автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности структурообразования при плазменной поверхностной обработке металлических изделий и разработка на этой основе ресурсосберегающих промышленных технологий

На правах рукописи

ТЮФТЯЕВ АЛЕКСАНДР СЕМЕНОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И РАЗРАБОТКА НА ЭТОЙ ОСНОВЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

01.02.05 - «Механика жидкости, газа и плазмы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 9 АВГ 2013

00553231°

Москва - 2013

005532316

Работа выполнена в отделе плазменных процессов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур РАН и лаборатории проблем металла для транспорта института качественных сталей Федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина»

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Недоспасов A.B. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), главный научный сотрудник, доктор технических наук, профессор Ушаков Б.К.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана» (МГТУ им. Н.Э.Баумана), профессор кафедры материаловедения.

доктор технических наук, профессор Шур Е.А.

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»), главный научный сотрудник отделения транспортного металловедения.

Ведущая организация:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»" (НИТУ «МИСиС»)

Защита состоится 30 октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 217.035.01. по адресу: 107005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 9/23, ФГУП ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, зал ученого совета. Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская, д. 9/23 ученому секретарю диссертационного совета Д 217.035.01. Копии отзывов можно направлять по e-mail: astpl@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина».

Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru/ и на официальном сайге ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» -http://www.chermet.net/.

Автореферат разослан 30 июля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 217.035.01 д.т.н.

Наталья Михайловна Александрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Проблема повышения сопротивления разрушению и износостойкости изделий приобретает особую значимость в связи с непрерывно возрастающими требованиями к их надежности и долговечности.

Производство массивных изделий сопряжено с большим расходом металла и сложностью сборки самой конструкции (железнодорожные колеса, крестовины стрелочных переводов, кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок (МНАЗ), ролики транспортных рольгангов прокатных станов и др.). Традиционные методы объемного упрочнения элементов таких конструкций в настоящее время в значительной степени исчерпали свои возможности. В то же время их ресурс, например, в условиях повышенного износа, определяется главным образом структурой и свойствами поверхностного слоя.

Плазменное воздействие при поверхностном упрочнении сталей характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, малой длительностью перегрева металла при температурах выше критических точек и возможностью проведения химико-термической обработки. При этом происходят фазовые и структурные превращения, отличающиеся от реализуемых при традиционных способах поверхностной обработки: закалке ТВЧ, пламенной закалке и др. Важной особенностью получаемых структур является высокая степень их дисперсности.

Наплавка, как способ нанесения покрытия на рабочую поверхность изделия, занимает особое место в современной промышленности. Ее применение позволяет получать поверхностные слои с высокими износо- и коррозионностойкими, жаропрочными, антифрикционными и др. требуемыми служебными свойствами. Широкое использование конструкций из биметалла предопределяется их техническими и экономическими преимуществами.

Плазменные наплавка и напыление различных порошковых материалов имеют широкий спектр возможного применения. Однако низкая производительность процессов и невысокое качество покрытия ограничивают их практическое использование. Известно, что качество покрытия зависит от температуры и скорости частиц порошка. Традиционная подача порошка с холодным транспортирующим газом в плазменную струю не обеспечивает в полной мере ускорение и нагрев частиц порошка. Между тем подача порошка с плазмообразующим газом позволяет значительно повысить производительность процесса и качество покрытия.

Зависимости между основными параметрами технологического процесса и свойствами получаемого покрытия изучены недостаточно и прогресс в этой области может быть достигнут путем проведения комплексных исследований, охватывающих все этапы формирования покрытия.

В данной работе представлено последовательное решение вопросов, связанных с разработкой конкретных плазменных технологий и внедрением их в производство: исследование и разработка плазмотронов постоянного тока; исследование состава, структуры и свойств модифицированных поверхностей металлических изделий; разработка плазменных технологий, оборудования и программного обеспечения; создание установок и их применение в промышленности.

Цель и основные задачи работы

С целью повышения эксплуатационной стойкости и долговечности металлических изделий необходимо исследовать влияние геометрии разрядного канала на тепловые и электрофизические характеристики плазмотрона, установить закономерности формирования структурно-фазового состояния и свойств модифицированных поверхностей металлов и сплавов, разработать технологии и создать установки для плазменной обработки.

Для достижения поставленной цели в работе решали следующие задачи.

1. На основе результатов экспериментальных исследований разработать оптимальную конструкцию устройства для плазменного упрочнения и напыления, для чего:

- изучить влияние степени расширения канала выходного электрода на тепловые и электрофизические характеристики плазмотрона;

- сопоставить характеристики плазмотронов с расширяющимся и цилиндрическим каналом постоянного сечения;

- определить распределение теплового потока в изделие при плазменном поверхностном упрочнении стали.

2. Изучить закономерности формирования упрочненного слоя при плазменной обработке стали типа 60Г, разработать и освоить промышленную технологию упрочнения колесных пар на сети железных дорог, для чего:

- исследовать влияние параметров режима плазменной обработки на структурно-фазовое состояние и механические свойства упрочненного слоя стали и предложить оптимальные параметры обработки;

- изучить влияние параметров режима плазменной обработки на структуру и механические свойства упрочненного слоя стали типа 60Г в зависимости от содержания в ней углерода и хрома;

- разработать технологию плазменного упрочнения колесных пар;

- разработать, создать и освоить промышленную установку для плазменного упрочнения колесных пар.

3. Исследовать закономерности формирования покрытия при плазменной наплавке, разработать технологии и создать промышленную установку упрочнения и восстановления металлических изделий:

- разработать оптимальную конструкцию плазмотрона с расширяющимся каналом и устройством подачи порошка в дуговой разряд совместно с плазмообразующим газом;

- установить закономерности формирования структурно-фазового состояния и механических свойств покрытия из сплава ПР-65Х25ПЗНЗ при наплавке на сталь 110Г13Л и 76Ф;

- разработать технологию плазменной наплавки элементов крестовин стрелочных переводов и создать установку для промышленного применения;

- установить закономерности формирования износостойкого покрытия из сплава ПР-Н77Х15СЗР2 при наплавке на медь и разработать технологию наплавки на стенки кристаллизаторов МНЛЗ;

4. Исследовать влияние режимов плазменного напыления на скорость и температуру частиц порошка:

- разработать и создать установку для плазменного напыления в вакууме;

- разработать метод и средства для измерения скорости и температуры частиц порошка при их нагреве в высокотемпературном газовом потоке.

Научная новизна работы

1. Обоснован выбор конструкционных параметров плазмотронов с расширяющимся разрядным каналом, обеспечивающих повышение их энергетических характеристик и ресурса, что определяет эффективность применения в технологических процессах упрочнения, наплавки и напыления.

2. Впервые установлены закономерности влияния параметров режима плазменной обработки на структурно-фазовое состояние, механические свойства, сопротивление разрушению упрочненного слоя стали типа 60Г.

3. Выявлено насыщение азотом поверхности стали 60Г при воздействии азотной плазменной струи, в результате чего в диффузион-

ной зоне образуются не характерные для низколегированной стали структурные составляющие - нитридные фазы, азотистый аустенит и фермообразный мартенсит.

4. Установлены структурные механизмы повышения уровня свойств упрочненной стали 60Г, которые заключаются в легировании поверхностных слоев стали азотом, формировании специфического послойного спектра структур, включающего нитриды, аустенит, фермообразный и пакетный мартенсит, троостомартенсит и троо-стосорбит, а также релаксации микронапряжений во время эксплуатации при деформации метастабильного метастабильного высокоазотистого аустенита в результате у—><х превращения.

5. Доказано, что плазменная наплавка с синхронной ударной обработкой приводит к снижению остаточных микронапряжений в результате фазового у->а превращения и микропластической деформации.

6. Определены закономерности формирования при плазменной наплавке структуры и свойств покрытия из порошкового сплава 65Х25ПЗНЗ на сталь 110Г13Л и 76Ф. Установлен эффект оплавления границ литой структуры стали 110Г13Л и армирование ее жидким расплавом покрытия, что повышает прочность сцепления покрытия с основой, но снижает его трещиностойкость из-за неполного залечивания дефектов на границах.

7. Установлено, что высокий уровень свойств покрытия из порошкового сплава ПР-Н77Х15СЗР2 на медь обеспечивается фазовым составом и структурным состоянием покрытия, формированием на границе раздела переходной зоны с мелкозернистой структурой и малой глубиной проплавления металла основы.

8. Впервые разработаны программное обеспечение и автоматизированная система управления установкой с возможностью дистанционного контроля технологического процесса и наблюдения в режиме реального времени.

Новизна научно-технических решений подтверждена патентами РФ.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием современных методов исследований и сертифицированного оборудования; согласованностью с результатами других авторов, как в областях исследований низкотемпературной плазмы, так и металловедения и термической обработки металлов и сплавов; признанием их научной общественностью на различных международных и российских конференциях; многочисленными (115) публикациями в периодических изданиях; многолетним и успешным практическим применением разработанных технологий и плазменных установок.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Оптимизированы конструкции плазмотронов, разработаны устройства для плазменной обработки, экспериментально установлены и обоснованы параметры режима поверхностного упрочнения железнодорожных колесных пар и роликов транспортного рольганга прокатных станов, наплавки крестовин стрелочных переводов и кристаллизаторов МНАЗ, а также напыления порошковых материалов.

2. Созданы и внедрены в депо Московской, Юго-Восточной, ЮжноУральской, Горьковской, Приволжской, Северо-Кавказской, СевероЗападной и Свердловской железных дорог 30 промышленных установок для упрочнения колесных пар, на которых обработано более 185000 колесных пар.

3. Достигнуто снижение в 2-3 раза интенсивности износа упрочненных колесных пар по сравнению с неупрочненными.

4. Разработана технология и создана установка для плазменной наплавки элементов крестовин стрелочных переводов, позволяющие увеличить в 2 раза их эксплуатационную долговечность.

5. Разработанные технологии позволяют снизить эксплуатационные расходы и затраты на ремонт роликов транспортных рольгангов прокатных станов, кристаллизаторов МНАЗ.

6. Создана установка для плазменного напыления в вакууме, позволяющая проводить эксперименты по изучению энергетических и динамических характеристик плазменных и гетерогенных потоков, а также условий формирования покрытий с требуемыми свойствами.

Автор выносит на защиту

1. Результаты исследований и разработки плазмотронов с расширяющимся каналом выходного электрода для плазменного поверхностного упрочнения, наплавки и напыления.

2. Закономерности формирования структурно-фазового состояния и свойств упрочненной зоны при плазменной обработке низколегированной стали с различным содержанием углерода и хрома.

3. Результаты исследования влияния исходной температуры стали на структуру и свойства упрочненного слоя.

4. Технологию и промышленную установку для упрочнения железнодорожных колесных пар.

5. Результаты промышленного освоения установок для упрочнения колесных пар.

6. Закономерности формирования структурно-фазового состояния, механических свойств и параметров сопротивления разрушению

покрытия при плазменной наплавке на сталь 110Г13Л, 76Ф и медь.

7. Технологию, промышленную установку для наплавки крестовин стрелочных переводов и результаты их эксплуатационных испытаний.

8. Технологию наплавки на стенки кристаллизаторов МНЛЗ.

