Исследование физико-механических свойств и структуры наплавленного металла после различных технологических режимов нанесения покрытия

  • Вид работы:
    Дипломная (ВКР)
  • Предмет:
    Другое
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    1,72 Mb
  • Опубликовано:
    2011-06-22
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Исследование физико-механических свойств и структуры наплавленного металла после различных технологических режимов нанесения покрытия

Введение

В настоящее время проблема срока службы деталей машин и агрегатов, их долговечности и надежности приобрела весьма большое значение. Срок службы быстроизнашивающихся деталей определяет рентабельность многих дорогостоящих машин. Незапланированные остановки оборудования для замены изношенных деталей новыми приводят к существенным потерям материалов, труда, финансовых ресурсов, связанных со снижением качества продукции, нарушением ритмичности процесса производства, необходимостью в специальном ремонтном персонале. Все это является причиной колоссальных непроизводственных затрат, которые снижают эффективность народного хозяйства. Современные тенденции интенсификации производственных процессов, увеличения рабочих давлений, скоростей, температуры приводят к ускорению изнашивания деталей, и в сочетании с необходимостью автоматизации производства, делают проблему повышения долговечности быстроизнашиваемых узлов машин ещё более острой.

Только четкие представления о свойствах, контролирующих способность сталей и сплавов к сопротивлению их рабочего слоя разрушению в процессе изнашивания, помогут сформулировать требования к износостойким материалам и выработать конкретные меры, обеспечивающие работоспособность деталей и увеличение срока их службы. По результатам исследования износостойкости материалов в технической литературе имеется много публикаций. В большинстве из них содержатся сведения о конкретных материалах, изучаемых в конкретных условиях эксплуатации. Поэтому публикуемые данные, справедливые только для ограниченных обстоятельств, оказываются часто противоречивы. Одни и те же сплавы, проявляющие высокую износостойкость в одних условиях, оказывают слабую сопротивляемость изнашиванию в других.

Попытки создать износостойкий материал без одновременного учёта всех параметров характеристики изнашивающей среды и внешних условий изнашивания в лучшем случае дают частное решение, пригодное только для одной конкретной детали. Это обстоятельство является причиной больших расхождений в оценке износостойкости практически одинаковых по составу и свойствам материалов, исследованных независимыми авторами, применительно к разным деталям.

Применение износостойких твёрдосплавных покрытий (наплавок) из высокоуглеродистых сплавов на основе железа, по составу близких к инструментальным сталям, является одним из весьма эффективных способов повышения сопротивления абразивному изнашиванию на рабочих трущихся поверхностях изделий. Однако, вопросы целесообразного выбора наплавочных материалов в зависимости от условий службы деталей, как и вопросы технологических методов наплавки, не получили ещё достаточного освещения. Наплавочных сплавов известно очень много, и представляет практический интерес сопоставление их свойств при одинаковых условиях испытания на абразивное изнашивание, которое является главным фактором ограничивавшим сроки службы машин различного назначения.

Стойкость в работе, успешность и эффективность применения твердосплавного покрытия определяются его химическим составом и структурой. Получить наплавочные материалы, наиболее рациональные по этим двум параметрам и весьма экономичные по использованию легирующих элементов, можно на основании систематических исследований влияния химического состава и структурного состояния сплава на свойства наплавленного металла и, прежде всего, на его сопротивление абразивному изнашиванию. Изучение влияния легирования на свойства наплавленного металла не даёт нужного эффекта, если в качестве основного фактора связи между составом и свойствами не будет принято структурное и фазовое состояние сплава. Сопротивление абразивному изнашиванию определяется состоянием, природой и свойствами двух основных составляющих любого сплава: наиболее твёрдой составляющей - карбидами (их составом, кристаллическим строением, твёрдостью и др.), и основой сплава - матрицей, в которой эти карбиды расположены (её составом, кристаллическим строением, отклонением от равновесного состояния и пр.). Исследование связи этих двух составляющих с легированием наплавленного металла, а также влияние каждой из них на сопротивление абразивному изнашиванию позволяет определить условия рационального легирования износостойких покрытий различного назначения.

Анализ работ показал, что оптимальные служебные характеристики лопаток асфальтосмесителей (высокая износостойкость в сочетании с необходимой эксплуатационной приемлемостью) обеспечиваются при наплавке рабочей поверхности лопатки порошковыми проволоками и наплавочными электродами, содержащими в своём составе в определённых соотношениях углерод, хром, бор, кремний и ванадий.

На основе научных результатов разработаны новые износостойкие сплавы, технология и режимы их нанесения, обеспечивающие более высокую работоспособность рабочих органов оборудования по сравнению со стандартными сплавами, ранее применявшимися для изготовления этих деталей. Разработки существенно повышают эффективность, надёжность и ресурс работы оборудования.

Поэтому данная работа была посвящена исследованию физико-механических свойств и структуры наплавленного металла после различных технологических режимов нанесения покрытия.

1. Повышение износостойкости наплавочных материалов за счет их структурно- фазового состояния

1.1    Изнашивание

Процесс изнашивания охватывает совокупность сложных явлений, происходящих при взаимодействии поверхностных слоев металла с изнашивающей средой в определенных условиях температуры и давления. Все компоненты этого процесса, включающие и металл, и изнашивающую среду, и внешние условия, при которых изнашивание осуществляется, взаимно связаны и каждый из них оказывает определенное влияние на конечный результат - процесс изнашивания и величину износа. Поэтому весьма важно найти пути оптимизации этих параметров, обеспечивающих применительно к процессу изнашивания получение наименьшей величины износа и, следовательно, увеличение срока службы, как отдельных деталей, так и машин и аппаратов в целом.

Наиболее полно проблема изнашивания металлов и сплавов может быть решена при её использовании в комплексе, включающем:

) Характеристику изнашивающей среды;

) Внешние условия изнашивания давление, температура, характер силового и коррозионного воздействия;

) Состав, структура и свойства изнашиваемого материала.

Попытки создать износостойкий материал без одновременного учёта всех параметров характеристики изнашивающей среды и внешних условий изнашивания в лучшем случае дают частное решение, пригодное только для одной конкретной детали. Это обстоятельство является причиной больших расхождений в оценке износостойкости практически одинаковых по составу и свойствам материалов, исследованных независимыми авторами, применительно к разным деталям.

Повышение износостойкости деталей машин возможно на основе достоверной информации о механизме разрушения металлов абразивными телами, знания процессов, происходящих в изнашиваемом слое под воздействием абразивов.

Изучение характера этих процессов и оценка их удельного вклада в сопротивляемость изнашиванию позволяет определить те свойства сплава, которые в набольшей мере контролируют его способность противостоять разрушению при взаимодействии с абразивами и сформулировать требования к составу и структуре износостойкого материала.

За последние годы знания о природе и особенностях механизма изнашивания материалов значительно расширились благодаря применению при исследовании совершенных методик и средств изучения изменений, происходящих в поверхностных слоях изнашиваемого материала, установлению связи между характером взаимодействия твердых тел в зоне контакта и реальным строением поверхностного слоя металла. В любом случае при всех условиях процесс изнашивания осуществляется в соответствии с фундаментальными законами природы, в частности законом сохранения энергии. Для того, чтобы отделить от монолитной детали некоторый микро или макро объем нужно затратить энергию, по крайней мере, равную величине энергии, необходимой для образования двух новых поверхностей соответствующей площади. Изменение внутренней энергии изнашиваемого материала равно величине энергии новых поверхностей, образующихся при разрушении, и энергии, аккумулируемой в металле в виде скрытой энергии деформации при взаимодействии с изнашивающей средой. При этом происходит разрыв межатомных связей, приводящий к отделению одной части кристаллической решётки от другой и образованию новых поверхностей. Эти явления требуют для своего осуществления определённых энергических затрат и могут осуществляться, если металлу сообщено необходимое её количество.

1.2   
Виды изнашивания

Изнашивание - основной фактор, ограничивающий срок службы оборудования, работающего в самых различных условиях. Начиная с 1939 года, предложено несколько классификаций видов изнашивания, в каждой из которых абразивное изнашивание выделено в особый вид, имеющий чётко выраженные признаки. Классификация изнашивания может быть произведена по признакам, относящимся к условиям службы деталей или к результату изнашивания-износу или же к явлениям и закономерностям в процессе изнашивания. Типовые условия службы деталей машин, работающих на изнашивание, в классификации, предложенной М.М. Хрущевым, включают в себя:

) вид тела, изнашивающего деталь;

) вид трения;

) вид изнашивания.

Стандартной терминологии в области трения и изнашивания пока нет. Хрущевым М.М. и Бабичевым М.А. в работе [1] предложены следующие определения:

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности материала и его остаточной деформации.

Износ - результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации металла.

Линейный износ - износ, определяемый по уменьшению размера по нормали к поверхности трения.

Скорость изнашивания - отношение величины износа ко времени, в течении которого он возник.

Интенсивность изнашивания - отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объёму выполненной работы.

Относительная износостойкость(ε) - безразмерный показатель, характеризующий соотношение абсолютных величин износа двух материалов, из которых один принят за эталон.

Обычно вид изнашивания определяется условиями службы деталей. Однако в ряде случаев одним и тем же внешним условиям эксплуатации могут соответствовать различные виды изнашивания.

По признаку основных явлений, обусловливающих эффект изнашивания, различные его виды можно объединить в следующие три главные группы: механический, молекулярно-механический и коррозионно-механический.

Основную группу механического вида изнашивания составляет абразивное изнашивание, т.е. изнашивание поверхности детали в результате режущего или царапающего действия твёрдых частиц. Механизм этого вида изнашивания заключается в удалении материала с изнашиваемой поверхности либо в виде очень мелкой стружки, либо фрагментов металла выдавленного предварительно по сторонам пластически деформированной царапины, либо в виде дисперсных частиц, хрупко отделяющихся при однократном или многократном воздействии.

Абразивное изнашивание характерно для очень большого числа машин и механизмов, работающих в самых разнообразных условиях, когда рабочие органы оборудования непосредственно соприкасаются добываемыми, транспортируемыми и перерабатываемыми горными породами, режут грунт или почву, а также в случаях, когда твердые частицы, увлекаемые потоком воды, воздуха, газов со значительной скоростью ударяются о металлические детали.

Абразивный износ выделяется в самостоятельный вид и характеризуется как наиболее интенсивный процесс разрушения материалов. [1]

Особенность абразивного изнашивания состоит в том, что прямое разрушение поверхностного слоя металла в каждый данный момент времени составляет незначительную часть от числа контактов абразивных тел с рабочей поверхностью детали. Результат взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью сопровождается сопутствующими процессами - выделением тепла, увеличением плотности дислокаций в рабочем слое, структурными превращениями и т. п..

Усталостное изнашивание осуществляется при повторных достаточно высоких напряжениях испытываемых одним и тем же объёмом материала поверхности, особенно при чередовании знака напряжения. В результате в нём возникают микротрещины, приводящие к местному поверхностному разрушению, выкрашиванию в виде ямок. Этот вид изнашивания проявляется только через некоторый период работы детали. К этому виду изнашивания приводит и малоцикловая усталость, возникающая при повторных пластических деформациях одних и тех же объёмов металла.

Основным видом молекулярно-механического изнашивания является адгезионное изнашивание, заключающееся в "схватывании" металлов при трении в результате переноса металла с одной на другую и вырывания частиц с поверхности одной детали и налипания или наволакивания их на сопряжённую. Это обычно приводит к появлению на поверхности рисок и задиров, заеданию сопряжённых деталей, сопровождаемому повреждением поверхности. В этих случаях проявляется молекулярное взаимодействие между тесно сближенными поверхностями деталей. Необходимое условие для схватывания - это приведение в непосредственное соприкосновение "ювелирных" поверхностей, которые возникают в процессе совместного пластического деформирования.

К разновидности такого вида изнашивания относят и схватывание при нагреве поверхностных участков трущихся тел, что происходит в процессе трения с большими скоростями и значительными удельными давлениями. При этом изнашивание осуществляется за счёт образования металлических связей между трущимися деталями, приведёнными в достаточно тесное соприкосновение до сферы действия межатомных сил. Для этого участки поверхности должны быть, как и в случае "чисто адгезионного" изнашивания, свободны от разного рода плёнок, оксидов и адсорбированных веществ.

Коррозионно-механическое изнашивание - это механическое изнашивание, осложнённое явлениями коррозии. Поверхность металла, вступая во взаимодействие с кислородом воздуха, образует оксидную плёнку, которая в силу её неметаллической природы не способна к схватыванию и в начальный момент изолирует поверхности сопряжённых деталей от тесного соприкосновения. При трении оксидные плёнки постепенно истираются или, отрываясь, удаляются с поверхности контакта. Затем такая плёнка образуется вновь, снова разрушается при трении и таким образом изнашивание представляет собой удаление непрерывно возобновляющихся оксидных плёнок.

Усиление изнашивания при трении происходит в случае наличия агрессивных сред.

Фреттинг - коррозия - особый вид изнашивания мест сопряжённых деталей, находящихся под нагрузкой, возникающей при очень малых повторных относительных перемещений (например, при продольных вибрациях).

Кавитационное изнашивание происходит в потоке жидкости, движущейся с переменной скоростью в закрытом канале, в участках сильно пониженного давления, например, при обтекании препятствий, когда возникают при некоторых условиях местные разрывы сплошности с образованием каверн. Попадая с потоком в область более высокого давления, каверны захлопываются и, если это происходит у поверхности детали, жидкость с большой скоростью ударяется в стенку. Многократные повторные удары жидкости по одному и тому же участку металла (каверны возникают и захлопываются периодически, иногда с большой частотой) приводят через некоторое время к его местному разрушению, образованию углублений.

На практике редко встречаются случаи изнашивания по какому-либо одному из видов, или по другим вариантам классификации, известным из литературы [2, 3]. Обычно изнашивание осуществляется в сложных реальных условиях и по любой из известных классификаций может быть отнесено к нескольким из выделенных видов.

1.3    Износостойкая наплавка

Наиболее универсальным, экономичным и широко применяемым в народном хозяйстве средством восстановления и изготовления деталей машин и механизмов, придания им специальных качеств, способствующих росту износостойкости, является наплавка. Этот процесс представляет собой нанесение на специально подготовленную поверхность изготовляемых или ремонтируемых деталей расплавленного присадочного металла, образующего с поверхностными слоями основного металла сплав с высокими механическими и служебными свойствами. Потребность в наплавочных материалах в качестве покрытий рабочих поверхностей быстроизнашиваемых деталей при их изготовлении, восстановлении и ремонте нарастает с каждым годом во всех областях промышленности.

Наплавка стала наиболее важным и эффективным способом борьбы с износом. Особенно широко наплавка применяется при ремонте и упрочнении новых деталей металлургического оборудования (засыпные аппараты доменных печей, катки мостовых кранов, рабочие органы дробилок, пескометов, валки горячей прокатки, штампы и др.) сельскохозяйственной техники (лемеха плугов, диски борон, лапы культиваторов), дорожных и строительных машин (зубья и ковши экскаваторов, деталей бульдозеров, грейдеров, лопатки и брони асфальтосмесителей и др.) в кирпичном, стекольном, керамическом производствах, изготовление огнеупорных изделий (прессформы, рабочие детали брикетных прессов), рудомелющие агрегаты, на железнодорожном транспорте (колесные пары электровозов и тяговых агрегатов, автосцепок и др.), лесопильной промышленности (зубья рамных пил, коросниматели, машины для приготовления щепы), рабочие поверхности ходовой части машин гусеничного хода, в автомобильном транспорте (клапаны двигателей внутреннего сгорания), в буровой технике (узлы и детали бурильного оборудования и инструмента, шарошки буровых долот, поршневые буровые насосы, трубные системы, по которым прокачивают жидкость или газ с абразивом) и многое другое в иных отраслях народного хозяйства [4].

Масса сплава, наносимого в процессе наплавки, обычно невелика и составляет 2-6 % массы самой детали, что определяет высокую экономическую эффективность наплавки. Наплавка позволяет повысить износостойкость детали в зависимости от наплавочного сплава и условий эксплуатации в 2-10 раз, а в некоторых случаях и более, сэкономить тысячи тонн стали (часто высоколегированной) снизить трудовые затраты и простои при ремонте оборудования. Задача повышения износостойкости и срока службы деталей машин методом наплавки износостойких покрытий стала насущной для современной техники [5].

Чаще всего наплавку применяют как восстановительную операцию начальных формы и размеров детали. Наплавочным материалом может быть как материал упрочняемой детали, так и иной с более высокими механическими и физико-химическими характеристиками. Развитие этого метода упрочнения сводится к поиску более износостойких материалов, чем материал упрочняемой детали. В качестве наплавочных материалов обычно используют легированную сталь. Главные факторы, регламентирующие износостойкость: химический состав наплавленного материала, возможность последующего дополнительного упрочнения, структурная устойчивость наплавленного слоя в условиях температурного воздействия при изнашивании.

Для однотипных условий изнашивания иногда применяют различные наплавочные материалы, поскольку достаточно обоснованных критериев их выбора пока нет [4]. Поэтому наплавочные сплавы выбирают не под определённый вид изнашивания, а под конкретную деталь конкретной машины или оборудования.

Применение наплавочных процессов позволяет многократно восстанавливать изношенные детали оборудования, металлорежущий и штамповый инструмент, а также создавать новые биметаллические конструкции с требуемыми технологическими и эксплутационными свойствами, которые во много раз повышают ресурс работы изделий, значительно сокращают расход конструкционных и легированных инструментальных сталей и снижают трудоёмкость их изготовления. Благодаря этому удаётся достичь многократной экономии материальных, сырьевых, трудовых, топливно-энергетических и финансовых ресурсов за счёт существенного увеличения долговечности быстроизнашиваемых деталей, сокращения расходов на закупку запасных частей и "омертвления" по этой причине части оборотных средств [6].

1.4    Назначение, характеристика состава и микроструктура наплавленного металла

Обычно наплавочные материалы различают по химическому составу и использованию их в той или иной отрасли промышленности. В США [7] наплавочные материалы разделяют в зависимости от химического состава на четыре группы:

) малолегированные на железной основе (от 2 до 12 % легирующих элементов);

) высоколегированные на железной основе (от 12 до 50 % легирующих элементов);

) материалы на основе никеля и кобальта;

) материалы, содержащие в основном карбиды вольфрама (75 % и выше).

