автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка защитных и восстановительных электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок

од

НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМ1Я НАУК УКРА1НИ Ф1ШКО-МЕХАН1ЧНИЙ 1НСТИТУТ ¡м. Г.В. КАРПЕНКА

РОЗРОБКА ЗАХИСНИХ ТА В1ДНОВНИХ ЕЛЕКТРОМЕТАЛ13АЦ1ЙНИХ ПОКРИТЬ 3 ВИКОРИСТАННЯМ ПОРОШКОВИХ ДРОТ1В

Спещальшсть 05.02.01 - матер1алознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацЙ на здобуття наукового ступени кандидата техшчних наук

СТУДЕНТ Михаиле Михайлович

УДК 626.194: 621.797: 621.793.7

/

Льв1в -1998

Дисерташоо е рукопис.

Робота виконана у Фгзико-мехашчному щституп ¡м. Г.В.Карпенка HAH Украши.

Науковий кер1вник: Заслужений дшч науки i Texfnra Украши, член-кореспондент HAH Украши, доктор техшчних наук, професор Похмурський Василь 1ванович, Фпико-мехатчний шститут ¡м. Г.В. Карпенка HAH Укра1ни, завщувач в1'ддшом ф13ико-х1м1чних методов змщнення матер1ал1в, м. Льв1в

Офщшш опоненти: Лауреат Державно! премп Украши в галуз1 науки 1 техшки, доктор техшчних наук, професор Голубець Володимир Михайлович, Украшський державний люотехшчнш ушверситет Мшосвпп Украши, завщувач кафедрою технологи матер1ал1в, м. Льв(в

кандидат техшчних наук, доцент Арабський Роман Стефанович

Украшська академия друкарства, доцент кафедри технологи 1 матер1алт пoлiгpaфíчнoгo машинобудуванш, м. Льв1в

Провщна установа: 1нститут електрозварювання im. G.O. Патона HAH Украши, вщцш закисних покрить, м. Ктв

Захист вщбудеться " ^ "^^Ау 1998 р. о годит

на засщанш спешашзованоТ вчено! ради Д 04.01.03. у Фгзико-мехашчному шституп iM. Г.В. Карпенка HAH Украши за адресою: 290601, м.Льв1в, МСП, вул. Наукова, 5.

3 дисертащею можна ознайомитись у б1блютещ ФЬико-мехашчного шституту iiu. Г.В. Карпенка HAH Украши за адресою: 290601, м.Льв1в, МСП, вул. Наукова, 5.

Автореферат розюланий "¿Я " о 1998 р.

Вчений секретар ,;

спешашовано! вчено! ради SfUb&JL7 Никнфорчин Г.М.

/

ЗАГЛЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть.

1снуе багато методов реетаврацн та вщновлення розм]р]в деталей машин (наплавка, лриткання пороштв, приварювання стр1чок та шш), яга дозволяють продовжити IX ресурс. При використанш цих метод ¡в деташ нагр1ваються до високо] температури ¡, як наслщок, М1нясться структурно-фазовий стан металу та попршуються показники працездатносп вщновлених деталей.

Електродугове напилення покрить з порошкових дротт (ПД) дозволяе уникнути цих недолшв. П1Д час реставраци детал) нагр1ваються лише до 400...430 К. Електродугова метал1защя (ЕДМ), яка давно I достатньо широко використовуеться для одержання антикорозшнкх цинкових та алюмшквих покрить, не завжди с ефективною при нанесеиш вщновних та зносостшких покрить. Використання, наприклад, дрсгпв з високовуглецевих сталей для вщновлення пар тертя не дае бажаного результату через значне вигорання вуглецю (60...80%) при напилешн, що зумовлюе низьку твердость I зносостшюсть покриття. ЕИдомо, що ЕДМ серед шших способ!в газотершчного напилення с найдешевшим 1 простим способом одержання покрить, не вимагае високовартюного обладнання. Проте, в(до».п схеми формування металоповпряного потоку, яга використано у сершних елеиродугових метал!заторах, не дають змоги отримати високояюсш знососпГта покриття. Тому розробка 1 створення нових електродних матерш1в та досконашшого обладнання для ЕДМ с актуальною для ¡шних галузей техшки. Ншш попередю дослщження показали, що застосування ПД п спешальною шихтою на основ! карбцав та боридш, феросплав1в, порошив методов та оксидт при ЕДМ дозволило б одержувати високолеговаш зносостшю та жаростшю покриття. Проте ввдсутшсть даних про формування покрить з ПД, про взаемозв'язок Х1М1чного складу шихти ПД з властивостами одержаних покрить, стримують широке застосування ПД для напилення покрить.

Мега I задач! дослщження.

На основ; термодинам1чного анатзу реакшй в дуз! та комплексного дослщження законо\ирностей формування покрить та {х властивостей вдосконалити конструкцию металпатора та розробити нов4 склади ПД для отримання зносостшких захисних та вщновних покрить.

Для досягнення мети необхщно було виршшти наступш задач):

1. Вивчити особливост! формування металопов1тряного потоку при ЕДМ з ПД в залсжпосп вщ конструкцн розпилювально! системи та технолопчних парам етрт процесу нанесения покрить.

2. Дослщити спсциф1ку формування покрить в залежносп вщ розм1р1в, температура та швидкост1 нольогу крапель металу.

