Приазовський державний технічний університет

Літвінов

Олександр Павлович

УДК 621.791.75

Розробка самозахисного порошкового дроту для наплавлення деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу

Спеціальність: 05.03.06. – Зварювання та споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь 2003 р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович

ПДТУ, зав. кафедрою “Металургія і технологія зварювального виробництва”

Офіційні опоненти | доктор технічних наук, професор

Размишляєв Олександр Денисович

ПДТУ, декан зварювального факультету

кандидат технічних наук

Шевченко Ігор Валерійович

Краматорський завод металоконструкцій, начальник цеху, м. Краматорськ

Провідна установа: | Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 19.12.2003 р. у 14 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради К.12.052.01. при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Університетська, 7

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету: м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий 18.11.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Наплавлення самозахисним порошковим дротом є одним з раціональних способів відновлення до первісних розмірів зношених поверхонь частин механізмів і машин та зміцнення нанесенням комплексно легованих сплавів, що мають високий опір зносу. Крім безпосереднього ефекту, що виражається в підвищенні терміну служби виробів, наплавлення забезпечує збереження оптимальної геометрії поверхонь, що зношуються. Можливість широкого варіювання хімічним складом наплавленого металу при високому рівні легування, невеликий виробничий цикл одержання різноманітних матеріалів, відсутність необхідності застосування додаткового захисту зони дуги, високі зварювально-технологічні характеристики процесу, простота використовуваного устаткування визначають її ефективність.

Актуальність теми. Найважливішою умовою забезпечення експлуатаційних характеристик наплавлених виробів є дотримання вимог щодо хімічного складу наплавленого металу, якість якого істотно залежить від композиції сердечника порошкового дроту. Тому однією з основних задач, розв'язуваних при створенні самозахисного порошкового дроту, є правильний розрахунок складу дроту за заданим хімічним складом наплавленого металу.

Наявність безлічі газошлакових композицій ускладнює розроблення порошкових дротів, вимагає великих витрат часу на експериментальні дослідження, призводить до невиправданої перевитрати дефіцитних матеріалів і не завжди гарантує досягнення необхідних результатів. Застосування різних мінералів як газошлакоутворюючих компонентів самозахисного порошкового дроту впливає на фізико-хімічні властивості шлаку і тим самим забезпечує поєднання захисних властивостей дроту з добрими зварювально-технологічними характеристиками наплавлення. Але ці мінерали, різні за хімічним складом і структурою, не є нейтральними відносно металу, а здатні в різному ступені хімічно взаємодіяти з ним і окисляти легуючі елементи дроту. Крім того, збіднюючись легуючими елементами, наплавлений метал у значній мірі втрачає свої спеціальні властивості, і для компенсації цих втрат необхідно вводити додаткову кількість легуючих елементів у порошковий дріт. Тому важливо оцінити різні системи газошлакоутворюючих компонентів з точки зору скорочення втрат легуючих елементів.

Для наплавлення деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу, розроблений ряд порошкових дротів, однак їх застосування не є достатньо ефективним. У цьому зв'язку визначення шляхів збільшення переходу легуючих елементів у наплавлений метал при легуванні через сердечник самозахисного порошкового дроту, встановлення залежності хімічного складу наплавленого металу від композиції газошлакоутворюючої частини сердечника, удосконалення складу самозахисного порошкового дроту з поліпшеним комплексом службових характеристик є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до тематики науково-дослідних робіт кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського Державного технічного університету: “Розробка економно легованих матеріалів і дослідження впливу попередніх обробок на підвищення механічних властивостей” № Держ. реєстрації 0100U002578.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення складу сплаву з поліпшеним комплексом службових характеристик і самозахисного порошкового дроту для його наплавлення, що забезпечує оптимальне поєднання зносостійкості і технологічності відновлених деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу. Для цього були поставлені і вирішені наступні задачі:

1 Дослідити можливість застосування нетрадиційних матеріалів як газошлакоутворюючих компонентів самозахисних порошкових дротів.

2 Дослідити вплив легуючих елементів і газошлакоутворюючих компонентів самозахисного порошкового дроту, режиму наплавлення на характеристики переносу, загальні втрати, втрати на розбризкування електродного металу і коефіцієнти переходу легуючих елементів.

3 Побудувати математичну модель комплексного легування для прогнозування хімічного складу наплавленого металу при оптимальному співвідношенні газошлакоутворюючих компонентів у шихті порошкового дроту.

4 Визначити основні критерії й оптимізувати склад комплексно легованого сплаву для наплавлення, яке забезпечує більш високу зносостійкість і технологічність деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу.

5 Застосувати одержані результати для розроблення самозахисного порошкового дроту, що забезпечує одержання сплаву з заданими властивостями і хімічним складом для наплавлення корпусів вуглесосів.

Об'єкт дослідження – механізоване дугове наплавлення комплексно легованих сплавів самозахисним порошковим дротом.

Предмет дослідження – характеристики масопереносу і легування металу при наплавленні комплексно легованих сплавів самозахисним порошковим дротом.

Методи дослідження – основні задачі роботи вирішувалися розрахунковими й експериментальними методами. Розроблення складу наплавленого металу і самозахисного порошкового дроту проводилося із застосуванням сучасних методів планування багатофакторного експерименту, зокрема, при розробленні газошлакоутворюючої частини шихти використовували симплексно-градчате планування експерименту, при розробленні складу сплаву використовували D-оптимальні насичені плани Рехтшафнера, багатокритеріальну оптимізацію отриманих моделей виконували методами штрафних функцій. Вміст легуючих елементів у наплавленому металі визначали хімічним методом і спектральним аналізом. Дослідження зварювально-технологічних характеристик порошкових дротів і властивостей наплавленого металу проводили на лабораторних установках і в промислових умовах.

