Исследование физико-механических свойств и структуры наплавленного металла после различных технологических режимов нанесения покрытия

Существенное значение имеет и микротвёрдость карбидов и карбоборидов, их состав и свойства. Наименьшей износостойкостью обладают сплавы с карбидами цементитами типа М₃С. Образование комплексного карбида М₇С₃ ведёт к значительному росту износостойкости металла [71]. Переход от М₇С₃ к карбиду М₂₃С₆ приводит к дополнительному увеличению способности металла сопротивляться изнашиванию [8, 73]. В работе [74] показано, что максимальная способность металла противостоять абразивному воздействию достигалась при получении в виде избыточной фазы комплексных боридов (Fе; Сr)2В и (Fе; Сr) В с микротвёрдостью 23-26 ГПа. Такая зависимость износостойкости сплава от типа упрочняющей фазы прямопропорционально связана с её твёрдостью. Так, микротвёрдость цементита 8-9 ГПа, а карбидов М₇С₃ и М₂₃С₆ 16-18 ГПа [64,75] . Высокой твёрдостью обладают специальные карбиды ТiС, VС, WС, NbC, наличие которых в структуре металла способствует снижению интенсивности изнашивания [73, 76]. Однако, применение таких дефицитных и дорогих элементов, как вольфрам, ниобий, ванадий и титан в больших количествах нерационально из-за высокой стоимости сплавов. Поэтому для материалов, работающих в условиях абразивного изнашивания, наиболее целесообразным является получение в структуре карбидов, боридов и карбоборидов хрома.

Структура наплавочного карбидно-хромового сплава представляющая собой смесь мелких и крупных карбидов игольчатой и шестигранной формы, расположенных изолированными включениями в основе, позволяет получить хорошее сочетание свойств, обеспечивающих высокую твёрдость и износостойкость.

Уменьшение количества и твёрдости карбидов, а также твёрдости основы, снижает способность металла к сопротивлению изнашиванию. Кроме этих характеристик имеет значение природа образования и вязкость карбидов. При одинаковом количестве карбидной фазы, хромистые стали, содержащие в структуре кубический карбид (Сr, Fе)23С6 проявляют большее сопротивление. Образование специальных карбидов способствует снижению износа металлов. Стали, содержащие ниобий и ванадий, образующие в поверхностном слое карбиды NbС и VС существенно превосходят по износостойкости хромистые стали с кубическими карбидами (Сr, Fе)₂₃С₂₆.

В углеродо-боро-хромистых сплавах обнаружено образование различных видов твёрдой фазы: М₂(ВС); М₂₃(СВ)₆; М(ВС); МВ; М₂В; М₇С₃ и др., в тоже время выработать единое мнение о роли конкретного типа упрочняющих включений на износостойкость сплава не удалось [8]. Трудность в оценке влияния упрочняющей фазы на способность сплава сопротивляться изнашиванию, связаны с тем, что углерод и бор могут сравнительно легко растворяться (как фазы внедрения) соответственно в карбидах или боридах, или образовывать карбобориды или борокарбиды [8, 60, 61, 77]. Идентификация подобных соединений весьма сложна и требует специальных методик рентгеноспектрального анализа "осадков" [8]. Поэтому трудно разграничить боридные или карбидные соединения с указанием дополнительно внедренных в нем элементов.

При выборе типа упрочняющей фазы следует отметить, что необходимо ориентироваться не на все возможные модификации карбидов и боридов, существующих в природе, подходящих по твёрдости, параметрам решётки и другим свойствам, а на те, которые термодинамически выгодны для образования в углеродистых сплавах. Так, например, карбид хрома Сr₃С₂ с орторомбической решёткой имеет высокую микротвёрдость Н50=22,8ГПа, практически в металле не образуется и при введении с шихтой переходит в карбид Сr₇С₃ [78].

Ванадий обычно применяется в инструментальных и теплоустойчивых сталях, где используется его способность к измельчению зерна и, главным образом, увеличение стойкости против снижения твёрдости при отпуске, что важно для наплавленного металла, предназначенного для деталей, работающих при повышенных температурах. Способность ванадия образовывать специальные карбиды в сочетании с повышением сил межатомной связи в карбидах железа, где он может растворятся до 0,1 %, в феррите при высокой температуре сильно повышает износостойкость штампов и режущего инструмента [76].

Ванадий способствует образованию прочных атмосфер из атомов углерода на дислокациях, возникших при мартенситных превращениях, и делает более дисперсным выделяющиеся карбиды. Это должно положительно отражаться на способности сталей с ванадием к сопротивлению абразивному воздействию при изнашивании. Несмотря на благотворное влияния ванадия на многие свойства сталей, его содержание обычно ограничивается 2 %, хотя известно, что при большем его количестве сильно повышается износостойкость инструмента. Это связано со снижением технологичности сталей, легированных ванадием, в присутствии которого сильно ухудшается ковкость и шлифуемость [76].

Ванадий уже при содержании 0,1 % образует карбид типа VС, который присутствует в стали наряду с цементитом. Карбид ванадия обычно не растворим в аустените, однако при наличии в сплаве 1 - 2 % марганца и хрома VС может в нём растворятся.

Карбид ванадия VС имеет кубическую кристаллическую решётку типа NаСl и содержит 19 % С. Микротвёрдость карбида ванадия составляет 18,0-20,0 ГПа, что значительно больше, чем Ме₆С и Ме₂₃С₆. В работе [8] указывается, что содержание ванадия и углерода в износостойких сплавах, обеспечивающее образование наиболее твёрдых карбидов, должно соответствовать отношению V/С = 0,24 - 0,45 ат. %. По другим данным V/С около 1 % ат. образуют устойчивый карбид VС. Применение ванадия для легирования сплавов, работающих в абразивной среде, показало, что износостойкость при этом увеличивается.

Изменение износостойкости ванадиевых сплавов с аустенитной матрицей обязано главным образом карбидам, так как растворимость ванадия в аустените составляет 1,5 % при 1150°С. В безуглеродистых аустенитных сплавах повышение износостойкости отмечается только при содержании ванадия до 0,5 %.