3. Дослщити законом1рносгп впливу xiMiHHoro складу шихти ПД на структуру нанесеного шару, псрерозподш внутршнк напружень в покритп тд час його нанесения, мщшсть зчеплення покриття з основою, його мщшсть на розрив, жаромщшсть, жароспйисть та твердють.

4. Дослщити працездатшсть отриманих покрить за умов сухого i граничного тертя та абразивного зношування.

5. Розробити обладнання та чехнолопю ыдновлення деталей типу вал з використанням ПД i забезпечити ix впровадження у виробництво. Наукова новизна одержаних результата.

!. Науково обгрунтована можливють використання порошкових електродних дрств для ЕДМ. Опттшовако д)аметр дроту та режими напилення, що забезнечило плавления ecix компоненте ПД за короткий пром1жок часу i'x перебування у 30Hi гopiння електрично! дуги.

2. На ocHoei термодинам!чних розрахунив, вивчення структури та властивостей покрить обгрунтовано виб!р складу шихти ПД, основними компонентами яко) е порошки ферохромбору, ферохрому, алюмнпю, а також, в окремих випадках, графггу.

3. Дослщжено мнетику та мехашзм формування внутршшх напружень у покритп у процеЫ його нанесення. Встановлено, що максимальш напруження розтягу у покритп товщиною 1 мм можуть сягати 45 МПа. Механизм релаксацн них напружень залежить вщ складу шихти та режиме напилення i може реалповуватися через утворення мшротрщнн, виникнення фаз з бшыиим питомим об'емом (мартенситне перетворення) та деформацто пластичних включень, наприклад, алгомншо.

4. Розроблено нов1 схеми диспергування розплаву ПД при ЕДМ (A.c. СРСР №1657230). "Диференцшна" схема, при якш повпря подаеться вздовж кожного електродного дроту, забезпечуе шдвищений гиск розпилюючого пов!тря в зош плавления ПД i

утворення достатньо дргоних краплин (< 150 мкм). "Закрита" схема, при якш дуга горить в канат сформованому стшками сопла, забезпечус ще бшьшу диспергацто краплин (< 50 мкм) i максимальну швидюсть ix польоту (до 130 м/сек), що значно пщвишуе яюсть покрцть. Практичне значения одержаннх результате. Створено ПД (ФМ1-1, ФМ1-2 та ФМ1-3) для реставрацн вузлш тертя, яи працюють за умов граничною i сухого тертя та абразивного зношування, на баз! (ФХБ + А1) та (ФХ + А1) з додаванням графпу. Розроблено техшчш умови на ПД та налагоджено ix сершнс виробництво.

Розроблено два типи нових стащонарних (ГТ-1 та ГТ-2) та ручний (РЕМ-1) електрометашзатори, якт забезпечуготь високу яюсть покрить з ПД, та налагоджено ix др1бносершне виробництво (Ас. СРСР №1484378, №1657230).

Розроблено технологпо процесу pecTaBpanii гладких та колшчастих вал! в легкових i вантажннх автомобиив, компресор^в та локомопшв теплотяпв, яку впроваджено на 30 пщприемствах. Ресурс робота реставрованих колшчастих валт не менший, шж нових.

Нанесення захисннх жаростшких покрить на труби економайзера та на екранш' труби кота в теплових елекгростанцш (температура експлуатацп до 870 К) дозволило у два рази збшьшити мглсремонтний термш експлуатацн котла. Котли п захисними покриттями експлуатуються на Бурштинсьюй, Змивськш та Кривор13ьюй ТЕС. На захист виносяться наступт положения:

1. HoBi розпилгавальш системи, шо забсзпечують гортня дуги у канал! обмеженому стшками сопла, або ж сформованому потоком обтискаючого повпря,

2. Hcbi склади порошкових дрот.

3. 3aKOHOMipHOCTi впливу компонентного складу шихти ПД та парам етр!в напилення на фпико-мехатчт характеристики отриманих покрить.

4. Технологию вщновлення деталей складно! геометрично) форми, а також захисту теплообмшних поверхонь котл1в.

Особистнй внесок здобувача.

Результата дослщжень формування металоповггряного потоку; впливу технолопчних параметров пронесу напилення на фпико-

мехашчш властивосп покрить, анал1з результат та висновки. Розробка технологи нанесения зносостшких покрить з ПД та п практична реал^зашя.

Публ1кацп та апробащя результате дисертацн.

За матер1алами дисертацшно'1 роботи опублжовано 12 статей, отримано 2 авторських свщоцтва СРСР на винахщ. OcHOBui результата роботи доповщались i обговорювались на XI Всес. конф. "Теория и практика газотермического нанесения покрытий", Дмитров, 1988; Всес. сем.-сов. "Достижения в области технологии газотермических покрытий и методы их диагностики", Апатиты, 1989; 1 Mimh. симп. "Фвико-х1М1чна мехашка композицшних матери™", 1вано-Франювськ, 1993; М1жн. конф.-вист. "Проблеми корозн та протикорозшного захисту конструкцшних MarepianiB", JlbBiB, 1994, 1996; 8"' Nat. Conf "Thermal Spray", Houston, 1995, V Ogolnopoiska Konf. "Korozija'96 - Teoria i Praktyka", Gdansk, 1996; Miedzn. Sem. "Inzynieria Powerzchni'97", Warszawa, 1997; Мжн. конф. "Зносостшгасть i надшшсть машин", Хмельницький, 1997; Ogolnopoiska Konf. "Oszczednosci w Energetyce a Inwestycje Ekologiczne", Katowice, 1998.

