авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Структурообразование, свойства и технологии получения легированных порошковых сталей и деталей из них для буровых и цементировочных насосов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Сиротин Павел Владимирович

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

ЛЕГИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ И ДЕТАЛЕЙ ИЗ НИХ

ДЛЯ БУРОВЫХ И ЦЕМЕНТИРОВОЧНЫХ НАСОСОВ

05.16.06 – «Порошковая металлургия и композиционные материалы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск – 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гасанов Бадрудин Гасанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Вернигоров Юрий Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Харламов Павел Викторович

Ведущая организация: Кубанский государственный

технологический университет. г. Краснодар

Защита состоится 27 декабря 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ВАК www.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «____» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Устименко В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из направлений повышения ресурса и долговечности деталей агрегатов и узлов, работающих в экстремальных условиях, является разработка новых порошковых материалов, композиций и инновационных технологий их производства. Существенными факторами, ограничивающими область применения порошковых сталей для тяжелонагруженных конструкций, является отсутствие систематических исследований некоторых трибологических характеристик, остаточная пористость, а также невысокий уровень механических свойств, обусловленный повышенной дефектностью структуры. В настоящее время особенно востребованы износостойкие материалы к ударно-абразивному и ударно-гидроабразивному изнашиванию, так как такому виду износа подвержены детали в узлах и агрегатах оборудования, эксплуатируемого в дорожном, строительном, нефтяном, газовом и других комплексах промышленности. Поэтому актуальной задачей становится исследование ударно-абразивного разрушения порошковых сталей и разработка новых технологий их получения.



В практике производства порошковых изделий получил распространение способ поликомпонентного легирования, отличающийся простотой, высокой экономической эффективностью и возможностью создавать материалы практически любого химического состава с требуемым уровнем свойств. Порошковые стали и сплавы из поликомпонентной шихты уступают по механическим свойствам компактным, что обусловлено высокой гетерогенностью их структуры. В связи с этим применяют высокотемпературное продолжительное спекание, которое приводит к растворению добавок, выравниванию химического состава, залечиванию макро- и микродефектов, снижению остаточной пористости и т.д. Однако такие технологические режимы спекания приводят к повышению энергетических затрат, снижению долговечности технологического оборудования и, как следствие, повышению стоимости готовых порошковых изделий. Поэтому актуальным направлением научных исследований, является разработка технологии получения легированных порошковых сталей с оптимальным распределением компонентов в результате активизации диффузионных процессов.

Работа выполнена на кафедре «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) в соответствии с единым заказ-нарядом по заданию Федерального агентства по образованию на 2005-2010 гг. (1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов»).

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка эффективной технологии получения легированных порошковых сталей с высокой ударно-абразивной износостойкостью и снижение материальных и энергетических затрат при производстве деталей из них для буровых и цементировочных насосов.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать методику проведения испытаний, спроектировать и изготовить испытательное оборудование для исследования ударно-абразивного и ударно-гидроабразивного износа порошковых сталей.

2. Исследовать влияние химического состава, степени растворения легирующих компонентов, технологических факторов производства, кинетики диффузионных процессов на структурообразование и ударно-абразивную износостойкость порошковых сталей.

3. Определить параметры гомогенизирующего спекания пористых прессовок из гетерогенной шихты и разработать способ введения легирующих добавок, обеспечивающий сокращение продолжительности спекания, повышение механических и эксплуатационных свойств легированных порошковых сталей.

4. Составить рекомендации по освоению технологии производства седла и тарели клапана бурового или цементировочного насоса методами порошковой металлургии.

Научная новизна.

1. Обосновано, что упрочнение порошковых сталей карбидами железа и хрома снижает ударно-абразивную износостойкость, в отличие, от изнашивания при скольжении по абразиву. Установлено, что комплексное легирование хромом и никелем высокоуглеродистых порошковых сталей улучшает их ударно-абразивную износостойкость в результате повышения вязкости и твердости матрицы. Наибольшей ударно-абразивной износостойкостью обладают порошковые стали, в которых хром и никель растворен в железоуглеродистой матрице с коэффициентом вариации концентрации не более 0,3.

2. Экспериментально обосновано, что введение графита активирует взаимную диффузию в системах Fе-Ni и Cr-Ni, а в железохромистых смесях тормозит диффузию железа в частицы феррохрома вследствие образования пленки карбида хрома на их поверхности. Это позволило разработать эффективный способ введения хрома и никеля в шихту в виде порошка коррозионностойкого сплава при получении порошковых сталей с высокой ударно-абразивной износостойкостью.

3. Разработан новый метод расчета параметров гомогенизирующего спекания и отжига порошковых легированных сталей, полученных из смеси порошков-компонентов и лигатур, отличающийся от известных тем, что гранулометрический состав применяемых порошков необходимо подбирать с учетом их парциальных коэффициентов гетеродиффузии так, чтобы соотношение размеров частиц применяемых порошков соответствовало обратному отношению парциальных коэффициентов гетеродиффузии

Практическая значимость.

