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 |

Новые легированные кремнием износостойкие сплавы и технология их нанесения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Лужанский Илья Борисович

Новые легированные кремнием износостойкие сплавы и

технология их нанесения

Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка

сталей и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в ЗАО «НПФ Центральное конструкторское бюро арматуростроения»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Дуб В.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Свистунова Т.В.,

доктор технических наук, профессор, член-

корреспондент РАЕН Никулин С.А.,

доктор технических наук, профессор

Ямпольский В.М.

Ведущая организация: Институт металлургии и материаловедения

им. А.А.Байкова РАН

Защита состоится « » 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета при Открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение по технологии машиностроения» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ») по адресу: 115088, г.Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке при ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».

Автореферат разослан « » 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Е.В.Макарычева

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы подтверждается тремя тезисами:

– износостойкость тяжелонагруженных элементов пар трения: уплотнительных поверхностей газопромысловой арматуры, кузнечно-штамповой оснастки горячего деформирования формообразующих деталей металлургического передела, рабочих органов горнодобывающей техники, - определяет эффективность технологических процессов и возможности их интенсификации. Биметаллическая деталь, выполненная изготовительной наплавкой износостойким сплавом, наиболее экономически целесообразна и предпочтительна для ударных нагрузок;

– по результатам предварительных экспериментов, даже лучшие износостойкие сплавы имеют недостатки, которые становятся лимитирующими по мере освоения новых технологических процессов и более рационального отношения к расходу дорогих и дефицитных элементов; как правило, сплавы рассчитаны на однослойную наплавку, что значительно снижает ее технико-экономическую эффективность;

– актуальна разработка гаммы унифицированных экономнолегированных износостойких сталей и сплавов на основе твердорастворного и зернограничного упрочнений кремнием, оптимальность которых очевидна с позиций теории дислокаций. Безусловный интерес представляет также развитие теории и практики изготовительной наплавки на основе разрабатываемых нами принципиально новых дисперсионноупрочняемых сплавов, обеспечивающих высокую технологичность при наплавке, механической обработке и упрочнении. Намечено повысить эффективность разработок на основе создания методик комплексного изучения изнашивания сплавов с позиций металловедения и трибологии.

Востребованность и актуальность диссертации подтверждают выполнение ее разделов в соответствии с планом научно-исследовательских работ на 1978-1990 г.г. Координационного Совета по сварке при ГКНТ СССР и присвоение премии Совета Министров СССР за «Разработку и внедрение комплекса металлургических и технологических процессов восстановления деталей машин» (авторский диплом 08749 от 12.04.1990).



Цель работы:

– разработать и реализовать концепцию создания гаммы высокоизносостойких сталей и сплавов на основе твердорастворного упрочнения кремнием и в сочетании с сигма-фазой или карбидами, карбоборидами, карбонитридами;

– разработать экономнолегированные износостойкие стали и сплавы, обладающие комплексом свойств для изготовительной наплавки, и технологию их нанесения.

Для достижения поставленной цели, в работе решены следующие задачи, имеющие научное, методическое и практическое значение:

1 Решена важная научно-техническая задача повышения износостойкости штамповых сталей для автоматизированных кузнечно-штамповых комплексов: показано, что легированная кремнием сталь 09Х32Н9М3 приобретает теплостойкость (10800С) и жаропрочность (, существенно превышающие аналогичные характеристики лучших штамповых сталей и износостойких сплавов. Разработку сплава базировали на развиваемой нами концепции превалирующей роли в процессе изнашивания кремнийсодержащей окисной пленки на жаропрочном подповерхностном слое поверхности трения. Износостойкость стали 09Х32Н9М3С2 (ОЗШ-6) в 1,4-2,2 раза превышает лучшие функциональные аналоги: высоколегированную штамповую сталь 3Х2В8 и износостойкий сплав 10К18В11М10Х3СФ, - в условиях эксплуатации супертяжелонагруженной кузнечно-штамповой оснастки радиально-ковочных комплексов, автоматических кузнечных линий и металлургического оборудования.

2 Установлено качественное изменение характера изнашивания ножей горячей резки и раскатных валков при содержании кремния в сплаве ОЗШ-6 около 1,1%: на поверхности трения исчезает микросхватывание, - что подтверждает развиваемую нами концепцию определяющего влияния кремния на обе составляющие износостойкости: свойства пленки вторичных структур, жаропрочность и теплостойкость подповерхностного слоя поверхности трения.