Структура та обсяг дисертацп.

Дисертащя складасться 31 вступу, 6 роздинв, висновкт, списку лтсратури та 6 додатюв. Загальний обсяг роботи 193 CTopiiwH, включаючи 82 рисунки, 26 таблиць та 160 лп"ературних джерел.

ОСНОВНИЙ 3MICTРОБОТИ

У Bcryni обфунтовано актуальшсть, наукову та пракгичну вагом1сть завдань, ям е предметом дослщжень дисертацшно! роботи.

У першому розлш проанашзовано юнугоч) способи реставраци зношених поверхонь, показано ix переваги та недолки. Розглянуто KOHcrpyKTHBHi особливосп схем реал1заци ЕДМ та зроблено огляд ¡снуючих MaTepiauiB, яю використовують для вщновлення деталей машин. Проанатзовано ф1зико-мехашчш властивосп ¡снуючих електродугових покрить. Показано, шо покриття отримаш внаслщок розпилення сушльних дротт з високовуглецевих сталей (У8, ШХ15), мають низьку твердкль та зносостшюсть через вигорання вуглецю. На основ! проведеного анадву Л1тературних джерел сформульовано мету та завдання роботи.

У другому роздш описано флзичт методи дослщжеиь, використан] в пронес] виконання роботи, зокрема, для оцшки мсхашчних характеристик покрить, визначення 1хньо1 працездатносп' в умовах сухого 1 граничного тертя та абразивного зношування, описано технололю виготовлення ПД.

Третш роздо присвячено гермодинам!чному анализу можливих реакций М1ж компонентами шихти ПД в пропей напилення та вибору найперспектившших вар1анпв компонентного складу шихти ПД для подальших дослщжеиь. ПД внготовляли 31 строчки iз стал1 08сп товщиною 0,4 мм. Дiaмeтp ПД 1 коефпиент заповнення суттево впливають на будову 1 властивосгп покрить. Найкраще сгпввщношення технолопчких 1 експлуатацшних властивостей покрить спостер1гаеться для дрота д1аметром 1,6...2,0 мм. При збшьшенш Д1аметра ПД коефпиент його заповнення зростае, що нроявлясться у зростант твердосп та пористосп покритгя i у зменшент його мщноеп зчеплення (рис. 1). За умов граничного тертя найкращою працездатш'стю шдзначились покриття з ПД (ФХБ + А1) д1аметром 1,6. .1,8 мм при ам1СТ1 А1 у нъому в межах 30...40%. Для покрить, що працюють в умовах абразивного зношування та сухого тертя, найкрахщ показники отримано з використанням ПД дiaмeтpoм 1,8...2,2 мм 1 вм1стом А1 у шихтт 30%.

Рис. 1. Вплив

диметра (1 ПД з

шихтою (60ФХБ+40А1) 20 , .

на: 1 - твердють

покритгя Ш1С, 2 -

15 С1 коефпиент заповнення

С ВД К,; 3 - мщш'сть

10 5

зчеплення покриття з о~ поверхнею напилення ь сги; 4 - пориспсть покритгя П.

Дослщження, здшенеш на модельних ПД Д1аметром 1,8...2,6 мм, показали, що шихта, до складу яко! входять виключно карбщи чи

бориди, не повшсгго плавиться у дуз! 1 тому частково закршлюеться у покрита, а, частково, виноситься повггряним потоком 1 втрачаеться. Специфжа ЕДМ полягае у тому, шо пронес утворення розплаву та його диспергашя вщбуваються нротягом тисячних долей секунди. Оскшьки шихта ПД характеризуемся низькою електропровщгастю 1 плавиться в основному за рахунок рашацшного випром1нювання дуги, важкоплавю компоненти шихти не завжди встигають розплавитись. Для отримання додаткового джерела тепла склад шихти шдбирали таким чином, щоб створити умови для протжання екзотерм1чних реакци М1Ж компонентами шихти ПД. Велика кшьюсть тепла може видшитися при протжанш реакцш м!ж компонентами шихти з утворенням алюмшшв РеА1, №А1, ИА1 (видшяеться вщтовщно 0,71; 1,4 та 1,0 кДж/г) та силщидав Ре351, О^з, Т155{3 (0,5; 0,7 та 2,1 кДж/г). Алюмотерм1чш та сашкотершчщ реакци супроводжуються. ще бшьшим тепловидшенням. При вщновлешп алюмшем оксщцв Ре^Оз, Сг20з, У205 видшяеться вщповщно 3,5; 2,7 та 16,5 кДж/г. При вщновленш кремшем оксиду ТЮ2 видшяеться 3,4 кДж/г. Особливо важливими для шихти ПД е реакци утворення карбдов та ооришз, яга визначають твсрдшть покрить. Видшення тепла при взаемодн Т1 та Сг з В4С становить вщповщно 3,3 та 1,0 кДж/г. Прочее плавления шихти 1 оболонки, а також диспергацй розплаву 1 полпг утворених краплин до поверхш напилення вщбуваеться у повпряному потощ, що зумовлюе протжання реакщй окисления ¡з значшш видшенням тепла. Так при окисленш Ре, А1, "П та видшяеться 5,0, 16,4; 11,7 та 19,7 кДж/г, а при горщж вуглецю - 8,8 кДзк/г. Термодинам1чний анашз показав, що сшикотерм1чш реакци не можуть вщбуватись при температур! виной за 1700 К, оскшьки 1х ¡зобарно-вотерм1чннй потенщал стае позитивним. 1мов1р?псть протжання алюмотерм1Чних реакщй та реакщй синтезу ¿з елемен'пв практично не зменшуеться при температурах 2000...2700 К. 3 тдвищенням температури розплаву 1мовфН1Сть реакщй окисления всьх метагпв зменшуеться, а окисления вуглецю - зростае.