Ванадий образует устойчивый карбид VС с высокой микротвёрдостью (29 ГПа) и температурой кристаллизации T_кр = 2830°С. Образуясь первым, он служит центром кристаллизации для других включений, что вызывает увеличение количества и дисперсности упрочняющей фазы. По данным ряда работ [8, 58, 79] введение ванадия в сплав в небольших количествах (до 3%) вызывает увеличение износостойкости и пластичности металла, повышает плотность наплавки, измельчает избыточную фазу. Легирование хромистых сплавов ванадием качественно улучшает упрочняющую фазу за счёт образования кроме карбида VС также комплексных соединений типа (Сr; Fе; V)₇С₃; (Сr; Fе; V)₂₃С₂₆; (Сr; Fе; V)В и др. Влияние ванадия в этих соединениях на повышение износостойкости металла должно играть положительную роль, поскольку он уменьшает в них содержание железа, которое, растворяясь в карбидах, значительно снижает их твёрдость [8, 58, 79]. В то же время способность металла к сопротивлению абразивному изнашиванию зависит не только от типа и количества карбидов или боридов, но и от способности основы прочно удерживать твёрдые включения.

Широкое распространение для работы в условиях ударных нагрузок получили материалы с аустенитной структурой. Легированный аустенит по прочности занимает промежуточное место между ферритом и мартенситом, обладает значительной вязкостью, имеет близкие параметры решётки с карбидной фазой, что обусловливает лучшее закрепление карбидов в основе материала. В тоже время недостаточная износостойкость стабильного аустенита приводит к необходимости применения комплексной матрицы, содержащей аустенит и мартенсит. Определение оптимального соотношения фаз М/А, зависит от количества и свойств твёрдой фазы, а также от условий изнашивания.

1.7 Исследование влияния структурного состояния и количества карбидной фазы на износостойкость в условиях эксплуатации деталей смесителя

Проблема разработки износостойкого материала для конкретных условий абразивного изнашивания является чрезвычайно сложной и поэтому даже при целенаправленных работах по ее изучению до настоящего времени не получила своего полного решения.

Считается, что изнашивание стали с ферритно - цементитной структурой под воздействием закреплённых и не жестко закреплённых абразивных частиц определяется морфологией и дисперсностью цементитной составляющей. Так скорость изнашивания стали 48 с карбидами пластинчатой формы меньше, чем с карбидами глобулярной формы [81]. Для выяснения наиболее приемлемого типа металлической матрицы сплава в условиях изнашивания лопаток, необходимо было выбрать сталь, которая позволяет после соответствующей термической обработки получить весь диапазон типов структурных составляющих основы от перлита до 100% остаточного аустенита (перлит, промежуточные структуры, мартенсит, остаточный аустенит). При этом состав стали, особенно количество углерода выбирают таким образом, чтобы после закалки на преимущественно аустенитное состояние количество карбидов было минимальным с целью меньшего влияния на показатели уровня износостойкости металлической матрицы. Из стандартных сталей наиболее приемлемой для этих целей оказалась сталь Х12Ф1, в структуре которой после закалки на 100% остаточного аустенита, содержится не более 5% карбидной фазы. Для выявления влияния количества карбидной фазы были испытаны в различном структурном состоянии образцы из стали X12, имеющей близкий со сталью Х12Ф1 химический состав и отличающиеся практически только большей массовой долей углерода.

Анализ микрорельефа поверхности трения образцов из сталей Х12Ф1 испытанных в условиях работы лопаток асфальтосмесителя, показал, что характер и количество повреждений полностью отражают полученные значения интенсивности изнашивания данных сталей в различном структурном состоянии.

Так, при испытании сталей Х12Ф1 в преимущественно мартенситном состоянии, на поверхности образцов образуется характерный рельеф с малым количеством рисок и царапин. Как снижение, так и повышение температуры закалки приводит к падению твёрдости (в первом случае за счёт появления в структуре ферритной составляющей в составе троостита, во втором за счёт увеличения количества остаточного аустенита) и увеличению интенсивности изнашивания. Однако замечено, что интенсивность изнашивания образцов со структурой остаточного аустенита несколько ниже, чем образцов с той же исходной твёрдостью, но с ферритной составляющей структуры. (Рис.1.8) Причём, важно отметить, что хотя износостойкость отличается незначительно, но образцы с остаточным аустенитом содержат в структуре 2,5 раза (Х12Ф1) и в 2,1 раза (Х12) меньше карбидной фазы, чем образцы с той же исходной твёрдостью, но содержащие феррит, что связано с некоторым упрочнением аустенита в процессе изнашивания [50].

Износостойкость сталей в нашем случае существенно зависит не только от общего содержания упрочняющей фазы в их структуре но и от ориентации карбидных и боридных зёрен по отношению к рабочей поверхности. Для защиты деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного, и гидроабразивного изнашивания, широкое применение получили наплавочные материалы системы Fе-С-Сr-В с высоким (3-6 %) содержанием бора кристаллизующиеся с боридной упрочняющиеся фазой типа (Fе; Сr)2; (Fе; Сr)В, микротвёрдость которой составляет 22-26 ГПа. Однако в конкретных условиях изнашивания высокая износостойкость таких сплавов определяется не только значительным количеством (50-80%) и твёрдостью включений, но и зависит также от пространственного расположения упрочняющей фазы относительно поверхности изнашивания. Это связано с особенностями формирования избыточной боридной фазы имеющей форму игл, ориентация которых совпадает с направлением теплоотвода, что обеспечивает им максимальную скорость роста и подавляет тем самым рост кристаллов, ориентированных под углом к градиенту теплоотвода. В то же время известно, что максимальное увеличение способности сплава к сопротивлению абразивному разрушению достигается при ориентации боридных игл перпендикулярно плоскости изнашивания. Поэтому главной особенностью при наплавке данной группы сплавов является необходимость учёта конкретных условий эксплуатации деталей, заключающихся в изменении их конструкции, которая обеспечит условия для направленной кристаллизации твердых включений под углами, близкими к 90° по отношению к плоскости изнашивания, что позволит в максимальной степени реализовать потенциальные возможности, заложенные в износостойких материалах. Исходя из этого, была усовершенствована конструкция лопаток асфальтосмесителей с канавкой на рабочей кромке детали, при наплавке которой сплавом 150Х13РЗФ, обеспечивается получение структуры металла с избыточной фазой, ориентированной под углами =80-100° к плоскости изнашивания. Производственные испытания асфальтосмесителей показали, что упрочнённые лопатки по разработанной технологии имеют срок непрерывной работы в 2-2,5 раза выше, чем серийно выпускаемые лопатки из чугуна. [82].

