Структурообразование и формирование свойств самофлюсующихся покрытий, обеспечивающих повышение износостойкости инструмента для производства керамических изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Зотов, Сергей Владимирович

• Зотов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зотов, Сергей Владимирович

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Особенности эксплуатационного воздействия деформируемых сред на инструмент для производства пустотелых керамических изделий

1.2. Основные направления повышения эксплуатационной надежности инструмента

1.3. Анализ материалов для получения покрытий методом газопламенного нанесения с последующим оплавлением

2. Материал и методика исследования

2.1. Материал и методика получения образцов

2.2. Методика металлографического анализа 32 2.3. Методика количественного анализа

2.4. Методика рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов

2.5. Методика определения твердости

2.6. Методика испытания на абразивную износостойкость

2.7. Методика проведения статистического анализа

3. Результаты исследования структуры, свойств и технологических параметров нанесения покрытий системы N1 - Сг - В - Б! - С

3.1. Исследование структуры порошковых покрытий системы №-Сг-В-&-С

3.2. Исследование свойств порошковых покрытий системы №-Сг-В-&-С.

3.2.1. Дисперсионная оценка влияния толщины покрытия на свойства поверхности

3.2.2. Исследование влияния толщины покрытия на свойства поверхности

4. Влияние условий формирования покрытия на их структуру и свойства

4.1. Исследование влияния оплавления покрытий на их структуру и свойства

4.2. Влияние среды охлаждения на микроструктуру и эксплуатационные свойства покрытий системы № - Сг - В - Б! - С

5. Разработка и внедрение технологии упрочнения формообразующего инструмента

5.1. Исследование однородности свойств по сечению нанесенного покрытия системы № - Сг - В - - С

5.2. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на формообразующий инструмент

5.3. Результаты промышленных испытаний

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурообразование и формирование свойств самофлюсующихся покрытий, обеспечивающих повышение износостойкости инструмента для производства керамических изделий»

Интенсивный рост стройиндустрии предъявляет все более жесткие требования к качеству пустотелого кирпича и керамических камней. Промышленность выпускает строительную керамику в виде кирпича и стеновых камней различных видов, плиток для внутренней и наружной облицовки зданий, черепицы, санитарно - технических изделий. Для изготовления данного вида продукции применяют технологический инструмент, определяющий качественные показатели пустотелых изделий и производительность процесса формования керамической массы. Работа инструмента осуществляется в условиях взаимодействия с абразивными средами, в результате чего происходит разрушение поверхностного слоя элементов инструмента и, соответственно, выход из поля допусков геометрических размеров керамических изделий. В связи с этим возникает актуальная задача применения специальных мер, обеспечивающих существенное повышение износостойкости поверхности инструмента.

Обозначенная задача может быть успешно решена с помощью нанесения порошковых износостойких покрытий системы ЫьСг-В-Б^С, полученных методом газопламенного напыления с последующим оплавлением, причем структура и свойства покрытий из порошковых сплавов системы N1' - Сг - В - Б]' - С во многом будут определяться особенностями технологии их нанесения.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей структурообразования и формирования свойств порошковых газопламенных покрытий системы № - Сг - В - - С для повышения стойкости технологического инструмента для производства керамических изделий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать особенности формирования структуры при нанесении покрытий системы N1' - Сг - В - - С.

2. С целью определения наиболее рациональных конструктивных параметров покрытий исследовать:

- свойства покрытий (твердость, износостойкость, пористость);

- влияние охлаждения на микроструктуру и свойства покрытий;

- однородность свойств нанесенного слоя покрытий.

3. Разработать технологию нанесения износостойких покрытий формообразующего инструмента с целью увеличения его эксплуатационной надежности.* Научный соруководитель: к.т.н. Барышников М.П.

Кирпич и камни керамические (ГОСТ 530-80) предназначены для кладки наружных и внутренних стен, других элементов зданий и сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков. Кирпич выпускают полнотелым и пустотелым, а камни только пустотелыми. Наиболее типичный представитель керамического кирпича, выпускаемого заводом "Керамик" ЗАО "Строительный комплекс", представлен на рис. 1.1.

Керамические изделия изготавливаются из материала на основе глинистых материалов [1]. Химический состав (%) глинистых материалов колеблется в широких пределах [2, 3]: г

Рис. 1.1. Пустотелый керамический кирпич

БЮг. А120з Ре203 СаО.

