использованием математичесю модели в виде программ для персонального компьютера IBM PC/A' Программы базируются на известных выражениях академика Н.Н.Рык; лина для точечного источника нагрева, движущегося по полубеси нечному телу с постоянной скоростью при постоянной мощности Они позволяют рассчитать термические циклы нагрева и охлажден! сплавов в процессе ЭЛН и распределение температур по глубине м< талла.

На основании полученных кривых нагрева и охлаждения сплавс (рис.1) определены зависимости основных параметров, играющих oi ределяюшую роль в формировании структуры, прочностных и пласт! ческих свойств покрытий (скорость охлаждения в интервале темпе ратур кристаллизации - 0ОХЛ, время пребывания металла в жидке состоянии - Х]_, глубина противления - hnp, высота наплавленнш валика - Н), от основных технологических параметров процесса 3J (удельной мощности - q (рис.2), скорости перемещения луча - Oj частоты сканирования электронного луча - f). Как известно, скс рость охлаждения при кристаллизации расплава предопределяет раг меры карбидных фаз и зерен наплавленного металла, а время нахол

дения металла в расплавленном состоянии ограничивает процессы удаления из него окислов, неметаллических включении и легирующих элементов. Таким образом, проведенные расчеты позволяют априори определить влияние основных технологических параметров процесса ЭЛН на физико-механические свойства и геометрию наплавленных защитных и упрочняющих покрытий и значительно сократить количество экспериментальных исследований.

Параметры процесса ЭЛН варьировали в следующих диапазонах:

- удельная мощность (при ускоряющем напряжении иа - 22 кВ, токе луча 1л = 70.. .150 шА, диаметре электронного пучка сЗп - 0,1 см), ч, Вт/см2................................1,96*105.. .4,2*105

- скорость перемещения луча см/с............ 0,1...0,5

- частота сканирования Г, Гц........................ 5...25

Расчетные зависимости получены при значениях амплитуды сканирования - А = 1,0 см - одной из наиболее часто используемых в практике электронно-лучевой наплавки. Учитывалась пилообразная траектория сканирования луча. В качестве модельного материала был выбран высоколегированный сплав Х20Н80 с известными теплофи-зическими характеристиками , близкий по химическому составу к исследуемым самофлюсуицимся сплавам.

Проведенные теоретические . исследования теплового состояния сплавов в процессе электронно-лучевой наплавки в вакууме позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Математическая модель, использованная в расчетах, адекватно отражает реальные теплофизические процессы, которые происходят в расплаве в процессе электронно-лучевой наплавки и во время кристаллизации наплавленного валика и позволяет в исследованных диапазонах режимов установить закономерности влияния основных теплофизических параметров ЭЛН в вакууме на характеристики расплава и закристаллизованного металла.

2. Во всем рассматриваемом диапазоне скоростей движения электронного луча создаются условия для активного удаления неметаллических включений; скорости 0Л выше 0,2 см/с являются необходимыми для создания условий, при которых скорости охлаждения засплава достаточны для образования мелкозернистой структуры в наплавленном металле.

3. Частота сканирования электронного луча незначительно шшет на время пребывания в жидком состоянии и скорость охлаж-

дения расплава во всем диапазоне исследуемых параметров, и влиянием можно пренебречь при разработке реальных техно, ческих процессов ЭЛН конкретных деталей и инструмента.

4. При увеличении удельной мощности в пятне нагрева лш увеличивается время пребывания металла в жидком состоянии и бина проплавления подложки. В диапазоне удельных мощност* 1,96'105 до 3,08-105 Вт/см2 (при ускоряющем напряжении иа кВ, токе луча 1л = 70... 110 шА и диаметре пятна нагрева с1п ■ мм) скорость охлаждения расплава достаточна для образования козернистой структуры наплавленного металла. При удельной ности ч = 4,2'105 Вт/см2 и выше происходит значительный пер< металлов подложки и наплавленного слоя, возможно их значите; перемешивание, растворение упрочняющей карбидной фазы в а; нитной матрице и потеря требуемых характеристик, которые 1 обеспечить исходный фазовых состав наплавляемого порошка.

5. Полученные в результате расчетов количественные вал мерности влияния основных технологических параметров ЭЛН на исходящие в расплаве теплофизические процессы позволяют сн] количество экспериментов по определению зависимостей физию ханических свойств наплавляемых защитных и упрочняющих пок| от структуры и режимов прямой электронно-лучевой наплавки в кууме порошковых самофлюсующихся материалов.