9. Установку для напыления в вакууме с системой измерения скорости и температуры частиц порошка при их нагреве в плазменной струе.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены на: научно-техническом совещании «Прогрессивные технологии и оборудование для термической резки» (Одесса, 1992 г.); европейских конференциях по термическим (технологическим) плазменным процессам (Санкт-Петербург, 1998 г.; Страсбург, 2000 г., 2002 г.); симпозиумах по приложениям плазменных процессов (Братислава, 1998 г., 1999 г.); 2-ом международном симпозиуме по тепло- и массопереносу в плазме (Анталия, 1999 г.); конференции международной Ассоциации тяжеловесного движения (Москва, 1999 г.); 13-ой конференции по газовым разрядам и их приложениям (Глазго, 2000 г.); 3-ей конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, 2000 г.); конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998 г., 2001 г.; Киев, 2003 г.), конференциях по ионизационным явлениям в газах (Варшава, 1999 г.; Нагоя, 2001 г.), всероссийских конференциях по физической электронике (Махачкала, 2003 г., 2008 г); на Стародубовских чтениях (Днепропетровск, Украина, 2003 г.); XV международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003 г.); 16-ой международной конференции по плазмохимии (Таормина, Италия, 2003 г.); евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2006 г., 2008 г.); XIX и XX петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010 г., 2012 г.), юбилейной конференции ОИВТ РАН (Москва, 2010 г.); международных научно-практических конференциях «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (С.-Петербург, 2005 г., 2008-2012 г.); российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Москва, 2008 г.); международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (Москва, 2009 г.); 3-ей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009 г.); международных конференциях «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009 г.; Витебск, 2010 г., 2012 г., Харьков, 2011 г.); всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Бы-строзакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2009 г., 2011 г.), 12-ой

международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий» (Ялта, 2012 г.).

Получены диплом и медаль ВВЦ за участие в выставке-ярмарке «ЭКСПОЖД-98».

Личный вклад соискателя

При личном участии соискателя в качестве ответственного исполнителя проведены работы по исследованию и созданию плазмотронов с расширяющимся каналом выходного электрода.

Под руководством соискателя и при его личном участии проведены комплексные исследования фазового состава, структуры и механических свойств конструкционных материалов после плазменного упрочнения и наплавки, результаты которых послужили основой для разработки оптимальных параметров режима обработки.

Соискателем исследованы и сформулированы структурные механизмы повышения уровня свойств упрочненной стали типа 60Г.

Соискателем предложен и реализован способ ударной обработки, предотвращающий растрескивание и коробление покрытия при плазменной наплавке.

Под руководством соискателя и при его личном участии созданы установки для упрочнения колесных пар, установка для наплавки крестовин стрелочных переводов, установка для наплавки на стенки кристаллизатора МНЛЗ и установка для напыления в вакууме.

Под руководством соискателя внедрены в производство и эксплуатируются 30 установок для плазменного упрочнения железнодорожных колесных пар в вагонных и локомотивных депо ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 115 печатных работ, из которых в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК -31 и 5 патентов. Список основных работ приведен в конце автореферата.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, 9 приложений и содержит 287 страниц текста, 191 рисунок, 43 таблицы и список литературы из 167 названий.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Филиппову Г.А. и д.т.н. Исакаеву М.-Э.Х., а также сотрудникам института качественных сталей ФГУП ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина и отдела плазменных процессов ФГБУН ОИВТ РАН за помощь в работе и поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой части представлены результаты экспериментальных исследований плазмотрона с расширяющимся каналом выходного электрода.

Несмотря на многообразие существующих конструкций и схем плазмотронов с самоустанавливающейся длиной дуги, общим для них является цилиндрический канал. Параметры плазмотронов с каналом постоянного сечения, особенности электрического разряда, характер течения высокотемпературного газа достаточно хорошо изучены. К недостаткам таких плазмотронов, как инструмента в технологическом процессе, можно отнести ограниченную скорость холодного газа на входе в сопло (20-40 м/сек), падающую вольт-амперную характеристику, низкий коэффициент полезного действия (КПД) из-за большой длины дуги и неустойчивый режим работы. Дуговой разряд таких плазмотронов характеризуется сильной неоднородностью электрофизических и тепло-физических свойств. Вместе с тем неоднородность магнитного поля на турбулентном участке разряда может приводить к неустойчивости столба дуги.

Использование расширяющегося канала выходного электрода в плазмотроне позволяет существенно повысить скорость холодного газа на входе в канал и интенсифицировать теплообмен между дугой и плазмообразующим газом, что способствует уменьшению длины дуги и более равномерному распределению теплового потока в стенку электрода. Столб дуги может занимать значительный объем разрядного промежутка, а его анодная привязка осуществляется посредством микродуг, что значительно уменьшает плотность тока и удельный тепловой поток в анод. При этом однородность магнитного поля тока и, как следствие, устойчивость столба дуги обеспечиваются степенью расширения выходного электрода а (рис. 1), при которой число Маха постоянно по длине электрода с учетом выделения тепла дуговым разрядом.

Проведено сопоставление характеристик разряда в расширяющемся и цилиндрическом канале постоянного сечения. Установлено, что оптимальным является расширение канала с углом раскрытия а=б°. Изучено влияние расширяющегося канала выходного электрода на тепловые и электрофизические характеристики плазмотронов различных конструкций.

Проведены исследования распределения электрического тока и плотности теплового потока по длине секционированного выходного электрода (рис. 1) и показано, что секционирование является эффективным методом исследования процессов в плазмотронах. Так, длина электрической дуги в расширяющемся разрядном канале изменяется в широ-

I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I-

0 10 20 30 ( 0 50 60 70 80 90 100

Рис. 1. Плазмотрон с секционированным выходным электродом: 1 - катод, 2 - сопло, 3 - анодные секции

ких пределах и сильно зависит от расхода газа и силы тока разряда. При этих экспериментах определены тепловые потоки по длине выходного электрода и тепловой КПД генераторов плазмы. Для плазмотрона с расширяющимся каналом КПД составил примерно 80 %, с цилиндрическим каналом - 70 %, что означает заметное энергосбережение при использовании разработанного плазмотрона в технологических процессах.

Важной характеристикой плазмотронов является ресурс, который в основном определяется сроком службы электродов и зависит от силы тока. Поэтому особое внимание уделено созданию плазмотрона с такой вольт-амперной характеристикой (ВАХ), при которой повышение мощности разряда в большей степени обеспечивается увеличением напряжения на дуге. При сравнении ВАХ плазмотронов с расширяющимся и цилиндрическим каналами выходного электрода (рис. 2 и 3) установлено, что разработанный плазмотрон имеет явно выраженные возрастающие ВАХ и большую область существования дуги.

Оптические исследования показали, что в плазмотронах с расширяющимся каналом выходного электрода в области энерговклада при токах более 300 А температура плазмы превышает 30000 К, что обеспечивает высокую химическую активность релаксирующей плазмы азота.

Приведены результаты исследований плазмотрона с расширяющимся каналом сопла, позволившие оптимизировать конструкцию

-1,0 г/с -1,5 г/с - 2,0 г/с

100 200 300 Сила тока,А

100 200 300 Сила тока, А

Рис. 2. Зависимость ВАХ от расхода азота (в г/с). Расширяющийся канал выходного электрода

Рис. 3. Зависимость ВАХ от расхода азота (в г/с). Цилиндрический канал выходного электрода

и определить диапазоны регулирования технологических параметров применительно к технологии плазменной наплавки (рис. 4), при которой дуга горит между катодом 1 и внешним электродом-изделием 4.

Разработано устройство подачи порошка 3 совместно с плазмообра-зующим газом, повышающее эффективность нагрева и ускорения частиц порошка при наплавке и напылении.

Рис. 4. Схема плазмотрона для наплавки: 1 - катод; 2 - сопло; 3 - устройство подачи порошка с плазмообразующим газом; 4 - внешний электрод-изделие

Таким образом, разработанные плазмотроны с расширяющимся выходным каналом, позволяющим работать при скоростях холодного газа на входе в канал до 200-300 м/с, обладают повышенными энергетическими характеристиками и ресурсом, что определяет эффективность их применения в технологических процессах упрочнения, наплавки и напыления.

Во второй части представлены результаты исследования влияния режимов плазменной обработки на свойства упрочненной стали типа 60Г, разработка технологии, создание установки для плазменного поверхностного упрочнения железнодорожных колесных пар и результаты ее промышленного освоения.

Одними из самых ответственных элементов механической части подвижного состава железных дорог являются колёсные пары. Износ контактирующих с рельсом поверхностей колесных пар приводит не только к потерям тяговой энергии на трение в контакте и увеличению затрат на восстановление профиля, но и к снижению уровня безопасности движения из-за набегания гребня колеса на рельс и вероятности схода подвижного состава.

С целью повышения износостойкости колесных пар разработана технология плазменного поверхностного упрочнения.

Для этого применяется устройство, включающее плазмотрон с расширяющимся каналом выходного электрода и преобразователь потока (рис. 5). Преобразователь потока изменяет плазменную струю таким образом, чтобы при ее воздействии на металл формировался требуемый по размерам, геометрии и структурному состоянию упрочненный слой.

Для определения оптимального режима плазменного упрочнения провели экспериментальное изучение влияния параметров режима

4

Рис. 5. Устройство для плазменного поверхностного упрочнения колесных пар: 1 - катод; 2 - сопло; 3 - анод; 4 - преобразователь потока; 5 - колесо

Рис. 6. Поперечный шлиф обода колеса после плазменного упрочнения

Упрочненный слой

(скорость обработки V, расход газа G и мощность нагрева N) на структурно-фазовое состояние, механические свойства и сопротивление разрушению упрочненной стали 60Г (рис. 6).

Плазменную обработку проводили при различных значениях параметров:

- V=130 - 150 мм/мин, N=40 кВт и G= 1,6 г/с;

- G= 1,2 - 1,8 г/с, V=130 мм/мин и N= 40 кВт;

- N=32 - 40 кВт, G= 1,6 г/с и К=130 мм/мин.

Установлено, что при увеличении скорости обработки от 130 до 150 мм/мин наблюдается уменьшение глубины зоны термического влияния (ЗТВ) с 3,8 до 2,7 мм и снижение его твердости с 39 до 25 HRC. При испытаниях на изгиб продольных образцов с надрезом отмечается некоторый рост разрушающего напряжения (ар) и снижение предела общей текучести (аот) на ~ 400 МПа, а стрела пластического прогиба (f 1л) увеличивается с 1 до 7,5 мм. При этом существенно повышается сопротивление зарождению трещины (Аз) с 22 до 215 Дж/см2, а сопротивление распространению трещины (Ар) при V=130 мм/мин практически равно Аз и незначительно (на -25 Дж/см2) возрастает с увеличением V до 150 мм/мин.

Повышение расхода азота с 1,2 до 1,8 г/с приводит к увеличению глубины ЗТВ с 2,9 до 4,9 мм при незначительном изменении твердости и снижению на ~300 МПа разрушающего напряжения, но не оказывает влияние на напряжение общей текучести. При увеличении расхода азота уменьшается более чем в 3 раза f [д (с 1,6 до 0,5 мм) и снижается работа разрушения (Ах) с 60 до 25 Дж/см2.

Повышение мощности нагрева приводит к снижению характеристик прочности, пластичности и работы разрушения.

