Современные проблемы машиностроения

Подождите немного. Документ загружается.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

211

7. Матвеева Н.М., Козлов Э.В. Упорядоченные фазы в металлических системах. –

М.:Наука, 1989. – 247 с.

8. Юм-Розери В., Рейнор Г. Структура метал лов и их сплавов. – М.: Металлургия,

1959. – 351 с.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТРУБ

Ковенский И.М д.т.н. проф, Кусков К.В., Бачериков А.С., к.т.н., доц.

Тюменский Государственный Нефтегазовый Университет

652000, г. Тюмень ул. Володарского 38, тел: 8(3452) 31-73-97

Е-mail: lisii@bk.ru

Исcледовали трубы из стали 09Г2С после 20-летней эксплуатации в составе водовода

на кустовой насосной станции под давлением 0,85 – 0,90 МПа (образец № 1) и дренажной ли-

нии с отстойника горизонтального ОГ-200 (образец № 2), в которой давление не превышало

атмосферное. В обоих случаях вместе с водой транспортировались и нефтепродукты в коли-

честве около 24 мг/л для образца №1 и около 30 мг/л для образца №2. Температура водонеф-

тяной эмульсии составляла 38-42 °С.

Наружная поверхность в обоих случаях имела незначительные коррозионные повреж-

дения. Внутренняя же поверхность образца № 1 прокорродировала в большей степени (рис.

1). Размеры округлых каверн достигают 35 - 50 мм в длину и до 8 мм в глубину. Каверны

располагаются на небольшом расстоянии друг от друга, а некоторые даже соприк асаются

между собой. Более того, на длине трубы в 3 метра имелось 2 сквозных отверстия.

а б

Рис. 1. Внутренняя поверхность труб:

а – образец № 1, б – образец № 2 (длина метки составляет 50 мм)

На образце №2 (верхняя часть трубы) отмеч ена цепочка округлых коррозионных по-

вреждений диаметром не более 5 мм и глубиной не более 2,5 мм. Их появление может быть

обусловлено испарением легких фракции нефти и выделением из нее сероводорода, т.к. дре-

нажная труба не была полностью заполнена водонефтяной эмуль сией.

С целью выявления информативности методов неразрушающего контроля для опре-

деления возможности дальнейшей эксплуатации труб образцы исследовали методом магнит-

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

212

ной памяти металла (прибор ИКН-8), феррозондовым методом (прибор «Полю с»), магнито-

порошковым методом и электропотенциальным методом (прибор ЭПД-8).

Метод магнитной памяти металла, основанный на регистрации собственн ых магнит-

ных полей рассеяния, возникающих в зонах концентрации остаточных напряжений, показал

наличие дефектов, но, к сожалению, вид и размеры повреждений распознать практически не

возможно.

Феррозондовый метод, использованный для обнаружения поверхностных и подпо-

верхностных нарушений сплошности размерами более 0,1x0,2x2,0 мм на глубине до 10 мм,

позволил по резкому изменению коэрцитивной силы, установить размеры коррозионных язв

на обоих образцах с погрешностью до 10 %.

Использование магнитопорошкового способа конт роля для определения разрыва

сплошности металла показало полное отсутствие дефектов (рис 2.)

Электропотенциальный метод, основанный на измерении падения напряжения, воз-

никающего на краях трещины при протекании тока, показал значительный разброс экспе-

риментальных значений. В большей степени метод реагировал на слои ржавчины. После

очистки образца разброс результатов измерений в одном и том же месте уменьшился, но

мог достигать 25 %. В исследованн ых образцах дефекты располагались на различн ой глуби-

не (рис. 3), поэтому незначительное изменение положения контактов п рибора на поверхно-

сти обр азца фи ксирова ло уже другой дефект.

Рис. 2. Результаты применения магнитопорошкового ме тода неразрушающего контроля.

а б

Рис. 3. Микроповреждения в трубах из стали 09Г2С:

а – ниже коррозионных язв, видимых невооруженным глазом  120;

б – скопление микропор внутри стенки трубы, 200

Таким образом, наиболее полно и однозначно выявляет степень поврежденности ме-

талла феррозондовый метод. Его можно использовать для оценк и возмо жности дальнейшей

эксплуатации труб.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

213

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НАПЛАВКИ ИЗНОСОСТОЙКИХ

ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-АЛЮМИНИЙ ЛЕГИРОВАННЫХ ХРОМОМ

А.И. Ковтунов, Р.А. Цымбал.

