Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ужанский 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 л 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 л 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.
ичный 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.
В третьей главе изучено влияние кремния на упрочнение и изнашивание хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей в условиях трения металл по металлу при высоких давлениях и температурах, характерных для эксплуатации кузнечно-штамповой оснастки горячего деформирования, на рабочих поверхностях которой температуры достигают 950-10500С, а удельное давление до 3000 МПа. Наш опыт разработки сплавов для уплотнительных поверхностей арматурых) и анализ поведения штамповых сталей показали, что износостойкость обусловлена двумя факторами: теплостойкостью и жаропрочностью подповерхностного слоя поверхности трения и жаростойкостью кремнийсодержащей пленки вторичных структур.
В то же время, теплостойкость лучших штамповых сталей 4Х5МФС и 3Х2В8Ф не превышает 6000С. Легирование кобальтом (8%) увеличивает эту характеристику до 7500С, что существенно повышает ресурс инструмента, но теплостойкость ниже реальных температур на гравюре. Теплостойкость наиболее износостойких наплавочных сплавов с карбидным (90Х4М4ВФ) и интерметаллидным упрочнением (10К18В11М10Х3СФ) равна 6600С и 8000С, соответственно.
Актуальность и важность проблемы повышения стойкости штампов возрастают по мере освоения высокопроизводительных процессов штамповки жаропрочных сталей. Один из эффективных путей повышения стойкости кузнечно-штамповой оснастки - развиваемая нами технология изготовительной наплавки дисперсионнотвердеющими легированными кремнием сплавами.
абораторные и стендовые испытания (по разработанной нами методике) лучших отечественных и зарубежных электродов для наплавки кузнечно-штамповой оснастки показали, что кроме недостаточной теплостойкости наплавленного металла, не превышающий 8000С, им присущ по крайней мере один из существенных недостатков: низкая износостойкость при экстремальных нагрузках (на РКМ и линиях МГР), высокий уровень легирования дефицитными и дорогими элементами (кобальтом, вольфрамом), сложность (часто неразрешимая) применения при изготовлении биме-
х)Лужанский И.Б. Плазменная наплавка уплотнительных поверхностей энергетической арматуры с разработкой присадочных проволочных материалов. Дисс.степени к.т.н., ЦНИИТМАШ, 1975
таллической оснастки из-за несовместимости режимов термообработки основного и наплавленного металла; низкая технологичность при наплавке и механической обработке; низкая технологичность при серийном изготовлении электродов из-за высокого коэффициента массы покрытия.
Экспериментально установленный нами при разработке сплавов для наплавки уплотнительных поверхностей энергетической арматуры уровень легирования кремнием, хромом и молибденом уточнили сообразно с новыми, более жесткими, условиями трения. Основные легирующие элементы варьировали в диапазоне (вес.%): 0,08-0,35 С; 26,0-35,0 Cr; 0,3-3,0 Si; 0,5-5,0 Мо. Кроме того, исследовали серии сплавов, дополнительно легированные (вес.%): 0,9-1,8 V; 0,3-2,1 Nb; 0,03-0,18 N; 0,3-1,7 Cu.
Теплостойкость разработанного сплава 09Х32Н9М3С2 (электроды ОЗШ-6) достигает 10800С, жаропрочность и более чем в 2,0-4,0 раза превышает аналогичные характеристики сплава 90Х4М4ВФ (82 МПа) и стали 4Х5МФС (38 МПа), стойкость при ковке, резке, вальцовке и раскатке (автоматические линии Хатэбур и МГР) в 2,0-3,0 раза выше, чем у стали 3Х2В8.
Установлено качественное повышение горячей твердости при содержании кремния в сталях 09Х32Н9 и 09Х32Н9М3 около 1,1% (рисунок 1) - важной составляющей износостойкости. Кремний также способствует отсутствию микросхватывания на контактирующих поверхностях, что можно интерпретировать как его влияние на обе составляющие износостойкости: антифрикционные свойства пленки вторичных структур и металлофизические характеристики подповерхностного слоя поверхности трения, предотвращающие физический контакт трущихся поверхностей, - молекулярную и механическую.
а б
Рисунок 1 Влияние кремния на горячую твердость сталей типа 09Х32Н9 - (а) и 09Х32Н9М3 - (б)
Электроды ОЗШ-6 обеспечили в 1982-1983 г.г. на 35 заводах важнейших отраслей промышленности свыше 1,5 млн. руб. учтенного экономического эффекта при внедрении изготовительной наплавки оснастки автоматических кузнечных комплексов благодаря высокой технологичности при обработке резанием (без отжига наплавленных деталей), хорошей свариваемости и возможности термообработки по режимам, рекомендуемым для инструментальных и штамповых сталей (упрочнение в диапазоне температур 580-10500С от НRСЭ 28-32 до 52-58), отсутствию в наплавленном металле дефицитных и дорогих легирующих элементов и, как следствие, 5-ти кратному снижению стоимости электродов, по сравнению с лучшими функциональными аналогами-электродами ОЗИ-5 (10К18В11М10Х3СФ), 85.58ESAB (35В8К2Х2Б), W8Duranit (30В9Х3К2Ф).
Протяженность диффузионной зоны между первым слоем наплавки и сталью 5ХНМ - 0,04-0,05 мм, причем зона резко выраженного перераспределения легирующих элементов составляет 0,02-0,03 мм. Третий наплавленный слой по химическому составу отвечает стали 09Х32Н9М3С2. Отпуск при 700оС обеспечивает наиболее стабильное и равномерное распределение твердостей по зонам наплавленного соединения и высокие значения твердости поверхностных слоев.
Сообразно с этими результатами, определена технология наплавки: наплавка в три слоя ( = 7-9 мм) без перегрева наплавленного металла свыше 650оС. Выбор температуры отпуска определяется условиями нагружения наплавленной детали: для высоких контактных нагрузок при отсутствии сильных ударов рекомендуется 650-750оС.
Повышение сопротивляемости стали 09Х32Н9М3С2 образованию трещин при многослойной наплавке достигли легированием ванадием (0,30-0,50%), карбиды которого благоприятно изменяют морфологию -фазы, и уменьшением температурно-временного интервала -упрочнения за счет оптимизации состава стали - электроды ОЗШ-8 и разработанный керамический легирующий флюс + Св07Х25Н13 (технология автоматической наплавки апробирована на Белорусском и Енакиевском метзаводах).
Экспериментально установлена и подтверждена практикой возможность упрочнения оснастки металлургического оборудования и автоматических штамповых комплексов, наплавленной электродами ОЗШ-6 и ОЗШ-8, непосредственно в контакте с первыми штампуемыми деталями (рисунок 2), что впервые в мировой практике сокращает технологию с семи до двух операций: наплавка (без подогрева и термообработки) и механическая обработка (без отжига).