Представленные результаты позволяют утверждать, что для рассматриваемых условий эксплуатации лопаток количество карбидной фазы, а также её ориентация относительно рабочей поверхности вносят более значительный вклад в повышение износостойкости сплава, чем структурное состояние матрицы. Поэтому главным резервом при разработке износостойкого материала для этих условий изнашивания является получение сплава с максимально возможным количеством упрочняющей фазы и её благоприятной ориентацией к поверхности изнашивания. При этом важно отметить, что тип металлической матрицы выбирается из условий конструкционной прочности лопаток и технологичности их изготовления.

Таким образом, был проведён обзор теоретических и экспериментальных результатов работ, посвящённых исследованию структурно-фазовых превращений, протекающих в наплавочных материалах для увеличения срока службы деталей машин.

Анализ литературных данных показал, что способность металла к сопротивлению абразивному изнашиванию зависит не только от типа и количества карбидов или боридов, но и от способности основы прочно удерживать твёрдые включения. При неблагоприятной структуре сплавы с большим количеством упрочняющей фазы могут оказаться весьма мало износостойкими вследствие как их недостаточной твёрдости, так и чрезмерной хрупкости металлической матрицы. При отсутствии достаточной связи на границе раздела фаз, происходит выкрашивание твёрдых включений.

Однако в литературе пока ещё не получили достаточного освещения работы, касающиеся вопросов комплексного исследования структурно-фазовых превращений в многослойных наплавочных материалах на всех структурных уровнях.

Поэтому, работа по установлению закономерностей структурных и фазовых превращений и их влияния на повышение износостойкости многослойных наплавочных материалов и увеличения срока службы рабочих лопаток смесителей, является, безусловно, актуальной.

2. Методика исследования и исследуемые материалы

Материалом для исследования явились образцы из стали 45 на поверхность которых были нанесены по 5 наплавочных слоёв с различными химическими составами системы Fe-C-Cr-Nb-Mo-V-B-Si-Mn. Толщина каждого наплавленного слоя составляла 2 мм. После многослойной наплавки, 5-ый слой практически снимался в результате выравнивания поверхности за счёт окончательной механической обработки фрезерованием. (См. рис. 2.1)

Рисунок 2.1 - Эскиз наплавленной пластины * - поверхность спектрального анализа.

На рис. 2.2 приведена схема электродуговой наплавки под слоем флюса. Сущность процесса дуговой наплавки под слоем флюса заключается в применении наплавочной ленты и гранулированного флюса, насыпаемого впереди дуги слоем определенной толщины. Наплавку ведут дугой, горящей под слоем флюса в пространстве газового пузыря, образующегося в результате выделения паров и газов в зоне дуги.

Сверху пузырь ограничен пленкой расплавленного шлака, снизу - сварочной ванной.

Наплавка под слоем флюса проводится плавящимся электродом автоматически или реже полуавтоматически и отличается наиболее высокой производительностью от других дуговых способов. [90]



Рисунок 2.2 - Схема электродуговой наплавки под слоем флюса.

1 - подающий механизм; 2 - наплавочный электрод; 3 - токоподвод; 4 - гранулированный флюс, 5 - расплавленный флюс; 6 - затвердевший флюс; 7 - наплавленный флю; 8 - сварочная ванна; 9 - газовый пузырь; 10 - дуга.

2.1 Результаты химического анализа наплавленного металла

Исследовались наплавки с ферритно-перлитной и аустенитно-мартенситной структурами, которые наносились на сталь 45 с помощью электродной ленты марки 08КП под стандартными флюсами ФЦ-16 и ФК-45, соответственно. Ленточная наплавка под слоем флюса наряду с положительными сторонами этого способа, такими как, высокая производительность процесса, возможность рассредоточенного ввода тепла в изделие, стабильный химический состав наплавленного металла и др., наплавке ленточным электродом присущ ряд недостатков. Основной недостаток- образование непровара на участке перекрытия предыдущего слоя последующим вследствие резкого перехода наплавленного металла к основному. Химические составляющие этих наплавочных материалов приведены в таблице 2.1.

Для исследования микроструктуры этого наплавленного металла были вырезаны образцы диаметром 20 мм, из них были сделаны шлифы.

Таблица 2.1 - Химические составляющие наплавочных материалов, основы, ленты и флюса

Название	Легирующие элементы, вес.%
	С	Mn	Si	Cr	Cu	Ni	V	Mo
Наплавка с флюсом ФЦ-16	0,1	0,84	0,47	0,11	0,21	0,06	-	-
Наплавка с флюсом ФК-45	0,1	2,89	1,45	2,72	0,19	0,09	-	-
Лента 08КП	0,05-0,11	0,25-0,50	0,03	-	0,25	0,25	0,04	0,035
Флюс ФЦ-16	CaO 1521	MnO 36	SiO2	MgO 69	Al2O3 1721	CuF2 1218	NaF 38	Fe2O3 1,0
ФК-45

2.2 Металлографические исследования наплавленного металла

Предпосылкой для всех металлографических исследований является изготовление образцов (шлифов), которые могут быть использованы для микроскопического исследования с помощью светового и электронного микроскопа, для определения микротвердости и количественного измерения структурных составляющих [83-86]. Хорошо приготовленный металлографический шлиф должен отвечать ряду требований. Прежде всего, он должен быть типичным для данного материала образца; вырезка, шлифование, и полировка образца должны осуществляться таким образом, чтобы на его поверхности оставался минимальный слой искаженного и деформированного металла (это необходимо для выявления истинной микроструктуры материала после травления). Кроме того, на поверхности шлифа не должно наблюдаться полировочных царапин и ямок, а также пятен, возникших в результате взаимодействия с жидкостями. Шлиф должен быть достаточно плоским, чтобы его можно было рассматривать при больших увеличениях. Изготовление металлографических шлифов обычно состоит из 5 основных операций: 1. вырезка образца и подготовка поверхности; 2. его закрепление (не обязательно); 3. шлифовка; 4. полировка; 5. травление.