Наукова новизна отриманих результатів. Серед основних положень і розробок, представлених у дисертації, новими для теорії і практики є наступні:

– доведено доцільність застосування як газошлакоутворюючих у шихті самозахисного дроту карбонатного шламу, мартенівського шлаку, датолітової руди і плавикового шпату в співвідношенні 2:2:2:4 при їх загальній кількості в шихті 20-25%, що забезпечує малі втрати електродного металу (=6-7%, РБ=3-4%), високі коефіцієнти переходу легуючих елементів у наплавлений метал (C=78-79%, Mn=85-86%, Si=42-45%, Cr=95-96%, V=90-91%, Mo=93-94%, W=94-95%,Ti=50-52%), криюча спроможність шлаку 0,88-0,92; стійкість горіння дуги 14,9-16,8 мм; віддільність шлакової корки 0,007-0,0075 см2/Дж;

– розроблено математичну модель комплексного легування наплавленого металу вуглецем, марганцем, кремнієм, хромом, титаном, ванадієм, молібденом, вольфрамом при оптимальному співвідношенні газошлакоутворюючої композиції в шихті самозахисного порошкового дроту, що дозволяє раціонально проектувати електродний матеріал;

– установлено взаємозв'язок хімічного складу сплаву з його гідроабразивною зносостійкістю і схильністю до утворення тріщин і визначено склад наплавленого металу 210Х12В4М2Г2СФТ для відновлення корпусів вуглесосів з оптимальною зносостійкістю і технологічністю. Структура металу складається з аустеніту, ледебуритної евтектики і дрібних карбідів, що забезпечує високі пластичні властивості наплавленого металу при низькій схильності до тріщиноутворення;

– розроблено самозахисний порошковий дріт для відновлення корпусів вуглесосів з низьким окисним потенціалом газової фази і шлаковою системою підвищеної основності, що забезпечує задовільні зварювально-технологічні властивості при наплавленні на режимах IЗВ=300-350 А, UД=28-30 В і продуктивність 5,5-6,8 кг/год.

Практична цінність отриманих результатів.

Проведений автором і за його участю комплекс досліджень і вироблені рекомендації дозволили розробити склад самозахисного порошкового дроту з поліпшеним комплексом службових характеристик для механізованого наплавлення деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу. Розроблені рекомендації щодо використання нових газошлакоутворюючих компонентів може бути використано при виробництві іншого призначення. Проведено апробацію самозахисних порошкових дротів при відновленні деталей вузлів вуглесосів в умовах заводу дорожніх машин (м. Бердянськ), які прийнято до впровадження з економічним ефектом 53,6 тис.грн. (у цінах 2003 року).

Особистий внесок здобувача. Автор установив характер впливу газошлакоутворюючих компонентів комплексно легованого самозахисного порошкового дроту на характеристики крапельного переносу, втрати електродного металу і коефіцієнти переходу легуючих елементів у наплавлений метал. Довів доцільність застосування з метою одержання мінімальних втрат електродного металу і високих коефіцієнтів переходу легуючих елементів як газошлакоутворюючих матеріалів плавикового шпату, карбонатного шламу, мартенівського шлаку і датолітової руди. Розробив порошкові дроти і визначив область оптимальних режимів наплавлення. Узагальнив отримані результати і взяв безпосередню участь у впровадженні розробок.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені:

– на науково-методичній конференції, присвяченій 90–річчю з дня народження вченого-металурга Меджибожського М.Ф. “Современные проблемы производства стали и управление качеством подготовки специалистов”, м. Маріуполь, 11–13 вересня 2002 р.;

– на II міжнародної науково-технічної конференції “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок ”, м. Запоріжжя, 23–28 вересня 2002 р.;

– на міжнародній науково-технічній конференції “Обработка, сварка и упрочнение конструкционных материалов. Качество и перспективы развития”, м. Луганськ, 29 жовтня–1 листопада 2002 р.;

– на міжнародній науково-технічній конференції “Горная электромеханика и автоматика”, м. Донецьк, 3–6 грудня 2002 р.;

– на міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні засоби автоматизації і комп'ютерно-інтегровані технології”, м. Краматорськ, 11-13 лютого 2003 р.;

– на X регіональної науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Приазовського державного технічного університету, м. Маріуполь, 21 квітня 2003 р.;

– на науково-технічній конференції “Підсумки наукової діяльності Донбаської державної машинобудівної академії за 2002-2003 р.”, м. Краматорськ, 14-25 квітня 2003 р.;

– на міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском”, м. Краматорськ, 22-25 квітня 2003 р.;

– на IV міжнародній науково-технічній конференції “Обработка и технологи термической обработки металлов и сплавов”, присвяченій 75-річчю Національного наукового центра “Харківський фізико-технічний інститут”, м. Харків, 19-23 травня 2003 р.;

– на міжнародній науково-технічній конференції “Важке машинобудування. Процеси металообробки, верстати, інструменти”, м. Краматорськ, 3-5 червня 2003 р.;

– на наукових семінарах Приазовського державного технічного університету (м. Маріуполь, 2002-2003 р.);

- на науковому семінарі відділу фізико-хімічних досліджень зварюваності конструкційних сталей і чавунів ІЕЗ ім. Є.О.Патона (м. Київ, 2003 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 9 статей у наукових журналах, у тому числі 4 статті в фахових виданнях ВАК, отриманий патент України.