Расстояние от поверхности трения, мм:
3 6 9
Микротвердость, Н
772-835 383-394 302-327
Рисунок 2. Влияние степени термодеформационного нагружения на упрочнение наплавленного металла (нетермообработанная сталь 09Х32Н9М3С2) матрицы трубного пресса 3150 т.с. 500
В четвертой главе приведены исследования и методика разработки дисперсионноупрочняемой стали 09Х30Н10С2М1 (ОЗН-8) для изготовительной наплавки уплотнительных поверхностей газопромысловой арматуры. В качестве базового приняли сталь 09Х32Н9М3С2 (ОЗШ-6), исходили из следующих предпосылок: высокой технологичности при изготовительной наплавке; коррозионной стойкости в среде природного газа и продуктов его переработки; удовлетворительной износостойкости при углах атаки 15 и 900 (интенсивность изнашивания 0,25 и 0,6510-3 г/кг), после отпуска при температуре 5800С, 4 ч. Далее выяснили возможность повышения износостойкости стали ОЗШ-6 путем ее легирования аустенитообразующими и карбидообразующими элементами, с целью оптимизации свойств матрицы и упрочняющей фазы в новых условиях изнашивания.
Действительно, легирование 0,8-2,5% ниобием изменяет морфологию и количество -фазы при старении, но это не сказывается на износостойкости.
Ванадий (0,9-1,9%) измельчает структуру и несколько повышает износостойкость (за счет высокотемпературных карбидов ванадия), по сравнению со сплавами, легированными ниобием.
Аустенитообразующие (марганец, азот и никель) изменяют кинетику - и мартенситного упрочнений, но износостойкость повышается незначительно, даже при = 900, когда определяющую роль играет пластичность матрицы.
Резюме: дополнительное легирование стали 09Х32Н9М3С2, изменяя характер и соотношение структурных и фазовых составляющих, практически не сказывается на износостойкости как при скользящих, так и прямых углах атаки.
Как показал наш опыт разработки -стареющих сталей для экстремальных условий изнашивания, последний резерв может быть только в оптимизации состава Cr-Ni-Si-Mo-стали на основе детального изучения механизма ее изнашивания. Хром варьировали в диапазоне 24,1-33,2%, кремний - 0,2-6,3% и молибден - 0,1-6,2%.
Наиболее высокая (суммарная при = 15 и 90о) износостойкость у стали, содержащей около 1,7% кремния и упрочненной при температуре 5800С (рисунок 3).
а б
Рисунок 3. Влияние кремния на газоабразивную стойкость Fe-Cr-Ni-Si-сталей: = 150 - (а) и = 900 - (б)
Высоколегированные кремнием стали (от 3,4 до 6,3%) имеют достаточно низкую износостойкость (особенно, при = 900) в силу излишнего упрочнения матрицы и, как следствие, низкой ее способности демпфировать напряжения трения.
Для серии сталей Cr (30,01-33,21)-Ni (8,0-9,0)-Si (0,93-3,01)-Mo (0,24-6,23) равной твердости в исходном состоянии (32-34 НRСЭ) характерно резкое повышение износостойкости ( и 10-3 г/кг) при Si ~ 1,2-1,5%. Эти критические значения содержания кремния близки к интервалу ~ 1,1% кремния на кривых содержание кремния - свойства для стали 09Х32Н9М3С2 и стали 17Г4С2, что указывает на близкий характер влияния и важную роль в обеспечении износостойкости твердорастворного и зернограничного упрочнений кремнием и -растворов, при различных видах изнашивания.
Плотность дислокаций, по данным электронномикроскопического исследования фольг, повышается до 1010-1011 см-2 за счет интенсификации при трении процессов сигма- и мартенситного упрочнений. Исчерпание возможностей скольжения дислокаций из-за высокой дисперсности фазы, приводит к фрагментации тонкой структуры и образованию двойников (рисунок 4), эти процессы активны, благодаря снижению барьера Пайерлса, и релаксируют напряжения трения, повышая износостойкость сплава.
а б в
22000
Рисунок 4. Тонкая структура поверхности трения стали 09Х30Н10С2М1: а - деформационное упрочнение; б - двойникование; в - кристаллы мартенсита деформации
Рентгенографический анализ идентифицировал большее, чем у других сталей, упрочнение подповерхностного слоя поверхности трения при 1,73% Si как результат деформационного упрочнения при наклепе и полиморфного фазового превращения с образованием мартенсита деформации. Уменьшение кремнием количества мартенсита деформации: увеличение кремния от 0,20% до 1,73% снижает его количество от 24 до 14%, - позволяет сохранить релаксационную способность сплава при изнашивании.
При 1,73% Si наблюдали уменьшение развитости микрорельефа поверхности трения и доли хрупкого износа. При угле атаки 900 сталь ОЗН-8 изнашивается по схеме: образование выступа, слабо связанного с основой, выступ удаляется после многократного нагружения и образуется новый отвал. Стали ОЗН-8 присуще весьма редкое качество: высокая износостойкость в широком диапазоне углов атаки(15-90о), - определяемая химическим составом (в первую очередь, содержанием Si) и температурой старения. Выбранная экспериментально температура старения (5800С) фиксирует образование второй фазы на стадии предвыделения, когда ее решетка когерентна решетке матрицы и возникающие напряжения минимальны и, как следствие, мала вероятность образования микрополостей в подповерхностном слое. Кремний упрочняет этот слой, диффундируя к границе металл Ч окисная пленка.
Разработанные сталь 09Х30Н10С2М1, электроды ОЗН-8 и технология изготовления наплавки уплотнительных поверхностей газопромысловой арматуры внедрены в ОАО Шатлыкгаздобыча и на Белозерском ГПЗ, что повысило ресурс задвижек в 1,8-2,2 раза, по сравнению с наиболее износостойкими электродами ВСН-6 (120Х14В14Ф2).
Пятая глава описывает исследование и разработку гаммы легированных кремнием износостойких сплавов для изготовительной наплавки рабочих органов строительнодорожных и горнодобывающих машин, эксплуатируемых в условиях абразивного и ударноабразивного изнашивания различной интенсивности (таблица 1).
5.1. Электроды, обеспечивающие износостойкий наплавленный металл средней твердости (НВ 250-450), находят широкое применение в различных отраслях техники. Недостаток электродов этого класса (ОЗН-350 и ОЗН-400, FoxDur200 и FoxDur350,90680-S, HF-240 и HF-330) - нестабильность служебных характеристик наплавленного металла, которая обусловлена системой его легирования (это Fe-C-Mn, Fe-C-Mn-Cr и Fe-C-Mn-TiЦстали) и, как следствие, структурой (троостит или троостосорбит), весьма чувствительной к скорости охлаждения наплавленной детали. Исследовали возможность создания экономнолегированных электродов средней твердости, обеспечивающих стабильность твердости наплавленного металла (главная приемо-сдаточная характеристика электродов), путем легирования Fe-C-Mn-стали кремнием. Полагали, что взамен превращения будет реализовано твердорастворное упрочнение кремнием.
