Разработка технологии механизированной дуговой наплавки покрытия с заданным комплексом свойств, стойкого к гидроабразивному износу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат технических наук Орлик, Антон Геннадьевич

• Орлик, Антон Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Орлик, Антон Геннадьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение

Глава 1. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ СТОЙКОГО К

ГИДРОАБРАЗИВНОМУ ИЗНОСУ

1.1. Описание работы изделий и технологические требования, предъявляемые к слою стойкому к гидроабразивному износу

1.2. Анализ существующих представлений о механизмах абразивного изнашивания и определение критериев их оценки в

1.3. Способы нанесения износостойких покрытий

1.4. Материалы, применяемые для наплавки

1.5. Выводы по главе и постановка задач исследования

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ

ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОКРЫТИЙ СТОЙКИХ К ГИДРОАБРАЗИВНОМУ ИЗНАШИВАНИЮ

27

34

2.1. Выбор материала для механизированной наплавки покрытия стойкого к гидроабразивному износу

2.2. Экспериментальная установка для механизированной дуговой наплавки

2.3. Выбор схем и параметров режима для механизированной дуговой наплавки

2.4. Методики исследования наплавленного металла

2.5. Установка для определения стойкости к гидроабразивному изнашиванию

48

2.6. Выводы по главе

3 Стр.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ПОКРЫТИЙ,

СТОЙКИХ К ГИДРОАБРАЗИВНОМУ ИЗНАШИВАНИЮ

3.1. Исследование влияния условий наплавки на структуру

покрытия

3.2. Факторы, определяющие стойкость покрытия к гидроабразивному изнашиванию

3.3. Исследование влияния состава порошковой проволоки на формирование структуры покрытия стойкого к гидроабразивному изнашиванию, по технологии in situ

3.4. Исследование структур покрытий стойких к гидроабразивному

73

изнашиванию

3.5. Выводы по главе

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ

РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА НАПЛАВКИ

4.1. Результаты испытаний наплавленных покрытий на гидроабразивное изнашивание

4.2. Особенности гидроабразивного изнашивания наплавленных покрытий

4.3. Технологические рекомендации по нанесению покрытий стойких к гидроабразивному изнашиванию механизированной дуговой наплавкой

4.4. Промышленные испытания

4.5.Выводы по главе 109 Выводы по работе НО Список используемых источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии механизированной дуговой наплавки покрытия с заданным комплексом свойств, стойкого к гидроабразивному износу»

ВВЕДЕНИЕ

Конкурентоспособность современных промышленных предприятий зависит от производительности и надежности используемого промышленного оборудования. Эффективность оборудования или промышленного комплекса зависит от технологических перерывов или аварийных остановок на плановый и аварийный ремонт. В наибольшей степени это связано с износом оборудования. Период работы оборудования зависит от ресурса всех деталей входящих в него. Детали, работающие в условиях интенсивного износа, имеют короткий период эксплуатации, что значительно снижает общий ресурс работы оборудования и приводит к плановым остановкам. Использование наплавки в целях восстановления изношенных покрытий деталей машин зарекомендовало себя как эффективный и экономичный метод увеличения срока эксплуатации оборудования.

В настоящее время существует большое количество наплавочных материалов, позволяющих повысить износостойкие свойства наплавленного покрытия. Применение современных материалов для наплавки, обладающих качественно новым комплексом свойств, обеспечивающих повышение стойкости деталей машин к интенсивному износу, является перспективным для применения в различных отраслях машиностроения. Износостойкие свойства наплавочного материала во многом зависят от структуры нанесённого покрытия. Применение современных наплавочных материалов, позволяет получать различные структуры стойкие к определённым видал изнашивания. Широкий спектр современных наплавочных материалов затрудняет выбор определённой группы данных материалов и их структур, позволяющих максимально сопротивляться

интенсивному изнашиванию в конкретных условиях эксплуатации оборудования.

Применение более стойких наплавочных материалов для деталей, работающих в условиях гидроабразивного изнашивания, позволяет повысить ресурс работы изделия в целом и механизировать процесс наплавки. Однако анализ литературных и патентных источников, посвященных данной проблеме, показал, что наиболее полно изучены механизмы абразивного изнашивания, а информация по механизмам гидроабразивного изнашивания практически отсутствуют.

Из вышеизложенного следует, что разработка технологии получения износостойких наплавленных покрытий с композиционной структурой наплавленного металла, является новой и актуальной задачей. Детальный анализ свойств этих материалов, их практическое тестирование при разработке технологии нанесения износостойких покрытий позволяет обеспечить устойчивость и воспроизводимость эксплуатационных свойств наплавленных деталей.

