CC BY
6
УДК 621.92:620.168(532.696)
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-534-535
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ (РЕМОНТА) И МОДЕРНИЗАЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, А.В. Филонович, О.М. Губанов, А.А. Калинин
Применение эвтектических ставов Fe-B-C для изготовления связок композиционных материалов на основе релита (т е. эвтектического става IV-С) эффективно для упрочнения широкой номенклатуры деталей металлургического оборудования, эксплуатирующихся в условиях интенсивного высокотемпературного газо-абразивного, абразивного и гидроабразивного износов. Дополнительно технологические и эксплуатационные свойства композиционных материалов можно повысить путем регулирования скорости растворения наполнителя в связке за счет выбора оптимальной системы легирования сплавов Fe-B-C и температурно-временных параметров пропитки. При использовании сплава наполнителя Fe-B-C, в составе композиционного материала со связкой структурообразова-ние границ раздела между наполнителем и расплавленной связкой определяется протеканием процессов растворения и диффузии Фазовый структурный состав зон контактного взаимодействия объясняется перекристаллизацией поверхностных слоёв наполнителя после растворения, вызванного контактом с расплавленной связкой. В результате формируется бездефектная макрогетерогенная структура композиционных материалов и обеспечивается надёжная адгезия наполнителя и связки. Интенсивностью процессов контактного взаимодействия можно управлять путём выбора температурно-временныхрежимов пропитки.
Ключевые слова: композиционные материалы, перитектические сплавы Fe-B-C, легирующие элементы, сплав-наполнитель. металлографический, электро-и рентгеноструктурный анализы, механические свойства.
В машиностроении и металлургическом производстве все большее внимание уделяется композиционным материалам, в частности покрытиям, состоящим из разнородных компонентов [1-6, 8, 12, 20, 21, 24].Один из них пластичен (связка), а другой обладает повышенной твёрдостью и прочностью (наполнитель). Композитам, при этом передаются наперёд заданные свойства, которых не имеют отдельные составляющие. В тех отраслях промышленности, в которых инструмент, детали и узлы различной техники работают в условиях интенсивного абразивного изнашивания эффективно применяется наплавка [10-15, 18, 26-28] композиционными материалами, упрочненными частицами наполнителя с различной степенью дисперсности [1-17,20-24].
Усовершенствование и обновление составов и технологий получения композиционных покрытий на стальных деталях требует подробного изучения влияния легирующих элементов на формирование структуры исходной связки и границ раздела между наполнителем и матрицей с целью достижения оптимального сочетания требуемых эксплуатационных характеристик несомненно является актуальной задачей.
Основой для разработки состава связки композиционного покрытия с наполнителем W- С были выбраны сплавы, содержащие по массе (2,2-2,7) % В; (0,6-1,2) % С; Fe - ост. Эти сплавы сочетают высокую прочность на сжатие и твердость, сопротивление абразивному, газо-абразивному износам и стойкость в коррозионных средах [1-12]. В структуре этих сплавов присутствуют первичные кристаллы a-Fe и эвтектики Fe-Fe2(B,C) и Fe- Fe3(C,B) (рис. 1, а).
а б
Рис. 1. Микроструктура сплавов связок Гв-Б-С, *200: а - до легирования; б - после комплексного легирования 81,
А1, Мп и Р
При пропитке наполнителей W-C связками Fe-B-C на границах раздела протекают процессы растворения, приводящие к появлению в структуре зон контактного взаимодействия фазы FeзWзC. Эта фаза, образующаяся в больших количествах, становится причиной хрупкого разрушения границ раздела композиционных материалов и выкрашивания частиц наполнителя при воздействии агрессивных и абразивных сред [1-5].
Первым шагом, направленным на снижение скорости растворения наполнителя в расплавленном металле был выбор состава связки Fe-B-C, содержащей в структуре две эвтектики Fe-Fe2(B,C) и Fe-Feз(C,B). Этот сплав, с одной стороны, лучше смачивает наполнитель W-C по сравнению с эвтектическим сплавом Fe-Feз(C,B). Но, с другой стороны, он обладает большей стабильностью, чем эвтектический сплав Fe-Fe2(B,C). Другим шагом, позволяющим регулировать процессы растворения на границах раздела композиционных материалов, является комплексное легирование Si. А1, Мп и Р связки Fe-B-C.
