ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ УПРОЧНЁННОГО НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.04

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-245-246

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ УПРОЧНЁННОГО НАПЛАВЛЕННОГО

МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯ

А.Е. Хачкинаян, К.С. Фисенко

В статье рассмотрено назначение сурьмы, графита, колмоноя, карбида вольфрама в легированном флюсе и во флюсе АН-348А при наплавке деталей. Описывается состав легированного флюса, технология его приготовления, режимы наплавки деталей. Излагается влияние введения сурьмы, графита, колмоноя, карбида вольфрама в легированный флюс и во флюс АН-348А на качество, физико-механические свойства и износостойкость наплавленного металла. Рассмотрено влияние усилия накатки роликами горячего наплавленного металла на его износ, коэффициент трения и интенсивность изнашивания.

Ключевые слова: наплавленный металл, легированный флюс, флюс АН-348А, сурьма, графит, колмоной, карбид вольфрама, усилие накатки, пластичность, износостойкость, трение, коэффициент трения, интенсивность изнашивания.

Износостойкость наплавленного металла при работе детали в условиях сухого трения при знакопеременном скольжении с переменным нагружением, можно повысить за счёт увеличения его пластичности при неизменной поверхностной твёрдости, в результате нанесения электродуговой наплавкой под слоем легированного флюса с добавкой сурьмы [1].

От состава флюса и режима наплавки во многом зависит содержание легирующих элементов в наплавленном металле. При наплавке цилиндрических деталей из стали 45 проволоками Св-08Г2С, Нп30ХГСА, пружинной проволокой 2-го класса, широкое применение нашел высококремнистый высокомарганцевый флюс АН-348А (91,5.. .94,5 массы, %) с добавками в качестве легирующих компонентов 2,0.. .2,5 % порошкового феррохрома № 6 и 2,5...3,0 % порошкового графита. Введение дополнительно в состав легированного флюса сурьмы способствует получению мелкозернистого однородного по структуре металлопокрытия, стабилизации распределения твёрдости, повышению пластических свойств, что позволяет получить износостойкий наплавленный металл, не обладающий склонностью к схватыванию [2, 3].

Приготовление легированного флюса: компоненты (2.3 % сурьмы, 2,0.2,5 % порошкового феррохрома, 2,5.3 % графита и остальное флюс АН-348А) тщательно перемешивают в смесительной камере. В массу выливают 0,5.0,7 части (по объёму в литрах) жидкого стекла. Затем массу снова перемешивают. Смесь просушивают в термической печи при 500 °С в течение 3 часов. Далее флюс просеивают через сито с 9 отв./см2 [4].

Наплавка детали из стали 45 диаметром 80 мм осуществлялась универсальной наплавочной головкой на модернизированном токарном станке. Режим наплавки: частота вращения детали - 3 об/мин, сварочный ток -140.150 А, напряжение - 20.23 В, скорость подачи проволоки диаметром 1,6 мм марки Св-08Г2С - 1,36 м/мин, шаг наплавки - 4 мм/об. детали. Легированный флюс с добавкой сурьмы.

Химический состав металлопокрытия определяли на квантовакуумном приборе (углерод - 0,48 %; хром -0,42 %; марганец - 1,3 %; кремний - 0,63 %; свинец - 0,43 %), поверхностная твёрдость металлопокрытия вдоль детали (от 5 до 60 мм) составляет 43.47 НЕС, микротвёрдость на глубине 0,05 мм наплавленного слоя и по длине наплавленной поверхности (от 5 до 60 мм) - составляет 44.46 МПа, пластичность наплавленного металла составляет 15,5.19,7 % [5-7].

Исследования структуры наплавленного металла на металлографическом микроскопе показали, что металл, наплавленный проволокой Св-08Г2С под специальным легированным флюсом с добавкой сурьмы, имеет измельчённую структуру мелкоигольчатого троостосорбида дендритной ориентации с остаточным аустенитом. Структура однородна по длине детали и глубине наплавленного слоя. Шлаковые и металлические включения отсутствуют [8, 9].

Исследование износостойкости металлопокрытий производили на установке, моделирующей процесс трения и износа узла гасителя колебаний тележки втулка-сухарь при возвратно-поступательном движении и переменном нагружении. Режим испытания на износ и трение: знакопеременное скольжение образцов и контробразцов с переменным давлением от 0 до 3 МПа; контробразец - сталь 45; частота реверсирования 1,6 с-1; амплитуда перемещения образца 60 мм; цикл испытаний 120 мин. Износ наплавленного металла находится в пределах 13.16 мг, а коэффициент трения в пределах 0,43.0,46 [10, 11].

Проведённые испытания показали [1-3], что сварочная дуга при наплавке деталей под легированным флюсом с добавкой 2.3 % сурьмы горит устойчиво. Формирование шва мелкочешуйчатое. Флюсовый шлак легко удаляется с поверхности детали. При этом введение сурьмы во флюс в большем количестве (чем 3 %) затрудняет снятие с наплавленного металла шлаковой корки флюса. Этот флюс позволяет повысить пластичность металлопокрытия в 3.4 раза при практически неизменной поверхностной твёрдости, уменьшить износ образцов в 1,2.1,6 раза, коэффициент трения в 1,1.1,2 раза, получить однородную измельченную структуру и равномерную по длине детали и глубине металлопокрытия твёрдость до 50 НЕС, улучшить прирабатываемость сопряженных поверхностей трения, уменьшить количество задиров. Повышение пластичности при высокой твёрдости металлопокрытия является резервом повышения износостойкости деталей, работающих при сухом или абразивном трении, особенно для деталей, эксплуатируемых при низких температурах.

Абразивный износ деталей является результатом действия абразивной среды на поверхности трения. Для получения износостойких металлопокрытий применяется широкая номенклатура наплавочных материалов. Наибольшее распространение при наплавке стальных цилиндрических деталей имеет высококремнистый марганцовистый флюс АН-348А, обеспечивающий хорошую защиту сварочной ванны, малую склонность к образованию трещин в металлопокрытии, хорошую отделимость шлаковой корки. Но из легирующих элементов флюс АН-348А содержит лишь марганец и кремний, что мало способствует повышению износостойкости наплавленного металла при абразивном износе [6].

Обороты | ю.чпкн

I-1-1-I-1-1---4-Н-1---Н--1

О 2 А 6 8 10 12 14 1« 18 20

Путь трения, км

Рис. 1. Влияние усилия накатки роликами наплавленного металла на его износ от пути трения: 1 - наплавка без накатки; 2, 3, 4, 5 и 6 - наплавка с накаткой роликами соответственно с усилием 5; 7,5; 10;

12,5 и 15 кН

0 4 8 12 16 20

Путь треиия. км

Рис. 2. Влияние усилия накатки роликами наплавленного металла на коэффициент трения от пути трения: 1 - наплавка без накатки; 2, 3, 4, 5 и 6 - наплавка с накаткой роликами соответственно с усилием 5; 7,5; 10;

12,5 и 15 кН

От состава флюса и режима наплавки деталей во многом зависит содержание легирующих элементов в наплавленном металле. Наплавка деталей из стали 45 проволокой Св-08А с использованием флюса АН-348А (73,3 % массы) с добавками в качестве легирующих компонентов 1,7 % графита, 10 % колмоноя, 15 % карбида вольфрама способствует повышению их износостойкости. Графит, добавляемый во флюс, способствует образованию закалочной структуры - мартенсита при охлаждении наплавленного металла на воздухе. Введение колмоноя способствует увеличению аустенитной фазы в наплавленном металле, повышает его твёрдости и прочности, не снижая вязкости. Карбит вольфрама, являющийся высокоизносостойким материалом прочно удерживается в виде твёрдых включений в аустенитно-мартенситной матрице, которая образуется при наплавке проволоки Св-08А.

Компоненты легированного флюса (15 % карбида вольфрама, 10 % колмоноя, 1,7 % графита, остальное флюс АН-348А) тщательно перемешивают в смесительной камере с добавлением 0,5...0,6 части (по объёму в литрах) жидкого стекла до получения увлажнённой массы, которую просушивают в термической печи при 500.600 °С в течение 3.3,5 часов. Далее флюс просеивают через сито с 9 отв./см2.

Наплавка цилиндрических деталей из стали 45 диаметром 58 мм осуществлялась универсальной наплавочной головкой на модернизированном токарном станке. Сварочная проволока Св-08А диаметром 1,6 мм. Режим наплавки: сварочный ток - 160.170 А; напряжение - 21.23 В; скорость подачи проволоки - 0,026 м/с; частота вращения детали - 3 мин -1; шаг наплавки - 4 мм/об. детали. Флюс легированный.

Химический состав наплавленного металла, определённый на квантовакуумном приборе (%): углерод -0,5.0,52; марганец - 1,2.1,4; кремний - 0,8.0,82; хром - 0,6.0,62; никель - 5.5,2; бор - 0,02. Поверхностная твёрдость наплавленного металла вдоль детали составляет 56.57 НЕС.

Исследования микроструктуры наплавленного металла на металлографическом микроскопе показали [1], что структура металла, наплавленного проволокой Св-08А под флюсом АН-348А с добавками графита, карбида вольфрама и колмоноя - аустенитно-мартенситная матрица с распределёнными в ней карбидами вольфрама твёрдостью Н100 2220 кгс/мм2. Количество карбидов вольфрама в наплавленном металле составляет 8.10 %, остаточного легированного аустенита с твёрдостью Н100 550.600 кгс/мм2 - 30.35 %.

Относительную износостойкость металлопокрытия исследовали на машине трения по схеме диск-колодка. Из наплавленных деталей диаметром 60 мм вырезали образцы в виде роликов шириной 10 мм. В качестве индентора использовали колодки из бронзы. Скорость относительного перемещения трущихся пар - 0,63 м/с. Смазка - масло «Индустриальное-20» с добавлением абразива по весу 5 %. Абразив - кварцевый песок. Смазка подавалась в зону трения обильно, через капельницу по 5.6 капель в минуту. Среднее удельное давление в паре трения - 3 МПа. Путь трения 10 тыс. метров с поцикловым замером износа через 2 тыс. метров. Износ образцов и индентора измеряли аналитическими весами [12].

Исследовали износ образцов из стали 45 термообработанные до твёрдости 54.56 НЕС (эталонные образцы), наплавленные проволокой Св-08А под флюсом АН-348А и образцы, наплавленные проволокой Св-08А под

легированным флюсом (флюс АН-348А с добавками графита, карбида вольфрама и колмоноя). Наплавленные поверхности деталей шлифовали. Шероховатость поверхности равна 1,5 мкм.

Исследования абразивного износа [6, 10] наплавленного металла и эталонных образцов показали, что при электродуговой наплавке стальных деталей проволокой Св-08А под флюсом АН-348А с добавками графита, колмо-ноя, карбида вольфрама (легированный флюс), износостойкость наплавленного металла в 2 раза превосходит износостойкость термообработанной стали 45 (эталонные образцы) и значительно превосходит износостойкость металлопокрытия, наплавленного проволокой Св-08А под флюсом АН-348А без добавок легирующих компонентов. При этом проведённые исследования показали, что технологические свойства легированного флюса АН-348А для электродуговой наплавки соответствует требованиям устойчивости процесса наплавки и качества наплавленного металла. Пор, раковин и трещин в наплавленном металле не обнаружено. Шлаковая корка легко отделяется с поверхности наплавляемых на деталь валиков.

Рис. 3. Влияние усилия накатки роликами наплавленного металла на интенсивность изнашивания в зависимости от пути трения

При исследовании [4] влияния накатки роликами наплавленного металла на износостойкость из наплавленной детали при обильном охлаждении вырезали образцы в виде роликов диаметром 60 мм и шириной 10 мм. Для получения более интенсивного изнашивания, в качестве контртела применялись колодочки из чугуна, а для полного прилегания поверхностей колодочки притирались и проверялись краской на прилегание к сопрягаемым образцам.

