ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона
ЧЕРНЯК
Ярослав Петрович
УДК 621.791.92
РОЗРОБКА МАТЕРІАЛІВ І ТЕХНОЛОГІЇ НАПЛАВЛЕННЯ ЗНОШЕНИХ РЕЙОК НА ДІЮЧІЙ ТРАМВАЙНІЙ КОЛІЇ
Спеціальність 05.03.06“
Зварювання та споріднені технології”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ — 2005
Дисертація є рукописом.
Робота виконана 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
Кузнєцов Валерій Дмитрович
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут”
зварювальний факультет
зав. кафедрою
кандидат технічних наук
Жудра Олександр Петрович
Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України
завідувач відділом
Провідна установа: Приазовський державний технічний університет (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України м.Маріуполь
Захист відбудеться 06 квітня 2005 р. о 1000 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України за адресою: 03680, Київ–150, МСП, вул.Боженка, 11
З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України
Автореферат розісланий 03 березня 2005 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук Киреєв Л.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Важкозварювальні вуглецеві сталі 65М, У7, У8, М75, М76 і т.п. досить широко застосовуються в техніці при виготовленні деталей, що піддаються різним видам зношування. У більшості випадків зношені деталі з цих сталей можуть бути відновлені за допомогою наплавлення. Процес наплавлення, однак, ускладнюється тим, що вуглецеві сталі схильні до утворення тріщин.
В даний час найпоширенішими способами запобігання тріщин продовжують залишатися попередній і супутній підігріви, а також відпуск після наплавлення або уповільнене охолодження наплавлених виробів. Підігрів деталей з вуглецевих сталей при наплавленні дозволяє уникнути утворення крихких гартівних структур і знизити рівень залишкових зварювальних напруг.
Якщо підігрів неможливий, прибігають до іншого відомому способу боротьби з тріщинами – застосуванню аустенітних електродних чи присадочних матеріалів. Їх висока пластичність знижує ризик утворення тріщин в наплавленому металі. Однак значна різниця в коефіцієнтах термічного розширення вуглецевих нелегованих і аустенітних високолегованих сталей і утворення мартенситної структури в ЗТВ приводить до збільшення залишкових напружень у цій зоні і можливості утворення в ній тріщин. Крім небезпеки утворення холодних тріщин у ЗТВ приходиться миритися з тим, що в цьому випадку властивості наплавленого металу значно відрізняються від властивостей основного металу, до того ж вартість високолегованих аустенітних матеріалів досить висока.
Серед деталей з вуглецевих нелегованих сталей, для яких з ряду причин неможливо застосувати попередній підігрів, у першу чергу можна назвати трамвайні рейки. Демонтаж зношених рейок пов’язаний зі значними матеріальними витратами і тому їх доцільно відновлювати безпосередньо на діючий колії. Однак застосувати в цьому випадку підігрів практично неможливо.
У країнах СНД на промисловому рівні задача наплавлення зношених трамвайних рейок без демонтажу дотепер не вирішена. За кордоном для їхнього наплавлення найбільш часто використовують дорогі аустенітні матеріали. Як показали наші дослідження, основний недолік цієї технології - можливість утворення під першим валиком холодних тріщин типу відкол.
Таким чином, залишається актуальною задача розробки економнолегованих матеріалів і технології наплавлення трамвайних рейок без підігріву безпосередньо в колії. Розроблювальні матеріали і технологія наплавлення трамвайних жолобчастих рейок значно знизять вартість ремонтних робіт і істотно збільшать термін служби відновлених рейок.
Нові матеріали повинні знайти застосування для наплавлення інших деталей з вуглецевих важкозаврювальних сталей без попереднього і супутнього підігрівів. До їхнього числа можна віднести деякі деталі гірничо-металургійного устаткування, маса яких досягає десятків тонн і для яких підігрів ускладнений чи економічно недоцільний: дробильний конус (маса 78 т) і чаша млина (маса 35 т) для первинної переробки залізної руди, станина конусної дробарки (маса 25 т) і т.п.
Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами:
Дослідження проводилися в рамках тем: № 2/12 “Розробити і дослідити високопродуктивні процеси наплавлення і технології відновлення великогабаритних і масивних деталей машин, елементів устаткування і конструкцій із важкозварювальних вуглецевих і легованих сталей”, виконаної в рамках науково-дослідних робіт ІЕЗ ім.Є.О.Патона НАН України на 1997-99 рр відповідно до Постанови бюро ВФТПМ НАН України (Протокол № 9 від 27.05.97 р); № 2/13 "Розробити наукові основи і принципи одержання зносостійкого наплавленого металу високої тріщиностійкості з урівноваженою гетерогенною структурою і дисперсною зміцнюючою фазою глобулярної форми", виконаної в рамках науково-дослідних робіт ІЕЗ ім.Є.О.Патона НАН України на 2000-2002 рр відповідно до Постанови бюро ВФТПМ НАН України (Протокол № 7 від 20.04.2000 р).
Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягає в створенні нових економнолегованих матеріалів для наплавлення, технології і устаткування для відновлення та зміцнення жолобчастих рейок на діючій трамвайній колії, а також розробці металургійних і технологічних мір поліпшення якості наплавлення деталей з вуглецевих сталей без попереднього і супутнього підігрівів. Розроблювальні електродні матеріали і технології наплавлення повинні забезпечувати відсутність тріщин у наплавленому металі і ЗТВ при дуговому наплавленні без підігріву деталей з вуглецевих сталей зі вмістом вуглецю 0,4 %.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
1. Дослідити і розробити порошковий дріт принципово нової системи легування, що забезпечує одержання наплавленого металу феритного класу і дозволяє без підігріву і тріщин робити дугове наплавлення деталей із важкозварювальних вуглецевих сталей.