Металлографический и рентгеноструктурный анализ принятых к исследованию сплавов свидетельствует о сохранении фазовых составляющих базового сплава (рис. 1).
Легирующие элементы полностью растворяются в основных фазах, образуя многокомпонентные твердые растворы. По данным дифференциального термического анализа в зависимости от состава сплава наблюдается первичная и эвтектическая кристаллизация. Алюминий, фосфор и, особенно, кремний, понижают критические темпера-
туры начала превращений, в среднем, на (60-70) °С, а марганец незначительно их повышает на (5-10) °С. В результате совместного влияния Si, А1, Мп и Р температуры фазовых превращений при нагреве и охлаждении многокомпонентной связки на основе сплава Fe-B-C снижаются на (54-56) °С. Это является положительным результатом, так как одним из требований к связке композиционных материалов является ее легкоплавкость.
Методом рентгеноспектрального микроанализа установлено, что Si, А1 и Р преимущественно растворяются в а-Ре. а - Мп в фазах Fe2(B,C) и Feз(C,B) (рис. 2).
Это вызывает увеличение микротвердости первичной фазы (Ре, Si, А1, Р) и эвтектик (Ре, Si, А1, Р) -- (Ре, Мп)2(В,С) и (Ре, Si, А1, Р) - (Ре, Мп)з(С,В) по сравнению с соответствующими структурными составляющими в базовом сплаве Ре-В-С (рис. 3).
Общая твердость многокомпонентного сплава-связки растет 43,8 до 60,8 НЕС, а предел прочности на сжатие с 2110 до 2250 МПа. Следовательно, легирование Si, А1, Мп и Р сплава Ре-В-С обеспечивает одновременное снижение температуры плавления и повышение твердости и предела прочности на сжатие многокомпонентной связки.
Структура композиционных покрытий, полученных после пропитки наполнителей W - С связкой Ре-В-С - А!^ьМп-Р, показана на рис. 4.
Рис. 2. Диаграмма распределения интенсивности излучения элементов при прохождении зонда через участок
эвтектики Ге-Ге2(В,С)-Ге в сплаве Ге-В-С-А№1-Мп-Р
I 1 1
№ № N94 №5 №6 №7 №8
№ оПря ша
Рис. 2. Влияние легирования на микротвердость структурных составляющих в сплавах: 1 - Ге-В-С (исх.); 2 - Ге-В-С-А1; 3 - Ге-В-С-8ц 4 - Ге-В-С-Мп; 5 - Ге-В-С-Р; 6 - Ге-В-С-АШ; 7 - Ге-В-С-АШ-Мп;
8 - Ге-В-С-АШ-Мп-Р
Как и следовало ожидать, нежелательная фаза FeзWзC вблизи границ раздела между наполнителем и матрицей практически не образуется. Содержание вольфрама в эвтектике вблизи поверхности раздела заметно снижается в сравнении с композиционным материалом (Ре-В-Су^-С), а ширина зон контактного взаимодействия уменьшается в (2,5-3) раза. Помимо этого, благодаря повышению эксплуатационных и технологических характеристик многокомпонентной эвтектической связки улучшаются эти показатели для композиционного покрытия на ее основе. В частности, повышается его коррозионная стойкость во всех исследованных растворах, окалиностойкость и твердость, улучшается обрабатываемость шлифованием, растет газо-абразивная износостойкость (таблица).
тШ* ■
r&w*' ' V
'.à
Рис. 4. Микроструктура композиционных покрытий с наполнителем W-C и связкой Fe-В-С - Al-Si-Mn-Р, *200
Влияние легирующих элементов А1, Si, Мп и Р на свойства сплавов-связок на основе эвтектического сплава Ге-Б-С
Сплав Коэф-т отн. окалино-стойкости, ед Общая микротвердость, ГПа Твердость, HRC Жидкотекучесть, мм Коэф-т обрабатываемости, ед. Коэф-т отн. газоабразивной износостойкости, ед. Предел прочности на сжатие, МПа
при 293 К при 473 К
Fe-B-C 1,0 4,4±0,1 43,8±0,2 104,5±2,1 1,0 1,0 1,0 2110±5
Fe-B-C-Al 1,09±0,12 3,5±0,2 52,4±0,3 103,2±3,0 1,18±0,07 1,1±0,2 1,3±0,1 2160±10
Fe-B-C-Si 1,22±0,06 5,2±0,1 50,2±0,1 105,5±2,8 0,96±0,02 0,9±0,1 1,2±0,2 2070±5
Fe-B-C-Mn 1,14±0,10 5,5±0,1 55,6±0,3 108,3±4,1 0,87±0,05 1,2±0,3 1,3±0,1 2200±5
Fe-B-C-P 1,05±0,05 5,3±0,4 49,7±0,4 104,9±2,3 1,03±0,04 0,8±0,2 0,9±0,1 2050±10
Fe-B-C-Al-Si-Mn-P 1,24±0,14 6,0±0,4 60,8±0,5 111,3±1,8 1,14±1,8 1,4±0,1 1,7±0,3 2250±10
Однако, наиболее благоприятно отсутствие фаты Fe3W3C в структуре покрытия и повышение окалино-стойкости матрицы отражается на результатах определения удельного износа в условиях воздействия газоабразивной среды при увеличении температур испытаний до 520 °С.
