Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного развития технологий создания защитных покрытий, применяемых в условиях ударно-абразивного износа 12
1.1 Анализ причин интенсивного износа рабочих поверхностей 12 деталей машин горнодобывающего оборудования
1.2 Анализ способов защиты деталей машин горнодобывающего оборудования от ударно-абразивного износа 16
1.3 Анализ применения тугоплавких сплавов при ударно-абразивном изнашивании 21
1.3.1 Композиционный порошковый материал ПС-12НВК-01... 26
1.3.2 Модифицирование защитных покрытий в процессе наплавки.
1.3.3 Наноразмерный модификатор АЬОз 36
1.4 Постановка цели и задач исследований 38
ГЛАВА 2. Алгоритм разработки технологии модифицирования защитных покрытий в процессе плазменно-порошковой наплавки. оборудование и методики исследований 40
2.1 Алгоритм проведения исследований по разработке технологии модифицирования защитных покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC в процессе плазменно-порошковой наплавки 40
2.2 Механоактивация смеси композиционного материала ПС-12НВК 01 и наноразмерного порошка А Оз 41
2.3 Оборудование и схема плазменно-порошковой наплавки 45
2.3.1 Расчётно-экспериментальное определение технологических режимов плазменно-порошковой наплавки 48
2.4 Металлографические исследования наплавленных образцов. Методики и оборудование 54
2.4.1 Оптическая микроскопия 55
2.4.2 Рентгеноструктурный анализ 56
2.4.3. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) 58
2.4.4 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) 60
2.4.5 Испытание на микротвердость и твердость 61
2.4.6 Испытания на абразивный износ о жёстко закрепленные частицы абразива 63
2.4.7 Испытания на ударную вязкость. Определение характера излома 66
2.5 Выводы по главе 2 67
ГЛАВА 3. Разработка технологических режимов плазменно-порошковои наплавки композиционной наплавочной смеси, содержащей наноразмерный модификатор, и ее изготовление 68
3.1.1. Исследования композиционного материала ПС-12НВК-01 и АЬОз в исходном состоянии 68
3.1.2. Исследование воздействия механоактивации на композиционный материал ПС-12НВК-01 72
3.1.3. Общая зависимость воздействия механоактивации на композиционный материал ПС-12НВК-01 и наноразмерный модификатор АЬОз. Определение рационального режима механоактивации 74
3.2 Разработка технологии плазменно-порошковой наплавки наплавочного материала ПС-12НВК-01 и смесью ПС-12НВК-01 с наноразмерным АЬОз 77
3.3 Металлографические исследования влияния наноразмерного модификатора на структуру наплавленных композиционных покрытий 3.3.1 Исследование общей микроструктуры оптической микроскопией 86
3.3.2 Рентгеноструктурные и электронно-микроскопические исследования наплавленных покрытий 91
3.3.3 Дефектная структура и поля напряжений 96
3.4 Исследование влияния наноразмерного модификатора АЬОз на механические свойства защитных покрытий, наплавленных способом плазменно-порошковой наплавки 100
3.4.1 Исследование микротвердости наплавленных образцов защитных покрытий 101
3.4.2 Испытания защитных покрытий на абразивную стойкость полученных образцов 102
3.4.3 Исследование ударной вязкости и характера излома полученных покрытий... 105
3.5 Выводы по главе 3 107
ГЛАВА 4. Производственная апробация разработанных покрытий системы ni-cr-b-si-fe/wc, полученных в процессе плазменно-порошковой наплавки композиционной смесью пс-12нвк-01, содержащей в составе наноразмерный модификатор а12оз 108
4.1 Выводы по главе 4
Общие выводы 112
Список литературы
- Анализ способов защиты деталей машин горнодобывающего оборудования от ударно-абразивного износа
- Механоактивация смеси композиционного материала ПС-12НВК 01 и наноразмерного порошка А Оз
- Испытания на ударную вязкость. Определение характера излома
- Разработка технологии плазменно-порошковой наплавки наплавочного материала ПС-12НВК-01 и смесью ПС-12НВК-01 с наноразмерным АЬОз
Анализ способов защиты деталей машин горнодобывающего оборудования от ударно-абразивного износа