45 - 80

2-15

0,5 - 2,5

8-28

М%0.0-4

Ыа20иК20.1-5

Основными элементами, входящими в состав глин, являются прочные абразивные вещества - БЮг и АЬОз [4]. Абразивная эффективность этих элементов очень велика и обусловлена достаточно высокой твердостью по Моосу, небольшими размерами - около 1-1,5 мм и острыми режущими гранями, расположенными хаотично по всей поверхности частицы [5].

Керамические пустотелые изделия вследствие их разнообразия изготовляют разными технологическими приемами, но основные этапы их производства примерно одинаковы и состоят из добычи глины, подготовки массы для формования, формования изделия (сырца), сушки, обжига, сортировки обожженных изделий, упаковки и хранения на складе [6, 7]. Одной из важных операций производства пустотелых керамических изделий является их формование. Формование производится ленточными, шнековыми горизонтальными прессами. Основной формообразующий инструмент, устанавливаемый в канале шнековых прессов - это пустотообразователь. В технологическом процессе производства керамического камня в условиях завода керамических изделий завода "Керамик" ЗАО "Строительный комплекс" используются несколько типов пустотообразователей, общий вид которых представлен на рис. 1.2. Пусто-тообразователи могут быть разнообразной конструкции и иметь относительно сложную конфигурацию деталей. В настоящее время все детали формообразующего инструмента в общепринятой технологии изготавливаются из стали У10-У12.

В процессе работы рабочие поверхности пустотообразователя испытывают царапающее действие твердых частиц керамической массы. Твердые частицы керамической массы имеют разную форму и неодинаково ориентированы своими острыми ребрами относительно изнашиваемой поверхности, поэтому не все они режут, некоторые лишь пластически деформируют более мягкий материал, оставляя следы в виде рисок.

Рис.1.2. Пустотообразователи для формования керамического кирпича и камня

В результате многократного передеформирования происходят разрушения поверхностного слоя. Твердые абразивные частицы не сцеплены в монолитное тело, а представляют собою непрочно связанную массу. При трении металла в такой среде отдельные твердые частицы перемещаются относительно друг друга. На металле могут возникать царапины, и при дальнейшей эксплуатации инструмента происходит частичное разрушение поверхностного слоя [8].

Таким образом, формообразующий инструмент в процессе работы подвергается интенсивному абразивному износу, поэтому срок службы такого инструмента не долог и составляет 3-5 суток.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Зотов, Сергей Владимирович

6. Общие выводы по работе

1. Детально исследована структура покрытий из сплавов системы N1 - Сг -В - Б! - С, марок ПГ-12Н-01, ПГ-12Н-02 и ПР-Н77Х15СЗР2, полученных методом газопламенного напыления с последующим оплавлением. Получены качественные и количественные характеристики фазового состава и структурного состояния.

2. Показано, что основная фаза микроструктуры покрытий представляет собой у-твердый раствор Ре, 81 и Сг в никеле. В межзеренном пространстве в сплаве ПГ-12Н-01 располагается эвтектика цементитного типа у+М3(С,В), в сплавах ПГ-12Н-02 и ПР-Н77Х15СЗР2, кроме нее присутствуют: 1) разветвленная эвтектика на базе карбида хрома М2зС6; 2) высокодисперсная боридная эвтектика на базе боридов никеля (в основном №зВ).

3. Исследованы твердость, пористость, износостойкость рабочий поверхности покрытий в зависимости от толщины покрытия. Показано, что покрытия разной толщины из сплава ПГ-12Н-01 имеют практически одинаковую износостойкость. Покрытия из сплавов ПГ-12Н-02 и ПР-Н77Х15СЗР2 имеют наибольшую износостойкость при толщине не более 1,5 - 1,7 мм.

4. Исследовано влияние степени оплавления покрытий на структуру и свойства. Выявлено, что при увеличении степени оплавления происходит огрубление структуры. Количество упрочняющей составляющей при этом остается практически неизменным и составляет 39-48%, пористость снижается. Однако, двукратное оплавление приводит к существенному увеличению износостойкости (почти в два раза) только в сплаве ПГ-12Н-01.

5. Исследовано влияние среды охлаждения на микроструктуру и эксплуатационные свойства. Показано, что увеличение скорости охлаждения покрытий после оплавления приводит к увеличению относительная износостойкости за счет увеличения дисперсности выделяющихся фаз. Исключение составляет охлаждение покрытий в воде, при котором количество твердой составляющей уменьшается вследствие уменьшения скорости роста эвтектических колоний.