2. З огляду на наявний досвід наплавлення деталей з вуглецевих сталей без попереднього підігріву, у тому числі трамвайних рейок, аустенітними електродними матеріалами, розробити новий економнолегований електродний порошковий дріт аустенітного класу хромомарганцевого типу.
3. Провести дослідження структури, механічних властивостей і триботехнічних характеристик наплавленого металу феритного та аустенітного класів.
4. Дослідити вплив складу наплавленого металу і погонної енергії наплавлення на тріщиностійкість зварних з'єднань: аустенітний наплавлений метал+перлітний основний метал; феритний наплавлений метал + перлітний основний метал.
5. Зробити розрахунок залишкових напружень у трамвайних рейках, наплавлених матеріалами феритного та аустенітного класів.
6. Розробити технічне завдання на устаткування для дугового наплавлення рейок без підігріву на діючий трамвайній колії.
7. На підставі результатів досліджень розробити промислову технологію наплавлення рейок на діючій трамвайній колії без попереднього підігріву.
8. Розробити технічну документацію на виробництво розроблених порошкових дротів і на наплавлення трамвайних рейок без підігріву.
Об'єкт досліджень – процеси, що відбуваються при наплавленні вуглецевої сталі М76 феритними та аустенітними електродними матеріалами.
Предмет досліджень – технологія і матеріали для наплавлення трамвайних жолобчастих рейок без попереднього і супутнього підігрівів.
Методи дослідження – поставлені задачі вирішувались експериментальними методами з застосуванням прикладних математичних розрахунків; методики дослідження уповільненого руйнування, розробленої в ІЕЗ ім.Є.О.Патона; методики оцінки триботехнічних властивостей металів за схемою стирання зразків “вал-площина”. Експериментальні методи включали реєстрацію термічних циклів наплавлення трамвайних рейок. Структуру, фазовий склад і властивості наплавленого металу вивчали методами металографічного, мікрорентгеноспектрального і рентгеноструктурного аналізів, растрової електронної мікроскопії, дилатометричним аналізом, механічними іспитами й іншими методами.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:–
Встановлено, що для запобігання утворення тріщин у ЗТВ наплавлення вуглецевих сталей без підігріву аустенітними матеріалами необхідно вести на погонній енергії ? 28 кДж/см. Показано, що причинами утворення тріщин цього типу є низький опір ЗТВ уповільненому руйнуванню – Руд 380 МПа в поєднанні з високим рівнем залишкових розтягуючих напружень (до 400 МПа) і утворенням мартенситної структури (HV 450) у ЗТВ. Наплавлення на підвищеній погонній енергії дозволяє уникнути утворення мартенситу в ЗТВ і збільшує її опір уповільненому руйнуванню в 1,5 рази, що є достатньою умовою для запобігання утворення тріщин. –
Для наплавлення без підігріву деталей зі сталей які мають вміст вуглецю ? 0,4 % запропонована принципово нова система легування пластичного феритного металу для наплавлення типу Fe-Ti-Mn-Si-Mo, що забезпечує внаслідок близькості фізико-механічних властивостей основного і наплавленого металів, низький рівень залишкових розтягуючих напружень (40 МПа), що дозволяє запобігти утворенню тріщин в ЗТВ. При використанні нового електродного матеріалу весь вуглець, що переходить в наплавлений метал, у відповідності зі стехіометричним співвідношенням зв'язується в міцні карбонітриди титану, рівномірно розподілені в пластичній феритній матриці високої тріщіностійкості.
Практичне значення. Розроблено порошкові дроти феритного ПП-Нп-Т3СГМ і аустенітного ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ класів для наплавлення деталей із важкозварювальних вуглецевих сталей без підігріву. Порошкові дроти пройшли санітарно-гігієнічну і зварювально- технологічну оцінку і включені в розроблені у від. № 2 ІЕЗ ім.Є.О.Патона Технічні умови України ТУУ28.7.05416923.066-2002, що дає можливість виробляти їх у промислових масштабах.
Отримано патент України на винахід: “Порошковий дріт для зварювання і наплавлення сталевих виробів” № 39646 від 15.09.2003
Результати проведених досліджень і розробок покладені в основу нової технології наплавлення вуглецевих сталей без підігріву. З використанням розроблених порошкових дротів наплавлення рейок роблять на діючій трамвайній колії двома електродними матеріалами. Для одержання бездефектного наплавленого з'єднання перші валики наплавляють дротом ПП-Нп-Т3СГМ, а для збільшення зносостійкості відновлених рейок останні два валики наплавляють дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ.
Технологія, матеріали та устаткування для наплавлення трамвайних жолобчастих рейок пройшли дослідно-промислову перевірку в ДКП “Київпастранс”. В депо ім.Т.Г.Шевченко була відновлена криволінійна ділянка трамвайної колії. Після двох років експлуатації ніяких дефектів у наплавленому шарі не виявлено.
Відновлення трамвайних рейок безпосередньо в колії не тільки спростить і прискорить ремонтні роботи, але і заощадить близько 340 грн на кожному погонному метрі рейок. Термін служби відновлених рейок у порівнянні з новими збільшиться 2-5 разів.
