CC BY
10
выполняется уже значительно более простая операция сравнения чисел.
7. Заключение
Сложно переоценить преимущества, которые получает предприятие, вставшее на путь развития культуры работы с информацией. Создание аналитического хранилища позволяет более чем в 25 раз увеличить скорость выгрузки данных из системы. Внедрение BI инструментов снимает ограничения на объем анализируемой информации и позволяет организовать единый источник данных для всех уровней отчетности.
8. Список литературы
[1] Толдыкина Е. В., Кудинов А. В. Разработка архитектуры и программных средств витрин данных для предприятия нефтегазовой отрасли //Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2009. -Т. 315. - №. 5.
[2] Жучков Д. В. Применение технологии хранилищ данных в территориальных органах управления здравоохранением //Материалы IV
УДК 621.193.722
Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и
информационным технологиям.-Красноярск: ИВМ СО РАН. - 2003.
[3] Матвиенко Е. Н. Решение аналитических задач с использованием SAP Hana //Математика и информационные технологии в нефтегазовом комплексе. - 2014. - №. 1.
[4] Рогозов Ю. И. и др. Подход к реализации БД со статической структурой на основе модели данных EAV //Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2010. - Т. 103. - №. 2.
[5] https://oracle-patches.com/db/3207-альтернативные-модели-данных-и-подходы
[6] Янников И. М. и др. База данных средств физической защиты потенциально опасных объектов //Интеллектуальные системы в производстве. - 2017. - Т. 15. - №. 1. - С. 122-125.
[7] Паклин Н. Б., Орешков В. И. Консолидация данных — ключевые понятия //Бизнес-аналитика: от данных к знаниям. - 2009.
ОПТИМИЗАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ НИОБИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ _ГАЗОТЕМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ_
DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2020.2.70.538 Москвитина1 Л.В., канд.техн.наук, Москвитин1 С.Г., канд.геол-минер. наук, Васильев2 С.В.
Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН1, Институт проблем нефти и газа СОРАН2 677007, г. Якутск, Россия.
АННОТАЦИЯ
В связи с разработкой инновационного федерального проекта по разработке Томторского ниобий-редкоземельного месторождения Якутии актуальны технологии потребления ниобия и РЗМ на внутреннем рынке России. Проведено исследование оптимизации содержания ниобия в качестве модификатора с целью повышения износостойкости фрикционного покрытия и сбалансированности трения в паре: модифицированное покрытие - металлическое контртело. Рассмотрены содержания ниобия в шихте порошковых проволок от 0,1 до 5% масс. Рентгеноспектральным анализом и сканирующей растровой электронной микроскопией изучены составы и структуры износостойких покрытий.
Трибологические исследования показали, что содержание в порошковой проволоке ниобия от 1% до 5% обеспечивает высокую износостойкость и в то же время потери массы образцов и контртел сбалансированы, что обусловлено измельчением микроструктуры и повышением однородности микромеханических свойств.
ABSTRACT
In this work, the compositions of the charge of experimental flux-cored wires for the technology of electric arc metallization are developed. As modifying additives selected powders of niobium Nb content in the charge flux-cored wire is 0,1%, 0,3%, 1% and 5% by weight.X-ray spectral analysis and scanning scanning electron microscopy studied the composition and structure of wear-resistant coatings.
Tribological studies have shown that the wear of the samples is reduced by an order of magnitude, starting with the addition of 0.3% niobium. When the content of niobium powder wire 1% and 5% wear resistance remains high, but the mass loss of samples and counterbody are balanced, due to the grinding of the microstructure and increased uniformity of the micromechanical properties.
Ключевые слова: электродуговая металлизация, модификатор, износостойкое покрытие, микротвердость, износ, шероховатость, ниобий, карбиды, бориды.
Keywords: electric arc metallization, modifier, wear-resistant coating, microhardness, wear, roughness, niobium, carbides, borides.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время разрабатывается федеральный проект по разработке Томторского ниобий-редкоземельного месторождения Якутии. Одним из разделов проекта предлагается разработка технологий внутреннего использования ниобия в технике России.
В условиях Севера рабочие детали горнодобывающей техники быстро изнашиваются. В основном восстановлению подвергаются в условиях мастерских шейки коленвалов и распредвалов машин и другой горнодобывающей техники. По технико-экономическим показателям для ремонтного производства наиболее доступным и перспективным является технология электродуговой металлизации порошковыми проволоками.
В газотермических технологиях нанесения износостойких покрытий в основном используются самофлюсующиеся сплавы на никелевой или кобальтовой основе и их смеси с модификаторами из тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, оксидов и др., которые обеспечивают образование упрочняющих фаз и улучшают структуру покрытия [4-5].
Известно, что износостойкость покрытий в значительной степени определяется составом, количеством, дисперсностью и распределением карбидов и неметаллических включений [6]. Для измельчения структуры и более равномерного распределения карбидной фазы в качестве модификаторов также используют элементы, обладающие высоким химическим сродством к углероду - ниобий, титан, цирконий. Исследование влияния тугоплавких модификаторов на плазмохимические реакции является актуальной задачей для целенаправленного достижения заданных свойств композиционного покрытия.
Ниобий, являясь активным
карбидообразователем, обеспечивает
дисперсионное упрочнение матрицы наплавляемых сплавов. Актуальность одного из направлений исследования в данной работе определяется необходимостью комплексного, всестороннего изучения пары трения «модифицированное покрытие - металлическое контртело» с оценкой ее износостойкости, с проведением испытаний на износ, а также с исследованием степени износа обеих контактных поверхностей трения.
Целью данной работы является оптимизация содержания упрочняющего модификатора ниобия на базе износостойкого порошка ПГ-СР4 для повышения износостойкости и обеспечения стабильной работы пары трения
«модифицированное покрытие - металлическое контртело».
Материалы и методика
экспериментальных исследований
В качестве модифицирующих добавок выбраны порошки ниобия, содержание которых в шихте порошковых проволок составляет: 0,1%, 0,3%, 1% и 5% масс. Основу порошкового материала составляет промышленный порошок ПГСР-4 системы Ni-Cr-B-Si,гранулометрический состав -20 - 80 мкм.
Изготовление порошковых проволок с оболочкой из Ст08кп диаметром 1,92мм для технологии электродуговой металлизации проводилось на стане ООО «Веха-1» (г. Комсомольск-на-Амуре). На промышленной установке ЭДУ-500С для электродуговой металлизации были получены образцы покрытий без модификаторов и четыре вида покрытий с данными содержаниями ниобия. Режимы металлизации выбраны из условия устойчивой работы дуги промышленной установки: ток дуги 200-220А, напряжение 38-40 В, дистанция - 150180 мм; толщина покрытий 0,8-1,2мм. Изготовлены образцы с покрытиями 2 видов: призматические -для аналитических исследований и цилиндрические - для испытаний на износ.
Критериями оценки свойства покрытий являются наиболее структурно-чувствительные характеристики форма слоя и частиц, микроструктура, фазовый состав покрытия и микротвердость [17].
Фазовый состав покрытий изучен на рентгеновском микрозондовом анализаторе JEOLJSM-6480LVScanningElectronMicroscope. Испытания на износ модифицированных покрытий проведены по стандартной методике на трибомашине CETR UMT-2 (США) при следующих режимах: схема трения «столбик-диск», нагрузка - 30 Н, частота - 10 оборотов в секунду, трение сухое, продолжительность испытаний - 1 час. В качестве контртел были изготовлены шесть дисков (средний диаметр 71,5 мм, средняя толщина 6,59 мм) из стали 40Х в закаленном состоянии с твердостью -62 HRC. Для исключения влияния начальной технологической шероховатости поверхности покрытий и контртел-дисков предварительно были обработаны шлифованием.
Измерены массовый износ, коэффициенты трения износостойких покрытий в зависимости от времени испытания и содержания модифицирующих добавок. Шероховатость поверхностей трения покрытий определена профилометром Surftest SJ-201P (Mitutoyo, Япония) до и после испытаний на износ. Обработка профилограмм проведена в электронных таблицах Excel с усреднением данных по всей поверхности модифицированных покрытий.
Таблица 1.
Химический состав исходных материалов для порошковой проволоки
Наименование материала Химический состав, %
№ С Мп Сг В Примеси не >
Б Р
ПГ-СР4 эксперимента основа 0,60 - 15 3,50 4 0,04 0,04
Св-08 оболочка порошковой проволоки - 0,1 0,5 0,4 0,2 - - -
Результаты экспериментов и их обсуждение
Микроструктурный анализ покрытий с
идентификацией проведенных микроскопии и показывает, что
фазовых составляющих, посредством оптической электронно-зондового анализа полученные покрытия имеют
неоднородную слоистую структуру с обособленными участками фаз. (Рис. 1- а; б; в; г; д; е). Химические составы фаз покрытий из порошка ПГ-СР4 с различным содержанием ниобия приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Химический состав фаз покрытий из порошка ПГ-СР4 с различным содержанием ниобия
Содер-жание ниобия Элементы, % Цвет фазы
В С О Мп Сг Ре № ыь
0 - 5,76 1,47 1,45 - 5,48 75,55 26,92 - Белый
- 4,40 1,36 0,28 - 1,68 83,75 8,43 - Серый
- 3,52 18,70 0,22 - 1,79 74,01 3,04 - Темный
- 2,67 22,98 2,11 - 3,00 64,59 0,87 - Черный
0,1 - 6,36 0,81 3,35 - 10,69 24,51 54,28 - Белый
- 4,39 2,62 - - - 92,07 - - Серый
- 3,32 20,51 - - - 75,82 - - Темный
- 5,320 21,51 - - - 71,11 - - Черный
0,3 - 5,03 14,05 - - 0,40 89,07 3,57 - Белый
- 5,63 2,87 - - - 90,84 0,66 - Серый
- 2,61 23,53 - 0,79 0,40 71,95 - - Темный
1 19,57 10,77 7,70 0,17 - 0,38 11,84 - 49,57 Белый
- 4,21 4,74 - - 2,42 75,84 11,61 - Серый
5 15,47 7,61 6,90 - - - 11,37 - 58,66 Белый
- 4,84 2,25 - - - 92,27 - - Серый
21,59 8,23 6,1 - - - 11,13 - 52,95 Белый
2,90 24,72 - - - 0,57 71,81 - - Черный
В образцах без модификатора покрытие преимущественно состоит из фаз аустенитного сплава Fe-Ni с дисперсионным упрочнением карбидами Сг, Si, боридами 0\ Светлые полосы представлены сплавом Fe-Ni-Cr с содержанием № от 5-15%, серые - Fe-Ni-Cr с варьированием содержания № от 3 до 5% и незначительного содержания FeO (Рисунок 1а). Два первых вида полос обладают аустенитной структурой, так как высокое содержание № расширяют у- область [1,2]. Известно, что стабилизация никелем у-твердого раствора обеспечивает сплаву высокое сопротивление ползучести. Никель, заместив атомы железа в решетке, «отталкивает» атомы хрома и марганца. Физические свойства покрытия определяются свойствами хрома как легирующего элемента: ограничением у - области и большой
склонности к образованию карбидов. Сродство хрома к углероду более сильно, чем сродство железа к нему, что обуславливает образование в структуре устойчивых специальных карбидов хрома (Сг2С) и растворяясь в аустените упрочняет его. [7]. Этим объясняется образование карбидов сложного состава ^е,Сг)зС, ^е,Мп)зС в приграничных объемах аустенитных зерен. Такие элементы как Fe, Мп внесены в состав наплавленной поверхности из стальной оболочки порошковой проволоки СВ-08 (табл.1).
При добавлении ниобия происходит интенсивное карбидообразование, которое связывает углерод. Освободившееся железо образует оксиды сложного состава ^е,Мп)зО4,. ^е,Сг)зО4 .
д е
Рис. 1 Микроструктуры напыленных покрытий с разными содержаниями ниобия: а - обр. 0-3 - ПГ-СР4; б- обр.1-3 - ПГ-СР4 + 0,1% ЫЬ; в - обр.2-3 - ПГ-СР4 + 0,3% ЫЬ; г - обр.3-2- ПГ-СР4 + 1% ЫЬ; д - обр.4-2 -ПГ-СР4 + 5% ЫЬ; е- распределение ЫЬ; РЭМ ЖОЫ8М-6480ЬУ.
Элементно-фазовый анализ структуры показал, что фазовые включения покрытий существенно отличаются по их количеству, химическому составу.
При добавлении ниобия 0,1% кроме полос с аустенитными полосами с содержанием № различной стехиометрии появляются полосы оксидов Бе, которые составляют до 30% всей наплавки (рис.1б). Покрытия полученные напылением порошка ПГ-СР4 с добавкой 0,3% №Ь представлены белыми, серыми и темными фазами
состоящими преимущественно из аустенитного сплава Бе-№, карбидов и окислов Бе (рис. 1 в).
При добавлении 1% ниобия в порошок ПГ-СР4 в составе покрытий выделяются сплав аустенитный белого и серого цвета и в них появляются карбиды №Ь. При данном составе шихты характерно образование боридов Сг, № и №Ь (рис.1 г). Бор будучи поверхностно активным элементом, располагается в приграничных объемах и затрудняет протекание в них диффузионных процессов [3].
При добавлении ниобия 5% происходит измельчение упрочнящих фазв напыляемых слоях. Выделяются фазы сложенные №ЬВ в аустенитных фазах и окислы Fe серого цвета (рис.1 д). Судя, по распределению ниобия, видимого в обратно-рассеянных электронах дисперсные карбиды ниобия выделяются во всех структурных составляющих (рис.1 е).
Физико-механические и эксплуатационные свойства износостойких газотермических покрытий из порошковых проволок определяются не только объемным содержанием упрочняющих фаз, но и их распределением по контактной поверхности трения.
В работе проведены испытания на износ модифицированных покрытий при трении скольжения; массовый износ определялся взвешиванием образцов модифицированных покрытий на аналитических весах до и после 1 ч трения.
Как известно, важнейшей характеристикой поверхности трения является коэффициент трения, который зависит от ее микрогеометрии и условий трения [5].
В работе определены зависимости коэффициентов трения f износостойких покрытий от времени испытания и содержания модифицирующих добавок (рис 3). Как видно из графика на рисунке 2 а, коэффициент трения f покрытия без модификаторов в режиме приработки шлифованной поверхности монотонно возрастает; далее, с наступлением стадии установившегося
износа наблюдается стабилизация коэффициента трения на уровне -0,75. Время приработки и изменение коэффициента трения минимальны.
При добавлении в шихту ниобия 0,1 и 0,3% за счет гетерогенности микромеханических свойств наблюдается более длительное время приработки и нестабильность величины коэффициента трения (рис.2 б; в).В начале стадии приработки у всех шлифованных поверхностей модифицированных покрытий коэффициенты трения имеют близкие наименьшие значения на уровне -0,15-0,18. Далее, коэффициенты трения модифицированных покрытий возрастают по пути трения; наблюдаются их интенсивные колебания. К концу испытаний значения коэффициентов трения
модифицированных покрытий составляют -0,60,75. Зависимость коэффициента трения от содержания модифицирующих добавок немонотонная, при содержании 0,1% наблюдается его некоторое повышение.
В образцах, наплавленных проволокой с содержанием ниобия 1 и 5% коэффициент трения устойчив и постепенно повышается (рис.2 г; д), время приработки минимальное. Уменьшение времени приработки связано с диспергированием микроструктуры и гомогенизацией
микромеханических свойств наплавок. На гомогенизацию микромеханических свойств, по всей вероятности, влияет выделение мелкодисперсных карбидов ниобия и дисперсионное упрочнение боридами равномерно во всех структурных составляющих.
Рисунок 2. Динамика изменения коэффициента трения наплавок модифицированных ниобием: ПГСР-4 без модификатора (1); ПГСР-4+0,1% ЫЬ (2); ПГСР-4+0,3% ЫЬ (3); ПГСР-4+1% ЫЬ (4);
ПГСР-4+5% ЫЬ (5)
Следует отметить, что коэффициент трения По всей вероятности, это связано с дисперсностью
образцов с 5% содержанием ниобия ниже упрочняющих фаз и их равномерным
остальных наплавок и монотонно возрастает от 0,55 распределением. Равномерное распределение
до 0,65, что ниже всех остальных видов наплавок. ниобия в образцах, напыленных проволокой с 5%
ниобия показано в снимках в рентгеновском излучении рентгеновском микрозондовом анализаторе JEOLJSM-6480 LV Scanning Electron Microscope (рис 1 е).
Линейный износ также отражает равномерность износа образцов с ниобием. После
установившегося износа тангенсы углов линеиного износа у образцов, напыленных проволокой с 1% № минимальны по сравнению с контрольными. Линейный износ наплавки с 5% №
Рисунок 4. Линейный износ образцов, напыленных проволокой модифицированной ниобием: ПГСР-4 без модификатора (1); ПГСР-4+1% ЫЬ (2); ПГСР-4+5% ЫЬ (3)
Одной из основных характеристик среднеарифметическое
отклонение
Ra,
поверхности трения является шероховатость, которая отражает информацию о режиме и условиях эксплуатации обработанной поверхности деталей [5,6]. От шероховатости зависят величина силы трения, износостойкость поверхности трения.
В работе измерены характеристики шероховатости микрогеометрии поверхности трения модифицированных покрытий:
среднеквадратическое отклонение Я^, высота неровностей по пяти точкам (табл. 3)
Данные профилометрии напрямую связаны со структурными особенностями фрикционного материала. В таблице 3 приведены усредненные результаты профилометрии , проведенным по 4 профилям в каждом образце.
Таблица 3.
Профилометрические данные наплавок с ниобием
№ образца Содержание ниобия % Ra мкм Rz мкм Rq мкм
0 нет 0,11 1,4 0,17
1 0,1 0,49 3,32 0,63
2 0,3 0,11 1,13 0,14
3 1 0,08 0,98 0,11
4 5 0,14 0,99 0,18
Образцы, наплавленные чистым ПГ-СР4 обладают равномерной шероховатостью, что обусловлено их однородной структурой по микромеханическим свойствам. В образцах, наплавленных проволокой с 0,1 % ниобия из-за гетерогенности структуры и микромеханических свойств шероховатость несколько повышается. Начиная с добавления в шихту проволоки 0,3% и выше шероховатость, испытанных на износ образцов уменьшается. Снижение шероховатости связано с формированием дисперсной однородной структуры наплавок.
Испытание наплавок на основе ПГ-СР4 легированной ниобием проводилось в условиях пары образованной скользящими поверхностями, имеющими разные твердости и размеры поверхностей трения.
При испытании образцов, напыленных чистым ПГ-СР4 наблюдаются сбалансированные потери массы образцов и контртел. Добавление ниобия оказывает большое влияние на износ образцов. Эффект влияния фиксируется при испытании образцов с 0,1%: снизились потери массы образца и вдвое увеличились потери массы контртела. Износ
образцов уменьшается на порядок, начиная с добавления 0,3% ниобия. При содержании в порошковой проволоке ниобия 1% и 5% износостойкость остается высокой, но потери
массы образцов и контртел сбалансированы, что обусловлено измельчением микроструктуры и повышением однородности микромеханических свойств (табл.4).
Таблица 4.
Потери массы образцов и контртел при испытании на износ
№ образца Содержание ниобия % Скорость вращения м/сек Нагрузка н Время испытания час Потери массы образца г Потери массы контртела г
0 0 30 10 1 0,0013 0,0013
1 0,1 30 10 1 0,00101 0,0026
2 0,3 30 10 1 0,00019 0,007
3 1 30 10 1 0,00051 0,00515
4 5 30 10 1 0,000785 0,0064
В более ранних экспериментальных исследованиях, модифицированных износостойких покрытий работе[4] показали, что основное сопротивление изнашиванию при трении скольжения оказывают твердые включения, внедренные в более мягкую матрицу. Так, в процессе трения, в основном, происходит постепенный износ мягкой матрицы. С износом матрицы до значения, при котором теряется ее способность удерживать твердые тугоплавкие частицы, происходит их выкрашивание и разрушение - поверхность трения сглаживается, интервал отклонений профиля сужается. В проведенных экспериментах равномерное распределение дисперсных карбидов ниобия и боридов способствуют упрочнению матрицы, обеспечивающей высокую износостойкость напыленного слоя. В то же время дисперсность структуры наплавки способствует
сбалансированной работе пары трения «модифицированное покрытие - металлическое контртело.
ВЫВОДЫ:
1.Разработаны составы шихты опытных порошковых проволок для технологии электродуговой металлизации. В качестве модифицирующих добавок выбраны порошки ниобия № содержание которых в шихте порошковых проволок составляет: 0,1%, 0,3%, 1% и 5% масс. Основу порошкового материала составляет промышленный порошок ПГСР-4 системы №-Сг-В-81 с гранулометрическим составом -20 - 80 мкм.
2. Выявлено, что при содержаниях ниобия от 0,1 до 0,3% наряду с выделением карбидов ниобия увеличивается содержание закиси железа, что приводит к гетерогенности микромеханических свойств. Установлено, что при содержаниях ниобия от 1 до 5% дисперсные упрочняющие фазы выделяются во всех структурных составляющих в
виде карбидов ниобия, а также в виде боридов ниобия.
3. Проведенные испытания на износ шлифованных модифицированных покрытий при трении скольжения показали, что введение в шихту порошка ниобия от 1 до 5% обеспечивает равномерное распределение дисперсных карбидов ниобия и боридов ниобия и способствует упрочнению матрицы и повышению износостойкости напыленного слоя. Наплавка порошковой проволокой с 5% ниобия обеспечивает высокую износостойкость и стабильную работу пары трения «модифицированное покрытие -металлическое контртело».
Список литературы
1.Rio T. Gomez-del, M.A. Garrido, I.E. Fernandez, et al.//J. of Materials Processing Technology.-2008. Vol. 204/Is1-3 p 304-312
2. K. Gurumoorthy, M.Kamaraj,Rao K. Prasad, et. Al.//Microstrutural aspects of plasma trausferred arc surfaced Ni- baced hardfacing alloy//Material Science and Endgineering: A.-2007.-Vol. 456.-p 11-19
3. Анциферов В.Н. Порошковое материаловедение.- Екатеринбург, УрО РАН, 2012.-456 с.
4. Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Лебедев Д.И., Попов О.Н. Взаимосвязь микрогеометрии поверхности трения и макроструктуры износостойких порошковых покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. №9. С.17-21.
5. Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин): Учебник.-М.: Изд-во МСХА, 2002.-632 с.
6. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
7. Орыщенко А.С. Жаростойкие жаропрочные сплавы.-СПб.:Наука, 2011.-191 с.