На основ! термодинахпчього анал]зу та попереднк результате дослщжень модельних порошкових дрот1в запропоновано дв! шихтов) комиозицн, м!ж компонентами я ко! можливе протшання реакщй синтезу з елеменпв та алюмотерм!чних реакщй: (ФХБ + А1) та (ФХ + А1) (табл. 1).

Таблиця 1

Марка та х!шчний склад компонента ш;кги ПД_

Шихта Марка комп. гаихти ДЕСТ або ТУ XIм. склад комп. шихти, мае. %

ФХБ +А1 .Шгатура ФХБ ТУ 95. 14.10-93 50 Сг; 20 В; 7 А1; 3 Т); 20 Ре

А1 (ПА-40) 99,3 А1

ФХ+А1+С Ферохром ФХ-800 ДЕСТ 9849-74 73 Сг; 8,3 С; 0,015 Б; 0,014 Р; зал. Ие

А1 (ПА-40) 99,3 А1

Графк (ГТ-1) ГОСТ 4596-75 Зольшсть 7

У четвертому роздин дослщжено конструктивт особливосп метал!затор1в для нанесения покрить з ПД. Сершш мсталттори (ЭМ-14, ЭМ-17) не забезпечують необхщного диспергування розплаву ПД, осюльки формування дуги не завжди забезпечуе плавления упх компонентов шихти. При цьому фракшйний склад краплин з розплаву ПД коливаеться в широкому диапазон! (5...500 мкм), а пориспсть покрить становить - 12... 15%. 3 метою усунення вказаних недолдав запропоновапо нов1 схеми формування металоповггряного потоку, яю умовно названо "диференцшною" та "закритого" (рис. 2). У "диференцшнш" схем; пов1тря, що диспергуе розплав, подасться вздовж кожного з електродних дрота через кшьцепод^бш профшьоваш сопла з центральним ттлом, створюе шдвищений тиск в зон] де вщбуваетъся плавления ПД (зона дуги), що приводить до

а б

Рис. 2. Нош схеми формування металоповпряного потоку в ЕМ: а -"диференцшна"; б - "закрита". 1 - потж повпря; 2 - ПД; 3 - кут розходження металоповпряного потоку (а - 30°; б - 10°...15°).

утворення др1бних за розм1ром краплин (< 150 мкм) розплавленого металу. Металоповпряний струмшь на ишдал! 100 мм бщ дуги мае в перер13! форму елшса ¡з стввщношенням осей 1 ■. (3...5).

При "закритш" схем1 дуга горить у канал) обмеженому корпусом розпилювально} головки електрометал^затора. При цьому повпряняй струмшь диспергуе розплав, утворюючи найдр1бниш краплини (< 50 мкм), як1 мають найвищу швидюсть польоту (до 130 м/с) (рис. 3). 3 допомогою швидюсноУ кшозйомки (~4'10') умовних кадр1в за секунду) показано, що чим менший диаметр розиилено!' краплини, тим бшьша й швидюсть. Краплини, розм1р яких перевищуе 50...80 мкм, ударяючись об поверхню напилеяня деформуються I штенсивно розбризкуються з утворенням вторинних краплин 1 лише ~50% 1х маси вщразу закр1плюсгься на поверхш. 1з збшыиенням розм фу краплин штенсившсть розбрискування зростае. Приблизно 40% вш маси вторинних краплин повертаеться пов1тряним потоком назад 1 оещае на поверхню напилення. Загальш втрати при наииленш на плоску поверхню становлять ~ 30% (за масою).

О -'-1-—9=*

0 100 200 300 400 d , мкм

У п'ятому роздш дослщхсено ф1зико-мсхашчш характеристики покрить з ПД. Показано, що при збшьшенш вмюту алюмшто (до 50%) в ших-п ПД (ФХБ + Al) диаметром 1,8 мм адгез1я та коге31я покрить зростае, а максимальш о кружи i напруження розтягу у них знижуються (рис. 4). Твердють покриття максимальна (HRC 46) при bmíctí алюмш1ю 30%. Рентгеноструктурним аналпом встановлено, що основною структурною складовою покрить с тверД1 розчини В, Сг та Al на ochobí Fea, невелика галыасть FejB i оксид!в залпа.

160

Рис. 3. Швидюсть польоту V та po.iMÍp розплавлеиих краплин d при ЕДМ з використан-ням метал1заторт: ЭМ-14 (1), з "диференцш-ною" (2) та "закритою" (3) схемою розпилення.

