Дослідження, розробка та впровадження наплавочного матеріалу для умов інтенсивного абразивного зношування - Автореферат

Багато деталей гірничодобувної та переробної техніки, дорожньо-будівних і сільськогосподарських машин, які безпосередньо контактують з абразивним середовищем (руда, грунт, щебінь, пісок і т.п.), мають строк використання в 3…5 разів нижче, ніж останні вузли й механізми. На симпозіумі, який було проведено в США з питання зниження зносу в техніці, загальна думка звелась до того, що управління зносом є центральною ланкою у рішенні таких національних проблем, як економія енергії, скорочення витрат матеріалів, забезпечення надійності та безпеки механічних систем. На симпозіумі також було зазначено, що для промисловості США можлива економія за рахунок ефективного впровадження результатів триботехніки у практику складе більш як 12…16 млрд. доларів на рік. В останні роки зявились праці, які свідчать про можливості отримання в наплавленому металі зміцнюючих фаз типу SIC, які мають мікротвердість 29…34 ГПА, що робить перспективним розробку зносостійких матеріалів з силікокарбідним зміцненням. Основні етапи роботи виконані згідно з Постановою РМ СРСР “О дополнительных мерах по развитию производства и восстановления деталей и изделий с упрочняющими покрытиями на 1986-1990 г.г.” № 212 від 11.02.1986 р.; Міжвузівською НТП “Разработать и внедрить материалы и техпроцессы изготовления деталей машин и оборудования с повышенной износостойкостью”, наказ № 299 Мінвузу УРСР від 29.12.1986 р.; Постановою РМ УРСР № 340 (додаток № 2) РЦКП “Материалоемкость” від 02.11.1988 р.; Тематичним планом держбюджетних робіт ЗДТУ, затвердженим МО України.Особлива увага приділена окремим несистематизованим відомостям про можливість утворення в сплавах з різним складом кремнію (1,6 %, 2,5 %, 3,8 %) силікокарбідних зміцнюючих фаз, що мають в 1,5…1,8 рази більш високу мікротвердість Н50=29…34 ГПА, ніж карбідні, карбоборидні й боридні фази. На основі аналізу попередньої інформації, як обєкт дослідження була обрана система Fe-C-Cr-B, яка додатково легована кремнієм в кількості від 2,2 % до 5,8 %. Вивчення процесів утворення зміцнюючих (укріплюючих) фаз, розподілення легуючих елементів між фазами, складу матриці зносостійких сплавів відбувалось з залученням методів рентгеноспектрального мікроаналізу (РСМА) структурних складових на мікрозонді МАР-3. Оцінка зносостійкості наплавленого металу в умовах інтенсивного абразивного зносу виконувалась за ГОСТ 23.208-79 “Метод випробування матеріалів на зносостійкість під час тертя об не жорстко закріплені абразивні частки”. Аналіз отриманих моделей показав, що залежність твердості, зносостійкості, міцності сплавлення сплаву з підложкою від кількості вуглецю, бору та кремнію описувалися кривими другого порядку.З застосуванням активного багатофакторного експерименту другого порядку отримана математична модель, яка описує вплив вуглецю, бору й кремнію на зміну твердості, міцності сплавлення і зносостійкості Fe-C-Cr-B-Si сплавів. З використанням методів аналітичної й графічної оптимізації запропонований склад наплавленого металу: 2,4…2,5 % С, 12…14 % Cr, 4,8…5,0 % Si, 2,4…2,5 % В (сплав 240Х13С5Р2), що володіє в досліджуваному факторному просторі максимальною абразивною зносостійкістю. Методами мікрорентгеноспектрального, рентгеноструктурного, якісного і кількісного Оже-аналізів установлено, що кремній у кількості 4…6 % забезпечує утворення в наплавленому металі силікокарбідів типу SIC, а також здрібнення карбоборидної й боридної зміцнюючих фаз. Встановлено, що при електродуговому наплавленні сплаву 240Х13С5Р2, разом з карбоборидною та боридною зміцнюючими фазами, утворюється дрібнодисперсна (до 0,5…2,0 мкм) силікокарбідна фаза (близько 50 % від загальної кількості). Сплав має твердість 60…63 HRC, міцність сплавлення з основою (сталь 45) спл = 170 20 МПА і відносну зносостійкість (еталон сталь 45 у відпаленому стані) відн = 6,90 0,23.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Згідно з літературними даними, у промисловості знаходять використання наплавочні матеріали, в яких основними зміцнюючими фазами є карбіди й бориди, які мають мікротвердість 12…14 ГПА і 19…24 ГПА відповідно. В той же час у літературі є свідчення про те, що у високовуглецевих сплавах, з вмістом кремнію більш як 2,0 %, можливе утворення силікокарбідів типу FENSIC і SIC з мікротвердістю до 34 ГПА. Це робить перспективною розробку зносостійких наплавочних матеріалів з силікокарбідною зміцнюючою фазою.

