автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и свойства стальных и чугунных отливок, армированных твердым сплавом

/ > л ,/ У 1

/ у Т о

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи

Васильев Дмитрий Геннадьевич

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК, АРМИРОВАННЫХ ТВЕРДЫМ СПЛАВОМ

Специальность 05. 16. 01. - "Металловедение и термическая

обработка металлов"

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

докт. техн. наук В. Л. Гиршов;

докт. техн. наук, проф. Ю. В. Шахназаров.

Санкт - Петербург - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................4

1. Анализ проблемы и постановка задач исследования ...................7

1.1 Общие проблемы повышения абразивной

износостойкости................:.........................................................7

1.2. Использование композиционных материалов

для повышения износостойкости............................................10

1.3. Постановка задач исследования..............................................22

2. Материалы и методика исследований............................................25

2.1. Армирование стальных и чугунных отливок........................ 25

2.1.1. Армирующие элементы и материалы отливок............... 25

2.1.2. Технология армирования отливок................................. 25

2.1.3. Армирование порошковых материалов

и покрытий.........................................................................33

2.2. Методика исследования композиционных зон....................... 35

3. Результаты микроструюурных и микрорентгеноспектральных исследований композиционных зон................................................ 37

3.1. Структура армированных стальных отливок......................... 37

3.2. Структура армированных покрытий............... ..................... 48

3.2.1. Дуговые покрытия.......................................................... 48

3.2.2. Плазменные покрытия ...................... ............................... 51

3.3. Структура армированных порошковых материалов

и чугунных отливок................................................................... 54

Выводы по разделу............................................................... 60

4. Компьютерное моделирование теплового взаимодействия

стали и твердого сплава.............................................................. 64

4.1. Моделирование и обработка результатов ........................... 64

4.2. Результаты компьютерного моделирования......................... 65

4.3. Формирование композиционной зоны стальной

отливки....................................................................................... 72

Выводы по разделу.................................................................... 75

5. Твердость и износостойкость композиционных зон............... 76

5.1. Твердость композиционной зоны и объемная доля

структурных составляющих..................................................76

5.2. Износостойкость армированных отливок.......................... 82

Выводы по разделу.................................................................. 83

6. Исследование свойств износостойких сталей............................... 85

6.1. Структура и свойства ............................................................ 85

6.2. Определение наклепываемости сталей................................. 87

6.3. Исследование термообработки быстрорежущих сталей.... 99 Выводы по разделу.................................................................. 104

Заключение........................................................................................... 106

Список литературы ..............................................................................111

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время широкое применение находят композиционные материалы (КМ), которые позволят получить свойства, не достижимые в традиционных сплавах. Для повышения износостойкости перспективны КМ, состоящие из матрицы и твердых износостойких частиц. Известно, что сталь 110Г13Л имеет высокую износостойкость в условиях износа, сопровождающегося ударами, которые наклепывают ее поверхность. В отсутствии ударов эта сталь не имеет высокой износостойкости. Спеченные твердые сплавы, состоящие из частиц карбидов и металлической связки имеют высокую абразивную износостойкость, но низкую ударную вязкость. КМ, состоящий из матрицы на основе стали П0Г13Л и частиц твердого

сплава должен обладать высокой износостойкостью в условиях ударно -

)

абразивного воздействия. Подобные свойства должны обеспечивать высокую износостойкость деталей буровой, строительной, дорожной, горнодобывающей и сельскохозяйственной техники.

Абразивному воздействию подвергается, как правило только поверхность. Учитывая это, а также то, что условия эксплуатации требуют от материалов определенного сочетания прочности и пластичности, наиболее перспективны детали, имеющие композиционную структуру в зоне, подвергающейся изнашиванию. Для этого можно использовать технологии наплавки, поверхностного и объемного армирования отливок, что обеспечивает сочетание после термической обработки требуемых прочностных свойств в объеме с высокой поверхностной износостойкостью.

Матрица должна обеспечивать закрепление частиц, обладать необходимыми прочностными свойствами. Армирующиие частицы должны иметь высокую износостойкость , не маловажным фактором является их сопротивляемость ударным нагрузкам. В результате взаимодействия матрицы

и частиц их свойства могут изменяться, возможно появление вторичных фаз, что необходимо учитывать при армировании.

При получении КМ возникают вопросы, связанные с правильным выбором технологии, обеспечивающей получение требуемых свойств, совместимостью компонентов, стабильностью армирующих частиц в матрице. Решение этих вопросов позволит получать КМ с высокой износостойкостью, что имеет большое значение для повышения долговечности и работоспособности оборудования во многих отраслях промышленности.

Цель работы - получение и исследование структуры и свойств композиционных зон стальных и чугунных отливок, состоящих из металлической матрицы и наполнителя на основе спеченного твердого сплава.

