Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Повышение требований техники и промышленности к свойствам поверхностных слоев вызывает необходимость создания износостойких композиционных покрытий, в том числе порошковых, новыми методами с использованием высококонцентрированных источников энергии таких, как лазерный луч. В первую очередь это связано с тем, что использование лазерного излучения позволяет получать износостойкие композиционные порошковые покрытия (КПП), обладающие высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, на локальных участках крупногабаритных и длинномерных деталей, например таких, как валы нефтяных насосов. При этом высокий уровень свойств получаемых покрытий обеспечивается не только варьированием технологических режимов лазерной обработки, но и свойствами дополнительно вводимых модифицирующих веществ.
В качестве упрочняющих материалов довольно широко используются тугоплавкие соединения в виде карбидов. В лаборатории плазменной металлизации деталей нефтяного оборудования БГПА разработан ряд технологических процессов по получению покрытий методом напыления самофлюсующихся материалов на основе никеля с последующим лазерным легированием карбидами ВС, WC, TiC. Однако, существенным недостатком карбидов является их способность к образованию трещин, скалыванию и разрушению. Установлено, что твердость карбидов выше, а прочностные свойства несколько ниже, чем у нитридов. Несмотря на появление в литературе ряда работ, посвященных технологии получения покрытий оплавлением лазерным лучом обмазок, содержащих нитриды, отсутствуют данные исследований о влиянии лазерного излучения на структуру, физико-механические и эксплуатационные свойства таких покрытий.
В связи с этим тема диссертационной работы по получению износостойких КПП лазерным оплавлением модифицирующих обмазок, содержащих в качестве упрочняющих веществ нитриды и карбиды, и по исследованию их физико-механических и эксплуатационных свойств является весьма актуальной.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Научные исследования по теме диссертации проводились в рамках х/д № 62 (1998-1999 г. г.), Государственной научно - технической программы "Сварка" (№ 1122/3.8 1999-2000 г.г.), Государственной научно-технической программы "Новые материалы и инженерия поверхностей. Подпрограмма П. Инженерия поверхностей" (№4072/1.03 2000 г.), ГБ 00-55 (2000 г.).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка технологии получения износостойких композиционных порошковых покрытий лазерным оплавлением модифицирующих обмазок на основе нитридов TiN, A1N и карбида NbC, нанесенных как непосредственно на поверхность детали, так и на предварительно напыленный слой самофлюсующегося сплава.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
Исследовать процессы структурообразования КПП, содержащих подслой из самофлюсующегося материала ПН-ХН80С4Р4 и не содержащих такового.
Выбрать оптимальные составы и способы нанесения модифицирующих обмазок для каждого из веществ-упрочнителей.
Исследовать влияние основных технологических параметров лазерной обработки на фазовый состав, микротвердость, шероховатость и износостойкость получаемых КПП.
Выявить корреляционные зависимости между группой структурных параметров и параметрами шероховатости и износостойкости КПП.
Разработать и внедрить технологию восстановления быстроизнашивающихся деталей методом плазменного напыления с последующим нанесением модифицирующих обмазок и оплавлением лазерным лучом.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является износостойкое композиционное порошковое покрытие. Предметом исследования являются износостойкие КПП, полученные лазерным оплавлением обмазок, содержащих в качестве модифицирующих веществ нитриды TiN, A1N и карбид NbC, нанесенные как на предварительно напыленный слой самофлюсующегося материала, так и непосредственно на поверхность детали.
Гипотеза. Работа основана на гипотезе, что применение технологии получения износостойких КПП лазерным оплавлением модифицирующих обмазок, содержащих ряд веществ-упрочнителей, обеспечит создание покрытий, которые по комплексу физико-механических и эксплуатационных свойств превзойдут аналогичные покрытия из самофлюсующихся материалов, оплавленные без обмазок.
Методология и методы проведенного исследования. Оплавление поверхностных слоев лазерным лучом является технологической операцией, позволяющей получать покрытия с улучшенными физико-механическими характеристиками путем получения мелкокристаллической структуры и специфической морфологии поверхности. Это способствует значительному увеличеник сопротивления изнашиванию.