Действительно, легирование Fe-C-Mn-стали кремнием приводит к повышению стабильности твердости и уменьшению влияния на нее скорости охлаждения наплавленного металла. Стабилизацию значений твердости наблюдали при Si = 0,9-1,1% (рисунок 5), при этом содержание марганца не должно превышать 4,4-5,0% . Увеличение содержания кремния свыше 2,5% приводит к дальнейшему росту твердости и снижению пластичности. При Si > 3,5% появляется крупноячеистая структура, а при Si > 4,5% наблюдали развитые ликвационные прослойки. Рациональная область легирования рассматриваемой системы лежит в пределах Si = 1,1-2,5% и Mn = 2,5-4,0%.
Зависимость кремний-размер блоков-микродеформации носит бимодальный характер: наименьшие блоки и микродеформации кристаллической решетки при Si = 0,94 и 3,84%, - что коррелирует с резким повышением износостойкости в этих точках и подтверждает принятую концепцию усталостного характера изнашивания и прогнозируемое твердорастворное упрочнение кремнием.
Новые электроды средней твердости ОЗН-300М и ОЗН-400М (тип наплавленного металла 15Г3С1 и 17Г4С2) отличаются рядом существенных преимуществ по сравнению с лучшими функциональными аналогами: стабильно высокой износостойкостью и требуемой твердостью уже во втором слое наплавки, хорошей свариваемостью с конструкционными и инструментальными сталями. Опыт широкого промышленного применения при наплавке оборудования в металлургии и машиностроении, деталей строительнодорожной и горнодобывающей техники показал высокую технико-экономическую эффективность и конъюнктурную стабильность: электроды свыше 25 лет выпускают ведущие электродные заводы.
Рисунок 5. Влияние кремния на стабильность твердости (А-В) и износостойкость стали (Х-4-Б) 15Г3С1: А - наплавка с охлаждением в воде; В - наплавка на жестком токовом режиме и без послойного охлаждения
- . Экономнолегированные электроды ОЗН-6 (50С4Х4Г3ЮР) для условий абразивного изнашивания (категория прочности грунтов 3-4 класса) с интенсивными ударами. В развитие исследований стали 17Г4С2 (ОЗН-400М), изучили возможность разработки материала, сочетающего твердорастворное и зернограничное упрочнение кремнием с карбидным и карбоборидным, для условий абразивного изнашивания с интенсивными ударами. Сплав должен восполнить отсутствие в технике экономнолегированного материала, сочетающего высокую абразивную износостойкость, сопротивляемость интенсивным ударам и технологичность при многослойной изготовительной наплавке.
Углерод повышает износостойкость до значений Х4-Б > 2,50, начиная с 0,45%, при С > 0,7% - износостойкость уменьшается до Х4-Б = 2,0, что можно объяснить увеличением содержания карбидов хрома, снижающих релаксационную способность сплава. Легирование хромом (3,5-4,5%) при 0,50-0,55% С повышает Х4-Б до 2,8. Увеличение Х4-Б от 1,9 до 2,9 обеспечивает кремний (в диапазоне 3,20%) при боре 0,6-0,9%, при этом повышается и сопротивляемость сплава ударостойкости (до 280 ударов при испытании на копре) - свидетельство перехода к твердорастворному упрочнению.
При испытании серии сталей с переменным Si = 0,91-4,18% и равной твердостью 60-62 НRСэ (за счет варьирования Сr = 3,52-4,51) наблюдали резкий скачок повышения износостойкости при Si = 3,15% от 1,9 до 2,5 Х4-Б и нк от 1,6 до 2,4 при сохранении ударостойкости (более 220 ударов), что подтверждает определяющую роль кремния в процессе абразивного изнашивания: повышая ресурс бездефектного пластического передеформирования подповерхностного слоя при трении и измельчая структуру сплава (рисунок 6), в том числе при трении.
Анализ результатов метало-, рентгено-, микрорентгенографического анализов и рекордных значений теплостойкости (11000С) указывает на то, что упрочнение и высокая износостойкость обусловлены, в основном, твердорастворным и зернограничным упрочнением кремнием.
Электрод ОЗН-6 и самозащитная порошковая проволока ОЗН-6-ПП (сталь 50С4Х4Г3ЮР), по результатам промышленного внедрения, обеспечивают бездефектную многослойную наплавку (до 8 слоев) и повышение ресурса в 1,2-1,6 раза, по сравнению с лучшими функциональными аналогами: 320Х23С2ГТР, 110Х14В13Ф2, 70С4Х2 (ESAB, Швеция), 100С4Х4Г2 (Чехия), Lincore 15CrMn (США). Высокая сопротивляемость стали трещинам при многослойной наплавке увеличивает по меньшей мере вдвое этот ресурс.
а)
б)
Содержание кремния, вес.%
0,91 2,44 3,15
Износостойкость
1,9 1,9 2,5 Х4-Б
1,6 1,7 2,4 НК
Рисунок 6. Влияние кремния на микроструктуру серии сталей типа 50С4Х4Г3ЮР (ОЗН-6) равной твердости 60-62 НRСэ за счет варьирования хрома, б - поверхность трения после испытаний на абразивное изнашивание 500
5.3. Электроды ОЗН-7 (80Х6Г6С3РАФ) для условий абразивного износа с интенсивными ударами (категория прочности грунтов 4-5 класс, энергия одиночного удара - до 2,5105 Дж/м2, температура эксплуатации - до -600С, высокая технологичность при наплавке на сталь 110Г13Л). В основу разработки положена идея оценить перспективность комплексного упрочнения по классической схеме: аустенитно-мартенситная матрица + карбобориды и карбонитриды, - и предмета настоящего исследования - твердорастворного и зернограничного упрочнения кремнием. Решили следующие задачи: исследовали влияние легирования сталей типа 50С4Х4Г3ЮР (ОЗН-6) ванадием и азотом на служебные и технологические характеристики (в первую очередь, сопротивляемость трещинам при многослойной наплавке и свариваемость со сталью 110Г13Л); изучили механизмы упрочнения и изнашивания сталей типа 80Х6Г6С3РАФ; на основе стали разработали электроды ОЗН-7 и технологию изготовительной наплавки деталей строительнодорожной и горнодобывающей техники.
Микроструктура во вторичных электронах и распределение легирующих элементов в микрообъемах подтверждают данные микрорентгеноспектрального анализа: кремний легирует матрицу, повышая износостойкость. При легировании сталей типа 50Х6Г6Р и 80Х6Г6Р ~ 2,5% кремния наблюдали резкое повышение износостойкости, что коррелирует с характером зависимостей свойство = f (Si) ранее нами изученных износостойких сплавов.
Карбиды и карбонитриды ванадия усиливает эффект кремния: износостойкость сталей типа 80Х6Г6РА при увеличении ванадия до 0,9% достигает Х4-Б = 3,61 при ударостойкости 230 при +200С и 176 при -500С. Зона сплавления со сталью 110Г13Л аустенитная, с плавным переходом невысоких значений Н.