В четвертой главе изложены результаты исследований вл! основных технологических параметров ЭЛН на геометрию наплав ных валиков. Исследованы структурные изменения в наплавках полненных электронным пучком из износостойких материалов си< Ш-Сг-В-Б!. Определены зависимости физико-механических св< наплавок (твердость, износостойкость, прочность и пластичн! от структурных и технологических параметров.

Впервые установлено, что при прямой наплавке электр лучом в вакууме порошковых материалов наибольшее влияние на метрические параметры наплавленных валиков - высоту - Н, ш. - В и глубину проплавления - ИПр оказывают удельная мощное® (ток луча - 1л и ускоряющее напряжение - иа), скорость дви луча - 0Л и массовый расход порошка - Бп- Другие параметры : чи порошка (дистанция подачи - 1р й угол наклона подающего ; ба - се*) не оказывают значительного влияния на геометрию на ленных валиков (рис.3).

Установлено, что в процессе электронно-лучевой наплавки в акууме порошковых самофлюсующихся сплавов на основе N1 формиру-тся структура, представляющая собой т - фазу - дендриты стаби-изированного аустенита, между ветвями которых равномерно расп-эделены мелкодисперсные включения боридов и карбидов хрома типа гВг, СгзСг, СггзСб- Такая структура предопределяет высокие по-азатели износостойкости в условиях сухого трения о жесткозак-эпленные абразивные частицы.

Были проведены сравнительные испытания износостойкости са-зфлюсующихся сплавов на основе N1 при сухом трении о закрепление частицы абразива (удельная нагрузка на образец Руд - 4 'мм2). Как видно из рис.4, лучшие результаты показали образцы с шлавкой на основе порошка - ПГ-СР4.

Испытаниям на износостойкость были также подвергнуты образ-^ с покрытиями из сплава ПГ-СР4, наплавленными на шести режимах эи различной удельной мощности от 1,5 •105 до 4,2'105 Вт/см2, ия получения более подробной картины износа удельная нагрузка 1 образец Руд была увеличена до 8 г/мм2. Как следует из рис.5, (Гчшую износостойкость имеют слои, наплавленные при удельной щности в диапазоне от 1.9Б-105 до 2,52'105 Вт/см2. Полученные шные коррелируются с предыдущими исследованиями,4 показавшими, го именно в этом диапазоне режимов наплавки самофлюсующиеся шавы имеют наиболее измельченную структуру и более равномерно юпределенные кристаллические образования карбидных и карбобо-вдных фаз.

Результаты исследований по профилографированию поверхностей шфов на сканирующем электронном микроскопе ВБ - 300 "Тез1а" >зволяют сделать вывод о различном механизме изнашивания покры-и, наплавленных на плотностях мощности 1,5 -105 Вт/см2 и I « 2,5-105 Вт/см2. Изучение поверхностей шлифов слоев, наплав-¡нных на плотности мощности - 41 показало, что очагами разруше-[я являются первичные крупные кристаллы упрочняющей фазы, явля-[иеся концентраторами напряжений матрицы твердого раствора на '.нове никеля. В покрытиях, наплавленных на плотности мощности -1 мелкодисперсное строение упрочняющих фаз способствует образо-дию более гладкого рельефа поверхности, практически лишенного трых выступов. Разрушение наплавленного по первому режиму ватного слоя при изнашивании происходит за счет выкрашивания от-

дельных крупных карбидных составляющих. Повышенная дисперс» структуры покрытий, полученных на третьем режиме, снижает к чество очагов разрушений, что положительно сказывается на и состойкости в целом. При повышении плотности мощности до 4 Вт/см2 карбидные фазы растворяются в сравнительно мягкой ау нитной матрице и не препятствуют процессу удаления матер наплавки при срезании его частицами абразива.

В результате исследований были выявлены взаимосвязи изм ния износостойкости наплавленного сплава ПГ-СР4 от различных ловий испытания, т.е. при различных эернистостях шлифовал шкурки и удельной нагрузки на образец.

