Полный текст

Введение Одним из путей развития современного машиностроения, направленных на повышение надежности и долговечности выпускаемой продукции, является создание и применение новых энерго- и ресурсосберегающих технологий обработки материалов и изготовления деталей при производстве технологического оборудования [1, 2]. Особенно это актуально для нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической отраслей промышленности, где проблема преждевременного выхода из строя оборудования, подвергающегося в процессе эксплуатации значительным механическим нагрузкам и работающего в непосредственном контакте с агрессивными средами, является чрезвычайно важной [3, 4]. Медь обладает такими уникальными свойствами, как электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность, она сохраняет прочность и пластичность при температуре до -269 °С [5, 6]. Всё это позволяет использовать медь при изготовлении изделий военной промышленности, химической аппаратуры, кристаллизаторов, испарителей, фурм доменных печей, уплотнителей запорной арматуры нефтяной промышленности и в других областях техники [7]. Во многих изделиях применение меди во всем объеме изделия экономически нецелесообразно. Замена монолитных деталей, полученных из отливок цветных металлов, биметаллическими - актуальная задача, позволяющая снизить расход дорогостоящих компонентов и себестоимость изготовления [8]. Целью проведенной работы являлось исследование влияния технологии плазменной наплавки меди на сталь на структуру, коррозионную стойкость и износостойкость наплавленного слоя. Методика проведения исследования Наплавка меди марки М1 производилась на низколегированную малоуглеродистую сталь 09Г2С: дугой прямого действия прямой полярности тока; дугой прямого действия обратной полярности тока; дугой прямого действия обратной полярности тока с плазменной наплавкой тонкого промежуточного слоя высоколегированного сплава на никелевой основе. При наплавке медного слоя обеспечивалось перемешивание с металлом промежуточного слоя, благодаря чему достигается легирование меди компонентами высоколегированного сплава. Наплавка на прямой (образец № 1 - рис. 1, 2) и обратной полярности тока (образец № 2 - рис. 3, 4) проводилась на режимах, обеспечивающих минимальную долю участия основного материала в наплавленном слое. Рис. 1. Макрошлиф наплавленного образца на токе прямой полярности При наплавке на прямой полярности тока за один проход формировался валик шириной 13 мм и высотой 2,2 мм с плавным переходом к основному металлу без подрезов (см. рис. 1). Глубина проплавления в основу - до 2,1 мм; наплавленный металл плотный. Пор, трещин не имеется; у линии сплавления сформирована переходная зона из стали и меди шириной 0,06-0,25 мм. В переходной зоне медь располагается по границам кристаллитов оплавленной стали. Диффузии меди от границы раздела в основной материал не наблюдается; в медной матрице наплавленного металла по всему объему имеются включения стали различных размеров (см. рис. 2). Рис. 2. Микрошлиф наплавленного образца на токе прямой полярности (´100) При наплавке на обратной полярности тока за один проход формировался валик шириной 18 мм и высотой 2,0 мм с плавным переходом к основному металлу без подрезов (см. рис. 3). Рис. 3. Макрошлиф наплавленного образца на токе обратной полярности Наплавленный металл плотный, без пор и трещин; у линии сплавления стальной наплавки с медью имеется типичная переходная зона шириной 0,191 мм из стали с включениями меди; наплавленный металл М1 имеет мелкокристаллическое строение, включения стали в меди отсутствуют (см. рис. 4). Рис. 4. Микрошлиф наплавленного образца на токе обратной полярности (´100) Существует принципиально другой подход к формированию рабочих слоев деталей. Возможно управление химическим составом, структурой и свойствами поверхностного слоя за счет регулирования степени перемешивания наплавляемого металла (медь) с металлом тонкого промежуточного слоя высоколегированного сплава на никелевой основе, полученного плазменной наплавкой, так же на токе обратной полярности. Выполнение наплавки по такой технологии