Для оптимизации стали применили метод Бокса-Уилсона, в качестве параметра оптимизации приняли абразивно-ударную износостойкость при испытании на машине Ротор. Уравнение регрессии: у = 3,08 + 0,33Х1 + 0,31Х2 + 0,26Х3 + 0,12Х4 + 0,16Х5 + 0,10Х6, - описывает поверхность отклика, а величины коэффициентов при переменных оценивают их влияние на износостойкость. По значимости элементы располагаются в ряд: углерод, кремний (0,31), хром, бор, ванадий и азот, что хорошо коррелирует с выводами о важной роли кремния в процессе изнашивания.
Испытания на ударноабразивную износостойкость (машина Ротор) выходной серии сталей типа 80Х6Г6С3РАФ с переменным содержанием кремния (0,55-3,97%) показали, что: при кремнии около 3,0% обеспечиваются минимальные микродеформации решетки (Емакс = 0,03 10-2) и стабильность аустенита при ударах Ее.у. до 2,5 Дж/м2 105. Поэтому, при изнашивании большая часть напряжений трения демпфируется искажением решетки аустенита еще до начала превращения (рост микродеформаций до 0,3210-2), при этом возрастают максимальные и вызванные перераспределением хаотических дислокаций микродеформации, появляются микродеформации, вызванные распределением упорядоченных дислокаций. В то время как, энергетического потенциала сплава, содержащего 2,01 кремния, хватает до Ее.у. < 2,5 105 Дж/м2, когда появляется -фаза и падает до 1,33. При 3,97% кремния износостойкость при увеличении энергии удара также снижается. Легирование бором (0,9-1,1%) повышает сплава 80Х6Г6С4АФ от 2,90 до 3,83, что выше уровня высокоизносостойких сплавов ЦН-16 (175Б8Х6СТ) и ПП-АН170 (80Х20РЗТ) и подтверждает эффективность карбоборидного упрочнения на фоне твердорастворного.
Далее изучили кинетику зарождения и развития трещин при изгибе биметаллических образцов: сталь 110Г13Л + наплавленная износостойкая сталь, - на машине Ала-Тоо. Высокую работу разрушения (8,1 Нм) показала сталь 80Х6Г6С3РАФ: трещины избирательно, по границам зерен, продвигаются к линии сплавления, по достижении которой наблюдали пластическую деформацию и торможение разрушения. Нарушение экспериментально установленного диапазона Si = 2,5-3,2% приводит к транскристаллитному разрушению и снижению А до 4,0 Нм. При Si = 0,51% трещина распространяется в сталь без заметной пластической деформации. В отличие от типа разрушения ОЗН-7, образцы 110Г13Л + ЦН-16 накапливают энергию и биметалл разрушается как монолит при А ~ 8 Нм. Сравнивая характер этих разрушений, с позиций теории надежности, следует отдать предпочтение первому типу.
Разработанная методика исследования механизмов упрочнения и изнашивания хорошо коррелирует с результатами промышленных испытаний и позволит реализовать установленные принципы легирования кремнием при разработке сплавов для других параметров трения.
егирование сплава 50С4Х3Г2Р (ОЗН-6) ванадием (0,4-0,7%) и азотом (0,1-0,2%) повышает пластичность зоны сплавления сплава типа 80Х6Г6С3РАФ со сталью 110Г13Л, при увеличении углерода до 1,1% повышается количество эвтектики и свойства наплавленного соединения ухудшаются.
Внедрение технологии изготовительной наплавки электродами ОЗН-7 долотьев буровых станков повысило их ресурс в 2,5-3,0 раза, по сравнению со сталями 320Х23С2ГТР (электроды Т-620) и 110Х14В13Ф2 (электроды ВСН-6).
5.4. Исследования и разработка сплавов для других основных видов абразивного изнашивания: интенсивный абразивный износ (категория прочности грунтов 5 класса) - сплав 140Х15Н3Г3С2РА (электроды ОЗН/ВСН-9); гидроабразивный износ (детали земснарядов) - сталь 50Х8Н2С2Ф2 (электроды ОЗН/ВСН-10); трение металл по металлу и умеренный абразивный износ (разработана технология ремонта судовых двигателей) - сплав 40Х11С3М (электроды ОЗШ-7); импульсно-ударное нагружение (броневая защита специальной техники) - сталь 30ХН2МФА (электроды ЗИО-11). Все сплавы обеспечили повышение износостойкости минимум на 20-30%, по сравнению с лучшими функциональными аналогами, а их новизна подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения. Для всех новых сплавов разработана технология изготовительной наплавки, широко применяемая в различных отраслях техники..
Глава VI. Износостойкая сталь ОЗИ-6 (110Х5М8Ф2В2С2Ю) для изготовительной наплавки многолезвийного металлорежущего инструмента. Эксплуатация автоматических линий обработки резанием часто ставит задачи оперативного изготовления нестандартного многолезвийного инструмента. Анализ ситуации показал, что наиболее эффективное ее технико-экономическое решение - разработка технологии изготовления наплавкой биметаллического инструмента и повышение жаростойкости и красностойкости наплавленного хромомолибденованадиевого металла.
Эффект повышения жаростойкости и красностойкости при сохранении требуемого уровня технологических и служебных характеристик достигли комплексным легированием хромомолибденованадиевой стали Si(1,1-1,8%) и Al(0,1-0,25%). Характерна корреляция критической концентрации кремния с зависимостями кремний-свойства для сплава 09Х32Н9М3С2 (ОЗШ-6) и стали 17Г4С2 (ОЗН-400М), что подтверждает закономерность механизма упрочнения кремнием.
Эффект вторичного твердения при закалке с 12500С практически не выражен. Лучшие результаты 64-66НRСэ обеспечивают охлаждение в масле с 1180оС и отпуск при 5600С, при сохранении высокой красностойкости: = 51НRCэ, твердость фазы = 772 Н, матрицы = 642 Н.
Впервые решена научно-техническая задача повышения жаростойкости, красностойкости и износостойкости молибденованадиевых быстрорежущих сталей до уровня стали Р18 за счет твердорастворного упрочнения кремнием (радиус атома 1,176) и молибденом (радиус атома 1,362) -раствора (радиус атома 1,241) - увеличения барьера Пайерлса и высокой активности кремния в обеспечении жаростойкости окисной пленки при отжиге и резании.
Внедрение изготовительной наплавки многолезвийного металлорежущего инструмента электродами ОЗИ-6 на семи машиностроительных предприятиях увеличило ресурс биметаллических протяжек и фрез в 1,3-1,4 раза, по сравнению со сталями Р6М5 и 10К18В11М10Х3СФ (наплавленный металл электродов ОЗИ-5).
