Формирование структуры и свойств при нанесении н

На правах рукописи




Санкина Ольга Владимировна

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ПРИ НАНЕСЕНИИ НА СТАЛЬ
ИЗНОСОСТОЙКОГО СЛОЯ
НЕЛЕГИРОВАННОГО БЕЛОГО ЧУГУНА

Специальность: 05.16.01 – Металловедение и термическая

обработка металлов и сплавов


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Новокузнецк – 2010

Работа выполнена на кафедре технологии металлов и ремонта машин ФГОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт» и кафедре физики металлов и новых материалов ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

М.В. Чибряков


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.С. Биронт


кандидат технических наук

А.П. Кушнаренко


Ведущая организация: ГОУ ВПО «Томский политехнический университет» г. Томск


Защита диссертации состоится « 8 » июня 2010 года в 12-00 на заседании диссертационного совета Д212.252.01 при ГОУ ВПО «Сибирский государственной индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова, 42, факс (3843) 465792; e-mail: ds21225201@sibsiu.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».


Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.


Автореферат разослан « 5 » мая 2010 года


Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.252.01,

д.т.н., профессор Нохрина О.И.

Общая характеристика работы


Актуальность работы. В настоящее время любая промышленность нуждается в новых износостойких материалах, которые не изменяют своих свойств под влиянием различных внешних воздействий.

В качестве материалов для износостойких покрытий используются дорогостоящие сплавы, такие как сормайт, высоколегированный чугун и другие материалы, содержащие в своем составе большое количество дефицитных легирующих элементов – хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт и другие, резко увеличивающие себестоимость изготовления изделий.

При использовании более дешевого нелегированного чугуна в процессе электродуговой его наплавки часть углерода выделяется в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, резко снижающего прочность и износостойкость нанесенного слоя, а оставшаяся часть углерода в цементите, не обеспечивает необходимого уровня твердости и износостойкости.

В результате проведенных исследований научной школой д.т.н., профессора В.К. Афанасьева, разработаны способы получения нелегированного белого чугуна, в структуре которого при охлаждении расплава с любой скоростью не образуется графитная фаза.

В сельскохозяйственном производстве рабочие органы почвообрабатывающих машин и орудий (лемехи плугов, стрельчатые лапы культиваторов и сеялок, диски лущильников и др.) для обеспечения достаточного уровня прочности и вязкости изготавливают из углеродистой или низколегированной конструкционной стали с содержанием углерода от 0,45 до 0,75% с последующей упрочняющей термообработкой – закалкой и отпуском. Такая термообработка не обеспечивает достаточного уровня абразивной износостойкости в работе при контакте лезвия с почвой, поэтому на него наносится, чаще всего с помощью наплавки, определенный слой более износостойкого, но дорогостоящего материала.

Поэтому, применение более дешевого нелегированного белого чугуна в качестве материала для износостойких покрытий стали, отработка технологии их нанесения, исследование получаемых структуры и свойств, являются актуальными.

Цель работы. Изучение основных закономерностей формирования структуры и свойств износостойкого слоя при наплавке деталей машин и агрегатов нелегированным белым чугуном.

Задачи работы.

1. Проанализировать способы обработки расплава чугуна и способы получения нелегированного чугуна без выделений графита.

2. Исследовать изменения структуры чугуна после термоциклической обработки.

3. Разработать оптимальные режимы нанесения слоя нелегированного белого чугуна на сталь для получения износостойкого покрытия нужной толщины.

4. Исследовать структуру и свойства наплавленного износостойкого слоя.

Научная новизна.

1. Проведен анализ влияния условий наплавки на изменение микроструктуры и свойств наплавленного на сталь износостойкого слоя нелегированного белого чугуна.

2. Установлено, что износостойкость наплавленного слоя нелегированного белого чугуна не уступает по характеристикам упрочнению деталей машин и агрегатов дорогостоящими высоколегированными сплавами.

3. Разработан и применен способ электроискровой наплавки нелегированного белого чугуна для получения износостойкого слоя необходимой толщины.

4. Проведены исследования микроструктуры нелегированного белого чугуна после наплавки и установлено отсутствие графитовых включений в структуре наплавленного чугуна, предварительно прошедшего высокотемпературную термоциклическую обработку (ВТЦО).