Наиболее высокие значения микротвердости поверхности упрочненного металла достигаются при мощности нагрева 38-40 кВт, а с увеличением расхода газа и скорости обработки происходит снижение микротвердости поверхности.

Представлены результаты рентгеноструктурных исследований образцов, вырезанных из упрочненной и неупрочненной поверхности. Об-

наружено, что фазовый состав поверхности неупрочненного металла включает а-фазу и оксиды Fe20, Fe304, а в результате плазменной обработки происходит насыщение поверхностного слоя азотом. Тип нитрид-ных фаз зависит от параметров режима плазменной обработки:

- при увеличении скорости обработки от 130 до 150 мм/мин изменяется тип нитридов: при V=130 мм/мин наблюдаются Fe3N (е-фаза, до 11% N2) + Fe4N (у'-фаза, до 6% N2), при V=143 мм/мин и V=150 мм/мин выявляется Fe2N (хрупкая высокоазотистая %-фаза, до 11,2% N2);

- при увеличении расхода азота от 1,2 до 1,8 г/с также изменяется тип нитридов: при обработке с минимальным расходом образуется Fe3N (s-фаза), с G = 1,6 г/с формируется также Fe4N (у'-фаза), а с G = 1,8 г/с выявляется только Fe2N (^-фаза);

- при мощности нагрева 32 кВт сначала формируется Fe3N (е-фаза), а при ее повышении до 40 кВт появляется также Fe4N (у'-фаза).

В зависимости от типа сформированных нитридных фаз изменяется структурное состояние а-фазы в упрочненном слое. Установлено, что плазменная обработка приводит к возрастанию остаточных внутренних микронапряжений в а-фазе в 1,5-3 раза. При увеличении параметров режима V (130->136 мм/мин), N (32->36 кВт), G (1,2—>1,6 г/с) уровень микронапряжений увеличивается примерно в два раза. Это свидетельствует о насыщении металла азотом в процессе плазменной обработки с образованием азотистого мартенсита, как и о наклепе а-фазы, возможно, по причине остаточных микронапряжений, возникающих при формировании нитридных фаз с различным содержанием азота, что способствует повышению микротвердости поверхностного слоя.

Установлено, что при возрастании параметров V и G в исследованном диапазоне внутренние микронапряжения сначала увеличиваются до максимальных значений, а потом резко уменьшаются почти до их уровня в поверхностном слое неупрочненного металла. При изменении N от 32 до 40 кВт наблюдается та же тенденция изменения внутренних микронапряжений.

В результате экспериментов установлена корреляция между структурно-фазовым состоянием поверхностного слоя, характеристиками механических свойств и сопротивлением хрупкому разрушению. Так, при формировании нитридов и возрастании микронапряжений в а-фазе упрочненного слоя повышается его микротвердость. При уменьшении микронапряжений и возникновении q-фазы происходит снижение микротвердости и Ах (в основном из-за снижения ее составляющей Аз). Снижение микротвердости и Аг происходит, по-видимому, вследствие релаксации микронапряжений в результате зарождения микротрещин

в пересыщенном азотом поверхностном слое и возникновения хрупкой %-фазы.

На основе проведенных исследований выбраны параметры режима плазменного поверхностного упрочнения: N=35 кВт, У= 130 мм/мин, 6= 1,5 г/с, по которым экспериментальные колесные пары обработали, а затем передали для исследования в институт ОАО «РЖД» ОАО «ВНИИЖТ». По результатам исследований режим был подтвержден и рекомендован для проведения упрочняющей обработки, что отразилось в технологических инструкциях по проведению плазменного упрочнения колесных пар ФПД-0001-2007 и ЦРТ-0001-2010, утвержденных ОАО «РЖД».

Для внедрения новой технологии на сети железных дорог упрочненные цельнокатаные колеса и бандажи были сертифицированы в Госстандарте РФ.

С целью подготовки к упрочнению новых марок стали провели исследования влияния химического состава стали типа 60Г на структуру и механические свойства упрочненного слоя. Поскольку различные марки колесной стали отличаются, в основном, по содержанию углерода и хрома, то исследовали стали с различным содержанием именно этих элементов.

Установлено, что в результате плазменной обработки стали с повышением содержания в ней С от 0,38 до 0,79 % (при Сг - 0,2 %) и Сг от 0,01 до 0,5% (при С - 0,6%) возрастает микротвердость поверхностного слоя. С повышением мощности нагрева увеличиваются глубина мартен-ситного слоя и его доля в ЗТВ. При этом уменьшается разрушающее напряжение, а напряжение общей текучести не изменяется. С повышением мощности нагрева снижается работа разрушения, в основном, из-за уменьшения работы зарождения трещины, что является следствием увеличения среднего диаметра исходного аустенитного зерна.

Разработаны схема (рис. 7) и методика испытаний для оценки интенсивности износа упрочненного слоя. Схема и параметры испытаний позволяют сымитировать наиболее жесткий тип изнашивания (100% проскальзывание) трибологической системы колесо-рельс в условиях сухого трения. Для чего производилось изнашивание поверхности образца 1 роликом 2 из твердого сплава ВК-8. При испытаниях с постоянной скоростью вращения ролика со и нагрузкой Р устанавливалась зависимость между глубиной лунки износа и путем трения, что позволило определить интенсивность износа упрочненного слоя.

При испытаниях на износостойкость (параметры испытаний: о)=600 с"1; Р=25 Н;&=22 мм; Н=1,5 мм; Ь=2 мм) упрочненных по различным режимам без оплавления поверхности образцов стали 60Г ГОСТЮ791-2011 установлено (рис.8), что при одинаковой глубине ЗТВ (2,1-2,2 мм)

основной металл

1 (48 кВт, 240 мм/мин, 1,8 г/с)

2 (40 кВт, 200 мм/мин, 1,8 г/с)

3 (36 кВт, 160 мм/мин, 1,8 г/с)

Упрочненный / слой

20 30 40 Путь трения, км

Рис.7. Схема испытания на износостойкость упрочненного слоя: 1 - образец; 2 - ролик

Рис.8. Зависимости глубины лунки износа в основном металле и упрочненном по различным режимам слое от пути трения

наименьшая интенсивность износа упрочненного слоя реализуется при обработке по режиму 1 (N=48 кВт, 1/=240 мм/мин, С=1,8 г/с), обеспечивающему наибольший уровень температуры, скоростей нагрева и охлаждения стали.

Полученные результаты позволили скорректировать параметры режима упрочнения бандажей из стали марки 4 ГОСТ Р 15.201—2000, цельнокатаных колес из стали марки Л (ТУ 0943-202-01124323-2005) и марки Т (ТУ 0943-170-01124323-2010).

При плазменной обработке свойства упрочненной зоны во многом определяются исходной температурой металла основы. Было изучено ее влияние в диапазоне от -10 до +160 °С на параметры структуры упрочненного слоя, микротвердость, механические свойства и сопротивление разрушению.

Определено, что при одинаковых параметрах режима обработки с изменением исходной температуры от -10 до +50 "С глубина ЗТВ увеличивается от 1,65 до 2,1 мм, а глубина слоя мартенсита уменьшается от 1,2 до 0,65 мм. На поверхности всех образцов присутствуют слои нитридов (~ 0,004 мм), азотистого аустенита (~ 0,010 мм) и зона фермообразного мартенсита (~ 0,015 мм). При фактографических исследованиях образцов установлены схожие по строению и протяженности области с межзерен-ным разрушением (~ 0,5 мм), квазисколом (до границы ЗТВ) и хрупким транскристалитным разрушением с небольшой долей вязких перемычек основного металла. При некоторых отличиях в параметрах структу-

ры упрочненных слоев, полученных при различной исходной температуре основного металла, значимого изменения уровня их механических свойств и сопротивления разрушению не установлено.

Таким образом, в практике использования плазменного упрочнения следует учитывать климатические температуры с точки зрения обеспечения требуемой твердости упрочненной поверхности изделий и глубины ЗТВ.

С целью выявления преимуществ разработанной плазменной технологии поверхностного упрочнения по сравнению с технологией, применявшейся в вагонном депо «Николаевка» Московской железной дороги, были проведены исследования сегментов двух железнодорожных колес, упрочненных по этим технологиям.

Первое колесо было упрочнено по существующей технологии за два прохода с общей шириной упрочненной зоны 21 мм и глубиной 1,7 мм, другое - по разработанной технологии за один проход с шириной упрочненной зоны 59 мм и глубиной до 4 мм.

Как показали исследования, твердость и стабильность значений твердости упрочненной зоны колеса, ударная вязкость и работа зарождения трещины упрочненного слоя при статическом нагружении по разработанной технологии выше, чем по существующей. Износостойкость упрочненного по разработанной технологии слоя в 3 раза, а по существующей - в 2 раза выше, чем основного металла колеса. Упрочненный металл обоих колес характеризуется более высоким сопротивлением зарождению усталостной трещины, чем основной металл.

Зарождение трещины в металле связано с присутствием ослабленных участков в его структуре. Одним из испытаний, позволяющих выявить наличие таких участков, является испытание на замедленное разрушение. Испытание образцов проводили со статической нагрузкой, создающей напряжение ниже предела текучести стали, в коррозионной среде и при воздействии водорода, так как при эксплуатации происходит насыщение им металла колеса.

Установлено, что инкубационный период зарождения трещины в упрочненной по разработанной технологии зоне почти в 2 раза больше, а средняя скорость распространения трещины в 5 раз ниже, чем по применяемой.

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют, что разработанная технология позволяет сформировать за один проход большую по размерам, более однородную, твердую и износостойкую упрочненную зону.

Для выяснения причин этого различия в свойствах упрочненной стали исследовали ее микроструктуру.

При рассмотрении панорамы упрочненного по применяемой технологии слоя выявлено три типа микроструктуры:

1. Микроструктура низкоотпущенного пакетного мартенсита (6050 НУ0981). Протяженность слоя ~ 0,7 мм.

2. Переходный слой неоднородной микроструктуры, состоящий из участков бесструктурного мартенсита и троостомартенсита (4570 НУ0 981). Протяженность слоя ~ 0,9 мм.

3. Микроструктура основного металла, состоящая из сорбита отпуска с расположенной по границам зерен разорванной сеткой феррита (3040 НУ0981).

В упрочненном слое колеса, обработанного по новой технологии, определены пять типов микроструктуры (рис. 9):

1. Под слоем нитридов и оксидов располагается слой аустенитной микроструктуры протяженностью до 0,030 мм (рис. 10), вглубь которого прорастают иглы фермообразного мартенсита.

8000 7000 6000 С 5000

л 4000

00

^ 3000 Х 2000 1000 о

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Ь, мм

Рис. 9. Изменение микроструктуры и микротвердости по глубине упрочненного слоя

хЮОО

Рис. 10. Микроструктура поверхности упрочненной зоны: 1 — слой нитридов и оксидов; 2 — слой азотистого аустенита; 3 — слой фермообразного мартенсита

ф «

♦ ♦

74А А

нитриды, Л

аустенит V

/ марте * 1С ИТ мартенсит +троостом тр ртенситI оостосорби г сорбит 1 отпуска

т

2. Слой с микроструктурой низкоотпущенного пакетного мартенсита (6000 НУ0 981). Протяженность слоя ~1 мм.

3. Промежуточный слой с неоднородной микроструктурой, состоящий из участков троостомартенсита (4200 НУ0981) и бесструктурного мартенсита (6120 НУ0981). Протяженность слоя ~ 0,8 мм.