Таблица 1.1 - Классификация, химический состав и твердость наплавленного металла на основе железа

Тип наплавленного металла

Массовая доля элементов, %

Твер-дость HRC


C

Mn

Si

Cr

Ni

W

V

Mo

Прочие


Нелегированные и низколегированные стали

0,4

0,5-3,0

≤1,0

≤3,0

≤3,0

-

-

1,0

-

20-45

Нелегированные и низколегированные стали

0,4

0,5-3,0

≤1,0

≤3,0

≤3,0

-

-

1,0

-

52-60

Хромовольфрамовые, хромомолибденовые теплостойкие стали

0,2-0,5

≤2,0

≤1,0

1,0-5,0

≤5,0

1,0-10,0

0,2-1,5

4,0

-

52-60

Вольфрамовые, вольфраммолибденовые быстрорежущие стали

0,6-1,5

≤0,5

≤0,4

4,0-6,0

-

1,5-18,0

3,0

10

Со≤15

52-60

Низкоуглеродистые хромистые стали

0,2

≤0,8

≤2,0

12-30

≤5,0

-

-

2,0

-

35-50

Хромистые стали с повышенным содержанием углерода

0,2-2,0

0,3-1,5

≤3,0

5,0-18,0

≤5,0

1,5

-

2,0

-

50-60

Высокомарганцевые аустенитные стали

0,5-1,2

11-18

≤4,0

≤5,0

≤4,0

-

-

1,0

-

25-35

Хромоникелевые, хромоникельмарганцевые аустенитные стали

0,3

1,0-8,0

≤5,0

12-20

8,0-25,0

-

-

5,0

Nb≤1,5 Ti≤1,0

18-25

Высокохромистые специальные чугуны

2,0-5,0

0,5-0,8

≤5,0

18-35

≤4,0

5,0

10

8,0

Nb≤1,5 Ti≤1,0 B≤3,0 Co≤5,0

55-65


Наиболее распространённые износостойкие наплавочные материалы включают в себя: аустенитные высокомарганцовистые стали, хромистые стали, карбидные стали класса быстрорежущих, высокохромистые чугуны; хромовольфрамовые теплостойкие стали, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом, никелевые сплавы с хромом и бором, никелевые сплавы с молибденом, карбидные спечённые сплавы и т.д. [8, 4]. Система легирования наплавочных материалов охватывает большой перечень сочетаний: Fе-С-Сr; Fе-С-Мn; Fе-С-W; Fе-С-Сr-Мn; Fе-С-Сr-В; Fе-С-Сr-Ni; Fе-С-Мо; Fе-С-Сr-Мо; Fе-С-Сr-W; Fе-С-Сr-W-V; Fе-С-Сr-W-В и т.д.

Основные структурные составляющие таких сплавов после наплавки: мартенсит (58...60 НRС); аустенит (35...40 НRС); перлит (50 НRС); аустенит и ледебурит (40...50 НRС); ледебурит и карбиды (60... 63 НRС); сорбит (50... 52 НRС) и т.д. Количество углерода и легирующих элементов в наплавочных сплавах обычно колеблется в широких пределах: С- от 0,3 до 4,8 %; Сr - от 2 до 30 %; Мn - от 0,5 до 15 %; W - от 1 до 18 % ; В - от 0,1 до 6 %.

Износостойкость наплавочных материалов существенным образом зависит от типа и количества карбидной фазы в сплавах. Карбиды способствуют также сохранению устойчивости начальной структуры сплава при эксплуатации, осложненной повышенной температурой. Чаще всего упрочняющая фаза в наплавочных сплавах содержит карбиды: Fе3С; Мn3С; Сr7С3; W2С; WС; VС; ТiС; В4С, Мо2С, и др., а также карбобориды, нитриды, железа и легирующих элементов.

В дорожном строительстве для приготовления битумоминеральных смесей широко используются двухвалковые смесители периодического действия. К одной из наиболее быстроизнашивающихся деталей смесителя относятся лопатки роторов. Исследования [4] показали, что большей износостойкостью в условиях работы лопаток асфальтосмесителей обладают сплавы, имеющие упрочняющую фазу в виде боридных игл.

Величина износа возрастает по мере уменьшения размеров первичных карбидов и увеличения расстояния между ними [9]. Микролегирование и модифицирование при электрошлаковой наплавке обеспечило высокие механические свойства, горячую твёрдость, износостойкость и термическую выносливость металла типа 100ХНМ и 100СХНМ [10].

Для стабилизации твёрдого раствора и изменения карбидной эвтектики наплавленный металл модифицировали феррониобием ФН-1. Структура металла приобрела мелкозернистое строение с мелко раздробленной карбидной эвтектикой, что исключило появление трещин в наплавленном металле [11].

Авторами [12] была поставлена задача - разработать на основе системы легирования Fе-С-Сr-В-Si, не содержащей дорогих легирующих элементов, сплав для защиты ковшей элеваторов. В процессе работы было проведено большое количество лабораторных испытаний различных сплавов (табл.1.2).

Относительную износостойкость  определяли как отношение:

, где

L0 - линейный износ образца, мм;

Lэm - линейный износ эталона, мм;

Таблица 1.2 - Относительная износостойкость испытанных материалов


Линейный износ L0, Lэm определяли как среднее арифметическое значение, полученное из 8-10 измерений на рабочей кромке каждого натурного образца. В качестве эталона использовался ковш, изготовленный из стали 45 в отожженном состоянии.

Наплавленный металл, как правило, макронеоднороден, что проявляется в неравномерности его изнашивания в процессе эксплуатации. Исследованию макронеоднородности наплавленного металла посвящалось много работ, в которых использовались спектральный анализ (фрактографический и фотоэлектрический), микрорентгеноспектральный, химический и другие методы анализа металлов [13-16]. Износ поверхностного слоя происходит неравномерно. Причиной этого служит наличие участков наплавленного металла с различной структурой и твёрдостью. Существенно снизить степень неоднородности наплавленного слоя по твёрдости можно посредством предварительного подогрева до температуры, близкой (или несколько превышающей температуру начала мартенситного превращения). В этом случае аустенитная структура сохраняется практически во всём наплавленном слое и последующее превращение происходит более замедленно, что способствует и более равномерному структурообразованию и распределению твёрдости [17]. Неравномерность химического состава наплавленного металла несколько усиливает избирательность процесса изнашивания особенно при взаимодействии с незакреплёнными абразивами, например в условиях работы асфальтосмесителей.

Для условий эксплуатации нефтепромыслового оборудования наиболее пригодны стали аустенитно-мартенситного класса с метастабильным аустенитом. Мартенситное превращение в процессе пластической деформации метастабильного аустенита вызывает дополнительное упрочнение металла [18]. Наиболее широкое применение в промышленности находят электроды, системы легирования углерод-хром-бор обеспечивающие получение в структуре наплавленного металла значительное количество упрочняющей фазы, содержащий бор в карбидах или боридах [8]: Т 590 с 1,5...4,0% углерода, 18,0... 27,0% хрома и 0,5... 1,5% бора; структура наплавленного ими металла, состоит из ледебурита и остаточного аустенита упрочнённых первичными карбидами Ме7С3 и боридами Сr2(В;С).

Для деталей, работающих в условиях абразивного износа при нормальных температурах рекомендуется наплавленный материал следующего состава: С 2,25...4,5%; Si 0,2...0,4%; Мn 0,50...6,0%; Сr 24,0...35,0%, обладающий твёрдостью от 48 до 60 НRС и использующийся для наплавки деталей сельскохозяйственных машин, транспортёров, дробильно-размольного оборудования, бункеров, труб и пневмотранспорта, фрез глинофрезерных машин, валков углеогибочных станов.

Для деталей, эксплуатирующихся в условиях абразивного износа при повышенных температурах используется наплавленный металл состава в зависимости от рабочей температуры. Высокоуглеродистые и высокохромистые сплавы применяются для наплавки деталей, работающих при температуре до 500°С.

Для работы при температурах до 600°С рекомендуется высокоуглеродистый и хромовольфрамовый сплав типа Х10В14, содержащий 3,5...4,0% С; 9...10% Сr; около 14% W. Механическая обработка такого сплава очень затруднена. Поэтому для работы при этой температуре детали, подлежащие механической обработке рекомендуется изготавливать из стали типа 3Х2В8 и Р18 [19]. Детали, подверженные абразивному износу при температурах до 800°С рекомендуется наплавлять твёрдыми сплавами типа стеллитов на основе кобальта (35...55%), содержащие углерод (1...4%), хром (15...45%), вольфрам (10..25%). Аустенитная структура таких сплавов упрочнена карбидами [20]. Стеллиты обладают значительной износостойкостью и прочностью, хорошим сопротивлением коррозии, эрозии и окалино-образованию при значительных температурах.

В композиционных материалах для наплавки деталей узлов трения, работающих на воздухе при температуре 20...1000°С, целесообразно применение карбидов Cr2C2 и ТiС.

В карбидах Сr3С2 растворяется 2...2,5% титана, что не снижает их микротвёрдость. Карбид Сr3С2 содержит углерода 39..40% ат (12,9... 13,3 мас.%). При увеличении углерода в карбидной составляющей с 12,4 до 13,2% мас.% происходит качественное изменение состава карбидов Сr2С2 и Сr7С3 до смеси Сr3С2 и графита [21].

Существенно отметить, что карбид титана ТiС - сильно затрудняет рост зерна в сплаве, дополнительно способствует увеличению сопротивляемости разрушению рабочей поверхности детали при абразивном воздействии. Сопротивление изнашиванию зависит от отношения в карбиде содержания легирующего элемента к углероду. Износостойкость тем выше, чем больше это соотношение [8]. При отношении титана к углероду ТiС =4 весь титан и углерод связаны в карбид ТiС, который не переходит в твёрдьй раствор; при ТiС >4 избыток титана переходит в раствор, при этом количество карбидов меньше и твёрдость сплава после закалки меньше, чем в первом случае. При ТiС <4, избыток углерода переходит в раствор, а при закалке при температуре выше 1200°С и часть карбида титана также может переходить в раствор.

Таблица 1.3 - Типы и свойства различных карбидов

Формула карбидов

Тип решетки

Кол-во атомов на ячейку

Микротвердость

Тп ° С

Уд. вес г/см*3

Максимальное количество растворенного в карбиде элемента

Fe3C

Ромбическая

16

840-860 950-1000

1650

7,62

Mn-неограниченно Cr-до 30%, V-до 2% W-до 0,5%,Ti,Me, Nb,Ta-мало растворимы

Cr7C3

Гексоган. (тригом.)

80

1050-1260 2100

1665

6,915

Fe до 60%

M23C6

Сложная кубическая

116

1000-1100

1550

6,97

Fe до 35%. Все элементы, кроме Nb,Ti,Ta- растворимы

W2C

Гексагон.

3

3000

2850

17,15

-

W6C

Кубическая

112

1495-1812 1000-1100

-

12,0 12,3

V-2-3% Cr-3-5%

WC

Гексагон.

2

1700-1750

2600

15,7

Fe,Ni,Cr плохо растворяются

УС

Кубическая гцк

8

2700-2990

2830

5,6-5,9

Cr-до 30%,W,Me-до 50%Fe очень плохо растворим

TiC

Кубическая гцк

8

3200

3100

-

0,7% Ni

Mo2C

Гексагон. плотноуп.

3

1600

2700

-

-

MoC

Гексагон. плотноуп.

2

-

2690

-

-


1.5 Условия изнашивания

В процессе взаимодействия абразивных тел с поверхностью детали работа упругой деформации в местах каждого единичного контакта полностью переходит в теплоту. Хотя контактная температура в локальных объемах может достигать значительных величин, теплота быстро отводится в холодные объемы металла и изнашивающей среды в соответствии с их теплопроводностью. Температура нагрева рабочей поверхности оказывает весьма важное влияние на износостойкость металлов и сплавов. Так например, термическая обработка, закалка высокохромистых сталей типа Х12 с высоких температур, обуславливает получение в структуре большого количества остаточного аустенита (80%). Известно, что остаточный аустенит такого типа в сталях под воздействием внешней нагрузки может превращаться в мартенсит деформации [22]. Характер зависимости мартенсита деформации при изменении напряжений иллюстрируется (рис.1.1). При этом существует некоторая минимальная величина напряжений - Gm, с которой начинается образование мартенсита деформации. Изучение влияния температуры изнашиваемой детали на сопротивление сплавов воздействию изнашивающих сред посвящено достаточно много работ [23,24-32].

Рисунок 1.1 - Мартенситная кривая, характеризующая образование мартенсита деформации

Исследовались как случаи общего нагрева деталей до различных рабочих температур, при которых происходит изнашивание, так и локального нагрева в результате контактного взаимодействия изнашиваемой поверхности с отдельным абразивным зерном. Как показано в исследованиях [23,24] износ деталей при нагреве до температуры начала мартенситных превращений существенно различен. У сталей со стабильной структурой, не чувствительной к упрочнению в процессе изнашивания и сталей с нестабильной структурой, в которой происходят структурные превращения под воздействием абразивных тел.

Установлено, что упрочнение, полнота протекания превращений и износостойкость сплавов с остаточным метастабильным аустенитом в большей мере зависят от температуры испытаний. Так при увеличении температуры от комнатной до 250°С величина удельного износа возрастает в два раза (рис.1.2).

Рисунок 1.2 - Изменение микротвердости (Н50) и содержания остаточного аустенита (А) на рабочей поверхности стали Х12Ф1 в зависимости от температуры изнашивания

Максимальный уровень износостойкости метастабильных сплавов получен при испытании без подогрева, когда упрочнение стали происходит наиболее полно. Явление резкого снижения износостойкости сплавов со структурой остаточного аустенита при увеличении температуры очевидно связано со стабилизацией - фазы и снижением за счет этого упрочнения изнашиваемой поверхности (рис. 1.2, 1.3).

Рисунок 1.3 - Зависимость удельных износов (Δq) и относительной износостойкости (ε) стали Х12Ф1 от температуры изнашивания

Для начала образования мартенсита необходимо разность свободных энергий , превышающая затраты на упругую деформацию Y и образование границ раздела S. Пластическая деформация повышает температуру мартенситной точки за счет снижения разности свободных энергий и поэтому превращения могут протекать во время деформации при комнатной температуре [33-42,43]. С повышением температуры изнашивания разность свободных энергий снижается, а устойчивость аустенита возрастает [43]. Рост температуры рабочей поверхности, при неизменных других параметрах изнашивания, повышает устойчивость аустенита и только треть его претерпевает превращения.

Анализ изменений тонкой структуры изношенной поверхности, характеризуемых расширением дифракционных линий, показал, что наиболее высокие степени искажений кристаллической решетки и изменений блочной структуры нестабильного сплава соответствует испытанию без подогрева (рис. 1.4). С ростом температуры испытаний наблюдается уменьшение ширины линий 211-мартенсита и 311-аустенита, которое не может быть связано с релаксацией напряжений второго рода и ростом блоков при температурах до 250°С [34]. Следовательно, высокий уровень микротвердости и искажений решеток и фаз является следствием образования в поверхностных слоях мартенсита деформации, который не просто наследует дефекты деформации аустенита, но и оказывает существенное влияние на состояние тонкой структуры за счет фазового наклепа [44]. С повышением температуры изнашивания возрастает стабильность аустенита и снижается количество мартенсита деформации и как следствие, уменьшается ширина дифракционных линий.

Рисунок 1.4 - Изменение ширины линии (211) α - фазы и аустенита на рабочей поверхности стали Х12Ф1 в зависимости от температуры изнашивания

Отсутствие фазовых превращений у сплава со стабильной структурой в процессе изнашивания при комнатной температуре вызывает незначительные изменения микротвердости и расширение линии (37), которые не изменяются с повышением температуры изнашивания до 250°С, и его износостойкость остается постоянной при изнашивании в диапазоне температур от комнатной до 250°С.

Таким образом, степень упрочнения сплавов с метастабильным аустенитом и их износостойкость по сравнению со стабильными структурами максимальны при изнашивании без подогрева и снижаются с ростом температуры испытаний.

В соответствии с [1] процесс образования мартенсита деформации сопровождается выделением карбидов в поверхностном слое на глубине до 16 мкм, приростом плотности дислокаций на глубине до 50 мкм и образованием остаточных напряжений в поверхности слоя 40 мкм. Эти структурные изменения требуют для своего осуществления значительных затрат энергии.

Одной из наиболее известных упрочняемых в процессе эксплуатации сталей является высокомарганцовистая сталь 110Г13Л, которая нашла широкое применение в различного рода установках для дробления горных пород, строительно-дорожном оборудовании, в механизмах по подготовке шихты в металлургическом и литейном производствах [20].

Упрочнение рабочей поверхности деталей, изготовленных из стали 110Г13Л, в процессе взаимодействия с изнашивающей средой обуславливает значительное повышение износостойкости и срока службы таких деталей, особенно, если рабочие нагрузки являются ударными. Так например, в рабочих слоях бронефутеровок шаровых мельниц изготовленных из нестабильной аустенитной стали образуется в процессе эксплуатации структура мартенсита деформации с твердостью НRС 50-60 на глубину до 2-3,5 мм при сохранении аустенитной структуры в основном сечении отливок. Прочный поверхностный слой обеспечивает высокую износостойкость при абразивном изнашивании, в результате чего долговечность бронеплит увеличивается более чем в 2 раза [45]. Однако не при всех условиях эксплуатации сталь 110Г13Л проявляет способность к упрочнению. Так известно, что сталь 110Г1ЗЛ не является износостойкой при нагреве в интервале температур 400-800°С. Например, в условиях ускоренного процесса производства цемента, применяемые футеровки и перегородки мельниц из стали 110Г13Л эксплуатирующиеся при температуре 180-450°С быстро выходят из строя.