Особистий внесок автора. Дисертація є підсумком експериментальних та теоретичних досліджень, виконаних автором особисто. Постановка задач і обговорення результатів досліджень проведені спільно з науковим керівником та співавторами публікацій. До особистого внеску здобувача належить: –
Експериментально досліджено вплив режимів наплавлення, складу шихти порошкових дротів і флюсів на формування наплавлених на нахильні та вертикальні поверхні горизонтальних валиків. Показано, що наплавлення на ці поверхні слід робити на мінімально можливій силі струму і максимальній швидкості. Для наплавлення слід віддати перевагу короткому флюсу АН-15М. При виготовленні самозахист них порошкових дротів найкращі результати забезпечує газошлакоутворююча система CaCO3-CaF2-TiO2 з співвідношенням компонентів 3:1:1. (Рябцев И.А., Кусков Ю.М., Черняк Я.П. Формирование наплавленного металла на наклонные и вертикальные поверхности. //Автомат. сварка. – 2000. –№4. –с. 23-26.)–
На прикладі багатошарового наплавлення зношених бічних поверхонь жолобчастих трамвайних рейок аустенітним дротом типу Г13Х13Н2МФ показано, що виключити утворення відколів в ЗТВ труднозварювальної високовуглецевої сталі М-76 можна, якщо перший валик наплавляти на погонній енергії Q=28-30 кДж/см. (Влияние погонной энергии на образование отколов в ЗТВ высокоуглеродистой стали М76 при наплавке аустенитными проволоками. / В.К.Каленский, Я.П.Черняк, В.Г.Васильев, Т.Г.Соломийчук //Автомат. сварка. – 2001. - №11. – с. 11-14.)
Вивчено опір ЗТВ сталі М76 утворенню холодних тріщин при наплавленні аустенітним дротом у два шари на різних погонних енергіях. Встановлено, що зі збільшенням погонної енергії роботи руйнування ЗТВ зразків наплавлених дротом типу ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ підвищується. Відповідно збільшується і рівень опору металу ЗТВ сталі М76 утворенню холодних тріщин. (Черняк Я.П., Бурский Г.В., Каленский В.К. Некоторые особенности замедленного разрушения металла ЗТВ стали М76 после наплавки проволокой аустенитного класса. //Автомат. сварка. – 2002. - №8. –с. 50-52).
Вивчена можливість наплавлення трамвайних рейок без попереднього підігріву феритним дротом типу Т3СГМ. Встановлено, що при наплавленні на оптимальних режимах холодні тріщини в ЗТВ рейок і в наплавленому металі не утворюються. Отримані результати підтверджені дослідженням зразків із застосуванням удосконаленого методу вставок. (Черняк Я.П., Бурский Г.В., Каленский В.К. Сопротивляемость металла ЗТВ стали М76 образованию холодных трещин после наплавки проволоками ферритного класса. // Автомат. сварка. – 2002. – №11. –с. 53-54).–
Запатентовано винахід, що відноситься до зварювальних матеріалів, зокрема, до порошкових дротів для нанесення проміжного чи робочого шару з відносно м’якого металу (180-360 HV), що відрізняється високою стійкістю проти утворення гарячих і холодних тріщин при зварюванні й наплавленні виробів із важкозварюваних високовуглецевих сталей. (Каленський. В.К., Рябцев І.А., Черняк Я.П. Порошковий електродний дріт для зварювання й наплавлення сталевих виробів. Патент України №39646 з пріоритетом від 24.11.2000, надрукований 15.09.2003. Бюл.№9.)
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень по темі дисертації доповідалися та обговорювалися на: Міжнародній конференції “Зварні конструкції” (жовтень 2000 р., м.Київ); 9-й міжнародній науково-практичній конференції “Організація і технології ремонту машин, механізмів, устаткування” (жовтень 2001 р., м.Київ); Науково-технічному семінарі “Прогресивні технології зварювання в промисловості” (20-22 травня 2003 р., м. Київ); II Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців “Зварювання і суміжні технології” (25-27 червня 2003 р., м.Київ).
У конкурсі “Інтелектуальний потенціал молодих учених – місту Києву” 19 грудня 2002р. проект “Матеріали, технологія та устаткування для наплавлення зношених трамвайних рейок без демонтажу” одержав “Знак відмінності”.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 робіт: 6 статей у журналах; 4 тез доповідей; отримано 1 патент.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 глав, загальних висновків, списку використаної літератури (119 найменувань). Обсяг роботи складає 138 сторінок тексту, 53 малюнка, 32 таблиці, 3 додатків.
Формування автора як фахівця відбувалося під керівництвом кандидата технічних наук провідного наукового співробітника ІЕЗ ім.Є.О.Патона В.К.Каленського. Його керівництво дозволило автору успішно вступити і закінчити аспірантуру. З застосуванням його науковому і практичному досвіду були визначені основні вимоги до властивостей розроблювальних матеріалів для наплавлення і технології наплавлення жолобчастих трамвайних рейок. В результаті спільної роботи автора і В.К.Каленського був розроблений і запатентовано новий порошковий дріт феритного класу для наплавлення вуглецевих сталей без підігріву і опубліковані три роботи з дослідження особливостей наплавлення вуглецевих сталей без підігріву. Спільна робота з ним створила базу, на якій будувалася дисертація автора. Автор висловлює щиру подяку В.К.Каленському за надану допомогу.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі аргументується актуальність роботи, визначені мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.