4. Промежуточная микроструктура троостосорбита (3370 НУ0 981) с протяженностью слоя ~1,3 мм.

5. Микроструктура основного металла, состоящая из сорбита отпуска с расположенными по границам зерен участками феррита (3230 НУ098]).

Послойным рентгеноструктурным анализом определили фазовый состав упрочненного поверхностного слоя обоих образцов (табл. 1). Результаты исследования подтвердили различие в микроструктуре.

Таблица 1. Фазовый состав упрочненного поверхностного слоя образцов

Технология обработки образца Расстояние от поверхности, мкм

0 10 20 30

применяемая оксиды Бе, мартенсит мартенсит, цементит мартенсит, цементит мартенсит, цементит

разработанная оксиды Бе, е-фаза аустенит, е-фаза аустенит, фермообразный мартенсит с азотом аустенит, пакетный мартенсит с азотом

Для понимания природы возникновения таких специфических структур оценили содержание азота в аустените, образовавшемся после обработки. Для этого проводили рентгеновские измерения параметра решетки аустенита (рис. 11). Согласно литературным данным величина параметра решетки на глубине 10 мкм соответствует содержанию атомов внедрения около 2,4 % масс. Параметр решетки аустенита с изменением расстояния до поверхности от 10 до 30 мкм уменьшается, что указывает на снижение содержания в нем азота. При этом вместо £-фазы обнаруживается тетрагональная фаза с параметрами решетки а=0,286 нм, с=0,305 нм - азотистый мартенсит.

Для установления других механизмов повышения уровня свойств упрочненной стали проводили исследование влияния деформации в упругой области на изменение фазового состава в поверхностном слое.

Расстояние до поверхности, мкм

Рис. 11. Изменение параметра решетки аустени-та по глубине упрочненного слоя

Осуществление деформации сжатием образцов с упрочненным слоем в определенной степени моделировало взаимодействие рельса и колеса. Установлено, что при деформации поверхностного слоя происходит образование мартенсита деформации в результате фазового у-а превращения, инициированного упругим напряжением (рис. 12 а) и приводящего к релаксации напряжений, что подтверждается данными рентгеновских исследований (рис. 12 б).

70

о4

60

е

50

40

30

0.5 0.6

б/б0д

0.5 0.6

6/602

Рис. 12. Влияние деформации на фазовый состав поверхностного слоя (а) и ширину рентгеновских интерференции «-фазы и у-фазы (6)

Полученные результаты позволили сформулировать основные положения структурного механизма повышения уровня свойств упрочненной по разработанной технологии стали:

- при плазменной обработке происходит насыщение поверхностного слоя азотом и образуются нитридные фазы, аусте-

нит, фермообразный и пакетный мартенсит, троостомартенсит и троостосорбит, что обеспечивает высокий уровень твердости и износостойкости упрочненного слоя;

— глубокая и плавная переходная зона создает условия для более прочного сцепления высокотвердого слоя с основным металлом и способствует повышению сопротивления разрушению всего упрочненного слоя;

— дополнительным фактором повышения уровня свойств упрочненной стали является релаксация напряжений, возникающих при эксплуатации, в результате фазового у—>а превращения в слое высокоазотистого аустенита.

Приведены результаты экспериментальных исследований, использованные в качестве исходных данных для численных расчётов процесса плазменного поверхностного упрочнения: определено распределение плотности теплового потока поперёк плазменной струи, воздействующей на поверхность изделия (рис. 13), и получены температурные зависимости коэффициента теплопроводности сталей типа 60Г с различным химическим составом (рис. 14).

Упрочнению подвергался образец из стали 60Г ГОСТ10791-2011, в котором на расстоянии 0,5; 1; 1,5 и 2 мм от упрочняемой поверхности с шагом 4 мм были установлены хромель-алюмелевые термопары, что позволило измерить температуру в этих точках в процессе плазменной обработки (рис.15).

Относительная коорднната, мм

Рис. 13. Распределение плотности теплового потока поперек плазменной струи, воздействующей на поверхность изделия

Рис. 14. Зависимость коэффициента теплопроводности сталей типа 60Г (варьировалось содержание С и Сг) от температуры О 600 800 1000 1200 Температура, °С

0 5 10 15 20 25 30 Время, с '

Рис. 15. Изменение температуры во времени в точках 35 установки термопар на глубине 0,5; 1,0; 1,5 и 2 мм при плазменном упрочнении стали 60Г по режиму Л/" = 36 кВт, V = 240 мм/мин и 6 = 1,8 г/с: э -эксперимент, р-расчет

15 20 Время, с

----э-1,5 мм

------ р-1,5 гаш

-э-2,0 мм

---р-2,0 тт

Основу разработанной математической модели составляет трёхмерное нестационарное уравнение теплопроводности:

где т - время, р = р(Т), с = с(Г), X = Х(Г) - плотность, теплоёмкость и теплопроводность стали в функции от температуры Т. Уравнение (1) решалось численно для определения трёхмерного нестационарного поля температур в объёме образца. Численные расчеты осуществлены с использованием вычислительного пакета прикладных программ ANES/NE.

На рис. 15 представлено сравнение результатов экспериментальных исследований и численных расчётов, которое позволяет сделать вывод об адекватности предложенной упрощённой математической модели процесса плазменного упрочнения поверхности стальных изделий.

Полученные в результате расчётов трёхмерные нестационарные поля температур позволяют определить параметры режима плазменного упрочнения изделий из стали 60Г, которые обеспечивают формирование ЗТВ заданной глубины (рис. 16).

Дальнейшее развитие разработанной математической модели процесса плазменного упрочнения предполагает установление соответствия между полученными в расчётах полями температур, скоростей охлаждения и структурой упрочнённого слоя изделия.

Предложенный подход, комбинирующий численный расчёт нестационарного трёхмерного уравнения теплопроводности (1) и исходные экспериментальные данные (плотность теплового потока от плазменной струи на поверхность стали и зависимость теплопроводности стали от температуры), может использоваться при проведении анализа режимов плазменного поверхностного упрочнения изделий из сталей типа 60Г плазменной струей с плотностью теплового потока порядка 2,5 МВт/м2.

При разработке промышленной установки упрочнения колесных пар (УУКП) особое внимание уделяли повышению точности поддержания параметров режима обработки и снижению влияния человеческого фактора за счет автоматизации процесса и применения вычислительной техники.

Особенностями установки для упрочнения колесных пар, повышающими удобство её обслуживания и обеспечивающими стабильность свойств обрабатываемых изделий, являются:

- автоматическое управление процессом;

- широкий диапазон регулирования и высокая точность поддержания параметров режима;

- упрочнение за один проход полосой с шириной до 70 мм;

(1)

эксперимент 40 кВт расчет 40 кВт эксперимент 36 кВт расчет 36 кВт

N=44 кВт, У=2А ) мм/мтгн, 0=1,8 г/с ■

■

| - расчёт ---!-----1 ....:

-10 20 50 80 110 140

Температура стали перед упрочнением, °С

б

170

Рис. 16. Сравнение расчётных и экспериментальных данных о глубине ЗТВ при упрочнении стали 60Г в зависимости от скорости обработки V с мощностью нагрева ЛГ= 36 кВт и Ы= 40 кВт (а) и температуры стали перед упрочнением (б)

- возможность проведения отпуска упрочненной поверхности;

- сохранение данных о параметрах режима обработки каждой колесной пары.

К основным узлам и системам установки относятся устройство для плазменной обработки, система электроснабжения и механизм вращения колёсных пар. Процесс упрочнения осуществляется под управлением персонального компьютера (ПК) по разработанной программе, с помощью которой устанавливают требуемые параметры режима, производится пуск плазмотронов и повышается мощность нагрева до требуемого значения. Во время работы поддерживаются номинальные значения параметров режима, их обработка и регистрация во временном файле на диске. После того, как обрабатываемая колесная пара завершит полный оборот, ПК отключает плазмотроны.

В зависимости от размещения установки в технологическом цикле ремонта колесных пар разработаны технологии плазменного поверхностного упрочнения с выкаткой их из-под подвижного состава и без выкатки. Для вращения колесных пар на установках, обрабатывающих колесные пары без выкатки, применяются колесно-фрезерные станки КЖ- 20. Механизмом вращения колесных пар собственной разработки оснащаются установки, на которых проводится упрочнение колесных пар, как с выкаткой, так и без выкатки их из-под подвижного состава.

На каждой из УУКГТ установлена система связи и удаленного управления установкой через интернет посредством программы TeamViewer (компания TeamViewer GmbH). Применение этой системы обусловлено необходимостью контроля над работой УУКП, соблюдением технологической дисциплины и оперативной передачи информации (программы, файлы, документы и т.п.). В случае обнаружения неисправности оборудования специалисту предоставляется возможность дистанционно провести анализ и оказать техническую помощь. Удаленное управление установкой в режиме реального времени позволяет включать и отключать установку, изменять параметры и настройки систем управления и измерения, а также наблюдать за процессом упрочнения через web-камеру.

В настоящее время в депо Московской, Юго-Восточной, ЮжноУральской, Горьковской, Приволжской, Северо-Кавказской, Северо-Западной и Свердловской железных дорог находятся в эксплуатации 30 установок для упрочнения колесных пар, на которых упрочнено более 185000 колесных пар.

Установка для упрочнения колесных пар сертифицирована Госстандартом РФ. По итогам выставки «ЭКСПОЖД-98» коллектив, участвовавший в разработке, отмечен дипломами ВВЦ и медалями «Лауреат ВВЦ».

В работе представлены результаты статистической обработки данных об эксплуатации упрочненных колесных пар.

Для анализа влияния упрочнения на ресурс колесных пар в каждом из депо, где внедряется установка, создается база данных, представляющая собой взаимосвязанные таблицы Microsoft Access и оригинальный редактор базы данных, с помощью которого можно вводить, редактировать и осуществлять поиск данных. Для проведения анализа данных в редактор заложены специально разработанные процедуры и SQL-запросы.

В базу данных заносятся замеры параметров колесных пар: толщина гребня, параметр крутизны, прокат и т.п. Эти параметры характеризуют профиль колеса, при котором осуществляется безопасная эксплуатация колесных пар подвижного состава на железной дороге. Помимо этих параметров в базу данных вносятся номера локомотивов (вагонов), под которые подкатываются колесные пары, и их пробеги. Таким обра-

зом, сформированная база данных отображает жизненный цикл и особенности эксплуатации колесных пар.

Впервые базу применили при оценке влияния упрочнения на ресурс цельнокатаных колесных пар в пассажирском депо Москва-3. Под наблюдением при эксплуатации находились две контрольные группы: 300 неупроч-ненных и 300 упрочненных колесных пар. Эксперимент закончился через полтора года, когда по причине износа выкатили последнюю колесную пару. Для контрольных групп по мере выкатки вычисляли среднее значение пробега. По причинам, связанным с износом рабочей поверхности колес, выкатили 218 неупрочненных и 90 упрочненных колесных пар, пробег которых составил 155000 км, что в 2 раза больше, чем неупрочненных (67000 км).

Для оценки эффективности плазменного упрочнения помимо пробега колесных пар используется коэффициент удельного износа гребня на 10000 км пробега, характеризующий интенсивность износа. Интенсивность износа гребней колесных пар различных типов подвижного состава Московской железной дороги представлена на рис. 17.