Способность аустенита к превращению в мартенсит деформации зависит от его состава, характера и величины напряжений, создаваемых абразивными телами в локальных объемах поверхности при изнашивания. Мартенсит, в силу его строения и образования, характеризуется наличием большого числа микроскопических и субмикроскопических трещин, которые располагаются чаще всего в местах стыка мартенситных пластин [22].

В связи с этим сам мартенсит слабо сопротивляется разрушающему действию абразивных тел при изнашивании. Известно, что углерод снижает температуру начала превращения. На положении мартенситных точек он влияет гораздо интенсивнее, чем остальные легирующие элементы. Конец мартенситного превращения находится ниже 0?С уже при его содержании в стали выше 0,5-0,6 %. Повышение содержания углерода от 0,2% до 1,2% снижает точку начала мартенситных превращений с 400°С до 160°С, т.е. на 240°С. При введении 1%С, марганец на 45°С, Сr-35°С, V-30°С, Мо-25°С, Ni-26°С, W-10°С, Сu-7°С, Si-0°С, кобальт повышает мартенситную точку на 12°С, А1-18°С (рис.1.6) [22]. Чем больше содержание углерода в твердом растворе, тем эффективнее влияние легирующих элементов на положение мартенситной точки, которое определяется составом аустенита. Карбиды не оказывают влияния на температуру мартенситного превращения и характер мартенситной реакции [22].

Количество образующего мартенсита деформации определяется кривой (рис.1.1) точка Gм которой характеризуют минимальную величину напряжений, вызывающих мартенситное превращения. Образование мартенсита деформации зависит от отношения температур мартенситного интервала и деформации (изнашивание). Степень мартенситного превращения уменьшается с повышением температуры деформации и, при некоторой температуре, деформация аустенита уже не сопровождается образованием мартенсита [22].

В случае, когда мы имеем дело с металлом, обладающим не стабильной структурой, способной к превращениям при изнашивании, то зависимость износостойкости от условий изнашивания (температуры и давления) будет значительно более сложной. Если рабочие температуры агрегата или локальная температура, возникающая в месте контакта в месте с абразивным зерном, ниже температуры мартенситных превращений (см. рис. 1.1 и 1.6), то в процессе эксплуатации под давлением абразивов возможны структурные превращения с образованием мартенсита деформации, приводящие к упрочнению рабочего слоя и износостойкость будет выше, чем у сплавов со стабильной структурой при таком же уровне легированности. Нагрев в процессе изнашивания сплава с нестабильной структурой до температуры выше температуры начала мартенситных превращений (см. рис. 1.5 и 1.6) приведет к обычным структурным превращениям аустенита в феррито-перлитную смесь, не сопровождающихся значительным упрочнением рабочего слоя. Износостойкость материала в этих условиях повышаться не будет.

Рисунок 1.5 - Влияние углерода на температуру начала (М) и конца (Мк) мартенситных превращений

а)

б)

Рисунок 1.6 - Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения в сталях с содержанием углерода 0,6 % (а) и 1,0 % (б)

Лопатки асфальтосмесителя работают в иных условиях температуры и давления. В результате на их рабочей поверхности упрочнения не происходит и износостойкость не увеличивается. В сплаве со стабильной структурой воздействие абразивных частиц при трении вызывает в тонких поверхностных слоях дробление и фрагментацию зерен, искажение кристаллической решетки и т. д., что приводит к упрочнению. Отсутствие в сплавах со стабильной структурой фазовых превращений приводит к тому, что степень упрочнения только за счет деформационного воздействия не достигает высоких значений.

Высокая микротвердость и износостойкость метастабильных аустенитных сплавов, в поверхностных слоях которых происходит глубокие деформационные превращения, являются следствием существенных изменений тонкой структуры, вызванных этими превращениями. С увеличением степени деформации аустенита происходит рост числа плоскостей скольжения, измельчение блоков и зерен. При этом полученные дефекты в процессе деформации аустенита переходят в мартенсит и существенно увеличивая его твердость. Кроме того, происходит дополнительное упрочнение и повышение плотности дислокаций за счет фазового наклепа [46, 47].

1.6 Влияние легирующих элементов на повышение износостойкости

Для увеличения сопротивляемости сплавов абразивному изнашиванию в различных условиях эксплуатации, легирование является одним из наиболее эффективных путей повышения работоспособности деталей и срока их службы. [2,48,49,50,51,52]. Основным легирующим элементом, который определяет износостойкость материала, является углерод. Влияние углерода на сопротивление металла изнашиванию существенно зависит от того, в каком виде он находится в сплаве, связан ли в специальные карбиды или растворён в твёрдом растворе [50,54,55]. Углерод является одним из главных компонентов влияющих на износостойкость сталей и сплавов, хотя в железе растворение его сопровождается уменьшением величины сил межатомной связи в феррите, аустените [20] и мартенсите [64]. С увеличением содержания углерода износ сталей уменьшается, однако только до эвтектоидной точки, дальнейшее его увеличение влечёт за собой снижение сопротивляемости металла абразивному воздействию за счёт ослабляющего влияния сетки карбидов. Высоколегированные, но малоуглеродистые стали обладают меньшей износостойкостью чем менее легированные но содержащие большее количество углерода. Влияние легирующих элементов на износостойкость определяется их взаимоотношением с углеродом. Целесообразность легирования износостойких сплавов во многом определяется содержанием в них углерода, в сочетании с которым эффективность влияния легирующих элементов существенно возрастает. Поэтому повышение концентрации углерода в легированных сплавах увеличивает их износостойкость, т.к. позволяет полнее реализовать возможности легирующих элементов.

С увеличением содержания углерода в стали, растёт коэффициент упрочнения аустенита при деформации, что обусловливается, выделением дисперсных карбидов из аустенита, протеканием процессов взаимодействия атомов углерода с дефектами кристаллического строения и изменением плотности и распределения дислокаций. При этом углерод сильно снижает мартенситную точку и при соответствующем его содержании обуславливает получение матрицы, способной при комнатной температуре к превращениям в процессе изнашивания, с образованием по плоскостям скольжения мелкодисперсных карбидов, что вызывает диссипацию энергии абразивных тел. Кроме того, эти карбиды увеличивают твёрдость и способствуют более равномерному распределению плотности дислокаций в изнашиваемом слое, что значительно повышает энергоёмкость металла, а, следовательно, и сопротивляемость сплавов изнашиванию абразивами.

Значительное повышение твёрдости и износостойкости можно достичь при легировании сплава бором [8,60,61,62]. Обычно бор вводится в конструкционные стали в очень небольших количествах для измельчения зерна и увеличения прокаливаемости. Растворимость бора 0,082% - в феррите, аустените - 0,021%, в карбидах - 40%. Бор образует очень твёрдые карбиды (микротвёрдость В4С - 49,5 ГПа) [20] бориды и карбобориды.

Известно, что бор вызывает повышение твёрдости металла, главным образом за счёт интерметаллидов. Характерно, что исходная твёрдость сплавов, содержащих бор, сохраняется и при повышенных температурах. При содержании бора в наплавленном металле свыше 0,4-0,5% наблюдается резкое уменьшение ударной вязкости и работоспособности. Наличие бора в сталях, имеющих ферритную структуру, сопровождается уменьшением сил межатомных связей и вследствие этого некоторым ослаблением способности металла противостоять абразивному воздействию. Бор, при его содержании в сплаве 0,4-0,5%, заметно повышает износостойкость, но одновременно в 6-9 раз снижает ударную вязкость. На основе анализа влияния бора на строение и свойства износостойких сплавов в работе [8] указывается, что легирование хромистых, хромомарганцевых и хромовольфрамовых сплавов бором в количестве 0,15-0,25% нецелесообразно в связи со значительным уменьшением ударостойкости при относительно малом росте износостойкости. Бор при его большом содержании, достаточно широко используется для повышения износостойкости наплавленного металла. Легирование бором в количестве до 1% применяется в промышленных наплавочных сплавах БХ, КБХ, Н8, а также Т-590, ХР-19, Т-620, КБХ-45. Износостойкость наплавок согласно [8] повышается благодаря появлению твердых боридов и увеличению твердости хромистых карбидов.

Хром - один из базовых легирующих элементов, который широко используется в сплавах с углеродом и бором, существенным образом определяет их износостойкость [8,56,58,60]. Введение хрома в металл, обуславливает увеличение твердости карбидов типа Fе3С [65], повышает силы межатомных связей в кристаллической решётке карбидов [67], способствует образованию боридов, карбидов, карбоборидов [8,55,58,60,63,78,65-68].

Хром применяется для легирования большинства конструкционных, инструментальных, жаропрочных и других сталей и сплавов специального назначения. Известно, что хром, растворяясь в феррите до 30 % и аустените до 13 %, повышает прочностные свойства и твёрдость матрицы сплавов; увеличивает стойкость карбидов типа Fе3С, (в которых он может растворятся свыше 23 %) против коагуляции и задерживает процесс снижения механических свойств при нагреве. Он способствует уменьшению износа прокатных валков режущего инструмента и штампов [70]. Введение хрома в сталь повышает силы межатомных связей в кристаллической решётке карбидов и феррита, однако рост величины этих характеристик отмечается при увеличении содержания хрома только до 8%, а дальнейшее увеличение хрома (до 16 %) не приводит к усилению межатомных связей [64]. При содержании в стали более 1% С и 3,5% хрома образуется сложный карбид (Сг, Fе)7С3 тригональная решётка которого характеризуется параметрами а= 13,89 кХ, С= 4,53 кХ. Твердость такого карбида достигает 14,0 -18,0 ГПа. Железо может замещать в Ме7С3 до 40 % хрома, что влечёт за собой снижение твёрдости карбида. Ме7С3 может растворяться в аустените, однако, в меньшей степени, чем Fе3С. В стали, содержащей углерод (до 1 %), а также Мо или W наряду с Ме7С образуется Ме23С6 твёрдость которого составляет 1000 - 1100 НV. В Ме23С6 до 30 % хрома может замещаться железом, что сопровождается увеличением растворимости карбида в аустените при 950 - 1100°С. В стали типа Х12ВМБФР (0,25 % V, 0,37 % Nb) карбиды хрома типа Ме23С6 растворяются полностью при закалке с температуры 1050°С.

В твёрдом растворе наиболее распространенных наплавочных материалов находится до 50 % хрома от общего его содержания в сплаве. Таким образом, влияние хрома в износостойких материалах может проявляться как за счёт карбидов, так и за счёт изменения свойств матрицы.

По комплексу технико-экономических факторов, которые приобретает сплав, содержащий хром, он является основным легирующим элементом износостойких наплавочных материалов. С целью обеспечения в наплавленном металле благоприятной для повышения износостойкости карбидной фазы, количество хрома должно выбираться в соответствии с содержанием углерода из условия Сr/С > 2% ат. или Сr/С>9% по массе.

Хром способствует блокированию дислокаций, образующихся при мартенситных превращениях, т.к. образует на дислокациях прочные атмосферы из атомов углерода. Хром делает более дисперсными выделяющиеся карбиды, повышает предел прочности стали не только при испытании на растяжение, но и на изгиб и сжатие, а также увеличивает сопротивление различным видам изнашивания, однако по-разному в конкретных условиях.

Хром, стимулируя энергоёмкие процессы в сплавах при изнашивании, наиболее существенно влияет на износостойкость сплавов. Массовая доля хрома в металле определяется из отношения Сr/С, увеличение которого повышает сопротивляемость изнашиванию за счёт образования наиболее твёрдого карбида М23С6 [8, 68, 69, 70]. Однако по данным работ [64, 72], массовая доля хрома в сплаве более 15-20 % не приводит к повышению износостойкости.

Результаты исследований [8] показывают, что при массовой доле углерода больше 1,5 % и отношении В/С, равного 1,2 в наплавленном металле обычно образуется карбоборид М23(СВ)6, имеющий меньшую износостойкость, чем карбоборид М2(ВС), который появляется при массовой доле бора более 2 %. Дальнейшее увеличение количества бора в металле приводит к образованию карбоборида М(ВС). При малой массовой доле бора (до 1,5 %) и высокой массовой доле углерода (около 2,1-2,6 %) преимущественно избыточной фазой является карбид М7С3 [8, 60, 69]. Наличие в основе сплава карбидов, боридов и др., обладающих высокой твёрдостью, которая равна или превышает твёрдость абразивных частиц, вносит определяющий вклад в повышение износостойкости материала [48, 67, 61, 66, 69]. Положительное влияние твёрдой фазы связано с полной или частичной потерей абразивными частицами режущих свойств. Кроме этого, вокруг карбидов возникает локальное поле напряжений, которое тормозит перемещение дислокаций, что увеличивает сопротивление пластической деформации и разрушению микрообъёмов металла [50, 65, 69].

Существенное значение имеет и микротвёрдость карбидов и карбоборидов, их состав и свойства. Наименьшей износостойкостью обладают сплавы с карбидами цементитами типа М3С. Образование комплексного карбида М7С3 ведёт к значительному росту износостойкости металла [71]. Переход от М7С3 к карбиду М23С6 приводит к дополнительному увеличению способности металла сопротивляться изнашиванию [8, 73]. В работе [74] показано, что максимальная способность металла противостоять абразивному воздействию достигалась при получении в виде избыточной фазы комплексных боридов (Fе; Сr)2В и (Fе; Сr) В с микротвёрдостью 23-26 ГПа. Такая зависимость износостойкости сплава от типа упрочняющей фазы прямопропорционально связана с её твёрдостью. Так, микротвёрдость цементита 8-9 ГПа, а карбидов М7С3 и М23С6 16-18 ГПа [64,75] . Высокой твёрдостью обладают специальные карбиды ТiС, VС, WС, NbC, наличие которых в структуре металла способствует снижению интенсивности изнашивания [73, 76]. Однако, применение таких дефицитных и дорогих элементов, как вольфрам, ниобий, ванадий и титан в больших количествах нерационально из-за высокой стоимости сплавов. Поэтому для материалов, работающих в условиях абразивного изнашивания, наиболее целесообразным является получение в структуре карбидов, боридов и карбоборидов хрома.

Структура наплавочного карбидно-хромового сплава представляющая собой смесь мелких и крупных карбидов игольчатой и шестигранной формы, расположенных изолированными включениями в основе, позволяет получить хорошее сочетание свойств, обеспечивающих высокую твёрдость и износостойкость.

Уменьшение количества и твёрдости карбидов, а также твёрдости основы, снижает способность металла к сопротивлению изнашиванию. Кроме этих характеристик имеет значение природа образования и вязкость карбидов. При одинаковом количестве карбидной фазы, хромистые стали, содержащие в структуре кубический карбид (Сr, Fе)23С6 проявляют большее сопротивление. Образование специальных карбидов способствует снижению износа металлов. Стали, содержащие ниобий и ванадий, образующие в поверхностном слое карбиды NbС и VС существенно превосходят по износостойкости хромистые стали с кубическими карбидами (Сr, Fе)23С26.

В углеродо-боро-хромистых сплавах обнаружено образование различных видов твёрдой фазы: М2(ВС); М23(СВ)6; М(ВС); МВ; М2В; М7С3 и др., в тоже время выработать единое мнение о роли конкретного типа упрочняющих включений на износостойкость сплава не удалось [8]. Трудность в оценке влияния упрочняющей фазы на способность сплава сопротивляться изнашиванию, связаны с тем, что углерод и бор могут сравнительно легко растворяться (как фазы внедрения) соответственно в карбидах или боридах, или образовывать карбобориды или борокарбиды [8, 60, 61, 77]. Идентификация подобных соединений весьма сложна и требует специальных методик рентгеноспектрального анализа "осадков" [8]. Поэтому трудно разграничить боридные или карбидные соединения с указанием дополнительно внедренных в нем элементов.

При выборе типа упрочняющей фазы следует отметить, что необходимо ориентироваться не на все возможные модификации карбидов и боридов, существующих в природе, подходящих по твёрдости, параметрам решётки и другим свойствам, а на те, которые термодинамически выгодны для образования в углеродистых сплавах. Так, например, карбид хрома Сr3С2 с орторомбической решёткой имеет высокую микротвёрдость Н50=22,8ГПа, практически в металле не образуется и при введении с шихтой переходит в карбид Сr7С3 [78].

Ванадий обычно применяется в инструментальных и теплоустойчивых сталях, где используется его способность к измельчению зерна и, главным образом, увеличение стойкости против снижения твёрдости при отпуске, что важно для наплавленного металла, предназначенного для деталей, работающих при повышенных температурах. Способность ванадия образовывать специальные карбиды в сочетании с повышением сил межатомной связи в карбидах железа, где он может растворятся до 0,1 %, в феррите при высокой температуре сильно повышает износостойкость штампов и режущего инструмента [76].

Ванадий способствует образованию прочных атмосфер из атомов углерода на дислокациях, возникших при мартенситных превращениях, и делает более дисперсным выделяющиеся карбиды. Это должно положительно отражаться на способности сталей с ванадием к сопротивлению абразивному воздействию при изнашивании. Несмотря на благотворное влияния ванадия на многие свойства сталей, его содержание обычно ограничивается 2 %, хотя известно, что при большем его количестве сильно повышается износостойкость инструмента. Это связано со снижением технологичности сталей, легированных ванадием, в присутствии которого сильно ухудшается ковкость и шлифуемость [76].

Ванадий уже при содержании 0,1 % образует карбид типа VС, который присутствует в стали наряду с цементитом. Карбид ванадия обычно не растворим в аустените, однако при наличии в сплаве 1 - 2 % марганца и хрома VС может в нём растворятся.

Карбид ванадия VС имеет кубическую кристаллическую решётку типа NаСl и содержит 19 % С. Микротвёрдость карбида ванадия составляет 18,0-20,0 ГПа, что значительно больше, чем Ме6С и Ме23С6. В работе [8] указывается, что содержание ванадия и углерода в износостойких сплавах, обеспечивающее образование наиболее твёрдых карбидов, должно соответствовать отношению V/С = 0,24 - 0,45 ат. %. По другим данным V/С около 1 % ат. образуют устойчивый карбид VС. Применение ванадия для легирования сплавов, работающих в абразивной среде, показало, что износостойкость при этом увеличивается.

Изменение износостойкости ванадиевых сплавов с аустенитной матрицей обязано главным образом карбидам, так как растворимость ванадия в аустените составляет 1,5 % при 1150°С. В безуглеродистых аустенитных сплавах повышение износостойкости отмечается только при содержании ванадия до 0,5 %.