Целью работы является повышение износостойкости деталей, работающих в условиях гидроабразивного износа, за счёт формирования структуры наплавленного слоя с заданным комплексом свойств, при механизированной дуговой наплавке.

Заключение диссертации по теме «Сварка, родственные процессы и технологии», Орлик, Антон Геннадьевич

Выводы по работе

1. Показано, что при выборе материла для наплавки слоев, стойких к гидроабразивному износу, существующий критерий КТ является недостаточным, так как не в полной мере характеризует износостойкость материала, даже в рамках одного структурного. класса сплавов. В условиях гидроабразивного износа большее значение имеют межфазные связи, геометрические размеры, прочность и твердость структурных составляющих наплавленного металла. В связи с этим наиболее предпочтительны наплавочные материалы, обеспечивающие формирование высокомодульных упрочняющих фаз в процессе кристаллизации в пластичной матрице как многофазной смеси, содержащей первичные блочные карбиды и бориды, с высокой адгезией по межфазным границам «фаза - матрица».

2. Раскрыт механизм разрушения поверхности при гидроабразивном износе покрытий со структурой, содержащей упрочняющие фазы в виде игольчатых дендритов и полученной in situ с использованием сварочных материалов на железной основе с системой легирования Fe-C-Si-Cr-Mo-Nb-W-B. Установлено, что в отличие от наплавленных покрытий со структурой, содержащей сформированную ex situ упрочняющую фазу в виде WC, разрушение покрытия с игольчатыми дендритами, происходит не за счет вымывания и выкрашивания зерен упрочняющей фазы, обусловленного эффектом Ребиндера, а путём обламывания абразивом выступающих игл упрочняющей фазы, что позволяет увеличить сопротивление износу в 1,5.2 раза.

3. Основное сопротивление разрушению оказывают иглы упрочняющей фазы, поэтому при выборе технологии наплавки для формирования структуры с высоким сопротивлением гидроабразивному разрушению необходимо использовать режимы с минимальной скоростью охлаждения ванны, обеспечивающие формирование в наплавленном слое структуры с максимальным объёмом упрочняющей фазы, размером карбоборидныхкристаллов Яф >Якра и твердостью Нш более 0,8 твердости абразива На, но не приводящие к деградации упрочняющей фазы и увеличению доли участия основного металла в наплавленном слое, и защитный газ с содержанием С02 в Аг не более 5%.

4. Диапазон изменения режимов наплавки должен обеспечивать с одной стороны качественное формирование и заданные размеры наплавленного валика, с другой стороны требуемые параметры термического цикла, что реализуется при однослойной однопроходной наплавке за счет выбора тока в пределах 145.245 А, напряжения 25.35 В, скорости наплавки 8.10 м/ч и применения поперечных колебаний электрода с частотой 0,65 Гц и амплитудой 7,5. 14 мм.

5. Предложена методика испытаний на гидроабразивный износ, позволяющая получать сравниваемые результаты оценки стойкости различных видов покрытий. Адекватность методики подтверждена производственными испытаниями наплавленных слоев в реальных условиях гидроабразивного изнашивания, поэтому данная методика может быть предложена при выборе материала для наплавки деталей, работающих в условиях гидроабразивного воздействия.

6. Промышленное испытание выбранного наплавочного материала на железной основе с системой легирования Ре-С-БьСг-Мо-ЫЬ-АУ-В и рекомендуемой технологии наплавки покрытия при ремонте шнека на ОАО Калужский турбинный завод показало, что стойкость покрытия увеличивается в два раза и позволяет экономить на каждом шнеке не менее 1 млн. 450 тыс. руб. за счет сокращения объема ремонтных работ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Орлик, Антон Геннадьевич, 2012 год

Список используемых источников

1. Алёшин Н.П. Оценка остаточного ресурса сварных конструкций // Сварка и диагностика. 2007. №2. С. 4-10.

2. Трение, износисмазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе [и др.] // Под общ.ред. А.В. Чичинадзе.- М.: Машиностроение, 2003. 576 с.

3. Хасуи А., Маригаки О. Наплавкаинапыление.- М.: Машиностроение, 1985. 240 с.

4. Pintaude G., Albertin Е., Sinatora A. Areviewon abrasive wear mechanisms of metallic materials // Abrasion 2005: Proceedings of International Conference-Abrasion. 2005. P. 167-177.

5. Kruschov M.M. Principles of abrasive wear // Wear. 1974. № 28. P. 6988.

6. Richardson R.C.D. The wear of metals by relatively soft abrasives // Wear. 1968. №11. P. 245-345.

7. Nathan G.K., Jones J.D. The influence of the hardness of abrasives on the abrasive wear of metals // Proc. IME. 1966\ 1967.№181. P. 215-275.