Практическая значимость.

Совокупность экспериментальных исследований позволила:

1. Разработать способ термоциклической обработки чугуна (Патенты Российской Федерации №2322515; №2322516; №2306353).

2. Разработать способ электроискровой наплавки вращающимся электродом, изготовленным из нелегированного белого чугуна.

3. Использовать физическую природу и закономерности формирования механических свойств и структуры при электроискровой наплавке для выбора оптимальных режимов нанесения износостойкого покрытия из нелегированного белого чугуна.

4. Результаты исследований использованы при проведении производственных испытаний в условиях сельскохозяйственных предприятий Кемеровской области, а также для создания учебно-методического комплекса по дисциплинам «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» и «Надежность и ремонт машин» в Кемеровском государственном сельскохозяйственном институте.

Предмет защиты.

1. Особенности микроструктуры чугуна после термоциклической обра­ботки и наплавки.

2. Способ электроискровой наплавки нелегированного белого чугуна вращающимся электродом.

3. Особенности структуры и свойств наплавленного на сталь износостойкого слоя нелегированного белого чугуна, подвергнутого ВТЦО.

4. Зависимости способа нанесения покрытия из нелегированного белого чугуна, толщины и износостойкости нанесенного слоя от технологических режимов наплавки.

Личный вклад автора состоит в анализе литературных данных, научной постановке задач исследования, применении способа электроискровой наплавки вращающимся электродом и отработке технологических режимов, выполнении металлографических исследований и испытании механических свойств упрочненных деталей сельскохозяйственных машин, анализе полученных результатов.

Достоверность и обоснованность результатов. Подтверждается использованием научно-обоснованных методов исследования и не противоречит известным научным результатам других исследователей в данной области.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:

- научно-практической конференции «Повышение устойчивости и эффективности агропромышленного производства в Сибири: наука, техника, практика», г. Кемерово, 2003;

- Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, 2003;

- Международной научно-практической конференции «Повышение устойчивости и эффективности агропромышленного производства в Сибири: наука, техника, практика», г. Кемерово, 2004;

- Третьей научной конференции молодых ученых вузов «Агро­образования» Сибирского федерального округа «Инновационное развитие аграрного производства в Сибири», г. Кемерово, 2005;

- 8-й международной практической конференции-выставки «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», г. Санкт – Петербург, 2006;

- Научно-практической конференции «Тенденции и факторы развития агропромышленного комплекса Сибири» Специализированная выставка-ярмарка «Агро-Сибирь» 17-20 октября 2006, г. Кемерово;

- V Международной научно-практической конференции молодых ученых Сибирского федерального округа. «Современные тенденции развития АПК в России», г. Красноярск, 2007;

- Международной научно-практической конференции посвященной 100-летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова «Машино-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири», п. Краснообск г. Новосибирск, 2008;

- 6-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск, 2008;

- IV Международная научно-практическая конференция 5-6 февраля 2009 г. «Аграрная наука – сельскому хозяйству», Барнаул, 2009;

- VIII Международной научно-практической конференции «Инновации – приоритетный путь развития агропромышленного комплекса» 20-22 октября 2009, г. Кемерово, 2009.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 19 пе­чатных работах, из них 1 статья в издании, рекомендованном ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций, получено 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 143 страницах, состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложения, содержит 22 таблицы, 50 рисунков и список литературы из 120 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформули­рованы цель и задачи работы, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации основных резуль­татов работы.

В первой главе проведен патентно-литературный обзор, отражающий состояние вопроса на данный период времени. Проведен анализ способов по­лучения и применения белых нелегированных чугунов, способов упрочнения деталей машин и агрегатов.

В результате проведенного комплексного анализа, сделан вывод о воз­можности применения белого нелегированного чугуна в качестве наплавочного материала.

Во второй главе представлены материалы и методика исследований.