В першому розділі розглянуті вимоги до фізико-механічних властивостей рейкових сталей, види зношування рейок і способи їх відновлення, сформульовані мета і задачі досліджень. В даний час металургійна промисловість випускає трамвайні жолобчасті рейки типу Тв60 і Тв65 зі сталей М75 чи М76 по ТУ 14-2-751-87. Вміст вуглецю в рейковій сталі досягає 0,82 %. Найбільш інтенсивне зношування рейок йде на криволінійних ділянках колії.
Досвід показує, що жолобчасті трамвайні рейки марок Тв60 і Тв65, в основному призначені для укладання на кривих ділянках, виходять з ладу через перевищення припустимого зношення бічних поверхонь губи і головки рейки (мал.1).
У вітчизняній і закордонній практиці для наплавлення деталей з вуглецевих сталей без підігріву звичайно застосовують електродні матеріали аустенітного класу. Висока пластичність цих матеріалів дозволяє уникнути утворення тріщин у наплавленому металі. Однак при використанні аустенітних матеріалів не завжди вдається запобігти утворення холодних тріщин в біляшовній зоні. Крім того, найбільше широко застосовувані для цієї мети аустенітні хромонікельмарганцеві електродні матеріали типу Св-08Х20Н9Г7Т через високий вміст нікелю дуже коштовні. З цих причин є актуальним створення для наплавлення економнолегованого порошкового дроту аустенітного класу зі зниженим вмістом нікелю, а також дослідження і розробка заходів для усунення тріщин типу відкол.
Крім аустенітних матеріалів, дуже перспективним для наплавлення без підігріву рейок і інших деталей з вуглецевих сталей було б використання електродних матеріалів феритного класу. Ці матеріали близькі за структурою з основним металом і мають приблизно одинакові коефіцієнти термічного розширення, що повинно знизити залишкові напруження після наплавлення. Не останню роль у цьому питанні грають економічні розуміння – феритні електродні матеріали значно дешевше аустенітних. Тому для розширення технологічних можливостей наплавлення і номенклатури деталей з вуглецевих сталей актуальне створення нового електродного матеріалу феритного класу.
Оскільки в Україні і країнах СНД дотепер немає спеціальної апаратури для механізованого наплавлення рейок, необхідно було розробити відповідний комплекс устаткування.
У другому розділі описані методики досліджень, які були використані при виконанні роботи.
Третій розділ присвячений попередньому вибору складів порошкових дротів феритного та аустенітного класів для наплавлення вуглецевих сталей. Досліджувалися механічні властивості, структура і триботехнічні характеристики металу, наплавленого дослідними порошковими дротами (табл.1).
Основні труднощі при дуговому наплавленні деталей з вуглецевих сталей, і зокрема трамвайних рейок, матеріалами феритного класу полягають в тому, що в результаті проплавлення навіть при використанні дротів зі вмістом вуглецю 0,05...0,08 % його вміст у першому наплавленому шарі складає 0,35...0,45 %. Це веде до утворення в наплавленому металі мартенситної структури і до появи в ньому тріщин.
Нами був запропонований принципово нова система легування феритних матеріалів для наплавлення рейок та інших деталей з вуглецевих сталей. Для виключення утворення мартенситу в першому наплавленому шарі, вуглець, що надходить у зварювальну ванну з основного металу, зв'язується в міцні карбіди і карбонітриди в такому співвідношенні, що в матриці він міститься в мінімальній кількості. При цьому матриця зберігає відносно м'яку і пластичну феритну структуру.
Таблиця 1.
Хімічний склад і твердість металу першого валика, наплавленого дослідними дротами феритного та аустенітного класів
Тип нап-лавленого металу | Масова частка елементів, % | Твер-дість, HV | Наявність тріщин в наплавленому металі | С | Si | MnCr | Ni | Ti | MoV | Дроти феритного класу | ГМ | 0,54 | 1,20 | 1,27 | - | - | - | 1,28 | - | 360 | є | ТСГМ | 0,52 | 1,23 | 1,04 | - | - | 1,3 | 0,9 | - | 350 | -“-Т2СГМ | 0,45 | 1,28 | 1,10 | - | - | 2,50 | 1,31 | - | 230 | нема | Т3СГМ | 0,41 | 0,98 | 1,08 | - | - | 3,42 | 1,1 | - | 191 | -“-Х3Т3СГМ | 0,39 | 1,10 | 1,10 | 3,15 | - | 2,05 | 0,98 | - | 220 | -“-Х5Т3СГМ | 0,51 | 1,25 | 1,05 | 5,25 | - | 2,69 | 1,1 | - | 235 | -“-Дроти аустенітного класу | Х20Н9Г7Т | 0,41 | 0,35 | 3,21 | 10,1 | 5,02 | 0,35 | - | - | 280 | нема | Г13Х13Н2МФ | 0,51 | 0,45 | 10,0 | 9,82 | 1,37 | - | 0,52 | 0,26 | 350 | -“- | Г13Х13Н2 | 0,49 | 0,53 | 9,86 | 9,16 | 1,58 | - | - | - | 330 | -“-Г13Х13МФ | 0,48 | 0,47 | 10,2 | 10,3 | - | - | 0,44 | 0,32 | 340 | -“-
Для досліджень вибрали систему легування наплавленого металу Fe-Ti-Si-Mn-Mo із хромом і без нього. У якості сильного карбідоутворюючого елемента в цій системі використовувався титан. Виходячи з відомого стехіометричного співвідношення титана і вуглецю в карбіді титану, окислювання титана і переходу оксиду титана в шлак, а також з можливого проплавлення основного металу, що містить близько 0,8 % вуглецю, було показано, що для повного зв'язування вуглецю в карбіди в першому наплавленому шарі, вміст титану в шихті порошкового дроту повинен складати 5 %.