Заключение. Комплексно легированная связка Fe-B-C прошла успешные промышленные испытания в условиях Новолипецкого металлургического комбината «НЛМК» и Железногорского ГОК на заводе по ремонту горно-обогатительного оборудования Курской области. Предложенный композиционный материал использовали для упрочнения деталей металлургического оборудования, таких как уравнительные клапаны доменных печей, детали гидронасосов, буровых долот и др. [19-14, 26-29]. Достигнуто повышение долговечности деталей и инструмента в (1,6-1,8) раза.
Вышепредставленные научные данные могут быть полезны при создании ресурсосберегающих технологий обработки конструкционных сталей и сплавов с применением новых ультра и нанодисперсных композиционных покрытий [1-31].
Полученные результаты не противоречат научным исследованиям других авторов, работающих по данной проблеме [1-6, 8-12, 26], а также нашим работам [7, 13-25, 27-31].
Список литературы
1. Белоусов В.Я. Долговечность деталей машин с композиционными материалами. Львов: Высшая школа,
1984. 180 с.
2. Композиционные материалы в технике / Л.Р. Вишняков, Т.В. Грудина, В.Х. Кадыров, Д.М. Карпинос, В.И. Олейник, А.Б. Сапожникова, Л.И. Тучинский. Киев: Техника, 1985. 152 с.
3. Sukhova Е. V. Microstructure and properties of Fe-B-C/W-C interfaces in metal matrix composites // Bicrn Дшропетр. нац. ун-ту. Фiзика. Радюэлектрошка. 2002. № 9. С. 15-18.
4. Абузин Ю.А. Функциональные металлические композиционные материалы и технологии в машиностроении // Материалы в машиностроении. 2010. № 6. С. 52-54.
5. Стабильность композиционных материалов / И. М. Спиридонова, А. Д. Панасюк, Е. В. Суховая, А. П. Уманский. Днепропетровск: Свидлер, 2011. 244 с.
6. Sukhova O.V., Spyrydonova I.M. High performance composites // Bicrn Дтропетр. нац. ун-ту. Фiзика. Радюелектрошка. 2012. Т. 20. № 2. С. 78-81.
7. Исследование окисления доэвтектоидных сталей, легированных хромом и титаном при нитроцемента-ции / В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, Е.Ф. Романенко, А.В. Филонович // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. № 4. С. 116-119.
8. Суховая Е.В., Здоровей Н.А. Разработка состава наполнителя на основе сплава Fe-B-C для износостойких композиционных покрытий // Bicrn Дтропетр. нац. ун-ту залiзн. Транспорту. 2014. № 6(54). С. 104-110.
9. Юзвенко Ю.А., Фрумин Е.И., Пашенко М.А. Сферический релит. Способ получения и свойства // Порошковая металлургия. 1975. № 7. С. 1-5.
10. Данилов Л.И., Ровенских Ф.М. Наплавка деталей засыпных устройств доменных печей композиционным сплавом // Металлург. 1979. № 1. С. 12-15.
11. Мышко, Ю Д., Нечипоренко В.Г., Гладченко А.Н. Наплавка фильер композиционными сплавами // Хим. и нефтяное машиностроение. 1983. № 6. С. 28-30.
12. Зубков Н.С., Тютяев В.А., Зубкова Е.Н. Изготовления наплавленного металлорежущего инструмента. Тверь: Изд-во ТГТУ, 1998. 124 с.
13. Модернизация электродуговой наплавки для получения комбинированных покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами / В.Н. Гадалов, В.М. Бродский, А.В. Ляхов, И.А. Макарова // Главный механик. 2020. № 4. С. 71-79.