Глава VII описывает разработку самофлюсующих Fe-Cu-Si-B и Fe-Ni-Si-B-сплавов для сварки ответственных конструкций из серого и высокопрочного чугуна. Решены следующие задачи: разработаны электроды на основе медь-железо с повышенными сварочно-технологическими и служебными характеристиками; с целью экономии никеля разработаны электроды на основе никель-железо с пониженным содержанием никеля в сварном шве и лучшими сварочно-технологическими свойствами; при разработке электродов исследовано влияние кремния и бора на эффект самофлюсования, как способ решения этих задач.
Введение в состав покрытия электродов Fe-Cu по 10-12% лигатуры Fe-Cr-B и лигатуры Cu-Si обеспечивает самофлюсование металла шва и качественное повышение его литейных характеристик. Повышение прочности (до 390 Н/мм2), наряду с высокой пластичностью ( > 28%), получили при содержании кремния в сварном шве ~ 0,5% и бора ~ 0,24%.
Промышленная апробация на ОАО ЗИЛ и ПО КамАЗ при ремонте дефектов литья тонкостенных конструкций показала преимущества электродов ОЗЧ-6, по сравнению с лучшими функциональными аналогами: электродами ОЗЖН-1, UТР-8 и порошковой проволокой ПАНЧ-11, - хорошая свариваемость и эксплуатационная надежность сварного соединения. Благодаря этому они 25 лет серийно выпускаются ведущими электродными заводами.
Разработку экономнолегированных Fe-Ni-электродов провели по трем направлениям: исследование и разработка электродов на сварочной проволоке Св-08 с легированием шва никелем через никелевый шлам; оценка влияния кремния и бора на самофлюсующие и служебные свойства электродов на сварочной проволоке Св-08Н50; оценка возможности снижения расхода никеля на погонный метр сварного шва путем введения в электродное покрытие лигатур Fe-Al, Fe-Cr-B и Cu-Si.
Металлографические исследования самофлюсующихся сплавов показали, что при содержании никеля в сварном шве 31,0-32,0% величина зоны отбела и значения твердости соизмеримы с таковыми при Ni ~ 50%. Уменьшение зоны отбела до 0,03-0,09 мм и Н до 205-230 при Si = 0,95-1,15 и В = 0,07-0.09 хорошо коррелирует с влиянием кремния на ее протяженность у Cu-Fe-сплавов и литературными данными о критическом содержании кремния при графитообразовании в чугуне.
Разработка и апробация принципиально новой технологии сварки труб из ВЧШГ в теплоснабжении. Основной объем теплотрасс в России проложен стальными трубами с изоляцией в бетонных лотках. Срок службы таких трубопроводов - 8-12 лет, основная причина выхода из строя - питтинговая коррозия. Последнее десятилетие применяют бесканальную прокладку предварительно изолированными трубами. Однако, опыт эксплуатации показал, что при некачественном выполнении монтажных стыков пластиковой оболочки, влага, попадающая под полиэтиленовое покрытие, вызывает коррозию труб, приводящую к авариям. Полагали, что внедрение коррозионностойких труб из ВЧШГ, выпускаемых ОАО Липецкий металлургический завод Свободный Сокол, повысит надежность и срок эксплуатации теплотрасс. На первом этапе сварку вели аргоном с никелевой присадкой ПАНЧ-11, подогрев до 250-3000С и отпуск при 9600С. Сварку вели встык, в два прохода. Такая технология не получила широкого распространения из-за сложности. Для перехода от аргонодуговой сварки к более привычной для монтажников сварке покрытыми электродами, нами на металлургическом заводе Свободный Сокол разработана конструкция и освоено производство принципиально новых, с монтажным раструбно-конусным креплением труб под сварку теплотрасс. Такая конструкция труб существенно повысила технологичность монтажа трубопровода и позволяет вести сварку углового (а не стыкового) шва электродами (а не АРДС), не опасаясь прожога стенки трубы. Подогрев под сварку и отпуск теперь не нужны, за исключением сварки при отрицательных температурах и в сложно напряженном состоянии трубопровода. Технологию аттестовали в ОАО НПО ЦКТИ и получили разрешение Госгортехнадзора на сварку теплотрасс из труб ВЧШГ с применением раструбно-нахлесточного соединения. Технология апробирована при монтаже теплотрасс в ОАО Ленэнерго, ОАО Липецкэнерго и ОАО Коломенский завод, элементы технологии защищены тремя патентами.
Глава VIII. Специальные стали для изготовления металлоформ центробежного литья труб из ВЧШГ (17Х2НМФЮ) и литых корпусов задвижек для нефтепровода ВСТО (10ГНМЛ). Опыт изучения зависимостей химический состав-структура-свойства применили при создании специальных сталей.
Разработанная сталь 17Х2НМФЮ имеет повышенную жаропрочность и жаростойкость, по сравнению с функциональным аналогом сталью 20ХМ: = 570 МПа (380), жаростойкость при 5500С на базе 5000 часов 0,01 мм/год (0,04), технологична при металлургическом переделе и хорошо закаливается в воду, - что увеличивает ресурс металлоформ от 650-820 до 2180-2310 штук труб (в скобках указаны свойства стали 20ХМ).
Разработанная, совместно с ОАО Волжский трубный завод и ОАО ЧТПЗ, технология изготовления трубных заготовок металлоформ из стали 17Х2НМФЮ, спроектированная установка и технология автоматической аргонодуговой ремонтной наплавки металлоформ проволокой Св-07Х25Н13 обеспечили экономический эффект свыше 30,0 млн. руб. в год (в ценах 2004 года) и позволили отказаться от дорогих и менее стойких кованых заготовок металлоформ из стали 20ХМ. Новизна стали подтверждена патентом.
Сталь 10ГНМЛ. Основные требования к стали для трубопроводной арматуры, эксплуатируемой в условиях климатического холода: повышенная прочность (В > 480 МПа и 0,2 > 300 МПа) при КСV > 24,5 Дж/см2 и Сэкв < 0,430, - именно эти параметры приняли основными при разработке новой стали. Экспериментальные плавки для оптимизации структуры и свойств провели в 6-ти тонных электродуговых печах: 6 серий, 87 вариантов по группам легирования основных элементов. Наилучшие результаты получили путем максимального измельчения зерна (рисунок 7), микролегирования стали кальцием и церием, раскисления алюминием и ограничения С < 0,12%, - что согласуется с результатами других исследователей.
На сталь 10ГНМЛ разработаны ТУ 0870-001-05785572-2007, получен патент 2340698, она успешно выплавляется на ОАО Тяжпромарматура с 2007 года и ее качество подтверждено безаварийной эксплуатацией задвижек на нефтепроводе ВСТО. Разработана технология автоматической сварки корпусных деталей и приварки катушек. Результаты испытаний образцов, вырезанных из корпуса задвижки: предел текучести 334-394 МПа, временное сопротивление 514-530 МПа, относительное удлинение 28-31%, сужение 63-69%. Температура хрупко-вязкого перехода ТКО = -400С. Параметр мастер-кривой Т0 = -1230С (температура, соответствующая вязкости разрушения 100МПам0,5 для вероятности 50%).