Тольяттинский государственный университет

445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14, тел. (8482)-28-87-25

E-mail: Arnekus@mail.ru

Сплавы системы железо-алюминий отличаются высокой твердостью, что позволяет

применять их в качестве наплавленных износостойких покрытий для деталей обор удования,

работающего в условиях абразивного износа [1]. Однако, интерметаллидные фазы, обра-

зующиеся в этих сплавах, отличаются высокой склонностью к образованию трещин, что

снижает износостойкость наплавленных покрытий и уменьшает область их применения. Од-

ним из путей снижения склонности к образованию трещин интерметаллидных сплавов сис-

темы железо-алюминий является легирование компонентами. Снизить склонность к образо-

ванию трещин интерметаллидных сплавов системы железо-алю ми ний можно леги рованием

третьим компонентами [2]. В качестве компонента повышающего трещиноустойчивость ста-

ли можно использовать хром [3].

С целью повышения износостойкости были проведены исследования процессов арго-

нодуговой наплавки сплавов системы железо-алюминий с применением алюминиевой приса-

дочной проволоки марки СвАД1 по слою оксида хрома (III). В качестве основного металла ис-

пользовали сталь Ст3 толщиной 14 мм размером 200х150мм. В процессе наплавки оксид хрома

взаимодействуя с алюминием восстанавливается до хрома, легируя наплавленный валик:

+Al = Cr + Al

Для получения покрытий с различным содержанием алюминия варьировали скоростью

подачи присадочной проволоки в пределах 1-6 м/мин. Толщина слоя оксида составляла 0,8-1

мм и выбиралась исходя из обеспечения стабильного горения сварочной дуги. Ток при наплав-

ке составлял 300А, скорость наплавки – 0,12м/мин, а диаметр присадочной проволоки – 1мм.

В наплавленных образцах по сечению наплавленного валика контролировался хими-

ческий состав. Микрорентгеноспектральный анализ проводился на комплексе сканирующего

электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS, Германия) с блоками рентгеновского эн ерге-

тического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского волнового спектрометра

INCA Wave-500. Твердость наплавленного металла измерялась согласно ГОСТ 9013-71 на

твердомере. Износостойкость образцов определяли при абрази вном изнашивании при трении

о закрепленные абразивные частицы и оценивали относительной износостойкостью:







;

где ∆l

– линейный износ эталона; ∆l

– линейный износ испытуемого материала.

Проведенные исследования показали, что наличие флюса на основе оксида хрома спо-

собствует увеличению ширины наплавленного валика и глубины проплавления (рис.1 а, б).

Увеличение скорости подачи присадочной проволоки до 4-4,5 м/мин повышает глубину про-

плавления и ширину шва. При больших скоростях подачи проволоки и глубина проплавле-

ния и ширина шва уменьшаются.

Величина усиления незначительно уменьшается по сравнению с наплавкой без флюса.

Увеличение скорости подачи присадочной проволоки приводит к увеличению усиления ва-

лика (рис.1 в).

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

214

а) б) в)

Рис.1 Зависимость геометрических параметров валика от скорости подачи

присадочной проволоки наплавленног о 1 – без флюса; 2 – по слою оксида хрома:

а) ширина шва; б) глубина проплавления; в) усиление

Содержание алюминия, исходя из расчетных данных, в зависимости от скорости по-

дачи присадочной проволоки находится в в пределах 7-70%. В образцах наплавленных по

слою оксида хрома содержание алюминия меньше чем в наплавленных без флюса вследствие

увеличения доли основного металла, участвующего в формировании наплавленного валика

(рис.2 а). Микрорентгеноспектральный анализ п одтвердил характер зависимости содержания

алюминия от скорости подачи присадочной проволоки. При этом содержание алюмини я по

сечению шва н еравномерное. Содержание алюминия уменьшается от верхних слоев к ниж-

ним (рис.2 б) и от центра к краю (рис.2 в), чем выше скорость п одачи присадочной проволо-

ки, тем больше градиент концентраций алюминия по сечению наплавленного валика.

Содержание хрома в образцах в среднем изменялось в пределах 3-9%. Минимальное

содержание хрома 3-5% наблюдается в образцах, наплавленных при скоростях подачи пр и-

садочной проволоки 4.5-5 м/мин. На остальных режимах среднее содержание хрома состав-

ляло 5-9%.