Досліджувалися також експериментальні порошкові дроти аустенітного класу ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ, ПП-Нп-Г13Х13Н2 і ПП-Нп-Г13Х13МФ і, для порівняння, суцільний дріт Св-08Х20Н9Г7Т (див. табл. 1).
Метал, який наплавлений дротами феритного класу по міцності поступається рейковій сталі М76 (ув = 900 МПа, д 4 %), але його пластичність набагато вища (табл. 2). У наплавленій рейці міцність забезпечується основним металом, а для наплавленого шару, з погляду тріщиностійкості, більш важливе значення мають його пластичні властивості. Низька твердість наплавленого металу (HV 191...235) свідчить про знижений вміст вуглецю в матриці і запобіганні мартенситного перетворення в наплавленому металі.
Наплавлений метал аустенітного класу по міцності також поступається рейковій сталі М76, але перевершує її по пластичності (табл. 2). Металографічні дослідження показали, що матеріали аустенітного класу структурно близькі один до одного. Найбільш високі пластичні властивості і сприятливий розподіл твердості (мал. 2, а) у зоні сплавлення має наплавлений метал типу Г13Х13Н2МФ, що і був обраний для подальших досліджень.
Таблиця 2.
Механічні властивості металу, наплавленого дротами феритного та аустенітного класів
Тип наплав-леного металу | Механічні властивості | ут, Мпа | ув, МПа | д, % | ш, % | Дроти феритного класу | Х5Т3СГМ | 381 | 623 | 19,5 | 27,5 | Х3Т3СГМ | 385 | 610 | 22,3 | 35,7 | Т3СГМ | 393 | 638 | 18,5 | 24,5 | Дроти аустенітного класу | Г13Х13Н2МФ | 438 | 609 | 17,8 | 20,6 | Г13Х13Н2 | 433 | 667 | 18,5 | 23,0 | Г13Х13МФ | 510 | 639 | 10,9 | 18,4 |
У наплавленому металі, легованому титаном, фіксується феритна структура. Розподіл твердості в ЗТВ поблизу границі сплавлення подібен отриманої при наплавленні аустенітними матеріалами (мал. 2, б). Характерною рисою структури є наявність дезорієнтованих дрібних кристалітів, по границях та усередині яких випали дисперсні карбідні включення.
Результати ділатометричних досліджень показали, що зразки всіх трьох дослідних складів наплавленого металу феритного класу в процесі нагрівання й охолодження зі швидкістю w = 36 0С/с (відповідно до найбільш жорсткого термічного циклу наплавлення) зберігають початкову феритну структуру.
Були проведені дослідження триботехнічних властивостей металу, який наплавлений порошковими дротами типу ПП-Нп-Х5Т3СГМ, ПП-Нп-Т3СГМ, ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ, і сталі М76. Дослідження проводили шляхом стирання зразків за схемою “вал-площина”.
Результати досліджень приведені на мал. 3. Найбільш високі показники зносостійкості має аустенітний наплавлений метал Г13Х13Н2МФ. Зношення контртіла зі сталі М76 також мінімальні.
Зносостійкість наплавленого металу феритного класу Х5Т3СГМ і Т3СГМ близька до зносостійкості рейкової сталі М76. Наявність хрому не робить істотного впливу на зносостійкість наплавлених зразків. Однак зношення контртіла в парі зі зразком наплавленого металу типу Т3СГМ у 3–4 рази менше, ніж у контртіла в парі з зразком наплавленого металу типу Х5Т3СГМ. Можна припустити, що при використанні для наплавлення дроту ПП-Нп-Т3СГМ зносостійкість відновлених деталей зі сталі М76, що працюють при терті метала по металу, буде на рівні нових і при цьому істотно зменшиться зношення сполученої деталі.
В четвертому розділі проведена експериментальна і розрахункова оцінка схильності до виникнення холодних тріщин при наплавленні вуглецевих сталей матеріалами аустенітного і феритного класів.
Появі цих тріщин сприяють, в основному, два фактори: утворення крихких гартівних структур під першим наплавленим валиком у зоні прямого впливу стовпа зварювальної дуги на основний метал і зварювальні напруги, що виникають на границі сплавлення й у ЗТВ унаслідок значної різниці коефіцієнтів термічного розширення (КТР) аустенітного наплавленого металу і вуглецевої перлітної сталі М76 (табл. 3). Виключити відколи, певно, можна, забезпечивши утворення в ЗТВ пластичних структур за рахунок зміни погонної енергії наплавлення.
Таблиця 3.
КТР сталі М76 і метала, наплавленого дротами феритного та аустенітного класів, 1060С-1
Тип металу | Коефіцієнт термічного розширення в інтервалі температур, 0С
20-100 | 20-200 | 20-300 | 20-400 | 20-500 | 20-600 | 20-700 | 20-800 | 20-900
М76 | 11,4 | 12,2 | 13,0 | 13,7 | 14,3 | 14,8 | 15,2 | 14,5 | 15,2
Т3ГМ | 12,4 | 12,6 | 13,0 | 13,1 | 13,8 | 14,1 | 14,4 | 14,6 | 14,8
Г13Х13Н2МФ | 16,0 | 16,7 | 17,5 | 18,4 | 19,0 | 19,5 | 20,1 | 20,6 | 21,0
Для експериментальної кількісної оцінки опору ЗТВ сталі М76 утворенню холодних тріщин були проведені дослідження уповільненого руйнування зразків, наплавлених дротами феритного й аустенітного класів з різним рівнем погонної енергії.