З застосуванням активного багатофакторного експерименту другого порядку отримана математична модель, яка описує вплив вуглецю, бору й кремнію на зміну твердості, міцності сплавлення і зносостійкості Fe-C-Cr-B-Si сплавів. З використанням методів аналітичної й графічної оптимізації запропонований склад наплавленого металу: 2,4…2,5 % С, 12…14 % Cr, 4,8…5,0 % Si, 2,4…2,5 % В (сплав 240Х13С5Р2), що володіє в досліджуваному факторному просторі максимальною абразивною зносостійкістю. Розроблено склад електродного покриття (а.с. СРСР № 1731550), що забезпечує отримання сплаву 240Х13С5Р2.

Методами мікрорентгеноспектрального, рентгеноструктурного, якісного і кількісного Оже-аналізів установлено, що кремній у кількості 4…6 % забезпечує утворення в наплавленому металі силікокарбідів типу SIC, а також здрібнення карбоборидної й боридної зміцнюючих фаз.

Встановлено, що при електродуговому наплавленні сплаву 240Х13С5Р2, разом з карбоборидною та боридною зміцнюючими фазами, утворюється дрібнодисперсна (до 0,5…2,0 мкм) силікокарбідна фаза (близько 50 % від загальної кількості). Її поява сприяла підвищенню мікротвердості основи сплаву з Н50 = 7,0…9,0 ГПА до Н50 = 10,0…13,5 ГПА, що у поєднанні з роздрібненням карбоборидів призвело до підвищення зносостійкості в 1,15…1,4 рази в порівнянні з стандартними наплавочними матеріалами системи Fe-C-Cr-B-Si: 320Х25С2ГР (Т-590), 80Х20Р3Т (ПП-АН 170) та ін.

Структура розробленого сплаву 240Х13С5Р2 складається з Fea матриці з незначною кількістю (до 5 %) g-фази та 55…60 % карбоборидної, боридної та силікокарбідної зміцнюючих фаз. Сплав має твердість 60…63 HRC, міцність сплавлення з основою (сталь 45) спл = 170 20 МПА і відносну зносостійкість (еталон сталь 45 у відпаленому стані) відн = 6,90 0,23.

З використанням сплаву 240Х13С5Р2 розроблена технологія збільшення терміну використання ковшів елеваторів для транспортування сипучих абразивних матеріалів. Технологія випробувана і впроваджена на установці Д-597 Мелітопольського підприємства МІСЬКДЕД. Строк використання ковшів елеваторів збільшився у 6,65 рази.

Фактичний економічний ефект за 11 місяців 1996-97 рр. у розрахунку на одну установку Д-597 склав 3,471 тис. грн. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження технології зносостійкої наплавки ковшів елеваторів у розрахунку на 100 установок типу АЗУ Д-597, що експлуатуються в Запорізькій області, складає 378,7 тис. грн.

ОСНОВНІ ДРУКОВАНІ ПРАЦІ

Митяев А.А. Хромборкремнистые сплавы для работы в условиях интенсивного абразивного изнашивания // Проблеми трибології. (Problems of Tribology). - 1997. - № 1. - С.20-24.

Митяев А.А., Волчок И.П., Попов С.Н. Повышение абразивной стойкости ковшей элеваторов дорожностроительной техники // Придніпровський науковий вісник. - 1997.- № 8 (19). - С. 23-28.