Задача дальнейшего повышения эксплуатационных свойств а тронно-лучевых наплавок, в частности, износостойкости, сдерж ется возможностями серийно выпускаемых порошковых материа Поэтому было проведено изучение влияния дополнительно ввод легирующих компонентов в материал матрицы - самофлюсующегося рошка ПР-Н70Х17С4Р4 на формирование структуры, твердость, и состойкость наплавленных электронным лучом слоев. В резуль исследований установлено, что дополнительное легирование сос порошка системы Ш-Сг-В-Б! карбидами хрома, ванадия, ниоС диборида хрома по 10 % повышает твердость наплавок в 1,3 р износостойкость в 4,3 раза по сравнению с материалом матЕ

Для износостойких порошковых наплавок системы Ш-Сг-выявлены структурные характеристики и режимы наплавки, позвс щие обеспечивать наибольшую трещиностойкость покрытия в услс изгибающих нагрузок, а также структуру, благоприятную для I кого сопротивления покрытия абразивному изнашиванию.

В пятой главе на базе разработанных технологических с прямой порошковой электронно-лучевой наплавки в вакууме про! ден выбор оборудования, материалов, режимов, разработаны пр1 собления для ЭЛН уплотнительных поверхностей запорной па| котельной и трубопроводной арматуры и режущих кромок дис! пил для деревообработки. Промышленные испытания запорной ар> ры с наплавленными уплотнительными поверхностями показали 1 шение долговечности в 2,5 раза по сравнению с ненаплавлеш стойкость дисковых пил с наплавленными режущими кромками : чем у пил из быстрорежущей стали Р6М5 в 3,6 раза. Определен! циональные области использования прямой порошковой элек

з-лучевой наплавки в вакууме, представлены образцы деталей и яструмента с покрытиями, выполненными прямой порошковой ЭЛН в экууме.

В приложении приведены акты производственных испытаний де-элей и инструмента с защитными и упрочняющими покрытиями с ука-анием экономического эффекта от - использования • разработанных эхнологий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Диссертационная работа посвящена решению актуальной пробле-л повышения надежности и долговечности деталей машин и инстру-энта путем создания на изнашивающихся поверхностях упрочняющих защитных покрытий с высокими показателями твердости, износос-эйкости методом прямой электронно-лучевой порошковой наплавки в акууме.

В рамках выполненных в диссертационной работе исследований целаны следующие выводы.

1. На основании технико-экономического анализа существующих аплавочных материалов установлено, что в качестве материалов пя износостойких наплавок наиболее рационально использовать са-эфлюсующиеся порошки на основе N1 о легирующими добавками Сг, В

51; сформулированы требования и разработано устройство для по-ачи порошковых материалов непосредственно в зону наплавки пектронным лучом в вакууме; модифицирован для наплавки прибор правления лучом; экспериментально-аналитическим путем разрабо-эна методика прямой электронно-лучевой порошковой наплавки в акууме.

2. Теоретически, с использованием математической модели роцесса ЭЛН в вакууме, установлено, что в диапазоне удельных эщностей от 1,96'105 до 3,08'105 Вт/см2 (при ускоряющем напря-ении 11а = 22 кВ, токе луча 1л = 70.. .110 шА и диаметре пятна агрева с1п = 1,0 мм) и при скоростях движения луча выше 0,2 см/с корости охлаждения расплава достаточны для образования мелко-эрностой структуры наплавленного металла; в диапазоне скоростей вижения луча от 0,1 до 0,5 см/с создаются условия для активного цаления из расплава неметаллических включений, а частота скани-звания не оказывает значительного влияния на температуру натре-

ва, время пребывания металла в жидком состоянии и скорость лаждения расплава.

3. Впервые установлено, что при прямой наплавке электри лучом в вакууме порошковых материалов наибольшее влияние на 1 метрические параметры наплавленных валиков оказывают удел! мощность (ток луча и ускоряющее напряжение), скорость движе луча и массовый расход порошка, а другие параметры подачи по{ (дистанция подачи и угол наклона подающего желоба) не оказш существенного влияния на геометрию наплавленных валиков. Вг ленные зависимости являются базовыми данными для получения р< мов процесса ЭЛН широкой номенклатуры деталей.

4. Установлены режимы, на которых в процессе электронно-чевой наплавки в вакууме порошковых самофлюсующихся сплавов основе Ш формируется структура, представляющая собой г - фа: дендриты стабилизированного аустенита, между ветвями коте равномерно распределены мелкодисперсные включения боридов и I бидов хрома типа СгВ^, СгэСг, СггзСб, с твердостью до 63 1 Такая структура предопределяет высокие показатели иэносостош ти в условиях сухого трения о жесткозакрепленные абразивные < тицы. Полученные данные позволяют разработать рекомендацш управлению формированием микроструктуры и фазового составе целью получения защитных покрытий с максимальной износос! костью.