электропоезда

Рис. 17. Интенсивность износа гребней колесных пар подвижного состава Московской железной дороги

Результаты статистической обработки данных об эксплуатации колесных пар различных типов подвижного состава железных дорог свидетельствуют об эффективности плазменной обработки по разработанной технологии, которая позволяет в 2-3 раза уменьшить интенсивность износа упрочненных колесных пар по сравнению с неупрочненными.

Проведено экономическое обоснование эффективности плазменного упрочнения локомотивных колесных пар на установках Московской железной дороги. По оценке ГИПРОТРАНСТЭИ ОАО «РЖД», годовой экономический эффект на одну колесную пару составил 6328 руб. в ценах 2004 г.

В первом разделе третьей части представлены результаты исследования фазового состава, структуры и механических свойств покрытий из Cr-Mn-сплава на сталь 110Г13Л и 76Ф, а также технология и установка для плазменной наплавки элементов крестовин стрелочных переводов.

Известно, что средний срок службы крестовины из стали 110Г13Л в несколько раз меньше, чем стрелочного перевода в целом. Поэтому с целью проведения качественного ремонта изношенных крестовин и повышения их эксплуатационного ресурса разработали технологию плазменной наплавки сплава ПР-65Х25ПЗНЗ на сталь 110Г13Л с использованием разработанного плазмотрона.

Для предотвращения растрескивания и коробления покрытия разработали устройство для проведения ударной обработки синхронно с наплавкой.

Оптимизированные параметры режима наплавки (/ = 180 A, U = 40 В, G = 0,3 г/с, G. = 0,5 г/с, V = 10 мм/мин, V =20 мм/с, энер-

' порошка ' Л г ' ' пр. поп. г

гия удара бойка 5 Дж с частотой следования 10 Гц) обеспечивали получение наплавленного слоя толщиной до 2,5 мм, шириной до 60 мм и длиной до 600 мм. Покрытие наносилось в несколько слоев с ударной обработкой каждого слоя для снижения остаточных напряжений и абразивной зачисткой поверхности от окислов перед наплавкой следующего слоя. При экспериментальной наплавке общая толщина покрытия составила 22 мм.

Распределение твердости по глубине покрытия представлено на рис. 18.

HRC

■ »J-

Г-. ........г:

основа /

" • • / покрытие

'''' ■ .у^у^

■

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Расстояние от поверхности покрытия, мм

Рис. 18. Распределение твердости по глубине покрытия и основного металла

Результаты испытаний на растяжение продольных образцов показали, что металл покрытия имеет в 2 раза больший предел прочности, чем металл основы и границы раздела (табл.2).

Таблица 2. Механические свойства металла покрытия (продольные образцы)

Место отбора образцов а в ао,2 а пц 5

МПа %

покрытие 951 800 739 9,1

граница раздела 500 348 292 1,6

основа 558 324 272 15

При испытаниях на растяжение поперечные образцы показали самый низкий уровень свойств: ств = 376 МПа при 5 = 3,6%.

Результаты испытаний на ударную вязкость и доля вязкого волокна в изломе образцов покрытия и основы представлены в табл. 3.

Таблица 3. Ударная вязкость (КСи) и доля вязкого волокна (В) в изломе продольных образцов

Место отбора образца Расстояние от границы раздела, мм кси, Дж/см2 В,% Примечание

покрытие 10 7,5 0 В изломе обнаружены мелкие поры

0 8,7 0

основа 0 143 100

10 212 100

Значения показателей I7 и Аз в покрытии и основе зависят от расстояния от границы раздела (табл. 4), что связано с наличием дефектов между наплавленными слоями. Это подтвердилось фактографическими исследованиями: между слоями обнаружены поры иногда с неметаллическими включениями и содержащими также Мп, и Сг.

Таблица 4. Механические свойства и сопротивление разрушению металла при испытаниях на изгиб

Место отбора Расстояние от границы раздела, мм ст р ст от пл А э А р А,

образцов МПа мм Дж/см2

покрытие 10 1731 1383 0,20 6,5 13,8 20,3

покрытие 0 1612 1343 0,12 1,7 11,3 13

основа 0 1111 846 1,36 15,3 33,6 48,8

основа 10 1294 803 2,76 25,7 27,0 52,7

Микроструктура металла основы характеризуется крупными ау-стенитными зернами с размером до 1,5 мм.

В отличие от основного металла микроструктура покрытия более мелкозернистая, но неоднородна между наплавленными слоями. В области границы раздела покрытие имеет структуру литого металла с дендритными кристаллами и крупными зернами, а выше границы раздела - рекристаллизованная структура с зернами аустенита размером 0,030 - 0,100 мм. На границе между наплавленными слоями обнаружены дефекты в виде пор и неметаллических включений.

При наплавке в результате перемешивания основного металла и покрытия образуется слой смешанной структуры толщиной приблизительно 0,030 мм. Характерным для этого слоя является затекание расплава металла покрытия по оплавленным границам зерен основного металла внутрь, что способствует повышению прочности сцепления покрытия с основой, но снижает пластичность и работу зарождения трещины из-за неполного залечивания дефектов на границах.

При разработке технологии выявляли трещины на поверхности покрытия в месте окончания наплавки, имеющие ряд особенностей:

- трещины пересекают покрытие, границу раздела и распространяются по границам зерен металла основы внутрь;

- ширина трещин возрастает от границы раздела вглубь металла основы;

- вблизи поверхности основного металла в области трещин выявляются скопления неметаллических включений.

В связи с этим можно предположить, что при подготовке поверхности перед наплавкой не полностью удаляется окалина, например, из мест выхода границ зерен. Поскольку в состав окалины входят тугоплавкие оксиды, то при наплавке они могут закупоривать оплавленные границы зерен металла основы и препятствовать проникновению жидкого металла вглубь. В результате усадки и под действием остаточных напряжений оплавленные границы раскрываются и вызывают долом покрытия.

Фазовый состав покрытия, состоящий из аустенита с е-фазой, неоднороден по глубине, что является следствием микропластической деформации наплавляемых слоев при ударной обработке и неоднократного цикла нагрев-охлаждение при многослойной наплавке. По мере приближения к границе раздела количество е-фазы увеличивается до максимального значения у самой границы (рис. 19), тогда как остаточные микронапряжения при этом резко снижаются, что является следствием ударной обработки наплавляемого металла.

Таким образом, разработанная технология наплавки крестовин стрелочных переводов с синхронной ударной обработкой наплавленного слоя способствует повышению уровня свойств покрытия на сталь 110Г13Л.

Рис. 19. Изменение количества Е-фазы и ширины интерференционных линии В (111) и (311) у-фазы по глубине покрытия на сталь 110Г13Л

Одним из направлений при разработке ресурсосберегающих качественно новых крестовин является создание биметаллической конструкции, например, при наплавке высоколегированного сплава на углеродистую сталь.

С этой целью проводили наплавку сплава ПР-65Х25Г13НЗ на сталь 76Ф в улучшенном состоянии (закалка от Т-830 °С в масло и последующий отпуск при Т=500 °С в течение 50 мин) с ударной обработкой и без нее, и в отожженном состоянии (отжиг при Г=850 °С, в течение 2 ч, охлаждение вместе с печью до Т=600 °С, далее на воздухе) с ударной обработкой. Для изучения влияния отпуска на механические свойства каждый наплавленный образец выдерживался при Г=450 °С в течение одного часа.

Как было установлено, отпуск изделия после наплавки не является эффективной релаксационной обработкой, а для получения качественного покрытия предпочтительно производить наплавку на предварительно отожженный металл во избежание получения в нем высоких остаточных микронапряжений и неоднородности свойств по глубине.

Ударная обработка практически не изменяет характеристики прочности границы раздела, но несколько снижает сопротивление разрушению. При этом отмечается уменьшение ширины интерференционной линии (рис. 20 а и б) и увеличение количества а - фазы в покрытии (рис. 21). Причем, наиболее низкие остаточные микронапряжения достигаются при наплавке на сталь в отожженном состоянии с ударной обработкой.

Кроме этого, локальная концентрация остаточных микронапряжений в у-фазе возрастает по мере продвижения к границе раздела при наплавке с ударной обработкой и снижается без нее (рис. 22), что является следствием их релаксации с образованием микротрещин, обнаруженных на поперечных шлифах при металлографических исследованиях.

50

45

ч

40

г

£ 35

■т 30

со

25

20

в

покрытие

^ а основа

\ " ^--г^-""' ■

___( б ^

О 2 4 6 8 10 12

Расстояние от поверхности до границы раздела, мм Рис. 20. Изменение ширины интерференционных линий В (311) у- фазы в покрытие на сталь 76Ф: а- улучшение + наплавка + ударная обработка; б - отжиг + наплавка + ударная обработка; в- улучшение + наплавка (без ударной обработки)

100

80

60

'Г 40 а

20 о

У \/

покрытие /\ а / \ --1-1-1-1- основа 1-—

10 12 14 16

8 10 12 14 16

Рис. 21. Изменение количества а-фазы и у-фазы по глубине покрытия: а- наплавка с ударной обработкой; 6 - наплавка без ударной обработки

«5

24 20 16 12 8 4 О

ч

- «\1 а

♦ основ;

► покрытие --1-1-1- в —1-

О 2 4 6 8 10 12

Расстояние от поверхности до границы раздела, мм

Рис. 22. Распределение локальной концентрации остаточных микронапряжений в покрытии: а - наплавка с ударной обработкой; в - наплавка без ударной обработки

Таким образом, введение ударной обработки покрытия приводит к релаксации микронапряжений у границы раздела в результате у—>а превращения.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о возможности создания крестовины стрелочного перевода путем наплавки сплава ПР-65Х25ПЗНЗ на основу из стали типа 76Ф. При этом предпочтительным технологическим вариантом является наплавка на горячекатаную или отожженную сталь с ударной обработкой покрытия.

Для обеспечения технологии наплавки крестовин стрелочных переводов разработали промышленную установку. В состав модернизированной установки УПН-303 входят плазмотрон, механизм перемещения, пневмомолоток, поворотный стол, ПК.

Плазмотрон, механизм подачи порошка и пневмомолоток размещаются на каретке механизма перемещения, что обеспечивает возможность проведения ударной обработки покрытия при температуре около 500 "С, находящегося в пластичном состоянии металла.

Процессы наплавки и ударной обработки наплавленного покрытия автоматизированы, управление ими осуществляется ПК по разработанной программе, что обеспечивает качество восстановительного ремонта.

С целью установления технических требований к восстановленным крестовинам разработаны и утверждены ОАО «РЖД» технические условия ТУ-СПТ-4-2001.

Для определения ресурса восстановленных крестовин проводили эксплуатационные испытания на Московской железной дороге, в результате которых установлено, что их ресурс по сравнению с новыми крестовинами в два раза выше.

Во втором разделе третьей части приведены результаты комплексных исследований покрытия из №-Сг-сплава на медь и разработка технологии упрочнения стенок кристаллизаторов МНЛЗ.

Одним из узлов МНЛЗ, определяющих качество продукции, является кристаллизатор. Основными требованиями, предъявляемыми к материалу стенок кристаллизаторов, являются высокие теплопроводность и износостойкость. В настоящее время стенки изготавливают из меди и медных сплавов.