а б
Рисунок 7. Микроструктура стали 20ГМЛ (а) и стали 10ГНМЛ (б), 300
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1 На основе изучения влияния кремния на механизм упрочнения и изнашивания, созданы методика разработки и гамма унифицированных легированных кремнием сталей и сплавов для изготовительной наплавки тяжелонагруженных элементов пар трения в металлургии, машиностроении, энергетике, нефтяной, газовой и горнодобывающей промышленности.
На основе изучения структурных и фазовых превращений в наплавленном соединении, разработана технология изготовительной наплавки новых сталей и сплавов, обеспечивающая высокую эксплуатационную надежность биметаллических деталей и узлов.
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 механизма его упрочнения диффундирующими атомами молибдена, для которых SiO2 - барьер для диффузии.
Эта модель легла в основу разработки дисперсионноупрочняемой стали 09Х32Н9М3С2 (ОЗШ-6), теплостойкость (10800С), жаропрочность (= 190 МПа) и износостойкость которой при наплавке супертяжелонагруженной кузнечно-штамповой оснастки горячего деформирования (бойки РКМ, ножи и раскатные валки МГР) в 1,5-2,0 раза выше лучших функциональных аналогов: сталей 4Х5МФС и 3Х2В8 и износостойких сплавов 90Х4М4ВФ и 10К18В11М10Х3СФ.
Характерная особенность изнашивания стали ОЗШ-6 - отсутствие микросхватывания поверхностей трения, подтверждающая влияние кремния на обе его составляющие: молекулярную и механическую.
3 На основе изучения влияния уровня легирования Fe-Cr-Ni-Si-Mo-сталей на кинетику -упрочнения, разработан способ повышения сопротивляемости образованию трещин при многослойной наплавке сплава ОЗШ-6 путем уменьшения температурно-временного интервала дисперсионного упрочнения и изменения морфологии -фазы высокотемпературными карбидами ванадия; и, наряду с легированием 0,1-0,3% алюминия, измельчающим структуру стали, реализован при создании стали 09Х32Н10М3С1ФЮ (ОЗШ-8).
Экспериментально установлена возможность упрочнения наплавленной оснастки автоматических ковочных комплексов непосредственно в контакте с первыми штампуемыми деталями, что впервые в мировой практике сокращает технологию с семи до двух операций: наплавка (без подогрева и отпуска) и механическая обработка (без отжига).
4 На основе исследования фрактограмм поверхности трения: микротрещины и наплывы, свидетельствующие о многократном передеформировании, - определили усталостный характер изнашивания в газоабразивном потоке сталей типа 09Х30Н10С2М1. С учетом этого, экспериментально установили содержание кремния (~1,7% при резком скачке износостойкости) и режим старения (5800С, 4ч), фиксирующие процесс -старения на стадии предвыделения, когда параметры решетки второй фазы и аустенита когерентны и релаксационная способность сплава еще велика.
Для стали 09Х30Н10С2М1 характерно редкое качество - высокая износостойкость как при = 15, так и 900, что можно объяснить двумя факторами: упрочнением поверхностного слоя диффундирующими к поверхности раздела металл-окисная пленка атомами кремния и, как следствие, замедлению образования и слияния микропустот, и уменьшением кремнием количества мартенсита деформации (при = 900 увеличение кремния от 0,20 до 3,79% уменьшает количество мартенсита от 32 до 14%) и, как результат, повышением релаксационной способности при изнашивании.
Плотность дислокаций, за счет интенсификации сигма- и мартенситного упрочнений, растет до 1010-1011 см-2. Исчерпание возможностей скольжения дислокаций из-за высокой дисперсности -фазы приводит к фрагментации тонкой структуры и двойникованию, эти процессы релаксируют напряжения трения и повышают износостойкость сплава.
5 Установлено, что при содержании Si ~ 1,1% в сталях типа 15Г3С1 и 17Г4С2 мартенситное упрочнение переходит в твердорастворное и зернограничное. Это позволило решить научно-техническую задачу обеспечения стабильности свойств наплавленного металла электродов средней твердости (250-400НВ): разработанные электроды ОЗН-300М и ОЗН-400М отличает повышенная стабильность служебных характеристик наплавленного металла, практически не зависящая от погонной энергии наплавки и скорости охлаждения детали.
Зависимость кремний-размер блоков- микродеформации носит бимодальный характер: наименьшие блоки и микродеформации кристаллической решетки при Si = 0,94 и 3,84%, - что хорошо коррелирует с повышением износостойкости в этих точках и подтверждает принятую концепцию усталостного характера изнашивания и переход к прогнозируемому твердорастворному упрочнению.
6 На примере стали 80Х6Г6С3РАФ (ОЗН-7) показана эффективность комплексного упрочнения кремнием (твердорастворного) и карбидного. Изучено влияние структурного и фазового состава на механизмы упрочнения и изнашивания легированных кремнием сталей. Аустенитная структура стабильна при изнашивании (вплоть до энергии удара 2,5105 Дж/м2), напряжения решетки минимальны (Емакс = 0,01-0,0310-2), а их рост в процессе изнашивания (до 0,63) релаксирует часть энергии трения и, как результат, 2-х кратное повышение износостойкости, по сравнению со сталью 110Г13Л.
При метастабильности аустенита, - превращение активно уже при небольшой энергии удара, сталь 80Х6Г6Р1АФ исчерпывает запас внутренней энергии и истирается.
Эти результаты коррелируют с характером зависимости кремний-размер блоков-величина микродеформаций-износостойкость для Fe-C-Mn-Si-сплавов типа 15Г3С1 и 17Г4С2 и подтверждают общность процессов твердорастворного и зернограничного упрочнений кремнием для сплавов разного структурного и фазового состава.
7 Решена научно-техническая задача повышения жаростойкости, красностойкости и износостойкости при резании металла низколегированных вольфрамом молибденванадиевых сталей до уровня стали Р18. Этот эффект наиболее ярко выражен при ~ 1,1% кремния и объясняется термической стабильностью твердорастворного упрочнения и высокой активностью ионов кремния в формировании жаростойкой окисной пленки при отжиге и резании. На основе стали 110Х5М8Ф2В2С2Ю (ОЗИ-6) разработана технология изготовительной наплавки многолезвийного инструмента автоматических линий, ресурс которого в 1,4-2,5 раза превышает сталь Р18.
8 Установлено, что легирование кремнием (0,5-0,8%) и бором (0.2-0,5%) уменьшает протяженность зоны отбела при сварке разработанными железомедными (ОЗЧ-6) и железоникелевыми электродами (ОЗЧ-7) за счет достижения самофлюсующих свойств сплавов.
Более того, достигнутое свойство самофлюсования позволяет существенно уменьшить содержание никеля от 50-55% (принятый уровень) до 31-32% без снижения уровня служебных характеристик сварного соединения, что наряду с разработанной технологией легирования никелем через шлам, существенно повышает технико-экономические показатели разработанных электродов ОЗЧ-7.