5. Разработан высокоинформативный и чувствительный м< исследования пластичности и прочности наплавленных слоев щ определения деформации покрытия до разрушения при его раст: нии, позволяющий получать диаграммы деформации именно для за! ного слоя, а также определять пределы прочности.

Установлено, что максимальная пластичность и прочность < ев достигается при наплавке при удельной мощности электрон] луча в пятне.нагрева от 3,64'Ю5 до 4,2-105 Вт/см2.

6. Выявлено, что при дополнительном легировании матрич) состава износостойких порошковых сплавов системы Ш-Сг-1 при суммарном содержании карбидообразующих фаз в пред* 35...45 2 показатели износостойкости повышаются в 4,3 раз. сравнению с материалом основы, а твердость - до 70 НИЗ.

7. На основании разработанных в диссертации технологиче« основ прямой электронно-лучевой порошковой наплавки в вак

5раны материалы, разработаны режимы и приспособления для ЭДН нотнительных поверхностей запорной паровой котельной и трубоп-зодной арматуры и для наплавки режущих кромок дисковых пил для ревообработки. Суммарный расчетный годовой экономический эф-ít от использования разработанных технологий составляет 570 зяч рублей (в ценах 1990 года).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Радченко М.В., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О. Упрочнение по-эхности деталей и инструмента электронным пучком в вакууме// зтрументальное обеспечение автоматизированных систем механооб-5отки: Тез. докл. научно-техн.- Иркутск, 1990.- С. 87-88.

2. Радченко М.В., Косоногое E.H., Шевцов Ю.О. Создание за-гных поверхностей на элементах котлоагрегатов злектроннолуче-л способом //Порошковые материалы и покрытия: Тез.докл. 3-й зональной научн.-техн. конф.- Барнаул, 1990.- С. 80-81.

3. Радченко М.В., Радченко В.Г., Батырев Н.И., Шевцов Ю.О. следование физико-механических свойств сплавов, упрочненных эктронным пучком в вакууме, с целью разработки технологических эцессов упрочнения поверхности деталей и инструмента //Отчет гПИ о НИР. Г. р. N 01900063690.- Барнаул, 1990.-,46 с.

Ай Радченко М.В., Шевцов Ю.О. Создание защитных покрытий эктроннолучевым способом //Применение импульсных методов и об-5отки давлением для производства порошковых изделий, композитных материалов и покрытий: Тез. докл. межреспублканской ф.- Волгоград.- С. 52-53.

5. Радченко М.В., Шевцов Ю.О. Исследование износостойнос-электроннолучевых наплавок // Современные методы наплавки, эочняющие защитные покрытия и используемые материалы: Тез. сл. IV Украинской республиканской конф.- Харьков,1990.- С.

г-108.

6. Radchenko M.V., Shevtsov J.O., BatyrevN.I. Metallurgi-L coating made by electron beam surfacing // 3 Int. Conf. on îctron beam techn.- Varna, Bulgaria, 1991.- P. 487.

7. A.c. 1812815 СССР, МКИ3 С 22 С 19/05 Порошковый твердый 1ав /М.В.Радченко, Ю.О.Шевцов, И.В.Быковский, Е.Н.Косоногов, З.Горобец, В.В.Игнатьев (СССР). Заявлено 04.09.90.; опубл. ,10.92.

8. Радченко М.В., Шевцов Ю.О., Быковский И.В. Hai электронным пучком рабочих поверхностей запорной1 api //Электронно-лучевая сварка: Тез. докл. Всесоюзн. конф.- Hi ев, 1991.- С. 27.

9. Радченко М.В., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О. и др. лексные исследования процесса упрочнения сплавов элект| пучком в вакууме //Отчет о НИР. Г.р. N 01920011Q75.- Baj 1992.- 68 с.

10. Радченко М.В., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О. и др. I дование физико-механических свойств сплавов, упрочненных : ронным пучком в вакууме с целью разработки технологических цессов упрочнения поверхности деталей и инструмента //Oí НИР. Г.р. N 01900063690.- Барнаул, 1992.- 48 с.

11. Радченко М.В., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О. и др. F ботка научных основ технологических процессов поверхностно! рочнения и создания новых материалов и защитных покрытий с лексом физико-механических свойств на основе использс электронных пучков в вакууме //Отчет о НИР. Г.р. N 01920019 Барнаул, 1992.- 45 с.