За цією методикою кількісна оцінка опору ЗТВ утворенню холодних тріщин здійснюється по питомій роботі зародження мікротріщин Аз.т. а, якщо зразки зруйнуються, то по питомій роботі руйнування Ауд .
З результатів, приведених у табл. 4, видно, що при швидкості наплавлення 36,8 м/год і погонної енергії 12,8 кДж/см, зразок наплавлений аустенітним дротом, зруйнувався при навантаженні Руд = 380 МПа. Робота руйнування склала 39,9 Дж/см2. При зниженні швидкості наплавлення до 17,2 м/год та відповідному підвищенні погонної енергії до 28,7 кДж/см збільшується навантаження, необхідне для руйнування зразка (Руд = 537 МПа), а на роботу руйнування треба було вже 112,4 Дж/см2.
Дослідне наплавлення рейок порошковим дротом аустенітного класу на погонній енергії 28,7 кДж/см показує, що в цьому випадку холодні тріщини в ЗТВ не утворюються.
У той же час зразки, наплавлені феритним дротом ПП-Нп-Т3ГМ, випробувані в тих же умовах, але при значно більшому навантаженні (Руд = 610 МПа), не зруйнувалися, що свідчить про високий опір ЗТВ сталі М76 уповільненому руйнуванню при наплавленні феритним дротом.
Таким чином, опір ЗТВ рейкової сталі М76 уповільненому руйнуванню при наплавленні феритним дротом ПП-Нп-Т3СГМ значно вище, ніж при наплавленні аустенітним дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ. При цьому відпадає необхідність збільшення погонної енергії і зниження швидкості наплавлення для одержання бездефектного з'єднання. При цьому варто враховувати, що зниження швидкості наплавлення веде до погіршення формування наплавленого валика. Наплавлення усіх валиків дротом ПП-Нп-Т3СГМ можна вести на постійному й оптимальному режимі без підігріву.
Таблиця 4.
Вплив погонної енергії наплавлення на опір уповільненому руйнуванню зразків зі сталі М76.
Серія зразків | Тип дроту | Положення валика | Vн, м/ч | Q, кДж/см | щ3-2, 0С/с | Руд,
МПа | Аз.т.,
Дж/см2 | Ауд,
Дж/см2 | Сигнали АЭ
1 | ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ | Н | 17,2 | 28.7 | 1,2 | 380 | 13,7 | Не зруйнувався | Є
В | 36,8 | 12,8 | 1,1
ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ | Н | 17,2 | 28,7 | 1,2 | 537 | 48,3 | 112,4 | Є
В | 36,8 | 12,8 | 1,1
ПП-Нп-Т3СГМ | Н | 17,2 | 24,7 | 1,4 | 610 | - | Не зруйнувався | Нема
В | 36,8 | 12,8 | 1,2
2 | ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ | Н | 36,8 | 12,8 | 2,5 | 380 | 9,1 | 39,9 | Є
В | 36,8 | 12,8 | 1,4
ПП-Нп-Т3СГМ | Н | 36,8 | 11,6 | 2,9 | 610 | 72,7 | Не зруйнувався | Є
В | 36,8 | 11,6 | 1,7
Примітка: Н – нижній валик; В – верхній валик.
Інші параметри режиму наплавлення: I = 400…450 A, Uд = 26...32 В
Проведено розрахунки залишкових напруг, що виникають при наплавленні трамвайних рейок різними дротами. Показано, що при використанні для наплавлення трамвайних рейок порошкового дроту ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ у ЗТВ спостерігається високий рівень залишкових розтягуючих напружень - до 400 МПа. Такі залишкові напруження не приводять до утворення відколів тільки в тому випадку, якщо в ЗТВ не утворяться крихкі мартенситні структури.
Аналогічний розрахунок для порошкового дроту ПП-Нп-Т3СГМ показав, що при її використанні практично усувається одна з головних причин виникнення відколів – розтягуючи напруження. Їх дуже низький рівень у границі сплавлення першого валика (р = 40 МПа) дозволяє не побоюватися виникнення тріщин навіть при наявності в ЗТВ крихкої мартенситної структури.
В п'ятому розділі розглянуті технологічні питання наплавлення рейок. Результати проведених досліджень дозволили розробити оптимальну технологію двошарового наплавлення трамвайних рейок. Наплавлення перших валиків дротом ПП-Нп-Т3СГМ гарантовано забезпечить відсутність дефектів типу відкол на лінії сплавлення з основним металом, а наплавлення останніх валиків дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ збільшить зносостійкість відновлених рейок. Наплавлення здійснюється без попереднього і супутнього підігрівів.
Розроблені порошкові дроти пройшли санітарно-гігієнічну оцінку і включені в технічні умови України (ТУУ 28.7.05416923.066-2002). На дріт ПП-Нп-Т3СГМ отриманий патент України № 39646 від 15.09.2003.
На оптимальних режимах було проведене наплавлення губи рейки трьома валиками порошковим дротом ПП-Нп-Т3СГМ і двома валиками ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ (мал. 4). Усі валики були добре сформовані, дефектів у наплавленому металі і ЗТВ не виявлено.