Для наплавки рабочих органов почвообрабатывающих машин использовался нелегированный белый чугун, полученный способом термоциклирования. Его состав следующий, в %: 3,8-4,2 C, 0,75 Si, 0,24 Mn, 0,08 S, 0,08 P, остальное – Fe. Предлагаемый способ обработки чугуна экономичен, обеспечивает удаление графита и повышение предела прочности на 70-140 МПа, а твердости – на 230-260 МПа.

Из данного чугуна заливкой в металлические формы были изготовлены электроды, с помощью которых наплавлялись рабочие органы сельскохозяйственных машин электродуговым и электроискровым способами.

Металлографический анализ проводился с помощью многофункцио­нального оптического микроскопа «OPTON» с выходом (с помощью видео­камеры «SIEMENS») на ПК. Просмотр микроструктуры проводился как на микроскопе, так и на мониторе при увеличении х110, х260, х300, х450, х500. Фотографирование микроструктуры в операционной оболочке «WINDOWS» проводилось с помощью программы «TVTap». В отдельных случаях изучение микроструктуры и съемка ее на негативную пленку проводилась на оптическом металлографическом микроскопе МБИ-6.

Микроструктура доменного (передельного) чугуна изучалась на шлифах, изготовленных по ГОСТ 6456-75 (укороченный способ мокрой шлифовки).

Производилось измерение твердости по методу Роквелла и микротвер­дости по методу Виккерса.

Термическая обработка чугунных образцов проводилась при разных температурах.

Нагрев от 820 до 8500С проводили в электропечах сопротивления СНОЛ – 1,3.2,5 1/9 с рабочим пространством 160х250х100 мм и разбегом температуры в рабочем пространстве ±50С. Доверительный интервал для проведения термообработки Т/2=±220С.

Контроль температуры осуществляли с помощью термопары хромель-алюмель и потенциометра постоянного тока ПП-63 (класса 0,5).

В третьей главе изучено влияние термоциклической обработки на структуру чугуна.

Рассмотрено влияние обработки с нагревом при 700-750 0С и разных способах охлаждения – в холодной воде, в кипящей воде, с печью и на воздухе на микроструктуру серого чугуна. В металлической основе серого чугуна без термической обработки присутствовали ферритные дендриты и перлит пластинчатый. После 20 циклов термоциклической обработки с охлаждением в кипящей воде появился перлит зернистый, по телу дендритов выделился мелкодисперсный графит. В случае термоциклической обработки с охлаждением на воздухе было отмечено дробление пластинок перлита.

Исследовалось влияние термоциклической обработки, предусматри­вающей циклический нагрев от комнатной температуры до 900-9500С, вы­держку и охлаждение в холодной воде, кипящей воде, на воздухе и с печью на микроструктуру серого чугуна. Металлографическим анализом установлено, что после такой термоциклической обработки с охлаждением в воде количество графита несколько уменьшилось, что обусловлено его растворением в матрице.

Проводилась высокотемпературная термоциклическая обработка (ВТЦО), которая заключалась в расплавлении чугуна, нагреве до 1550 0С, выдержке 20 минут, охлаждении до 13500С, выдержке 20 минут, повышении температуры до 15500С и последующей заливке с различной скоростью кристаллизации путем охлаждения на воздухе (асбестовая подложка), в медной изложнице, стальной изложнице и в воде. Количество подобных циклов достигало 10.




а б

а – без обработки; б – 3 цикла ВТЦО

Рисунок 1 - Влияние ВТЦО в интервале 1350-15500С на микроструктуру чугуна после охлаждения. х110

На рисунке 1 показаны микроструктуры образцов чугуна без проведения циклической обработки и после нее. Достаточно трех циклов ВТЦО, чтобы предотвратить выделение графита после охлаждения (рисунок 1, б).

В четвертой главе приведены выбор способа и технология нанесения износостойкого покрытия.

После изучения различных приемов нанесения износостойких покрытий нами были выбраны способы электродуговой наплавки и электроискровой наплавки вращающимся электродом. В процессе нанесения покрытия вторым способом осуществляют непрерывное удаление дефектного слоя с рабочей поверхности электрода.

Предлагаемый способ электроискрового нанесения покрытия иллюстрируется схемой, изображенной на рисунке 2.