Мжроспектральним та а-радюскотчним анализом встановлено, що в структур1 покриття р1вном1рно розподмеш фрагмента, яю мютять понад 80% А1. Для знососпйких покрить, що прашоють в умовах граничного тертя та абразивного зношування, для вщновлення та захисту вщловщальних деталей машин рекомендовано вм1ст адюммию в шихтч ПД на р1вш 30...40%. При вмкт апюмшпо по-за вказаними межами твердость та знососпйюсть покрить зменшуються, а при вм1ст) А1 меннюму за 30% знижуеться ще й Ъшя стшюсть до утворення трнцин.

А1,%

Рис. 4. Вплив вмюту алюмнню в шихп ПД (ФХБ + А1) на ф13ико-мсхашчш характеристики покриття товщиною 1 мм. 1 - максимальш окружш напруження у покритп оок.р; 2 - твсрдють ШС; 3 - мщшсть зчеплення покриття з поверхнею напилення сг„; 4 - мщшсть покриття на розрив сЕ.

На вщмшу вщ ПД з шихтою (ФХБ + А1) ПД з шихтою (ФХ +• А1) забезпечують максимальну твердють покриття (НИС 30) при вм1сп алкшшю до 10% (рис. 5). Подальше збшьшення вм1сту ашомпню зумовлюе зниження твердое-!! покриття. Кр1м того, при вмктс до 10% А1 збер1гаеться низький р1вень максимальних окружних напружень розтягу у покритп (до 10 МПа). При зростант вмкту алюмшю в шихт! ревень напружень у покритп зростае, досягае максимуму (46

МПа) при 40% А1 I зменшуеться до 20 МПа при 70% А]. Адгезия та когез1я похрить зростае у всьому iнтepвaлi концентращй алюмппю (0..70%). У зв'язку з цим для шихтово1 композици (ФХ + А1) рекомендовано два д!апазони вмюту алюмпию в шихтк Шихту з вм1стом 2... 10% А1 рекомендовано для одержання зносостшких покрить при вшновяенш вщповшальних деталей машин, шо праиюють в умовах граничного тертя, а шихту, шо мштить 50...70% А) - для вшновлення роз\ир1в вщповшальних деталей машин шляхом нанесення покриття, яке легко оброблясться рпцем

го С

240 210

180 150 120

50 -т

40 40 -

- го

МПа 30 С 5 30 -

а

У о ?0 -

Ь 20 С 10 -

- 10 0 -

О 10

Рис. 5. Вплив вмюту алюмнпю в шихт! ПД на основ1 (ФХ + А1) на 4нзико-мехашчш характеристики покриття товщиною 1 мм. 1 -мщшеть покриття на розрив <?в; 2 - мшнють зчепл^чня покриття з иоверхнею напилення ст1Ч; 3 - р¡вень максимальних окружпих напружень у покритп о0кр; 4 - твердють ЖС.

3 метою шдвшцення зносостшкосп покрить до складу шихти (ФХ т А!) вводили графи- у кшькосп вщ 5 до 20%. При цьому кшьгасть вуглецю у покритп зростала в1д 0,7 до 1,3%. Рентгеноструктурним анал1зом показано, що при збшьшенн] вмюту вуглецю у покритп юлькклъ залишкового аустешту в окремих випадках збшьшуеться до 60% (рис. 6). Решта структурних складових покриття представляе собою мартенсит, карбщи 1 оксиди зал1за

и

Рентгеноструктурний анашз покрить теля випробувань на тертя виявив перетворення залишкового аустешту на мартенсит у поверхневому uiapi товщиною 20...30 мкм, що, очевидно, i визначае високу зносост)йк)сть покрить, як! м!стять 50...60% залишкового аустешту. Таким чином, за трибодопчними властивостями оптимальний bmíct вуглецю в покритп становить 0,9... 1,3%.

о о

X со

30

20

10-

100

i 80

I

: 80 IL

i 40

! 20 о

Рис. 6. Вплив вмшту вутлецю в ПД на ochobí шихти (ФХ ~ Al) на ф1зико-мехатчш характеристики покрить. 1, 2 - bmíct Fe,, та Fea у покритп; 3 - зное контртша БРС-30; 4 - зное покриття.

Використовуючи методику розр!зного кшьця встановлено загальну законом)'рн1сть кинетики змши внутршшх напружень шд час формування покриття: на початку пронесу нанесения покриття у ньому виникають напруження стиску, я кг в MÍpy збшьшення товщини покриття, трансформуються у напруження розтягу. Максимальш миттев! напруження розтягу можуть сягати 46 МПа. При подальшому нарощуванш товщини покриття, а також при його охолодженш, в!дбуваеться релаксашя внутршшх напружень шляхом:

• утворення в них мжротрмцин;

• протыкания фазових перетворень, при яких об'см новоутворено{ фази збшьшуеться, для прикладу, при перетворенш Fe, => Fea;

• пластично! деформаци бшьш м'ягких зерен покриття.

Встановлено зв'язок м1ж способом релаксаип напружень шд час нанесения покрить i ix мщнктю. Мтмальна мщтсть (50...70 МПа)

вщповщае релаксаци напружень шляхом утворсння мжротрвдин у покритп, а максимальна (200...300 МПа) - фазових перетворень Реу => Реа (для шихти (ФХ + А1)), або - пластично! деформацн в'язких складових (для шихти (ФХБ + А!)).