Попов С.Н., Митяев А.А. Математическое моделирование и разработка высокоизносостойких рабочих покрытий биматериалов на базе системы легирования Fe-C-Cr-B-Si // Придніпровський науковий вісник.-1998.- №12 (79).- С. 9-14.

А.с. 1731550 СССР, МКИ2 В23К 35/365. Состав электродного покрытия / С.Н. Попов, А.А. Митяев, А.Г. Кругликов (СССР). - № 4777651/08; Заявлено 04.01.90; Опубл. 07.05.92, Бюл. № 17. - 6 с.

Митяев А.А., Попов С.Н., Волчок И.П. Исследование структурно-фазового состояния износостойкого сплава 240Х13С5Р2 // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. пр. ЗДТУ. - Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. - С. 171-172.

Попов С.Н., Митяев А.А. Наплавочные материалы системы Fe-С-Cr-B для защиты деталей, работающих в условиях интенсивного газоабразивного и абразивного изнашивания // Повышение надежности и долговечности деталей машин и конструкций: Сб. научн. тр. ЗМИ. - К.: УМК ВО, 1988. - С.8-11.

Попов С.Н., Гордиенко В.Н., Митяев А.А. Исследование закономерностей абразивного изнашивания материалов в условиях эксплуатации рабочих органов асфальтосмесителей // Повышение износостойкости и долговечности деталей машин и оборудования: Сб. научн. тр. ЗМИ.- К.: УМК ВО, 1989.-С.76-84.

Митяев А.А., Акимов И.В. Материалы для деталей, работающих в условиях абразивного износа: Сб. научн. тр. ТГАТА. - Мелитополь: ТГАТА, 1996. - С.58-60.

Митяев А.А., Попов С.Н. Износостойкие сплавы системы Fe-C-Cr-B-Si // Труды ТГАТА. Том. 1. Выпуск 3. Машиноведение. - Мелитополь: ТГАТА, 1997. - С.32-36.

Попов С.Н., Митяев А.А., Фанагей Н.В. Исследование износостойкости сплавов с различным структурно-фазовым состоянием в условиях работы рабочих органов асфальтосмесителей //Тез. докл. III обл. научн. - техн. конф. “Молодые ученые и специалисты - реализации региональных целевых комплексных программ, ускорению научно-технического прогресса, активизации НТТМ”.-Запорожье: ЗМИ. - 1988.-С.46-47.

Попов С.Н., Митяев А.А. Технология и материалы для восстановительной наплавки рабочих органов асфальтосмесителей // Тез. докл. IV Всесоюзн. научн. - техн. конф. “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий”. - Запорожье: ЗМИ. - 1989. - С.285.

Попов С.Н., Митяев А.А. Использование направленной кристаллизации упрочняющей фазы для повышения срока службы наплавляемых деталей // Тез. докл. V научн. - техн. конф. “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий”. -Запорожье: ЗМИ. - 1992. - С. 225-226.

Попов С.Н., Митяев А.А. Выбор стандартных наплавочных материалов для защитных деталей асфальтосмесителей // Тез. докл. V науч. - техн. конф. “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий”. - Запорожье: ЗМИ. - 1992. - С. 229-230.

Попов С.Н., Митяев А.А. Влияние скорости кристаллизации на образование избыточных фаз в износостойких сплавах системы Fe-C-Cr-B-Si // Тез. докл. III научн. - техн. конф. “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”. - Запорожье. - 1994. - С.72.

Попов С.Н., Митяев А.А. Перспективы создания биметалла с высокоизносостойким рабочим слоем // Мат. VI Междунар. научн. - техн. конф. “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий”. - Часть 2.- Запорожье: ЗГТУ. - 1995.- С. 25.

Митяев А.А. Высокоизносостойкие материалы для деталей оборудования по производству строительных материалов // Мат. IV Междунар. научн. - метод. конф. ICMB’96 “Строительные материалы и строительные конструкции”. - Днепропетровск: ПГАСА. - 1996. - С.99.