НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім.Є.О.ПАТОНА

КУЗЬМЕНКО

ОЛЕГ ГЕННАДІЙОВИЧ

УДК 621.791.927.93

ВІДНОВЛЕННЯ ІНСТРУМЕНТУ ДЛЯ ГАРЯЧОГО ОБ`ЄМНОГО

ШТАМПУВАННЯ ЕЛЕКТРОШЛАКОВИМ НАПЛАВЛЕННЯМ

НЕКОМПАКТНИМИ МАТЕРІАЛАМИ

Спеціальність 05.03.06

“Зварювання та споріднені технології”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертація є рукописом

Роботу виконано в Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Рябцев Ігор Олександрович

Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України

завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кравцов Тимофій Григорович

Азовський морський інститут

Одеської національної морської академії

директор

кандидат технічних наук

Личко Іван Іванович

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України

провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Національний технічний Університет України

“Київський політехнічний інститут”

м. Київ

Захист відбудеться “22” січня 2003 р. о 10.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при ІЕЗ ім.Е.О.Патона НАН України за адресою 03680, м.Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України

Автореферат розісланий “10 ” грудня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найбільш економічних і продуктивних способів виготовлення деталей машин є обробка металів тиском, ефективність застосування якої значною мірою визначається стійкістю і вартістю штампового інструменту, вимоги до якого з погляду надійності і довговічності неухильно зростають внаслідок інтенсифікації виробництва, підвищення механічних навантажень і т.п.

В даний час стійкість інструменту для гарячого штампування на багатьох підприємствах України складає 2-3 зміни експлуатації. Його виготовлення вимагає значних матеріальних і трудових витрат (вартість штампів досягає 30 % від собівартості поковок), а коефіцієнт використання штампової сталі складає усього 20...30 %. При цьому особливого значення набуває повернення інструментальних сталей у сферу виробництва в зв’язку з дефіцитом найважливіших легуючих елементів цих сталей – вольфраму, молібдену, ванадію та ін.

Додаткові резерви економії штампових сталей, зниження собівартості виготовлення інструменту і збільшення ресурсу його експлуатації відкриває відновлення зношених штампів наплавленням. Електродугове наплавлення успішно застосовують для локального ремонту чи гравюри чи її елементів. У випадку ж наплавлення великих обсягів металу, наприклад, при відновленні до вихідної висоти цілком зношених штампів, цей процес стає неекономічним, тому що електродугове наплавлення має недостатньо високу продуктивність, крім того, для цього способу найчастіше використовуються матеріали для наплавлення, які дорого коштують.

У зв'язку з викладеним, дисертаційна робота, спрямована на створення нового високопродуктивного й економічного способу відновлення штампів методом електрошлакового наплавлення некомпактними матеріалами, є дуже актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження проводилися по темах: № 7/32-98, № 2/24 і № 2/78 плану науково-дослідних робіт ІЕЗ ім.Є.О.Патона НАН України, виконаних у рамках Міждержавної науково-технічної програми країн СНД “Створення конкурентоспроможних на світовому ринку зварних конструкцій, ресурсозберігаючих технологій, матеріалів та обладнання для зварювального виробництва” і ДНТП “Перспективні матеріали”.

Мета роботи. На основі досліджень особливостей процесу електрошлакового наплавлення некомпактними матеріалами (зокрема стружкою інструментальних сталей) розробити комплекс фізико-металургійних і технологічних рішень для відновлення з його допомогою зношеного інструмента для гарячого об’ємного штампування в промислових умовах.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- вибрати флюс, що забезпечує швидке і рівномірне нагрівання основного металу і необхідний хімічний склад металу наплавлення;

- установити основні закономірності електрошлакового нагрівання поверхні зношеного штампа для швидкого і надійного його підплавлення на необхідну глибину;

- вивчити основні закономірності взаємодії і тепломасообміну некомпактних матеріалів із системою повітря-шлак-метал для одержання якісного наплавленого металу з необхідним комплексом службових властивостей;

-

Об'єкт дослідження - процеси, що проходять при електрошлаковому наплавленні некомпактними матеріалами і їхній вплив на службові характеристики наплавлених штампів.

Предмет дослідження – спосіб електрошлакового наплавлення некомпактними матеріалами штампів гарячого штампування.

Методи дослідження. Вибір флюсу для ЕШН НМ проводився експериментально і методом математичного моделювання основних закономірностей нагрівання заготовки, що наплавляється. Дослідження кінетики руху частинок некомпактних матеріалів у шлаковій і металевій ваннах проводилося з використанням розроблених фізичної і математичної моделей. При дослідженні структури і властивостей наплавленого й основного металів і зони термічного впливу застосовували оптичну металографію, спектральний і хімічний аналізи, стандартні методи іспитів механічних характеристик при кімнатній і підвищеній температурах. Оцінку стійкості наплавлених штампів робили безпосередньо на молотах і пресах у промислових умовах. Основна частина досліджень проведена на зразках стали 5ХНМ у стані відпалу і термічно обробленому (загартування і відпуск) стані.

Наукова новизна отриманих результатів. Уперше встановлено, що при ЕШН НМ у кінетиці руху і плавлення частинок присаджувального металу визначальну роль грають межі поділу фаз: повітря-шлакова ванна, шлакова ванна-металева ванна, тому що на цих межах за рахунок сил поверхневого натягу відбувається закріплення частинок НМ, їх нагрівання і, у залежності від розмірів і геометричної форми, часткове чи повне розплавлення.