Структура дисертації. Дисертація складається із введення, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 161 найменування, 1 додаток і містить 134 сторінки машинописного тексту, 48 рисунків, 26 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і методи рішення розроблювальної проблеми, відзначені наукова новизна і практичне значення роботи, приведений перелік наукових конференцій, семінарів, де апробовано результати, і кількість публікацій, що відносяться до теми дисертації.

Розділ 1. Сучасний стан питання.

Наведено результати аналітичного огляду літературних джерел за темою дисертаційного дослідження. Одним з основних видів зношування є гідроабразивне, що відбувається за умов ударної дії абразивних часток у середовищі рідини, викликаючи зношування деталей насосів, гідротурбін, землесосів і багатьох інших машин. Для наплавлення деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу, розроблено ряд порошкових дротів, однак, їх застосування недостатньо ефективне, оскільки різний характер процесу гідроабразивного зношування вимагає вибору наплавленого матеріалу для конкретних умов експлуатації корпусів насосів, призначених для гідротранспортування шлаку.

Для зниження інтенсивного гідроабразивного зносу наплавленого металу необхідно забезпечити високу твердість матеріалу, що зношується, зберігши при цьому достатній рівень пластичності і високу стійкість його проти утворення тріщин. Найбільш доцільно як електродний матеріал застосовувати самозахисний порошковий дріт, що дозволяє при високій продуктивності процесу забезпечити необхідний склад наплавленого металу. Застосування як газошлакоутворюючого компонента традиційних мінералів розширює технологічні можливості самозахисних порошкових дротів для наплавлення комплексно легованих сплавів, однак не завжди дозволяє одержати необхідні властивості наплавленого металу. Обмежена кількість газошлакоутворюючих у складі порошкового дроту при зростаючих вимогах до зварювально-технологічних властивостей викликає необхідність пошуку нових матеріалів, які активно впливають на ці властивості. В умовах постійно зростаючого дефіциту природних ресурсів важливу роль відіграє раціональне й ощадливе їх використання. У цьому зв'язку застосування замість дефіцитної первинної мінеральної сировини вторинних сировинних ресурсів, які зараз, переходячи у відходи, порушують екологічну рівновагу, є раціональним прийомом. Вони мають різний хімічний склад і структуру, різну окисну спроможність щодо легуючих елементів порошкового дроту, що ускладнює розрахунок коефіцієнтів переходу елементів у наплавлений метал і складу порошкового дроту. Відсутність відомостей про вплив складу нових газошлакоутворюючих компонентів на характеристики переносу електродного металу, його втрати і коефіцієнти переходу легуючих елементів у наплавлений метал ускладнює розробку порошкових дротів, потребує великих витрат часу і матеріалів на експериментальні дослідження, не завжди гарантуючи досягнення необхідних результатів. Удосконалення складу порошкового дроту для наплавлення деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу, присвячені наступні розділи.

Розділ 2. Вибір напрямку й обґрунтування методів дослідження

Удосконалення складу порошкових дротів, що забезпечують досягнення високої надійності і довговічності деталей і вузлів машин при відновному наплавленні зносостійкими сплавами, нерозривно пов'язано з розробкою конкретних практичних рішень, здійснюваних на основі комплексних теоретичних і експериментальних досліджень з використанням сучасних методів теоретичного аналізу й експериментальних установок.

Для дослідження впливу складу газошлакоутворюючих компонентів сердечника на зварювально-технологічні властивості, кількісного опису залежностей і істотного зменшення числа дослідів застосовували симплексно–градчате планування експерименту (планування за допомогою діаграм „склад – властивість”). Як фактори були прийняті кодові перемінні, котрі самі по собі представляють уже не окремі компоненти, а спеціально підібрані склади газошлакоутворюючих матеріалів, що обмежують область експериментування технологічно прийнятним співвідношенням компонентів (табл.1).

Таблиця 1

Фактори та склад компонентів

Фактор | Склад газошлакоутворюючих компонентів, %

Плавиковий шпат, РП | Карбонатний шлам, РК | Мартенівський шлак, РМ | Датолітова руда, РД

х1 | 80 | 20––

х2 | 20 | 80––

х3 | 20– | 80–

х4 | 20–– | 80

При розробленні складу сплаву використовували D-оптимальні насичені плани Рехтшафнера, багатокритеріальну оптимізацію отриманих моделей робили методами штрафних функцій. Вміст легуючих елементів у наплавленому металі визначали хімічним методом і спектральним аналізом. Дослідження зварювально-технологічних характеристик порошкових дротів і властивостей наплавленого металу проводили на лабораторних установках і в промислових умовах.

Розділ 3. Дослідження переносу електродного металу при наплавленні самозахисним порошковим дротом

Застосування різних мінералів як газошлакоутворюючих компонентів порошкового дроту дозволяє змінювати в широких межах фізико-хімічні властивості шлаків і тим самим досягати необхідних властивостей самозахисних порошкових дротів. Для оцінки впливу складу газошлакоутворюючих компонентів сердечника, кількості газошлакоутворюючих матеріалів у шихті дроту РГШ, на середню масу крапель і час між їх переходами при наплавленні комплексно легованим самозахисним порошковим дротом були виготовлені три партії дослідних порошкових дротів із вмістом газошлакоутворюючих компонентів у шихті РГШ=15, 25 і 35%.

За основу було прийнято порошковий дріт трубчастого перетину діаметром 3 мм із коефіцієнтом заповнення 34-36% наступного складу (%):C 1,8-2,0; Mn 2,9-3,2; Si 0,9-1,1; Cr 9,1-10,2; V 1,4-1,6; Mo 1,2-1,4; W 2,4-2,8; Ti 0,3-0,4; решта – газошлакоутворюючі матеріали й залізо.