6. Исследована однородность свойств покрытий по сечению нанесенного слоя. Показано, что в покрытии марки ПР-Н77Х15СЗР2 по сравнению с покрытиями марок ПГ-12Н-01 и ПГ-12Н-02 наблюдается наиболее однородное распределение твердости и количества твердых составляющих. Полученные данные дают возможность прогнозировать поведение материала нанесенного покрытия в процессе изнашивания.

7. Даны рекомендации по рациональному выбору материала, толщины наносимых покрытий, условий охлаждения и оплавления покрытий, обеспечивающих высокую износостойкость. Разработана технология нанесения износостойких покрытий на формообразующий инструмент для производства керамических изделий. Экономический эффект в 2002 г. после внедрения технологии нанесения составил 500 тыс. рублей

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зотов, Сергей Владимирович, 2003 год

1. Горчаков Г.Н., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М: Строительные материалы, 1986. - 687 с.

2. Наназошвили И. X. Строительные материалы, изделия и конструкции. Справочник. М.: Высшая школа, 1990. - 495 с.

3. ГОСТ 530 80. Кирпич и камни керамические. - М.: Издательство стандартов, 1981. — 25 с.

4. ГОСТ 7484 78. Кирпич и камни керамические лицевые. - М.: Издательство стандартов, 1979.-21 с.

5. Комар А.Г. Строительные материалы. Красноярск, 1989. - 457 с.

6. Berry W.C., Allen W.A. Hasset. Amer. Ceram. Soc. Bull. 1959, v. 38. №8. - S. 393-400.

7. Haase Th. Berichte der deutch. Keram. Gesellsch, 1960. Bd 37. - №3. - S 97 -101.

8. Виноградов B.H., Лившиц Л.И., Левин С.М. Роль основы сплава в износостойких наплавленных поверхностей при ударно-абразивном изнашивании //Трение и износ. 1987. - т.8. - №6. - С. 76 - 83.

9. Ю. А. Геллер. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983 г. - 450 с.

10. Елизаветин М.А., Сатель Э.А. Технологические способы повышения долговечности машин.- М.: Машиностроение, 1979. —438 с.

11. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. -Киев.: Наук. Думка, 1982. 209 с.

12. Гаркунов Д.Н. Триботехника.- М.: Машиностроение, 1989. — 328 с.

13. Испытание материалов. Справочник. Под ред. X. Блюменауэра. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1979. - 448 с.

14. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. -М.: Металлургия, 1981.- 647 с.

15. Тылкин М.А. Повышение долговечности деталей металлургического оборудования. -М., Металлургия, 1971. 608 с.

16. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колокольников М.Г. Абразивное изнашивание. М., Машиностроение, 1990. 224 с.

17. Шехтер С.Я., Резницкий A.M. Наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1982 г.-71 с.

18. Борисов Ю.С., Горбатов И.Н. Получение и структура газотермических покрытий на основе Ni-Cr-B-Si сплавов // Порошковая металлургия. 1985. -№9. - С. 22-26.

19. Хасуй А. Техника напыления: Пер. с японского С.Л.Масленникова. — М: Машиностроение, 1975. -288 с.

20. Шехтер С .Я., Шварцер А.Я. Наплавка деталей металлургического оборудования. Справочник. Металлургия, 1981. - 160 с.

21. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М: Машиностроение, 1987. - 192 с.

22. Хассуй А, Мориаки О. Наплавка и напыление: Пер. с японского Попова В.Н. под ред. Степина B.C. М: Машиностроение, 1985. - 240 с.

23. Меликов В.В. Многоэлектродная наплавка. — М: Машиностроение, 1988. 144 с.

24. Быков В.И., Юрченко Ю.Д., Губарь Е.Я., Куликов A.C. Повышение износостойкости покрытий деталей, работающих в условиях трения без смазочного материала //Сварочное производство. 1991. - №8. - С. 9 - 12.

25. Шевченко О.И., Фарбер В.М. Закономерности изменения свойств и структуры покрытий системы Ni-Cr-B-C-Si при плазменной оплавке и термической обработке. Интернет.

26. Трекин Г.Е., Шевченко О.И., Гаврилова Т.М., Фарбер В.М. Структура, твёрдость и геометрические параметры валика, полученного плазменно-порошковой наплавкой порошком ПГ-С27. Интернет.

27. Спиридонов Н. В., Протасевич В. А., Самодеева Т. И. Влияние лазерной обработки на структуру и триботехнические свойства плазменных покрытий из самофлюсующихся сплавов //Порошковая металлургия. 1988. -№1.-С. 11-15.