Розроблена математична модель процесу руху частинок НМ у шлаковій і металевій ваннах, розрахунки з використанням якої показують, що на поверхні шлакової ванни буде утримуватися дріб діаметром 2,4 мм чи стружка товщиною 2,7 мм (закріплення найбільшою гранню) або ?0.6мм (закріплення найменшою гранню), де значною мірою і розплавляється; більш великі частинки НМ відразу тонуть у шлаковій ванні, частково нагріваються в ній і розплавляються на межі шлакової та металевої ванн чи навіть безпосередньо в металевій ванні;

Встановлені оптимальні енергетичні і технологічні параметри ЕШН НМ (потужність обігріву поверхні штампа при підплавленні (150…180).104 Вт/м2, масова швидкість подачі частинок НМ 0,3…0,7 кг/год на 1кВт потужності, що підводиться), що дозволяють забезпечити тепловий баланс процесу, при якому досягаються рівномірне нагрівання й оплавлення основного металу, повне розплавлення частинок НМ і одержання якісного з'єднання шарів.

Практичне значення отриманих результатів. Результати проведених досліджень і розробок лягли в основу нової технології відновлення і зміцнення штампів ЕШН НМ. Вони були також використані при проектуванні спеціалізованих і універсальних установок та оснащення для ЕШН НМ штампів. Впровадження нової технології на ВАТ “Токмакський ковальсько-штампувальний завод” (Україна) і АО “Ростсельмаш” завод СИиТО (Російська Федерація), де були створені спеціалізовані ділянки, дозволило практично цілком використовувати для наплавлення штампів відходи інструментального виробництва (зношені штампи, стружка та ін.), підвищити в 1,5...3 рази стійкість штампів і зменшити їх собівартість на 30 %.

Особистий внесок автора. Автор безпосередньо брав участь у розробці математичної і фізичної моделей для дослідження процесу ЕШН НМ. Він особисто проводив експерименти по всьому комплексу науково-дослідних робіт зі створення технології відновлення штампів гарячого штампування електрошлаковим методом не компактними матеріалами. При його особистій участі створювалося устаткування для наплавлення і відповідні ділянки на ВАТ “Токмакський ковальсько-штампувальний завод” (Україна) і АО “Ростсельмаш” завод СИиТО (РФ), де були реалізовані розроблені технології.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень по темі дисертації доповідалися й обговорювалися на 16 конференціях і семінарах, основні з який наступні: Всесоюзний семінар “Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавка при изготовлении деталей машин и оборудования”, (м.Волгоград, РФ, 1986); Міжнародна конференція “Stress Relieving Heat Treatments of Welded Stееl Constructions”, (м.Софія, Болгарія, 1987); Всесоюзний семінар “Теоретические и технологические основы наплавки. Повышение долговечности и работоспособности наплавленных деталей” (м. Київ, 1989); 7-ма Міжнародна конференція “Технологии ремонта машин, механизмов и оборудования”, (м. Алушта, 1999); Науково-технічна конференція “Проблемы и пути реализации научно-технического потенциала военно-промышленного комплекса”, (м.Київ, 2000); Міжнародна конференція “Сварные конструкции”, (м.Київ, 2000); XV Міжнародна конференція “Konstrukcja i technologia wytloczeki wyprasek” (м.Познань, Польща, 2002 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 робіт: 2 статті в журналах, 7 статей у збірниках наукових праць, 3 роботи у виді тез доповідей конференцій; отриманий: 1 патент України, 1 патент РФ, 1 патент Республіки Білорусь.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 глав, загальних висновків, списку використаної літератури з 132 найменувань, 157 сторінок тексту, 43 малюнка, 6 таблиць, 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета й основні задачі дослідження, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, подані відомості про апробацію, публікації і структуру дисертації.

В першому розділі приведені результати аналітичного огляду літературних джерел за темою дисертаційних досліджень. Розглянуто умови експлуатації штампового інструменту і причини виходу його з ладу, проаналізовані існуючі способи відновлення штампового інструменту, їх техніко-економічні показники, сформульовані мета і задачі роботи.

У процесі експлуатації робочі частини штампів для гарячого об’ємного деформування зазнають складного температурно-силового впливу. Зокрема, штамповий інструмент піддається ударним навантаженням з високою швидкістю прикладення і великою величиною питомого тиску. Поряд зі значними зовнішніми навантаженнями, штампи зазнають термічних напружень, які викликані циклічним нагріванням до 650...750 0С і охолодженням поверхневих шарів гравюри в процесі роботи.

Аналіз умов роботи штампового інструменту дозволяє встановити наступні основні причини виходу його з ладу: зміна геометричних розмірів гравюри в результаті зношування і зминання, крихке руйнування, утворення тріщин термомеханічної втоми. Частота появи тих чи інших видів ушкодження гравюри штампів у порядку зростання наступна: утворення тріщин розпалу , пластична деформація, тріщини механічного походження, знос. При цьому знос і зминання є переважними причинами виходу з ладу молотових і пресових штампів.

Як показує досвід, найбільш ефективним методом відновлення штампів є наплавлення. При правильно обраному складі і структурі наплавленого металу воно дозволяє не тільки багаторазово відновлювати інструмент (що в кілька разів збільшує його сумарну стійкість), але і підвищувати його міжремонтну стійкість.

Для відновлення і зміцнення малогабаритних штампів і штампів, у яких є місцеві дефекти, з успіхом застосовується ручне наплавлення штучними електродами і механізоване наплавлення порошковими дротами. Однак для відновлення цілком зношених великогабаритних штампів, для ремонту яких необхідно наплавляти великі маси металу, дугові методи недостатньо продуктивні й у цьому випадку дуже перспективне застосування способів наплавлення, заснованих на використанні електрошлакових технологій.

ЕШН найбільш ефективне в тих випадках, коли необхідно наплавити за короткий час великі маси металу шарами значної товщини. Для відновлення і зміцнення штампів пропонувалося використовувати ЕШН електродами великого перетину. Однак цей метод не одержав широкого поширення через труднощі виготовлення таких електродів зі штампових сталей. При деяких електрошлакових процесах успішно застосовуються некомпактні матеріали (дріб, котуни та ін.), які, потрапляючи в металеву ванну, можуть виконувати роль макрохолодильників. У результаті поліпшується макро- і мікроструктура, підвищуються фізико-механічні і спеціальні властивості литого металу.

Виходячи з можливості застосування некомпактних матеріалів як макрохолодильників, пропонується новий спосіб відновлення зношених штампів ЕШН із використанням некомпактного матеріалу у виді стружки інструментальної сталі, з якої виготовляються штампи, наприклад сталі 5ХНМ. Сутність його полягає в тім, що після підплавлення поверхневого шару штампа й утворення металевої ванни, у неї через шлакову ванну подають стружку штампової сталі. Стружка при цьому виконує функцію присаджувального матеріалу і є також засобом впливу на процес кристалізації металу, що наплавляється, керування його структурою і комплексом службових властивостей з урахуванням призначення інструменту. Позитивним є також те, що в даному випадку на тому самому підприємстві, що використовує і відновлює штампи утилізується стружка, яка залишається після обробки наплавлених штампів.

У другому розділі дане обґрунтування вибору флюсу для наплавлення, приведені результати досліджень основних закономірностей електрошлакового нагрівання поверхні зношених штампів під наплавлення, визначені оптимальні параметри електрошлакового процесу, що забезпечують підплавлення гравюри зношеного штампового інструменту.

Можливість утворення якісного з'єднання шарів при ЕШН багато в чому визначається теплофізичними властивостями флюсу, що використовується, від яких залежить стійкість електрошлакового процесу, характер струморозподілу в шлаковій ванні, інтенсивність тепловиділення в ній і теплопередачі до металевої ванни, тривалість і рівномірність нагрівання поверхні штампа під наплавлення, ступінь очищення її від оксидів. З цієї причини на першому етапі дослідження закономірностей нагрівання штампів, які наплавляються при ЕШН НМ, ставилася задача вибору флюсу для досліджень і оцінка його теплофізичних властивостей. Для досліджень були обрані фторидні флюси АНФ-6, АНФ-25, АНФ-1П, що застосовуються для електрошлакового переплаву і низькокременисті АН-15 і АН-15М, що використовуються для електрошлакового зварювання вуглецевих низьколегованих сталей, до яких відноситься штампова сталь 5ХНМ.

У результаті досліджень було встановлено, що в порівнянні з фторидними флюсами при використанні низькокременистих флюсів швидше встановлюється електрошлаковий процес, нагрів поверхні штампа, що наплавляється йде швидше і з меншою витратою електроенергії. Технологічні переваги низькокременистих флюсів підтвердилися й у процесі експериментів по наплавленню штампів з великою площею поверхні під наплавлення. Проведені дослідження показують, що для швидкого і рівномірного нагрівання штампів, які наплавляються при ЕШН НМ із використанням невитратних електродів доцільно застосовувати низькокременистий флюс АН-15М.

Було також встановлено, що в результаті взаємодії з фторидними шлаками АНФ-1П, АНФ-6 і АНФ-25 за час ведення процесу відбувається істотна зміна хімічного складу наплавленого металу (табл. 1): зміст S, Si і Mn зменшився, а C - зріс. Найкращі результати й у цьому випадку дає флюс АН-15М, при використанні якого зміст Si, Mn і C у наплавленому металі практично залишається незмінним, при цьому приблизно вдвічі зменшується зміст S (табл. 1).

Таблиця 1.

Хімічний склад наплавленого металу в процесі ЕШН НМ у залежності від марки флюсу

Марка флюсу | Масова частка елементів*, %

C | Si | Mn | S

АН-15 | 0,55/0,55 | 0,41/0,53 | 0,48/0,65 | 0,025/0,020

АН-15М | 0,58/0,58 | 0,44/0,41 | 0,52/0,53 | 0,023/0,013

АНФ-1П | 0,55/0,63 | 0,21/сліди | 0,55/0,19 | 0,019/0,009

АНФ-6 | 0,52/0,58 | 0,37/0,16 | 0,58/0,29 | 0,025/0,015

АНФ-25 | 0,22/0,55 | 0,33/0,18 | 0,61/0,29 | 0,021/0,009

* - у чисельнику до початку, у знаменнику – після закінчення процесу.

Для одержання з’єднання при ЕШН НМ поверхня основного металу повинна бути нагріта аж до підплавлення. Нагрівання доцільно робити якнайшвидше, з мінімальною витратою електроенергії та одержанням заданого температурного поля в основному металі, що визначає умови кристалізації металу, який наплавляється. Відповідно до математичної моделі, запропонованої докторами технічних наук Демченко В.Ф. і Тарасевичем Н.І., в міру збільшення температури поверхні металу tм, товщина гарнісажу ?г зменшується, а температура шлакової ванни tш зберігається практично незмінною. Незважаючи на зменшення різниці tш-tм тепловий потік qшм у метал практично не змінюється внаслідок збільшення коефіцієнта теплопередачі kшм. Після розплавлення гарнісажу qшм збільшується в 1,5...2 рази, знижуючись в міру подальшого збільшення температури металу (мал. 1). Отже, для швидкого нагрівання металу необхідно прагнути до зменшення товщини гарнісажу і більш ранньому його розплавленню.

Експериментально встановлено, що процес нагрівання штампа, який наплавляється, значною мірою залежить від питомої потужності електрошлакового нагрівання. Зі збільшенням її до 180.104 Вт/м2 підвищується температура шлакової ванни і збільшується швидкість розплавлення гарнісажу, значно скорочується тривалість нагрівання основного металу і витрата електроенергії (мал. 2). Подальше збільшення питомої потужності недоцільно, тому що при цьому росте витрата електроенергії.

За умов підтримання питомої потужності на постійному рівні, зменшення напруги і глибини шлакової ванни приводить до інтенсифікації процесу нагрівання штампа, що наплавляється. Це можна пояснити наближенням до поверхні металу зон активного тепловиділення, зменшенням тепловтрат на випромінювання з дзеркала шлакової ванни і посиленням її перемішування, що підвищує значення коефіцієнта тепловіддачі. Оптимальна глибина шлакової ванни при нагріванні штампа великої площі перерізу дорівнює 50...60 мм.

Таким чином, у результаті досліджень встановлено, що швидкий електрошлаковий нагрів штампової заготовки під наступне наплавлення при відносно невисоких витраті електроенергії і теплонасичення основного металу досягається при підтримці питомої потужності процесу ЕШН на рівні (150…180).104 Вт/м2. При цьому необхідно підтримувати на мінімально допустимому рівні напругу і глибину шлакової ванни. З погляду фізико-хімічних і теплофізичних процесів при ЕШН НМ штампового інструменту найкраще використовувати флюс АН-15М.

В третьому розділі приведені результати досліджень на фізичній (холодній) і математичній моделях, а також експериментально кінетики руху і тепломасопереносу різних видів некомпактних присаджувальних матеріалів невеликої маси і розмірів (стружки, дробу, січки дроту) у системі повітря-шлакова ванна-металева ванна.

Шлакову ванну в холодній моделі імітував 78 % розчин гліцерину у воді, в’язкість якого приблизно відповідає в’язкості шлакового розплаву. Матеріалом для моделювання частинок НМ служив алюмінієвий сплав (а = 3600 кг/м3). Дослідження на холодній моделі показали, що в процесі руху швидкість частинок НМ у розплаві шлаку зменшується від початкової до деякої постійної величини, що називається швидкістю осадження, рівної 0,2...1,5 м/с. Час перебування частинок НМ у шлаковій ванні глибиною 0,06 м складає в середньому 0,3...0,4с, за цей час частинки НМ можуть одержати до 25 % від загальної кількості тепла, необхідного для їхнього розплавлення.

У процесі досліджень встановлено, що при використанні для ЕШН некомпактних матеріалів у виді стружки, дробу, січки дроту визначальну роль грають межі поділу повітря-шлак і шлак-метал. Умову рівноваги частки стружки на поверхні шлакової ванни (мал. 3) можна записати в такий спосіб:

(1)

Після перетворень одержимо:

(2)

Відкіля максимальна товщина стружки, що утримується на поверхні шлаку:

(3)

де Р, FA , FF , Fs – сили ваги, Архімеда, гідростатичного тиску, поверхневого натягу, відповідно; sш – поверхневий натяг на межі повітря - шлак; a - кут нахилу поверхні шлаку до обрію біля периметра змочування; - крайовий кут змочування; - капілярна стала шлаку; h – висота зсуву поверхні шлаку по вертикалі; rш - густина шлаку, rнм – густина частинки стружки; B, L, d - ширина, довжина і товщина стружки відповідно; m – відношення периметра стружки до площі основи; g – прискорення вільного падіння.

Аналогічні схеми розрахунків запропоновані для некомпактних матеріалів у виді дробу і січки дроту. Розрахунки по запропонованих схемах показують наступне: на поверхні повітря-шлак утримується стружка сталі 5ХНМ товщиною до 2,7 мм (закріплення найбільшою гранню) або до 0,6 мм (закріплення найменшою гранню); січка дроту діаметром до 4,8 та 3,6 мм при вертикальному і горизонтальному розташуванні, відповідно; дріб діаметром до 2,4 мм (мал. 4). Більш великі частинки НМ будуть відразу тонути в шлаковій ванні і утримуються вже на межі шлак-метал. Їхнє остаточне нагрівання і розплавлення відбувається на цій межі, тому що як зазначено раніше вони можуть тільки частково нагрітися під час перебування у шлаковій ванні. Охолоджуючи металеву ванну, частинки НМ виконують стосовно неї роль холодильників. Наслідком цього є постійний дефіцит тепла в металевій ванні (вже при витраті НМ 60...75 кг/год), її знижена температура (перегрів вище температури плавлення металу складає 30...70 0С) і мала глибина - 20...30 мм. Як показали дослідження, при цьому поліпшується макро- і мікроструктура, підвищуються фізико-механічні й експлуатаційні властивості наплавленого металу.

Для визначення оптимальної масової швидкості подавання НМ був розрахований тепловий баланс процесу наплавлення стосовно до двох випадків: 1 – частинки НМ розплавляються на поверхні шлакової ванни; 2 – частинки НМ розплавляються на межі поділу шлакова ванна-металева ванна (мал. 5). За результатами розрахунків, що були підтверджені експериментально, установлено, що масова швидкість подавання НМ при наплавленні штампів повинна складати 0,3...0,7 кг/год на 1 кВт потужності, що підводиться. Збільшення швидкості подачі НМ вище зазначених меж не забезпечує їхнього повного розплавлення і формування якісного наплавленого металу. Таким чином, здатність частинок НМ змінювати величину теплового потоку від шлакової ванни до металевої ванни за рахунок екранування частини міжфазної поверхні шлак-метал, а так само підсилювати теплообмін шлаку з ними у сполученні з одночасним охолодженням металевої ванни відкриває шляхи керування тепловим станом металевої ванни, температурними характеристиками процесу наплавлення, умовами формування наплавленого металу і його якістю.

В четвертому розділі викладені результати промислового впровадження технології відновлення штампів електрошлаковим наплавленням некомпактними матеріалами, описані конструкторсько-технологічні особливості розробленого устаткування і створені з його використанням виробничі ділянки для наплавлення штампів. Представлені також дані всебічних досліджень якості і властивостей металу наплавлених штампів, оцінки їхньої стійкості, техніко-економічних показників застосування розробленої технології.

Для дослідження якості і властивостей наплавленого метала були проведені дослідно-промислові наплавлення молотових і пресових штампів зі сталі 5ХНМ розмірами в плані відповідно 360х360 мм і 400х260 мм із товщиною наплавленого шару 60…180 мм. Для наплавлення використовували стружку сталі такого ж складу і флюс АН-15М. У наплавленому металі відсутні дефекти усадкового характеру, його структура дрібнозерниста. За складом наплавлений метал відповідає сталі 5ХНМ за ГОСТ 5870, легуючі елементи розташовані в наплавленому шарі рівномірно. Вміст сірки знизився на 50...70 % у порівнянні з вихідним металом, причому розподілена вона рівномірно по всьому об’єму наплавленого шару.

Результати металографічних досліджень показали, що мікроструктура наплавленого шару при повному розплавленні стружки стали 5ХНМ складається з трооститу, перліту і невеликих ділянок з мартенсито-аустенітною структурою. Структура зразка, вирізаного з тіла кованого штампу, бейнітна з виділеннями троостито-перлитних складових, розташованих переважно по межах аустенітних зерен. У матриці, крім бейніту (нижнього), не виключена присутність відпущеного мартенситу.

У наплавленому металі також скорочується вміст газів і неметалічних включень. При цьому в наплавленому металі неметалічні включення розташовуються рівномірно, а в кованому – переважно окремими скупченнями. За даними механічних іспитів при кімнатній температурі при однаковій ударній в'язкості характеристики міцності і пластичність кованого металу трохи вище. Однак при 600 0С (робоча температура штампів) ударна в'язкість значно вище в наплавленого металу (153,5 Дж/см2 проти 85 Дж/см2), а їх характеристики міцності і пластичність практично однакові. Сталь 5ХНМ у стані після наплавлення перевершує ковану і по ізотропності механічних властивостей. Наплавлена сталь 5ХНМ має кращі спеціальні властивості: теплостійкість, розпалостійкість і зносостійкість.

Зниження вмісту шкідливих домішок у наплавленому металі, відсутність дефектів усадкового характеру, досить високі механічні властивості металу наплавленого шару забезпечують високі експлуатаційні характеристики відновлених штампів. Випробування молотових і пресових штампів, відновлених за даною технологією, показали , що їхня стійкість підвищується в порівнянні з кованими в 1.5...3 рази (табл. 2). У процесі випробувань було також встановлено, що метал наплавленого шару не схильний до крихкого руйнування і сітка розпалу проникає на меншу глибину, чим у кованих штампів.

Таблиця 2.

Результати порівняльних виробничих випробувань стійкості

штампів на молотах з різною масою падаючих частин (МПЧ) і пресах

Вид обладнання | Вид штампової заготовки | Кількість

випробуваних штампів | Стійкість до 1 ремонту, шт. поковок | Стійкість після 1 ремонту, шт. поковок | Стійкість після 2 ремонту, шт. поковок

Молот

МПЧ 1т | ЕШН НМ | 3 | 17167 | 16000 | -

Поковка | 5 | 6860 | 1433 | -

Молот

МПЧ 5т | ЕШН НМ | 2 | 4415 | 5250 | 4805

Поковка | 4 | 2858 | 1822 | -

Прес

25МН | ЕШН НМ | 6 | 8000 | - | -

Поковка | 3 | 3500 | - | -

Для реалізації розробленого способу ЕШН НМ було спроектовано і виготовлене спеціалізоване устаткування, що було використано при впровадженні технології відновлення штампів на АО “Ростсельмаш” і ВАТ “ТКШЗ”, де були створені ділянки ЕШН НМ штампів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У результаті досліджень установлено, що для ЕШН НМ невитратними електродами необхідно використовувати флюс АН-15М, що дозволяє підтримувати стійкий електрошлаковий процес у широких межах електричних параметрів режиму наплавлення і глибини шлакової ванни. При використанні цього флюсу досягається швидке і рівномірне нагрівання поверхні, що наплавляється , залишається практично незмінним вміст легуючих елементів у наплавленому металі, при одночасному зниженні приблизно вдвічі вмісту сірки.

2. Експериментально і методом математичного моделювання процесу ЕШН НМ невитратними електродами встановлено, що для забезпечення швидкого підплавлення поверхні штампа великої площі електрошлакове нагрівання необхідно вести, використовуючи питому потужність (150...180).104 Вт/м2, забезпечуючи градієнт температур по його висоті не менш 30 0С/см.

3. За допомогою розробленої математичної моделі показано, що процеси руху і плавлення різних видів некомпактних матеріалів (стружка, дріб, січка дроту) у шлаковій і металевій ваннах при ЕШН НМ мають складний і багатостадійний характер, причому вирішальну роль у них грають межі поділу фаз повітря-розплав шлаку і розплав шлаку-розплав металу. На цих межах за рахунок сил поверхневого натягу відбувається закріплення частинок некомпактних матеріалів, їхній нагрів і, у залежності від розмірів, часткове чи повне розплавлення.

4. Розрахунками за запропонованою методикою встановлено, що стружка інструментальної сталі 5ХНМ товщиною до 2,7 мм (закріплення найбільшою гранню) або до 0.6мм (закріплення найменшою гранню) може утримуватися на поверхні шлакової ванни до підплавлення чи повного розплавлення. Більш велика стружка відразу тоне в шлаковій ванні частково нагрівається в ній і розплавляється на межі шлакової і металевої ванн чи навіть безпосередньо в металевій ванні.

5. З використанням розробленої фізичної (холодної) моделі встановлено, що в процесі руху швидкість частинок НМ у розплаві шлаку зменшується від початкової до деякої постійної величини, що називається швидкістю осадження, рівної 0,2...1,5 м/с. Час перебування частинок НМ у шлаковій ванні глибиною 0,06 м складає в середньому 0,3...0,4 с, за цей час частинки НМ можуть одержати до 25 % від загальної кількості тепла, необхідного для їхнього розплавлення.

6. Розраховано тепловий баланс процесу ЕШН некомпактними матеріалами у виді стружки стали 5ХНМ. Показано, що при оптимальному веденні процесу масова швидкість подачі частинок НМ повинна складати 0,3...0,7 кг/год на 1 кВт потужності, що підводиться. Така швидкість подачі присаджувального металу забезпечує знижену температуру і невелику глибину металевої ванни, що в наступному дозволяє одержати оптимальну структуру і властивості наплавленого металу.

7. Дослідженнями якості і властивостей металу штампів, наплавлених ЕШН НМ стружкою штампової сталі, встановлено, що в наплавленому металі, у порівнянні з кованими, знижується вміст шкідливих домішок, відсутні дефекти усадкового та лікваційного характеру.

8. Промислові випробування показали, що розроблений спосіб ЕШН НМ дозволяє в 2...3 рази зменшити витрату інструментальної сталі, підвищити стійкість штампів у 1,5…3 рази, успішно утилізувати стружку безпосередньо на підприємстві, що їх виготовляє , отримати прибуток до 800 у.о. на 1 т штампового інструменту.

9. Спроектовано і виготовлені установки для реалізації розробленого способу ЕШН НМ і на АО “Ростсельмаш” і ВАТ “Токмакський ковальсько-штампувальний завод” створені ділянки по відновленню штампів. Продуктивність установки на АО “Ростсельмаш” дозволяє відновлювати до 300 т штампів у рік; на ділянці ОАО Токмакський ковальсько-штампувальний завод можна відновлювати до 1000 т штампів у рік.

Основні результати дисертаційної роботи відображено в наступних публікаціях:

1. Носатов В.А., Стеренбоген Ю.А., Кузьменко О.Г. Восстановление штампов с применением электрошлакового обогрева // Кузнечно-штамповочное производство. - 1987. - №3. - с.11-12.

2. Получение литых заготовок из отходов быстрорежущей стали / Носатов В.А., Кузьменко О.Г., Денисенко А.В., Овчинникова Т.Х. // Литейное производство. - 1989. - №5. - с.31-32.

3. Producing of Cast Bimetallic Die Billets by Using the Eleсtroslag Heating with Accompanied Annealing and Selection of Heat Treatment Conditions / Nosatov V.A., Sterenbogen Yu.A., Ovchinnikova T.Kh., Kuzmenko O.G. Denisenko A.V. // Stress Relieving Heat Treatments of Welded Steel Constructions: Proceedings of the International Conference held in Sofia, Bulgaria, 6-7 July 1987.-Oxford a.o.: Pergamon Press.-1987. - P. 331-332.