Краплі збирали на масивну мідну пластинку при відносній швидкості переміщення дуги по ній 0,1 м/с і вильоті електродного дроту 25-30 мм. Режими наплавлення змінювали в діапазоні стійкого горіння дуги IЗВ=160-430А; UД=24-36В. Визначали середню масу крапель m(мг) і час між їх переходами (мс). Аналіз моделей, отриманих у результаті застосування симплексно-градчатого планування, показав, що при постійній кількості плавикового шпату чи мартенівського шлаку з підвищенням вмісту карбонатного шламу в шихті порошкового дроту показники m і зменшуються. При цьому для дроту з РГШ=35% збільшення карбонатного шламу від 10% до 50% підвищує вміст кисню в краплях від 0,022 до 0,036%.

При підвищенні кількості газошлакоутворюючих компонентів РГШ у шихті до 25% середня маса крапель і час між їх переходами зростають, при підвищенні РГШ до 35% ці параметри зменшуються. При зростанні зварювального струму від 160 до 430 А при РГШ = 25% m змінюється нелінійно із максимумом, при РГШ = 35% – неістотно зменшується. Час між переходами крапель для всіх досліджених значень РГШ зменшується.

Підвищення напруги на дузі призводить до зниження m і , більш інтенсивного для дроту з меншою часткою газошлакоутворюючих компонентів шихти. Зміна частки газошлакоутворюючих компонентів у шихті в діапазоні 15-35% для досліджених порошкових дротів із високим окислювальним потенціалом сердечника істотно не впливає на значення параметрів m і . При зростанні струму і напруги дуги m змінюється незначно.

Розділ 4. Дослідження втрат електродного металу при наплавленні самозахисним порошковим дротом

Стабільність процесу плавлення порошкового дроту характеризують відносні втрати електродного металу, вимірювані коефіцієнтами загальних втрат і втрат на розбризкування РБ. Від цих коефіцієнтів залежить також перехід легуючих елементів у метал наплавлення. Із застосуванням симплексно–градчатого планування експерименту, отримано математичні моделі, що описують залежність коефіцієнтів втрат і РБ електродного металу від складу газошлакоутворюючої частини порошкового дроту.

Установлено (рис. 1, 2), що на втрати електродного металу найбільший вплив має введення до складу газошлакоутворюючих матеріалів порошкового дроту карбонатного шламу. Інтенсивний розпад карбонатів при вмісті карбонатного шламу в газошлакоутворюючій частини шихти понад 40–50% викликає інтенсивне виділення газів із сердечника дроту і збільшує розбризкування і загальні втрати металу. Заміна мармуру карбонатним шламом у цілому знижує коефіцієнти втрат і РБ. Зменшення кількості газошлакоутворюючих компонентів у шихті від 35 до 15%, підвищення зварювального струму від 200 до 400 А, зменшення напруги дуги від 36 до 26 В знижує загальні втрати металу, особливо при наплавленні порошковими дротами з підвищеним вмістом карбонатного шламу в шихті.

З рис.1,2 випливає, що кожна трикомпонентна система: плавиковий шпат – карбонатний шлам – мартенівський шлак (х1, х2, х3), плавиковий шпат – карбонатний шлам – датолітова руда (х1, х2, х4), плавиковий шпат – мартенівський шлак – датолітова руда (х1, х3, х4), карбонатний шлам – мартенівський шлак – датолітова руда (х2, х3, х4), – має оптимальне співвідношення газошлакоутворюючих матеріалів шихти порошкового дроту, що забезпечує мінімальні втрати електродного металу. Так, система х1, х2, х3 забезпечує мінімальні втрати електродного металу при вмісті карбонатного шламу в газошлакоутворюючій частині шихти 15–25 %, мартенівського шлаку 15–30 %, інше – плавиковий шпат. Чотирьохкомпонентна система забезпечує мінімальні втрати при вмісті карбонатного шламу в газошлакоутворюючій частини шихти 15–25%, мартенівського шлаку 15–30 %, датолітової руди 10–20 %, інше – плавиковий шпат. Причому чотирьохкомпонентна система газошлакоутворюючих матеріалів у шихті порошкового дроту при їх оптимальному співвідношенні забезпечує менші втрати , чим будь-яка досліджена трикомпонентна.

Таким чином, застосування комплексу газошлакоутворюючих компонентів в оптимальних співвідношеннях дозволяє значно зменшити втрати електродного металу при наплавленні комплексно легованих сплавів самозахисним порошковим дротом. Порівняння впливу кількості РГШ і складу газошлакоутворюючих матеріалів, сили струму і напруги дуги на середню масу крапель m і коефіцієнти втрат РБ і при наплавленні комплексно легованим самозахисним порошковим дротом показало, що між середньою масою крапель і втратами електродного металу однозначного зв'язку немає.

Кореляційним аналізом установлена наявність слабкого кореляційного зв'язку між коефіцієнтами втрат РБ, і середньою масою крапель m. Так, коефіцієнт кореляції r(РБ, m) = –0,324, r(, m) = –0,332 при критичному значенні rКР=0,354 і рівні значимості =0,01.

Розділ 5 Дослідження легування металу при наплавленні порошковим дротом

Із застосуванням симплексно-градчатого планування експерименту було отримано математичні моделі, що описують залежність коефіцієнтів переходу C, Mn, Si, Cr, V, Мo, W, Ti від співвідношення газошлакоутворюючих компонентів у шихті порошкового дроту 15, 25, 35%. Установлено, що збільшення вмісту карбонатного шламу в газошлакоутворюючій частини шихти призводить до зниження коефіцієнтів переходу легуючих елементів. Найбільш істотно карбонатний шлам впливає на перехід кремнію й титана. При збільшенні концентрації карбонатного шламу в газошлакоутворюючій частини шихти до 80% Si зменшується від 80 до 30%, а Ti – від 60 до 25%. Для одержання мінімального розбризкування електродного металу, високих коефіцієнтів переходу легуючих елементів, надійного захисту рідкого металу від шкідливого впливу повітря, доброї криючої спроможності і віддільності шлакової корки доцільно застосовувати як газошлакоутворюючі компоненти порошкового дроту плавиковий шпат, карбонатний шлам, мартенівський шлак, датолітову руду в співвідношенні 4:2:2:2 при їх загальній кількості в шихті 20-25%. Для встановленого оптимального співвідношення і вмісту газошлакоутворюючих компонентів у розглянутому діапазоні зміни легуючих елементів отримано: =6-7%, РБ=3-4%, C=78-79%, Mn=85-86%, Si=42-45%, Cr=95-96%, V=90-91%, Mo=93-94%, W=94-95%,Ti=50-52%, що дозволяє одержати криючу здатність шлаку 0,88-0,92, відділяємість шлакової корки 0,007-0,0075см2/Дж.

Потім було вивчено залежність коефіцієнтів переходу легуючих елементів у наплавлений метал від їх вмісту в порошковому дроті при оптимальному співвідношенні газошлакоутворюючих компонентів у сердечнику дроту. Досліджували такий діапазон вмісту легуючих елементів у дроті (%): C 0,6-0,3; Mn 0,8-5,0; V 0,3-2,5; Мo 0-2,2; Si 0,6-2,2; Cr 2,0-12,5; W 0-4,3; Ti 0,2-1,5. Наплавлення виконували дротом діаметром 3мм на зворотній полярності в мідну форму на режимі:Iзв=260-300А Uд=25-28В. Після обробки експериментальних даних методами багатомірного регресійного аналізу з послідовним відсіванням незначущих перемінних на рівні значимості 5% було отримано наступну математична модель:

(1)

де C, Mn, Si, Cr, V, Мо, W, Ti – вміст легуючих елементів у порошковому дроті (%).

Модель дозволяє прогнозувати коефіцієнти переходу легуючих залежно від концентрації цих елементів порошкового дроту в дослідженому діапазоні при загальній їх кількості в сердечнику 20-25% і загальному змісті легуючих елементів у дроті 8-28%.

Розділ 6 Розроблення і дослідження самозахисного порошкового дроту для відновлення корпуса багерного насоса

З метою розроблення раціонального комплексного легування наплавлюваного матеріалу з оптимальною зносостійкістю і технологічністю (схильністю до утворення холодних і гарячих тріщин) досліджували сплави з областю зміни легуючих елементів у межах (%): С 1-3, Mn 1-4, Si 0,5-2,5, Cr 8-12, V 0-2, Mo 0-2, W 0-4, Ti 0,7-0,9. Дослідні сплави одержували наплавленням самозахисним порошковим дротом, склад якого розраховували із використанням системи рівнянь (1) для коефіцієнтів переходу легуючих елементів.

Як параметри оптимізації були обрані коефіцієнти відносної зносостійкості при кутах атаки гідроабразивної суміші 20, 45 і 80 (відповідно у1, у2, у3), кількість поперечних тріщин на довжині наплавленого шару 200 мм (у4), частка зламу в %, зайнята гарячими тріщинами (у5). Залежність параметрів оптимізації від складу сплаву шукали у вигляді полінома другого порядку. Для одержання математичної моделі використовували D-оптимальний насичений план Рехтшафнера. Після обробки експериментальних даних отримано нелінійні математичні моделі, що дозволяють оцінити експлуатаційні властивості сплавів у заданих межах зміни вмісту легуючих елементів C, Mn, Si, Cr, V, Mo, W у сплавах:–

коефіцієнт зносостійкості при куті атаки гідроабразивної суміші 20°

Y1 = 1,433 + 9,267C + 1,645Mn + 3,707Si – 2,135Cr + 4,585V + 2,397Mo + 0,516W – 2,705C2 – 0,848Si2 + 0,129Cr2 – 1,683V2 – 0,510Mo2 0,055W2 + 0,047CMn + 0,041CSi + 0,166CCr –0,044CV + 0,029CMo + 0,017CW –0,131MnSi – 0,094 – 0,094 MnCr – 0,121MnV – 0,206MnMo – 0,068MnW –- 0,067SiCr – 0,037SiV –MnCr – 0,121MnV – 0,206MnMo – 0,068MnW – 0,067SiCr – 0,037SiV – 0,029SiW– 0,012CrMo-0,174VMo+ 0,041VW + 0,140 MoW.–

коефіцієнт зносостійкості при куті атаки гідроабразивної суміші 45

Y2 = 2,823 + 8,587C + 1,823Mn + 6,740Si – 2,686Cr + 1,666V + 1,535Mo + 1,099W – 2,285C2 – 0,122Mn2 – 1,704Si2 + 0,161Cr2 – 0,348V2 – 0,397Mo2 – 0,140W2 – 0,231CSi + 0,040CCr + 0,187CV + 0,038CW+ 0,322MnSi – 0,118MnV – 0,088MnMo–0,092CMn +0,063MnW – 0,082SiCr – 0,182SiV – 0,113SiMo + 0,091SiW – 0,041CrV – 0,156CrMo + 0,094VMo + 0,019VW + 0,141MoW.– | коефіцієнт зносостійкості при куті атаки гідроабразивної суміші 80°

y3 = –1,388 + 8,153C + 3,059Mn + 6,998Si – 1,703Cr – 1,456V + 3,501Mo + + 0,301W – 2,249C2 – 0,467Mn2 – 2,005Si2 + 0,106Cr2 + 0,423V2 – 0,944Mo2 – 0,022W2 – 0,135CMn + 0,111CCr + 0,172CV + 0,054CMo + 0,042CW – 0,273MnSi + 0,023MnCr + 0,046MnV – 0,149MnMo – 0,072MnW – 0,042SiCr + 0,0,91SiV –0,252SiMo + 0,089SiW – 0,050CrMo +0,027CrW + 0,191VW + 0,182MoW– | кількість поперечних тріщин по довжині наплавленого слою 200 мм

y4 = –26,08 + 15,540C + 1,036Mn + 2,649Si – 7,212Cr – 13,022V + 11,766Mo + +0,798W + 6,152C2 + 1,734Mn2 + 2,774Si2 – 0,135Cr2 – 0,914V2 + 1,510Mo2 + 0,475W2 – 0,483CMn – 0,854CSi – 0,583CCr – 0,791CV – 0,489CW – 0,903MnSi 0,808MnCr –0,528MnV + 0,340MnW + 0,103SiCr – 0,670SiV – 0,850SiMo – 0,929SiW– 0,956CrMo +0,083CrW – 1,538VМo – 1,022VW – 1,363MoW.– | частка злому у відсотках, що зайнята поперечними тріщинами

Y5=-43.721-29.058C-3.806Mn-7.871Si + 13.749Cr + 23.692V + 21.447Mo + 5,001W + 11,291C2 + 3,641Mn2 + 6,285Si2 – 0,363Cr2 – 1,402V2 + 0,841Mo2 + 0,373W2 – 1,701CMn – 1,683CSi – 0,710CCr – 1,270CV – 0,401CMo – 0,726CW– 1,505MnSi – 0,940MnCr – 0,913MnV –0,340MnMo + 0,625MnW – 1,052SiV – 1,266SiW – 0,744CrV – 1,248CrMo – 0,124CrW – 3,270VMo– 1,835VW – 2,126MoW.

Для визначення оптимального складу сплаву використовували методи нелінійного програмування. Оскільки знос корпуса багерного насоса відбувається в результаті дії гідроабразивної суміші з різними кутами атаки часток, при оптимізації складу сплаву прагнули одержати найбільші значення параметрів зносостійкості у1, у2, у3. При однакових значеннях цих параметрів перевагу необхідно віддати складам з меншими значеннями величин у4 і у5. На першому етапі вирішували задачу однокритеріальної оптимізації, тобто оптимізовували один параметр уj при заданих обмеженнях на концентрацію легуючих елементів: 1C3; 1Mn4; 0,5Si2,5; 8Cr12; 0V2; 0Mo2; 0W4.

Цю задачу вирішували методом прямого пошуку, як задачу безумовної оптимізації функції багатьох перемінних з урахуванням прямих обмежень. Оптимальні склади сплавів, одержані в результаті однокритеріальної оптимізації по будь-якому з параметрів уj, не збіглися. Тому на другому етапі вирішували задачу оптимізації як багатомірну нелінійну задачу математичного програмування, що полягає в пошуку оптимального вмісту легуючих елементів C, Mn, Si, Cr, V, Mo, W у сплаві, максимізуюче середнє значення відносної зносостійкості при можливо менших значеннях параметрів у4 і у5 і заданих обмеженнях на концентрацію легуючих елементів у сплаві. Отриману задачу математичного програмування вирішували методом штрафних функцій. Як мінімізуєму функцію було обрано узагальнену функція виду:

де хІН, хІВ – нижня і верхня границя вмісту в сплаві і-го легуючого елемента; - коефіцієнт штрафу.

Після оптимізації і виробничих випробувань було обрано сплав 210Х12В4М2Г2СФТ, що має найбільшу зносостійкість в умовах експлуатації. Для наплавлення цього сплаву було розроблено самозахисний порошковий дріт наступного складу (мас.%): плавиковий шпат 8,0; карбонатний шлам 4,0; мартенівський шлак 4,0; датолітова руда 4,0; графіт 5,8; феромарганець 5,0; феросиліцій 5,6; хром 32,0; ферованадій 6,7; феромолібден 6,5; вольфрам 14,0; феротитан 4,4. Установлено, що мікроструктура металу по всьому перетині наплавлення складається з аустеніту, ледебуритної евтектики і дрібних карбідів (рис. 3).

Рисунок 3 – Мікроструктура наплавленого металу 210Х12В4М2Г2СФТ (320): а – у зони сплавлення; б – у верхньому шарі наплавлення

У зони сплавлення з боку наплавлення мікротвердість аустеніту становить 5810-6720 МПа, евтектики 8562-12516 МПа. У верхній частині наплавлення мікротвердість аустеніту дорівнює 6162-6954 МПа, евтектики – 7258-8360 МПа. Твердість наплавленого металу HRC 53-56. Карбіди розподілені рівномірно за всією товщиною наплавленого металу, починаючи від зони сплавлення, що забезпечує практично однакову по глибині зносостійкість сплаву.