8. Gates J.D. Two-body and three-body abrasion: a critical discussion //Wearro-1988. №214.P. 139- 146.

9. Torrance A.A. An explanation of the hardness differential needed for abrasion// Wear. 1981. №68. P. 263-266.

10. Rabinowich E. Wear of hard surfaces by soft abrasives // Wear of Materials: International Conference on Waer of Materials. 1983. P. 12-18.

11. Magnee A. Modelization of damage by abrasion // Wear. 1993. №162164. P. 848-855.

12. Moore M.A., King F.S. Abrasive wear of brittle solids // Wear. 1980. №60. P. 123-140.

13. Misra A., Finnie I. Correlation between two-body and three abrasion and erosive wear of metals // Wear. 1981. №68. P. 33-39.

14. ZumGahr К. H. Wear by hard particles // Tribol. Int. 1998.№31. P. 587596.

15. Sevim I., Eryuek I.B. Theeffect of abrasive particle size on wear resistance in steels // Mater. Design. 2006. №27. P. 173-181.

16. Mild and severe wear of steels and cast irons in sliding abrasion / G. Pintaude [et al.] // Wear. 2009. №267. P. 19-25.

17. Pintaude G. Tanaka D.K.Sinatora A. The effect of abrasive particle size on the sliding friction coefficient of steel using a spiral pin-on-disk apparatus

// Wear. 2003. №255. P. 55-59.

18. Yingjie L., Xingui В., Keqiang C. A study on the formation of wear debris during abrasion // Tribol. Int. 1985.№18. P. 107-111.

19. Albertin E., Sinatora A. Effect of carbide fraction and matrix microstructure on the wear of cast iron balls tested in a laboratory ball mill

// Wear. 2001. №250. P. 492-501.

20. Sare I.R., Arnold B.K. Gouging abrasion of wear-resistant alloy white cast irons // Wear. 1989. №131. P. 15-3 8.

21. Sano Y., Hattori Т., Haga M. Characteristics of high-carbon high speed steel rolls for hot strip mill // ISIJ Int. 1992. №32. P. 1194-1201.

22. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безызносность.- М.: Изд. МСХА, 2001. 616 с.

23. Гаркунов Д.Н., Бондюгин В.Н., Быченков В.И. Вопросы и ответы по триботехнике // Эффект безызносности и триботехнологии. 1992. № 1. С. 55—69.

24. Гриб В.В., Лазарев Г.Е. Лабораторные испытания материалов на трение и износ.- М.: Изд. Наука, 1968. 141 с.

25. Войнов Б. А. Износостойкие сплавы и покрытия.- М.: Машиностроение, 1980. 120 с.

26. Дубровский В.А., Булычёв В.В., Хабаров В.Н. Восстановление деталей путевых машин электроконтактной наплавкой // Путь и путевое хозяйство.2001 .№2. С.13-15.

27. Технология и оборудование сварки плавлением / Г.Д. Никифоров [и др.] //Под общ.ред. Г.Д. Никифоров.- М.: Машиностроение, 1986. 320 с.

28.Коберник Н.В. Разработка технологических основ дуговой наплавки износостойких покрытий из композиционных материалов системы Al-SiC

// Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2008. 129 с.

29. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов.- М.: Высшая школа, 1976. 424 с.

30. Петров Г.Л., Буров Н.Г., Абрамович В.Р. Технология и оборудование газопламенной обработки металлов,- Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1978. 277 с.

31.Вайнерман А.Е. Плазменная наплавка металлов.- Л.: Машиностроение, 1969. 192 с.

32. Михеев P.C. Разработка износостойких дисперсно-наполненных композиционных материалов и покрытий из них // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2010. 202 с.

33.Лившиц JI.C., Гринберг H.A., Куркумелли Э.Г. Основы легирования наплавленного металла.- М.: Машиностроение, 1969. 188 с.

34. Фрумин И. И. Автоматическая электродуговая наплавка.- Харьков: Металлургиздат, 1961. 421 с.

35. Беркович Е. С., Несвижский O.A. Опыт определения относительной износостойкости наплавок электродами Т-590 с разной обмазкой на лабораторной машине «вращающаяся чаша» // Трение и износ в машинах. 1962. Сб.15. С. 45-51.

36. Елагина О.Ю., Лившиц Л.С., Мальцева М.А. Структурная диаграмма высокоуглеродистых наплавленных слоёв // Сварочное производство. 1996. №5. С. 9-11.