Для повышения износостойкости стенок кристаллизаторов их покрывают хромом, никелем и сплавами на их основе, используя при этом химические, электрохимические, электролитические, лазерные способы нанесения покрытий. К недостаткам таких покрытий можно отнести их незначительную (до 1 мм) толщину.

С целью нанесения покрытий большей толщины проводили экспериментальную наплавку узких стенок слябового кристаллизатора с использованием разработанного плазмотрона. На первом этапе определяли оптимальные параметры режима наплавки, при которых обеспечиваются устойчивое горение электрической дуги, минимальное проплавление поверхности медной основы, хорошую смачиваемость и растекание металла покрытия, образование наплавляемого валика требуемой конфигурации.

Стенку кристаллизатора укладывали в специальную печь, где ее нагревали перед нанесением покрытия до температуры 450 °С. Проводили наплавку сплава ПР-Н77Х15СЗР2 по оптимизированному режиму: /=200 А, и= 40 В, С, юрошка= 0,3 г/с, СА = 0,5 г/с, =10 мм/мин, У<ш =20 мм/с, что позволило получить за один проход покрытие толщиной 5 мм и шириной 40 мм.

Результаты испытаний по определению твердости, микротвердости и механических свойств покрытия, границы раздела и основы приведены в табл. 5. Установлено, что покрытие имеет твердость в 4 раза и прочность более чем в 2 раза выше основы. Изменение прочности металла покрытия при испытаниях на срез по сечению образца свидетельствует, что разрушение (отслоение) покрытия при эксплуатации кристаллизатора исключено.

Таблица 5. Прочность и твердость покрытия, границы раздела и основы

Металл а в ст среза НИВ НУ 0,981, МПа

МПа

покрытие 550-600 575 280-370 310 73-81 75 3200-3550 3375

граница раздела - 180-220 200 20-70 45 830-4500 2665

основа 225-235 230 135-180 157 <20 820-860 840

Распределение твердости по глубине покрытия, высокая твердость на границе раздела и прочное сцепление покрытия с основным металлом обусловлены формированием переходного слоя с мелкозернистой структурой и участков взаимного проникновения металла основы и покрытия (рис. 23).

Возникновение остаточных микронапряжений и их распределение по глубине покрытия (рис.24) связаны с его фазовым составом, форми-

Рис. 23. Микроструктура границы раздела: а - граница четкая, двойники в зерне меди, (х 400); б - граница размыта, внедрение меди в покрытие,

(х 400)

рование которого происходит в результате протекания в расплавленном металле процессов перемешивания и диффузии химических элементов, входящих в состав покрытия и основы.

Фазовый состав покрытия и его изменение по сечению образца определили рентгеноструктурным анализом (табл. 6).

Таблица 6. Фазовый состав по сечению образца

Глубина слоя от поверхности, мм Фазовый состав

0,015 NiCr+CuNi +CrN

3,5 NiCr+CuNi+CrN+Cu+CrO,+Cr,Oa

6 Си+СЮ.д+Сг,0,+следыСг№

15 Cu

25 Cu

Для определения профиля распределения концентраций основных элементов в области границы раздела проводили спектральный анализ. Обнаружено повышенное содержание меди в покрытии - от 20% до 40%. Самое высокое содержание меди отмечается вблизи границы раздела, далее по сечению покрытия оно практически не изменяется (рис. 25), оставаясь на уровне 20%.

В соответствии с наблюдаемыми на рис. 25 профилями распределения концентраций элементов при длительности процесса в преде-

Рис. 25. Профили распределения концентраций Си и N1 в области границы раздела

лах 1-100 с коэффициент диффузии равен 10"4 - 10'6 см2/с. Коэффициент диффузии № в Си и Си в № при температуре 600-700 °С составляет 1,4-Ю"11 и 4Д-10"12 см2/с соответственно, а в жидком сплаве примерно равны - 10~4 - 10'5 см2/с. Из чего можно заключить, что полученные профили распределения концентраций являются результатом диффузии этих компонентов в жидком сплаве.

Таким образом, с учетом уровней твердости, износостойкости и характеристик прочности покрытия можно ожидать повышения эксплуатационного ресурса стенки кристаллизатора МНАЗ с таким покрытием не менее чем в 5 раз.

В четвертой части представлены разработка установки для напыления в вакууме и результаты исследований процесса плазменного напыления с использованием системы высокоскоростной диагностики.

Процессы взаимодействия дисперсных материалов со струей плазмы используются в различных плазменных технологиях с применением порошковых материалов. Для плазменного напыления в отличие от плаз-мохимии необходимо, чтобы частицы порошка нагревались до температуры плавления, минимально испарялись и имели достаточно высокую температуру и скорость. В настоящее время ввиду отсутствия систематических исследований зависимости между основными параметрами режима напыления и свойствами получаемого покрытия изучены недостаточно. Продвижение в этой области может быть достигнуто путем постановки комплексных исследований, охватывающих все этапы формирования покрытия, и получения новых экспериментальных данных.

На разработанной установке для напыления в вакууме с системой диагностики исследовали влияние параметров режима напыления (способ подачи порошка в плазменную струю, сила тока дуги, расход плазмообразующего и транспортирующего газов и др.) на скорость и температуру движущихся в плазменной струе частиц порошка (рис. 26)

Расход аргона, г/с

Расход аргона, г/с б

Рис. 26. Зависимость температуры (а) и скорости частиц (б) А12Оэ в зоне их взаимодействия с поверхностью образца от силы тока дуги I и расхода аргона

с определением электронной температуры, концентрации электронов, атомов и ионов в плазме.

Экспериментально установленные характеристики гетерогенного плазменного потока позволили оценить эффективность нагрева частиц различных напыляемых материалов размером 10-100 мкм, движущихся со скоростью 50-200 м/с в дозвуковых плазменных струях, и оптимизировать параметры режима напыления, при которых средняя температура частиц порошка близка к температуре плавления, а поля скоростей и температуры частиц порошка являются достаточно однородными, что необходимо для обеспечения стабильного и высокого качества покрытия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе результатов исследований тепловых и электрофизических характеристик плазмотрона с расширяющимся каналом выходного электрода и установленных закономерностей формирования структурно-фазового состояния и свойств модифицированных поверхностей металлов и сплавов разработаны технологии, созданы установки для плазменного упрочнения железнодорожных колесных пар и роликов транспортных рольгангов прокатных станов, наплавки крестовин стрелочных переводов, медных кристаллизаторов МНАЗ и напыления порошковых материалов, применение которых в промышленности способствует ресурсосбережению при эксплуатации и ремонте изделий.

2. Разработаны плазмотроны для упрочнения колесных пар и напыления порошковых материалов, а также плазмотрон для плазменной наплавки с устройством подачи порошка в дуговой разряд. Оптимизирован угол раскрытия канала а=6°, обеспечивающий повышение КПД и ресурса работы плазмотрона, что является следствием увеличения теплообмена между дугой и плазмообразующим газом, равномерного распределения плотности тока по выходному электроду и, следовательно, однородного магнитного поля тока, способствующего повышению устойчивости столба дуги в разрядном промежутке.

3. Оптимизированы параметры режима плазменного упрочнения железнодорожных колес (N=35 кВт; У=130 мм/мин; С =1,5 г/с), при которых обеспечивается наилучшее сочетание характеристик упрочнения и сопротивления хрупкому разрушению упрочненного слоя. Результаты исследования влияния химического состава колесной стали при различном содержании углерода и хрома на размеры, структурное состояние и механические свойства упрочненной зоны позволили скорректировать режим плазменной обработки, в частности, колесных пар локомотивов с повышенной твердостью бандажей и колес грузовых вагонов из легированной хромом стали.

4. Установлено, что в результате воздействия азотной плазменной струи на поверхность стали происходит ее азотирование, приводящее к возникновению в поверхностном слое не характерных для стали 60Г нитридных фаз, азотистого аустенита, фермообразного мартенсита. Установлены структурные механизмы повышения уровня свойств упрочненной стали, которые заключаются в формировании в упрочненном слое специфического спектра структур, включающего нитриды, аустенит, фермообразный и пакетный мартенсит, троо-стомартенсит и троостосорбит, что способствует созданию плавной

и глубокой переходной зоны от высокотвердого слоя к основному металлу, а также в релаксации микронапряжений при деформации поверхностного слоя во время эксплуатации в результате у-а превращения в слое высокоазотистого аустенита.

5. Разработаны технологии плазменной наплавки износостойких покрытий на сталь 110Г13Л, 76Ф и медь, обеспечивающие получение покрытия толщиной до 5 мм, а при многослойной наплавке толщиной свыше 10 мм, и прочным сцеплением его с основным металлом.

6. Разработан способ плазменной наплавки покрытия из сплава ПР-65Х25Г1ЭНЗ на сталь 110Г13Л, включающий ударную обработку наплавленного слоя синхронно с наплавкой. Установлено, что релаксация остаточных микронапряжений в покрытии является следствием ударной обработки и происходит в результате протекания фазового у—>а превращения и микропластической деформации. Установлен эффект оплавления границ литой структуры металла основы и армирование ее жидким расплавом покрытия, что повышает прочность сцепления покрытия с основой, но снижает его трещиностой-кость из-за неполного залечивания дефектов на границах.

7. Показана возможность создания крестовины стрелочного перевода путем наплавки сплава ПР-65Х25ПЗНЗ на основу из стали типа 76Ф взамен крестовин из высоколегированной стали 110Г13Л. Установлено, что способ плазменной наплавки на отожженную сталь 76Ф с синхронной ударной обработкой наплавленного слоя позволяет получать покрытие с высоким уровнем свойств и равномерным распределением остаточных микронапряжений.

8. Установлено, что прочность сцепления покрытия из сплава ПР-Н77Х15СЗР2 с основой из меди при испытаниях на срез на 50% ниже прочности на срез покрытия и на 30% выше прочности на срез меди, что обусловлено формированием на границе раздела переходного слоя с мелкозернистой структурой в условиях протекания процессов перемешивания и диффузии компонентов в расплаве, при его кристаллизации и охлаждении. Вследствие того, что твердость и износостойкость полученного покрытия в ~5 раз больше, чем у меди, можно прогнозировать увеличение в 5 раз эксплуатационного ресурса кристаллизатора МНЛЗ в целом.

9. Освоены промышленные плазменные технологии упрочнения вагонных и локомотивных колесных пар и наплавки крестовин стрелочных переводов.

• Созданы установки для плазменного упрочнения гребней колесных пар. Разработаны программное обеспечение и автоматизированная система управления установкой с возможностью дистанционного контроля и наблюдения за технологическим

процессом упрочнения колесных пар в режиме реального времени. Установка и упрочненные цельнокатаные колеса и бандажи сертифицированы Госстандартом РФ. Разработаны и согласованы с ОАО «РЖД» инструкции по проведению плазменного упрочнения гребней колесных пар. Результаты статистической обработки данных об эксплуатации колесных пар различных типов подвижного состава железных дорог свидетельствуют о том, что плазменное упрочнение по созданной технологии способствует снижению интенсивности износа колесных пар в 2-3 раза. В вагонных и локомотивных депо эксплуатируются 30 установок, на которых упрочнено более 185000 колесных пар. • Создана установка для наплавки элементов крестовин стрелочных переводов. Разработаны и согласованы с ОАО «РЖД» технические условия на крестовины, восстановленные плазменной наплавкой. При проведении натурных испытаний на Московской железной дороге установлено, что восстановленные крестовины по сравнению с новыми обладают в два раза большей эксплуатационной долговечностью.