В результате эксплуатации рабочие органы горнодобывающего оборудования, например, угольных ковшей, происходит процесс сухого трения угольных частиц о поверхности деталей машин, что вызывает абразивное изнашивание. С учетом свободного падения угольных частиц данный вид износа выделяется в самостоятельный вид ударно-абразивного изнашивания и имеет наиболее интенсивный характер разрушения материалов. Следует отметить, что классификационные признаки процесса изнашивания пока четко не установлены, и эти классификации существенно отличаются друг от друга . В процессе абразивного изнашивания поверхностные слои испытывают сложнонапряженное состояние. При этом воздействие абразивов, вдавливаемых в рабочую поверхность и затем перемещающихся относительно её, характеризуется неравномерностью распределения по поверхности. В этих условиях механические и физические свойства структурных составляющих приобретают большее значение, чем общие свойства сплава, определяемые стандартными методами. Интенсивность изнашивания металла при трении о монолитный абразив определяется соотношением их прочностных характеристик» [4]. Следует отметить, что «в механизме абразивного изнашивания велика роль не только твердости и прочности, но и устойчивости исходных структур при нагреве» [5]
Как упоминалось выше, при эксплуатации горнодобывающего оборудование также присутствует ударный износ, возникающий вследствие падения угольных масс на поверхность деталей машин. Так, например, при погрузке угольной породы ковшом емкостью 27 м в кузов карьерного самосвала масса угля составляет порядка 35 тонн. Ударный износ приводит к деформациям и дефектам структуры, которые, накапливаясь, впоследствии релаксируются в виде микротрещин, что приводит к нарушению целостности защитных покрытий. Кроме того, при падении угольной породы происходит внедрение частиц абразива в существующие микродефекты что также увеличивает скорость разрушения защитных покрытий [6].
Таким образом, в процессе работы горнодобывающего оборудования поверхности деталей машин подвергаются комбинированному ударно-абразивному износу. При этом наблюдается прямое внедрение абразивной частицы в упрочняющий слой с образованием лунок. При многократном попадании частиц абразива в лунку происходит разрушение ее контурных перемычек по схеме расклинивания. Комбинация ударного и абразивного износов является одной из наиболее сложных комбинаций износа [7].
Ударно-абразивному изнашиванию подвергается большое количество горнодобывающего оборудования (рисунок 1.2) связано это с тем, что существующие в настоящее время машины обладают размерами в 4 раза больше, чем применявшиеся 15 лет назад [8]. По этой причине за последние годы произошло увеличение темпов ударно-абразивного износа, определяющего в настоящее время скорость выхода из строя горнодобывающей техники. Так, при эксплуатации ковшей экскаваторов защитные покрытия толщиной 20 мм выполненные наплавочными материалами системы Fe-Cr-Ni-Si-C в среднем отрабатывают 5000 моточасов, при этом объем устанавливаемых бронеплит достигает 90% всей площади ковша. В настоящее время средний размер ковшей на территории Кузбасса составляет 18 м3, что требует до 27 м2 монтируемых бронеплит при средней стоимости в 35 000 руб./м2, или соответственно 945 000 руб. на ковш. Согласно данным предприятий горно-обогатительного комплекса Кузбасса ресурс работы дробилок при упрочнении сплавом 320Х25С2ГР составляет не более 160 моточасов, что объясняется высокими скоростями вращения, вызывающими преобладающий ударный износ по периферической части била и абразивный по боковым. Упрочнение зубьев ковшей экскаватора зачастую не приводит к повышению эффективности, так как причина выхода из строя в большинстве случаев заключается в разрушении основного металла детали из-за развития дефектов литья [9]. Работа защитных покрытий кузовов БелАЗов составляет в среднем 6000 моточасов, что вызвано ударными нагрузками при погрузке и абразивным износом при выгрузке угля.