Ванадий образует устойчивый карбид VС с высокой микротвёрдостью (29 ГПа) и температурой кристаллизации Tкр = 2830°С. Образуясь первым, он служит центром кристаллизации для других включений, что вызывает увеличение количества и дисперсности упрочняющей фазы. По данным ряда работ [8, 58, 79] введение ванадия в сплав в небольших количествах (до 3%) вызывает увеличение износостойкости и пластичности металла, повышает плотность наплавки, измельчает избыточную фазу. Легирование хромистых сплавов ванадием качественно улучшает упрочняющую фазу за счёт образования кроме карбида VС также комплексных соединений типа (Сr; Fе; V)7С3; (Сr; Fе; V)23С26; (Сr; Fе; V)В и др. Влияние ванадия в этих соединениях на повышение износостойкости металла должно играть положительную роль, поскольку он уменьшает в них содержание железа, которое, растворяясь в карбидах, значительно снижает их твёрдость [8, 58, 79]. В то же время способность металла к сопротивлению абразивному изнашиванию зависит не только от типа и количества карбидов или боридов, но и от способности основы прочно удерживать твёрдые включения.

Широкое распространение для работы в условиях ударных нагрузок получили материалы с аустенитной структурой. Легированный аустенит по прочности занимает промежуточное место между ферритом и мартенситом, обладает значительной вязкостью, имеет близкие параметры решётки с карбидной фазой, что обусловливает лучшее закрепление карбидов в основе материала. В тоже время недостаточная износостойкость стабильного аустенита приводит к необходимости применения комплексной матрицы, содержащей аустенит и мартенсит. Определение оптимального соотношения фаз М/А, зависит от количества и свойств твёрдой фазы, а также от условий изнашивания.

1.7 Исследование влияния структурного состояния и количества карбидной фазы на износостойкость в условиях эксплуатации деталей смесителя

Проблема разработки износостойкого материала для конкретных условий абразивного изнашивания является чрезвычайно сложной и поэтому даже при целенаправленных работах по ее изучению до настоящего времени не получила своего полного решения.

Считается, что изнашивание стали с ферритно - цементитной структурой под воздействием закреплённых и не жестко закреплённых абразивных частиц определяется морфологией и дисперсностью цементитной составляющей. Так скорость изнашивания стали 48 с карбидами пластинчатой формы меньше, чем с карбидами глобулярной формы [81]. Для выяснения наиболее приемлемого типа металлической матрицы сплава в условиях изнашивания лопаток, необходимо было выбрать сталь, которая позволяет после соответствующей термической обработки получить весь диапазон типов структурных составляющих основы от перлита до 100% остаточного аустенита (перлит, промежуточные структуры, мартенсит, остаточный аустенит). При этом состав стали, особенно количество углерода выбирают таким образом, чтобы после закалки на преимущественно аустенитное состояние количество карбидов было минимальным с целью меньшего влияния на показатели уровня износостойкости металлической матрицы. Из стандартных сталей наиболее приемлемой для этих целей оказалась сталь Х12Ф1, в структуре которой после закалки на 100% остаточного аустенита, содержится не более 5% карбидной фазы. Для выявления влияния количества карбидной фазы были испытаны в различном структурном состоянии образцы из стали X12, имеющей близкий со сталью Х12Ф1 химический состав и отличающиеся практически только большей массовой долей углерода.

Анализ микрорельефа поверхности трения образцов из сталей Х12Ф1 испытанных в условиях работы лопаток асфальтосмесителя, показал, что характер и количество повреждений полностью отражают полученные значения интенсивности изнашивания данных сталей в различном структурном состоянии.

Так, при испытании сталей Х12Ф1 в преимущественно мартенситном состоянии, на поверхности образцов образуется характерный рельеф с малым количеством рисок и царапин. Как снижение, так и повышение температуры закалки приводит к падению твёрдости (в первом случае за счёт появления в структуре ферритной составляющей в составе троостита, во втором за счёт увеличения количества остаточного аустенита) и увеличению интенсивности изнашивания. Однако замечено, что интенсивность изнашивания образцов со структурой остаточного аустенита несколько ниже, чем образцов с той же исходной твёрдостью, но с ферритной составляющей структуры. (Рис.1.8) Причём, важно отметить, что хотя износостойкость отличается незначительно, но образцы с остаточным аустенитом содержат в структуре 2,5 раза (Х12Ф1) и в 2,1 раза (Х12) меньше карбидной фазы, чем образцы с той же исходной твёрдостью, но содержащие феррит, что связано с некоторым упрочнением аустенита в процессе изнашивания [50].

Износостойкость сталей в нашем случае существенно зависит не только от общего содержания упрочняющей фазы в их структуре но и от ориентации карбидных и боридных зёрен по отношению к рабочей поверхности. Для защиты деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного, и гидроабразивного изнашивания, широкое применение получили наплавочные материалы системы Fе-С-Сr-В с высоким (3-6 %) содержанием бора кристаллизующиеся с боридной упрочняющиеся фазой типа (Fе; Сr)2; (Fе; Сr)В, микротвёрдость которой составляет 22-26 ГПа. Однако в конкретных условиях изнашивания высокая износостойкость таких сплавов определяется не только значительным количеством (50-80%) и твёрдостью включений, но и зависит также от пространственного расположения упрочняющей фазы относительно поверхности изнашивания. Это связано с особенностями формирования избыточной боридной фазы имеющей форму игл, ориентация которых совпадает с направлением теплоотвода, что обеспечивает им максимальную скорость роста и подавляет тем самым рост кристаллов, ориентированных под углом к градиенту теплоотвода. В то же время известно, что максимальное увеличение способности сплава к сопротивлению абразивному разрушению достигается при ориентации боридных игл перпендикулярно плоскости изнашивания. Поэтому главной особенностью при наплавке данной группы сплавов является необходимость учёта конкретных условий эксплуатации деталей, заключающихся в изменении их конструкции, которая обеспечит условия для направленной кристаллизации твердых включений под углами, близкими к 90° по отношению к плоскости изнашивания, что позволит в максимальной степени реализовать потенциальные возможности, заложенные в износостойких материалах. Исходя из этого, была усовершенствована конструкция лопаток асфальтосмесителей с канавкой на рабочей кромке детали, при наплавке которой сплавом 150Х13РЗФ, обеспечивается получение структуры металла с избыточной фазой, ориентированной под углами =80-100° к плоскости изнашивания. Производственные испытания асфальтосмесителей показали, что упрочнённые лопатки по разработанной технологии имеют срок непрерывной работы в 2-2,5 раза выше, чем серийно выпускаемые лопатки из чугуна. [82].

Представленные результаты позволяют утверждать, что для рассматриваемых условий эксплуатации лопаток количество карбидной фазы, а также её ориентация относительно рабочей поверхности вносят более значительный вклад в повышение износостойкости сплава, чем структурное состояние матрицы. Поэтому главным резервом при разработке износостойкого материала для этих условий изнашивания является получение сплава с максимально возможным количеством упрочняющей фазы и её благоприятной ориентацией к поверхности изнашивания. При этом важно отметить, что тип металлической матрицы выбирается из условий конструкционной прочности лопаток и технологичности их изготовления.

Таким образом, был проведён обзор теоретических и экспериментальных результатов работ, посвящённых исследованию структурно-фазовых превращений, протекающих в наплавочных материалах для увеличения срока службы деталей машин.

Анализ литературных данных показал, что способность металла к сопротивлению абразивному изнашиванию зависит не только от типа и количества карбидов или боридов, но и от способности основы прочно удерживать твёрдые включения. При неблагоприятной структуре сплавы с большим количеством упрочняющей фазы могут оказаться весьма мало износостойкими вследствие как их недостаточной твёрдости, так и чрезмерной хрупкости металлической матрицы. При отсутствии достаточной связи на границе раздела фаз, происходит выкрашивание твёрдых включений.

Однако в литературе пока ещё не получили достаточного освещения работы, касающиеся вопросов комплексного исследования структурно-фазовых превращений в многослойных наплавочных материалах на всех структурных уровнях.

Поэтому, работа по установлению закономерностей структурных и фазовых превращений и их влияния на повышение износостойкости многослойных наплавочных материалов и увеличения срока службы рабочих лопаток смесителей, является, безусловно, актуальной.

2. Методика исследования и исследуемые материалы

Материалом для исследования явились образцы из стали 45 на поверхность которых были нанесены по 5 наплавочных слоёв с различными химическими составами системы Fe-C-Cr-Nb-Mo-V-B-Si-Mn. Толщина каждого наплавленного слоя составляла 2 мм. После многослойной наплавки, 5-ый слой практически снимался в результате выравнивания поверхности за счёт окончательной механической обработки фрезерованием. (См. рис. 2.1)

Рисунок 2.1 - Эскиз наплавленной пластины * - поверхность спектрального анализа.

На рис. 2.2 приведена схема электродуговой наплавки под слоем флюса. Сущность процесса дуговой наплавки под слоем флюса заключается в применении наплавочной ленты и гранулированного флюса, насыпаемого впереди дуги слоем определенной толщины. Наплавку ведут дугой, горящей под слоем флюса в пространстве газового пузыря, образующегося в результате выделения паров и газов в зоне дуги.

Сверху пузырь ограничен пленкой расплавленного шлака, снизу - сварочной ванной.

Наплавка под слоем флюса проводится плавящимся электродом автоматически или реже полуавтоматически и отличается наиболее высокой производительностью от других дуговых способов. [90]

Рисунок 2.2 - Схема электродуговой наплавки под слоем флюса.

- подающий механизм; 2 - наплавочный электрод; 3 - токоподвод; 4 - гранулированный флюс, 5 - расплавленный флюс; 6 - затвердевший флюс; 7 - наплавленный флю; 8 - сварочная ванна; 9 - газовый пузырь; 10 - дуга.

.1 Результаты химического анализа наплавленного металла

Для исследования микроструктуры этого наплавленного металла были вырезаны образцы диаметром 20 мм, из них были сделаны шлифы.

Таблица 2.1 - Химические составляющие наплавочных материалов, основы, ленты и флюса

 Название

Легирующие элементы, вес.%


С

Mn

Si

Cr

Cu

Ni

V

Mo

Наплавка с флюсом ФЦ-16

0,1

0,84

0,47

0,11

0,21

0,06

-

-

Наплавка с флюсом ФК-45

0,1

2,89

1,45

2,72

0,19

0,09

-

-

Лента 08КП

0,05-0,11

0,25-0,50

0,03

-

0,25

0,25

0,04

0,035

Флюс ФЦ-16        CaO 1521MnO

6SiO2

MgO

69Al2O3

1721CuF2

1218NaF

8Fe2O3

1,0








ФК-45









.2 Металлографические исследования наплавленного металла

Предпосылкой для всех металлографических исследований является изготовление образцов (шлифов), которые могут быть использованы для микроскопического исследования с помощью светового и электронного микроскопа, для определения микротвердости и количественного измерения структурных составляющих [83-86]. Хорошо приготовленный металлографический шлиф должен отвечать ряду требований. Прежде всего, он должен быть типичным для данного материала образца; вырезка, шлифование, и полировка образца должны осуществляться таким образом, чтобы на его поверхности оставался минимальный слой искаженного и деформированного металла (это необходимо для выявления истинной микроструктуры материала после травления). Кроме того, на поверхности шлифа не должно наблюдаться полировочных царапин и ямок, а также пятен, возникших в результате взаимодействия с жидкостями. Шлиф должен быть достаточно плоским, чтобы его можно было рассматривать при больших увеличениях. Изготовление металлографических шлифов обычно состоит из 5 основных операций: 1. вырезка образца и подготовка поверхности; 2. его закрепление (не обязательно); 3. шлифовка; 4. полировка; 5. травление.

После вырезки образцы шлифовались на бумаге различной зернистости с постепенным переходам от более грубого к более тонкому абразиву: № 40, 16, 6, М40, М20 и окончательная полировка на бархате [87, 88].

В работе использовались два реактива для травления. Реактивом первого сoстaвa травили границы зёрен, а реактивом второго состава - "тело зерна"/29/. Состав первого реактива: азотная кислота 20-25мл, вода дистиллированная 80 мл. Состав второго реактива: соляная кислота 10мл, этиловый спирт 90 мл.

Время травления в первом реактиве в зависимости от химического состава образца от 15с до 1 мин. Температура 20-25° С. Время травления во втором реактиве также зависит от химического состава образца и находится в пределах 1-2 мин. Температура 20-25°С. Протравленные шлифы просматривали и фотографировали на оптическом металлографическом микроскопе ММР-4.

Изучение микроструктуры происходило при помощи микровизора отраженного света µVizo-MET (рисунок 2.3) - разработка ОАО «ЛОМО», который представляет собой новое поколение универсальных микроскопов со сквозным оптико-цифровым каналом наблюдения и является функционально законченной системой наблюдения, регистрации и обработки микроизображений.

 Малогабаритный, переносной, простой в обращении, универсальный. Он работает на прозрачных и на не прозрачных объектах, как на специально приготовленных металлографических шлифах, так и на необработанных поверхностях с шероховатостью до 5 мкм в прямом, косом и поляризованном свете.

Формирование изображения с увеличением до 3000 крат является уникальным достижением разработчиков. Запись изображения осуществляется на карту памяти.

Возможности прибора значительно расширяют сферу его применения. Он идеально подходит для решения триботехнических задач: изучения структуры поверхности, площадок трения и износа, присадок в жидких маслах, изучения морфологических особенностей поверхностей после различных современных технологических воздействий и применения нанотехнологий.

Для изучения микроструктуры наплавленного металла использовался металлографический микроскоп ММР-4. К основным металлографическим характеристикам и возможным методам исследования с помощью этого микроскопа можно отнести: наблюдение в светлом поле при прямом и косом освещении, в тёмном поле и поляризованном свете; увеличение 50-1600 раз; имеется панкреатическая система для плавного изменения увеличения; фотографирование на пластинки 9х12см, плёнку 24х36 мм [86, 89].

Металлографические микроскопы отличаются от биологических, главным образом, методом освещения образца. Это обусловлено тем, что металлические шлифы не прозрачны для световых лучей и потому их исследование проводят не в проходящем, а отражённом свете. На рис. 2.4 представлена упрощенная сxемa хода световых лучей в металлографическом микроскопе.

Pиcунок 2.4 - Схема получения изображения в металлографическом микроскопе.

Подготовленный соответствующим образом шлиф помещается перпендикулярно оптической оси микроскопа. Он освещается проходящим через объективную линзу почти параллельным оптической оси микроскопа пучком света, который формируется конденсором и полупрозрачным зеркалом. Свет отражается от поверхности образца и попадает в объектив. Поэтому отразившие свет элементы образца примерно нормальны оптической оси микроскопа; отражающие элементы, расположенные под углом к оптической оси микроскопа, пошлют световые лучи вне объектива. В связи c этим на конечном изображении образца, создаваемом окуляром, все отражающие свет элементы будут светлыми, а все наклонные - тёмными. Благодаря этому выявляются различные структурные составляющие металлографических шлифов, например, границы зёрен, которые при подготовке образца вытравливаются в канавки с наклоненными к поверхности шлифа боковыми сторонами.

Качество изображения микроскопа определяется главным образом, объективной линзой. Объективная линза имеет ряд характеристик: увеличение; числовая апертура (угловая апертура конусообразного светового пучка, пропускаемого линзой, эта величина характеризует способность линзы собирать световые лучи); разрешающая способность (свойствo линзы объектива разделять близко расположенные детали образца); глубина резкости (характеризуется величиной вертикального смещения деталей образца, которое может быть произведено без потери фокусировки.

износостойкость наплавочный материал металл

2.3 Испытание образцов наплавленного металла на установке на трение вращения

В зависимости от характера движения одного тела по отношению к другому различают коэффициенты трения:

а) при поступательном движении,

б) при качении,

в) при вращательном движении.

При любом из указанных движений при механическом воздействии тел обычно используют закон Кулона

= f *N (1),

где F - сила трения между телами, f- коэффициент трения для этой пары тел,- сила нормального давления одного тела на другое.

Установлено что в первое мгновение движения коэффициент трения покоя больше чем при движении,

о = fо*N > F.

При вращательном движении удобнее использовать понятие момента сил трения

= F*d (2)

где M - момент сил трения, d - средний диаметр на котором действует пара сил трения.

Установка включает в себя модернизированный сверлильный станок 1 (рисунок 2.5), на подвижном столике 2, которого закреплена плата 3. На плате расположена вращающаяся платформа 4 и тензодатчик 5, постоянная связь которого с платформой осуществляется с помощью пружины 6 и упора 7. Один образец 8 крепится в патроне 9 станка, а другой 10 устанавливается на платформу 4. Подъёмом и разворотом столика 2 обеспечивают соосность образцов и зазор между ними не более 0,5 мм. Столик 2 закрепляют. Линейка станка 12 должна при этом занимать горизонтальное положение.

При размещении мерного груза на линейке 12 через шпиндель станка 13 и патрон 9 образец 8 будет оказывать нормальное давление на образец 10. При включении станка момент трения между образцами пытается повернуть платформу 4 с закреплённым образцом 10.

Прогиб тензодатчика приводит к появлению сигнала на АЦП, который преобразуется, и на экране ПК строится график силы трения как функция времени.

При модернизации станка вес шпинделя уравновешен балансиром. Тогда при наличии груза G нормальную N составляющую можно считать равной

=G * L /r , (3)

где G - груз на рычаге-линейке, L - плечо, расстояние от груза до оси вращения, r - радиус делительной окружности зубчатого колеса станка, сидящего на одной оси с линейкой, обеспечивающего поступательное движение шпинделя и равного 10мм.

Тогда момент трения между деталями при вращении можно записать в виде

M= f *N * d =f * G *L * d / r , (4)

где d- средний радиус сопрягаемых деталей.

При проскальзывании момент трения равен моменту сопротивления, создаваемому тензометром, и его можно записать в виде:

Mt = Pt * Rt = k *Ui * Rt , (5)

где k- масштабный коэффициент, определяемый при тарировке тензометра и имеющий размерность ньютон/вольт,- изменение напряжения (от начального)на ПК,- расстояние в мм от оси вращения платформы 4 до точки контакта её упора 7 с тензодатчиком.