9 На основе принципиально новых конструкции соединения (раструбно-конусного) труб, технологии монтажа и сварочной проволоки впервые в мировой практике разработана и аттестована технология сварки электродами теплотрасс из труб ВЧШГ. Элементы технологии защищены тремя патентами, а теплотрассы проложены в С.-Петербурге, Липецке, Коломне, Ростове и успешно эксплуатируются в течение 5-7 лет.
10 Опыт изучения зависимостей химический состав-структура-свойства применили при разработке специальных сталей:
- впервые разработаны сталь (17ХН2МФЮ) и технология производства (на ОАО ВТЗ и ЧТПЗ) трубных заготовок металлоформ для центробежного литья труб из ВЧШГ, повышающие ресурс кокилей до 2,5-крат, по сравнению с обычно применяемыми в мировой практике коваными заготовками из стали 20ХМ;
- по заданию ОАО Транснефть для проекта нефтепровод Восточная Сибирь - Тихий океан разработаны хладостойкая повышенной прочности свариваемая сталь для литых корпусов задвижек DN150-1200 мм, РN 8,0- 12,5 МПа, отвечающая требованиям API Standard 600, технология автоматической приварки днищ и катушек. Высокие значения прочностных свойств и свариваемости достигли, в основном, существенным измельчением зерна, по сравнению со сталью 20ГМЛ, что отвечает современным тенденциям в разработке конструкционных сталей.
11 Экспериментально установлены концентрации кремния, обеспечивающие высокую износостойкость сталей и сплавов 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 обеспечении износостойкости.
Научную и практическую значимость разработанных в диссертационной работе износостойких сплавов и системы их унификации подтверждают 30-летний опыт серийного изготовления (ведущими электродными заводами) и применения в различных отраслях техники семнадцати созданных сплавов (электродов) для изготовительной наплавки тяжелонагруженных пар трения основных видов изнашивания: трение металл по металлу при высоких температурах и удельных давлениях, абразивный и газоабразивный износ различной интенсивности, коррозионно-механический износ, импульсно-ударное нагружение.
Разработанная технология изготовительной наплавки новых сплавов обеспечивает высокую эксплуатационную надежность биметаллических деталей и узлов. Апробирована технология нанесения новых сплавов методами пайки, индукционной наплавки и прокатки.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Лужанский И.Б., Медриш И.Н. Плазменная наплавка стеллита на уплотнительные поверхности энергетической арматуры. //Сварочное производство, 1971, 10.
2. Лужанский И.Б., Рунов А.Е., Гельман А.С. Плазменная наплавка с токоведущей проволочной присадкой уплотнительных поверхностей энергетической арматуры. // Сб. научных докладов Всесоюзного технического совещания: Прогрессивные методы сварки и наплавки в черной металлургии и машиностроении. Жданов, 1972.
3. Лужанский И.Б., Рунов А.Е. Материалы для наплавки уплотнительных поверхностей энергетической арматуры. Материалы научной конференции: Износостойкая наплавка в энергомашиностроении, Киев, ИЭС, 1972.
4. Лужанский И.Б., Рунов А.Е., Гельман А.С. Новые сплавы системы Fe-Cr-Ni-Si-Mo для наплавки уплотнительных поверхностей энергетической арматуры. // НИИНФОРМТЯЖМАШ, 14-73-8, с. 12-15.
5. Лужанский И.Б. Исследование и разработка технологии автоматической плазменной наплавки с токоведущей проволочной присадкой уплотнительных поверхностей энергетической арматуры. // Труды ЦНИИТМАШ, 1974, 120.
6. Камакин Н.И., Лужанский И.Б. Выбор сварочных материалов и способа механизированной наплавки никелевых сплавов на углеродистую сталь. //Сварочное производство, 1974, 2.
7. Ким Э., Шенк Р.И., Могильнер М.Н., Ермоленко Е.В., Лужанский И.Б., Рунов А.Е., Яровинский Х.Л. Коррозионная стойкость наплавленных уплотнительных поверхностей арматуры. // Сварочное производство, 1974, 4, с. 38-40.
8. Лужанский И.Б. Плазменная наплавка уплотнительных поверхностей энергетической арматуры. // Энергомашиностроение, 1979, 7, с. 28-31.
9. Лужанский И.Б., Яровинский Х.Л. Исследование и разработка экономнолегированных электродов для наплавки режущего инструмента. // Материалы научной конференции: Применение пайки, сварки и склеивания при изготовлении режущего инструмента. М., 1981, с. 123-125.
10. Лужанский И.Б., Яровинский Х.Л. Новые эффективные наплавочные электроды МОСЗ. //Материалы научно-практической конференции: Повышение качества и эффективности сварочного производства. М., МДНТП, 1982.
11. Лужанский И.Б. Разработка наплавочных сплавов для различных условий износа на основе их легирования кремнием. // Материалы научно-практической конференции: Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях г.Москвы. М., МДНТП, 1984.
12. Лужанский И.Б. Исследование свойств металла, наплавленного электродами ОЗИ-6. // Материалы научного семинара: Новые процессы наплавки, Киев, ИЭС, 1984, с. 58-63.
13. Лужанский И.Б. Прогрессивные способы наплавки. М, Машиностроение, 1984, 55 с.
14. Лужанский И.Б. Легирование кремнием при разработке сплавов для различных условий износа. // Сварочное производство, 1985, 2, с.6-9.
15. Червяков И.Б., Лужанский И.Б., Джербетян А.К. Сплав для износостойкой наплавки деталей газопромыслового оборудования. //Материалы научно-технической конференции: Ресурсосберегающие технологии, Кишинев, 1985, с. 113-114.
16. Гринберг Н.А., Драгилев Б.Л., Лужанский И.Б. Наплавочный материал для упрочнения высокомарганцовистой стали 110Г13Л. // Материалы семинара: Наплавка износостойких и жаростойких сталей и сплавов. ИЭС им. Е.О.Патона, Киев, 1985, с. 35-39.
17. Гринберг Н.А., Куркумели Э.Г., Лужанский И.Б. Износостойкость различных наплавочных сплавов, эксплуатируемых в условиях абразивного изнашивания в воде. // Сварочное производство, 1990, 4, с. 19-21.
18. Яровинский Х.Л., Лужанский И.Б., Сидлин З.А. Современные наплавочные электроды. М., Машиностроение, 1987, 32 с.
19. 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., Густов Ю.И. Обеспечение износостойкости изделий, изнашиваемых в условиях низких температур, методами наплавки. Методические рекомендации МР № 244-87, М., ВНИИНМАШ ГОССТАНДАРТА СССР, 1987, 28 с.
20. Драгилев Б.Л., Гринберг Н.А., Лужанский И.Б., Куркумели Э.Г., Волкова Т.Н. Наплавочный сплав для упрочнения деталей из стали 110Г13Л и механизм его изнашивания. // Сварочное производство, 1987, 11, с. 29-31.