Исследование и анализ наблюдаемых явлений были основаны на результатах экспериментов. При этом учитывалась основная особенность взаимодействия лазерного излучения с поверхностным слоем - высокий градиент температур в зоне нагрева и охлаждения локальных участков поверхности, что способ ствовало формированию структур характерного типа. Расшифровка и анали: полученных данных проводились в ходе исследований с использованием мето дов оптической микроскопии, дюрометрического, рентгеноструктурного и фа зового анализа, испытаний на изнашивание.
Научная новизна и значимость полученных результатов:
Определены составы модифицирующих обмазок под последующее ла
зерное оплавление, содержащие вещества-упрочнители, которые ранее с приме
нением данной технологии не использовались. В качестве модифицирующих
веществ предложено использовать нитриды TiN, A1N и карбид NbC,
позволяющие получать КПП с высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств. Введение нитридов, обладающих наряду с высокой прочностью еще и высокой пластичностью (в отличие от карбидов), способствует снижению пористости (до 5 %) получаемого покрытия, позволяет значительно снизить трещинообразование и повысить физико-механические и эксплуатационные свойства КПП: повысить микротвердость до 10,0 -11,0 ГПа, снизить шероховатость до Ra = 9,5 -15,0 мкм и величину износа до I = 4,0 - 7,0 мкм.
Установлено, что нитриды (TiN и A1N) после лазерного оплавления наилучшим образом сохраняются в покрытиях, содержащих модифицирующее вещесто и Ni в равных соотношениях (50% TiN (A1N) + 50%Ni), a NbC - в покрытиях, содержащих 66% NbC + 33% Ni. При этом объемная доля модифицирующих веществ, сохранившихся в покрытии после лазерной обработки, составляет: NbC -12%, TiN - 10%, A1N - 6-7%.
Определены способы нанесения модифицирующих обмазок для каждого
из веществ-упрочнителей (TiN, A1N, NbC ) с учетом результатов рентгенострук-
турного и фазового анализа, дюрометрических характеристик получаемых по
крытий, их шероховатости и износостойкости. Предложено наносить модифи
цирующие обмазки как непосредственно на основу детали, так и на пред
варительно напыленный слой самофлюсующегося материала.
Установлено, что модифицирующие обмазки, содержащие нитриды TiN и A1N, следует наносить послойно с Ni, a NbC - в виде механической смеси с Ni на предварительно напыленный слой самофлюсующегося материала ПН-ХН80С4Р4. По сравнению с другими исследованными вариантами, покрытиям, полученным данным способом, соответствуют наибольшие значения микротвердости (для обмазок с TiN, A1N и NbC соответственно): 10,0 ГПа; 10,5 ГПа; 11,0 ГПа; наименьшая пористость и шероховатость ( = 15,0 мкм; Ra= 9,5 мкм; Ra= 20,0 мкм), наименьшая величина износа (1= 4,0 мкм, I = 6,0-7,0 мкм, I = 7,0-8,0 мкм).
Установлены зависимости между основными технологическими пара
метрами лазерного оплавления ( V, мм/с - скорость перемещения лазерного лу
ча, d, мм - диаметр лазерного луча и к - коэффициент перекрытия лазерных до
рожек) и параметрами структуры, фазового состава, микротвердости, шерохова
тости и износостойкости КПП, что дало возможность определить оптимальные
режимы лазерной обработки (для обмазок с TiN: V = 1,33 мм/с, d = 3,0 мм,
к = 1,5; для обмазок с A1N: V = 1,33 мм/с, d = 3,0 мм, k = 1,5; для обмазок с
NbC: V = 1,33 мм/с, d = 1,0 мм, k = 0,5), позволяющие получать покрытия с по
вышением износостойкости в 4-5 раз при включении в обмазку TiN и в 2-3 раза
при включении в обмазку A1N и NbC по сравнению с оплавленными покрытия
ми из самофлюсующегося сплава на основе Ni без обмазок.
Определены корреляционные зависимости между группой структурных параметров и параметрами шероховатости и износостойкости получаемых покрытий, что позволило оценить степень влияния того или иного параметра структуры (количества у-раствора на основе Ni, степени легированности
у-раствора на основе Ni, количества упрочняющих фаз в покрытии, коли-чества окислов в покрытии, количества боридов Сг и Ni, количества си лицидов Сг и Ni, количества алюминидов Ni в покрытии) на шерохова тость и износостойкость. Использование полученных зависимостей дает возможность получать КПП с требуемым комплексом физико-механических и экс плуатационных свойств.
Практическая и экономическая значимость полученных результатов Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке технологии получения износостойких КПП оплавлением лазерным лучом модифицирующих обмазок, содержащих легирующие компоненты, что далс возможность получать на поверхностях деталей нефтезаводского оборудова ния слои, обладающие высокой износостойкостью и повышенной долговечностью.
Износостойкость покрытий возрастает в 4-5 раз при оплавлении обмазок содержащих TiN и в 2-3 раза при оплавлении обмазок с A1N и NbC по сравнению с оплавленными покрытиями из самофлюсующихся материалов на основе Ni без модифицирующих обмазок.
Разработан технологический процесс восстановления вала нефтяной насоса (ЛПМ № 0120100043). По разработанной технологии в ОАО «Мозыр ский нефтеперерабатывающий завод» восстановлена опытная партия валої нефтяного насоса 812-03-120-01 (акт внедрения от 19.01.99 г.). Годовой эконо мический эффект составляет 371224,0 руб. (расчет фактического экономическо го эффекта от 19.01.99 г. выполнен по состоянию на сентябрь 1998 г.). Приме некие при восстановлении шеек валов обмазки, содержащей TiN, позволилс снизить уровень трещинообразования, уменьшить пористость (до 5%) и ше роховатость (до Ra = 14,0-15,0 мкм), увеличить износостойкость восстановлен ной поверхности в 4 раза.
Результаты работы можно рекомендовать к использованию в учреждения? и на предприятиях, занимающихся вопросами упрочнения и восстановленш деталей машин, работающих в условиях граничного трения со смазкой; в неф теперерабатывающей промышленности, сельскохозяйственном машинострое нии для получения износостойких защитных покрытий на поверхностях круп негабаритных и длинномерных деталей.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту. На защит; выносятся:
Закономерности структурообразования КПП, содержащих различные модифицирующие вещества, при лазерном нагреве.
Результаты определения оптимального состава и способа нанесения мо дифицирующих обмазок на поверхность детали.
Результаты исследования физико-механических и эксплуатационны) свойств полученных КПП.
Результаты определения корреляционных зависимостей между основ ными технологическими параметрами лазерной обработки и параметрам! фазового состава, микротвердости, шероховатости и износостойкости КПП,
а также между группой структурных параметров и параметрами шероховатости и износостойкости КПП.
Личный вклад соискателя. Основные научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично соискателем или при его непосредственном участии.
Автором лично выполнены исследования физико-механических и эксплуатационных свойств оплавленных КПП на базе металлографического, рентгено-структурного, фазового и дюрометрического анализа, позволяющие обосновать и разработать технологию оплавления модифицирующих обмазок с использованием лазерного излучения. Совместно с соавторами публикаций проведены исследования по установлению корреляций и оптимизации режимов лазерной обработки для получения покрытий требуемого качества.
Апробация результатов диссертации. Основные положения работы были доложены на межгосударственных семинарах «Защитные покрытия» (1993 - 2000 г.г., г.Минск), на 1-й и 2-й Республиканской научно-технической конференции «Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин» (1993 г. и 1995 г., г.Новополоцк), на международной научно-технической конференции «Отделочно-упрочняющая технология в машиностроении» ( 1994 г., г. Минск), на международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (1998 г., п. Славское) в отраслевой научно-исследовательской лаборатории плазменной металлизации деталей нефтяного оборудования БГПА, на кафедре "Порошковая металлургия" БГПА.
Опубликованность результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 научных работах, в том числе 4 статьях в научных журналах и сборниках и 11 тезисах докладов на конференциях. Общее число страниц опубликованных материалов - 42.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Полный объем диссертации 158 страниц. Работа содержит 81 страницу машинописного текста, 26 рисунков на 26 страницах, 33 таблицы на 16 страницах, 6 приложений на 22 страницах и список использованных источников из 169 наименований на 13 страницах.