Приравнивая правые части формул (4) и (5), имеем формулу для подсчёта коэффициента трения

= ( k *Ui * Rt * r ) / (G * L * d ) (6) ,

где Ui = Ut - Uo.

Здесь Ut - напряжение тензодатчика, показываемое ПК, в выбранный момент времени, Uo - напряжение тензодатчика, вызванное пружинкой 6. Уравнение (6) является рабочей формулой для определения коэффициента трения.

2.4 Исследование структуры износостойкого наплавленного металла методом просвечивающей электронной микроскопии

Электронная микроскопия даёт возможность получить в одном эксперименте изображение с высоким разрешением (вплоть до атомного разрешения 0,1 мкм) и микродифракционные картины одного и того же участка образца, размер этого участка от 1 мкм до 50 мкм в лучших моделях микроскопов, поэтому такой участок, как правило, монокристаллический.[94].

В электронном микроскопе, в отличие от светового микроскопа, вместо света с длиной волны около 5000 Å применяются электроны с эффективной длимой волны около 0,05 Å. На электронном микроскопе при работе может быть получено разрешение около 10 Å [94-96].

При облучении образца электронным лучом электрон может:

.пройти через вещество, не взаимодействуя с ним;

.претерпеть упругое рассеяние - изменить направление движения без изменения энергии;

. продифрагировать- отклоняться в избранном направлении, определяемом структурой кристаллического вещества образца;

.претерпеть неупругое рассеяние- изменить как направление движения, так и энергию;

.быть поглощённым.

При наблюдении тонких металлических фольг и выделившихся частиц видимый контраст обусловлен, главным образом, механизмом 3.

На pиc. 2.8 показана принципиальная схема устройства электронного микроскопа. В электронных микроскопах обычно применяются электромагнитные линзы - магнитные катушки с железными полюсными наконечниками [94-96]. Для обеспечения достаточно большой величины свободного пробега электронов вся система должна находиться в вакууме не хуже 10-4 мм рт. ст. [94]. Осветительной системой служит электронная пушка, состоящая из нагревательной нити (к которой приложен высокий ускоряющий потенциал), окружённый экраном, так называемым цилиндром Венельта, на который подаётся потенциал смещения. Ниже расположен заземлённый анод с отверстием в центре, через которое ускоряемые электроны попадают в колонну микроскопа. В сущности пушка напоминает большую триодную лампу. Кроме электронной пушки осветительная система микроскопа включает в себя ещё и две конденсорные линзы, с помощью которых достигается уменьшение минимального сечения пучка и его фокусировка на объекте. Источником электронов служит вольфрамовая нить. Длина волны электронов определяется ускоряющим напряжением U и равна λ(Å)= √1500/√u. Для обычно используемого напряжения 100 кВ, λ =0,6037 Å.

Фокусирующий электрод фокусирует электроны, а анод их рассеивает. На выходе из электронной пушки пучок электронов имеет диаметр около 90мкм. Первая конденсорная линза проецирует этот уменьшенный в диаметре пучок на образец. Сечение выделенного им участка на образце составляет около I мкм. В результате взаимодействия электронного пучка с кристаллическим веществом часть электронов проходит через тонкий (~2000 А) «прозрачный» для электронов образец без изменения своего направления, часть поглощается или рассеивается им. Принципиальная схема устройства микроскопа и чрезвычайная малость длины волны электрона позволяет получить микродифракционную картину на экране только от тех микроучастков образца, в которых кристаллические атомные плоскости ориентированы под углом ±2° к падающему пучку электронов[96].

Объективная линза, расположенная под образцом, фокусирует лучи и формирует первичное изображение. Промежуточная линза перебрасывает первичное изображение в предметную плоскость проекционной линзы. Проекционная линза формирует конечное увеличенное изображение на флуоресцентном экране или фотопластинке.

Методы просвечивающей электронной микроскопии - качественный (метод реплик) а количественный (метод фольг), позволявшее получать разрешения в доли микрона, делают возможным изучение тонкого строения наплавленного металла. Исследования проводили на просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-200 при ускоряющем напряжении 150 кВ, вакууме 2*10-6 мм.рт.ст. Отрабатывалась методика получения тонких металлических фольг из образцов наплавленного металла. С помощью электроискрового станка были получены заготовки под образцы диаметром З мм и толщиной 200-250 мкм. Для дальнейшего утонения образца использовали стальной полированный брусок 15x30x60 мм с прикреплённым к нему липкой лентой, а также абразивную бумагу 1А. С целью получения тонкой фольги толщиной 2000Å проводят электролитическую полировку. Лабораторная установка состоит из: лабораторного источника питание постоянного тока с регулируемым выходным напряжением (Uвых.=0-100 В. Iвых=0-5 A); электрической плитки держателя анода с электрическим контактом; двух катодов из нержавеющей стали; термометра. Контроль времени ведётся по секундомеру. Используются специальные пинцеты «открытого» и «закрытого» типов.

Состав электролитов, применявшихся при электролитической полировке, и режимы электролитической полировки (температура, время, ток и напряжение) приведены в таблице 2.3. [88, 97, 94].

Таблица 2.3 - Состав электролитов и режимы электрополировки.

Состав электролита

Ток, А

Напря-жение, В

Т, ̊С

Время, с

Катод

Примечание

1

2

3

4

5

6

7

Ортофосфорная кислота-440мл,хромовый ангидрид-60г.

0,1-1,0

2-15

25-85

10-60

Нержавеющая сталь

Для легированных сталей

Ортофосфорная кислота-80мл,хромовый ангидрид-6г,вода-14мл.

0,3-1,0

3-12

25-60

60-300

Нержавеющая сталь, медь, свинец

Для легированных сталей

Ортофосфорная кислота-65мл,хромовый ангидрид-6г,серная кислота-15мл, вода-14мл.

0,1-1,0

2-15

40-60

10-60

Свинец, нержавеющая сталь

Углеродистые стали

Ортофосфорная кислота-48мл,серная кислота-140мл.

0,1-11,0

1-15

35-50

10-60

Свинец

Карбидо - содержащие стали

Серная кислота-40мл, ортофосфорная кислота-60мл.

0,1-1,0

1-15

40-60

10-60

Нержавеющая сталь

Утонение фольг из сталей переходного класса

Ортофосфорная кислота-400мл, серная кислота-100мл, хромовый ангидрид-75, вода-25мл.

0,1-5

4-20

40-60

10-120

Нержавеющая сталь

Утонение фольг из сталей переходного класса

Серная кислота-40мл, азотная кислота-60мл.

0,1-3

20

30-40

60

Нержавеющая сталь

Легированные стали

Фосфорная кислота-60мл, серная кислота-40мл.

0,1-3

10

30-40

60-120

Нержавеющая сталь

Хромоникелевая нержавеющая сталь

Ортофосфорная кислота-42мл, глицерин-47мл, вода-11мл.

0,1-10

12-20

90

10-60

Нержавеющая сталь

Высоколегиро-ванные стали

На основании приведённых работ можно дать рекомендацию в дальнейшем для приготовления электронно-микроскопических образцов использовать метод ионного утонения тонких металлических слоев.

Также мы в своей работе воспользовались полупрямым методом одноступенчатых реплик. Суть метода в следующем: на образец с помощью вакуумного универсального поста ВУП-5 наносится тонкий угольный слой. Затем на напылённый углём образец наносится желатин(10-20% водный раствор), который после высыхания отделяется от поверхности образца вместе с угольной репликой. Далее угольная реплика вместе с желатином опускается в горячую воду (70-95°С) желатином вниз. Желатин растворяется, угольная реплика промывается 3-4 раза в горячей дистиллированной воде, вылавливается не сетку и высушивается. После высыхания из сетки вырубается образец для электронного микроскопа (диаметр образца 3мм.).

Растровый электронный микроскоп (РЭМ), обладающий высокой разрешающей способностью и большой глубиной фокуса, формирует изображение объекта при сканировании его поверхности электронным зондом [94,95]. Это один из наиболее универсальных и перспективных приборов для исследования шлифов и изломов металлов и сплавов.

Исследования проводились на растровом электронном микроскопе TESCAN с системой РСМА INCA ENERGY при ускоряющем напряжении 32 кВ в режиме отраженных и вторичных электронов. Перед просмотром в РЭМ образцы очищали ацетоном и в ультразвуковой камере.

2.5 Микрорентгеноспектральный анализ

Микрорентгеноспектральный анализ основан на регистрации рентгеновскими спектрометрами характеристического рентгеновского излучения, сгенерированного сфокусированным пучком первичных электронов. Микрорентгеноспектральный анализ проводился на микроанализаторе «TESCAN». Принцип действия микроанализатора заключается в следующем: электронная пушка генерирует пучок электронов, который фокусируется до размеров от 100 А до 200 мкм и с помощью отклоняющей системы сканирует по поверхности исследуемого образца. Электроны возбуждают в поверхностном слое металла образца характеристическое рентгеновское излучение, интенсивность которого измеряют рентгеновским спектрометром. Сравнивая интенсивности соответствующих линий эталона и образца, можно рассчитать химический состав данного микрообъёма поверхности образца. Рентгеновская оптика прибора позволяет анализировать элементы периодической системы с атомным номером больше 5. Система автоматического анализа, управляет прибором и производит во время его работы необходимые расчёты. В результате полного цикла операций выдаётся химический состав анализируемого участка.

3. Исследования структурно-фазовых превращений по сечению многослойных наплавочных материалов с феррито-перлитной и аустенитно-мартенситной структурами

.1 Металлографические исследования наплавочных материалов с феррито-перлитной и аустенитно-мартенситной структурами.

В третьей главе представлены результаты исследования структурных и фазовых составляющих в различных слоях наплавочных материалов с ферритно-перлитной и аустенитно-мартенситной структурами, полученных под флюсами ФЦ-16 и ФК-45, соответственно, а также исходного состояния металла основы из стали 45

Исследование структурно-фазового состояния, твёрдости, химического состава многослойных наплавок осуществляли в обоих наплавочных материалах, как в металле основы стали 45, вблизи линии сплавления, так и на различных расстояниях от неё с шагом 2 мм, во всех последующих слоях, вплоть до четвёртого поверхностного слоя(см. рис.1).

С помощью оптической микроскопии был исследовано исходное состояние металла основы из стали 45. На рисунках 3.1 и 3.2 изображены панорамы микроструктуры наплавочных материалов, полученных под флюсами ФК-45 (см. рисунок 3.1) и ФЦ-16 (см. рисунок 3.2) при 100 кратном увеличении. Справа расположен исходный металл основы из стали 45.

В обоих случаях формировалась регулярная структура с твёрдыми зёрнами с мартенситной структурой или перлита, оконтурованными мягкой фазой из аустенита или феррита, соответственно.

3.2 Исследования наплавочных материалов, полученных под флюсом ФЦ-16, методом просвечивающей электронной микроскопии

Для изучения отдельных структурных составляющих наплавочных материалов, полученных под флюсом ФЦ-16, были проведены послойные электронномикроскопические исследования на просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-200.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии было выявлено, что в металле основы из стали 45 присутствуют зёрна структурно-свободного феррита рис.3.3 (а,б), с твёрдостью 4500 МПа и колонии перлита размером 5-15 мкм с межпластинчатым расстоянием l=0,08 - 0,14 мкм, рис.3.3 (в) и твёрдостью 5000 МПа.

Вблизи линии сплавления (Л.С.) со стороны металла основы (жидко-фазного превращения), присутствовали мощные экстинкционные контура, рис.3.3 (г), обусловленные действием полей термических напряжений, достигались минимальные значения дислокационной плотности 2×1010, см -2. Происходило растворение пластин цементита, наблюдалось значительное повышение микротвёрдости светлой фазы до 5700 МПа, за счёт пересыщения его углеродом и кремнием до 0,1 и 0,2%, соответственно. Здесь происходило формирование верхнего бейнита, рис.3.3 (д).

В структуре 2-го наплавочного слоя на расстоянии 3 мм от линии сплавления, наблюдали значительное разупрочнение, как светлой фазы (феррита) до 2800 МПа, так и тёмной (перлита) до 3300 МПа, что свидетельствовало о значительной релаксации внутренних напряжений. Наблюдали следы твёрдофазного (без формирования расплава) a®g®a превращения: распад зёрен свободного феррита и формирование наряду с крупными зёрнами феррита порядка 10…20 мкм, очень маленьких размером около 1 мкм, рис.3.4 (а) и высокой дислокационной плотностью порядка 5×1010, см2. Наблюдали распад крупных частиц цементита и повторное выделение вторичных мелких частиц цементита вдоль границ ячеек, фрагментов, рис.3.4 (б). Полученные результаты свидетельствовали, о том, что во 2-ом наплавочном слое протекали структурные превращения под действием термического влияния, аналогично ЗТВ в металле основы при сварке. Нередко вдоль границ ферритно-перлитных зёрен наблюдали формирование зародышевых микротрещины, рис.3.4 (в).

В структуре 4-ого поверхностного слоя достигалось повторное упрочнение материала за счёт формирования мелкой дислокационной субзёренной структуры с размером ячеек 0,5-0,8 мкм, рис.3.5 (а, б). Здесь были максимальные значения дислокационной плотности 10×1010, см -2 и микротвёрдости, которая достигала для феррита до 3300 МПа и перлита до 4300 МПа, соответственно. В стыках ферритно-перлитных зёрен наблюдали островки нижнего бейнита, рис.3.5 (в).

3.3 Исследования распределения легирующих элементов в наплавочных материалах, полученных под флюсом ФЦ-16, ФК-45 и основы из стали 45

Микрорентгеноспектральный анализ проводился на микроанализаторе «TESCAN».

В таблице 3.1 приведены результаты рентгеноспектрального анализа в 5 точках в поверхностном слое наплавочного материала, полученного под флюсом ФЦ-16.

Таблица 3.1 - Результаты рентгеноспектрального анализа наплавки, полученной под флюсом ФЦ-16

Спектр

Si

Cr

Mn

Fe

Ni

Cu

Спектр 1

0.35

0.01

1.06

98.13

0.16

0.29

Спектр 2

0.40

0.12

0.65

98.55

0.16

0.13

Спектр 3

0.25

0.09

0.72

98.57

-

0.37

Спектр 4

0.38

0.10

0.85

98.07

0.33

0.26

Спектр 5(1)

0.35

0,07

1,05

97,88

0,39

0,26

На рисунке 3.7 приведено распределение легирующих элементов Si, Cr, Mn по слоям наплавки, полученной под флюсом ФЦ-16, для светлой (с) фазы -феррита и темной (т) фазы - перлита. Основная составляющая (от 97,88 до 98,57%) - железо.Как видно из рисунка 3.7, во втором наплавочном слое наблюдаем уменьшение содержания марганца и кремния как в темной, так и в светлой фазе. Для 4 поверхностного слоя наблюдается увеличение содержания марганца и кремния в темной (т) и светлой (с) фазах (в перлите и феррите) по сравнению с исходным металлом основы из стали 45. Содержание хрома уменьшается вблизи линии сплавления со стороны металла основы и затем не меняется в наплавочном материале для темной фазы, а для светлой фазы - содержание хрома уменьшается во 2 наплавочном слое и увеличивается в 4 поверхностном слое.

Рисунок 3.7 - Распределение легирующих элементов Si, Cr, Mn по слоям наплавки, полученной под флюсом ФЦ-16 и основы - СТ45 (с-светлая фаза, т-темная фаза)

На рисунке 3.8 представлены структуры наплавочных материалов, полученных под флюсом ФК-45, снятые с помощью растрового электронного микроскопа. Цветные линии - линии непрерывных спектров. Видно, что основной составляющей является железо (см. рисунок 3.8(а, б)). На рисунке 3.8(в) наблюдается трещина по границам зерен.

На рисунке 3.8(г) наблюдается структура наплавочных материалов, полученных под флюсом ФК-45. Обозначены три точки, в которых проводился рентгеноспектральный анализ. Результаты ренгеноспектрального анализа в трех точках представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Распределение легирующих элементов в точках наплавки, полученной под флюсом ФК-45

Спектр

Si

Cr

Mn

Fe

Ni

Cu

Спектр 1

1.22

2.48

2.64

93.24

0.17

0.26

Спектр 2

1.44

4.83

4.65

88.66

0.20

0.21

Спектр 3

1.03

2.34

2.74

93.59

0.15

0.14


На основании приведенных выше результатов были построены графики распределения легирующих элементов по слоям наплавочных материалов, полученных под флюсом ФК-45 и исходного состояния металла основы из стали 45 для светлой (с) и темной (т) фаз (см. рисунок 3.9). Наблюдается увеличение содержания кремния (от 0,1 до 1,4 %), хрома (от 0,1 до 2,5 и 4.83 % для темной и светлой фаз, соответственно) и марганца (от 0,7 до 2,7 и 4.65 % для темной и светлой фаз, соответственно) по сравнению с исходным состоянием металла основы, как в темной фазе, так и в светлой.

Рисунок 3.9 - Распределение легирующих элементов Si, Cr, Mn по слоям наплавочных материалов, полученных под флюсами ФК-45, и исходного состояния металла основы из стали 45

При сравнении распределения легирующих элементов по слоям наплавочных материалов, полученных под флюсами ФК-45 и ФЦ-16 и исходного состояния металла основы из стали 45 (см. рисунок 3.10), видим, что наплавочные материалы, полученные под флюсами ФК-45, имеют концентрацию легирующих элементов больше, чем наплавочные материалы, полученные под флюсами ФЦ-16, и больше по сравнению с исходным металлом основы из стали 45.

Рисунок 3.10 - Распределение легирующих элементов по слоям наплавочных материалов, полученных под флюсами ФК-45 и ФЦ-16 и исходного состояния металла основы из стали 45

Таким образом, проведены комплексные исследования на макро-, микро- и субмикроскопическом уровне структуры наплавочных материалов, зоны сплавления и исходного металла основы из стали 45 с шагом 2мм на глубину 18 мм от поверхности, послойное изучение наплавочного материала из стали с мартенситно-аустенитной и перлито-ферритной структурой. В обоих случаях формировалась регулярная структура с твёрдыми зёрнами с мартенситной структурой или перлита, оконтурованными мягкой фазой из аустенита или феррита, соответственно. По сечению наплавочного материала именно мягкая фазовая составляющая претерпевала наиболее существенные изменения.

В наплавочных материалах с перлито-ферритной структурой с помощью просвечивающей электронной микроскопии, РСА, измерения микротвёрдости, показано, что в зоне сплавления (жидкофазного превращения) со стороны металла основы происходит растворение цементитных прослоек, увеличение содержания С, Si. Значительные термические напряжения приводят к упрочнению наплавочного материала за счёт формирования верхнего бейнита, имеющего так называемое перистое строение. В верхнем бейните карбидные частицы выделяются в виде изолированных узких полосок между пластинами феррита или по границам и внутри пластин (превращения мягкой ферритной фазовой составляющей в неравновесный феррит пересыщенный Si с микротвёрдостью 5500 МПа).

Показано, что во 2 слое границы раздела зёрен являются местами формирования микротрещин. В перлитной структуре, вдоль пластин феррита обнаружены прослойки остаточного аустенита, в результате твёрдофазного a®g®a превращения, значительное разупрочнение материала наплавки.

Показано, что в 4 слое наплавленного материала происходит дробление, распад, частичная сфероидизация прослоек цементита, подстройка дислокационными стенками оборванных прослоек. При этом происходит повторное упрочнение материала, обусловленное формированием дислокационной субзёренной структуры и формированием нижнего бейнита, упрочнение ферритной составляющей за счёт формирования дислокационной структуры и снятия внутренних напряжений. Нижний бейнит имеет игольчатое, мартенситоподобное строение, его трудно отличить от структуры отпущенного мартенсита. В нижнем бейните карбидные кристаллы находятся преимущественно внутри пластин альфа-фазы. Альфа-фаза бейнита образуется в результате мартенситного превращения (отсюда перистое или игольчатое строение бейнита) и представляет собой несколько пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе.

Таким образом, впервые с помощью просвечивающей электронной микроскопии подробно изучены процессы структурно-фазовых превращений в различных наплавочных слоях с феррито-перлитной структурой.

4. Экономический анализ

4.1    Общие положения

Методология подхода к оценке экономической эффективности дипломных проектов использует теоретические положения и практические примеры «Методических рекомендаций по оценке эффективности инвестиционных проектов» (в редакции 2000 года).

Инвестиции - относительно новый для нашей экономики термин. В бытность плановой экономики использовалось понятие «капитальные вложения».

Инвестиционный проект - это долгосрочный календарный план вложения средств в такие активы, как оборудование, здания, земля и т.п. и получение прибыли от этих вложений.

В терминах финансового анализа данный процесс характеризуется двухсторонним потоком платежей - положительные члены соответствуют доходу, отрицательные члены отражают инвестиционные вложения для осуществления инвестиционного проекта.

При оценке эффективности реальных инвестиций используются следующие базовые принципы:

)        Оценка возврата инвестиционного капитала на основе показателя денежного потока (кэш-фло), формируемого за счет сумм чистой прибыли и амортизационных отчислений в процессе осуществления инвестиционного проекта. При этом показатель денежного потока может дифференцироваться по отдельным годам осуществления инвестиционного проекта.

)        Дисконтирование, то есть приведение к настоящей стоимости, как инвестиционного капитала, так и сумм денежного потока.

)        Обоснование и выбор ставки дисконтирования (дисконтной ставки). Боле высокая ставка применяется по проекту с большей продолжительностью реализации.

)        Вариация форм используемой ставки процента для дисконтирования в зависимости от целей оценки.

В качестве ставки процента, выбираемой для дисконтирования, могут быть использованы: средняя депозитная или кредитная ставка; индивидуальная норма доходности инвестиций с учетом инфляции, уровня риска и уровня ликвидности инвестиций и т.п.

Основой для расчета показателей эффективности инвестиции является «План денежных потоков». Это связано с тем, что анализ денежных потоков (кеш-флю) лежит в основе классических методов инвестиционного анализа и используется в наиболее известных методиках планирования и оценки инвестиционных проектов (например, в «COMFAP» INIDO).

Деятельность предприятия принято разделять на три основные функциональные области: операционную (производственную); инвестиционную; финансовую. Поэтому в «Плане денежных потоков» показываются притоки и оттоки денежных средств от всех этих видов деятельности. [98, 99]

.2 Методология подхода к оценке экономической эффективности

В соответствии с Методическими рекомендациями оценка эффективности инвестиционных проектов предусматривает расчет следующих показателей:

4.2.1 Чистый дисконтированный доход (ЧДД)

Представляет собой сумму денежных потоков за весь расчетный период (Т), приведенную к начальному шагу:

ЧДД= (1) , где

- чистая прибыль, полученная в t-ом году от реализации инвестиционного проекта;

 - амортизационные отчисления в t-ом году;

 - инвестиции, необходимые для реализации проекта в t-ом году;

Е - норма дисконта (является экзогенно задаваемым основным экономическим нормативом) - это коэффициент доходности инвестиций;

 - коэффициент дисконтирования в t-ом году, позволяет привести величины затрат и прибыли на момент сравнения (t).

Если ЧДД > 0, проект следует принимать;

ЧДД = 0, проект ни прибыльный, ни убыточный;

ЧДД < 0, проект убыточный и его следует отвергнуть.

Основой для исчисления ЧДД является «План денежных потоков», который использует метод анализа денежных потоков («кэш-фло»). [98, 99]

4.2.2 Индекс доходности инвестиций (ИД).

Представляет собой отношение сумм приведенного дохода (прибыли) к величине дисконтированных инвестиций (Kt) по всем периодам:

 

Если ИД > 1 - проект эффективен;

ИД < 1 - проект неэффективен.

В отличие от ЧДД индекс доходности является относительным показателем, что позволяет осуществлять выбор одного проекта из ряда альтернативных, имеющих приблизительно одинаковое значение ЧДД. [98, 99]

4.2.3 Период окупаемости (срок окупаемости) инвестиционного проекта .

Это продолжительность периода от начального момента до момента окупаемости.

 ,

где Ке - единовременные инвестиционные вложения, руб.;

Дг - величина годового дохода, руб.;

Ток - срок окупаемости, месяцы, годы.

Начальный момент указывается в задании на проектирование (обычно это начало операционной деятельности). Момент окупаемости - это тот наиболее ранний момент, когда поступления от производственной деятельности предприятия начинают покрывать затраты на инвестиции.

Алгоритм расчета срока окупаемости Ток зависит от равномерности распределения прогнозируемых доходов от инвестиций. Если доход распределен по годам равномерно, то срок окупаемости рассчитывается делением единовременных затрат на величину годового

дохода, обусловленного ими. (4)

Если доход по годам распределен неравномерно, то срок окупаемости рассчитывается прямым подсчетом числа лет, в течение которых инвестиции будут погашены кумулятивным доходом.

Используя показатель срока окупаемости ок) при анализе, следует обратить внимание на ряд его недостатков:

не учитывает влияния доходов последних периодов;

не обладает свойством аддитивности;

не делает различия между проектами с одинаковой суммой кумулятивны доходов, но различным распределением их по годам, если при расчете окупаемости использовать не дисконтированные величины.

Помимо рассмотренных выше показателей эффективности инвестиционных проектов в Методических рекомендациях предусмотрено применение нижеследующих показателей:

чистый доход;

потребность в дополнительном финансировании;

индексы доходности затрат и инвестиций.

Чистым доходом называется накопленный эффект за расчетный период (сальдо денежного потока).

Потребность в дополнительном финансировании (ПФ) - максимальное значение абсолютной величины отрицательного накопительного сальдо от инвестиционной и операционной деятельности. Величина ПФ показывает минимальный объем внешнего финансирования проекта, необходимый для обеспечения его финансовой реализуемости. Поэтому ПФ называют еще капиталом риска.

Индекс доходности затрат - отношение суммы денежных притоков (накопительных поступлений) к сумме денежных оттоков (накопленным платежам).


4.3 Определение исходных данных для расчета показателей

Определение заводской себестоимости Сч осуществляется по статьям калькуляции. Типовое содержание статей калькуляции:

-ая группа - Материальные затраты.

Статьи:

.1       Сырьё и затраты.

.2       Покупные запасные части и полуфабрикаты.

.3       Топливо и энергия на технологические нужды (освещение 3-5%, отопление 2%, питание установки 4-6%)

-ая группа - Трудовые затраты.

Статьи:

.1 Основная заработная плата.

.2 Дополнительная зарплата (8-12% от основной зарплаты).

.3 Отчисления на социальное страхование (4-8% от суммы основной и дополнительной зарплаты).

-ая группа - Расходы по обслуживанию и управлению производством.

Статьи:

.1 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (составляют от 50 до 100% основной зарплаты).

.2 Цеховые расходы (составляют до 200% основной зарплаты).

.3 Общезаводские расходы (расходы на командировки, представительские расходы, расходы на отдел подготовки кадров составляют от 60 до 150% основной зарплаты).

-ая группа - Прочие производственные расходы.

Статьи:

.1 Расходы по освоению. Расходы на научно-исследовательскую деятельность, конструкторскую, технологическую подготовку и организационно-плановую подготовку производства и т.п. (до 10% от заводской себестоимости)

.2 Внепроизводственные расходы (расходы на рекламу, коммерческие расходы, до 10% от заводской себестоимости).

.3 Специальные расходы (расходы на проектирование, разработку устройства, методики и изготовление специальной оснастки, расходы на специальные испытания).

И так, расчет заводской себестоимости С3 ведем по статьям:

С3=1.1 + 1.2 + 1.3 + 2.1 + 2.2 + 2.3 + 3.1 + 3.2 + 3.3 + 4.1 + 4.2 + 4.3

Кj - текущие затраты, затраты на производство продукции или проведение работ рассчитываются по статьям калькуляции.

К1 - затраты на научно-исследовательскую подготовку проектирования.

Расчет ведем по статьям:

К1=2.1 + 2.2 + 2.3 + 3.3 + 4.1 + 4.3

К2 - затраты на изготовление специальной оснастки, специальные испытания, на физическое и математическое моделирование. Разработка и опробирование методики, способов.

Расчет ведем по статьям:

К2=1.1 + 1.2 + 1.3 + 2.1 + 2.2 + 2.3 + 3.1 + 3.2 + 3.3 + 4.1 + 4.3

4.4 Расчет показателей эффективности проекта

Определение заводской себестоимости Сз осуществляется по статьям калькуляции. Затраты на выполнение статей калькуляции приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Затраты на выполнение статей калькуляции

Группа

Статья

Затраты за год, руб.

1

1.1  Сырье и затраты 1.2 Покупные запасные части и полуфабрикаты 1.3 Энергия на технологические нужды (6% от заводской себестоимости)

20400 10200 12439

2

2.1 Основная заработная плата 2.2 Дополнительная зарплата (10% от основной заработной платы) 2.3 Отчисления на социальное страхование (6% от 2.1 + 2.2)

36000 3600 2376

3

3.1 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (50% от 2.1) 3.2 Цеховые расходы (70% от 2.1) 3.3 Общезаводские расходы (100% от 2.1)

18000 25200 36000

4

4.1 Расходы по освоению (10% от Сз) 4.2 Внепроизводственные расходы (5% от Сз) 4.3 Специальные расходы

16585 14511 12000


d=1.1 + 1.2 + 1.3 + 2.1 + 2.2 +2.3 + 3.1 + 3.2 +1.1 + 1.2 + 1.3 + 2.1 + 2.2 +2.3 + 3.1 + 3.2 + 3.3 +4.1 +4.2 + 4.3

Сз= 14425 руб. в месяц

Сз= 16585 руб. в год

К1 - затраты на научно-исследовательскую подготовку проектирования

К1=2.1 + 2.2 + 2.3 + 3.3 + 4.1 + 4.3

К1=111246 руб. в год

К2 - затраты на изготовление специальной оснастки, специальные испытания, на физическое и математическое моделирование. Разработка и опробирование методики, способов.

К2=1.1 + 1.2 + 1.3 + 2.1 + 2.2 + 2.3 + 3.1 + 3.2 + 3.3 + 4.1 + 4.3

К2=197807 руб. в год

Планируется ввод нового испытательного стенда на трение, на его изготовление израсходовано 100000 руб.

Для запуска проекта необходимо затратить в начальный момент времени 111246 руб. на организацию и научно-исследовательскую подготовку проектирования, через год - 197807 руб. на рекламу, на изготовление специальной оснастки, специальных испытаний, физическое и математическое моделирование. Чистая прибыль во второй, третий, четвертый, пятый годы составили:

Пt=rt×Сз/100,

где

rt - рентабельность; (r2=24; r3=23; r4=22; r5=21; r6=20)

Сз - заводская себестоимость

         год - П2 - 117408 руб.; А2=20000,

         год - П3 - 112516 руб.; А3=20000,

         год - П4 - 107624 руб.; А2=20000,

         год - П5 - 102732 руб.; А3=20000,

Аt - амортизационные отчисления в t-ом году.

Определяем величину чистого дисконтированного дохода (ЧДД)

ЧДД= (1) , где

- чистая прибыль, полученная в t-ом году от реализации инвестиционного проекта;

 - амортизационные отчисления в t-ом году;

 - инвестиции, необходимые для реализации проекта в t-ом году;

Е - норма дисконта, коэффициент доходности инвестиций; Ставки дисконта составили 20 %. (Е=20%)

ЧДД= -111246х1-197807/(1+0,2)1 + 137408/(1+ 0,2)2 + 132516/(1+ 0,2) + 127624/(1+0,2)4 + 122732/(1+0,2)5 =9681,5 руб.;

ЧДД > 0, следовательно, проект эффективен.

Определим индекс доходности (ИД) проекта:

Индекс доходности проекта представляет собой отношение сумм приведенного дохода (прибыли) к величине дисконтированных инвестиций (Kt) по всем периодам:

 

ИД = 137408/(1+0,2)2 + 132516/(1+0,2) + 127624/(1+0,2)4 + 122732/(1+0,2)5 =

×1-197807/(1+0,2)1

= 1,0362

ИД > 1, следовательно, проект эффективен.

Определим период окупаемости инвестиционного проекта (Ток)

Это продолжительность периода от начального момента до момента окупаемости.

 ,

где Ке - единовременные инвестиционные вложения, руб.;

Дг - величина годового дохода, руб.;

Ток - срок окупаемости, месяцы, годы.

Определим срок окупаемости без учета дисконтирования денежных поступлений.

А) На основе среднегодовой величины денежных поступлений составит:

Дг=137402+132516+127624+122732 = 104056 руб.

К= К1×К2= 111246+197807=309053 руб.

Срок окупаемости:

Ток=309053 = 2,95 года

Б) На основе нарастания денежных средств по годам до достижения величины капитальных вложений. В этом случае срок окупаемости составляет 3 года, т.к. за это время накапливается сумма денежных средств для покрытия капитальных вложений 309053 руб. (137408 + 132516 + 127624 - 397548 руб.)

Рассчитаем срок окупаемости с учетом дисконтирования денежных поступлений.

Дисконтирование суммы по годам составят:

Второй год 137408/(1+0,2)2 = 95422 руб.                  

Третий год 132516/(1+0,2)3 = 76688 руб.

Четвертый год 127624/(1+0,2)4 = 63547 руб.

Пятый год 122732/(1+0,2)5 = 49323 руб.

А) На основе среднегодовой величины денежных поступлений. Среднегодовая величина дисконтирования денежных поступлений составит:

Дг = 95422 + 76688 + 61547 + 49323 = 56596 руб.

Ке = 111246 + 167324 = 278570 руб.

Срок окупаемости:

Ток = 278570 = 4,82 года

56596

Б) На основе нарастания дисконтированных денежных поступлений до момента покрытия капитальных вложений:

Ток = 4 года 278570 - (95422 + 76688 + 61547) = 4,81 года

49323

Вывод. Так как ЧДД является положительной величиной, а индекс доходности (ИД) больше 1, проект является эффективным и окупится за 4,92 года. На основе расчета чистого дисконтированного дохода, индекса доходности, срока окупаемости принять решение об экономической целесообразности данного проекта.

5. Безопасность жизнедеятельности

.1 Вредные производственные факторы - шум, вибрация

Шум и вибрация объединяются общим принципом их образования: все они являются результатом колебания тел, передаваемого непосредственно или через газообразные, жидкие и твердые среды. Отличаются они друг от друга лишь по частоте этих колебаний и различным восприятием их человеком.

Колебания с частотой от 20 до 20000 Гц (герц - единица измерения частоты, равная одному колебанию в секунду), передаваемые через газообразную среду, называются звуками и воспринимаются органами слуха человека как звуки; беспорядочное сочетание таких звуков составляет шум. Колебания ниже 20 Гц называются инфразвуками, а выше 20000 Гц - ультразвуками; они органами слуха человека не воспринимаются, однако оказывают на него влияние.

Колебания твердых тел или передаваемые через твердые тела (машины, строительные конструкции и т. п.) называются вибрацией. Вибрация воспринимается человеком как сотрясение при общей вибрации с частотой от 1 до 100 Гц, а при локальной (местной) - от 10 до 1000 Гц (например, при работе с виброинструментом). [100, 101, 102]

5.2 Шум и его влияние на организм человека

Шум представляет собой беспорядочное сочетание разнообразных звуков, поэтому для понимания физических основ образования и распространения шума, его восприятия человеком и влияния на организм следует рассматривать звук как составную часть всякого шума, включая и производственный.

Колебания источника звука производят попеременное сжатие и разрежение воздуха, образуя волнообразное колебание его, распространяющееся от источника звука во все стороны в виде увеличивающихся в объеме сфер. Это называется распространением звуковой волны.