21. Карих Е.В., Добрынин В.П., Лужанский И.Б. Совершенствование технологии наплавки металлорежущего инструмента. //Сварочное производство, 1988, с. 16-17.
22. Лужанский И.Б., Яровинский Х.Л. Совершенствование электродов ОЗШ-6 для наплавки тяжелонагруженной оснастки горячего деформирования. // Сварочное производство, 1988, 6, с. 19-20.
23. Лужанский И.Б., Бабанов А.А., Носов В.А. Опыт прокладки и эксплуатации коррозионностойких трубопроводов теплоснабжения из высокопрочного чугуна. //Материалы научно-практической конференции Перспективные энергосберегающие технологии, Кемерово, 2005, с. 36-39.
24. Лужанский И.Б., Бабанов А.А., Носов В.А. Энергосберегающие технологии, основанные на применении труб из высокопрочного чугуна в теплоснабжении. // Черная металлургия, 2005, выпуск 9 (1269), с. 52-54.
25. Лужанский И.Б., Бабанов А.А., Носов В.А. Новая технология сварки и свойства сварных соединений труб из ВЧШГ. // Материалы симпозиума Ресурсосберегающие технологии в металлургии и машиностроении, С.-Петербург, ЛДНТП, 2006.
26. Лужанский И.Б. Высокоэффективные легированные кремнием износостойкие стали для изготовительной наплавки деталей строительно-дорожной и горнодобывающей техники. // Технология металлов, 2011, 5, с. 19-22.
27. Лужанский И.Б. Износостойкая дисперсионноупрочняемая сталь для изготовительной наплавки газопромысловой арматуры. // Производство проката, 2011, 5, с. 35-40.
28. Лужанский И.Б. Быстрорежущая сталь для наплавки многолезвийного металлорежущего инструмента. // Технология машиностроения, 2011, 6, с. 5-9.
29. Лужанский И.Б. Теплостойкие стали для наплавки формообразующих деталей металлургического оборудования. // Производство проката, 2011, 6, с. 38-40.
30. Лужанский И.Б. Высокоэффективные износостойкие стали, легированные кремнием. // Металловедение и термическая обработка металлов, 2011, 6, с. 3-8.
31. Лужанский И.Б. Исследование и разработка высокоэффективной дисперсионноупрочняемой стали 09Х30Н10С2М1 для условий газоабразивного изнашивания. // Трение и смазка в машинах и механизмах, 2011, 6, с. 30-35.
32. Лужанский И.Б. Износостойкие наплавочные стали 09Х32Н9М3С2 и 09Х32Н10М3С1ФЮ, теплостойкость которых достигает 1080оС. // Сталь, 2011, 7.
Авторские свидетельства и патенты на изобретения:
33. Электродное покрытие, авт. св. № 431977, пр. 8.06.72. // Рунов А.Е. и Лужанский И.Б.
34. Сварочный материал, авт. св. № 441126, пр. 9.06.72. // Рунов А.Е., Лужанский И.Б., Лобода А.С.
35. Сплав на основе железа, авт. св. № 498353, пр. 9.06.72. // Рунов А.Е., Лужанский И.Б., Вернигора Д.А. и др.
36. Сплав для броневой защиты, авт. св. № 120289. // Лужанский И.Б., Быков Д.Н., Мельник В.Н. и др.
37. Сварочный флюс, авт. св. № 613871, пр. 7.12.76. // Потапов Н.Н., Лазарев Б.И., Вивсик С.Н., Лужанский И.Б.
38. Плавленый флюс, авт. св. № 733933, пр. 12.04.77. //Лужанский И.Б., Потапов Н.Н., Харин В.П., Рубцов И.Х.
39. Состав электродного покрытия, авт. св. № 833407, пр. 28.09.79. // Терский Ф.Н., Левченков В.И., Юрин Г.Г., Соколов Е.В., Лужанский И.Б. и др.
40. Состав электродного покрытия, авт. св. № 1074691, пр. 24.12.82. // Лужанский И.Б., Терский Ф.Н., Левченков М.И. и др.
41. Состав электродного покрытия, авт. св. № 1050837, пр. 24.05.82. // Лужанский И.Б., Яровинский Х.Л., Батурин А.И. и др.
42. Состав электродного покрытия, авт. св. № 1089871, пр. 7.01.83. // Яровинский Х.Л.. Лужанский И.Б., Батурин А.И., Гусев В.В.
43. Состав электродного покрытия, авт. св. № 1131120, пр. 5.07.83. // Гринберг Н.А., Лужанский И.Б., Мамаев П.Н. и Черемисов М.М.
44. Состав электродного покрытия для износостойкой наплавки, авт. св. № 1112670, пр. 18.04.83. // Лужанский И.Б., Гринберг Н.А., Драгилев Б.Л. и др.
45. Состав электродного покрытия, авт. св. № 1358251, пр. 28.10.85 // Лужанский И.Б., Просин В.Н., Китаев Я.А., Лучкина Н.М.
46. Состав электродного покрытия, авт. св. № 1358252, пр. 14.01.86. // Лужанский И.Б., Червяков И.Б., Джербетян А.К.
47. Состав сплава для износостойкой наплавки, полож. решение № 4006983/23-27(010104), пр. 14.01.86. // Лужанский И.Б., Червяков И.Б., Джербетян А.К.
48. Состав электродного покрытия для наплавки, авт. св. № 1406945, пр. 3.02.87. // Лужанский И.Б. и Китаев Я.А.
49. Состав электродного покрытия для износостойкой наплавки, авт. св. № 1412146, пр. 5.02.87. //Калинин Л.Н., Куркумели Э.Г., Гринберг Н.А., Лужанский И.Б. и Густов Ю.И.
50. Состав электродного покрытия для наплавки деталей, эксплуатируемых при высоких удельных давлениях и температурах, авт. св. № 1478537, пр. 18.12.87. //Лужанский И.Б., Яровинский Х.Л., Коротенкова Л.Г. и др.
51. Способ восстановления поршней, авт. св. № 1770110, пр. 23.04.90. // Киперник В.И., Дегтярь В.И., Слободенюк И.М., Лужанский И.Б. и др.
52. Сталь для изготовления металлоформ, патент № 22637-24, пр. 09.11.2003. //Лужанский И.Б.
53. Способ монтажной сварки изделий из чугуна с шаровидным графитом, патент № 2257984, пр. 07.08.2003. // Лужанский И.Б.
54. Способ изготовления узла трубопровода. Решение о выдаче патента № 2004120766/02/022346. //Лужанский И.Б.
55. Сплав для монтажной сварки трубопроводов из высокопрочного чугуна, патент № 2263723, пр. 17.09.2003. //Лужанский И.Б.
56. Сталь хладостойкая свариваемая, патент № 2340698, пр. 21.05.2007. //Лужанский И.Б., Анисимов В.П. и Панченко И.В.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям