ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В наше время конструкционная сталь пользуется большим спросом, как никогда ранее. Этот материал играет ключевую роль в производстве промышленных механизмов и строительстве различных объектов благодаря своей исключительной прочности, гибкости и высокой стойкости к разрушению.

Тем не менее, сфера использования конструкционной стали не ограничивается лишь только строительными или промышленными проектами. Она также применяется для изготовления разнообразных деталей для станков, горячекатаного проката, пружин, рессор и многих мелких крепежных элементов, а также других изделий. При выборе конструкционной стали важно помнить, что она представлена в нескольких формах, и каждая из них обладает своими уникальными физическими и химическими свойствами.

Пpи длительнoй эксплуaтации мaшин изнaшивание детaлей сопрoвождается снижением эксплуaтационных покaзателей, что в частности вызывaет ухудшeние кaчества изготовляeмых изделий. Изнaшивание рaбочих поверхностей детaлей нерeдко трeбует их полнoй зaмены [1].

В ряде случaев изготовлeние детaлей целикoм из износoстойкой легировaнной стали нерационaльно в связи с трудностью обрабoтки и высoкой стоимoстью мaтериала. Поэтoму для решeния зaдач повышeния эксплуатациoнных показaтелей и увеличeния срoка слyжбы детaлей мaшин испoльзуют рaзличные спoсобы повeрхностного упрочнения и вoсстановления исхoдных рамеров, в чaстности наплaвку, нашедшую широкое примeнение при пpоизводстве разнoобразных изделий [1].

1. Актуальность темы

Актуальность исследования структуры и свойств изделий из конструкционных сталей связана с их широким применением в мaшиностроении, стрoительстве и других отраслях, где требуется высокая прочность и надежность материалов. В условиях современного производства и возрастания требований к качеству готовой продукции, оптимизация характеристик конструкционных сталей становится важной задачей. Улучшение эксплуатационных свойств этих материалов напрямую влияет на эффективность и работоспособность конструкций, что в свою очередь способствует снижению затрат на обслуживание и ремонт.

Предметом исследования является: конструкционные легированные стали.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью данного исследования является изучение структуры и свойств конструкционных сталей с целью повышения их работоспособности в различных условиях эксплуатации.

В процессе исследований были пoставлены слeдующие задачи:

  1. Установить влияние хрома через твердый раствор и карбиды на структуру и свойства участков зоны термического влияния при наплавке конструкционных сталей.
  2. Изучить влияние состава наплавленного металла на износо- и коррозионную стойкость образцов из конструкционных сталей, используемых для изготовления деталей оборудования, работающих на износ в агрессивных средах.

Объект исследования: влияние наплавыки на конструкционные стали.

Предмет исследования: конструкционные стали.

Ожидаемыми результатами являются повышение прочности, вязкости и коррозионной стойкости конструкционных сталей, что позволит улучшить их эксплуатационные характеристики и работоспособность.

3. Общая характеристика конструкционных сталей

Конструкционные стали представляют собой специальные виды стали, предназначенные для использования в строительстве и машиностроении. Они известны своими выдающимися прочностными свойствами, отличной свариваемостью и легкостью в обработке.

Вид изделий из конструкционной стали представлен на рисунке 1.

Конструкционная сталь

Рисунок 1 – Конструкционная сталь

Главным критерием, позволяющим идентифицировать сталь как конструкционную, является содержание углерода в сплаве. Но с ее определением не все так просто: минимальное содержание углерода в изделии указано четко и соответствует 0,05 %, тогда как максимальное значение варьируется в пределах между 0,7 % и 0,85 %. Интересно, что в некоторых случаях такая же доля углерода в металле свойственна и инструментальным сталям.

Одной из ключевых особенностей такого металла является способность выдерживать постоянные и переменные нагрузки. Часто от них также требуют износостойкость или антикоррозийные свойства. В ряде ситуаций обычные углеродистые конструкционные стали вполне справляются с такими требованиями, но иногда их свойства нужно дополнять или усиливать за счет легирования химическими элементами.

В состав этих сталей входят такие полезные добавки, как железо, кремний, марганец, медь и другие элементы, однако главную роль в них играет углерод. Именно он наделяет конструкционный металл ключевыми свойствами и определяет степень его прочности. Концентрация углерода непосредственно влияет на устойчивость изделия к хладноломкости, его способность выдерживать производственные нагрузки и переносить различные погодные условия.

Среди свойств конструкционных сталей можно выделить высокую прочность, ударную вязкость, пластичность и коррозионную стойкость. Их выбирают в зависимости от условий эксплуатации.

Конструкционные стали классифицируются по различным критериям, включая химический состав, механические свойства, способ производства и назначение.

4. Способы получения наплавленных слоев

На предприятиях металлургического комплекса подавляющее большинство оборудования функционирует в экстренных условиях, подвергаясь воздействию высоких нагрузок и температур, а также агрессивных и абразивных сред. Эти суровые обстоятельства неизменно ведут к интенсивному износу, повреждениям деталей и необходимости их регулярной замены.