Детали горнодобывающего оборудования, подверженные интенсивному ударно-абразивному износу: а - ковш экскаватора; б - кузов карьерного экскаватора; в - угольная молотковая дробилка; г - буровая шарошка Итак, определение характера износа поверхностей основных деталей горнодобывающего оборудования показывает, что существует необходимость проведения анализа способов изготовления защитных покрытий, необходимых для получения повышения стойкости деталей машин в процессе интенсивного ударно-абразивного износа. При этом необходимо создание защитных покрытий, обладающих меньшей толщиной, с целью повышения полезного объема деталей машин горнодобывающего оборудования.
При защите деталей машин горнодобывающего оборудования применяются в основном три способа: 1. Монтаж элементов-бронеплит из износостойких сталей (HARDOX, RAEX, BOROX); 2. Монтаж элементов-бронеплит из износостойкого хромистого чугуна нанесенного диффузионной сваркой на углеродистую сталь; 3. Наплавка тугоплавкими сплавами непосредственно на саму деталь или монтаж элементов-бронеплит с наплавкой тугоплавкими сплавами.
Применение износостойких сталей на деталях, работающих в условиях ударно-абразивного износа, не приводит к существенному повышению износостойкости, так применение стали HARDOX 500 обеспечивает не более 50% ресурса основной детали, что говорит о низкой износостойкости непосредственно по отношению к материалу, из которого выполнена защищаемая деталь [10]. К остальным перечисленным сталям это тоже относится, так как они являются аналогами стали HARDOX.
Использование износостойкого чугуна не является рациональным при ударно-абразивном изнашивании, по причине низкой прочности сцепления между основой из углеродистой стали и износостойким покрытием из износостойкого хромистого чугуна, а также быстрым образованием дефектов в виде микротрещин, причиной которых является ударный износ [10].
Наиболее актуальным является применение наплавки тугоплавкими сплавами, при этом применение напыления тугоплавкими сплавами невозможно по причине скалывания покрытия в процессе ударного износа [11, 12]. При наплавке применяются наплавочные материалы различного состава, что обеспечивает повышение износостойкости при различных видах изнашивания. Для повышения стойкости к ударно-абразивному изнашиванию невозможно применение наиболее распространенных в промышленности способов наплавки, таких как ручная дуговая наплавка, механизированная наплавка порошковыми проволоками, автоматическая наплавка под слоем флюса. Эти способы наплавки обладают большим количеством недостатков, определяющих снижение свойств износостойкости из-за высокой доли основного металла в наплавленном, перегрева металла сварочной ванны, приводящих к крупнозернистой структуре, неоднородность химического состава полученных защитных покрытий и т.д. [13]. По этим причинам необходимо применение специализированных способов наплавки.
Механоактивация смеси композиционного материала ПС-12НВК 01 и наноразмерного порошка А Оз
Композиционную смесь ПС-12НВК-01 и наноразмерного порошка АЬОз, полученную при механоперемешивании в миксере невозможно применить при плазменно-порошковой наплавке, так как образующиеся агломераты забиваются в каналах подающего механизма, а достигшие плазменной струи нарушают ее стабильность, вызывая снижение качества получаемых покрытий. Предложенное первичное решение этих проблем заключалось в увеличении размеров каналов подающего механизма, что позволило стабильно подавать порошковую смесь. Кроме того, повышение силы тока плазменной струи привело к установлению стабильности режима. При увеличении размеров каналов подающего механизма и силы тока присутствовал и отрицательный эффект, который заключался в изменении режима наплавки, что привело к увеличению глубины проплавлення, нарушению равномерности подачи присадочного материла из-за широкого спектра размеров агломератов. Но, что самое главное, из-за высокого содержания оксида алюминия в некоторых местах покрытия увеличилась сила поверхностного натяжения, что повлияло на геометрию наплавленного валика полученного округлой формы сечения валика, при этом образовались дефекты в виде пор, подрезов и несплавлений.
Для решения существующей проблемы была применена механоактивация на планетарной шаровой мельнице [63, 64]. Представленный метод обработки позволяет принципиально снижать размерность обрабатываемых материалов под воздействием дробления шарами, находящимися в цилиндре [62]. Принцип работы планетарной шаровой мельницы представлен на рисунке 2.3.
Сила воздействия в планетарных шаровых мельницах зависит от размеров применяемых шаров, оборотов барабана вокруг собственной оси (емкости с материалом) и оборотов барабана вокруг центральной оси. Максимальное гравитационное ускорение при использовании шаровых мельниц 30G, а при планетарных шаровых мельницах достигает 60G, что позволяет за несколько секунд получить существенные изменения размеров частиц в обрабатываемых материалах.
Но при этом отрицательным фактором механоактивационной обработки является возможность протекания химических реакций [65], а также невозможность измельчение отдельный материалов входящих в смесь [66]. По этой причине в данной работе было предложено не только изучить степень снижения размерности агломератов наноразмерного АЬОз, но и провести изучение характера изменения основного композиционного материала ПС-12НВК-01, так как существенное снижение размеров и масс частиц приведет к снижению КПД процесса наплавки из-за вылета частиц за пределы плазменной струи [67]. Заметим, что порошковый материал состоит из композиции сплава Ni-Cr-B-Si-Fe и карбида WC, обладающих различными физическими свойствами. По этой причине определение изменения размеров частиц сплава и карбида вольфрама проводилось раздельно.
Ожидалось, что применение более высоких гравитационных ускорений приведет к существенному измельчению частиц композиционной смеси. По данным [65] размеры частиц в среднем не будут превышать 15 мкм, что является нетехнологичным размером при плазменно-порошковой наплавке и может применяться только при газопорошковом напылении [68]. Время механоактивации согласно [64] не должно превышать 300 секунд, свыше которого измерение размеров частиц также приблизится к среднему размеру в 15-20 мкм, что также недопустимо. На основании вышеизложенного были предложены режимы механоактивации, представленные в таблице 2.1, используемые в дальнейших экспериментальных технологических исследованиях процесса наплавки.
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований получены режимы механоактивации для обработки композиционных смесей с целью снижения присутствующих в ней агломератов. Полученные смеси в дальнейшем были исследованы и по результатам определен оптимальный режим механоактивации композиционных смесей, содержащих наноразмерный порошковый модификатор АЬОз в диапазоне 0,5-3,0% массовой доли.
Для выполнения образцов наплавок защитных покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC с использованием базового наплавочного материала ПС-12НВК 01, композиционной смеси ПС-12НВК-01 и наноразмерного порошка АЬОз применялась серийная установка УПН-303 (рисунок 2.5) для плазменно-порошковой наплавки с плазматроном, работающим на постоянным токе прямой полярности, и с подачей порошка в сжатую дугу прямого действия. Принцип работы используемого плазматрона заключается в том, что порошок нагревается и плавится тепловой энергией плазменной струи далее переносится на поверхность изделия. В качестве транспортирующего, плазмообразующего и защитного газа использовался аргон чистый (ГОСТ 10157-79).
Образцы наплавок выполнялись по эскизу, представленному на рисунке 2.6. Так как в начале наплавки происходит процесс стабилизации плазменной струи, подача наплавочного порошка не производится. Это приводит к чрезмерному оплавлению основного металла, к увеличению доли основного металла в наплавленном, перегреву металла в сварочной ванне, что приводит к образованию крупнозернистой структуры. Поэтому наплавка выполнялась с применением вводных и выводных планок.
Испытания на ударную вязкость. Определение характера излома
Для разработки технологии плазменно-порошковой наплавки необходимо предварительно установить не только технологические параметры плазменно-порошковой наплавки, но и выполнить разработку технологических параметров получения композиционной наплавочной смеси ПС-12НВК-01 системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC с наноразмерным модификатором АЬОз. Проблемы, определяющие необходимость разработки способа получения композиционной смеси с наноразмерным модификатором описаны в п. 1.3.2.