После вырезки образцы шлифовались на бумаге различной зернистости с постепенным переходам от более грубого к более тонкому абразиву: № 40, 16, 6, М40, М20 и окончательная полировка на бархате [87, 88].

В работе использовались два реактива для травления. Реактивом первого сoстaвa травили границы зёрен, а реактивом второго состава - "тело зерна"/29/. Состав первого реактива: азотная кислота 20-25мл, вода дистиллированная 80 мл. Состав второго реактива: соляная кислота 10мл, этиловый спирт 90 мл.

Время травления в первом реактиве в зависимости от химического состава образца от 15с до 1 мин. Температура 20-25° С. Время травления во втором реактиве также зависит от химического состава образца и находится в пределах 1-2 мин. Температура 20-25°С. Протравленные шлифы просматривали и фотографировали на оптическом металлографическом микроскопе ММР-4.

Изучение микроструктуры происходило при помощи микровизора отраженного света µVizo-MET (рисунок 2.3) - разработка ОАО «ЛОМО», который представляет собой новое поколение универсальных микроскопов со сквозным оптико-цифровым каналом наблюдения и является функционально законченной системой наблюдения, регистрации и обработки микроизображений.

Малогабаритный, переносной, простой в обращении, универсальный. Он работает на прозрачных и на не прозрачных объектах, как на специально приготовленных металлографических шлифах, так и на необработанных поверхностях с шероховатостью до 5 мкм в прямом, косом и поляризованном свете.

Формирование изображения с увеличением до 3000 крат является уникальным достижением разработчиков. Запись изображения осуществляется на карту памяти.

Возможности прибора значительно расширяют сферу его применения. Он идеально подходит для решения триботехнических задач: изучения структуры поверхности, площадок трения и износа, присадок в жидких маслах, изучения морфологических особенностей поверхностей после различных современных технологических воздействий и применения нанотехнологий.

Для изучения микроструктуры наплавленного металла использовался металлографический микроскоп ММР-4. К основным металлографическим характеристикам и возможным методам исследования с помощью этого микроскопа можно отнести: наблюдение в светлом поле при прямом и косом освещении, в тёмном поле и поляризованном свете; увеличение 50-1600 раз; имеется панкреатическая система для плавного изменения увеличения; фотографирование на пластинки 9х12см, плёнку 24х36 мм [86, 89].

Металлографические микроскопы отличаются от биологических, главным образом, методом освещения образца. Это обусловлено тем, что металлические шлифы не прозрачны для световых лучей и потому их исследование проводят не в проходящем, а отражённом свете. На рис. 2.4 представлена упрощенная сxемa хода световых лучей в металлографическом микроскопе.

Pиcунок 2.4 - Схема получения изображения в металлографическом микроскопе.

Подготовленный соответствующим образом шлиф помещается перпендикулярно оптической оси микроскопа. Он освещается проходящим через объективную линзу почти параллельным оптической оси микроскопа пучком света, который формируется конденсором и полупрозрачным зеркалом. Свет отражается от поверхности образца и попадает в объектив. Поэтому отразившие свет элементы образца примерно нормальны оптической оси микроскопа; отражающие элементы, расположенные под углом к оптической оси микроскопа, пошлют световые лучи вне объектива. В связи c этим на конечном изображении образца, создаваемом окуляром, все отражающие свет элементы будут светлыми, а все наклонные - тёмными. Благодаря этому выявляются различные структурные составляющие металлографических шлифов, например, границы зёрен, которые при подготовке образца вытравливаются в канавки с наклоненными к поверхности шлифа боковыми сторонами.

Качество изображения микроскопа определяется главным образом, объективной линзой. Объективная линза имеет ряд характеристик: увеличение; числовая апертура (угловая апертура конусообразного светового пучка, пропускаемого линзой, эта величина характеризует способность линзы собирать световые лучи); разрешающая способность (свойствo линзы объектива разделять близко расположенные детали образца); глубина резкости (характеризуется величиной вертикального смещения деталей образца, которое может быть произведено без потери фокусировки.

износостойкость наплавочный материал металл

2.3 Испытание образцов наплавленного металла на установке на трение вращения

В зависимости от характера движения одного тела по отношению к другому различают коэффициенты трения:

а) при поступательном движении,

б) при качении,

в) при вращательном движении.

При любом из указанных движений при механическом воздействии тел обычно используют закон Кулона

F = f *N (1),

где F - сила трения между телами, f- коэффициент трения для этой пары тел,

N - сила нормального давления одного тела на другое.

Установлено что в первое мгновение движения коэффициент трения покоя больше чем при движении,

Fо = fо*N > F.

При вращательном движении удобнее использовать понятие момента сил трения

M = F*d (2)

где M - момент сил трения, d - средний диаметр на котором действует пара сил трения.

Установка включает в себя модернизированный сверлильный станок 1 (рисунок 2.5), на подвижном столике 2, которого закреплена плата 3. На плате расположена вращающаяся платформа 4 и тензодатчик 5, постоянная связь которого с платформой осуществляется с помощью пружины 6 и упора 7. Один образец 8 крепится в патроне 9 станка, а другой 10 устанавливается на платформу 4. Подъёмом и разворотом столика 2 обеспечивают соосность образцов и зазор между ними не более 0,5 мм. Столик 2 закрепляют. Линейка станка 12 должна при этом занимать горизонтальное положение.

При размещении мерного груза на линейке 12 через шпиндель станка 13 и патрон 9 образец 8 будет оказывать нормальное давление на образец 10. При включении станка момент трения между образцами пытается повернуть платформу 4 с закреплённым образцом 10.

Прогиб тензодатчика приводит к появлению сигнала на АЦП, который преобразуется, и на экране ПК строится график силы трения как функция времени.

При модернизации станка вес шпинделя уравновешен балансиром. Тогда при наличии груза G нормальную N составляющую можно считать равной

N=G * L /r , (3)

где G - груз на рычаге-линейке, L - плечо, расстояние от груза до оси вращения, r - радиус делительной окружности зубчатого колеса станка, сидящего на одной оси с линейкой, обеспечивающего поступательное движение шпинделя и равного 10мм.

Тогда момент трения между деталями при вращении можно записать в виде

M= f *N * d =f * G *L * d / r , (4)

где d- средний радиус сопрягаемых деталей.