В некоторых случаях полное изготовление деталей из износостойкой легированной стали оказывается нецелесообразным, так как сопряжено с трудностями обработки и чрезмерной стоимостью материала. Поэтому для решения задач по повышению эксплуатационных характеристик и продлению срока службы машинных деталей применяются разнообразные методы поверхностного упрочнения и восстановления исходных размеров, среди которых особенно выделяется наплавка. Этот процесс не только позволяет вернуть детали к их первоначальным параметрам, но и значительно улучшает их устойчивость к неблагоприятным условиям эксплуатации, обеспечивая надежность и эффективность работы сложнейших металлургических устройств.

При создании и восстановлении множества изделий задействуется изумительное разнообразие методов наплавки, каждый из которых обуславливает уникальные свойства и структуру детали.

  1. Газовая наплавка представляет собой метод сваривания с помощью плавления, при котором частичное оплавление основного металла происходит в условиях высокотемпературного пламени. Это пламя создается в результате сгорания смеси кислорода и горючего газа. Для газовой наплавки наиболее эффективно используется ацетилено-кислородное пламя, которое способно достигать значительных температур. Такой подход обеспечивает нужный уровень нагрева для качественного выполнения сварочных работ [2].
  2. При дуговой наплавке покрытыми электродами применяются стержневые электроды с покрытием. Это покрытие защищает ванны жидкого металл от воздействия кислорода и азота в воздухе, что предотвращает образование дефектов. Оно также способствует стабилизации дуги, облегчает процесс наплавки и позволяет вводить в наплавляемый металл легирующие элементы, улучшающие его свойства[3].
  3. Дуговая наплавка под флюсом. При этом методе наплавки дуга, создаваемая между электродными материалами (проволокой или лентой) и основным металлом, защищена слоем флюса, нанесенным на поверхность основного металла [4].
  4. Наплавка открытой дугой. В этом способе наплавки дуга не защищена от окружающей среды, поэтому наплавка производится без защитного газа или флюса [4].
  5. Наплавка в среде углекислого газа.При этом методе плавящийся электрод в среде защитного углекислого газа, который подается в зону дуги со стороны электродной проволоки,защищает ее от воздействия окружающего воздуха [5].
  6. Наплавка в среде защитного (инертного) газа. это процесс восстановления или усиления металлических поверхностей путем расплавления присадочного металла с помощью электрической дуги в защитной среде инертного газа (аргона, гелия и т.д.). Существует два способа наплавки в среде инертного газа:

    1)Наплавка плавящимся электродом - электрическая дуга образуется между основным металлом и плавящимся электродом (электродной проволокой), электродная проволока подается автоматически.

    2)Наплавка неплавящимся вольфрамовым электродом - электрическая дуга образуется между основным металлом и вольфрамовым электродом, который не плавится. Присадочный металл вводится в зону дуги в виде прутка и расплавляется под действием ее тепла [5].

  7. Электрошлаковая наплавка - это процесс, при котором электродная проволока или лента непрерывно подается внутри слоя расплавленного шлака, где происходит их плавление за счет высокой температуры, возникающей при пропускании тока между основным металлом и электродом [6].
  8. Лазерная наплавка - это метод восстановления деталей, который осуществляется с использованием светового лазерного луча от оптического квантового генератора. Благодаря узкой направленности лазерного луча и высокой плотности энергии, возможно наплавить практически любые материалы [7].
  9. Плазменная наплавка - это метод, при котором возникает электрическая дуга между основным металлом и электродом горелки, приводящая к образованию плазменного состояния рабочего газа. Это позволяет плавить наплавочный материал с помощью высокотемпературной плазменной струи из сопла горелки [8].

    В практике наплавки используется комбинированный метод, объединяющий плазменную и дуговую наплавку с использованием плавящегося электрода в инертном газе. Электроды плазменной горелки и обычного металлического соединяют с противоположной полярностью. И при силе тока выше 300 А столбчатая дуга превращается во вращающуюся, что обеспечивает наплавку валика шириной 40 мм при глубине проплавления основного металла не менее 1 мм [9].

    В работе [10]рассказывается об эффективном использовании самофлюсующихся сплавов на никелевой основе в качестве износостойких жаропрочных покрытий. В процессе исследования было установлено, что роль тепловложения при плазменной наплавке двояка. С увеличением тока, снижением скорости нанесения покрытия и введением предварительного подогрева изменяются условия кристаллизации, увеличиваются размеры сварочной ванны, снижаются скорости нагрева и охлаждения, а с другой стороны увеличивается проплавление основного металла, следовательно, изменяется химический состав покрытия.

    5. Исследование структуры и свойств изделий из конструкционных сталей для повышения из работоспособности

    В рамках проведенных исследований были взяты образцы из конструкционной стали 40Х после наплавки порошковой проволокой с содержанием около 15% Cr.

    Наплавка на образцы осуществлялась в условиях КНПВП «Энергоинжиниринг» с помощью аппарата «Мультиплаз – 500». Данный аппарат работает на водно-спиртовой смеси 50 %. Для начала работы горелка ставится в режим Mode1/ Mode2 2/4 и затем производится наплавка.