Для вибору оптимального режиму наплавлення самозахисним порошковим дротом ПП-210Х12В4М2Г2СФТ вивчали вплив зварювального струму Iзв, напруги дуги Uд і вильоту електрода Н на показники плавлення порошкового дроту: коефіцієнти плавлення дроту Р (що враховує плавлення оболонки і металевих складових сердечника), наплавлення Н, загальних втрат електродного металу і втрат на розбризкування РБ. У дослідах використовували порошкові дроти діаметром 3 мм. Наплавлялися валики довжиною 100 мм на пластини розміром 200х100х10 мм зі сталі ВСт3сп. Наплавлення виконували на постійному струмі при зворотній полярності автоматом АБС від джерела живлення з жорсткою зовнішньою характеристикою на режимі: Iзв=200-400 А, Uд=24-32 В, Н=20-80 мм, Vн=18 м/год.

На рис. 4 наведено залежність коефіцієнтів Р і Н від сили струму і діаметру дроту.

Рисунок 4- Залежність коефіцієнтів Р і Н від сили струму і діаметру порошкової стрічки (мм): -3,0; -3,3; -3,6; -4,0.

Встановлено, що із збільшенням зварювального струму коефіцієнти Р і Н зростають, а коефіцієнти втрат і РБ зменшуються. Збільшення довжини вильоту електрода приводить до зростання коефіцієнта наплавлення Р , коефіцієнт наплавлення Н при цьому зростає до визначеної межі. При Н70 мм коефіцієнт Н починає зменшуватися через значне зростання коефіцієнта загальних втрат електродного металу . Мінімальні втрати електродного металу досягаються при довжині вильоту Н= 30-40 мм. Зміна напруги дуги не впливає на значення коефіцієнта плавлення Р, а коефіцієнт наплавлення Н змінюється по кривій з максимумом, досягаючи найбільшого значення при UД = 26-30 В. Коефіцієнти втрат і РБ при цих значеннях напруги дуги приймають мінімальні значення.

Оптимізація режиму наплавлення порошковим дротом діаметром 3 мм з урахуванням доброго формування металу наплавлених валиків, мінімальних втрат електродного металу і високої продуктивності призвів до таких параметрів: IЗВ=300-350 А, UД= 28-30 В, Н=30-50 мм. Застосування розробленого порошкового дроту для відновлення і зміцнення корпусів багерних насосів на Бердянському заводі дорожніх машин дозволило підвищити їх зносостійкість у 2-2,5 рази й одержати річний економічний ефект 53,6 тис.грн. (у цінах 2003 р.).

Загальні висновки

1. Наведено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі зниження втрат електродного металу і легуючих елементів при наплавленні комплексно легованого сплаву самозахисним порошковим дротом, що необхідно для підвищення експлуатаційних характеристик зносостійкого наплавленого металу.

2. Установлено характер впливу кількості й співвідношення плавикового шпату, карбонатного шламу, мартенівського шлаку і датолітової руди в шихті комплексно легованого самозахисного порошкового дроту на характеристики крапельного переносу, втрати електродного метала и коефіцієнти переходу легуючих елементів у наплавлений метал, при цьому статистичний кореляційний звязок між масою переношуваних крапель и втратами електродного металу відсутній, а дрібнокрапельний перенос не обовязково відбувається з мінімальним розбризкуванням.

3. Показано, що зростання концентрації карбонатного шламу або мартенівського шлаку в газошлакоутворюючій частині шихти порошкового дроту понад 40-50 % призводить до значного зниження параметрів макропереносу електродного металу. Це пояснюється зростанням окислення металу крапель і зниженням поверхневого и міжфазного натягу. Для порошкових дротів з невисокою окислювальною спроможністю шихти з підвищенням вмісту газошлакоутворюючих компонентів у сердечнику до 20-25 % характеристики макропереносу зростають, при подальшому підвищенні до 35 %- зменшуються. Зварювальний струм і напруга дуги істотно впливають на значення m и при вмісті газошлакоутворюючих компонентів у шихті до 20-25 % и невеликій окислювальній спроможності сердечника.

4. Визначено, що на втрати електродного металу найбільший вплив має введення до газошлакоутворюючої частини шихти карбонатного шламу понад 20-25 %. Це пов’язано з інтенсивною дисоціацією в зоні плавлення дроту карбонатів кальцію, магнію, натрію та активним виділенням газів. Підвищення вмісту карбонатного шламу в газошлакоутворюючій частині шихти понад оптимального, що становить 20-25 %, призводить до значних втрат C, Mn, Si, Cr, V, Mo, W, Ti. Мартенівський шлак и датолітова руда мають менший вплив на коефіцієнти переходу згаданих легуючих елементів.

5. Доказано, що для одержання малих втрат електродного металу і високих коефіцієнтів переходу легуючих елементів доцільно застосовувати як газошлакоутворюючі компоненти самозахисного порошкового дроту плавиковий шпат, карбонатний шлам, мартенівський шлак та датолітову руду в співвідношенні 4:2:2:2 при загальному їх вмісті у шихті 20-25 %.

6. На основі встановлених закономірностей впливу легуючих присадок на їх перехід до наплавленого металу розроблено статистичну модель комплексного легування у вигляді системи рівнянь, придатної для прогнозування хімічного складу металу, наплавленого самозахисним порошковим дротом із оптимальним сполученням газошлакоутворюючих компонентів.

7. Із використанням як параметрів оптимізації зносостійкість за різних кутів атаки гідроабразивної суміші і схильність до утворення тріщин, методом планування багатофакторного експерименту розроблено склад металу 210Х12В4М2Г2СФТ для відновлення й зміцнення корпусів багерних насосів із поєднанням оптимальних зносостійкості та технологічності. Структура метала складається з аустеніту, ледебуритної евтектики й дрібних карбідів, що забезпечує високі пластичні властивості наплавленого металу при низькій схильності до тріщиноутворення.