При проскальзывании момент трения равен моменту сопротивления, создаваемому тензометром, и его можно записать в виде:

Mt = Pt * Rt = k *Ui * Rt , (5)

где k- масштабный коэффициент, определяемый при тарировке тензометра и имеющий размерность ньютон/вольт,

Ui - изменение напряжения (от начального)на ПК,

Rt - расстояние в мм от оси вращения платформы 4 до точки контакта её упора 7 с тензодатчиком.

Приравнивая правые части формул (4) и (5), имеем формулу для подсчёта коэффициента трения

F = ( k *Ui * Rt * r ) / (G * L * d ) (6) ,

где Ui = Ut - Uo.

Здесь Ut - напряжение тензодатчика, показываемое ПК, в выбранный момент времени, Uo - напряжение тензодатчика, вызванное пружинкой 6. Уравнение (6) является рабочей формулой для определения коэффициента трения.

2.4 Исследование структуры износостойкого наплавленного металла методом просвечивающей электронной микроскопии

Электронная микроскопия даёт возможность получить в одном эксперименте изображение с высоким разрешением (вплоть до атомного разрешения 0,1 мкм) и микродифракционные картины одного и того же участка образца, размер этого участка от 1 мкм до 50 мкм в лучших моделях микроскопов, поэтому такой участок, как правило, монокристаллический.[94].

В электронном микроскопе, в отличие от светового микроскопа, вместо света с длиной волны около 5000 A применяются электроны с эффективной длимой волны около 0,05 A. На электронном микроскопе при работе может быть получено разрешение около 10 A [94-96].

При облучении образца электронным лучом электрон может:

1.пройти через вещество, не взаимодействуя с ним;

2.претерпеть упругое рассеяние - изменить направление движения без изменения энергии;

3. продифрагировать- отклоняться в избранном направлении, определяемом структурой кристаллического вещества образца;

4.претерпеть неупругое рассеяние- изменить как направление движения, так и энергию;

5.быть поглощённым.

При наблюдении тонких металлических фольг и выделившихся частиц видимый контраст обусловлен, главным образом, механизмом 3.

На pиc. 2.8 показана принципиальная схема устройства электронного микроскопа. В электронных микроскопах обычно применяются электромагнитные линзы - магнитные катушки с железными полюсными наконечниками [94-96]. Для обеспечения достаточно большой величины свободного пробега электронов вся система должна находиться в вакууме не хуже 10^-4 мм рт. ст. [94]. Осветительной системой служит электронная пушка, состоящая из нагревательной нити (к которой приложен высокий ускоряющий потенциал), окружённый экраном, так называемым цилиндром Венельта, на который подаётся потенциал смещения. Ниже расположен заземлённый анод с отверстием в центре, через которое ускоряемые электроны попадают в колонну микроскопа. В сущности пушка напоминает большую триодную лампу. Кроме электронной пушки осветительная система микроскопа включает в себя ещё и две конденсорные линзы, с помощью которых достигается уменьшение минимального сечения пучка и его фокусировка на объекте. Источником электронов служит вольфрамовая нить. Длина волны электронов определяется ускоряющим напряжением U и равна л(A)= v1500/vu. Для обычно используемого напряжения 100 кВ, л =0,6037 A.

Фокусирующий электрод фокусирует электроны, а анод их рассеивает. На выходе из электронной пушки пучок электронов имеет диаметр около 90мкм. Первая конденсорная линза проецирует этот уменьшенный в диаметре пучок на образец. Сечение выделенного им участка на образце составляет около I мкм. В результате взаимодействия электронного пучка с кристаллическим веществом часть электронов проходит через тонкий (~2000 А) «прозрачный» для электронов образец без изменения своего направления, часть поглощается или рассеивается им. Принципиальная схема устройства микроскопа и чрезвычайная малость длины волны электрона позволяет получить микродифракционную картину на экране только от тех микроучастков образца, в которых кристаллические атомные плоскости ориентированы под углом ±2° к падающему пучку электронов[96].

Объективная линза, расположенная под образцом, фокусирует лучи и формирует первичное изображение. Промежуточная линза перебрасывает первичное изображение в предметную плоскость проекционной линзы. Проекционная линза формирует конечное увеличенное изображение на флуоресцентном экране или фотопластинке.

Методы просвечивающей электронной микроскопии - качественный (метод реплик) а количественный (метод фольг), позволявшее получать разрешения в доли микрона, делают возможным изучение тонкого строения наплавленного металла. Исследования проводили на просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-200 при ускоряющем напряжении 150 кВ, вакууме 2*10^-6 мм.рт.ст. Отрабатывалась методика получения тонких металлических фольг из образцов наплавленного металла. С помощью электроискрового станка были получены заготовки под образцы диаметром З мм и толщиной 200-250 мкм. Для дальнейшего утонения образца использовали стальной полированный брусок 15x30x60 мм с прикреплённым к нему липкой лентой, а также абразивную бумагу 1А. С целью получения тонкой фольги толщиной 2000A проводят электролитическую полировку. Лабораторная установка состоит из: лабораторного источника питание постоянного тока с регулируемым выходным напряжением (Uвых.=0-100 В. Iвых=0-5 A); электрической плитки держателя анода с электрическим контактом; двух катодов из нержавеющей стали; термометра. Контроль времени ведётся по секундомеру. Используются специальные пинцеты «открытого» и «закрытого» типов.

Состав электролитов, применявшихся при электролитической полировке, и режимы электролитической полировки (температура, время, ток и напряжение) приведены в таблице 2.3. [88, 97, 94].

Таблица 2.3 - Состав электролитов и режимы электрополировки.