10. Создана установка для плазменного напыления в вакууме и система диагностики гетерогенной плазмы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тюфтяев А. С. Анализ структуры и свойств стали 76Ф при плазменной порошковой наплавке // Сталь. № 7. 2013. С. 84-89.

2. Тюфтяев A.C. Особенности электрического разряда в плазмотроне с расширяющимся каналом выходного электрода //Теплофизика высоких температур. 2013. - Т. 51. № 2. С. 183-190.

3. Тюфтяев A.C. Технология плазменного упрочнения колесных пар. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2013. № 1. С. 70-78.

4. Исакаев Э.Х., Мордынский В.Б., Сенченко В.Н., Тюфтяев A.C., Чин-нов В.Ф., Щербаков В.В. Исследование нагрева и ускорения частиц при плазменном напылении //Сварочное производство. 2012. № 1. С. 26-33.

5. Исакаев Э.Х., Синкевич O.A., Тюфтяев A.C., Чиннов В.Ф. Исследование генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом выходного электрода и некоторые его применения //Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 1. С. 105-134.

6. Исакаев Э.Х., Синкевич О.А, Спектор Н.О., Тазикова ТФ., Хачатуро-ваА.Г., Тюфтяев A.C. Исследование генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом выходного электрода //Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 6. С.816-827.

7. Антиповский C.B, Тюфтяев A.C. Технология плазменного упрочнения гребней колесных пар //Сварочное производство. 2009. №6. -С.45-48;

8. Желобцов Е.А., Исакаев Э.Х., Пелецкий В.Э., Тюфтяев A.C. Реализация метода продольного теплового потока для измерения коэффициента теплопроводности твердых тел при высоких температурах // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 5. С. 140-144.

9. Ильичев М.В., Ливанова О.В., Тюфтяев A.C., Филиппов Г.А. Влияние технологических параметров плазменной обработки на формирование структуры и свойств стали типа 60 Г // Металлург. 2008. № 10. С. 59-62.

10. Ильичев М.В., Исакаев Э.Х., Ливанова О.В., Тюфтяев A.C., Филиппов Г.А. Повышение износостойкости стали 110Г13Л плазменной наплавкой с ударным наклепом // Сталь. № 12. 2007. С. 70-74.

11. Исакаев Э.Х., Ильичев М.В., Тюфтяев A.C., Филиппов Г.А. Особенности структурообразования и формирования свойств при плазменной обработке углеродистой стали//Материаловедение. 2003. № 2. С. 5255.

12. Гонтарук Е.И., Ильичев М.В., Исакаев Э.Х., Тюфтяев A.C., Филиппов Г.А. Новая технология поверхностного плазменного упрочнения стальных изделий // Сталь. 2002. № 6. С.78-81.

13. Иванов П.П., Исакаев Э.Х., Изотов В.И., Филиппов Г.А., Тюфтяев A.C. Эффективный способ поверхностного упрочнения железнодорожных колес // Сталь. 2000. № 1. С.63-66.

14. Исакаев Э.Х., Тюфтяев A.C. Влияние геометрии сопла на характеристики дуги в плазмотроне для резки металлов // Сварочное производство. 1994. № 5. С. 23-24.

15. Исакаев Э.Х., Спектор И.О., Григорьянц Р.Р., Тюфтяев A.C. Влияние угла раскрытия выходного электрода на характеристики плазмотрона// Теплофизика высоких температур. 1994. Т.32. № 4. С. 627-628.

16. Исакаев Э.Х., Мордьшский В.Б., Ильичев М.В., Катаржис В.А., Тюфтяев A.C., Филиппов Г.А., Фролова М.Г. Применение плазменно-по-рошковой наплавки с проковкой для восстановления железнодорожных крестовин// Бюл. «Черная металлургия». 2012. № 1. С. 71-75.

17. Алексеева А.Е., Исакаев Э.Х., Тюфтяев A.C., Ильичев М.В., Филиппов Г.А. Влияние ударного наклепа на структурное состояние наплавки. Матер. 13-ой междунар. науч.-практ. конф. «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» 12-15 апреля 2011 г. - С.-Петербург. 2011. Ч. 1. С. 8-14.

18. Ильичев М.В., Ливанова О.В., Тюфтяев A.C., Филиппов Г.А., Юсупов Д.И. Плазменная обработка стали с различной исходной температу-

рой. Матер. 12-ой междунар. науч.-практ.конф. «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» 13-16 апреля 2010 г. - С.-Петербург. 2010. Ч. 2. С. 158-161.

19. Исакаев Э.Х., Тюфтяев A.C., Ильичев М.В., Филиппов Г.А., Юсупов Д.И. Влияние исходной температуры металла перед плазменной обработкой на формирование структуры и свойств высокоуглеродистой стали. Сб. матер. 50-ого Международного симпозиума «Актуальные проблемы прочности», 27 сентября - 1 октября 2010 г. - Витебск. Беларусь. - С. 100-103.

20. Ильичев М.В., Гетманова М.Е., Ливанова О.В., Тюфтяев A.C., Филиппов Г.А. Исследование влияния содержания хрома в стали типа 60Г на структуру и свойства после плазменной обработки. Матер. 11-й междунар. науч.-практич. конф. «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано-до макроуровня». - С.-Петербург. 14-17 апреля 2009. Ч. 2. С. 142146.

21. Антиповский С.В, Исакаев Э.Х., Тараканов В.Ю., Тюфтяев A.C., Яблонский А.Э. Плазменное упрочнение как способ увеличения ресурса колесных пар //Локомотив. 2009. № 6. С.26-27.

22. Алексеева А.Е., Ильичев М.В., Исакаев Э.Х., Филиппов Г.А. Исследование влияния параметров плазменной обработки на фазовый состав и структурное состояние стали 60Г. Сб. тр. 8-ой Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. «Быстрозакаленные материалы и покрытия» 30 ноября-1 декабря 2009 г., «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского. - Москва. С.73-77.

23. Андреенко E.H., Горячев C.B., Исакаев Э.Х., Михатулин Д.С., Тереш-кин С.А., Тюфтяев A.C., Чиннов В.Ф. Исследование поля скоростей частиц в гетерогенном трансзвуковом потоке. Матер. IV Всерос. конф. «Физическая электроника» 23-26 октября 2006 г. - Махачкала. С.58-63.

24. Исакаев Э.Х., Катаржис В.А., Тюфтяев A.C. Плазмотрон для наплавки. Сборник статей Всероссийского научно-исследовательского института межотраслевой информации «Научно-технические достижения». 1994. № 4. С. 28-30.

25. Исакаев Э.Х., Тюфтяев A.C. Плазмотроны для резки металлов. Сб.статей Всероссийского науч.-исслед. ин-та межотраслевой информации «Научно-технические достижения». 1993. № 5. - С.7-8.

26. Пат. № 2454469 РФ. Способ упрочнения локомотивных и вагонных колес / Шахпазов Е.Х., Филиппов Г.А., Белоусов Г.С., Гетманова М.Е.,

1. Ромашова H.H., Исакаев Э.Х., Тюфтяев А. С., Ильичев М.В. 27.06.2012. Бюл. № 18.

2. Пат. № 2401310 РФ. Способ и устройство для плазменной обработки тела вращения / Исакаев Э.Х., Тюфтяев A.C., Яблонский А.Э. 10.10.2010. Бюл. № 28.

3. Пат. № 2152445 РФ. Устройство для плазменной обработки / Исакаев Э.Х., Тюфтяев A.C., Яблонский А.Э. 10.07.2000. Бюл. № 19.

4. Пат. № 2069131 РФ. Устройство для плазменной обработки изделия/ Исакаев Э.Х., Троицкий A.A., Тюфтяев A.C., Яблонский А.Э. 20.11.1996. Бюл. №32.

30. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615277. Управляющая программа для процессорного модуля системы интеллектуальных модулей ТЕКОНИК «UUKP». Калинин В.И., Тюфтяев A.C. 4.06.2013.

Подписано в печать 09.08.13. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,0. Тираж 120 экз. Заказ № 99 Отпечатано в ЗАО «Металлургиздат» 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 9/23

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ им. И.П. БАРДИНА» ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ 1

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И РАЗРАБОТКА НА ЭТОЙ ОСНОВЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

05201351316

на правах рукописи

ТЮФТЯЕВ АЛЕКСАНДР СЕМЕНОВИЧ

УДК 621.785.54:669.14.018.255

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва- 2013

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................10

1 ПЛАЗМОТРОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.....................................................20

1.1 Разработка и исследование плазмотрона с расширяющимся

каналом выходного электрода.......................................................................20

1.1.1 Профилирование выходного электрода плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги.........................................................21

1.1.2 Секционирование выходного электрода как эффективный метод исследования энергетических характеристик плазмотронов....................26

1.1.3 Сравнительные исследования вольт-амперных характеристик плазмотронов..................................................................................................28

1.1.4 Распределение электрического тока и тепловых потоков по длине выходного электрода. Тепловой КПД дуги.................................................32

1.1.5 Исследования электрического разряда в плазмотроне с расширяющимся каналом выходного электрода........................................38

1.1.6 Исследование параметров плазмы спектроскопическими методами 44

1.2 Разработка и исследование плазмотрона с внешним электродом .... 47

Выводы по части 1..............................................................................................53

2 ПЛАЗМЕННОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ...................................54

2.1 Разработка технологии плазменного упрочнения

железнодорожных колес..................................................................................54

2.1.1 Разработка устройства для плазменной обработки............................55

2.1.2 Исследование влияния параметров плазменной обработки на структурно-фазовое состояние и свойства упрочненной зоны стали 60Г61

2.1.2.1 Геометрические параметры и твердость упрочненной зоны.....62

2.1.2.2 Определение механических свойств металла упрочненной зоны 65

2.1.2.3 Структура и микротвердость упрочненной зоны........................68

2.1.2.4 Фазовый состав и структурное состояние поверхностного слоя75

2.1.3 Исследование влияния химического состава на структуру и свойства упрочненного слоя при различных режимах плазменной обработки........................................................................................................84

2.1.3.1 Влияние углерода на структуру и свойства упрочненного слоя 87

2.1.3.2 Исследование структуры и свойств упрочненного слоя в зависимости от содержания хрома в стали.........................................102

2.1.3.3 Испытания на износостойкость упрочненного слоя.................114

2.1.3.4 Исследование влияния плазменного упрочнения на макроостаточные напряжения в бандаже.............................................119

2.1.4 Исследование влияния температуры металла перед плазменной обработкой на механические свойства и параметры микроструктуры упрочненного слоя.......................................................................................122

2.1.5 Сравнительные исследования свойств стали 60Г упрочненной по разным технологиям....................................................................................136

2.1.5.1 Общая характеристика образцов.................................................136

2.1.5.2 Определение механических свойств образцов..........................140

2.1.5.3 Износостойкость поверхности упрочненного слоя................142

2.1.5.4 Результаты испытаний на усталость...........................................143

2.1.5.5 Оценка склонности к замедленному разрушению упрочненного металла при воздействии напряжений, коррозионной среды и водорода.....................................................................................145

2.1.5.6 Микроструктура упрочненного слоя..........................................146