а б

Рис. 2 Содержание алюминия в наплавленном металле: а) зависимость содержания

от скорости подачи присадочной проволоки при наплавке 1 – без флюса, 2 – по слою оксида хрома;

б) распределение алюминия по глубине валика при скорости подачи присадочной проволоки

1-3,5м/мин, 2-5м/мин, 3-6м/мин

Твердость наплавленного валика при легировании хрома в зависимости от скорости

наплавки составляла 10 - 40 HRC, что на 5-10 единиц ниже твердости нелегированного на-

плавленного металла (рис. 3а).

Хром, как показал, визуальный анализ, снижает склонность к образованию трещин в

наплавленном металле и т рещины образуются в валиках с более высоким содержанием алю-

миния. В образ цах, наплавленных без флюса, трещины в металле шва появляются при скоро-

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

215

сти подачи проволоки более 3,5 м/мин, а при наплавке по слою хрома трещины наблюдаются

при скоростях наплавки более 5 м/мин.

а б

Рис. 3. Зависимость а – твердости и б – относительной износостойкости от скорости подачи

присадочной проволоки при наплавке 1 – без флюса; 2 – по слою оксида хрома

Легирование хромом повышает относит ельную износостойкость наплавленного ме-

талла (рис. 3б). Максимальная износостойкость наблюдается при скоростях подачи проволо-

ки 5-5,5 м /мин.

Металлографический анализ показал, что хром повышает устойчивость α-твердый

раствор железа. В структуре наплавленного валика не наблюдается вкл ючения фазы Fe

Al,

которые явно присутствуют при наплавке без флю са (рис. 4). Это, по-видимому, и является

основной причиной повышения трещиноустойчивости и износостойкости наплавленного ва-

лика.

а) б)

Рис. 4. Структура наплавленных покрытий а) 12-13 % Al; б) 12-13 % Al, 6-7 % Сr

Выводы

1. Хром ста билиз ирует в наплавленном покрытии системы железо-алюминий α-

твердый раствор алюминия в железе, предотвращая образование упорядоченной фазы Fe

Al.

2. Легирование хромом наплавленного металла системы железо-алюминий повышает

трещиноустойчивость и относительную износостойкость наплавленного металла.

Литература

1. Исследование процессов наплавки сплавами на основе алюминия / В.П.Сидоров, А.И.

Ковтунов, М.Н. Бородин, Т.В. Чермашенцева / Сварочное производство, 2009. – №1. – С. 15-18.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

216

2. Колачев Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и спла-

вов. – М.: МИСИС, 1999. – 416 с.

3. Троянский А.А. Применение электрошлаковой технологии для получения алюми-

нидов железа /А.А. Троянский, А.Д. Рябцев, Н.Н. Галян // Современ. электрометаллургия,

2004. – № 3. – С. 11-14.

ПОРИСТЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ

ИЗ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВЫХ СИСТЕМ

А. В. Козлова

Томский государственный университет,

634045, г. Томск, пр. Ленина, 36, тел. 8-906-956-56-71

E-mail: KozlovaAnnaV@yandex.ru

Керамические материалы на основе диоксида циркония характеризуются высокой аб-

разивной и химической стойкостью, термостойкостью, что делает возможным использование

пористой проницаемой керамики из ZrO

в условиях высоких температур для теплоизоля-

ции, а также в фильтрации для очистки и разделения жидкостей и газов. Увеличение порис-

тости в керамиках сопровождается катастрофическим снижением прочностных характери-

стик. Решение может быть найдено в использовании в качестве исходных материалов высо-

кодисперсных порошков.

В к ачестве исходных материалов в работе использовались микрокристаллический по-

рошок ZrO

) со средним размером частиц 5 мкм и высокодисперсный порошок

ZrO

(MgO), средний размер частиц которого составил 0,78 мкм, а кристаллитов – 40 нм. Ко-

личество высокодисперсного порошка диоксида ци ркония в смесях составило 0, 20, 40, 60,

80, 100 объемных %.

Образцы керамики получены прессованием и последующим спеканием смесей при

температуре 1650

С с изотермической выдержкой в течение часа. Фазовый состав получен-

ной к ерамики исследовался методом рентгеновской дифракции. Исследования структуры

осуществлялись на сканирующем электронном микроскопе Philips SEM 515.

0 20 40 60 80 100

Количество ZrO

(MgO) в смеси,

объемные %

Пористость, %

Рис. 1. Зависимость объема порового пространства

от количества ультрадисперсного ZrO

(MgO)

Величина линейной усадки в полученных образцах монотонно возрастала с увеличе-

нием содержания высокодисперсного порошка ZrO

в смесях и сос тавила около 20% для

ZrO

) и около 30% для состава ZrO

(MgO). Зависимость величины объемной усадки

образцов керамики ZrO

)-ZrO

(MgO) от количества высокодисперсного порошка диок-

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

217

сида циркония в исходных смесях характеризовалась наличием максимума. Так, наибольшей

объемной усадкой (около 25%) обладали образцы состава 60% ZrO

(MgO)+40% ZrO

Исследования показали, что при добавлении 20 объемных % высокодисперсного по-

рошка диоксида циркония пористость материалов снижалась. При увеличении содержания

порошка ZrO

(MgO) до 60 объемных % объем порового пространства возрастал. Максималь-

ное значение п ористости составило около 25% в материале на основе состава 60%

ZrO

(MgO)+40% ZrO

ОСОБЕННОСТИ НЕКОТОРЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТОВ

А.А. Кондратюк*, к.т.н., доц., А.Н. Муленков**, аспирант

*Национальный исследовательский Томский политехнический университет

**Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

E-mail: man23@sibmail.com

Создание перспективных образцов аппаратуры и оборудования предъявляет новые

требования к используемым при их разработке материалов. В том числе к ним можно отне-

сти электрофизические свойства – п ерех од от состояния диэлектрика к материалу, обладаю-

щему частичной проводимостью в случае п рименения композиционных материалов на осно-

ве полимеров. При этом реальные режимы и происходящие при этом п роцессы (в частности

внешние тепловыделения) не должны существенно влиять на работоспособность всего узла

или комплекса приборов. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) – полиэтилен с

молекулярной массой более 1,5∙10

г/моль. Высокая молекулярная масса этого полимера о п-

ределяет его уникальные физико-механические свойства, резко отличающие его от других

марок полиэтилена. Особенностью СВМПЭ является способность сохранять механические

свойства в очень широком интервале температур, от + 150 С

до – 200 С

, его устойчивостью

к воздействию радиации и вакуума, а так же из носостойкостью и низким коэффициентом

трения. Однако при создании реальных узлов (в частности шестеренчатых передач), с высо-

кими окружными скоростями на данных деталях образуется статическое электричество. Для

ликвидации данного эффекта делаются попытки изготовить изделия, частично проводящие

электричество, вводя в состав композит ов соответствующие наполнители. Что не м аловажно,

введение наполнителей изменяет удельную теплоемкость композитов и косвенным образом

влияет на условия работы данного узла или механизма в целом. Кроме того при разработке

отдельных узлов агрегатов и конструкций в целом, требуется зн ание величины износа (поте-

ри массы) контактирующих поверхностей.

В данной работе авторами проведены исследования изменения удельной теплоемко-

сти композитов в зависимости от количества вводимого модификатора – мелкодисперсной

меди, в диапазоне температур от 20

С до 150

С. Также исследован износ этих композитов в

условиях сухого абразивного трения, и учитывая, что в реальных условиях эксплуатации ме-

ханизма в большинстве случаев, особенно при повышенных оборотах контактирующих по-

верхностей, применяют смазку, исследован износ полимеров в присутствии машинного мас-

ла марки М-8Г2к. Данная марка масла применяется в России, как в отечественных автомоби-

лях типа «КАМАЗ», так и в автомобилях типа «Икар ус», «Белаз» и других.

Классически зависимость прочности от количества вводимых наполнителей представ-

лена на рис. 1 [1]. Авторами предварительно проведены аналогичные исследования образцов

на растяжение в целом подтверждающие поведение график а 1 [2].

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

218

Рис. 1. Принципиальная зависимость проч-

ности (σ) полимерного материала от содер-

жания (С,%) наполнителя:

1 - дисперсного; 2 – волокнистого

рубленого; 3 - армирующего (непрерывное

волокно, тканный наполнитель)

Рис. 2. Графики зависимости теплоемкости от

температуры СВМПЭ с наполнителями меди

3% и 7% весовых

Исследования теплофизических свойств композиций при фиксированных количествах

наполнителя 3 %, 7 %, 10 %, 13 %, 50 %, 81 % приведенные н а рис. 2 - 4 осуществлены на

измерителе теплоемкости «ИТ-С-400» [3].