Состав электролита	Ток, А	Напря-жение, В	Т, ?С	Время, с	Катод	Примечание
1	2	3	4	5	6	7
Ортофосфорная кислота-440мл,хромовый ангидрид-60г.	0,1-1,0	2-15	25-85	10-60	Нержавеющая сталь	Для легированных сталей
Ортофосфорная кислота-80мл,хромовый ангидрид-6г,вода-14мл.	0,3-1,0	3-12	25-60	60-300	Нержавеющая сталь, медь, свинец	Для легированных сталей
Ортофосфорная кислота-65мл,хромовый ангидрид-6г,серная кислота-15мл, вода-14мл.	0,1-1,0	2-15	40-60	10-60	Свинец, нержавеющая сталь	Углеродистые стали
Ортофосфорная кислота-48мл,серная кислота-140мл.	0,1-11,0	1-15	35-50	10-60	Свинец	Карбидо - содержащие стали
Серная кислота-40мл, ортофосфорная кислота-60мл.	0,1-1,0	1-15	40-60	10-60	Нержавеющая сталь	Утонение фольг из сталей переходного класса
Ортофосфорная кислота-400мл, серная кислота-100мл, хромовый ангидрид-75, вода-25мл.	0,1-5	4-20	40-60	10-120	Нержавеющая сталь	Утонение фольг из сталей переходного класса
Серная кислота-40мл, азотная кислота-60мл.	0,1-3	20	30-40	60	Нержавеющая сталь	Легированные стали
Фосфорная кислота-60мл, серная кислота-40мл.	0,1-3	10	30-40	60-120	Нержавеющая сталь	Хромоникелевая нержавеющая сталь
Ортофосфорная кислота-42мл, глицерин-47мл, вода-11мл.	0,1-10	12-20	90	10-60	Нержавеющая сталь	Высоколегиро-ванные стали

На основании приведённых работ можно дать рекомендацию в дальнейшем для приготовления электронно-микроскопических образцов использовать метод ионного утонения тонких металлических слоев.

Также мы в своей работе воспользовались полупрямым методом одноступенчатых реплик. Суть метода в следующем: на образец с помощью вакуумного универсального поста ВУП-5 наносится тонкий угольный слой. Затем на напылённый углём образец наносится желатин(10-20% водный раствор), который после высыхания отделяется от поверхности образца вместе с угольной репликой. Далее угольная реплика вместе с желатином опускается в горячую воду (70-95°С) желатином вниз. Желатин растворяется, угольная реплика промывается 3-4 раза в горячей дистиллированной воде, вылавливается не сетку и высушивается. После высыхания из сетки вырубается образец для электронного микроскопа (диаметр образца 3мм.).

Растровый электронный микроскоп (РЭМ), обладающий высокой разрешающей способностью и большой глубиной фокуса, формирует изображение объекта при сканировании его поверхности электронным зондом [94,95]. Это один из наиболее универсальных и перспективных приборов для исследования шлифов и изломов металлов и сплавов.

Исследования проводились на растровом электронном микроскопе TESCAN с системой РСМА INCA ENERGY при ускоряющем напряжении 32 кВ в режиме отраженных и вторичных электронов. Перед просмотром в РЭМ образцы очищали ацетоном и в ультразвуковой камере.

2.5 Микрорентгеноспектральный анализ

Микрорентгеноспектральный анализ основан на регистрации рентгеновскими спектрометрами характеристического рентгеновского излучения, сгенерированного сфокусированным пучком первичных электронов. Микрорентгеноспектральный анализ проводился на микроанализаторе «TESCAN». Принцип действия микроанализатора заключается в следующем: электронная пушка генерирует пучок электронов, который фокусируется до размеров от 100 А до 200 мкм и с помощью отклоняющей системы сканирует по поверхности исследуемого образца. Электроны возбуждают в поверхностном слое металла образца характеристическое рентгеновское излучение, интенсивность которого измеряют рентгеновским спектрометром. Сравнивая интенсивности соответствующих линий эталона и образца, можно рассчитать химический состав данного микрообъёма поверхности образца. Рентгеновская оптика прибора позволяет анализировать элементы периодической системы с атомным номером больше 5. Система автоматического анализа, управляет прибором и производит во время его работы необходимые расчёты. В результате полного цикла операций выдаётся химический состав анализируемого участка.

3. Исследования структурно-фазовых превращений по сечению многослойных наплавочных материалов с феррито-перлитной и аустенитно-мартенситной структурами

3.1 Металлографические исследования наплавочных материалов с феррито-перлитной и аустенитно-мартенситной структурами.

В третьей главе представлены результаты исследования структурных и фазовых составляющих в различных слоях наплавочных материалов с ферритно-перлитной и аустенитно-мартенситной структурами, полученных под флюсами ФЦ-16 и ФК-45, соответственно, а также исходного состояния металла основы из стали 45

Исследование структурно-фазового состояния, твёрдости, химического состава многослойных наплавок осуществляли в обоих наплавочных материалах, как в металле основы стали 45, вблизи линии сплавления, так и на различных расстояниях от неё с шагом 2 мм, во всех последующих слоях, вплоть до четвёртого поверхностного слоя(см. рис.1).

С помощью оптической микроскопии был исследовано исходное состояние металла основы из стали 45. На рисунках 3.1 и 3.2 изображены панорамы микроструктуры наплавочных материалов, полученных под флюсами ФК-45 (см. рисунок 3.1) и ФЦ-16 (см. рисунок 3.2) при 100 кратном увеличении. Справа расположен исходный металл основы из стали 45.

В обоих случаях формировалась регулярная структура с твёрдыми зёрнами с мартенситной структурой или перлита, оконтурованными мягкой фазой из аустенита или феррита, соответственно.

3.2 Исследования наплавочных материалов, полученных под флюсом ФЦ-16, методом просвечивающей электронной микроскопии

Для изучения отдельных структурных составляющих наплавочных материалов, полученных под флюсом ФЦ-16, были проведены послойные электронномикроскопические исследования на просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-200.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии было выявлено, что в металле основы из стали 45 присутствуют зёрна структурно-свободного феррита рис.3.3 (а,б), с твёрдостью 4500 МПа и колонии перлита размером 5-15 мкм с межпластинчатым расстоянием =0,08 - 0,14 мкм, рис.3.3 (в) и твёрдостью 5000 МПа.

Вблизи линии сплавления (Л.С.) со стороны металла основы (жидко-фазного превращения), присутствовали мощные экстинкционные контура, рис.3.3 (г), обусловленные действием полей термических напряжений, достигались минимальные значения дислокационной плотности 210¹⁰, см ^-2. Происходило растворение пластин цементита, наблюдалось значительное повышение микротвёрдости светлой фазы до 5700 МПа, за счёт пересыщения его углеродом и кремнием до 0,1 и 0,2%, соответственно. Здесь происходило формирование верхнего бейнита, рис.3.3 (д).