3 Установлен эффект повышения износостойкости при газоабразивном изнашивании стали 09Х30Н10М1, легированной 1,7% кремния. На основе изучения влияния структурного и фазового состава на упрочнение и изнашивание, разработан дисперсионноупрочняемый сплав 09Х30Н10С2М1 (ОЗН-8) для изготовительной наплавки уплотнительных поверхностей газопромысловой арматуры.

4 Решена научно-техническая задача повышения стабильности служебных характеристик наплавленного металла электродов средней твердости: разработаны электроды ОЗН-300М и ОЗН-400М, стали 15Г3С1 и 17Г4С2, реализующие механизмы твердорастворного и зернограничного упрочнений кремнием -раствора, независимые от скорости охлаждения наплавленной детали и обеспечивающие повышение износостойкости при трении металл по металлу и абразивном изнашивании (в 1,5-1,8 раза).

5 На основе исследования влияния легирования кремнием, углеродом, хромом и бором на структуру и свойства стали 17Г4С2 разработана сталь 50С4Х4Г3ЮР (ОЗН-6), ресурс которой при ударноабразивном изнашивании грунтов 3-4 категории прочности в 1,2-1,6 раза превышает лучшие функциональные аналоги: стали 80Х20Р3Т и 120Х14В13Ф2. Твердорастворное и зернограничное упрочнение выпадают из обычно применяемой схемы: аустенитно-мартенситная матрица и карбиды (или карбобориды), - и открывают новые перспективы разработки эффективных износостойких материалов для условий ударноабразивного изнашивания.

6 Экспериментально установлено положительное влияние ванадия (0,4-0,7%) и азота (0,1-0,2%) на износостойкость стали ОЗН-6 при разработке мерзлых грунтов 4 и 5 категорий прочности и улучшение свариваемости со сталью 110Г13Л. Сплав ОЗН-7 (80Х6Г6С3РАФ)сочетает высокие износостойкость (Х4-Б = 3,61) и сопротивляемость ударам (до энергии единичного удара Ее.у. = 2,5 · 105 Дж/м2), что обеспечивает повышение ресурса наплавленных долотьев и черпаков драг до 2-крат, по сравнению со сталью 110Г13Л. Исследовано влияние структурного и фазового состава на износостойкость.

7 Решена научно-техническая, актуальная с 1935 года, задача повышения жаростойкости (при отжиге) и износостойкости при резании металла низколегированных вольфрамом быстрорежущих сталей. Путем легирования кремнием и алюминием хромомолибденованадийвольфрамовой стали, разработан сплав 100Х5М8В2Ф2С2Ю (ОЗИ-6) для изготовительной наплавки многолезвийного металлорежущего инструмента, ресурс которого превышает в 1,4-2,2 раза стойкость стали Р18. Исследовано влияние кремния на рабочие характеристики сплава ОЗИ-6.

8 Установлена и реализована возможность повышения сварочно-технологических и служебных характеристик железомедных и железоникелевых сплавов для холодной сварки ответственных конструкций из серого чугуна путем их легирования кремнием (0,5-0,8%) и бором (0,2-0,5%) для достижения самофлюсующих свойств - электроды ОЗЧ-6 и ОЗЧ-7.

9 Показана возможность снижения содержания дорогого и дефицитного никеля (обычно 50,0-55,0%) в сварном шве до 31,0-32,0% без увеличения протяженности и твердости зоны отбела за счет достижения самофлюсующих свойств легированием кремнием и бором железоникелевого сплава. Это техническое решение и разработанная технология легирования никелем сварного шва через шлам существенно повышают технико-экономические показатели разработанного электрода ОЗЧ-7.

10 Разработаны и внедрены при строительстве теплотрасс принципиально новые конструкция раструбно-конусного крепления труб из ВЧШГ, сварочные материалы и технология сварки.

11 Опыт изучения зависимостей «химический состав-структура-свойства» применили при создании специальных сталей: стали с повышенной жаропрочностью и жаростойкостью для изготовления металлоформ центробежного литья труб из ВЧШГ и хладостойкой повышенной прочности свариваемой стали для литых корпусов арматуры нефтепровода «ВСТО».

Структура диссертации представлена на таблице 1.

Научная новизна работы.

1 Разработана концепция создания экономнолегированных износостойких сталей на основе твердорастворного упрочнения кремнием, показана эффективность его сочетания с -фазой или карбидами, карбоборидами, карбонитридами. Экспериментально установлены концентрации кремния, обеспечивающие высокую износостойкость для основных видов изнашивания. Близкие значения «критического» содержания кремния для сплавов различных структурных классов и видов изнашивания указывают на универсальность свойств исследованных твердорастворного и зернограничного упрочнений и их ведущую роль в повышении износостойкости.

2 Предложена физическая модель изнашивания легированных кремнием сталей при высокотемпературном трении металл по металлу, согласно которой износостойкость обеспечивает взаимодействие трех факторов: жаростойкой, с высокой регенерирующей способностью кремнийсодержащей пленки вторичных структур, жаропрочного подповерхностного слоя поверхности трения и его упрочнения диффундирующими атомами молибдена, для которых окислы кремния – барьер для диффузии.

Модель реализована при разработке сплавов 09Х32Н9М3С2 и 09Х32Н10М3С1ФЮ для наплавки супертяжелонагруженной кузнечноштамповой оснастки.

3 На основе электронно- и рентгенографического исследований предложена гипотеза механизма повышения кремнием износостойкости при газоабразивном изнашивании: диффузия кремния к поверхности раздела «металл-окисная пленка» упрочняет подповерхностный слой поверхности трения и замедляет образование и слияние микропустот; кремний также уменьшает количество мартенсита деформации и тем самым увеличивает релаксацию напряжений трения.

Плотность дислокаций растет до 1010-1011 см-2, а исчерпание возможностей их скольжения, из-за высокой дисперсности -фазы, приводит к фрагментации тонкой структуры и двойникованию. Это снижает энергию внутреннего трения и повышает износостойкость разработанного сплава 09Х30Н10С2М1.

Таблица 1 Структура диссертационной работы

Достоверность результатов исследований гарантируют точность современного технологического и исследовательского оборудования, передовые аттестованные методики, безусловная воспроизводимость результатов в условиях высококвалифицированных заводских лабораторий, сопоставление результатов наших исследований с экспериментальными данными, полученными коллегами. Достоверность подтверждается также успешным внедрением разработок в различных отраслях промышленности.

Практическая значимость.

Результаты реализации научных положений, разработанных в диссертации:

- гамма (17 марок электродов) новых легированных кремнием износостойких сплавов для основных видов изнашивания в металлургии, машиностроении, нефтяной, газовой и горнодобывающей промышленности, успешно применяемых в течение 30 лет;





- высокоэффективные технологии изготовительной наплавки (разработанными электродами) тяжелонагруженных элементов пар трения для условий интенсивного изнашивания: металл по металлу при высоких температурах и удельных давлениях, абразивном, газоабразивном, коррозионномеханическом и импульсно-ударном.

Личный вклад соискателя состоит в постановке задач и инициативе проведения исследований, обработке и анализе полученных экспериментальных данных. Все экспериментальные исследования и внедренческие работы проведены лично автором или при его активном участии.

Апробация работы. Основные научные положения, методические разработки и практические результаты работы представили и обсудили на симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе: Всесоюзных конференциях МДНТП, 1981-1985 г.г., ИЭС им.Е.О. Патона, 1983-1987 г.г., Кишинев, 1985, Андропов, 1986, Москва, МИНХ и ГП 1987-1989; семинаре «Новые технологии в сварке ответственных конструкций из чугуна», Липецк, 2003-2005 г.г.; семинарах «Перспективные энергосберегающие технологии», Кемерово, 2005 и С.-Петербург, 2005-2006.

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, включая 29 публикаций в научно-технических изданиях (16 в научных журналах, рекомендуемых ВАК, из которых 11 в журналах, включенных в международные базы цитирования), 19 авторских свидетельств, 5 патентов и 3 монографии: Лужанский И.Б. Перспективные способы наплавки. – Москва: Машиностроение, 1984 – 56 с.; Яровинский Х.Л., Лужанский И.Б., Сидлин З.А. Современные наплавочные электроды. – Москва: институт Черметинформация, 1987 – 32 с.; Памфилов В.А., Грядунов С.С., Майоров В.В., Данильченко Б.В., Гринберг Н.А., Драгилев Б.Л., Суслов А.А., Кузнецов Л.Д., Самсонович Е.Н., Лужанский И.Б., Гусилов Ю.И. Обеспечение износостойкости изделий. Повышение долговечности поверхностей, изнашиваемых в условиях низких температур, методами наплавки. Методические рекомендации МР № 244-87, М., ВНИИНМАШ ГОССТАНДАРТА СССР, 1987, 28 с.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и основных выводов и приложения (акты внедрения разработанных сплавов и технологии их нанесения). Она изложена на 328 страницах, содержит 126 рисунков и 63 таблицы. Список литературы содержит 195 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта сущность и подтверждены актуальность и важность рассматриваемых в диссертации научно-технических проблем, изложены общая характеристика и основные направления работы. Приведена аннотация научных и практических положений, выносимых на защиту.