37. Колесников В.Г. Износостойкость наплавочных сплавов при работе в абразивной среде // Сварочное производство. 1960. № 11. С. 6-8.

38. Поляк М.С. Новые износостойкие сплавы для упрочнения инструмента и деталей машин // Процессы упрочнения поверхности деталей машин.- М.: Металлургия, 1964.-135с.

39. Хрущёв М.М., Бабичев М.А. Сопротивление абразивному изнашиванию и твёрдость материалов // Доклады АН СССР. 1953. Т.88. №3. С. 445-448.

40. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Исследование влияния твёрдости абразива на износ металлов /Повышение износостойкости и срока службы машин // Машгиз. 1956. С.16-18.

41. Хрущов М.М. Методы испытания на изнашивание.- М.: АН СССР, 1962. 67с.

42.Branagan D.J. Formation of Nanoscale Composite Coating Via HVOF and Wire-Arc Spraiyng// ITSC 2005. Basel. Switzerland. 2005. 2-4 Mai. P. 539544.

43. BranaganDJ. DewitrifiedNanocomposite Steel Powder // Powder Metallurgy Alloys and Particulate Materials for Industrial Application. St. Lous. 2000.By David E Alman and Joseph W. Newkirk. TMS. P. 111-122.

44. Castolin Eutectic. Flux-cored Wire En DO tec DO*48 // Test Report EN 10204-2.2. 2009. №66.

45. Castolin Eutectic. Flux-cored Wire EnDOtec D0*390// Test Report EN 10204.2.2. 2007. №1672.

46. Сорокин Г.М. Влияние механических характеристик стали на её абразивную износостойкость // Вестник машиностроения. 1975. № 5. С. 3538.

47. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Шрейбер Т.К. Ударноабразивный износ буровых долот.- М.: Недра, 1975. 166 с.

48. Крагельский И. В. Трение и износ.- М.: Машиностроение, 1968. 480

с.

49. Крагельский И.В. Об усталостной природе износа твёрдых тел //Вопросы механической усталости. 1964. №4. С. 128-132.

50. Крагельский И.В., Ямпольский Г.Я. О механизме абразивного износа //Изв. Вузов. Физика. 1968. №11. С. 81-87.

51. Богданович М.Г.,Гинзберг О.В., Волошин М.Н. Зависимость абразивной способности алмазных порошков от прочности зёрен

// Синтетические алмазы. 1972. №2. С. 12-14.

52. Хрущёв М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание.- М.:Наука, 1970. 252 с.

53. Киффер Р., Шварцкопф П. Твёрдые сплавы.-М.: Металлургиздат, 1957. 664 с.

54. Николаенко М.С., Гринберг H.A. Исследование и разработка износостойкого сплава для наплавки режущих органов землеройных машин

//Автоматическая сварка. 1973. № 6. С. 37-41.

55. Тетенбаум М.М. Закономерность абразивного изнашивания деталей и сельскохозяйственных машин // Трение и износ. 1980.№ 2. С. 357-364.

56. Березовский Б.М., Стихии A.B. Оптимизация формирования слоя металла при дуговой наплавке// Сварочное производство. 1990. № 6. С. 33-35.

57. Говорин Е.В. Статистическое планирование эксперимента в сварочной технике и химическом и нефтяном машиностроении.- М.: ЦНТИхимнефтемаш, 1977.77 с.

58. Спиридонов A.A., Васильев Н.Г. Планирование эксперимента. -Свердловск: УПИ, 1975. 149 с.

59. Оптимизация параметров наплавки бандажей вращающихся аппаратов / В.Т. Журба [и др.] // Сварочное производство. 1984. № 7. С. 1415.

60. Дубовецкий С.В., Касаткин О.Г. Оптимизация режимов сварки с использованием регрессионных моделей формирования шва

// Математические методы в сварке. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1986. С. 1415.

61. Бадьянов Б.Н. Разработка математических моделей для управления сварочными процессами.- Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1986. 128с.

62. Судник В.А. Математические методы детерминированной оценки формирования сварных соединений.- Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1986. 74с.

63. Березовский Б.М., Стихии A.B. Оптимизация раскладки валиков в разделке при сварке металла большой толщины. // Экономия материальных, энергетических и трудовых ресурсов в сварочном производстве: Тезисы докладов ВНТК. Челябинск: УДНТП. 1986. С. 25-26.

64. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резкой / А.И. Акулов [и др.] // Под ред. А.И. Акулова.-М.; Машиностроение, 2003. 560 с.

65.Чернышев Г.Г. Исследование процесса формирования корневого шва на весу при сварке в СОг стыковых соединений технологических трубопроводов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 1969г. 149с.

66. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству,- М.: Машиностроение, 1990. 384 с.

67. Меськин B.C. Основы легирования стали.- М.: Металлургия, 1964.

684 с.

68. Геллер Ю.А. Инструментальные стали.- М.: Металлургия, 1968. 568

с.

69. Хрущов М.М. Трение, износ и микротвёрдость материалов. Избранные работы (к 120-летию со дня рождения).-Краснодар: URSS, 2012. 512 с.

70. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения.- М.: Металлургия, 1976. 560 с.

71. Раковский B.C., Самсонов Г.В., Ольхов И.И. Основы производства твёрдых сплавов.- М.: Металлургиздат, 1960. 246 с.

72. Лившиц Л.С., Щербакова B.C. Распределение углерода и легирующих элементов между твёрдым раствором и карбидами в стали

// Изв. АН. СССР. Металлы. 1967. № 4. С. 73-76.

73. Особенности микроструктуры и распределения элементов в комплексно-легированных белых чугунах/Г.И. Сильман[и др.]

//Материаловедение и термическая обработка. 1981. №1. С.52-55.

74. Николаенко М.С., Картелев Г.А., Гринберг H.A. Влияние бора, ванадия и никеля на структуру и свойства высокохромистых чугунов, наплавленных порошковой лентой // Сварочное производство. 1973. № 4. С. 32-35.

75. Самсонов Г.В., Марковский Л .Я. Бор, его соединения и сплавы.- К.: Наукова думка, 1960. 340 с.

76. Гринберг H.A., Лившиц Л.С., Щербакова B.C. О влиянии легирования феррита и карбидной фазы на износостойкость сталей

//Материаловедение и термическая обработка. 1971. №9. С.57-59.

77. Исследование химического состава нано-структурированных покрытий износостойких поверхностей / Е.К. Казенас [и др.] //Тезисы 1-ой Международной конференции «Функциональные нано-материалы и высокочистые вещества».2008.С. 152.

78. Справочник по конструкционным материалам: Справочник / Б.Н.

Арзамасов[ и др.] // Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т-В. Соловьевой.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 640 с.

79. Судзуки К., Фудзимори X., Хасимото К. Аморфные металлы / Под ред. Ц. Масумото (Пер. с японского).- М.: Металлургия, 1987. 328 с.

80. Попов B.C., Брыков H.H. Влияние типа кристаллической решётки и дисперсности структурных составляющих сплавов на сопротивляемость разрушению при абразивном изнашивании // Физика, химия, механика материалов. 1967. Т.З. №4. С. 432-435.

81. Кондаков А.И. САПР технологических процессов: Учебник для студ. высш. учеб.заведений.- М.: Издательский центр «Академия», 2007. 272с.

82. Властюк Р.З., Демонтович В.Б. Растворение карбида Сг3 С2 в железной матрице // Порошковая металлургия. 1981. №10. С. 26-30.

"УТВЕРЖДАЮ" Главный инженер ОАО "КТЗ" / С. Д. 'У . » / _20 г.

АКТ

внедрения технологии дуговой наплавки поверхностного слоя с заданным комплексом свойств, обеспечивающей стойкость к гидроабразивному износу.

Технология дуговой наплавки поверхностного слоя с заданным комплексом свойств разработана А.Г. Орликом в соавторстве с МГТУ им Н.Э. Баумана.

Технология дуговой наплавки поверхностного слоя с заданным комплексом свойств, обеспечивающей стойкость к гидроабразивному износу, позволяет механизировать процесс наплавки и обеспечивает увеличение ресурса работы изделия.

В процессе внедрения были выполнены следующие работы:

1. исследовано влияние параметров режима наплавки по технологии in situ на эксплуатационные характеристики покрытий стойких к гидроабразивному износу

2. исследованы условия формирования армирующих фаз по технологии in situ.

3. разработана технология нанесения покрытия стойкого к гидроабразивному изнашиванию.

4. определена группа наплавочных материалов обеспечивающих получение покрытия стойкого к гидроабразивному износу

5. выполнена восстановительная наплавка реборды шнека конвертирующей установки.

Проведенные исследования позволили: отказаться от базовой технологии за счёт применения новых наплавочных материалов обеспечивающих формирование покрытия в процессе наплавки (in situ), определить диапазон параметров режима наплавки увеличивающих стойкость наплавленного покрытия к гидроабразивному изнашиванию,

продлить ресурс работу конвертирующей установки на 8 месяцев.

?

Главный сварщик / ) J L Г.Ю. Карабахин

/

г t J -1 , -j ■"■» /

Л -х' к£ L ■ с , / '