Основы электрошлаковых технологий упрочнения композиционными сплавами деталей, работающих при высокотемпературном износе

• Автор: Быстров, Валерий Александрович
• Шифр специальности: 05.03.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 337 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Цель диссертации - создание основ электрошлаковых технологий (ЭШТ) упрочнения деталей разработанными безвольфрамовыми композиционными сплавами (КС), с прогнозированием закономерностей формирования структуры и свойств КС под воздействием параметров ЭШТ.
Сущность подхода при создании основ электрошлаковых технологий (ЭШТ) упрочнении КС деталей, состоит в решении задач прогнозирования и моделирования воздействия параметров ЭШТ на закономерности формирования структуры и свойств поверхности раздела твердая частица - матрица КС.
Исследованием ЭШТ получения КС занимались Д.А. Дудко, В.Д. Орешкин, Г.В. Ксендзык, B.J1. Артамонов, С.Я. Шехтер, а проблемами моделирования электротепловых процессов в шлаковой ванне при ЭШТ занимались Б.Е. Па-тон, Б.И. Медовар, В.И. Махненко, А.К. Цыкуленко, Я.Ю. Компан, А.М. Паль-ти, В.Г. Радченко, В.Т. Арсенкин, В.Н. Бороненков, Б.В. Степанов, В.И. Верёвкин, и др. Интенсивный износ деталей при высокотемпературной эксплуатации требует поиска новых материалов, способных противостоять высокотемпературному износу, например КС, поскольку упрочнение деталей известными легированными сплавами к успеху не привели. Разработкой КС занимались многие специалисты Г.В. Самсонов, И.К. Походня, Д.А. Дудко, Ю.А. Юзвенко, Б.И. Максимович, В.Д. Орешкин, В.Д. Кудинов, Жудра А.П. и др. Хорошие результаты показали КС на различных основах: WC+W2C - так называемый релит, ВК 8, различные карбобориды вольфрама и хрома. Однако, интенсивная растворимость в матрице КС одних твердых частиц, высокая трудоёмкость получения и стоимость других наплавок, заставила исследователей продолжить поиск новых безвольфрамовых КС. Предложено использовать безвольфрамовые КС из спеченных твердых сплавов на основе карбидов и карбонитридов титана с различными сплавами-связками, обеспечивающими минимальную растворимость и хорошую смачиваемость твердых частиц, повышающие прочность сцепления твердых частиц с матрицей, а следовательно, гарантирующие высокую износостойкость в условиях высокотемпературного износа при ЭШТ получения КС.
Для исследования поведения твердых частиц в расплавах шлака и в матрице при ЭШТ предложены: натурно-модельная оптимизация параметров ЭШТ для выяснения поведения твердых частиц в расплаве шлаковой ванны, позволяющая определить максимальные скорости потока шлака; моделирова-

ние тепло-магнитогидродинамики расплава шлака при ЭШТ для анализа распределения потенциалов напряженности и температуры по сечению шлаковой ванны; моделирование и измерение скорости движения расплава шлака и траектории твердых частиц по сечению шлаковой ванны при ЭШТ. Это позволило спрогнозировать и рассчитать время пребывания и температуру нагрева твердых частиц в расплаве шлака, перед попаданием в жидкий расплав матрицы КС. Методом синтеза рациональных программ управления процессом ЭШТ получения КС, определена схема распознавания классов К,/ организационно-технологической ситуации для предстоящей /-й наплавки и составлен алгоритм структурно-параметрического синтеза рациональных программ управления ЭШТ КС, позволяющий прогнозировать свойства наплавленного КС /-Й наплавки, близкие к заданным параметрам: износостойкость и относительную себестоимость ЭШТ получения КС.
На основе проведенных исследований созданы новые КС и разработаны способы ЭШТ получения КС, позволяющие практически реализовать идею моделирования и прогнозирования поведения твердых частиц в расплавах шлаковой ванны и матрицы. Используя сформированные рациональные программы управления параметрами ЭШТ, возможно регулирование физико-механических свойств поверхности раздела твердая частица - матрица созданных КС. Исследованиями макро- и микроструктуры созданных КС; измерением температурных деформаций и расчетами напряжений на границе раздела твердая частица -матрица; микрорентгеноспектральным и рентгеноструктурным анализами; металлографическими исследованиями взаимодействия твердых частиц с матрицей и влияния степени растворимости твердых частиц на прочностные характеристики при высокотемпературном износе; а также натурными испытаниями подтверждены высокие свойства созданных КС, полученных способами ЭШТ для наплавки деталей, работающих при высокотемпературных видах износа.
Способы упрочнения ЭШТ, способствующие сохранению от растворения и обеспечивающие высокую концентрацию твердых частиц в местах интенсивного износа, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения [412-417, 430-437], нашли широкое применение для упрочнения быстроизнашивающихся деталей созданными КС, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения [404-411], металлургического оборудования на Кузнецком, Западносибирском и Карагандинском металлургических комбинатах. Суммарный годовой экономический эффект от применения научных разработок составил 13580000 (тринадцать миллионов пятьсот восемьдесят тысяч рублей) в ценах 2002 года.