Експериментально показано, що покриття, отримаш з ПД (ФХБ + А1), добре працюють в умовах абразивного зношування. 1хня зносостшюсть в 3...6 раз1в виша, шж еталону з чавуну СЧ-18-36 1 в 4 рази вища поршняно ¡з знососпйюстю покрить, огриманих розпиленням суцшьних дрота (У8, 65Г). Покриття з ПД характеризуются також вищою зносостшюстю пор)вняно з плазмовими покриттями (ПГ-10Н-01, ПС-12НВК) 1 деякими литими матер1аламк (сталь 45, ПН80Х20).

Оцшка зносостшкостз за умов граничного тертя з вкладками БРС-30 показала (рис. 7), що найкраоц показники виявили покриття з ПД (ФХБ + А1) та (ФХ + А1 + С). Висока зносостшюсть таких покрить зумовлена Ы високою м1кротверд!стю (для покрить з ПД (ФХБ + А!) -6-10'...9 -10' МПа, а з ПД (ФХ + А1 + С) - 4,5-10,...6,5103 МПа).

20 0,2

о 10

с

о

0

1

со

□

ч

га

ю

80,1

г

со

□

п

1

Рис. 7. Пор^вняльна зносостшкють пар тертя "покриття - контрило БРС-30". Шлях тертя 2-Ю4 м, У= 0,67 м/с, Р = 5 МПа. 1 - сталь 45 (ЖС 52) - еталон; 2, 3 - слектродугове покриття з ПД вщповщно з шихтою (60 ФХ + 2 А1 + 20 С + 18 Ре) та (60 ФХБ + 40 А1); 4 -електродугове покриття з сушльного дроту ¡з стал! У8; 5 - плазмове покриття ¡з порошку ПГ-19Н-01.

О

4

Запропоноваш покритгя з ПД (ФХБ + А1) е також перспективними для захисту в',д високотемпературно! газово! корози вуглецевих сталей. Випробування при 973 К показали, шо найкраиц показники жаростшкосп забезпечують покриття лсговаш Сг, В ] А1 або Сг 1 В. Чим вища гетерогеншстъ покриття тим нижча його жароспйюсть, оскшьки штенсивно окяслюються в першу черту гранищ зерен. Протягом перших годин випробування спостерхаеться аномально високий прир1ст маси покриття. При подалышй витримщ ней показник стабшзусться на низькому р1вш. Це зумовлено значною пориспстю покриття, що полегшуе доступ киснго у його внугршпн шари. Утворення оксидно!' пл1вки протягом першого стапу випробування блокуе пори 1 подальше окисления може вщбуватися лише з поверхю. Випробування на довготривалу мшшсть зразюв ¡з стал) 45 з покриттям з ПД (60 ФХБ + 40 АЗ) дтметром 1,8 мм показали, що при температур! 823 К 1 а = 10...30 МПа час до !х руйнування збшьшуеться вдвга. Збшьшуючи Д1аметр ПД до 2,6 мм, можна досягнути покращення характеристик жароспйкос-п покриття за рахунок зростання вмкту легуючих елемента у скла;и ишхти.

У шестому роздин приведено практичш рекомендацц щодо застосування покрить з ПД. Показано, що ресурс реставрованих колшвалш зростас пропоршйно до твердося пскрить з ПД (ФХБ + А1). Встановлено, що покриття з ПД (ФХ + А1) легше пщдаються мехатчнш обробш шл!фуванням (к'.льшсть правок цшфувальних крупв алмазним отвцем зменшуеться у 3...4 рази пор1вняно з покриттями з ПД (ФХБ + А1).

Налагоджено сершне виробництво ПД (ФХБ + А1) з торпвельною маркою ФМ1-2, який використовуегься для реставрацп колшчастих ва'ив легкових та вантажних автомобили, компресор!в, теплотяпв, а також для захисту вщ абразивного зношування теплових елементсв котл1в електростанцш. На сьогодн! вже виготовлено 1 передано замовникам близько 100 тон такого дроту. За ресурсом робота реставроваш колшчаст! вали не поступаються новим. Нанесення захисних жароспйких покрить на труби економайзера та на екранш труби котл1в теплових електростанцш (температура експлуатацн до 873 К) дозволило у два рази збшьшити м^жремонтний ч ермш експлуатацн котла. Котли ¡з захисними покриттями з ПД експлуатуються на Бурштинсьюй, Змйвсьш! та Кривор^зькш ТЕС.

Державне мале тдприемство "Газотермк" при ФМ1 HAH Украши виготовляе розроблеш нами елеетродугорд метал1затори др^бнимн партами, як\ устшно використовуються на десятках дшьниць з реставраци колшчастих в ал ¡в (Локомотиво-ремонтш заводи у 1вано-Франювську, Тамбов!, Великих Луках; гадприемства Агротехсерв(су),

висновки

1. Досшджено ганетику краплеутворення при використанш pi3imx схем диспергацн розплаву ПД. Запропоновано hobi конструкцп розпилювальних головок для метатзатора, яю забезпечують горшня дуги у канал!, утвореному стшками розпилювально'1 головки. Швидюсть диспергованих частинок при цьому становить 50... 130 м/с, що забезпечус високу адгез>ю нокритгя з поверхнею (40...50 МПа).