1. Разработана методика и установка для проведения испытаний на ударно-абразивное и ударно-гидроабразивное изнашивание конструкционных и специальных материалов, что позволило исследовать износостойкость порошковых сталей в условиях ударных нагрузок с присутствием абразива в зоне контакта с погрешностью не более 5%.

2. Экспериментально установлено, что наибольшей ударно-абразивной износостойкостью обладают порошковые стали, изготовленные из шихты, состоящей из порошков железа (осн.), 1% (мас.) графита карандашного, 34% хрома и 45% никеля, с остаточной пористостью не более 46%.

3. Предложен способ приготовления шихты с учетом химического и гранулометрического состава порошков- компонентов, позволяющий уменьшить энергозатраты за счет сокращения времени спекания с 12 до 46 ч (T=11801200C) при получении легированных порошковых сталей с гомогенной структурой из гетерогенной шихты.

4. На основе объектно-ориентированного языка программирования «Java» разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитать условно деформированные объемы пористых осесимметричных заготовок в случае формования внутреннего конуса и рассчитать конфигурацию заготовки, обеспечивающую равномерное распределение остаточной пористости в готовом изделии и снижение усилия прессования при формовании.

5. Предложены технологические схемы производства седла и тарели клапана насоса высокого давления НП-720105 методами порошковой металлургии на производственном предприятии ЗАО «ТРАСТ ИНЖИНИРИНГ» (г. Ростов-на-Дону) с ожидаемым годовым экономическим эффектом около 1,5 млн. руб.

Автор защищает экспериментально обоснованные положения о влиянии легирующих элементов на стуктурообразование, свойства и технологию получения порошковых сталей, износостойких к условиям ударно-абразивного изнашивания. Научно и экспериментально обоснованную технологию получения порошковых легированных сталей с гомогенной структурой из гетерогенных шихт, при которой гранулометрический состав порошков-компонентов выбирают в зависимости от их диффузионной активности.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на V Международной конференции «Новые и перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) – 2010» 14-16 сентября 2010 г. г. Волгоград, Россия; на IX Международной научно- практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике». 15 ноября 2010 г. г. Новочеркасск; на Всероссийском смотр-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2009», г. Новочеркасск, декабрь 2009 г; а также на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт): Студенческая весна 2009, 2010 и 2011; 59-й и 60-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 3 статьи без соавторов и патент на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, общих выводов, изложена на 177 страницах, включая 57 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 120 наименований и приложения на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, отражена ее актуальность, сформулирована цель и определены задачи исследования, указана новизна положений, защищаемых автором, и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены существующие виды изнашивания материалов, входящие в стандартизированную классификацию видов износа, а также виды абразивного износа с различными схемами внешнесиловых контактов абразивных частиц и изнашиваемой поверхности. Выявлены основные условия, определяющие интенсивность ударно-абразивного изнашивания. Рассмотрены известные работы по созданию износостойких катанных сталей, сплавов и наплавочных материалов. Установлено, что наибольшей ударно-абразивной износостойкостью обладают материалы, имеющие высокую твердость, прочность и ударную вязкость, но при этом ни одно из физических, механических или эксплуатационных свойств материалов не имеет удовлетворительной корреляции с ударно-абразивной износостойкостью. Выделены основные направления для создания износостойких порошковых сталей в условиях ударно-абразивного изнашивания. Проведен анализ влияния углерода, легирующих добавок и способов термической обработки на процессы структурообразования и свойства износостойких порошковых сталей.





Во второй главе представлены составы и свойства порошков, используемых для проведения исследований, характеристики технологического и исследовательского оборудования, описаны методики получения образцов, проведения экспериментов и определения свойств образцов.

Для изготовления исследуемых образцов использовали железный порошок ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86), графит карандашный ГК-3 (ГОСТ 17022-81), порошок коррозионностойкой стали ПВ-Х18Н15-56 (ГОСТ 13084-88), легированный порошок ПР-65Х25Г13Н3, порошки никеля ПНК-1Л5 и ПНЭ-1 (ГОСТ 9722-79), порошки феррохрома марок ФХ800А и FeCr70C03 (ГОСТ 5448-81), стеарат цинка марки С (ТУ 6-09-17-316-96). Для просеивания порошков использовали сита лабораторные контрольные У1-ЕСЛ-К с допуском размеров ячеек по ТУ 5149-001-56476476-02 и ИСО 3310-1. Цилиндрические образцы диаметром 21,6 мм и высотой 10 мм получали статическим холодным прессованием (СХП) в стальных пресс-формах на гидравлическом прессе ПГ-50. Прессовки спекали в камерной печи в среде осушенного диссоциированного аммиака при температурах 10001250С в течение 0,55 ч. Термическая обработка заключалась в нагреве образцов до 950С, погружении в воду и отпуске в защитной среде. Для исследования диффузионных процессов образцы спекали в контейнере с плавким затвором. Динамическое горячее прессование (ДГП) осуществляли на копре с массой падающей части 50 кг. Поверхностную пластическую деформацию (ППД) спеченных заготовок проводили на токарно-винторезном станке с помощью приспособления для накатки, в котором в качестве деформирующего элемента применялся шарик диаметром 20 мм. Холодную допрессовку (ХД) спеченных образцов проводили в стальной пресс-форме.