Звуковые волны, встретив на пути распространения любые поверхности (твердые, жидкие), передают им эти колебания. Подобным препятствием звуковой волне может служить и орган слуха, который состоит у человека из ушной раковины со слуховым проходом (наружное ухо), барабанной перепонки, соединенной с системой слуховых косточек (среднее ухо), и так называемого кортнева органа с окончаниями слухового нерва (внутреннее ухо). Звуковая волна вызывает колебания барабанной перепонки, которые, приводя в движение систёму косточек среднего уха, передаются окончаниям (рецепторам) слухового нерва, вызывая в них соответствующие нервные импульсы, посылаемые в головной мозг. Более интенсивный звук, то есть с большей энергией колебаний, воспринимается как громкий, менее интенсивный - как тихий.

Установлено, что орган слуха человека воспринимает разность изменения звукового давления в виде кратности этого изменения, поэтому для измерения интенсивности шума используют логарифмическую шкалу в децибелах относительно порога слышимости (минимальное звуковое давление, воспринимаемое органом слуха) человека с нормальным слухом. Эта величина, равная 2х10-5 ньютон на 1 м2, принята за 1 децибел (дБ).

При повышении интенсивности звука создаваемое в звуковой волной давление на барабанную перепонку на определенном уровне может вызывать болевые ощущения. Такая интенсивность звука называется порогом болевых ощущений и находится в пределах 130 дБ.

Звуковая часть колебательного спектра, как сказано выше, имеет огромный диапазон частот - от 20 до 20000 Гц. Звуки различных частот даже при одинаковой их интенсивности воспринимаются по-разному. Низкочастотные звуки воспринимаются как относительно тихие; по мере увеличения частоты увеличивается громкость восприятия, но, приближаясь к высокочастотным колебаниям, и особенно к верхней границе звуковой части спектра, громкость восприятия снова падает. Наиболее хорошо ухо человека воспринимает колебания в пределах 500 - 4000 Гц.

Учитывая эти особенности восприятия, для характеристики звука или шума в целом надо знать не только его интенсивность, но и спектр, то есть частоту колебаний звуковой волны.

В условиях производства, как правило, имеют место шумы различной интенсивности и спектра, которые создаются в результате работы разнообразных механизмов, агрегатов и других устройств. Они образуются вследствие быстрых вращательных движений, скольжения (трения), одиночных или повторяющихся ударов, вибрации инструментов и отдельных деталей машин, завихрений сильных воздушных или газовых потоков и т. д. Шум имеет в своем составе различные частоты, и все же каждый шум можно охарактеризовать преобладанием тех или иных частот. Условно принято весь спектр шумов делить на низкочастотные - с частотой колебаний до 350 Гц, среднечастотные - от 350 до 800 Гц и высокочастотные - свыше 800 Гц.

К низкочастотным относятся шумы тихоходных агрегатов неударного действия, шумы, проникающие сквозь звукоизолирующие преграды (стены, перекрытия, кожухи), и т. п.; к среднечастотным относятся шумы большинства машин, агрегатов, станков и других движущихся устройств неударного действия; к высокочастотным относятся шипящие, свистящие, звенящие шумы, характерные для машин и агрегатов, работающих на больших скоростях, ударного действия, создающих сильные потоки воздуха или газов, и т. п.

Производственный шум различной интенсивности и спектра (частоты), длительно воздействуя на работающих, может привести со временем к понижению остроты слуха у последних, а иногда и к развитию профессиональной глухоты. Такое неблагоприятное действие шума связано с длительным и чрезмерным раздражением нервных окончаний слухового нерва во внутреннем ухе (кортиевом органе), в результате чего в них возникает переутомление, а затем и частичное разрушение. Исследованиями установлено, что чем выше частотный состав шумов, чем они интенсивнее и продолжительнее, тем быстрее и сильнее оказывают неблагоприятное действие на орган слуха. При чрезмерно интенсивных высокочастотных шумах, если не будут проведены необходимые защитные мероприятия, возможно поражение не только нервных окончаний, но и костной структуры улитки, кортиева органа и иногда даже среднего уха.

Помимо местного действия - на орган слуха, шум оказывает и общее действие на организм работающих. Шум является внешним раздражителем, который воспринимается и анализируется корой головного мозга, в результате чего при интенсивном и длительно действующем шуме наступает перенапряжение центральной нервной системы, распространяющееся не только на специфические слуховые центры, но и на другие отделы головного мозга. Вследствие этого нарушается координирующая деятельность центральной нервной системы, что, в свою очередь ведет к расстройству функций внутренних органов и систем. Например, у рабочих, длительное время подвергавшихся воздействию интенсивного шума, особенно высокочастотного, отмечаются жалобы на головные боли, головокружение, шум в ушах, а при медицинских обследованиях выявляются язвенная болезнь, гипертония, гастриты и другие хронические заболевания. [100, 101, 102]

5.3 Влияние вибрации на организм человека

Восприятие вибрации зависит от частоты колебаний, их силы и размаха - амплитуды. Частота вибрации, как и частота звука, измеряется в герцах, энергия - в килограммометрах, а амплитуда колебаний - в миллиметрах. За последние годы установлено, что вибрация, как и шум, действует на организм человека энергетически, поэтому ее стали характеризовать спектром по колебательной скорости, измеряемой в сантиметрах в секунду или как и шум, в децибелах; за пороговую величину вибрации условно принята скорость в 5х10-6 см/сек. Вибрация воспринимается (ощущается) лишь при непосредственном соприкосновении с вибрирующим телом или через другие твердые тела, соприкасающиеся с ним. При соприкосновении с источником колебаний, генерирующим (издающим) звуки наиболее низких частот (басовые), наряду со звуком воспринимается и сотрясение, то есть вибрация.

В зависимости от того, на какие части тела человека распространяются механические колебания, различают местную и общую вибрацию. При местной вибрации сотрясению подвергается лишь та часть тела, которая непосредственно соприкасается с вибрирующей поверхностью, чаще всего руки (при работе с ручными вибрирующими инструментами или при удержании вибрирующего предмета, детали машины и т. п.). Иногда местная вибрация передается на части тела, сочлененные с подвергающимися непосредственно вибрации суставами. Однако амплитуда колебаний этих частей тела обычно ниже, так как по мере передачи колебаний по тканям, и тем более мягким, они постепенно затухают. Общая вибрация распространяется на все тело и происходит, как правило, от вибрации поверхности, на которой находится рабочий (пол, сиденье, виброплатформа и т. п.).

Колебания, передаваемые от вибрирующей поверхности телу человека, вызывают раздражение многочисленных нервных окончаний в стенках кровеносных сосудов, мышечных и других тканях. Ответные импульсы приводят к нарушениям обычного функционального состояния некоторых внутренних органов и систем, и в первую очередь периферических нервов и кровеносных сосудов, вызывая их сокращение. Сами же нервные окончания, особенно кожные, также подвергаются изменению - становятся менее восприимчивыми к раздражениям. Все это проявляется в виде беспричинных болей в руках, особенно по ночам, онемения, ощущения “ползания мурашек”, внезапного побеления пальцев, снижения всех видов кожной чувствительности (болевой, температурной, тактильной). Весь этот комплекс симптомов, характерный для воздействия вибрации, получил название вибрационной болезни. Больные вибрационной болезнью обычно жалуются на мышечную слабость и быструю утомляемость. У женщин от воздействия вибрации, помимо этого, нередко появляются нарушения функционального состояния половой сферы.

Развитие вибрационной болезни и других неблагоприятных явлений зависит в основном от спектрального состава вибрации: чем выше частота вибрации и чем больше амплитуда и скорости колебаний, тем большую опасность представляет вибрация в отношении сроков развития и тяжести вибрационной болезни.

Способствуют развитию вибрационной болезни охлаждение тела, главным образом тех его частей, которые подвержены вибрации, мышечные напряжения, особенно статическое, шум и другие. [100, 101, 102]

5.4 Меры борьбы с шумом и вибрацией

Мероприятия по борьбе с шумом и вибрацией во многом однотипны. Прежде всего, необходимо обратить внимание на технологический процесс и оборудование, по возможности заменить операции, сопровождающиеся шумом или вибрацией, другими. В ряде случаев можно заменить ковку металла его штамповкой, клепку и чеканку - прессованием или электросваркой, наждачную зачистку металла - огневой, распиловку циркулярными пилами - резанием специальными ножницами и т. д. Необходимо следить, чтобы при такой замене не создавались какие-либо дополнительные вредности, которые могут оказывать на работающих более неблагоприятное действие, чем шум и вибрация.

Устранение или сокращение шума и вибрации от вращающихся или двигающихся узлов и агрегатов достигается, прежде всего, путем точной подгонки всех деталей и отладки их работы (уменьшение до минимума допусков между соединяющимися деталями, устранение перекосов, балансировка, своевременная смазка и т. п.). Под вращающиеся или вибрирующие машины или отдельные узлы (между соударяющимися деталями) следует прокладывать пружины или амортизирующий материал (резина, войлок, пробка, мягкие пластики и т. п.). В тех случаях, где допустимо по техническим условиям, целесообразно заменить подшипники качения на подшипники скольжения, плоскоременные передачи с вшивным ремнем - на клиновидные, редукторные передачи - на безредукторные, детали и узлы с возвратно-поступательными движениями - на вращательные.

Не рекомендуется вращающиеся части машины (колеса, шестерни, валы и т. п.) размещать с одной ее стороны: это усложняет балансировку и приводит к вибрации. Вибрирующие большие поверхности, создающие шум (дребезжащие), такие, как кожухи, перекрытия, крышки, стенки котлов и цистерн при их .клепке или зачистке, галтовочные барабаны и т. п., следует более плотно соединять с неподвижными частями (основаниями), укладывать на амортизирующие подкладки или обтягивать подобным материалом сверху. [103, 104]

Для предупреждения завихрений воздушных или газовых потоков, создающих высокочастотные шумы, необходимо тщательно монтировать газовые и воздушные коммуникации и аппараты, особенно находящиеся под большим давлением, избегая шероховатостей внутренних поверхностей, выступающих частей, резких поворотов, неплотностей и т. п. Для выпуска сжатого воздуха или газа следует использовать не простые краны, а специальные задвижки типа Лудло. Давление воздуха или газа в системах нельзя повышать выше величин, необходимых для данного технологического процесса, для чего желательно устанавливать ограничители давления. Окружная скорость турбин вентиляторов и других вращающихся частей оборудования, увлекающих за собой воздушные потоки, не должна превышать 35 - 40 м/сек. Соединения вентиляторов с воздуховодами, а в ряде случаев газовых и воздушных коммуникаций целесообразно производить мягкими переходами (резиновые, брезентовые рукава, резиновые прокладки на фланцах и т. п.). На выхлопах пневматических установок оборудуются шумоглушители.

Немаловажную роль в борьбе с шумом и вибрацией играют архитектурно-строительные и планировочные решения при проектировании и строительстве промышленных зданий. Прежде всего, необходимо наиболее шумящее и вибрирующее оборудование вынести за пределы производственных помещений, где находятся рабочие; если это оборудование требует постоянного или частого периодического наблюдения, на участке его размещения оборудуются звукоизолированные будки или комнаты для обслуживающего персонала.

Помещения с шумящим и вибрирующим оборудованием надо как можно лучше изолировать от остальных рабочих участков. Аналогичным образом целесообразно изолировать между собой и помещения или участки с шумами разной интенсивности и спектра. Стены и потолки в шумных помещениях покрываются звукопоглощающими материалами, акустической штукатуркой, мягкими драпировками, перфорированными панелями с подкладкой из шлаковаты и др. [103, 104]

Мощные машины и другое оборудование вращательного или ударного действия устанавливаются в нижнем этаже на специальном фундаменте, полностью отделенном от основного фундамента здания, а также пола и опорных конструкций. Подобное оборудование меньшей мощности устанавливается на несущих конструкциях здания с прокладками из амортизирующих материалов или на консолях, крепящихся на капитальных стенах. Оборудование, создающее шум, укрывается кожухами или заключается в изолированные кабины со звукопоглощающими покрытиями. Звукоизолируются также газовые или воздушные коммуникации, по которым может распространяться шум (от компрессоров, пневмоприводов, вент Эффективным путем решения проблемы борьбы с шумом является снижение его уровня в самом источнике за счет изменения технологии и конструкции машин. К мерам этого типа относятся замена шумных процессов бесшумными, ударных - безударными, например замена клепки - пайкой, ковки и штамповки обработкой давлением; замена металла в некоторых деталях незвучными материалами, применение виброизоляции, глушителей, демпфирования, звукоизолирующих кожухов и др. При невозможности снижения шума оборудование, являющееся источником повышенного шума, устанавливают в специальные помещения, а пульт дистанционного управления размещают в малошумном помещении. В некоторых случаях снижение уровня шума достигается применением звукопоглощающих пористых материалов, покрытых перфорированными листами алюминия, пластмасс. При необходимости повышения коэффициента звукопоглощения в области высоких частот звукоизолирующие слои покрывают защитной оболочкой с мелкой и частой перфорацией, применяют также штучные звукопоглотители в виде конусов, кубов, закрепленных над оборудованием, являющимся источником повышенного шума. Большое значение в борьбе с шумом имеют архитектурно-планировочные и строительные мероприятия. В тех случаях, когда технические способы не обеспечивают достижения требований действующих нормативов, необходимо ограничение длительности воздействия шума и применение противошумов.

Противошумы - средства индивидуальной защиты органа слуха и предупреждения различных расстройств организма, вызываемых чрезмерным шумом. Их используют в основном тогда, когда технические средства борьбы с шумом не обеспечивают снижения его до безопасных пределов. Противошумы подразделяют на три типа: вкладыши, наушники и шлемы.

Противошумные вкладыши вводят в наружный слуховой проход. Вкладыши бывают многократного и однократного пользования. К вкладышам многократного пользования относятся многочисленные варианты заглушек в виде колпачков различной конструкции и формы из резины, каучука и других пластичных полимерных материалов, в некоторых случаях надетых на железные стержни. Противошумные вкладыши многократного использования выпускают нескольких типов и размеров; вес их не регламентируется и колеблется в пределах до 10 г. «Беруши» - коммерческое название отечественных противошумных вкладышей однократного пользования из органического перхлорвинилового фильтрующего шумопоглощающего материала. [103, 104]

Противошумные наушники представляют собой чаши, по форме близкие к полусфере, из легких металлов или пластмасс, наполненные волокнистыми или пористыми звукопоглотителями, удерживаемые с помощью оголовья. Для удобного и плотного прилегания к околоушной области они снабжаются уплотняющими валиками из синтетических тонких пленок, часто заполненных воздухом или жидкими веществами с большим внутренним трением (глицерин, вазелиновое масло и др.). Уплотняющий валик одновременно демпфирует колебания самого корпуса наушника, что существенно при низкочастотных звуковых колебаниях.

Противошумные шлемы - самые громоздкие и дорогостоящие из индивидуальных средств противошумной защиты. Они используются при высоких уровнях шумов, часто применяются в комбинации с наушниками или вкладышами. Расположенный по краю шлема уплотняющий валик обеспечивает плотное прилегание его к голове. Имеются конструкции шлемов с поддутием валика воздухом для надежного облегания головы.

Медицинскими противопоказаниями к допуску на работу, связанную с воздействием интенсивного шума, являются следующие заболевания:

. Стойкое понижение слуха, хотя бы на одно ухо, любой этиологии

. Отосклероз и другие хронические заболевания уха с заведомо неблагоприятным прогнозом

. Нарушение функции вестибулярного аппарата любой этиологии, в том числе болезнь Меньера

. Наркомании, токсикомании, в том числе хронический алкоголизм

. Выраженная вегетативная дисфункция

. Гипертоническая болезнь (все формы)

При работе в условиях воздействия общей вибрации под ноги рабочему ставится специальная виброгасящая (амортизирующая) площадка. При воздействии местной вибрации (чаще на руки) рукоятки и другие вибрирующие части машин и инструмента (например, пневмомолоток), соприкасающиеся с телом рабочего, покрываются резиной или другим мягким материалом. Виброгасящую роль играют и рукавицы. Мероприятия по борьбе с вибрацией предусматриваются не только при непосредственной работе с вибрирующими инструментами, машинами или другим оборудованием, но и при соприкосновении с деталями и инструментами, на которые распространяется вибрация от основного источника.

Необходимо организовать трудовой процесс таким образом, чтобы операции, сопровождающиеся шумом или вибрацией, чередовались с другими работами без этих факторов. Если организовать такое чередование невозможно, нужно предусматривать периодические кратковременные перерывы в работе с отключением шумящего или вибрирующего оборудования или удалением рабочих в другое помещение. Следует избегать значительных физических нагрузок, особенно статических напряжений, а также охлаждения рук и всего тела; во время перерывов обязательно делать физкультурные упражнения (физкультпаузы).

При приеме на работу, связанную с возможным воздействием шума или вибрации, проводятся обязательные предварительные медицинские осмотры, а в процессе работы - периодические медосмотры раз в год.

Сроки периодических медицинских осмотров устанавливаются в зависимости от интенсивности шума. При интенсивности шума от 81 до 99 дБА - 1 раз в 24 мес, 100 дБА и выше - 1 раз в 12 мес. Первый осмотр отоларинголог проводит через б мес после предварительного медицинского осмотра при поступлении на работу, связанную с воздействием интенсивного шума. Медицинские осмотры должны проводиться с участием отоларинголога, невропатолога и терапевта. [103, 104]

5.5 мероприятия, направленные на снижение выбросов вредных газов и пыли

При строительстве, вводе в эксплуатацию, реконструкции и технической реконструкции предприятий должны предусматриваться меры по улавливанию, обезвреживанию вредных веществ, снижению или полному исключению загрязняющих выбросов в атмосферу. При этом указывается на необходимость соблюдения нормативов ПДВ, имея в виду, что совокупность выбросов от проектируемых и действующих предприятий не должна ухудшать качество атмосферного воздуха. Особо подчеркивается, что введение в эксплуатацию любых технологических установок, двигателей, транспортных и иных передвижных средств и установок, независимо от того, произведены они на территории России или ввезены из-за рубежа, допускается только при наличии специальных сертификатов, подтверждающих их соответствие установленным экологическим нормативам.

Исходя из Санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов», любые объекты, которые являются источниками выбросов в ОПС вредных веществ, а также источниками шума, вибрации, ультразвука, электромагнитных волн, радиочастот, статического электричества, необходимо в обязательном порядке отделять от жилой застройки санитарно-защитными зонами (СЗЗ). Поэтому СЗЗ стали ныне обязательными составными компонентами промышленного предприятия или иного объекта, являющихся источниками химического, биологического или физического воздействия на ОПС и здоровье человека.