Электрод 1, подключенный к положительному полюсу источника тока, вращают и перемещают по поверхности детали 2, подключенной к отрицательному полюсу источника тока, при этом одновременно в процессе нанесения покрытия с рабочей поверхности вращающегося электрода осуществляется непрерывное удаление дефектного слоя зачищающим инструментом 3 (например, шлифовальным кругом).



1 – электрод; 2 – деталь; 3 – шлифовальный круг

Рисунок 2 – Способ электроискрового нанесения покрытия

Электроды для наплавки были изготовлены в условиях ОАО ''Юргинский машиностроительный завод'' заливкой расплава чугуна подвергнутого ВТЦО в специально изготовленный кокиль. Электроды трапециевидного сечения применялись для нанесения покрытий электродуговым способом, как в открытой воздушной среде (наплавка постоянным током), так и в среде защитных газов (аргона).

Для того чтобы получить образцы для электроискровой наплавки вра­щающимся электродом заливка расплава чугуна после ВТЦО, производилась в земляные формы. Отливались образцы диаметром 25 мм и длиной 150 мм. В структуре таких электродов также полностью отсутствовали выделения графита.

Наплавка лемехов электродуговым способом выполнялась с тыльной стороны, а геометрическое построение рисунка наплавки велось тремя способами (рисунок 3).

При первом способе (рисунок 3, а) лемех наплавлялся сплошной полосой шириной 25-30 мм с уширением к носовой части.

Второй способ (рисунок 3, б) наплавки состоял в нанесении отдельных полос на высоту 25-30 мм с расстояниями между ними 5-7 мм. Причем, носок лемеха наплавлялся более частыми полосками, так как он подвергается более интенсивному износу.

Третий способ наплавки (рисунок 3, в) заключался в нанесении наплав­ленного слоя в виде зубчиков на высоту 25-30 мм с расстоянием между ними 25-30 мм. Такой способ наплавления необходим для того, чтобы при полевых испытаниях после определенной наработки на ненаплавленной режущей кромке образовывались выемки, а кромка с наплавленным слоем представляла собой зубцы. Таким образом, основа, представленная сталью, будет подвергаться интенсивному абразивному износу, а наплавленный более износостойкий слой будет изнашиваться меньше. В итоге сам лемех будет представлять собой прототип зубчатого, испытывающего меньшее удельное сопротивление.



а – наплавка сплошной полосой; б – наплавка отдельных полос; в – на­несение наплавки отдельными зубчиками

Рисунок 3 – Геометрическое построение рисунка наплавки лемехов

Дуговая наплавка создает большой слой наплавленного металла, но идет значительный разогрев основного металла с образованием протяженной зоны термического влияния. Электроискровой способ почти не нарушает структуры основного металла из-за быстрого затвердевания наплавляемого слоя. Но в то же время, существуют недостатки данного способа - малая толщина нанесенного покрытия. Величина слоя увеличивается за счет применения вращающегося электрода диаметром 25 мм и, в результате этого, глубина наплавленного слоя доходит до 1 мм. Для увеличения износостойкости необходим слой толщиной 4-5 мм. Этого можно добиться увеличением числа проходов.

На рисунке 4 представлены сравнительные фотографии неупрочненных и упрочненных лемехов, а также упрочненных стрельчатых лап культиватора.



а б

Рисунок 4 – Фотографии неупрочненного (верхний лемех) и упрочненных лемехов (а) и стрельчатых лап (б) до полевых испытаний

В пятой главе представлены экспериментальные исследования микро­структуры и свойств металла после наплавки нелегированным белым чугуном.

Наплавленные лемехи плугов и стрельчатые лапы культиваторов подвер­гались металлографическому исследованию. Для этого из стрельчатых лап и лемехов вырезались образцы в сечениях перпендикулярных режущему лезвию по всей длине.

При электродуговой наплавке обычным чугуном (без проведения ВТЦО) и охлаждении металла часть углерода выделяется в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, резко снижающего прочность наплавленного слоя. Оставшаяся часть углерода не обеспечивает достаточную для работы твердость и износостойкость. Из рисунка 5 отчетливо видно образование в наплавленном слое пластинчатых графитовых включений – так называемых ''трещин'' в металлической основе (темная составляющая структуры) и снижение микротвердости при переходе: основной металл – наплавленный слой – поверхность (квадратные отпечатки).