Виды изнашивания зависят от скорости скольжения, а износ - от удельного давления. На износостойкость оказывают влияние род и характер трения; форма, размеры и состояние поверхностей; скорость трущихся пар; удельное давление; смазка; температурные условия.

В качестве смазки применяли масло «индустриальное 20», которое подавалось в зону трения по капле в две минуты. Образцы и контробразцы промывались в трех различных авиационных бензинах, просушивались при температуре 80 °С в течение 10 мин., и после охлаждения до комнатной температуры взвешивались. Износ определяли с точностью до +0,1 мг. Скорость перемещения трущихся пар 1,57 м/с. Температура в зоне трения замерялась в момент остановки машины трения переносной медно-константановой термопарой с помощью потенциометра.

Исследования показали (рис. 1, 2), что накатка наплавленного металла с усилием на ролики 5 кН повышает износостойкость металлопокрытия на 28 %, с усилием 7,5 кН - на 61 %, а с усилием 10 кН - почти на 100 %. Коэффициент трения у накатанных образцов, меньше, чем у наплавленных. На пути трения, образцы без накатки нагревались до 135.155 °С, накатанные с усилием 5 кН - до 127.128 °С, с усилием 7,5 кН - до 120.123 °С, с усилием 10 кН - до 112.114 °С, а с усилием 12,5.15 кН - до 107.108 °С. После 20 тыс. м пути трения при удельном давлении 7,5 МПа у образцов, наплавленных без накатки, на поверхности трения видны следы кавитации металла в виде темных пятен и глубоких борозд, а наплавленных с накаткой роликами с усилием 10 кН поверхность трения находится в хорошем состоянии [7].

Интенсивность изнашивания накатанного металла уменьшается (рис. 3). При дальнейшем увеличении усилия накатки износостойкость повышается незначительно. Коэффициент износостойкости упрочненных с усилием до 10 кН наплавок понижается до 0,5. Дальнейшее увеличение усилия не способствует уменьшению коэффициента износостойкости.

Список литературы

1. Бойко Н.И. Зиновьев В.Е., Хачкинаян А.Е. Технические средства и методы повышения долговечности деталей транспортных машин: монография. Ростов н/Д: РГУПС, 2003. 238 с.

2. Бойко Н.И., Хачкинаян А.Е., Бойко Т.А. Исследование технологии повышения качества наплавленного металла деталей поверхностным пластическим деформированием: монография. Ростов н/Д: РГУПС, 2015. 193 с.

3. Бойко Н.И. Повышение износостойкости металлопокрытия // Труды Международной научно-практической конференции «Транспорт-2014». Часть 2. Технические науки. Рост. гос. ун-т. путей сообщения. Ростов-на-Дону. 2014. С. 219-220.

4. Хачкинаян, А.Е. Влияние накатки роликами горячего наплавленного металла на износостойкость / А.Е. Хачкинаян // Труды Международной научно-практической конференции «Транспорт-2014». Часть 2. Технические науки. - Рост. гос. ун-т. путей сообщения. Ростов-на-Дону. 2014. С. 254-256.

5. Бойко Н.И. Управление качеством наплавленного металла / Н.И. Бойко, А.Е. Хачкинаян // Вестник РГУПС. 2014. № 3 (55). С. 8-14.

6. Хачкинаян, А.Е. Повышение износостойкости наплавленного металла при абразивном износе / А.Е. Хачкинаян, Н.И. Бойко // Труды Международной научно-практической конференции «Транспорт-2015». Часть 2. Технические науки. Рост. гос. ун-т. путей сообщения. Ростов-на-Дону. 2015. С. 21-22.

7. Бойко Н.И. Повышение качества поверхности деталей машин ресурсосберегающими технологиями: учебник для вузов. Ростов н/Д: РГУПС, 1995. 254 с.