Для этого решали следующие задачи:

• Разработка технологии армирования стальных и чугунных отливок твердым сплавом;

• Выявление структурных особенностей композиционных зон, полу-~ ченных по различным технологиям с помощью микроетруктурного и мик-

рорентгеноспектрального анализа;

• Определение степени взаимодействия компонентов и прогнозирование структуры композиционной зоны с помощью компьютерного моделирования;

• Определение износостойкости композиционной зоны отливок в условиях натурных испытаний;

• Исследование свойств износостойких сталей, которые были использованы для армирования

Научная новизна:

• Методами микроструктурного и микрорентгеноспектрального анализа установлен характер структурных изменений, происходящих с твердым сплавом при армировании по различным технологиям;

• С помощью численного расчета построена диаграмма влияния литейных параметров на структуру композиционной зоны;

• Предложен механизм формирования композиционной зоны стальных отливок на основе явлений диффузии и миграции жидкой фазы;

• Установлен характер изменения твердости композиционной зоны в зависимости от размера и количества твердого сплава.

Практическая значимость работы:

• Разработана технология армирования отливок твердым сплавом, которая обеспечивает повышение износостойкости в 2,5 - 3 раза;

• Построена диаграмма, связывающая структуру композиционной зоны и литейные параметры, которая позволяет целенаправленно выбирать технологию, обеспечивающую получение требуемых свойств.

На защиту выносятся:

• Результаты микроструктурных и микрорентгеноспектральных исследований композиционных зон, полученных по различным технологиям;

• Результаты компьютерного моделирования теплового взаимодействия стали и твердого сплава в виде диаграммы, позволяющей прогнозировать структуру композиционной зоны стальных отливок в зависимости от литейных параметров;

• Механизм формирования композиционной зоны стальной отливки, при поверхностном армировании твердым сплавом.

• Результаты определения твердости и износосостойкости компози-ционых зон.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие проблемы повышения абразивной износостойкости

Исследованию абразивного износа посвещено большое количество работ. Процесс абразивного изнашивания затрагивает различные уровни структуры материала и имеет очень сложный характер, поэтому до сих пор он не получил единого объяснения.

По данным работы [1] износостойкость зависит от соотношения твердости абразива На и твердости металла Нм. При На / Нм < 0,7 - 1,1 абразивного изнашивания практически не происходит. Если твердость абразива значительно выше, то износ постоянен и не зависит от соотношения твердостей. В переходной области 0,7 - 1,1 < На / Нм < 1,3 - 1,7 износ возра стает по мере повышения твердости абразива. В этой же работе показано, что относительная износостойкость возрастает линейно с увеличением твердости углеродистых и легированных сталей после различной термообработки. Линейная зависимость соблюдается для каждой марки стали, но различные марки стали с одинаковой твердостью имеют разную износостойкость. С повышением в стали содержание углерода и карбидообразующих элементов ее износостойкость возрастает.

В работе [2] отмечается, что при На < Нм износ может происходить. Приведены примеры износа при На / Нм = 0,5 - 0,7. Износ твердого сплава происходит за счет мягкой связки, а зерна карбидов оголяются и выкрашиваются. При этом сплав должен быть крупнозернистым, чтобы зерна абразивного материала могли контактировать со связкой. В случае мелкозернистого сплава и крупных частиц абразива контактная площадка захватывает карбидные зерна и износ связки происходить не может. Описан так же

другой механизм износа твердого сплава, когда единичные песчинки (НУ 1150) при высоких скоростях удара разрушали поверхностный слой сплава ВК6М (НУ 1420). Авторы работы не объясняют механизм такого износа, но указывают, что он не может носить усталостный характер.

Согласно авторам работы [3], главной причиной изнашивания является многократное передеформирование одних и тех же объемов материала, приводящее к усталостному разрушению. Одним из основных факторов, влияющих на износ, является отношение глубины внедрения к радиусу единичной неровности. Если это отношение больше 0,5, то происходит микрорезание, если меньше - упругий или пластический контакт. Анализируя условия внедрения зерен кварца и корунда в закаленную сталь с твердостью НВ 300 - 600, авторы приходят к выводу, что абразивные зерна не могут оказывать режущее воздействие, т.к. при выполнении условия перехода к микрорезанию происходит их разрушение.

В работе [4] абразивное воздействие по типу разрушения поверхности разделено на 4 вида: хрупкое, вязкое, полидеформационное и усталостное. Хрупкое и вязкое разрушение (микрорезание) происходит при однократном воздействии абразива. Полидеформационное и усталостное разрушения характеризуются деформированием материала в пластической и упругой областях. Процессы абразивного изнашивания разделены на простые (один вид разрушения), смешанные (несколько видов разрушения) и сложные. При сложном процессе изнашивания происходит разупрочнение материалов, что определяет разрушение поверхностного слоя.

Сопротивление металлических сплавов изнашиванию во многом определяется структурным состоянием. В настоящее время нет достаточно обоснованных представлений о связи изнашивания со структурой. Много исследований посвещено влиянию аустенита. Аустенит по сравнению с мартенситом менее износостоек, но за счет высокой вязкости обеспечивает хорошее удержание карбидов [5].