Рисунок 5 - Микроструктура стали 55 после электродуговой наплавки эвтектическим чугуном и замера микротвердости. х450.

Анализ структуры наплавленного электродуговым способом слоя чугуна, подвергнутого ВТЦО, выявил отсутствие выделений графита после каждого из применяемых способов наплавки (рисунок 6, а). Структура материала во всех случаях перлито-цементитная, по сравнению со структурой серого чугуна, содержащей выделения пластинчатого графита, получаемой при наплавке обычным чугуном.

Электродуговым способом наплавки можно получить практически лю­бую толщину наплавляемого материала, осуществляя обработку за один или несколько проходов.



а б

Рисунок 6 – Микроструктура наплавленного слоя (а) и зоны термического влияния (б) после электродуговой наплавки чугуна на сталь 55, х300.

Однако данный вид обработки ведет к сильному разогреву основного металла в прилегающей зоне и, как следствие, к образованию крупнозернистой структуры в зоне термического влияния (рисунок 6, б).

Необходимо заметить, что полученный нами экспериментальный нелегированный белый чугун, имеет довольно высокую прочность (450 – 510 МПа) и наследственность сохранения структуры от выделений графита. После термической обработки твердость чугуна может быть повышена до HRC 58–67 c гарантированным отсутствием закалочных трещин. Перечисленное позволяет считать, что данный белый чугун без выделений графита, в любых сечениях отливаемых заготовок, является перспективным материалом, составляющим серьезную конкуренцию легированным сталям, в том числе применяемым для изготовления сельскохозяйственного инструмента.

На рисунке 7 представлены структуры отожженных и термообработан­ных образцов после электроискровой наплавки. Прослеживается наличие трех зон: основного металла, переходной зоны и зоны наплавленного металла. Переходная зона (зона сцепления), согласно литературным данным, является основной, определяющей качество наплавленного соединения. При анализе соединений, полученных электродуговой наплавкой электродами из сормайта, было установлено, что кроме укрупнения зерна основного металла, в переходной зоне имеются участки графитизации, которые являются готовыми трещинами и будут приводить к выкрашиванию наплавленного слоя (рисунок 8). При электроискровой наплавке чугуном (рисунок 7) наблюдается переходная зона малой протяженности и роста зерна в переходной зоне и наплавляемом изделии не наблюдается.



а б

а - закалка с 8300С, в воде, режим наплавки: U=40В, I=50А, 290 об/мин; б - отжиг при 8300С, режим наплавки: U=40В, I=50А, 890 об/мин

Рисунок 7 – Микроструктура образцов, вырезанных из наплавленной электроискровым способом, стрельчатой лапы культиватора (сталь 65Г). х300



а х260 б х110

а – сталь 65Г – сормайт 1; б – сталь 65Г – нелегированный белый чугун

Рисунок 8 – Микроструктура соединений наплавленных электродуговым способом

Лемехи плугов (сталь 55) и стрельчатые лапы (сталь 65Г) перед наплавкой подвергались термической обработке, которая заключалась в следующем:

- закалка с 8300С, в воде и после наплавки низкий отпуск при 2000С;

- отжиг при 8300С, охлаждение с печью.

Показано, что наплавленный металл лемехов и стрельчатых лап состоит из ледебурита и перлита, и нет образований графита. В переходной зоне также не наблюдается графитообразования.

В таблице 1 приведены результаты испытания механических свойств термоциклированного чугуна. При сравнении, можно заметить, что термоциклированный чугун без выделений графита гораздо прочнее, чем высокопрочный с шаровидным графитом. В то же время, механические свойства всех легированных чугунов содержащих десятки процентов легирующих элементов гораздо ниже, чем прочность термоциклированного чугуна.

Таблица 1 - Механические свойства термоциклированного чугуна

Чугун

Число циклов

Механические свойства

В, МПа

НВ, МПа

Термоциклированный

2

300-350

410-430

6

360-400

440-480

10

400-450

510-530

Известный (высокопрочный)

-

230-260

210-217