Металографічний аналіз зразка наплавленої рейки показав, що структура металу, наплавленого на губу рейки дротом ПП-Нп-Т3СГМ, феритна. Структура металу, наплавленого дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ – аустеніт. Мікроструктура в зоні термічного впливу - відпущений мартенсит+бейніт. Метал, наплавлений дротом ПП-Нп-Т3СГМ, має твердість на рівні HV 180…190, а дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ - на рівні HV 220…230. Дослідження розподілу легуючих елементів на границі сплавлення наплавленого металу Т3СГМ зі сталлю М76 на мікроаналізаторі Camebax SX50 показали, що ширина зони перемінного складу дорівнює 30...40 мкм, а мікрохімічна неоднорідність на границі сплавлення має помірний характер. Титан зв'язаний у карбонітриди титану, а молібден зміцнює твердий розчин і частково заміщає титан у карбіді TiС.
Для практичної реалізації запропонованої технології наплавлення разом із НВЦ “Дуга” ІЕЗ ім.Є.О.Патона було розроблено технічне завдання на проектування комплексу устаткування для автоматизованого наплавлення порошковим дротом зношених трамвайних рейок без їх демонтажу. Відповідно до техзавдання у НВЦ “ДУГА” була спроектована і виготовлена установка УД-654.
Дослідно-промислове наплавлення робили в трамвайному депо ім.Т.Г.Шевченко ДКП “Київпастранс” на криволінійній ділянці діючій колії без демонтажу і попереднього підігріву рейок. Наплавлення вели порошковими дротами 2,6 мм – ПП-Нп-Т3СГМ відкритою дугою і ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ під флюсом АН-26П, використовуючи самохідну установку УД-654, розроблену НВЦ “Дуга” ІЕЗ ім.Є.О.Патона (мал. 5). Джерело живлення ВДУ-506. Струм постійний, полярність зворотня. Режим наплавлення порошковим дротом ПП-Нп-Т3СГМ: Iн = 400 А; Uд = 24 В; Vн = 42 м/год. Режим наплавлення порошковим дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ: Iн = 400 А; Uд = 32 В; Vн = 42 м/год.
Наплавляли дві рейки: на одній - голівку, на іншій - губу. На голівку наплавлені 5 валиків. Перші три – дротом ПП-Нп-Т3СГМ, а два останніх - дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ. На губу наплавлені 12 валиків. З них десять дротом ПП-Нп-Т3СГМ і два останніх дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ. Наплавлені валики мали гладку рівну поверхню. Видимих дефектів не виявлено. Механічна обробка наплавленого шару не проводилася в зв'язку з відсутністю потреби. За період з 2001 року і по дійсний час ніяких дефектів у наплавлених рейках не виявлено.
Разом із ДКП “Київпастранс” зроблено розрахунок економічної ефективності наплавлення зношених рейок у порівнянні з їх демонтажем і заміною новими. Розрахунок показав, що середня вартість однієї заміни рейок на криволінійній ділянці довжиною 50 м складає 51,0 тис.грн. Витрати на наплавлення такого відрізка шляху складуть 17,0 тис.грн. Економічний ефект від упровадження нових матеріалів, технології й устаткування для наплавлення однієї ділянки рейок орієнтовно складе 34,0 тис.грн.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Для наплавлення деталей з вуглецевих сталей без підігріву запропонована принципово нова система легування наплавленого металу феритного типу Fe-Ti-Mn-Si-Mo. При використанні нового матеріалу для наплавлення весь вуглець, що переходить у наплавлений метал, у відповідності зі стехіометричним співвідношенням зв'язується в міцні карбонітриди титану, рівномірно розташовані в пластичній феритній матриці. Встановлено, що навіть при вмісті в наплавленому металі до 0,5 % С він кристалізується як феритний і не перетерплює ніяких перетворень у твердому стані та має високу тріщиностійкість.
2. В наслідок досліджень відновлювального наплавлення трамвайних рейок з вуглецевої сталі порошковими дротами аустенітного класу різних систем легування встановлено, що найбільш високі показники міцності і пластичності має наплавлений метал типу Г13Х13Н2МФ.
3. Встановлено, що для запобігання утворення тріщин у ЗТВ наплавлення вуглецевих сталей без підігріву аустенітними матеріалами необхідно вести на погонній енергії ? 28 кДж/см. Показано, що причинами утворення тріщин цього типу є низький опір ЗТВ уповільненому руйнуванню – Руд 380 МПа в поєднанні з високим рівнем залишкових розтягуючих напружень (до 400 МПа) і утворенням мартенситної структури (HV 450) у ЗТВ. Наплавлення на підвищеній погонній енергії дозволяє уникнути утворення мартенситу в ЗТВ і збільшує її опір уповільненому руйнуванню в 1,5 рази, що є достатньою умовою для запобігання утворення тріщин.
4. В наслідок досліджень встановлено, що при використанні для наплавлення вуглецевих сталей феритного металу типу Fe-Ti-Mn-Si-Mo внаслідок близькості фізико-механічних властивостей основного і наплавленого металів забезпечується низький рівень залишкових розтягуючих напружень (40 МПа), що дозволяє не побоюватися виникнення тріщин навіть при наявності в ЗТВ крихкої мартенситної структури.
5. На підставі досліджень триботехнічних характеристик наплавленого металу феритного та аустенітного класів у парах тертя зі зразками з вуглецевою рейковою сталлю М76 визначена пара тертя яка має найкращу зносостійкість – наплавлений метал Г13Х13Н2МФ+сталь М76. З феритних матеріалів кращі триботехнічні властивості мала пара тертя наплавлений метал Т3СГМ+стальМ76.