4. Носатов В.А., Кузьменко О.Г., Овчинникова Т.Х. Получение биметаллических заготовок с использованием электрошлакового обогрева переплавом стружки // Теория и практика процессов получения биметаллических и многослойных отливок: Сб.науч.тр. - Киев: ИПЛ АН УССР, 1987. - С. 109-113.

5. Овчинникова Т.Х., Носатов В.А., Кузьменко О.Г. Повышение стойкости крупногабаритных штампов горячего деформирования // Повышение стойкости деталей машин и инструмента: Материалы науч.-техн.конференции 14-17 февраля 1989г.- Москва, 1989. - С. 60-61.

6. Носатов В.А., Кузьменко О.Г., Овчинникова Т.Х. Повышение стойкости штампов, восстановленных электрошлаковой наплавкой стружкой // Теоретические и технологические основы наплавки.Повышение долговечности и работоспособности наплавленных деталей. – Киев: ИЭС им.Е.О.Патона, 1989. – С. 23-25

7. Кузьменко О.Г., Носатов В.А. Получение инструмента и технологической оснастки повышенной работоспособности электрошлаковой наплавкой с использованием отходов инструментального производства // Металлообработка: современный инструмент и инструментальные материалы: Материалы конференции,2-4октября 1996г.,г.Ялта.-Киев: Общ-во “Знание”, 1996.- С. 29-30.

8. Кузьменко О.Г. Опыт и перспективы применения электрошлаковой наплавки некомпактными материалами штамповой оснастки // Технологии ремонта машин, механизмов и оборудования: Материалы 7-й Международной конференции 25-27мая 1999г.,г.Алушта. - Киев: АТМ Украины, 1999. - С. 80-81.

9. Наплавка штампов горячего деформирования / Рябцев И.А., Кусков Ю.М., Кондратьев И.А., Кузьменко О.Г. и др.// The XV Jubilee International Scientific and Technological Conference “Design and Technology of Drawpieces and Die Stampings”: Conference Proceedings. - Poznan,Poland, 2002. - С.130-136.

10. Патент 16 Україна, МКВ5 В22D 19/06. Спосіб наплавки штампів / Носатов В.О., Гладкий П.В., Кузьменко О.Г та ін.; № 4645912; Заявл. 06.02.89,Опубл.30.04.93. Бюл. № 1.

11. Патент 1498587 РФ , МКИ4 В22D 19/06, С22В 9/18. Способ восстановления штампа / Носатов В.А.,Кузьменко О.Г., Рабичев Б.В., Чайка А.А.; № 4322033; Заявл. 30.09.87; Опубл. 10.08.93.

12. Патэнт 2852 Рэспубліка Беларусь, МКИ5 В22D 19/00. Способ электрошлаковой наплавки / Понкратин Е.И., Носатов В.А., Клещенок Г.И., Скрипник В.П., Семенов А.Н., Кузьменко О.Г. и др.; № 950261; Заявл. 29.05.95; Опубл. 10.02.99.

13. Кузьменко О.Г. Исследование особенностей электрошлакового обогрева при восстановлении штампов переплавом стружки // І конференция молодых ученых и специалистов:Тез.докл.15-17 апреля1987г. - Киев, 1987. -с.15-16.

14. Кузьменко О.Г., Носатов В.А. Применение электрошлаковой наплавки жидким металлом и некомпактными материалами для получения слойных заготовок // Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении:Тез.докл. Международного семинара-выставки 20-30 апреля 1999г.– Киев, 1999. – С. 70-71.

15. Кузьменко О.Г. Управление составом и структурой штамповой стали в процессе электрошлаковой наплавки некомпактными материалами // Международная конференция”Сварные конструкции”: Тез.стенд.докл.. - Киев, 2000. - С.102-103.

АНОТАЦІЯ

Кузьменко О.Г. Відновлення інструменту для гарячого об’ємного штампування електрошлаковим наплавленням некомпактними матеріалами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - “Зварювання та споріднені технології”. - Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2002 р.

Дисертація присвячена рішенню проблеми створення на основі електрошлакового процесу ефективної технології наплавлення зношеного інструменту для гарячого об'ємного штампування, забезпечення високої експлуатаційної стійкості і надійності цього інструменту, а також зниження його собівартості. Вивчено металургійні і технологічні особливості електрошлакового наплавлення штампів із застосуванням невитратних графітованих електродів і присаджування в шлакову ванну некомпактних матеріалів, зокрема стружки стали 5ХНМ.

Експериментально і методом математичного моделювання процесу ЕШН НМ невитратними електродами установлено, що для забезпечення швидкого підплавлення поверхні штампів великої площі цей процес необхідно вести, використовуючи питому потужність (150...180).104 Вт/м2, забезпечуючи градієнт температур по їх висоті не менш 300С/см.

За допомогою розробленої математичної моделі показано, що процеси руху і плавлення різних видів некомпактних матеріалів (стружка, дріб, січка дроту) у шлаковій і металевій ваннах при ЕШН НМ мають складний і багатостадійний характер, причому вирішальну роль у них грають межі поділу фаз повітря-розплав шлаку і розплав шлаку-розплав металу. На цих межах за рахунок сил поверхневого натягу відбувається закріплення частинок НМ, їх нагрівання і, у залежності від розмірів і форми, часткове чи повне розплавлення.