12. Radchenko M.V., Shevtsov J.Q. Anticorrosive coatin de by electron beam surfacing //New materials and technol in tribology: Jhe joint Soviet-American conf. with intern, ticipation.- Minsk, Byelarus, 1992.- P. 173.

13. Шевцов Ю.О., Утемесов M.A., Радченко М.В., Рад В.Г. О взаимосвязи технологических параметров процесса нал и теплофизичеСких свойств защитных покрытий //Теплофизика т логических процессов: Тез. докл. VIII научн.-техн. конф. бинск, 1992.- С. 22.

14. Радченко В.Г., Радченко М.В., Шевцов Ю.О. Сравните испытания твердых сплавов на сопротивление механическому из ванию //Прогрессивные технологии производства, структу свойства порошковых изделий, композиционных материалов и п тий: Тез. докл. Российск. респ. научн.-техн. конф.- Волго 1992.- С. 45-46.

15. Шевцов Ю.О., Быковский И.В., Радченко М.В. Исследо взаимосвязи структурно-фазового состояния и физико-механич свойств электронно-лучевых износостойких наплавок //Электр лучевая сварка: Тез. докл. научн.-техн. конф.- М., 1993.- С

- 19 -

Влияние удельной мощности на характер термических циклов

3,2 см/с; Г=20 Гц; 1>л=0,2 см/с; 20 Гц; 0Л=0,2 см/с; (=20 Гц 1,96-105 Вт/см2 д = 3,08-105 Вт/см2 q = 4,20'105 Вт/см2 а) б) в)

Рис.1

Влияние удельной мощности на глубину проплавления, время пребывания металла в жидком состоянии и скорость охлаждения расплава «

2 3 у-Ю'Ъг/сн1 О 2 Ъ у/О-'Вг/см* О ' 2 3 уЮ^Вт/а*

0Д = 0,2 см/с; f = 25 Гц а) б)

Рис.2

В)

- 20 -

Влияние основных технологических параметров прямой порошко: в вакууме на геометрию наплавленных покрытий

МП

мн

3

г 1

И в

Я П •о.

У г Ьп*

у

12 11 10 9

о 70 зо но тъ.тА

20 22 иА,кВ

иа=22 кВ; Бп»!,5 КГ/Ч; 1р=10 мм; 1л=90 шА; Вп=1,5 КГ/Ч; 1Р»

«ж=»45°; йл= 2 мм/О а)

с<ж=45°; Од =2 ММ/0 б)

ММ

4

кг н

N Ю «

Л/т/» X

■о—

В,МП

ш

3 2 1

О г,5%,МНЮ

в Н

V — и-- *

ь.

- егз — к. [т г-

О 0,5 %а 1,542,0 йл.кг/4

д=2,Б2-105 Вт/см2; 0П=1,5 кг/ч; д=2,52'105 Вт/см2; 1Р=Ю ш

0^=45°; 1р=10 мм в)

оСж=45°; йл=2 мм/с г)

\НМ

; ММ

2 г 1

я —\ в

ч £ — ■

> ЛяР

В,п»

МП

0 5

1? го С^еич

// —\ В

_ 1 Ьпг 1—

V 1 -

0 20 30 40 50 ¿X,град

д=2,52*105 Вт/см2; Бп=1,5 кг/ч; ч=2,52'105 Вт/см2; Вп=1,5 к <*ж=45°; \>л=2 мм/с 1Р=10 мм; йл=2 мм/с

Д) в)

Рис.3.

гетика абразивного износа самофлюсующихся сплавов после ЭЛН

лМ/5-Юг 5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0 ю го зо нзг.мин

• сталь Ст.45; 2 - ПР-Н70Х17С4Р4; 3 - ПГ-12Н-03; 4 - ПГ-СР4 м: а = 2,52'10® Вт/см2 (иа = 22 кВ, 1л = 90 шА, =1,0 мм)

Рис.4

!равнительные испытания наплавленных слоев порошком ПГ-СР4 на различных режимах ЭЛН

1 - (Ц = 1,5*105 Вт/см2; 2 - 42 = 1,96-Ю5 Вт/СМ2;

3 - - 2,52-105 Вт/см2; 4 - 44 ■= 3,08' 105 Вт/СМ2;

5 - 45 = 3,64-105 Вт/см2; 6 - дв » 4,2-105 Вт/см2

(иа = 22 кВ, 1д = 60...150 шА, сЭп = 1,0 мм)

Рис.5

) 1

¿1 -—' 2

} I > 3

/ г / *4

РЧ Мч