книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

ся и при дальнейшей работе керна (исключая период замочки "в во­ де) мало различаются между собой.

Параллельно с осциллографической записью динамики измене­ ния температуры по сечению кернов в период работы клещевого крана максимальная температура разогрева различных участков определялась металлографическим методом путем анализа твердос­ ти и микроструктуры образцов, запрессованных в эксплуатируемый керн, и сравнения полученных показаний с эталонными. Как уже указывалось, при этом методе невозможно определение температу­ ры в различные моменты времени; в то же время максимальная температура разогрева различных участков сечения устанавливает­ ся достаточно точно.

Закаленные образцы диаметром 8 и высотой 18 мм запрессовы­ вали в керны клещевых кранов в плоскостях, аналогичных плоско­ стям, в которых запрессовывали диски (рис. 9.44). В процессе ра­ боты крана запрессованные образцы находятся под влиянием температурных воздействий, нагреваясь и охлаждаясь совместно с

тверждает точность полученных в настоящем исследовании осцил­ лограмм.

Из приведенных данных видно, что в процессе работы кернов клещевых кранов имеет место циклическое изменение температуры.

300—400° С. Несколько меньше колеблется температура внутренних слоев керна. В результате циклического изменения температуры возникают значительные термические напряжения. Суммируясь с фазовыми и с напряжениями от действующих нагрузок, они превы­ шают предел прочности отдельных микрообъемов, в результате чего образуются трещины разгара. Развитая сетка разгара способствует интенсивному износу и, как следствие, смятию, притуплению и вы­ браковке кернов.

Для выбора оптимального состава наплавленного слоя, а зна­ чит, типа электродного материала, которым целесообразно наплав­ лять заготовки для кернов клещевых кранов, для установления тех­ нологии упрочняющей обработки представлялось рациональным определить термостойкость и износостойкость различных материа­ лов при температурных изменениях, близких к изменениям в реаль­ ных кернах в процессе эксплуатации.

Исследование сопротивления различных материалов термической усталости в условиях, аналогичных температурным изменениям в кернах клещевых кранов, проводили на образцах из стали марки 45 диаметром 30 мм и высотой 40 мм. Образцы подвергали наплавке

450

следующими материалами: ЭИ701, Х18Н9Т, ЗОХГСА, 60ХГ, сормайтом № 1 и электродами Т-590 и Т-620. Режим наплавки, химический состав и твердость наплавленного металла во 2-м слое приведены в табл. 9.7. Помимо этого, изготовляли образцы такого же размера из стали следующих марок: 45, 40Х, ЗОХГСА, ЗХ2В8Ф, 6ХВ2С. Эти образцы испытывали без наплавки.

Образцы нагревали в электрической печи с температурой 1100° С, после чего охлаждали на воздухе или в воде. Время выдерж­ ки в печи, на воздухе и в воде строго регламентировали. Этим усло­ вия нагрева и охлаждения образцов приближались к условиям тем­ пературных изменений кернов клещевых кранов в реальных услови­

отверстиями глубиной 26 и диаметром 1,5 мм: одно отверстие по оси образца, два других — на расстоянии соответственно 4 и 10 мм от поверхности. В отверстия вводили платинородий-платиновые термо­ пары. Горячий спай одной из термопар крепился на поверхности образца. Провода от термопар соединяли с клеммами 14-канального осциллографа Н-700. Построенные по этой методике кривые измене­

бой момент времени легко установить по этим кривым в зависимос­ ти от времени нагрева и режима охлаждения образцов. Анализ кривых показывает, что режимами, вызывающими наибольшие тем­

как известно, являются высокие термические напряжения. Высокие температуры поверхности, развивающиеся при испытании по режи­

напряжений. В результате после определенного числа циклов термо­ смен на поверхности образцов возникают трещины.