6. За результатами санітарно-гігієнічної і зварювально-технологічної оцінки розроблених порошкових дротів феритного класу – ПП-Нп-Т3СГМ (ПП-АН203) і аустенітного класу – ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ (ПП-АН202) розроблені Технічні умови України ТУУ 28.7.05416923.066-2002, що дає можливість виробляти їх у промислових масштабах. Наявність двох порошкових дротів різних систем легування значно розширює технологічні можливості наплавлення і номенклатуру деталей з вуглецевих сталей, які відновлюються методами дугового наплавлення без підігріву.
7. Розроблено технологію наплавлення трамвайних жолобчастих рейок без їх демонтажу на діючій трамвайній колії. При цьому нижні валики наплавляють феритним дротом ПП-Нп-Т3СГМ, що забезпечує відсутність тріщин у ЗТВ. Наплавлення верхніх валиків ведуть аустенітним дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ, наплавлений метал якого має високу зносостійкість в умовах експлуатації пари рейка-колесо. Застосування порошкових дротів двох марок дозволило використовувати найбільш раціональні режими наплавлення і забезпечити значне збільшення терміну служби відновлених рейок.
9. Для реалізації нової технології розроблено і виготовлено устаткування для наплавлення зношених рейок на діючий трамвайній колії.
10. Технологія, матеріали й устаткування пройшли дослідно-промислову перевірку в службі колії ДКП “Київпастранс” при наплавленні ділянки кривої на діючий трамвайній колії. Дослідно-промислова перевірка підтвердила, що використання розроблених матеріалів і технології наплавлення виключає утворення тріщин і ін. дефектів у наплавленому металі й біляшовній зоні. Економічний ефект від використання нової технології, матеріалів і устаткування складе близько 34,0 тис.грн на кожні 100 м відновлених рейок.
Основний зміст дисертації опублікований у наступних роботах:
1. Каленский В.К., Черняк Я.П., Притула С.И. Восстановительная наплавка изношенных трамвайных рельсов. Сварщик. –1999. –№2. –с. 5.
2. Рябцев И.А., Кусков Ю.М., Черняк Я.П. Формирование наплавленного металла на наклонные и вертикальные поверхности. Автомат. сварка. – 2000. –№4. –с. 23-26.
3. Влияние погонной энергии на образование отколов в ЗТВ высокоуглеродистой стали М76 при наплавке аустенитными проволоками. / Каленский В.К., Черняк Я.П., Васильев В.Г., Соломийчук Т.Г. //Автомат. сварка. – 2001. - №11. – с. 11-14.
4. Черняк Я.П., Бурский Г.В., Каленский В.К. Некоторые особенности замедленного разрушения металла ЗТВ стали М76 после наплавки проволокой аустенитного класса. //Автомат. сварка. – 2002. - №8. –с. 50-52.
5. Черняк Я.П., Бурский Г.В., Каленский В.К. Сопротивляемость металла ЗТВ стали М76 образованию холодных трещин после наплавки проволоками ферритного класса.//Автомат. сварка. – 2002. - №11. –с. 53-54.
6. Каленський. В.К., Рябцев І.А., Черняк Я.П. Порошковий електродний дріт для зварювання й наплавлення сталевих виробів. Патент України №39646 з пріоритетом від 24.11.2000, надрукований 15.09.2003. Бюл.№9.
7. Черняк Я.П. Восстановительная наплавка изношенных трамвайных рельсов. Международная конференция “Сварные конструкции”. Тезисы докладов. – Киев: ИЭС им.Е.О.Патона НАН Украины, – 2000 г. - С. 138-139.
8. Черняк Я.П., Каленский В.К. Холодные трещины в ЗТВ высокоуглеродистой стали М76 и их устранение при восстановительной наплавке трамвайных рельсов аустенитными проволоками. 9-я Международная научно-практическая конференция “Организация и технологии ремонта машин, механизмов, оборудования”. Тезисы докладов. – Киев: УИЦ “Наука. Техника. Технология” – 2001 г., – С. 111-112.
9. Рябцев И.И., Черняк Я.П., Осин В.В. Установка для комплексной оценки свойств наплавленного металла. Научно-технический семинар “Прогрессивные технологии сварки в промышленности”. Тезисы докладов. – Киев: ИЭС им.Е.О.Патона НАН Украины,, 2003 г., – С. 11-12.
10. Черняк Я.П. Порошковая проволока ферритного класса для наплавки деталей из высокоуглеродистых сталей. II Всеукраинская научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов “Сварка и смежные технологии”. Тезисы докладов. – Киев: ИЭС им.Е.О.Патона НАН Украины, 2003 г.,– С. 45.
11. Восстановление колец опорно-поворотного устройства крана МКТ-250 / Рябцев И.А., Кусков Ю.М., Черняк Я.П., Острик И.Г. и др. // Сварщик. – 2004. – №4. – с. 35-37.
АНОТАЦІЯ
Черняк Я.П. РОЗРОБКА МАТЕРІАЛІВ І ТЕХНОЛОГІЇ НАПЛАВЛЕННЯ ЗНОШЕНИХ РЕЙОК НА ДІЮЧІЙ ТРАМВАЙНІЙ КОЛІЇ. – 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 2005.
Робота присвячена створенню нових экономнолегованих