Розраховано тепловий баланс процесу ЕШН НМ і визначена оптимальна масова швидкість подачі частинок некомпактних матеріалів - 0,3...0,7 кг/год на 1кВт потужності, що підводиться.

Результати проведених досліджень і розробок лягли в основу нової технології відновлення штампів ЕШН НМ. У роботі сформульовані основні вимоги до устаткування для ЕШН НМ, що були використані при проектуванні установок для наплавлення та оснащення . Впровадження нової технології на АО “Ростсельмаш” (РФ) і ВАТ“Токмакський ковальсько-штампувальний завод” (Україна), де були створені спеціалізовані ділянки, дозволило практично цілком використовувати для наплавлення відходи інструментального виробництва (стружка, зношені штампи та ін.), підвищити стійкість штампів у 1,5…3 рази при одночасному зниженні собівартості на 30 %.

Ключові слова: електрошлакове наплавлення, некомпактні матеріали, невитратні електроди, наплавлення штампів, якість наплавленого шару.

АННОТАЦИЯ

Кузьменко О.Г. Восстановление инструмента для горячей объемной штамповки электрошлаковой наплавкой некомпактными материалами.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06-“Сварка и родственные технологии”.- Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2002 г.

Диссертация посвящена решению проблемы создания на основе электрошлакового процесса эффективной технологии наплавки изношенного инструмента для горячей для объемной штамповки, обеспечения высокой эксплуатационной стойкости и надежности этого инструмента, а также снижения его себестоимости. Изучены металлургические и технологические особенности электрошлаковой наплавки изношенных штампов с применением нерасходуемых графитированных электродов и присадки в шлаковую ванну некомпактных материалов, в частности стружки стали 5ХНМ.

Экспериментально и методом математического моделирования процесса ЭШН НМ неплавящимися электродами установлено, что для обеспечения равномер-ного нагрева поверхности штампа боль-шой площади процесс необходимо вести, используя удельную мощность (150...180).104 Вт/м2, обеспечивая градиент температур по высоте наплавляемой заготовки не менее 30 0С/см.

С помощью разработанной математической модели показано, что процессы движения и плавления различных видов НМ (стружка, дробь, сечка проволоки) в шлаковой и металлической ваннах при ЭШН НМ имеют сложный и многостадийный характер, причем решающую роль в них играют границы раздела фаз воздух-расплав шлака и расплав шлака-расплав металла. На этих границах за счет сил поверхностного натяжения происходит закрепление частиц НМ, их нагрев и, в зависимости от размеров и формы, частичное или полное расплавление.

Расчетами по предложенной методике установлено, что стружка инструментальной стали 5ХНМ толщиной до 2,7 мм (закрепление наибольшей гранью) или до 0,6 мм (закрепление наименьшей гранью) может удерживаться на поверхности шлаковой ванны. Более крупная стружка сразу тонет в шлаковой ванне, частично нагревается в ней и доплавляется на границе шлаковой и металлической ванн или даже непосредственно в металлической ванне.

С использованием разработанной физической (холодной) модели установлено, что время нахождения частиц НМ в шлаковой ванне глубиной 0,06 м составляет в среднем 0,3…0,4 с, за это время частицы НМ могут получить до 25 % от общего количества тепла, необходимого для их расплавления. Рассчитан тепловой баланс процесса ЭШН НМ и определена оптимальная массовая скорость подачи частиц НМ - 0,3…0,7 кг/ч на 1кВт подводимой мощности.

Результаты проведенных исследований и разработок легли в основу новой технологии восстановления штампов ЭШН НМ. В работе сформулированы основные требования к оборудованию для ЭШН НМ, которые были использованы при проектировании наплавочных установок и оснастки . Внедрение новой технологии на АО “Ростсельмаш” (Россия) и ОАО “Токмакский кузнечно-штамповочный завод” (Украина), где были созданы специализированные участки, позволило практически полностью использовать наплавки отходы инструментального производства (стружка, изношенные штампы и др.), повысить стойкость штампов в 1,5…3 раза при одновременном снижении себестоимости на 30 %.

Ключевые слова: электрошлаковая наплавка, некомпактные материалы, нерасходуемые электроды, наплавка штампов, качество наплавленного слоя.

ABSTRACT

Kuzmenko О.G. Recovery of the instrument for hot volumetric forging by an electroslag surfacing with noncompact materials.- Manuscript.

Thesis for scientific degree of a candidate of technical sciences on a speciality 05.03.06 - "Welding and related technologies". - E.O. Paton Welding Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis is dedicated to a solution of a problem of creation of effective technology of surfacing of the worn instrument for hot volumetric forging on the basis of electroslag process, provision of high operation stability and reliability of this instrument, and also decrease of its cost price. The metallurgical and technological features of an electroslag surfacing of the worn dies with applying of non-consumable graphitized rods and additives of noncompact materials in a slag pool, particularly shavings of steel 5ХНМ are learnt.

It is established experimentally and by mathematical modeling method of ESS NM process by non-consumable rods, that for provision of even heating of a surface of a wide area die, the process must be carried on using power density (150...180) 104 W/m2, providing a temperature gradient on height of surfacing billet not less than 30 оС/sm.

With the help of a designed mathematical model it is