Новые легированные кремнием износостойкие сплавы и технология их нанесения

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.