2. Встановлено загальну законом1ршсть юнетшш формування внутршшх напружены на початковому еташ напилення у покритп випикають напруження стиску, яю поступово переходять у напруження розтягу, величина яких зростае п збшьшенням товщини покритгя. Встановлено зв'язок мгж способом релаксацп напружень шд час нанесення покрить i i'x мшшспо. Мшмальна мщтсть (50..,70 МПа) вщповщае релаксацн напружень шляхом утворення MiKpoTpiiuHH у покритп, а максимальна (200...300 МПа) - фазових перетворень FeY => Fe« (для шихти (ФХ + AI)), або - пластично! деформацп в'язких складових (для шихти (ФХБ + AI)).

3. Термодинам1чним анализом та калориметричними дослщженнями обгрунтовано виб!р базових компонента ПД: (ФХБ+А1); (ФХ+А1). Для шихти на основ) ферохромбору найкращий комплекс триболопчних характеристик покрить реал1зуеться при rmicti алюмишо 30...40%, а для шихти на основ! ферохрому - 2...10%. Додавання графп-у до (ФХ+А1) приводить, з одного боку, до зниження когезн та адгезй покрить, а, з шшого, - до пшвищення його зносостшкосп внаслщок збшьшення кшькосп залишкового аустен!ту.

4. Ренггенограф1чними дослшженнями показано, що покриття з ПД (ФХ + 2... 10%AI), в якому е вщ 0,9 до 1,3%С, листать понад 40% залишкового аустешту. При граничному терп в поверхневому uiapi

глибиною 20... 30 мкм залишковий аустешт частково перетворюеться в мартенсит.

5. Внаслшок оптим^зацн складу шихти ПД розроблено техтчш умови на порошковий дрп- п шихтою (60% ФХБ + 40% А1), який рекомендовано для реставраин колшчастах вал1в легкових та вавтажних автомобшв, KOMnpecopiB та локомотивов, а також для захисту елементтв шшв теплових електростанцш.

6. Нов! електродугов! металпатори, ПД та технолопю напилення впроваджено на 30 Д1льницях для нанесення вцщовних та захисних покрить на Konimac-ri вали та пню детал).

ПУБЛ1КАЦН ЗА МАТЕР1АЛАМИ ДИСЕРТАЦШНО! РОБОТИ

1. Похмурский В.И., Пих B.C., Студент М.М. Основы формирования защитных и восстановительных покрытий электродуговым напылением из порошковых проволок // Физ. - хим. механика материалов. -1986. -№6. - С. 11-16.

2. Похмурский В.И., Студент М.М., Пих B.C. Порошковая проволока для электродуговой металлизации // Труды Всес. сем.-сов. "Достижения в области технологии газотермических покрытий и методы их диагностики". - Апатиты: Кн-т Химии КНЦ АН СССР. - 1989.-С. 172-175.

3. Защитные и восстановительные электрометаллизационные покрытия из порошковых проволок / В.И. Похмурский, B.C. Пих, М.М. Студент, М.А. Тыхан // Сб. научн. тр. "Новые процессы и оборудование для газотермического и вакуумного покрытия". -Киев: ИЭС АН УССР. - 1990. - С. 66-69.

4. Похмурский В.И., Пих B.C., Студент М.М. Особенности электродугового напыления с применением порошковых проволок // Автоматическая сварка. -1991. - №11. - С. 64-68.

5. Влияние конструкционных особенностей распылительных головок электродуговых металлизаторов на технологические и прочностные параметры покрытий / В.И. Похмурский, B.C. Пих, М.М. Студент, М.А. Тыхан П Труды науч.-техн. сем. "Новые процессы и оборудование для нанесения покрытий". - Крым. -1991. -С. 57-58.

6. Похмурский В.И., Студент М.М. Защитные и восстановительные ' электрометаллизационные покрытия из порошковых проволок // Труды сем. экон. ком. ООН "Новые материалы и их применение в

машиностроении". - Киев: Орг. ком,- 1992. - С. 1-8.

7. Студент М.М., nix B.C. Залежшсть pißiw залишкових напружень В1Д складу покритъ i режимш електродугово1 метал ¡зацн // Ф13.-х1,ч. мехашка матер!алт. - 1993. - №5. - С. 46-52.

8. Pokhmursky V.l., Student М.М. Nickel-Free Powder Wires for Electric Arc Spraying of restoring and wear-proof coating // Proc. 8-th Nat. Conf. "Thermal Spray". - Houston: Texas. - 1995. - P. 695-697.

9. Electric arc sprayed power wires coatings / M.M. Student, I.J. Sydorak, Ja.W. Syriwka, U.W. Dzioba // Proc. Y-th Polish. Conf. "Theory and Practice" (Corrosion'96). - Gdansk (Poland). - 1996. - S. 735-738.

10. Сидорак 1.Й., Студент M.M. Обладнання та технололя нанесения захисних електрометал1зацшних покрить з порошкових дротов // Пращ III м1жн. конф.-виставки "Проблеми корозн та протикорозшного захисгу конструкцшних MaTepianiB" (Корозья-96). - Jlbfiie: ФМ1 HAH Украши. - 1996. - С. 210-214.

11. Pokhmursky W., Sydorak I., Student M. The electric arc spraying of protecting and restoring coating using powder wires // Miedzynar. Semin. "Inzynieria powierzchni'97. Technologie-Urzapzenia-Badania". - Warszawa: Ins. Mcch. Precyzyjnej. - 1997. - S. 153-160.