14. Изучение вклада вязких армирующих прослоек и их влияние на распределение напряжений в составных моделях комбинированных наплавленных покрытий / В.Н. Гадалов, А.В. Ляхов, В.И. Ляхов, И.А. Макарова // Главный механик. 2020. № 5. С. 66-70.
15. Гадалов В.Н., Ляхов А.В., Макарова И.А. Повышение эффективности работы деталей и инструмента многоцелевого назначения // Главный механик. 2020. № 6. С. 35-44.
16. Металлография металлов, порошковых материалов и покрытий, полученных электроискровыми способами / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко. М.: Изд-во Инфра-М, 2020. 468 с.
17. Материаловедение и металловедение сварки: учебник / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, С.В. Сафонов, Е.А. Филатов, А.В. Филонович. Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. 308 с.
18. Металловедение сварки с практикумом по технологии конструкционных материалов (ТКМ), специальными методами сварки и пайки, контролю качества сварных соединений: учебное пособие для вузов / В.Н. Гада-лов, В.Р. Петренко, С.В. Сафонов, О.М. Губанов, Ю.В. Скрипкина. М.: Аргамак-Медиа, 2021. 400 с.
19. Структурные закономерности изменения акустических характеристик и разработка акустического критерия предельного состояния металлических сплавов / В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, Е.А. Филатов, О.Н. Болдырева, И.А. Макарова, С.Н. Кутепов, Д.С. Клементьев, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 361-368.
20. Применение поляризационно-оптического метода для оценки напряжений в неоднородных моделях наплавленных комбинированных покрытий / В.Н. Гадалов, Ю.В. Скрипкина, О.М. Губанов, И.А. Макарова // Сварка и диагностика. 2021. № 2. С. 25-29.
21. Мониторинг кинетических закономерностей износа внутренних поверхностей оборудования в условиях интенсивной коррозии с применением разных рабочих сред / О.М. Губанов, В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, И.А. Макарова // Справочник. Инженерный журнал. 2022. № 6 (303). С. 48-53.
22. Мониторинг получения качественного диффузионного соединения изделий из сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе с применением промежуточной прослойки, изготовленной на элементах технологии шелкографии / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 12. С. 691-695.
23. Нано: технологии, материалы, трубки, частицы. Применение в машиностроении, медицине и других отраслях техники / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, С.В. Сафонов. М.: Аргамак-Медиа, 2021. 216 с.
24. Обзор композиционных металлополимеров, упрочненных нано- и ультрадисперсными частицами / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, И.В. Ворначева, В.Р. Петренко, И.А. Макарова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 17. № 9 (201). С. 424-432.
25. Оптимизация электроакустического нанесения покрытий для повышения эксплуатационных свойств композитов из жаропрочных сплавов на основе никеля / В.Н. Гадалов, С.Г. Емельянов, С.В. Сафонов, И.В. Ворначе-ва, А.В. Филонович // Вестник машиностроения. 2017. № 6. С. 7-9.
26. Золотов А.А., Н.С. Зубков, Водопьянова В.П. Изготовление вырубных штампов с применением наплавки // В сб.: Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки. СПб: Изд-во Политехнического университета, 2007. Ч. 1. С. 117-119.
27. Повышение эксплуатационной надежности и качества тяжелонагруженных деталей износостойкой наплавкой / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, Ю.В. Скрипкина, О.А. Бредихина, В.В. Горецкий, И.В. Иванова // Машинно-технологическая станция. 2012. № 3. С. 21-23.
28. Оценка трещиностойкости изделий, наплавленных износостойкими сплавами с одновременным формированием подслоя / В.Н. Гадалов, Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко, А.А. Давыдов, Р.В. Бобрышев, В.В. Горецкий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 11 (95). С. 11-14.
29. Оценка повреждаемости деталей насосов бурового оборудования в режиме их эксплуатации / В.Н. Га-далов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 492-499.
30. Изучение влияния комбинированной обработки на структуру и свойства электроискровых покрытий на низкоуглеродистой стали самофлюсующимся спецэлектродом / О.М. Губанов, В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, А.Е. Молдахметова, С.А. Войнаш, В.А. Соколова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 12 (216). С. 566-571.