8. Бойко Н.И. Исследование технологических параметров процесса обкатывания роликами наплавленного металла / Н.И. Бойко, А.Е. Хачкинаян, Г.В. Санамян // Упрочняющие технологии и покрытия. М.: Машиностроение, 2006. № 10. С. 34-37.

9. Бойко Н.И. Ресурсосберегающие технологии повышения качества поверхностных слоёв деталей машин: учебное пособие для вузов на ж.д. транспорте. М.: Маршрут, 2006. 198 с.

10. Бойко Н.И., Хачкинаян А.Е., Бойко Т.А., Коробейников В.В. Исследование влияния упрочняющей обработки горячего наплавленного металла деталей на его трение и изнашивание: монография. Ростов н/Д: РГУПС, 2017. 178 с.

11. Бойко Н.И. Восстановительная наплавка износостойкими материалами с одновременной механической обработкой // Автоматическая сварка. 1984. № 1. С. 59 - 60.

12. Бойко Н.И. Обработка износостойких металлопокрытий: Монография. Ростов н/Д: РИИЖТ, 1986.

178 с.

Хачкинаян Амбарцум Ервандович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения

RESEARCH OF WEAR RESISTANCE OF REINFORCED FACTED METAL COATING A.E. Khachkinayan, K.S. Fisenko

The article considers the purpose of antimony, graphite, kolmonoy, tungsten carbide in the alloyed flux and in the AN-348A flux when surfacing parts. The composition of the alloyed flux, the technology of its preparation, and the modes of surfacing ofparts are described. The influence of the introduction of antimony, graphite, kolmonoy, tungsten carbide into the alloyed flux and into the AN-348A flux on the quality, physical and mechanical properties and wear resistance of the deposited metal is described. The effect of rolling force on hot deposited metal by rollers on its wear, friction coefficient and wear intensity is considered.

Key words: deposited metal, alloyed flux, AN-348A flux, antimony, graphite, kolmonoy, tungsten carbide, knurling force, plasticity, wear resistance, friction, friction coefficient, wear rate.

Khachkinayan Ambarzum Ervandovich, сandidate of technical sciences, docent, ambarzum21 @yandex. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,

Fisenko Konstantin Sergeevich, сandidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University

УДК 620.179.14

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-248-249

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Ю.А. Захаренко, А.П. Морозова, Д.О. Чуваева, С.А. Войнаш, М.В. Тарабан, В.А. Соколова

Целью исследования является разработка сверхминиатюрного вихретокового преобразователя, предназначенного для исследования электропроводности тонких электропроводящих пленок. Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью оценки свойств тонких пленок, используемых в научных исследованиях и промышленности. Показана возможность изучения электропроводности тонких пленок металлов по значению амплитуды сигнала вихретокового преобразователя. Разработан сверхминиатюрный вихретоковый преобразователь трансформаторного типа, позволяющий эффективно локализовать электромагнитное поле и производить локальные измерения. Удельная электропроводность исследуемых образцов определялась с помощью тестовых данных, полученных при измерениях образцов с известной электропроводностью.

Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, пленки, электрическая проводимости, медь.

Научно-техническое направление, связанное с получением и применением тонких металлических пленок, за последние десятилетия приобрело стремительный рост и во многих отраслях современного приборостроения занимает ключевые позиции [1]. В настоящее время, использование тонких пленок в микроэлектронике, СВЧ-технике, оптике и многих других отраслях науки и техники открывает перспективы создания и совершенствования не только новых приборов, а и целых новых технологических направлений. Тонкопленочные проводящие структуры на основе различных специальных проводящих пленок и покрытий применяются в электронной промышленности при производстве интегральных схем, используются в авиационной и космической технике, находят применение как отражающие покрытия в оптике и микроволновой технике.

Анализ работ [2-4] показал, что наиболее простым, и в тоже время эффективным и высокопроизводительным при непрерывном автоматическом неразрушающем контроле тонких пленок, является метод вихревых токов (МВТ). Он основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящей пленке (Рис.1). Однако в данных работах не удалось обеспечить приемлемую локальность контроля.