Глава I СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ КОМПО-ЗИЦИОНННЫМИ СПЛАВАМИ ДЕТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВИДАХ ИЗНОСА
1Л. Условия эксплуатации и виды высокотемпературного износа деталей металлургического оборудования
1Л. 1. Условия эксплуатации, износ и упрочнение деталей агломерационного оборудования
1Л .2. Условия эксплуатации, износ и упрочнение деталей доменного оборудования
1Л.З. Условия эксплуатации, износ и упрочнение деталей прокатного оборудования
1.2. Роль твердых частиц композиционного сплава при высокотемпературных видах абразивного износа
1.3. Способы наплавки и материалы для упрочнения деталей, работающих при высокотемпературных видах износа
1.4. Существующие композиционные сплавы для упрочнения деталей, работающих при высокотемпературных видах износа
1.5. Способы упрочнения деталей композиционными сплавами
Выводы
Задачи работы
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Характеристика исходных материалов для получения КС
2.2. Технология приготовления спеченных твердых частиц
2.3. Электрошлаковые технология получения КС
2.4. Исследование энергетических характеристик шлаковой ванны.
Моделирование тепломагнитогидродинамического поля
2.5. Исследование макро-и микроструктуры КС
2.6. Определение механических свойств КС при повышенных температурах испытания
2.7. Измерение температурных деформаций и напряжений на поверхности раздела КС методом спекл-фотографии

ставляют высокохромистые стали с повышенным содержанием углерода, ванадия и молибдена. Полагают, что карбидная фаза этих сталей состоит в основном из карбидов типа М7Сз. Микроструктура быстрорежущих сталей, так же как и высокохромистых, представляет собой отпущенный мартенсит с карбидной фазой. Считается [142, 147], что именно карбидная фаза, ее количество, а главное морфология карбидов определяют эксплуатационные свойства валков. В свою очередь состав карбидной фазы, ее количество и морфология карбидов зависят от состава стали, содержания в ней углерода и карбидообразующих элементов, а также от условий кристаллизации металла. Карбиды такой сложнолегированной стали, как быстрорежущая, содержат в своем составе несколько карбидообразующих элементов, причем их соотношение в карбиде зависит от состава стали (табл. 6), и потому их твердость изменяется в определенных пределах и отличается от твердости простых карбидов стехиометрического состава:
Карбид Ре3С Сг7С3 Мо2С ¥С N60 УС ПС
НУ 1340 1600 1800 2100 2400 2900 3200
Таблица 6 - Типичный состав эвтектических карбидов в БРС валков
Карбид Содержание, %
V W Мо Сг Fe
МС 71...87 1,5...5,5 2,5...4,8 3...7 2,0...2,9
М7С3 8,5...9,8 4,2...8,0 5,9...13,0 26...35
м6с 5,7 24...38 23...40 4,3...8,6
М3С 2,9 10 7 18
м2с 10...20 0...20 20...60 13...20
Действующие мировые мощности по производству всех типов валков можно оценить от 800 тыс. до 1 млн. т валков в год. При этом только в России (Магнитогорск, Новолипецк, Череповец, меткомбинаты Урала, Новокузнецка и пр.) эти мощности составляют 120... 180 тыс.т в год, на Украине до 140...150 тыс. т. в год (Лутугино, Краматорск, Днепропетровск). Средняя мощность производства средней валковой фирмы на Западе — примерно 20...30 тыс. т. валков в год. Существуют и гиганты вроде межнациональной фирмы AKERS (Швеция, Бельгия Франция, США, Германия), имеющей суммарные мощности более 100 тыс. т. валков всех типов.
Основная тенденция на мировом рынке валков — сокращение числа фирм, производящих валки, из-за повышения качества валков и укрупнения фирм по образцу AKERS или WHEMCO, США. Имеется достаточно много специальной