позволяет получить биметалл с поверхностным слоем, имеющим сложную структуру и, предположительно, улучшенные эксплуатационные характеристики. Металлографический анализ показал, что в процессе наплавки происходило интенсивное взаимодействие наплавляемой меди с высоколегированным сплавом на никелевой основе в жидком состоянии, с образованием общего слоя однородно перемешанных двух систем (рис. 5). В процессе затвердевания наплавленный слой приобрел композитную структуру: основа (матрица) - сплав на основе меди с практически равномерным распределением по толщине зерен (включений) Fe-Ni-сплава. а б в Рис. 5. Микроструктура наплавленного слоя: а - переходная зона; б, в - различные участки по высоте наплавки (´200) Вследствие более высокой температуры кристаллизации Fe-Ni-сплава, по сравнению с температурой сплава на основе Cu, его кристаллизация происходила в первую очередь. Кристаллизация включений Fe-Ni-сплава имела дендритный характер, что видно по их дендритной и каплевидной с дендритнообразными отростками форме. Проведенные испытания коррозионной стойкости и износостойкости поверхностных слоев показали значительное различие свойств для описанных вариантов наплавки. При изучении кинетики процесса найдено, что в 4-8 М растворах HNO3 наблюдается период индукции, в течение которого растворения меди не происходит: в 4 М HNO3 - около 100 с, в 6 М HNO3 - около 15 с, в 8 М HNO3 - 5 с. При перемешивании растворов 6 и 12 М HNO3 при помощи магнитной мешалки выявлено снижение скорости процесса от 0,015 до 0,010 моль/м2·с в 6 М кислоте и от 0,089 до 0,083 моль/м2·с в 12 М HNO3 [9, 10]. В табл. 1 приведены результаты исследования на коррозионную стойкость [11-13]. На рис. 6 представлена графическая зависимость. Таблица 1 Коррозионные испытания Время выдержки и тип раствора Номер образца Размеры образца, мм Площадь образца, мм2 Вес образца, г Потеря веса, г Скорость общей коррозии, г/м2 ч a b c до испытаний после испытаний 4 ч в 100%-ном р-ре HNO3 при T = 60 °С Наплавка меди (обратная полярность) 9,56 11,27 8,83 583,3402 7,536 6,402 1,134 0,00048599 Наплавка меди (прямая полярность) 8,88 9,72 8,94 505,1952 6,228 4,8 1,428 0,00070666 Наплавка меди с перемешиванием 13,33 9,05 9,51 666,9406 9,187 7,925 1,262 0,00047306 Рис. 6. Графическая зависимость скорости общей коррозии от варианта наплавки Далее были проведены испытания на износоустойчивость полученных слоев[6] [13]. Результаты представлены в табл. 2 и на рис. 7. Таблица 2 Результаты испытания на износостойкость Образец Вес до испытания, г Вес после испытания, г Потеря веса, г · 10000 Наплавка на прямой полярности тока 8,3601 8,3536 7,775026615 Наплавка на обратной полярности тока 4,6666 4,6651 3,214331633 Наплавка с перемешиванием на обратной полярности тока 8,7718 8,7709 1,026015185 Рис. 7. Износостойкость наплавленных слоев Заключение На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. Показана возможность получения биметаллов медь - сталь плазменной наплавкой на токе прямой и обратной полярности. 2. Плазменная наплавка меди на сталь на токе обратной полярности позволяет в широких пределах регулировать химический состав, структуру и свойства наплавленного слоя. 3. Установлено, что использование тока обратной полярности позволяет снизить скорость общей коррозии и повысить износостойкость медного слоя относительно прямой полярности. 4. Композиционный материал поверхностного слоя с мелкодисперсными включениями, полученный плазменной наплавкой меди на токе обратной полярности с использованием промежуточного слоя из высоколегированного сплава на никелевой основе, обладает лучшими показателями коррозионной стойкости и износостойкости.

Об авторах

Ю. Д Щицын

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: svarka@pstu.ru

Д. С Белинин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: 5ly87@mail.ru

С. Д Неулыбин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: sn-1991@mail.ru

С. А Терентьев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: svarka@pstu.ru

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 49

PDF (Russian) - 25

Ссылки

• Ссылки не определены.