Авторы работ [6, 7 ] считают, что износ происходит в две стадии: на первой стадии происходит внедрение абразива и износостойкость характеризуется твердостью, на второй стадии происходит перемещение абразива с образованием микростружки или канавки. Мартенсит, за счет высокой твердости, характеризуется хорошей износостойкость только на первом этапе. Однако на втором этапе сопротивление мартенсита изнашиванию может быть слабым из-за малых сил связи, внутренних напряжений, микротрещин и др. Максимальную износостойкость сталь Х12Ф имеет после закалки от 1170° С, когда в структуре присутствует 80% аустенита (в 3 раза больше, чем при 20% аустенита). При изнашивании количество мартенсита возрастает с 20 до 40%, но это не обеспечивает более высокую износостойкость. По мнению авторов износостойкость аустенита связана с увеличением плотности дислокации, которые блокируются атомами хрома и ванадия, а также механическим торможением карбидами.

Большое влияние на износ оказывает структурная устойчивость сталей и сплавов [8,9]. В процессе износа в поверхностных слоях могут происходить процессы отпуска, что должно оказывать влияние на износостойкость. В работе [10] показано, что с ростом продолжительности испытаний

и к/ ^

износостойкость падает у всех сталей. С этих позиции определенным преимуществом должны обладать отпускоуетойчивые стали.

Одной из наиболее широко используемых износостойких сталей является сталь 110Г13Л. Характерная особенность этой стали заключается в ее способности упрочняться под воздействием ударной и статической нагрузок, что выражается в увеличении твердости с 200 до 800 НВ. Если в процессе работы не происходит упрочнение поверхности, то сталь 11ОП ЗЛ не превосходит по износостойкости обычные углеродистые стали [П].

В работе [12] отмечается, что наличие карбидов в структуре стали 110Г13Л способствует повышению абразивной износостойкости . Предложен режим термической обработки, обеспечивающий получение аустенит-ной струкруры с включениями карбидов внутри зерна [13].

1.2. Использование композиционных материалов дпя повышения

износостойкости

В предыдущем разделе было показано, что процесс абразивного изнашивания носит сложный, противоречивый характер. С одной стороны повышение твердости способствует увеличению износостойкости, а с другой стороны многими авторами указывается на то, что твердость не является главным критерием и материал с меньшей твердостью может иметь большую износостойкость. Усталостная теория износа связывает износостойкость со способностью материала к многократному передеформированию, которая должна уменьшаться с ростом твердости.

Использованием железоуглеродистых материалов в качестве износостойких в основном исчерпало свои возможности, что связано с ограниченным набором свойств и структур, которые можно получить за счет изменения состава и аустенито-мартенситного превращения. Немаловажным фактором является также то, что максимальная износостойкость при абразивном износе обеспечивается за счет мартенситных структур. Однако условия эксплуатации требуют определенного сочетания прочности и пластичности, которое оптимально для структур высокого отпуска мартентита. Следующим этапом повышение износостойкости может быть использование композиционных материалов, которые позволяют сочетать высокую пластичность и твердость.

Под композиционными материалами (КМ) понимают материалы не встречающиеся в природе, состоящие из двух или более компонентов, соче-

тание которых позволяет получить новое свойство. Компонент непрерывной в объеме называют матрицей, прерывистый - армирующий элементом или арматурой [14].

В КМ упрочняющая фаза воспринимает удельные контактные нагрузки, а матрица играет роль демпфера для передачи нагрузки и связующего компонента [15].

Классифицируют КМ по следующим признакам: материалу матрицы и армирующих элементов, геометрии компонентов и их расположению, методу получения, структуре [16]. В качестве износостойких наиболее перспективны КМ с металлической матрицей.

По размеру армирующих фаз КМ подразделяют на макрокомпозиты (>100 мкм), микрокомпозиты (1-100 мкм), еубмикрокомпозиты (<1 мкм ). Методы получения можно разделить на жидко - и твердофазные. К жидко-фазным методам относится пропитка, направленная кристаллизация, специальные методы литья, к твердофазным - методы порошковой металлургии. В настоящее время развитие жидкофазных методов идет в направлении разработки методов совмещения жидкой металлической матрицы с заранее приготовленными тугоплавкими армирующими частицами (оксиды, карбиды). Основным условием получения композиционных материалов является стойкость армирующих частиц и их смачиваемость [ 17].

В работе [18] предложен метод определения качества литых композиционных материалов по изломам. При недостаточном взаимодействии в изломе присутствуют лунки от выкрашившихся частиц. Оптимальный уровень взаимодействия отвечает излому только с разрушенными частицами. Слишком сильное взаимодействие приводит к появлению в изломе признаков вырождения в виде третьих фаз на границе частиц и матрицы.

Существуют различные технологии получения КМ жидкофазными методами: самопроизвольная пропитка, принудительная пропитка, композиционное литье (введение частиц в матричный расплав при энергичном пе-

ремешивании), вихревой метод, иижекционный метод, вакуумная и компрессионная пропитка [19].

При получении КМ композиционным литьем существует критический объем армирующих частиц, выше которого не происходит их ус