28. Власов В. М., Сероштан В. Т., Макарова С. А., Кочетков П. В. и Дроздова Г. В. Исследование структуры покрытий из самофлюсующихся сплавов, оплавленных энергией лазера //Порошковая металлургия. 1993. - №5. — С. 88-92.

29. Кулу П. А., Халлинг Я. А. Газотермические покрытия на порошковых материалах и напыленные порошковые покрытия //Порошковая Металлургия. №8. - 1986. - С. 60 - 68.

30. Никитин М.Д., Кулик А.Я., Захаров Н.И. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. Л.: Машиностроение. - 1977. — 168 с.

31. Полищук И. Е., Ясинская О. Г. //Трение и износ. 1992. — том 13, №2. -С. 342-351.

32. Борисов Ю.С., Неуймин В.А., Тарасенко E.H. Влияние способа оплавления на абразивную износостойкость плазменных покрытий из самофлюсующегося никелевого сплава //Автоматическая сварка. — 1993. №5. — С. 38 -43.

33. Электрошлаковая сварка и наплавка. Справочник под редакцией академика Потока A.C. М.: Металлургия. 1988. - 340 с.

34. Вартанов К.Б., Ивашко В. С. Исследование процесса жидкофазного уплотнения пористых напыленных покрытий //Порошковая металлургия. — 1988. -№10.- С. 26 -34.

35. Масина М.А. Организация восстановления автомобильных деталей. М.: Транспорт, 1991. 176 с.

36. Линник В.А. Пекшев П.Ю. Современная техника газотермического нанесения покрытий. — М.: Металлургия, 1985. 367 с.

37. Анциферов В.Н., Бобров Г.Н., Дружинин JI.K. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1987. - 792 с.

38. Упрочняющие и восстанавливающие покрытия. /Цун A.M., Гун Г.С., Кривощапов В.В. и др. Изд. Челябинск, 1991. - 160 с.

39. Слоистые композиционные покрытия в метизной промышленности. Том 1. / Е.И. Кузнецов, М.В. Чукин, М.П. Барышников и др. Магнитогорск: ПМП "МиниТип", 1997. -96 с.

40. Слоистые композиционные покрытия в метизной промышленности. Том 2. / Е.И. Кузнецов, М.В. Чукин, М.П. Барышников и др. — Магнитогорск: ПМП "МиниТип", 1997. -208 с.

41. Крюкина И.В. Гаврилов A.B. Получение и свойства никелевых сплавов из распыленных порошков. -М.: Металлургия, 1983. 163 с.

42. Упрочняющие и восстанавливающие покрытия. / Г. С. Гун, В. В. Кривощапов, М. В. Чукин и др. Челябинск: Металлургия, челябинское отделение, 1991 г. 160 с.

43. Дж. Р. Белл. Способы оплавления напыленных покрытий //Покрытия и обработка поверхности для защиты от коррозии и износа. М.: Металлургия, 1991.-С.81 -90.

44. Антошин Е.В. Газотермическое напыление порошковых металлов. М: Машиностроение, 1974. — 297 с.

45. Шеенко И.Н. Современные наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений. К.: Наукова думка, 1970. - 238 с.

46. Кулу П.А. Газотермическое покрытие порошковых материалов //Порошковая металлургия. 1986. - №9. - С. 18-25.

47. Кудимов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. -М: Машиностроение, 1981. 345 с.

48. Дорожкин H.H., Сахнович В.Т. Газопламенное напыление порошковых металлов. — Минск, 1986. — 11 25 с.

49. Тыжкова Н.В. Структура и фазовый состав жаропрочных никелевых сплавов для деталей реактивных двигателей. Вилс, 1970. - 129 с.

50. Кулу П.А. Износостойкость порошковых материалов и покрытий.- Таллин: Валлус, 1988. 120 с.

51. Андриевский P.A. Порошковое металловедение. М.: Металлургия, 1985. -321 с.

52. Кулик А.Я., Борисов Ю.С. Газотермическое напыление композиционных порошков. Л.: Машиностроение, 1995. - 199 с.

53. Свитов В.И., Крылов И.В. О некоторых свойствах металлов //Физика и химия обработки металлов. 1987. - №4. — С.154-155.

54. Сбрижер А. Г. Газопламенное напыление порошковых металлов //Металловедение и термическая обработка металлов. 1988. - №4. — С. 43.

55. Горбатов H.H., Жердин А.Г. Структура и свойства газопламенных покрытий из самофлюсующихся сплавов //Порошковая металлургия. — 1990. №3. -С. 15-17.