8. Визначено склад сердечника самозахисного порошкового дроту, газошлакоутворюючими компонентами якого є плавиковий шпат, карбонатний шлам, мартенівський шлак и датолітова руда. В оптимальному співвідношенні вони забезпечують мінімальні втрати легуючих елементів, добрі зварювально-технологічні властивості. При наплавленні на режимах IЗВ = 300-350 А, UД = 28-30 В продуктивність становить 5,5-6,8 кг/ч.

9. Розроблений самозахисний порошковий дріт пройшов промислові випробування в умовах ВАТ “Завод дорожніх машин” (м. Бердянськ, Запорізька обл.) і рекомендований до застосування в машинобудуванні для наплавлення деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу.

10. Впровадження результатів роботи дозволило одержати річний економічний ефект у сумі 53,6 тис.грн. (у цінах 2003 г.).

Основний зміст дисертації викладений у наступних публікаціях:

1. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Литвинов А.П. Многокритериальная оптимизация состава износостойкого сплава // Наукові праці Донецького національного технічного університету .– Донецьк: ДонНТУ, 2002.–Вип. 51.–С.108–113.

2. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Литвинов А.П. Оптимизация режимов восстановительной наплавки комплексно легированного сплава // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ: ДДМА, 2002. –Вип.12.–С.200–205.

3. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Литвинов А.П. Влияние состава газошлаковой системы порошковой проволоки на переход легирующих элементов в наплавленный металл // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2002. – №2. –С.24–26.

4. Кассов В.Д., Скрипниченко В.С., Литвинов А.П. Влияние газошлакообразующих компонентов порошковой проволоки на характеристики макропереноса // Вісник Східноукраїнського Національного університету ім. В.Даля. – Луганськ: СНУ, 2002.–№7(53).–С.90–95.

5. Кассов В.Д., Литвинов А.П. Исследование потерь электродного металла при восстановительной наплавки порошковой проволокой // Тез. докл. II международной научно–технической конференции “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок”.– Запорожье.– 2002.– С.66-69.

6. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Литвинов А.П. Разработка газошлакообразующей основы порошковой проволоки для наплавки металлургического оборудования// Материалы международной научно–методической конференции, посвященной 90–летию со дня рождения ученого–металлурга Меджибожского М.Я. “Современные проблемы производства сталей и управление качеством подготовки специалистов” –Мариуполь.–2002.–С.175–178.

7. Патент України 58855А, В23К9/04. Установка для дугового зварювання і наплавлення порошковим електродом / В.Д.Кассов, В.В.Чигарьов, О.П.Літвінов, І.В.Воленко (Україна) – № 2002118960; Зареєстровано 12.11.2002. Опубл. 15.08.2003, Бюл. №8.

8. Чигарев В.В., Литвинов А.П. Исследование влияния диаметра порошковой проволоки ПП–210Х12В4М2Г2СФТ на характеристики плавления // Х региональная научная и научно–техническая конференция. – Мариуполь–2003.–С.58.

9. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Литвинов А.П. Влияние защитных материалов порошковой проволоки и режима наплавки на показатели переноса электродного металла// Материалы четвертой Международной научно–технической конференции “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов”, посвященной 75–летию Национального научного центра “Харьковский физико-технический институт”–Харьков.–2003–С.182–185.

В приведених роботах автору належить наступне:

[1] розробка програмних засобів і їх чисельна реалізація;

[2] дослідження впливу зварювального струму, напруги на дузі та вильоту електроду на показники плавлення порошкового дроту;

[3] чисельна реалізація математичної моделі;

[4] розроблення моделей, що характеризують залежність характеру масопереносу від складу газошлакоутворюючої частини сердечника дроту, з використанням симплексно–градчатого планування;

[5], [6], [8], [9] проведення експериментальних досліджень та оброблення результатів;

[7] запропоновано варіант розміщення роликів для подачі порошкових електродів.

Анотація

Літвінов О.П. Розробка самозахисного порошкового дроту для наплавлення деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – “Зварювання і споріднені технології”.– Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Маріуполь, 2003 р.

Дисертація присвячена питанню поліпшення технологічних характеристик процесу наплавлення і складу порошкового дроту для дугового наплавлення деталей з комплексно легованих сталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу.

Був проведений комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на розвиток методів розрахунку, уточнення вихідних даних, вирішення оптимізаційних задач і, як наслідок, поліпшення технологічних характеристик процесу наплавлення і складу порошкового дроту для електродугового наплавлення деталей з комплексно легованих сталей.

Розроблено склад металу (2,08% C; 2,36% Mn; 1,42% Si; 11,6% Cr; 1,82% V; 2,08% Mo; 0,88% Ti; 4,15% W) для відновлення деталей з комплексно легованих сталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу, з оптимальним поєднанням зносостійкості і технологічності.

Розроблено порошковий дріт із змістом газошлакоутворюючих (плавиковий шпат: карбонатний шлам: мартенівський шлак: датолітова руда =4:2:2:2) у кількості 20-25% у шихті, що забезпечує високі зварювально-технологічні властивості.

Розроблені технологічний процес і порошковий дріт пройшли промислові іспити в умовах ВАТ “Завод дорожніх машин” (м. Бердянськ Запорізької обл.) і рекомендовані до використання в машинобудуванні для наплавлення деталей, що працюють в умовах гідроабразивного зносу. Впровадження результатів роботи дозволило одержати річний економічний ефект у сумі 53,6 тис.грн. (у цінах 2003 р.).

Ключові слова: порошковий дріт, комплексно легований сплав, зварювально-технологічні властивості, газошлакоутворюючі компоненти, плавлення, масоперенос.

Summary

Litvinov A.P. Development of the self-protective powder wire for surfacing the details working in hydro-abrasive deterioration