В процессе циклических испытаний через каждые 25—30 циклов образцы подвергали глубокому травлению. При этом измеряли об­ разцы по сечению и высоте, а также производили другие необходи­ мые измерения. Момент появления трещин разгара устанавливали визуально. Появление трещин после определенного числа циклов служило основным критерием сопротивления стали термической ус­ талости.

Результаты испытаний на термическую усталость приведены на рис. 9.46. Здесь приведены лишь средние результаты испытания се­ рии образцов. Разброс результатов отдельных испытаний достигал 20%.

На поверхности всех образцов после определенного числа цик­ лов нагрева и охлаждения образуются мелкие трещины. В последу­ ющем они развиваются и пересекаются, образуя замкнутую сетку разгара на боковой и торцовой поверхностях. Термостойкость на-

453

плавленных слоев неодинакова. Максимальную термостойкость об­ наружили образцы, наплавленные проволокой ЭИ701 (состав на­ плавленного слоя соответствует ЗХ2В8Ф и Х18Н9Т). Наплавка другими материалами (ЗОХГСА, 60ХГ) и особенно ручная наплавка сормайтом № 1, Т-590 и Т-620 вызывает резкое снижение термостой­ кости. Минимальная термостойкость отмечается при испытании по последним жестким режимам, отвечающим температурным услови­ ям реальной работы кернов клещевых кранов. Ненаплавленные об­ разцы из разных материалов характеризуются более высокой тер­ мостойкостью. По-видимому, в процессе наплавки без подогрева, особенно при ручной наплавке, в наплавленном слое образовались многочисленные микротрещины, которые являлись потенциальными очагами образования сетки разгара и разрушения образцов.

Понятно, что общая стойкость кернов определяется, помимо со­ противляемости термической усталости, еще и прочностью, твердо­ стью и износостойкостью при комнатной и повышенных темпера­ турах.

Износостойкость при комнатной температуре определяли на ма­ шине МИ-1М по известной методике [152]. Неподвижные образцы (сухарики) изготовляли из стали марки ШХ9 с термообработкой на

такого базиса, отвечающего ощутимому износу образцов, было при­ нято 50 000 циклов. Испытанию на износ подвергали наплавленные материалы, химический состав, режим наплавки и твердость кото­ рых представлены в табл. 9.7.

Износ подвижных образцов представлен на рис. 9.47. Из рис. 9.47 видно, что минимальной износостойкостью обладают образцы, на­ плавленные углеродистой сталью. Чем больше углерода в стали, тем износостойкость выше. Особенно высока износостойкость образцов, наплавленных твердыми сплавами. Здесь менее изнашиваются об­ разцы, в наплавленном слое которых содержатся бор и титан (на­ плавленные электродами Т-590 и Т-620). Образцы, наплавленный слой которых состоит из нержавеющей стали, характеризуются от­ носительно невысокой износостойкостью. Износостойкость наплав­ ленного слоя хорошо коррелирует с его твердостью. В большинстве случаев чем выше твердость поверхности, тем более износостойки образцы. Исключение составляют нержавеющие стали, износостой­ кость которых при комнатной температуре имеет свои особенности. По-видимому, это связано с аустенитной структурой этих сталей, формирующейся в процессе наплавки.

Твердость наплавленного металла является наиболее простым показателем, в определенной мере характеризующим сопротивление износу при высоких температурах. В качестве установки для опре-

454

деления твердости наплавленного металла при повышенных темпе­ ратурах нами использован специально переоборудованный прибор Бринелля. На приборе устанавливали обычную электрическую на­ гревательную печь с изоляцией. Печь обеспечивала широкий диапа­ зон температур нагрева образцов —вплоть до 900° С. Образцы вставляли в специальные пазы, изготовленные в подвижной штанге. Этим обеспечивалась удовлетворительная центровка образцов. Тем­ пературу контролировали с помощью хромель-алюмелевой термо­ пары, прижимающейся к поверхности образца. Специальный экран уменьшал нагрев нагружающего устройства. Твердость замерялась индентором, изготовленным в виде шарика диаметром 10 мм из сплава ВКЗ . Замену индентора при высоких температурах произво­ дили после испытания нескольких образцов. Твердость замеряли на всех образцах, химический состав которых приведен в табл. 9.7. Ис­ пытания проводили в широком интервале температур от комнатной до 850° С (через 100°). Нагрузка на индентор, составляющая 30 кн (3000 кГ), подавалась при достижении образцом заданной температуры нагрева.

Результаты испытания представлены на рис. 9.48. Из анализа по­ лученных кривых следует, что для большинства наплавок твердость вплоть до 400° С практически не изменяется. Твердость наплавлен­ ного металла при этих температурах с ростом содержания углерода повышается тем больше, чем ниже температура испытания. При бо­ лее высоких температурах наплавленный металл несколько разупрочняется. При температурах выше 700° С твердость наплавленного металла в большинстве случаев с ростом содержания углерода уменьшается. Значительное влияние на температуру разупрочнения наплавленного слоя оказывают легирующие элементы. Введение в сплав вольфрама резко повышает эту температуру. Положительное влияние на температуру разупрочнения оказывают также хром и ванадий. Комплексное легирование наплавленного металла этими элементами повышает температуру разупрочнения на 100 и более градусов. Введение же никеля в наплавленный слой практически не изменяет эту температуру. Лучше других ведут себя образцы, в на­ плавленный слой которых входит бор. Так, абсолютное значение твердости при всех температурах у образцов, наплавленных элек­ тродами Т-590 и Т-620, в наплавленный слой которых входит бор, значительно выше. Твердость сохраняется достаточно высокой вплоть до температуры 800° С.

Износостойкость наплавленного металла при повышенных тем­ пературах определяли на установке конструкции ЦНИИТМАШа с возвратно-поступательным ходом ползуна, несущего испытуемые образцы. В качестве сопряженной с образцами пары служил стер­ жень трения, изготовленный из быстрорежущей стали, который на­ гревался до температур 400, 600 и 840° С. Скорость скольжения об­ разца составляла 9,95 м/мин; удельное давление на трущиеся по­ верхности 15 Мн/м2 (1,5 кГ/мм2). Исследуемые материалы наплавляли на рабочую поверхность подвижных образцов, после чего проводили соответствующую термическую и механическую об-

455

работку (включая шлифовку). Сложность механической обработки затрудняла изготовление образцов, наплавленных твердыми спла­ вами, поэтому высокотемпературный износ некоторых сплавов не изучали. Испытание на износ продолжалось в течение трех часов. После каждого часа испытаний образцы снимали, промывали авиа-

Рис. 9.46. Термостойкость образцов, имитирующих керны клещевых кранов, при испытании по режи­ мам /—VI:

ционным бензином и взвешивали. Критерием износостойкости слу­ жила величина потери в массе образца при данной продолжитель­ ности испытаний.

Результаты испытания некоторых из наплавленных образцов на изнашивание при повышенных температурах приведены на рис. 9.49. Видно, что максимальной износостойкостью при температуре стерж­ ня трения 840° С обладают образцы, наплавленная поверхность ко­ торых характеризуется по преимуществу однофазной аустенитной структурой (Х18Н9Т и ЭИ613). Трехчасовое истирание этих образ-

456

цов при температуре 840° С лишь незначительно уменьшило их мас­ су. Высокой износостойкостью при этой температуре характеризует­ ся и слой состава ЗХ2В8Ф, полученный в результате наплавки образцов проволокой ЭИ701. Отмечается равномерное монотонное снижение массы по мере увеличения длительности испытания образ-

а)

360

300

цов. Слои, наплавленные проволокой ЗОХГСА и 2X13, при двухчасо­ вой работе образца имеют высокую износостойкость; дальнейшее увеличение длительности испытания резко увеличивает износ. Угле­

458