Металлографические исследования выполняли на микроскопе «Альтами МЕТ 3». Распределение компонентов по сечению спеченных образцов определяли с помощью рентгеновского микроанализатора «EDAX GENESIS». Фазовый состав образцов выявляли на рентгеновском дифрактометре общего назначения ДРОН-2. Для вычисления геометрических составляющих уравнения Матано при расчете коэффициентов взаимной диффузии использовали программное обеспечение КОМПАС-3D V10.

Испытание на ударно-абразивное и ударно-гидроабразивное изнашивание проводили на специально разработанной испытательной установке (Патент № 93981). При испытаниях на изнашивания единичная энергия удара составляла 4,9 Дж/см2, скорость удара -1,6м/с. В качестве абразива использовали кварцевый песок с размерами частиц 0,160,3 мм.

Многофакторные исследования реализовывали с помощью ротатабельного планирования второго порядка для двух и трех факторов. Для обработки результатов экспериментов, расчета уравнений регрессии и построения графических зависимостей использовали программное обеспечение StatSoft STATISTICA 6.1.478 Russian. Разработка программного обеспечения для оценки деформированных объемов заготовок при формовании осуществлялась с помощью объектно-ориентированного языка программирования «Java».

В третьей главе изложены результаты исследований ударно-абразивной износостойкости порошковых сталей в зависимости от химического состава, способа введения легирующих элементов и технологических факторов производства.

Механические и эксплуатационные свойства порошковых сталей во многом определяются составом, количеством легирующих добавок, а также степенью гомогенности структуры. Установлено, что после спекания при 1150С в течение 2 ч, закалки с 950С и отпуска при 200С наименьший ударно-абразивный износ имеют образцы, содержащие 11,2% графита в шихте (рис. 1). При меньшем содержании графита изнашивание происходит за счет внедрения абразива в малоуглеродистую железную матрицу, образования глубоких лунок, которые отделены друг от друга локальными зонами наклепанного металла, и среза этих зон при последующем внедрении абразива. Показано, что с увеличением содержания графита в шихте более 1,2 % твердость образцов повышается, но снижается износостойкость. Это объясняется образованием в структуре порошковой стали вторичного цементита, что подтверждено результатами металлографических исследований и рентгенофазового анализа. В процессе изнашивания такие твердые структурные составляющие выкрашиваются и способствуют отделению дисперсных частиц с поверхности износа. Также износ повышается за счет образования дополнительных пор в местах, где находился графит, который активно растворился в аустените при спекании.

С помощью многофакторного эксперимента исследовано влияние содержания графита, порошка никеля ПНК 1Л5 и порошка ПР-65Х25Г13Н3 на ударно-абразивный износ порошковой стали после термообработки. Установлено, что хром, вводимый в составе порошка ПР-65Х25Г13Н3, увеличивает износ. Это происходит из-за недостаточного растворения частиц порошка сплава ПР-65Х25Г13Н3 и их выкрашивания при ударно-абразивном изнашивании. В случае добавления в шихту до 4%(мас.) порошка никеля наблюдается интенсивное снижение износа. При концентрации никеля 45% на образцах отсутствуют следы растрескивания, скалывания краев, поверхность изнашивания достаточно ровная. Влияние графита на износостойкость оказалось не существенным, так как при его введении изменяются механизмы износа, происходящие только на поверхности образца, в то время как введение легирующих добавок определяет интенсивность растрескивания и скалывания значительных объемов материала по краям образцов.

Исследовано влияние концентрации и способа введения хрома на износостойкость. Для этого в образцы, шихта которых содержала порошок железа ПЖВ 3.160.26 (осн.), графит карандашный 1% (мас.) ГК-3 и 5% порошка никеля ПНК 1Л5, добавляли от 1 до 8% хрома в виде порошков ФХ800А, ПР-65Х25Г13Н3, FeCr70C03 и ПВ-Х18Н15-56. При введении хрома в виде ПВ-Х18Н15-56 порошок ПНК-1Л5 добавляли до общей массовой доли никеля 5%. Прессовки с остаточной пористостью 1215% спекали при температуре1200С с выдержкой 2 ч, закаляли с 950С и проводили отпуск при 200С.Установлено, что при дисперсном упрочнении железоуглеродистой матрицы порошковой стали карбидами хрома ударно-абразивная износостойкость снижается (рис.2).

При введении порошков ФХ800А, ПР-65Х25Г13Н3 и FeCr70C03 наблюдалось повышение износа из-за образования вокруг частиц лигатуры диффузионной пористости, которая способствует разрушению межчастичных связей при ударе и отделению частиц феррохрома с поверхности изнашивания.

 Рис. 1- Зависимость износа (1) и твердости-4  Рис. 1- Зависимость износа (1) и твердости (2)-5

Рис. 1- Зависимость износа (1)

и твердости (2) от содержания графита



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.