В структуре 2-го наплавочного слоя на расстоянии 3 мм от линии сплавления, наблюдали значительное разупрочнение, как светлой фазы (феррита) до 2800 МПа, так и тёмной (перлита) до 3300 МПа, что свидетельствовало о значительной релаксации внутренних напряжений. Наблюдали следы твёрдофазного (без формирования расплава) превращения: распад зёрен свободного феррита и формирование наряду с крупными зёрнами феррита порядка 10…20 мкм, очень маленьких размером около 1 мкм, рис.3.4 (а) и высокой дислокационной плотностью порядка 51010, см2. Наблюдали распад крупных частиц цементита и повторное выделение вторичных мелких частиц цементита вдоль границ ячеек, фрагментов, рис.3.4 (б). Полученные результаты свидетельствовали, о том, что во 2-ом наплавочном слое протекали структурные превращения под действием термического влияния, аналогично ЗТВ в металле основы при сварке. Нередко вдоль границ ферритно-перлитных зёрен наблюдали формирование зародышевых микротрещины, рис.3.4 (в).

В структуре 4-ого поверхностного слоя достигалось повторное упрочнение материала за счёт формирования мелкой дислокационной субзёренной структуры с размером ячеек 0,5-0,8 мкм, рис.3.5 (а, б). Здесь были максимальные значения дислокационной плотности 1010¹⁰, см ^-2 и микротвёрдости, которая достигала для феррита до 3300 МПа и перлита до 4300 МПа, соответственно. В стыках ферритно-перлитных зёрен наблюдали островки нижнего бейнита, рис.3.5 (в).

3.3 Исследования распределения легирующих элементов в наплавочных материалах, полученных под флюсом ФЦ-16, ФК-45 и основы из стали 45

Микрорентгеноспектральный анализ проводился на микроанализаторе «TESCAN».

В таблице 3.1 приведены результаты рентгеноспектрального анализа в 5 точках в поверхностном слое наплавочного материала, полученного под флюсом ФЦ-16.

Таблица 3.1 - Результаты рентгеноспектрального анализа наплавки, полученной под флюсом ФЦ-16

Спектр	Si	Cr	Mn	Fe	Ni	Cu
Спектр 1	0.35	0.01	1.06	98.13	0.16	0.29
Спектр 2	0.40	0.12	0.65	98.55	0.16	0.13
Спектр 3	0.25	0.09	0.72	98.57	-	0.37
Спектр 4	0.38	0.10	0.85	98.07	0.33	0.26
Спектр 5(1)	0.35	0,07	1,05	97,88	0,39	0,26

На рисунке 3.7 приведено распределение легирующих элементов Si, Cr, Mn по слоям наплавки, полученной под флюсом ФЦ-16, для светлой (с) фазы -феррита и темной (т) фазы - перлита. Основная составляющая (от 97,88 до 98,57%) - железо.Как видно из рисунка 3.7, во втором наплавочном слое наблюдаем уменьшение содержания марганца и кремния как в темной, так и в светлой фазе. Для 4 поверхностного слоя наблюдается увеличение содержания марганца и кремния в темной (т) и светлой (с) фазах (в перлите и феррите) по сравнению с исходным металлом основы из стали 45. Содержание хрома уменьшается вблизи линии сплавления со стороны металла основы и затем не меняется в наплавочном материале для темной фазы, а для светлой фазы - содержание хрома уменьшается во 2 наплавочном слое и увеличивается в 4 поверхностном слое.

Рисунок 3.7 - Распределение легирующих элементов Si, Cr, Mn по слоям наплавки, полученной под флюсом ФЦ-16 и основы - СТ45 (с-светлая фаза, т-темная фаза)

На рисунке 3.8 представлены структуры наплавочных материалов, полученных под флюсом ФК-45, снятые с помощью растрового электронного микроскопа. Цветные линии - линии непрерывных спектров. Видно, что основной составляющей является железо (см. рисунок 3.8(а, б)). На рисунке 3.8(в) наблюдается трещина по границам зерен.

На рисунке 3.8(г) наблюдается структура наплавочных материалов, полученных под флюсом ФК-45. Обозначены три точки, в которых проводился рентгеноспектральный анализ. Результаты ренгеноспектрального анализа в трех точках представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Распределение легирующих элементов в точках наплавки, полученной под флюсом ФК-45

Спектр	Si	Cr	Mn	Fe	Ni	Cu
Спектр 1	1.22	2.48	2.64	93.24	0.17	0.26
Спектр 2	1.44	4.83	4.65	88.66	0.20	0.21
Спектр 3	1.03	2.34	2.74	93.59	0.15	0.14

На основании приведенных выше результатов были построены графики распределения легирующих элементов по слоям наплавочных материалов, полученных под флюсом ФК-45 и исходного состояния металла основы из стали 45 для светлой (с) и темной (т) фаз (см. рисунок 3.9). Наблюдается увеличение содержания кремния (от 0,1 до 1,4 %), хрома (от 0,1 до 2,5 и 4.83 % для темной и светлой фаз, соответственно) и марганца (от 0,7 до 2,7 и 4.65 % для темной и светлой фаз, соответственно) по сравнению с исходным состоянием металла основы, как в темной фазе, так и в светлой.



Рисунок 3.9 - Распределение легирующих элементов Si, Cr, Mn по слоям наплавочных материалов, полученных под флюсами ФК-45, и исходного состояния металла основы из стали 45

При сравнении распределения легирующих элементов по слоям наплавочных материалов, полученных под флюсами ФК-45 и ФЦ-16 и исходного состояния металла основы из стали 45 (см. рисунок 3.10), видим, что наплавочные материалы, полученные под флюсами ФК-45, имеют концентрацию легирующих элементов больше, чем наплавочные материалы, полученные под флюсами ФЦ-16, и больше по сравнению с исходным металлом основы из стали 45.