Рис. 3. Графики зависимости теплоемкости

от температуры СВМПЭ с наполнителями

меди 10% и 13% весовых

Рис. 4 Графики зависимости теплоемкости от

температуры СВМПЭ с наполнителями меди

50% и 81% весовых

Рис. 5 Зависимость износа от времени для

СВМПЭ марок ТНХК и Ticona

Рис. 6. Зависимость износа от времени для

композиций СВМПЭ + Cu (3%, 7%, 10%,

13%, 50%, 81%)

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

219

Износостойкость образцов в условиях сухого абразивного износа о незакрепленные час-

тицы на стальной поверхности была исследована на установке испытания износостойкости по-

крытий «ИИП-1», при длительности 90 минут. На рис.5 показаны результаты износа СВМПЭ

марок «Ticona» производства Германия и «ТНХК» производства Россия, без наполнителей. Д е-

лая оценку полученных данных можно говорить о сопоставимых по величине характеристиках

износа. Результаты исследований износа наполненных композитов приведены на рис. 6.

Для управления ходом эксперимента и обработки полученных результатов была раз-

работана специальная программа, к оторая позволяет в автоматическом режиме задавать з а-

кон нагружения и с использованием обратной связи отслеживать его выполнение, регистри-

ровать и обрабатывать информацию в реальном масштабе времени, проводить компьютер-

ный анализ результатов и представлять их в удобном для исследования виде. При исследова-

нии трибологических свойств масла можно получать следующую информацию: момент тре-

ния, давление нагружения, температуру в зоне контакта, температуру масла в рабочей камере.

Рис. 7. Коэффициент трения различных

полимеров

Рис. 8. Автоматический трибологический ком-

плекс: 1-Испытательная камера; 2-система цир-

куляции и термостатирования; 3-контрольная

панель; 4-гидромотор привода вращения контр-

тела; 5-насосная станция системы привода вра-

щения; 6-насосная станция системы нагружения

Предварительно, авторами были проведены исследовани я пары Ст15Х – Ст3сп. Ре-

зультаты приведены на рис. 9.

Рис. 9. Условия испытания стального образца. Ст3сп

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

220

Далее по аналогичной технологии были п роведены исследования двух пар трения:

Ст15Х – СВМПЭ (Бельгия) и Ст15Х - GUR Hostalen 412/212 (ФРГ- «Ticona»)

Результаты эксперимента приведены на Рисунках 10 и 11

По результатам исследования можно сделать вывод, что введение в состав перед го-

рячим формованием исходного СВМПЭ, графита, позволяет снизить износ (потерю массы)

более чем в 3 раза, в сравнении с ненаполненным образцом СВМПЭ (рис. 10 и рис.11), а по

сравнению с износом пары «сталь-сталь» (рис. 9) (15Х-Ст3сп), потеря массы уменьшается

более, чем в 195 раз и 63 раза, соответственно.

Эти данные указывают на желательность применения смазочных масел при эк сплуа-

тации изделий из данных полимеров, что приведет к значительному росту срока службы

данного узла.

Из анализа данных полученных при исследованиях сухого абразивного износа следует

сделать вывод, что увеличение количества наполнителя приводит к увеличению износа, од-

нако композит имеющий в составе наполнитель в количестве 13% показал износостойкость

сопоставимую с образцом, содержащим всего 3% наполнителя.

Рис. 10. Условия испытания образца СВМПЭ, полученный гидроэкструзией в Бельгии

с добавлением графита, с целью приобретения полимером антистатических свойств

Рис. 11. Условия испытаний образца СВМПЭ полученного методом горячего прессования

в ФРГ GUR Hostalen 412/212

При исследовании изменения удельной теплоемкости композитов установлено, что

введение их в количестве 7% и 10% приводит к увеличению удельной теплоемкости по срав-

нению с базовым СВМПЭ без наполнителя. При остальных значениях наполнителя (3%,

13%, 50% , 81%) теплоемкость композитов меньше чем у исходного п олимера. Однако все

композиты имеют максимальное значение теплоемкости при внешней температуре 125 С

При дальнейшем увеличении температуры теплоемкость снижается, что объ ясняется автора-

ми переходом композитов в вязкотекучее состояние.