В первой главе дан аналитический обзор современных концепций разработки износостойких сплавов на основе анализа механизмов изнашивания, который может быть сведен к следующим выводам:

– эффективность исследования и разработки перспективных материалов может быть повышена путем более глубокого изучения связи трибологии и металловедения;

– даже лучшие износостойкие сплавы имеют недостатки, которые становятся лимитирующими по мере внедрения новых технологических процессов и более рачительного отношения к расходу дорогих и дефицитных элементов, они нетехнологичны при изготовительной наплавке;

– проведенное нами исследование механизмов упрочнения и изнашивания сплавов 15Х15Н10С5М3Г, 15Х28Н10С3ГТ и 15Х28Н10С3М2ГТ (ЦН-18, ЦН-19 и ЦН-20, ГОСТ 10051-75) позволяет предположить, что на основе легирования кремнием можно разработать высокоэффективные износостойкие сплавы для основных видов изнашивания деталей и узлов в металлургии, машиностроении, энергетике, нефтяной, газовой и горнодобывающей промышленности. Особо важное значение приобретают классификация и унификация разработанных легированных кремнием износостойких сплавов с позиций металловедения и трибологии и разработка технологии их нанесения;

– эффективный способ повышения износостойкости - создание сталей с микрогетерогенной структурой на основе твердорастворного упрочнения кремнием и дисперсных легированных кремнием фаз, оптимальной с позиций дислокаций и концепции усталостного механизма изнашивания.

Во второй главе описана методика исследования влияния химического состава и структуры на упрочнение и изнашивание сплавов в различных условиях трения.

Износостойкость опытных сплавов исследовали в соответствии с «ГОСТ 23.201-78. Газоабразивное изнашивание. Метод испытания на газоабразивное изнашивание с помощью центробежного ускорителя» при скорости частиц кварцевого песка V = 120 м/с и углах атаки 15-90о; «ГОСТ 17367-71. Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы», машина Х4-Б, определение Х4-Б; «ГОСТ 23.208-79. Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы», машина НК, определение НК; ударно-абразивное изнашивание - машина «Ротор» с энергией единичного удара от 105 Дж/м2 до 2,5105 Дж/м2; способность сплавов противостоять ударам оценили на копре ВНИИСТ, при этом удельную энергию удара выбрали близкой к реальной для горнодобывающей техники.

Кинетику упрочнения и изнашивания изучали методами металлографического, рентгено- и электронографического анализов.

Исследования процессов зарождения и развития трещин в биметалле провели на установке «Ала-Тоо», позволяющей наблюдать микроструктуру металла и фиксировать процесс разрушения образцов.

Участие в эксперименте серий сплавов равной твердости (как в исходном, так и термообработанном состоянии) позволило дифференцировать влияние кремния на свойства подповерхностного слоя поверхности трения и пленки вторичных структур.

Сплавы получили ручной или автоматической наплавкой, апробированы другие способы производства и нанесения. Проведены эксперименты по: закреплению пластин из сплава ОЗИ-6 на резцах и фрезах пайкой, получению биметалла Ст 40Х + 09Х32Н9М3С2 методом прокатки, по изготовлению биметаллических уплотнительных поверхностей арматуры Ст 12Х1МФ + ОЗН-8 методом склеивания пластин, изготовлению литых биметаллических клыков и рыхлителей Ст 110Г13Л + ОЗН-6.

Апробацию выходных вариантов сплавов проводили в реальных условиях эксплуатации биметаллических деталей и узлов.

Металлографические исследования провели на следующем оборудовании: дифрактометры ДРОН-2 и ДРОН-3, электронные микроскопы «ISM-6060», «CAMEBAX».

В процессе исследования методику разработки сплавов корректировали, добиваясь сходимости результатов лабораторных испытаний и промышленной апробации.



Pages:   || 2 |
 

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.