Рисунок 3.10 - Распределение легирующих элементов по слоям наплавочных материалов, полученных под флюсами ФК-45 и ФЦ-16 и исходного состояния металла основы из стали 45

Таким образом, проведены комплексные исследования на макро-, микро- и субмикроскопическом уровне структуры наплавочных материалов, зоны сплавления и исходного металла основы из стали 45 с шагом 2мм на глубину 18 мм от поверхности, послойное изучение наплавочного материала из стали с мартенситно-аустенитной и перлито-ферритной структурой. В обоих случаях формировалась регулярная структура с твёрдыми зёрнами с мартенситной структурой или перлита, оконтурованными мягкой фазой из аустенита или феррита, соответственно. По сечению наплавочного материала именно мягкая фазовая составляющая претерпевала наиболее существенные изменения.

В наплавочных материалах с перлито-ферритной структурой с помощью просвечивающей электронной микроскопии, РСА, измерения микротвёрдости, показано, что в зоне сплавления (жидкофазного превращения) со стороны металла основы происходит растворение цементитных прослоек, увеличение содержания С, Si. Значительные термические напряжения приводят к упрочнению наплавочного материала за счёт формирования верхнего бейнита, имеющего так называемое перистое строение. В верхнем бейните карбидные частицы выделяются в виде изолированных узких полосок между пластинами феррита или по границам и внутри пластин (превращения мягкой ферритной фазовой составляющей в неравновесный феррит пересыщенный Si с микротвёрдостью 5500 МПа).

Показано, что во 2 слое границы раздела зёрен являются местами формирования микротрещин. В перлитной структуре, вдоль пластин феррита обнаружены прослойки остаточного аустенита, в результате твёрдофазного превращения, значительное разупрочнение материала наплавки.

Показано, что в 4 слое наплавленного материала происходит дробление, распад, частичная сфероидизация прослоек цементита, подстройка дислокационными стенками оборванных прослоек. При этом происходит повторное упрочнение материала, обусловленное формированием дислокационной субзёренной структуры и формированием нижнего бейнита, упрочнение ферритной составляющей за счёт формирования дислокационной структуры и снятия внутренних напряжений. Нижний бейнит имеет игольчатое, мартенситоподобное строение, его трудно отличить от структуры отпущенного мартенсита. В нижнем бейните карбидные кристаллы находятся преимущественно внутри пластин альфа-фазы. Альфа-фаза бейнита образуется в результате мартенситного превращения (отсюда перистое или игольчатое строение бейнита) и представляет собой несколько пересыщенный твердый раствор углерода в -железе.

Таким образом, впервые с помощью просвечивающей электронной микроскопии подробно изучены процессы структурно-фазовых превращений в различных наплавочных слоях с феррито-перлитной структурой.

4. Экономический анализ

4.1 Общие положения

Методология подхода к оценке экономической эффективности дипломных проектов использует теоретические положения и практические примеры «Методических рекомендаций по оценке эффективности инвестиционных проектов» (в редакции 2000 года).

Инвестиции - относительно новый для нашей экономики термин. В бытность плановой экономики использовалось понятие «капитальные вложения».

Инвестиционный проект - это долгосрочный календарный план вложения средств в такие активы, как оборудование, здания, земля и т.п. и получение прибыли от этих вложений.

В терминах финансового анализа данный процесс характеризуется двухсторонним потоком платежей - положительные члены соответствуют доходу, отрицательные члены отражают инвестиционные вложения для осуществления инвестиционного проекта.

При оценке эффективности реальных инвестиций используются следующие базовые принципы:

1) Оценка возврата инвестиционного капитала на основе показателя денежного потока (кэш-фло), формируемого за счет сумм чистой прибыли и амортизационных отчислений в процессе осуществления инвестиционного проекта. При этом показатель денежного потока может дифференцироваться по отдельным годам осуществления инвестиционного проекта.

2) Дисконтирование, то есть приведение к настоящей стоимости, как инвестиционного капитала, так и сумм денежного потока.

3) Обоснование и выбор ставки дисконтирования (дисконтной ставки). Боле высокая ставка применяется по проекту с большей продолжительностью реализации.

4) Вариация форм используемой ставки процента для дисконтирования в зависимости от целей оценки.

В качестве ставки процента, выбираемой для дисконтирования, могут быть использованы: средняя депозитная или кредитная ставка; индивидуальная норма доходности инвестиций с учетом инфляции, уровня риска и уровня ликвидности инвестиций и т.п.

Основой для расчета показателей эффективности инвестиции является «План денежных потоков». Это связано с тем, что анализ денежных потоков (кеш-флю) лежит в основе классических методов инвестиционного анализа и используется в наиболее известных методиках планирования и оценки инвестиционных проектов (например, в «COMFAP» INIDO).

Деятельность предприятия принято разделять на три основные функциональные области: операционную (производственную); инвестиционную; финансовую. Поэтому в «Плане денежных потоков» показываются притоки и оттоки денежных средств от всех этих видов деятельности. [98, 99]

4.2 Методология подхода к оценке экономической эффективности

В соответствии с Методическими рекомендациями оценка эффективности инвестиционных проектов предусматривает расчет следующих показателей:

4.2.1 Чистый дисконтированный доход (ЧДД)

Представляет собой сумму денежных потоков за весь расчетный период (Т), приведенную к начальному шагу:

ЧДД= (1) , где

- чистая прибыль, полученная в t-ом году от реализации инвестиционного проекта;

- амортизационные отчисления в t-ом году;

- инвестиции, необходимые для реализации проекта в t-ом году;

Е - норма дисконта (является экзогенно задаваемым основным экономическим нормативом) - это коэффициент доходности инвестиций;

- коэффициент дисконтирования в t-ом году, позволяет привести величины затрат и прибыли на момент сравнения (t).

Если ЧДД > 0, проект следует принимать;

ЧДД = 0, проект ни прибыльный, ни убыточный;

ЧДД < 0, проект убыточный и его следует отвергнуть.

Основой для исчисления ЧДД является «План денежных потоков», который использует метод анализа денежных потоков («кэш-фло»). [98, 99]

4.2.2 Индекс доходности инвестиций (ИД).

Представляет собой отношение сумм приведенного дохода (прибыли) к величине дисконтированных инвестиций (K_t) по всем периодам:

Если ИД > 1 - проект эффективен;

ИД < 1 - проект неэффективен.

В отличие от ЧДД индекс доходности является относительным показателем, что позволяет осуществлять выбор одного проекта из ряда альтернативных, имеющих приблизительно одинаковое значение ЧДД. [98, 99]