Повышение износостойкости сталей методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки углеродсодержащих порошковых смесей

• Автор: Лосинская, Анна Андреевна
• Шифр специальности: 05.16.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 196 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1 МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ВВЕДЕНИЕМ УГЛЕРОДА И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ (литературный обзор)
1.1 Методы химико-термического упрочнения сталей
1.1.1 Применение процессов цементации для поверхностного упрочнения деталей машин и элементов конструкций
1.1.2 Углерод и его растворимость в железе
1.1.3 Использование различных насыщающих сред в процессе цементации
1.1.4 Формирование науглероженных слоев и их фазовый состав
1.1.5 Термическая обработка поверхностно науглероженных сталей
1.2 Поверхностное упрочнение сталей концентрированными источниками энергии
1.2.1 Упрочнение сталей токами высокой частоты
1.2.2 Лазерное упрочнение стальных изделий
1.2.3 Электронно-лучевая обработка
1.2.4 Плазменное упрочнение
1.3 Нанесение твердых износостойких покрытий из газообразного состояния
1.3.1 ГГП-процессы получения покрытий
1.3.2 Применение тонких пленок
1.4 Подготовка поверхности перед обработкой
1.5 Масштабирование и воспроизводимость технологий нанесения покрытий
1.6 Выводы
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Материалы исследования
2.2 Оборудование и режимы вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковой железо-графитовой смеси
2.3 Оборудование и режимы печного науглероживания стали в твердом карбюризаторе
2.4 Структурные исследования материалов
2.4.1 Оптическая металлография
2.4.2 Просвечивающая электронная микроскопия
2.4.3 Растровая электронная микроскопия
2.4.4 Рентгеноструктурный анализ
2.5 Прочностные и триботехнические испытания материалов
2.5.1 Определение микротвердости
2.5.2 Испытания на ударную вязкость
2.5.3 Изнашивание материалов в условиях трения скольжения
2.5.4 Оценка стойкости материалов в условиях трения о закрепленные частицы абразива
2.5.5 Оценка стойкости материалов в условиях трения о нежестко закрепленные частицы абразива
2.6 Анализ топографии поверхностей изнашивания
3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ВНЕВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКЕ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОДИСТЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СТАЛЬ
3.1 Расчет температурных полей
3.2 Математическая модель остаточных напряжений
3.3 Выводы
4 МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ВНЕВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКИ УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ
4.1 Металлографические исследования наплавленных поверхностных слоев стали

4.2 Результаты структурных исследований с использованием просвечивающей электронной микроскопии
4.3 Структурный анализ наплавленных слоев с использованием растровой электронной микроскопии
4.4 Рентгеноструктурные исследования поверхностных слоев
4.5 Дюрометрические испытания поверхностно упрочненной стали
4.6 Влияние вневакуумной электронно-лучевой наплавки углеродосодержащих порошковых смесей на ударную вязкость стали
4.7 Результаты триботехнических исследований наплавленных материалов..
4.7.1 Особенности изнашивания материалов в условиях трения скольжения
4.7.2 Исследование износостойкости поверхностно упрочненных материалов в условиях абразивного изнашивания
4.8 Выводы
5 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЗАКАЛКА И ОТПУСК ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА
5.1 Структурные исследования поверхностных слоев стали 20 после наплавки углеродосодержащих порошковых смесей с последующей электроннолучевой закалкой и отпуском
5.1.1 Результаты металлографических исследований
5.1.2 Структурные исследования материалов с применением метода электронной микроскопии
5.1.3 Рентгеноструктурные исследования материалов
5.1.4 Микротвердость стали после закалки и отпуска
5.2 Триботехнические испытания поверхностных слоев после наплавки с последующей закалкой и отпуском
5.3 Выводы
6 АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
6.1 Разработка износостойкого покрытия с использованием электронно-

чества боридов благоприятно отражается на высокотемпературной твердости стали. При нагреве до 450 °С уровень твердости составляет 300...450 НУ.
Корейскими специалистами был выполнен анализ нержавеющей стали 4/57 316/, после наплавки порошковых смесей, содержащих карбиды и бориды хрома (Сг3С, СгВ, СгВ+Сг). Толщина упрочненных слоев, отличающихся низкой степенью дефектности, достигает 3,6 мм. При наплавке порошков Сг3С толщина формируемых слоев больше, чем при оплавлении порошков СгВ. Твердость исходной стали составляла 170 НУ, твердость слоев, полученных при наплавке порошка бо-рида хрома - 427 НУ [105, 106]. По сравнению с основным металлом износостойкость поверхностно упрочненных слоев в два раза выше.
Электронно-лучевая обработка пучком электронов, выведенным в атмосферу, может быть использована как для наплавки порошковых композиций, так и для закалки поверхностных слоев стальных изделий. Важнейшим ее достоинством является возможность поверхностного упрочнения крупногабаритных деталей машин и элементов конструкций [107-110]. Имеется успешный опыт закалки длинномерных изделий, в частности боковых граней головок железнодорожных рельсов.
Многочисленными экспериментами было показано, что высокоэнергетический пучок электронов может быть эффективно использован для закалки изделий как плоской, так и цилиндрической формы [61, 62]. Установлено, что при упрочнении образцов из легированной стали 4/57 4140 формируется закаленный слой глубиной до 1,25 мм. Максимальное значение твердости в закаленном слое обеспечивается структурой мартенсита и составляет 830 НУ. В зонах, обедненных углеродом, формируется структура бейнита. Твердость этих зон составляет 680 НУ. Установлено, что контактная выносливость сталей, обработанных электронным лучом на 35 % выше, чем сталей после традиционной закалки [60].
К недостаткам электронно-лучевой технологии следует отнести сложность оборудования, его высокую стоимость, необходимость проведения работ в условиях вакуума (при реализации стандартных схем обработки), необходимость за-