СЗЗ - это зона пространства и растительности, специально выделенная между промышленным предприятием и районом проживания населения. Обеспечивая пространство для безопасного рассеивания вредных выбросов, она должна быть надлежащим образом озеленена и удовлетворять специальным гигиеническим требованиям.

В зависимости от концентрации объектов на данной территории, их мощности, условий эксплуатации, характера и количества выбрасываемых в атмосферу токсических веществ и т.п. для предприятий, производств и иных объектов установлены следующие минимальные размеры СЗЗ: предприятия 1-го класса опасности - 2000 м; 2-го - 1000 м; 3-ro - 500 м; 4-го - 300 м; 5-го - 100 м. Допускается размер СЗЗ 50 м для предприятий пищевой промышленности, общественного питания, зрелищных и культурных объектов.

СЗЗ является полосой, отделяющей промышленное предприятие от селитебной территории. Селитебная зона, или жилая, - район населенного пункта, в пределах которого размещены жилые дома и в котором запрещено строительство промышленных, транспортных и иных предприятий, загрязняющих окружающую человека среду.

Функции зеленых насаждений многообразны. Они не только обогащают воздух кислородом, создают благоприятный микроклимат, но и способствуют рассеиванию вредных веществ и поглощают их.

При озеленении территории промышленных предприятий и их СЗЗ, обочин дорог обычно выбирают древесные, кустарниковые, цветочные и газонные растения в зависимости от климатического района, характера производства и эффективности данной породы для очистки воздуха, а также ее устойчивости к вредным газам. Установлено, что наиболее стойкими являются, например, акация белая, атлант высокий, клен яснелистовый.

Эффективность озеленения характеризуют следующие данные: хвоя одного гектара елового леса улавливает 32 т пыли, листва букового леса - 68 т. На расстоянии 500 м от предприятия при отсутствии озеленения загрязнение воздуха диоксидом серы, сероводородом и диоксидом азота в 2 раза ниже, чем непосредственно у источника загрязнения, а при наличии озеленения ниже в 3-4 раза. [105]

5.6 Улавливание пыли из газопылевых выбросов

Принцип улавливания основан на отделении взвешенных частиц от воздушным потоком за счет сил тяжести, инерции или центробежных сил. По конструкции это пылеосадительные камеры и циклоны.

Весьма простыми устройствами являются пылеосадительные камеры, в которых за счет увеличения сечения воздуховода скорость пылевого потока резко падает, вследствие чего частицы пыли выпадают под действием сил тяжести. Пылеосадительные камеры используют для очистки от крупных частиц пыли и применяют в основном для предварительной очистки воздуха. Эффективность улавливания в пылеососадительных камерах зависит от времени пребывания газов в камере и расстояния, проходимого частицами под действием гравитационных сил. В спою очередь время пребывания газов зависит от объема камеры и скорости потока.

Эффективными пылеуловителями являются инерционные аппараты. в которых пылевой поток резко изменяет направление своего движения, что способствует выпадению частиц пыли. К ним относятся аппараты, в которых действие удара о препятствие используется в большей степени, чем инерция. Широко распространенными инерционными пылеуловителями являются циклоны. В них частицы пыли движутся вместе с вращающимся газовым потоком и под воздействием центробежных сил оседают на стенках. Циклоны широко применяются для улавливания частиц размерами около 10 мкм. По конструкции они подразделяются на циклические, конические и прямоточные.

Наиболее совершенными и универсальными аппаратами для очистки выбросов от взвешенных частиц являются электрические фильтры, в основе работы которых лежит осаждение взвешенных частиц под действием электрических сил.

Установки состоят из двух частей: агрегатов питания и собственно электрофильтра. Агрегаты питания включают повышаю­щий трансформатор с регулятором напряжения и высоковольтный выпрямитель. Собственно электрофильтр состоит из корпуса с входным и выходным патрубком, бункером для сбора уловленной пыли, пылевыпускным патрубком. В корпусе расположены осадительные и коронируюшие электроды. Осадительные электроды в виде труб или пластин подключаются к заземлению и положительному полюсу выпрямителя. Коронирующие электроды, выполняемые чаще всего в виде проволоки, изолированы от земли с помощью изоляторов, и к ним подводится по кабелю выпрямленный электрический ток высокого напряжения (до 50-80 кВ) отрицательной полярности.

Улавливание частиц пыли в электрофильтре включает следующие стадии: электрическая зарядка взвешенных в газе частиц; движение заряженных частиц к электродам; осаждение их на электродах и удаление осажденных частиц с электродов.

Метод электроосаждения заключается в следующем. Частицы пыли сначала получают заряд от ионов газа, которые образуются в электрическом поле высокого напряжения, а затем движутся к заземленному осалительному электроду. Попав на заземленный уловитель, частицы прилипают и разряжаются. Когда осадительный электрод обрастает слоем частиц, они стряхиваются «постукиванием» и собираются в бункере. [105]

5.7 Улавливание газообразных примесей из технологических газов

Многие промышленные газы, кроме пыли и золы, содержат вредные газообразные выбросы в виде оксидов серы, оксидов азота, сероводорода и другие. Улавливание газообразных примесей преследует две цели: санитарную очистку газов и использование улавливаемых компонентов для получения удобрений, кислот, серы и других ценных химических продуктов.

В целях очистки выбросов от газообразных примесей применяют методы хемосорбции, адсорбции, каталитического и термического окисления.

Хемосорбция основана на поглощении газа жидкими поглотителями с образованием малолетучих химических соединений. Молекулы загрязняющих веществ могут абсорбироваться жидкой поверхностью физически либо взаимодействовать с абсорбентом и превращаться в другие вещества. Большинство реакций, протекающих в процессе хе­мосорбции, являются экзотермическими и обратимыми. Поэтому при последующем повышении температуры раствора образовавшееся химическое соединение разлагается с выделением исходных компонентов. Так, для очистки выбросов от диоксида серы применяется аммиачно-циклический метод. Он основан на обратимой реакции:

(NH4)2SО3 + SО2 + Н2О= 2NH4HSО3 + Q.

При температуре 0-35 °С эта реакция протекает слева направо, а при кипячении раствора - в обратном направлении. Сначала выбросные газы пропускают через раствор (NH4)2SО3 при 30-35 °С, затем раствор, насыщенный NH4HSО3, нагревают, при этом выделяется концентрированный SО2. После охлаждения раствор (NH4)2SО3 снова поступает на улавливание SО2. Метод позволяет получать сжиженный 100%-ный SO2 являющийся сырьем для получения серной кислоты.

Очистку газов проводят в специальных устройствах - абсорберах. В этих аппаратах абсорбция может быть осуществлена противоточно, т.е. газ и жидкость движутся в противоположных направлениях, либо прямоточно, когда оба потока имеют одинаковое направление. В случаях относительно высоких концентраций вредных газов (1% и более) используют противоточный метод. Для удаления вредных газов, имеющих сравнительно невысокую концентрацию, чаще всего применяют прямоточные скрубберы. В них жидкость диспергируется в потоке газа или газовый поток барботирует через жидкость. При этом достигается тесный контакт между пузырьками газа в жидкости либо мелкими каплями абсорбирующей жидкости в газовом потоке.

Адсорбция основана на селективном (избирательном) поглощении вредных газов и паров твердыми адсорбентами, имеющими развитую микропористую структуру.

В адсорберах очищаемый газовый поток пронизывает снизу вверх слой адсорбента, который состоит из зернистого материала, например, активированного угля, силикагеля, оксида алюминия, пиролюзита, синтетичекого цеолита и т.п. При этом вредные примеси газа связываются адсорбентом и впоследствии могут быть выделены из него. Как правило, применяются адсорберы с неподвижным (фильтрующим) слоем адсорбента, который меняется после насыщения улав­ливаемым веществом, а также адсорберы непрерывного действия, в которых адсорбент медленно перемещается и одновременно очищает проходящий через него поток. Поверхность адсорбции очень велика: для некоторых материалов она достигает нескольких квадратных метров на грамм (для силикагеля) и даже несколько сотен квадратных метров на грамм - для активированного угля.

Каталитический метод основан на превращении вредных компонентов промышленных выбросов в менее вредные или безвредные вещества в присутствии катализаторов. Иногда образующиеся продукты каталитического превращения остаются достаточно токсичными, однако они легко удаляются из системы в виде утилизируемых в дальнейшем продуктов. Так, хорошо известен жидкофазный каталитический метод окисления диоксида серы, где в качестве катализатора ис­пользуются Fe2+ и Мn2+. В абсорбер, орошаемый водным раствором солей железа или марганца, поступает дымовой газ. Орошающий раствор поглощает из газа SО2.

При этом образуется 20%-ная серная кислота, содержащая ионы железа или марганца. Она может быть использована в сельском хозяйстве как мелиорант солонцов содового засоления.

Аналогичные газы, содержащие диоксид серы, можно окислять на твердофазных катализаторах (оксидах ванадия, железа, меди или хрома, либо полиоксидных катализаторах), предварительно подогрев газы до 400-500°С.

Образовавшийся триоксид серы SО3 затем поглощается водой с получением серной кислоты.

Термический метод предусматривает высокотемпературное сжигание вредных примесей, которые содержатся в технологических выбросах. Его применяют для удаления, например, углеводородов, монооксида углерода и др. Для осуществления дожигания (реакции окисления) необходимо поддержание высокой температуры очищаемого газа и наличие достаточного количества кислорода. [105]

5.8 Правила поведения при наводнении. Гидродинамические аварии

Наводнения - это временное затопление значительной части суши водой в результате действий сил природы. Происходят они по трем причинам.

Во-первых, в результате обильных осадков или интенсивного таяния снега. Такое часто бывает в Екатеринбургской, Кировской, Читинской областях, Приморском и Хабаровском краях, Северо-Кавказском регионе.

Во-вторых, из-за сильных нагонных ветров, которые наблюдаются на морских побережьях, например Каспия, и в устьях рек, впадающих в море (залив). Нагонный ветер задерживает воду в устье, в результате чего повышается ее уровень в реке. Наводнения такого рода характерны для Санкт-Петербурга, населенных пунктов низовья р. Волги и Урала. Дважды 3 и 11 мая 1990 г., в месте впадения р. Урал в Каспийское море высокая морская волна, поднятая сильным ветром, как бы наполнила реку и погнала ее вспять, заливая все вокруг на 20 км. Оказалась затопленной часть Гурьевской области.

В-третьих, подводные землетрясения вызывают возникновение гигантских волн-цунами. Скорость их распространения достигает 400-800 км/час. При приближении к берегу волна образует серию валов со средней высотой 5-10 м. На небольших участках береговой линии, главным образом в заливах типа фьордов, возникают волны, достигающие высоты 20-30 м. Они с колоссальной силой обрушиваются на побережье, смывая все на своем пути.

В России цунами наблюдаются в основном на побережье Камчатки и у Курильских островов. [106]

5.9 Как подготовиться к наводнению

Если Ваш район часто страдает от наводнений, изучите и запомните границы возможного затопления, а также возвышенные, редко затапливаемые места, расположенные в непосредственной близости от мест проживания, кратчайшие пути движения к ним. Ознакомьте членов семьи с правилами поведения при организованной и индивидуальной эвакуации, а также в случае внезапно и бурно развивающегося наводнения. Запомните места хранения лодок, плотов и строительных материалов для их изготовления. Заранее составьте перечень документов, имущества и медикаментов, вывозимых при эвакуации. Уложите в специальный чемодан или рюкзак ценности, необходимые теплые вещи, запас продуктов, воды и медикаменты

При угрозе наводнения проводят предупредительные мероприятия, позволяющие снизить ущерб и создать условия для эффективных спасательных работ. В первую очередь надо информировать население о возникновении угрозы, усилить наблюдение за уровнем воды, привести в готовность силы и средства. Проверяется состояние дамб, плотин, мостов, шлюзов, устраняются выявленные недостатки. Возводятся дополнительные насыпи, дамбы, роются водоотводные каналы, готовятся другие гидротехнические сооружения.

Надо помнить - времени мало и его надо использовать с максимальной пользой.

Если угроза наводнения будет нарастать, то в предполагаемой зоне затопления работа предприятий, организаций, учебных заведений и дошкольных учреждений прекращается. Детей отправляют по домам или переводят в безопасные места. Продовольствие, ценные вещи, одежду, обувь переносят на верхние этажи зданий, на чердаки, а по мере подъема воды и на крыши. Скот перегоняют на возвышенные места.

Если принято решение об эвакуации из опасной зоны, то в первую очередь вывозят детей, детские учреждения и больницы.

Эвакуация - один из способов сохранения жизни людей. Для этого используются все имеющиеся плавсредства: боты, баржи, катера, плоты, машины-амфибии и др.

Входить в лодку, катер следует по одному, ступая на середину настила. Во время движения запрещается меняться местами, садиться на борта, толкаться. После причаливания один из взрослых выходит на берег и держит лодку за борт до тех пор, пока все не окажутся на суше.

Когда плавательнные средства отсутствуют, надо воспользоваться тем, что имеется поблизости под рукой - бочками, бревнами, деревянными щитами и дверями, обломками заборов, автомобильными шинами и другими предметами, способными удерживать человека на воде. Отпускать в такое плавание детей можно только со взрослыми.

Как быть, что делать, если вода застала вас в поле или в лесу. Срочно выходить на возвышенные места, а в лесу забраться на прочные развесистые деревья. [106]

5.10 Как действовать после наводнения

Перед тем, как войти в здание проверьте, не угрожает ли оно обрушением или падением какого-либо предмета. Проветрите здание (для удаления накопившихся газов). Не включайте электроосвещение, не пользуйтесь источниками открытого огня, не зажигайте спичек до полного проветривания помещения и проверки исправности системы газоснабжения. Проверьте исправность электропроводки, трубопроводов газоснабжения, водопровода и канализации. Не пользуйтесь ими до тех пор, пока не убедитесь в их исправности с помощью специалистов. Для просушивания помещений откройте все двери и окна, уберите грязь с пола и стен, откачайте воду из подвалов. Не употребляйте пищевые продукты, которые были в контакте с водой. Организуйте очистку колодцев от нанесенной грязи и удалите из них воду. [106]

5.11 Как действовать в условиях наводнения при гидродинамических авариях

При внезапном затоплении для спасения от удара волны прорыва срочно займите ближайшее возвышенное место, заберитесь на крупное дерево или верхний этаж устойчивого здания. В случае нахождения в воде, при приближении волны прорыва нырните в глубину у основания волны.

Оказавшись в воде, вплавь или с помощью подручных средств выбирайтесь на сухое место, лучше всего на дорогу или дамбу, по которым можно добраться до незатопленной территории.

При подтоплении Вашего дома отключите его электроснабжение, подайте сигнал о нахождении в доме (квартире) людей путем вывешивания из окна днем флага из яркой ткани, а ночью - фонаря. Для получения информации используйте радиоприемник с автономным питанием. Наиболее ценное имущество переместите на верхние этажи и чердаки. Организуйте учет продуктов питания и питьевой воды, их защиту от воздействия прибывающей воды и экономное расходование.

Готовясь к возможной эвакуации по воде, возьмите документы, предметы первой необходимости, одежду и обувь с водоотталкивающими свойствами, подручные спасательные средства (надувные матрасы, подушки).

Не пытайтесь эвакуироваться самостоятельно. Это возможно только при видимости незатопленной территории, угрозе ухудшения обстановки, необходимости получения медицинской помощи, израсходовании продуктов питания и отсутствии перспектив в получении помощи со стороны. [106]

5.12 Как действовать после гидродинамической аварии

Перед тем, как войти в здание, убедитесь в отсутствии значительных повреждений перекрытий и стен. Проветрите здание для удаления накопившихся газов. Не используйте источники открытого огня до полного проветривания помещения и проверки исправности системы газоснабжения. Проверьте исправность электропроводки, труб газоснабжения, водопровода и канализации. Пользоваться ими разрешается только после заключения специалистов об исправности и пригодности к работе. Просушите помещение, открыв все двери и окна. Уберите грязь с пола и стен, откачайте воду из подвалов. Не употребляйте пищевые продукты, которые находились в контакте с водой. [106]

Выводы

. Проведены комплексные исследования на макро-, микро- и субмикроскопическом уровне структуры наплавленного металла, зоны сплавления и основного металла с шагом 2 мм на глубину 18 мм от поверхности. Изучены послойно наплавочные материалы из стали с мартенситно-аустенитной и перлито-ферритной структурами. В обоих случаях формировалась регулярная структура с твердыми зернами мартенсита или перлита, оконтурованными мягкой фазой из аустенита или феррита.

2. По единому целенаправленному плану изучены структурно-фазовые превращения в объёме многослойных наплавочных материалов с аустенитно-мартенситной структурой, предназначенных для рабочих лопаток смесителей.

. С помощью просвечивающей электронной микроскопии обнаружено закономерное изменение структурно-фазового состояния и свойств материала в различных наплавочных слоях с феррито-перлитной структурой. Показано, что вблизи линии сплавления со стороны металла основы в структуре верхнего бейнита формируются большие внутренние термические напряжения, достигается максимальная твёрдость и пересыщение легирующими элементами. Во втором наплавочном слое происходит максимальное разупрочнение материала, присутствуют все признаки зоны термического влияния, как в металле основы при сварке. В четвёртом поверхностном слое происходит повторное упрочнение материала, обусловленное формированием нижнего бейнита и дислокационной субзёренной структуры.

. Высокая износостойкость наплавочных материалов с аустенитно-мартенситной структурой, полученных под флюсом ФК-45, объясняется наличием твердой мартенситной матрицы с остаточным аустенитом, оконтуровывающим зерна мартенсита и прочно удерживающим частицы второй фазы. Для достижения высокой износостойкости наплавленного материала следует вводить следующие элементы: Cr, Mn, Si на максимальной концентрации.

Похожие работы на - Исследование физико-механических свойств и структуры наплавленного металла после различных технологических режимов нанесения покрытия

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!