2.1.5.7 Электронно-микроскопическое исследование металла упрочненной зоны...................................................................................150

2.1.5.8 Рентгенографический анализ фазового состава упрочненной зоны.................................................................................158

2.1.5.9 Обобщение результатов сравнительных исследований. Структурный механизм повышения уровня свойств плазменноупрочненной стали................................................................160

2.1.5.10Исследование влияния деформации на изменение фазового состава упрочненного слоя....................................................................165

2.2 Разработка математической модели процесса упрочнения.............168

2.2.1 Определение зависимости коэффициента теплопроводности стали типа 60Г от температуры.............................................................................170

2.2.2 Разработка математической модели процесса плазменного поверхностного упрочнения стали.............................................................175

2.3 Разработка и освоение промышленной установки для упрочнения колесных пар (УУКП).....................................................................................192

2.3.1 Состав и технические данные промышленной установки...............193

2.3.2 Автоматизированная система управления.........................................195

2.3.3 Разработка системы мониторинга колесных пар и результаты исследования их эксплуатационного ресурса...........................................197

2.4 Плазменное упрочнение роликов транспортного рольганга.............201

Выводы по части 2............................................................................................203

ПЛАЗМЕННАЯ НАПЛАВКА..........................................................................205

3.1 Плазменная наплавка на высокоуглеродистую сталь......................206

3.1.1 Плазменная наплавка на сталь 110Г13 Л............................................206

3.1.1.1 Исследование химического состава и механических свойств покрытия..................................................................................................208

3.1.1.2 Фрактографические исследования образцов.............................211

3.1.1.3 Микроструктура основы, границы раздела и покрытия...........213

3.1.1.4 Рентгенографический анализ фазового состава покрытия и основного металла...................................................................................216

3.1.2 Плазменная наплавка на сталь 76Ф....................................................218

3.1.2.1 Исследование влияния исходного состояния основного металла и отпуска после наплавки на механические свойства покрытия..................................................................................................220

3.1.2.2 Влияние ударной обработки на механические свойства, фазовый состав и напряженное состояние покрытия..........................221

3.1.3 Разработка промышленной установки для плазменной наплавки и результаты эксплуатационных испытаний восстановленных крестовин

стрелочных переводов.................................................................................229

3.2 Плазменная наплавка на медь................................................................232

3.2.1 Результаты исследования механических свойств покрытия...........232

3.2.2 Исследование микроструктуры покрытия.........................................236

3.2.3 Исследование напряженного состояния, фазового состава и концентрационных зависимостей покрытия...........................................237

Выводы по части 3............................................................................................242

4 ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ.......................................................................243

4.1 Разработка установки для напыления в вакууме...............................244

4.2 Разработка системы измерения скорости и температуры частиц

порошка при их нагреве в плазменной струе.............................................247

Выводы по части 4............................................................................................254

5 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................................................255

6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................259

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................276

Список сокращений:

ТВЧ - токи высокой частоты

ВАХ - вольт-амперная характеристика

КПД - коэффициент полезного действия

ПЗС - прибор с зарядовой связью

ДФС - дифракционный спектрограф

ЦПУ - центральный пульт управления

ЗТВ - зона термического влияния

ГЦК - гранецентрированная кубическая решетка

ГПУ - гексагональная плотноупакованная

ОЦК - объемно-центрированная кубическая решетка

ПК - персональный компьютер

МЖД - Московская железная дорога

УУКП - установка для упрочнения колесных пар

КП - колесная пара

НП - проволока наплавочная

КТ - коэффициент теплопроводности

ПР - порошковый сплав

МНЛЗ - машина непрерывного литья заготовок

ГТН - газотермическое напыление

Список условных обозначений:

а - угол между образующей и осью выходного электрода плазмотрона

0 - расход плазмообразующего газа

1 - сила тока

11-110 - сила тока через секции № 1 -10 ихх - напряжение холостого хода и - падение напряжения Окатод - расход воды через катод бсопло - расход воды через сопло

01-010 - расход воды через секции 1-10

т 1 хол - температура воды

т 1 катод - температура воды после охлаждения катода

т 1 сопло - температура воды после охлаждения сопла

Т1-Т10 - температура воды после охлаждения секций 1-10

- тепловой поток в ьую анодную секцию

Пе - плотность электронов

т 1 е - температура электронов

к - коэффициент сосредоточенности дуги

Чо - наибольший тепловой поток в центре пятна нагрева

г - расстояние от оси дуги

<3х - интегральный тепловой поток

N - мощность нагрева

V - скорость обработки

О - расход газа

п - номер пластины калориметра

Оп - тепловой поток в п-ю пластину калориметра

Ов - расход воды через пластину

Ср - удельная теплоемкость воды

Тп-1 - температура воды перед охлаждением п-й пластины

Тп - температура воды после охлаждения п-й пластины

- разрушающее напряжение при испытаниях на изгиб

СУ0Х - напряжение общей текучести при испытаниях на изгиб

^среза - напряжение среза при испытаниях на срез

f - пластический прогиб при испытаниях на изгиб

Ах - сопротивление разрушению

Аз - сопротивление зарождению трещины

АР - сопротивление распространению трещины

В - ширина интерференционной линии

Р - плотность дислокаций

(3 - физическое уширение

Да/а - искажение кристаллической решетки

5 - локальная концентрация остаточных микронапряжений

Р - давление

сн - предел прочности при испытаниях на растяжение

о0,2 - предел текучести при испытаниях на растяжение

спц - предел пропорциональности при испытаниях на растяжение

5 - относительное удлинение

\(/ - относительное сужение

НВ - твердость по Бринелю

НЯВ - твердость по Роквеллу шкала В

НК.С - твердость по Роквеллу шкала С

НУ - микротвердость

КСи - ударная вязкость

КСи - ударная вязкость образцов из основного металла и образцов с КСИ у упрочненным слоем

Ь - глубина упрочненного слоя (ЗТВ)

N - суммарное число циклов до разрушения при усталостных

испытаниях

Д1ЧИ - число циклов до зарождения трещины

ДЫР - число циклов при распространении трещины

ДК - размах напряжения при симметричном цикле

Д^ - длительность инкубационного периода зарождения трещины

Ур - средняя скорость распространения трещины

а - параметр кристаллической решетки

А, - коэффициент теплопроводности

Т - температура

а0 - постоянная Стефана-Больцмана

8 - степень черноты

т - время

аг - коэффициент теплоотдачи за счёт излучения

расход порошка при наплавке

поперечная скорость перемещения плазмотрона

продольная скорость перемещения плазмотрона

доля вязкой составляющей

угол скольжения (брэгговский угол)

межплоскостное расстояние

ширина лунки износа

Введение.

Проблема повышения сопротивления разрушению и износостойкости изделий приобретает особую значимость в связи с непрерывно возрастающими требованиями к их надежности и долговечности.

Производство массивных изделий сопряжено с большим расходом металла и сложностью сборки самой конструкции (железнодорожные колеса, крестовины стрелочных переводов, кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), ролики транспортных рольгангов прокатных станов и др.). Традиционные методы объемного упрочнения элементов таких конструкций в настоящее время в значительной степени исчерпали свои возможности. В то же время их ресурс, например, в условиях повышенного износа, определяется главным образом структурой и свойствами поверхностного слоя.

Плазменное воздействие при поверхностном упрочнении сталей характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, малой длительностью перегрева металла при температурах выше критических точек и возможностью проведения химико-термической обработки. При этом происходят фазовые и структурные превращения, отличающиеся от реализуемых при традиционных способах поверхностной обработки: закалке ТВЧ, пламенной закалке и др. Важной особенностью получаемых структур является высокая степень их дисперсности.

Наплавка, как способ нанесения покрытия на рабочую поверхность изделия, занимает особое место в современной промышленности. Ее применение позволяет получать поверхностные слои с высокими износо- и коррозионностойкими, жаропрочными, антифрикционными и др. требуемыми служебными свойствами. Широкое использование конструкций из биметалла предопределяется их техническими и экономическими преимуществами.

Плазменные наплавка и напыление различных порошковых материалов имеют широкий спектр возможного применения. Однако низкая

производительность процессов и невысокое качество покрытия ограничивают их практическое использование. Известно, что качество покрытия зависит от температуры и скорости частиц порошка. Традиционная подача порошка с холодным транспортирующим газом в плазменную струю не обеспечивает в полной мере ускорение и нагрев частиц порошка. Между тем подача порошка с плазмообразующим газом позволяет значительно повысить производительность процесса и качество покрытия.

Зависимости между основными параметрами технологического процесса и свойствами получаемого покрытия изучены недостаточно и прогресс в этой области может быть достигнут путем проведения комплексных исследований, охватывающих все этапы формирования покрытия.

В данной работе представлено последовательное решение вопросов, связанных с разработкой конкретных плазменных технологий и внедрением их в производство: исследование и разработка плазмотронов постоянного тока; исследование состава, структуры и свойств модифицированных поверхностей металлических изделий; разработка плазменных технологий, оборудования и программного обеспечения; создание установок и их применение в промышленности.

Цель и основные задачи работы

С целью повысить эксплуатационную стойкость и долговечность металлических изделий необходимо исследовать влияние геометрии разрядного канала на тепловые и электрофизические характеристики плазмотрона, установить закономерности формирования структурно-фазового состояния и свойств модифицированных поверхностей металлов и сплавов, разработать технологии и создать установки для плазменной обработки.

Для достижения поставленной цели в работе решали следующие задачи. 1. На основе результатов экспериментальных исследований разработать оптимальную конструкцию устройства для плазменного упрочнения и напыления, для чего:

- изучить влияние степени расширения канала выходного электрода на тепловые и электрофизические характеристики плазмотрона;

- сопоставить характеристики плазмотронов с расширяющимся и цилиндрическим каналом постоянного сечения;

- определить распределение теплового потока в изделие при плазменном поверхностном упрочнении стали.

2. Изучить закономерности формирования упрочненного слоя при плазменной обработке стали типа 60Г, разработать и освоить промышленную технологию упрочнения колесных пар на сети железных дорог, для чего:

- исследовать влияние параметров режима плазменной обработки на структурно-фазовое состояние и механические свойства упрочненного слоя стали и предложить оптимальные параметры обработки;

- изучить влияние параметров режима плазменной обработки на структуру и механические свойства упрочненного слоя стали типа 60Г в зависимости от содержания в ней углерода и хрома;

- разработать технологию плазменного упрочнения колесных пар;

- разработать, создать и освоить промышленную установку для плазменного упрочнения колесных пар.

3. Исследовать закономерности формирования покрытия при плазменной наплавке, разработать технологии и создать промышленную установку упрочнения и восстановления металлических изделий:

- разработать оптимальную конструкцию плазмотрона с расширяющимся каналом и устройством подачи порошка в дуговой разряд совместно с плазмообразующим газом;

- установить закономерности формирования структурно-фазового состояния и механических свойств покрытия из сплава ПР-65Х25Г1ЭНЗ при наплавке на сталь 110Г13Л и 76Ф;

- разработать технологию плазменной наплавки элементов крестовин стрелочных переводов и создать установку для промышленного применения;

- установить закономерности формирования износостойкого покрытия из сплава ПР-Н77Х15СЗР2 при наплавке на медь и разработать технологию наплавки на стенки кристаллизаторов МНЛЗ;

4. Исследовать влияние режимов плазменного напыления на скорость и температуру части