56. Сафонов А.Н. Микроструктура никельхромборкремниевых сплавов, наплавленных с помощью лазерного излучения //Сварочное производство. — 1990.-№11.-С. 56.

57. Родионов В. В. Калина М. М., Ушакова JI. Б., Бондарчук В. И. Изменение структуры износостойких самофлюсующихся покрытий на никелевой основе при термической обработке.

58. Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Ильенко А.Г. и др. Влияние ультразвуковой обработки на структуру и свойства аморфно кристаллических газотермических покрытий из никелевых сплавов //Автоматическая сварка. 1993. - №3. -С. 63-69.

59. Львов П.Н. Износостойкость деталей строительных и дорожных машин. — М:. Машгиз. 1962. 280 с.

60. Теоретическое исследование и практическое применение плазменных износостойких покрытий /Сб. статей. Свердловск: УНЦ АНСССР 1983, -88 с.

61. Тылкин М. А. Повышение долговечности деталей металлургического оборудования. М.: Металлургия, 1971. - 348 с.

62. Быков В.И., Юрченко Ю.Д., Куликов А.С. Износостойкость газотермических покрытий, работающих в условиях трения со смазкой //Трение и износ. 1992. -т.13.-№3.-С. 64-70.

63. Ливитан Н.В., Поляков С.П. Влияние режимов оплавления покрытий на их структуру // Защитные покрытия на металлах, выпуск 23. К.: Наукова думка, 1989.-С. 37-40.

64. Сбрижер А.Г., Ковальчук JT.H. Коррозионная стойкость покрытий из самофлюсующихся сплавов в неорганических кислотах //Сварочное производство. 1990. - №8. - С. 8 - 12.

65. Петров Г.Л. Буров Н.Г. Абрамович В.Г. Технология и оборудование газопламенной обработки металлов. — Л.: Машиностроение, 1978. — 277 с.

66. Богомолов Н.И. Методы испытания на абразивное изнашивание. Изд. АГ СССР, 1962.-215 с.

67. ГОСТ 5639 82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. -М.: Издательство стандартов, 1994. - 23 с;

68. ГОСТ 23402 70. Стали и сплавы. Металлографические методы определения неметаллических включений. - М.: Издательство стандартов 1970. -24 с.

69. Беккерт М., Клемм X. Способы металлографического травления. Справочник. М.: Металлургия, 1988. - 148 с.

70. Горелик С.С. Рентгенографический электронно оптический анализ. -М.: Металлургия, 1970. - 112 с.

71. ГОСТ 23.208-79. Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные частицы (абразивные). М.: Издательство стандартов, 1984. - 24 с.

72. Гурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. — М.: Высшая школа, 1977. 146 с.

73. Рентгеноструктурный анализ у фазы износостойких сплавов на основе никеля //Порошковая металлургия. - 1987. - №1. - С. 89 - 92.

74. Копцева Н.В., Чукин М.В., Емелюшин А.Н., Зотов C.B. Износостойкие покрытия системы Ni-Cr-B-Si-C //Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы. Всеросийская науч. практическая конф. - Новокузнецк. -2000.-С. 247-251.

75. Копцева Н.В., Чукин М.В., Барышников М.П., Зотов C.B. Структура и свойства износостойких покрытий из самофлюсующихся сплавов на основе никеля //Фазовые превращения в сталях. Труды школы — семинара. — Магнитогорск. Выпуск № 1. - 2001. - С. 240 - 248.

76. Чукин М.В., Гун Г.С., Копцева Н.В., Зотов C.B. Модель дисперсно упрочненной пористой среды и ее эффективные свойства. //Фазовые превращения в сталях. Труды школы - семинара. - Магнитогорск. - Выпуск №2. -2002.-С. 339-344.

77. Копцева Н.В., Чукин М.В., Зотов C.B. Твердость, пористость и износостойкость системы Ni-Cr-B-Si-C //Новые материалы и технологии в машиностроении. Тез. докл. международн. науч. техн. конф. Тюмень: ТЮМГН-ГУ.-2000.-С. 107-111.

78. Копцева Н.В., Зотов С.В., Чукин М.В., Барышников М.П. Влияние условий нанесения на структуру и свойства порошковых сплавов системы Ni — Сг — В Si - С //Современные технологии и материаловедение. - Магнитогорск: МГТУ. - 2003. - С. 34 - 38.

79. Шевченко О.И., Журавлев В.И., Фарбер В.М. Структура и фазовый состав покрытия H73X16C3P3, полученного плазменной наплавкой //Известия вузов. Черная металлургия. 1992. -№10. - С. 23-26.