31. Технология и оборудование, металловедение спечённого титана и его сплавов. Синтез, структура, фазовый состав, свойства, применение: монография / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, В.В. Пешков, А.В. Филонович. М.: Аргамак-Медиа, 2022. 272 с.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук., доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Филонович Александр Владимирович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Губанов Олег Михайлович, канд. техн. наук, доцент, руководитель проектов по разработке новых видов продукции, gubanov_oleg81 @mail.ru. Россия, Липецк, ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
FUNCTIONAL COMPOSITE MATERIALS AND TECHNOLOGIES FOR RESTORATION (REPAIR) AND MODERNIZATION OF METALLURGICAL EQUIPMENT
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, A.V. Filonovich, O.M. Gubanov, A.A. Kalinin
The use of Fe-B-C eutectic staves for the manufacture of bundles of composite materials based on relite (i.e. eu-tectic stave IV-C) is effective for strengthening a wide range ofparts of metallurgical equipment operating under conditions of intense high-temperature gas-abrasive, abrasive and water-abrasive wear. Additionally, the technological and operational properties of composite materials can be improved by adjusting the rate of dissolution of the filler in the bundle by choosing the optimal system for alloying Fe-B-C alloys and temperature-time parameters of impregnation. When using the Fe-B-C filler alloy, as part of a composite material with a binder, the structure formation of the interface between the filler and the molten binder is determined by the processes of dissolution and diffusion. The phase structural composition of the contact interaction zones is explained by the recrystallization of the surface layers of the filler after dissolution caused by contact with the molten binder. As a result, a defect-free macroheterogenic structure of composite materials is formed and reliable adhesion of the filler and ligament is ensured. The intensity of the contact interaction processes can be controlled by selecting the temperature-time modes of impregnation.
Key words: composite materials, peritectic Fe-B-C alloys, alloying elements, filler alloy, metallographic, electro-and X-ray structural analyses, mechanical properties.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Filonovich Alexander Vladimirovich, doctor of technical Sciences, professor, [email protected]. Russia, Kursk, Southwest State University,
Gubanov Oleg Mikhailovich, candidate of technical science, docent, project manager for the development of new types ofproducts, gubanov [email protected]. Russia, Lipetsk, Novolipetsk metallurgical plant Public joint stock company,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of publishing house, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.923.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-538-539
УСТРОЙСТВО ИМИТАЦИОННОЙ СУПЕРФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ КОЛЕЦ СФЕРИЧЕСКИХ
ПОДШИПНИКОВ
А.А. Перегородов, О.Ю. Давиденко
В работе рассматривается новый подход к конструированию устройств для суперфиниширования поверхности дорожек качения колец сферических подшипников с разработкой расчетной математической модели и моделированием прототипа в САПР.
Ключевые слова: кольца подшипников, суперфиниширование, долговечность, абразивный инструмент.
Введение. Производство сегодня претерпевает коренные изменения. Это выражено тем, что модель современного предприятия массового производства принимает новый облик гибкой компании, которая стремится к повышению качества и наискорейшей реакции на изменения на рынке. Каждый выпущенный агрегат или сборочный узел представляет собой результат профессиональных противостояний между конструкторами, технологами, инженерами-прочнистами, сметчиками и другими специалистами, главной целью которых является поиск наиболее оптимального решения, балансирующего между необходимостью достижения требуемых заказчиком эксплуатационных параметров, таких как надежность, долговечность, безотказность, и при этом обеспечения наименьшей стоимости конечного продукта для удовлетворения спроса в рыночных условиях.
В связи с тем, что вращающиеся узлы являются одними из самых часто встречающихся в машинах, но и наряду с этим наиболее сложными при изготовлении, монтаже и отладке, затронутая проблематика противостояний, например, конструкторских идей с технологическими ограничительными аспектами производства деталей стоит особенно остро.
Подтверждением этого довода может послужить распространенная причина преждевременного выхода из строя роликовых подшипников [1,3]. Дело в том, что долговечность кольца подшипника - составной части вращающегося узла - в первую очередь зависит от отклонений таких параметров нормирования геометрической формы дорожки качения, как волнистость и круглость поверхности. Также немаловажным фактором является и микрорельеф. Появление волнистости всегда сопровождается неравномерностью распределения шероховатости и микротвердости на максимальных и минимальных точках волн профиля, что вызывает концентрацию напряжений в момент восприятия подшипником знакопеременных нагрузок, а в следствие этого появляется дополнительный источник разрушения