12. 3HococrifiKi ra30TepMi4Hi покритгя з порошкових дротзв системи Fe-Cr-C / B.I. Похмурський, B.B. Широков, М.М. Студент, M.B. Довгуник, I.И. Сидорак И Проблема трибологп. - 1997. - №3. - С. 48-56.

13. A.c. №1484378 СССР, МКИ В 05 В 7/22. Проволочный электродуговой металлизатор / В.Г. Вабищевич, A.M. Пришляк, Н.Д. Осташевский, A.A. Кметь, В.И. Похмурский, М.М. Сгудент, М.А. Тыхан, B.C. Пих (СССР). - Л» 4272856/31-05; Заявлено 25.05.87; Олубл. 07.06.89, Бюл. № 21. - 5 с.

14. A.c. №1657230 СССР, МКИ В 05 В 7/22. Распылительная головка к элекггрометаллизатору / В.И. Похмурский, М.М. Студент, B.C. Пих, М.А. Тыхан (СССР). - № 4663677/05; Заявлено 12.12.88; Опубл. 23.06.91, Бюл. №23.-3 с.

АН0ТАЦ1Я

Студент М.М. Розробка захисних та вшновних електром еталi защйних покрить з використанням порошкових дроттв. -Рукопие.

Дисертащя на здобуття вченого ступеня кандидата техтчних наук за спешалынстю 05.02.01. - матершюзнавство. - Ф^зико-мехадачний шститут im. Г.В. Карпенка HAH Укранш, Льв!в, 1998 р.

Здшснено тсрмодина.м1чний анализ ¡мов1рннх реакшй, яю можуть вщбуватися в npoueci плавления порошкових дрот. Визначено х1м:чний та фазовий склад покрить з порошкових дрота з шихтою на ocHoei (ферохромбор + AI) и (ферохром + AI), ix твердють та мшшсть зчеплення, триболопчш характеристики при абразивному зношуванш та граничному тсрп. Показано, що висока зносостшюсть покрить з порошкових дрота з шихтою на 0CH0Bi (ферохром + AI) зуыовлена динам1чним перетворенням залишкового аустешту в мартенсит у npoueci тертя. Вивчено особливосгп утворення крапель з розплаву порошкового дроту та ix оадання на поверхню напилення, закономфносп перерозподшу внутршлпх напружень у покриттях у npoueci i'x нанесення. Опти.чпзовзно склад порошкового дроту i розроблено технологию вщновлення деталей, що експлуатуються в умовах абразивного зношування та граничного тертя.

Ключов1 слова: електрометал1зацшш покритгя, вщновлення, захист, шихта порошкового дроту.

АННОТАЦИЯ

Студент М.М. Разработка защитных и восстановительных электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Физико-механический институт им. Г.В.Карпенко HAH Украины, Львов,1998.

Проведен термодинамический анализ вероятных реакций, которые могут происходить в процессе плавления порошковой проволоки. Определены химический и фазовый состав покрытий из порошковых проволок с шихтой на основе (феррохромбор + Ai) и (феррохром + Ai), их твердость и прочность сцепления, трибологические характеристики при абразивном износе и граничном трении. Показано, что высокая

износостойкость покрытий из порошковых проволок с шихтой на основе (феррохром + А1) обусловлена динамическим превращением остаточного аустенита в мартенсит в процессе трения. Изучены особенности каплеобразования из расплава порошковой проволоки и осаждения капель на поверхность подкладки, закономерности перераспределения внутренних напряжений в покрытиях в процессе их нанесения. Оптимизирован состав порошковой проволоки и разработана технология восстановления деталей, эксплуатирующихся в условиях абразивного износа и граничного трения.

Ключевые слова: электромегаллизационные покрытия, восстановление, защита, шихта порошковой проволоки.

ABSTRACT

Student MM. Development of Restoration and Protection Electrometallization Coatings Using Powder Wires. - Manuscript.

Dissertation for a degree of Candidate of Sciences (Engineering) in speciality 05.02.01. - materials science. - Karpenko Physico-Mechanica! Institute of the NAS of Ukraine, Lviv, 1998.

Thermodynamic analyses of the most probable reactions which could take place in powder wire alloys during the coatings process have been performed. Physical and mechanical properties of the powder wire coatings, namely their chemical and phase compositions, hardness, mechanical adhesion with the underlie, tribologic characteristics of abrasive wearing and boundary friction conditions, that were obtained from the mixtures of FeCrB and Al, and FeCr and Al, have been determined. It was shown, that the high wear resistance of the FeCr+Al -based powder wire coatings is caused by dynamic transformation of the residual austenite phase into the martensite. Peculiarities of the melted powder wire drop formation and their precipitation on the underlie surface conditions have been studied. Initiation and redistribution of the internal stresses in the electrometallising coatings during the process of the electrometallising has been studied as well. The powder wire composition was optimized and the process technology for refurbishing structural elements that operate under abrasive wearing and boundary friction conditions has been developed.

Key words: electrometallization coatings, restoration, protection, • powder wires mixture.

Вцщруковано з готових орипшшв. Сиоаб друку р1зограф1я. Обсяг 1 друк. лист. Тираж 100 Льв1в. ВКП"ВМС"(0322) 421-041