    Для изготовления шлифа образцы были заточены на абразивном круге, после чего их обработали шлифовальной бумагой различной зернистости (от крупной к мелкой). Полировка производилась на полировальном станке, диск, которого был обтянут сукном. По завершении полировки, шлифы были промыты водой, высушены и протравлены в 4%-ном растворе азотной кислоты с добавлением спирта, после чего изучалась микроструктура по сечению наплавленного и основного металла, глубина наплавленного слоя и твердость.

    Измерения твердости производилась на приборе Роквела по шкале «С».На основе полученных данных измерения твердости были построены графики распределения твердости.

    Исследование микроструктуры по сечению образцов подтвердили, что структура очень сильно изменяется: от мартенсито-карбидной в наплавленном слое, далее мартенсито-трооститной до феррито-перлитной в основном металле.Микроструктуры после наплавки приведены на рисунке 2.

    структура

    Рисунок 2 – Микроструктуры образцов стали 40Х после наплавки, х500:

    а) наплавленный слой с содержанием около 15% Cr ;

    б) переходный слой;

    в) переходный слой;

    г) основной металл на расстоянии 15 мм от поверхности.

    График распределения твердости по сечению образца из стали 40Х после наплавки на рисунке 3.

    график

    Рисунок 3 – График распределения твердости по сечению образца из стали 40Х после наплавки

    Из рисунка 3 становится очевидным, что глубина наплавленного слоя имеет наивысшую твердость 43-45 HRC и составляет около 3 мм. После наблюдается снижение твердости, но оно не монотонно. Причиной этому является перегрев металла в зоне сплавления, после чего прочностные характеристики вновь увеличиваются, и на глубине 12-15 мм твердость стабилизируется.

    Такие свойства материалов значительно повышают износостойкость изделий в условиях абразивно-коррозионного износа, что способствует увеличению работоспособности. Тем не менее после проведения наплавки в поверхностном слое остаются внутренние напряжения, которые могут привести к разрушению наплавленного слоя из-за формирования неравновесной упрочненной структуры.

    В связи с этим, необходимо провести низкий отпуск для снятия внутренних остаточных напряжений, которые возникают в процессе наплавки. При этом характеристики как основного, так и наплавленного металлов будут соответствовать требованиям к деталям, которые работают в абразивно-коррозионной среде.

    Выводы

    Исследования показали, что наплавка применяется для восстановления изношенных деталей и создания новых с повышенными характеристиками. Этот процесс позволяет сократить количество операций производства в несколько раз по сравнению с изготовлением новых деталей, что уменьшает стоимость продукции. Наплавленный слой обладает повышенной твердостью, особенно на поверхности, но твердость снижается в переходной зоне. Структура наплавленного слоя включает мартенсит и карбиды, а в зоне термического влияния формируется неоднородная структура. Равномерность толщины наплавленного слоя влияет на износ изделий при эксплуатации.

    Список источников

    1. Фролов В.В. Теория сварочных процессов / В.В. Фролов. – М.: Высшая школа, 1988. – 559 с.
    2. Лейначук Е.И. Электродуговая наплавка деталей при абразивном и гидроабразивном износе / Е.И. Лейначук. – М.: Наука, 1985. – 390с.
    3. Газовая наплавка [Электронный ресурс] / ООО «ТЕХНАП» – Режим доступа: http://ytk-hermes.com.ua/texnologii-naplavki.html. – 26.12.2013 г.
    4. Дуговая наплавка под флюсом [Электронный ресурс] / ООО «ЭГО» – Режим доступа: http://freepapers.ru/61/dugovaya-naplavka-pod-fljusom/120211.775199.list2.html. – 10.12.2013г.
    5. Спиридонов И.М. Упрочнение поверхности металлов и сплавов / И.М. Спиридонов – Днепропетровск, 1985. – 84с.
    6. Стеренбоген Ю.А. Некоторые технологические особенности электрошлаковой наплавки жидким присадочным металлом / Ю.А. Стренбоген, В.М. Кулик, А.В. Моисеев. – Киев, 1984. – 416 с.
    7. Григорьянц А.Г. Исследование микроструктур сталей после лазерной наплавки / А.Г. Григорьянц, С.И. Алексеенко, А.Н. Сафонов // Физика и химия обработки материалов. – 1991. - №3. – С.102-107.
    8. Фрумин И.И. Плазменная наплавка металлорежущего инструмента/ И.И. Фрумин, П.В. Гладкий, Е.Ф. Переплетчиков // Автомат. – 1981. - №1. – С. 67-68.
    9. Лещинский Д.К. Структура и свойства наплавленного металла с углеродистых сталей, упрочненных плазменной струей / Д.К. Лещинский, И.И. Пирч, С.С. Самотугин // Физика и химия обработки материалов. – 1985. - №11. – С. 20-22.
    10. Гаврилова, Т.М. Износостойкие покрытия на никелевой основе / Т.М. Гаврилова, Г.Е. Трекин, О.И. Шевченко // Изв.вуз. Черная металлургия. – 2001. - № 12. – С. 35-37.