Для получения качественной композиционной смеси для плазменно-порошковой наплавки, отвечающей необходимым наплавочно-технологическим свойствам необходимо следующее: 1. Равномерное распределение составляющих компонентов порошковой смеси в потоке транспортирующего газа. 2. Способность к равномерному перемещению по каналам порошкового питателя и плазматрона и обеспечению расчетного режима расхода порошковой смеси. 3. Отсутствие компонентов с размером фракции менее 20 мкм, в составе смеси наплавочных порошков, снижающих КПД использования наплавочного порошка. При разработке способа основное внимание уделялось снижению размерности агломератов модификатора АЬОз непосредственно отвечающей за все три представленных параметра, так как чрезмерное измельчение частиц наплавочного порошка ПС-12НВК-01 приведет к их вылету за пределы плазменной струи, недостаточное измельчение агломератов не позволит им равномерно распределится в композиционной смеси ПС-12НВК-01 так как содержание АЬОз не превышает 3,0% масс. Большие размеры агломератов АЬОз могут приводить к их непроходимости в транспортных каналах, идущих от питателя к плазматрону, а также в каналах самого плазматрона [67].
Разработка способа получения композиционной наплавочной смеси ПС-12НВК-01, содержащей наноразмерный модификатор АЬОз, заключалась в применении механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-3, при различных гравитационных ускорениях (G, м/с2) и времени активации (t, с). Режимы механической активации представлены в таблице 2.1.
Учитывая значительное количество компонентов порошка ПС-12НВК-01 (Ni-Cr-B-Si-Fe/WC), необходимо было определить влияние механической активации на изменение размеров частиц, определяющих его наплавочно-технологические свойства, при наплавке плазменно-порошковым способом.
Разработка способа получения смеси наплавочного порошка ПС-12НВК-01 с наноразмерным модификатором АЬОз при механической активации для смешивания композиционного материала ПС-12НВК-01 и наноразмерного АЬОз ранее не проводилась, поэтому проведение экспериментов сводилось к сравнительному анализу по размерам полученных частиц-элементов смеси (Ni-Cr-B-Si-Fe, WC, А12Оз). Затем изучалась степень распределения частиц модификатора в смеси.
Для определения элементного состава и размеров частиц (агломератов) композиционного наплавочного порошка nC-12FIBK-01 и содержащегося с ним в смеси модификатора АЬОз использовалась растровая электронная микроскопия. С целью получения данных об исходных материалах, отдельно без механической активации, были исследованы наплавочный порошок ПС-12FIBK-01 и наноразмерный АЬОз. В исходном состоянии сплав системы Ni-Cr-B-Si-Fe обладает сферической формой (рисунок. 3.1). Карбид вольфрама (WC) имеет дробленую форму. Методом случайных секущих были вычислены средний размер частиц и дисперсия (рисунок 3.1).
Из табличных значений видно, что размеры частиц композиционного порошка, представленные в технических условиях ТУ 48-19-383-91 «Порошки для наплавки и напыления» (Ni-Cr-B-Si-Fe/WC, 40/100 мкм), отличаются от полученных, что объясняется применением при определении размеров частиц различных методик измерения, а также представления предприятием, изготавливающим данный порошок, статистических данных об их размерах за некоторый период производства. Результаты, полученные на этом этапе исследований, являются достаточно точными и предназначены для сравнительного анализа. Так как результаты измерений размеров частиц не совпадают с данными предприятия-изготовителя по ряду причин, при проведении экспериментальной части диссертации, руководствовались результатами, полученными в данной работе.
Оксид алюминия (АЬОз) имеет сложную форму, находится в достаточно крупных агломератах. На изображении видно, что форма агломератов АЬОз неопределенная. Поверхность агломератов шероховатая, что объясняется неровностью соединений наноразмерных частиц (рисунок 3.2).
Разработка технологии плазменно-порошковой наплавки наплавочного материала ПС-12НВК-01 и смесью ПС-12НВК-01 с наноразмерным АЬОз
Для исследования износостойкости многофазных систем износостойких наплавочных сплавов, имеющих композиционную структуру, применяются испытания на абразивную стойкость, основанные на многократном изнашивании полированных поверхностей образцов о закрепленные частицы абразива [88, 89].
Образцы наплавленного металла изнашивали о листовой абразив (шкурку) №6 с последующим очищением и исследованием после каждого периода истирания и установкой нового абразива. Анализ износа проводили постоянным взвешиванием образцов на аналитических весах. Детальное изучение показало, что в процессе испытания происходит смещение износа образца на одну сторону, что приводит к изменению сил износа, так как меняется площадь, на которую воздействует сила грузов, давящих на образец. Для устранения этой проблемы был изменен принцип крепления: в 2,5 раза была увеличена шейка для установки крепления образца и груза. Также для повышения схватывания было применено изменение периода начала движения диска с абразивом, при котором за счет малого ускорения вращения снижались силы, возникающие при зацеплении кромки образца об абразив, что привело к снижению сил противодействия, возникающих в результате начала вращения. Экспериментально было установлено, что после модернизации, образование угла наклона образцов в сторону вращения отсутствует.
Результаты испытаний образцов позволяют установить, что увеличение количества модифицирующего компонента в смеси, который, в свою очередь, вызывает изменение структурно-фазового состава, приводит к снижению объема износа. При этом наблюдается существенный подъем износостойкости в образце с содержанием 1,0% масс. Данный образец обладает высоким, по сравнению с немодифицированным образом, содержанием упрочняющей фазы в виде W2C и большей микротвердостью основы, что объясняет повышение сопротивляемости к абразивному изнашиванию.
На основании экспериментальных данных были построены зависимости абразивной стойкости (относительной потери массы) от количественного содержания модификатора в смеси с композиционным материалом. Методика определения износостойкости предусматривает испытания образцов с различным содержанием модификатора и их износ относительно образца эталона, полученного при той же технологии наплавки (рисунок 3.21).
Согласно результатам испытаний, приведённым на графике, наиболее высокую износостойкость имеют покрытия, наплавленные при содержании модификатора в композиционной смеси 0,5; 1,0; 1,5% масс. При этом максимальная износостойкость наблюдается в образце, выполненным с 1,0% масс, модификатора в композиционной смеси [90].
Таким образом, исследования микроструктуры и механических свойств защитных покрытий подтверждают, что рациональным содержанием для повышения стойкости композиционных покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC является 1,0% масс, в композиционном материале ПС-12НВК-01.
Дальнейшие испытания на абразивную стойкость были выполнены с учетом таких наиболее распространенных упрочняющих материалов, как электроды для ручной дуговой наплавки Т-620 и порошковые прутки Релита на железной основе с содержанием 85% карбида вольфрама.
Результаты испытаний, представленные на рисунке 3.22, указывают на то что износостойкость покрытий, наплавленных Релитом несколько больше чем у разработанных модифицированных покрытий ПС-12НВК-01+1,0%АІ2Оз. Однако известно, что защитные покрытия, наплавленные релитом, имеют высокую стоимость, превышающую примерно на 20-30% стоимость даже композиционных сплавов. А также такие покрытия не имеют возможности сопротивляться ударному износу, из-за отсутствия пластичности наплавленных покрытий.
Испытания на ударную вязкость проводились для всех образцов наплавок защитных покрытий, а именно: с исходным композиционным материалом ПС-12НВК-01 и с композиционными смесями, содержащими 0,5-3,0% масс, наноразмерного модификатора. Анализы результатов испытаний подтверждают повышение стойкости защитных покрытий с содержанием модификатора 0,5- 2,0% масс, к ударным нагрузкам за счет всего совокупного влияния модификатора на структуру наплавленных покрытий (рисунок 3.23).
На рисунке 3.24 представлен характерный излом покрытий, наплавленных без модификатора и с использованием наноразмерного модификатора. В первом случае отчётливо виден хрупкий излом металла, на сколе которого находится крупный карбид, вероятно послуживший инициатором разрушения вследствие больших размеров и внутренних структурных напряжений. Излом образца, наплавленного с модификатором, имеет типичный мелкоямочный излом, характерный для структур с высокими показателями сопротивления ударному разрушению [57].
Необходимо особенно отметить, что и в данном испытании содержание модификатора порядка 1% обусловило наибольшую ударную вязкость покрытий. Следовательно, сочетание лучших показателей твёрдости, износостойкости и ударной вязкости позволяет предположить, что покрытия, наплавленные на рациональном режиме с введением 1% наноразмерного АІгОз, должны обеспечить лучшие показатели при эксплуатации горнодобывающего оборудования с защитными покрытиями в условиях ударно-абразивного изнашивания.