НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім.Є.О.ПАТОНА

Рябцев

Ігор Ігорович

УДК 621.791.92

РОЗРОБКА МАТЕРІАЛІВ, ЩО МІСТЯТЬ ФОСФОР, ДЛЯ ЕЛЕКТРОДУГОВОГО НАПЛАВЛЕННЯ ШАРІВ З ПІДВИЩЕНИМИ ТРИБОТЕХНІЧНИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

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: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Кусков Юрій Михайлович

Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кузнєцов Валерій Дмитрович

Національний технічний університет України “КПІ”

зварювальний факультет

завідувач кафедрою “Відновлення деталей машин”

кандидат технічних наук

Жудра Олександр Петрович

Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України

завідувач відділом

Провідне підприємство: Приазовський державний технічний університет (ПДТУ) Міністерства освіти та науки України, м. Маріуполь

Захист відбудеться “15” лютого 2006 р. о 10.00 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 ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України

Автореферат розісланий “13” січня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої наукової ради

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Практично в усіх галузях народного господарства експлуатуються машини й механізми, в конструкціях яких є пари тертя. Підвищене спрацювання деталей цих пар, що експлуатуються в умовах тертя метала по металу, а також пов'язана з цим перевитрата енергоресурсів призводить до великих матеріальних збитків. Як зазначалося в дослідженнях відомого фахівця в цієї галузі проф. І. В. Крагельского, саме спрацювання деталей пар тертя є однією з головних причин виходу з ладу різних машин і механізмів. Втрати на тертя та спрацювання в деяких галузях промисловості сягають 50 % використовуваної енергії.

Багато спрацьованих деталей пар тертя відновлюють шляхом наплавлення. При цьому значну частку з них становлять вісі, вали, ролики, кранові колеса тощо. Для їх наплавлення, як правило, застосовують економнолеговані матеріали, близькі за складом до основного металу: суцільні дроти Св-08Г2С, Св-18ХГС, Нп-30ХГСА; порошкові дроти ПП-Нп-14ГСТ, ПП-Нп-19ГСТ, ПП-Нп-18ХГМ і т.п. Стійкість проти спрацювання металу, наплавленого цими дротами, має приблизно однаковий відносно невисокий рівень, і при їх використанні термін служби наплавлених деталей практично не збільшується. У 80-х роках минулого століття частка використання цих матеріалів у загальному обсязі наплавлювальних робіт перевищувала 60%.

У даній роботі запропоновано новий підхід до створення економнолегованих матеріалів для наплавлення деталей пар тертя. Ставиться завдання створити матеріали, що містять фосфор, який за рахунок утворення з іншими елементами відповідних фосфідів значно поліпшить триботехнічні характеристики наплавленого металу типу низьколегованої сталі.

Фосфор як легуючий елемент був обраний на основі даних літературного аналізу. Оскільки він перешкоджає схоплюванню, його застосовують для легування деяких марок сталі з метою поліпшення оброблюваності різанням. Є також дані про сприятливий вплив фосфору на стійкість проти спрацювання чавунів, а також ливарних сплавів на основі заліза, що містять до 10 % міді.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами

Дослідження провадилися по темах: № 2/13 "Розробити наукові основи та принципи одержання стійкого проти спрацювання наплавленого металу високої тріщиностійкості із зрівноваженою гетерогенною структурою та 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 ОФТПМ НАН України (Протокол № 7 від 20.04.2000 р.) і № 2/33 “Дослідити закономірності формування метастабільних структур у сплавах на основі заліза зі зміцненням фосфідними, сульфідними складовими та складовими, які містять вуглець, і розробити на цій основі нові матеріали для наплавлення триботехнічного призначення”, виконаної в 2002-2004 рр. у рамках цільової наукової програми НАН України “Фундаментальні проблеми створення матеріалів з наперед заданими властивостями, методів їх з'єднання та обробки” відповідно до Постанови бюро ОФТПМ НАН України (Протокол № 3 від 05.02.2002 р.).

Мета цієї роботи полягає в дослідженні закономірностей формування в сплавах на основі заліза структур, зміцнених фосфідами, а також у створенні нового класу економнолегованих матеріалів для наплавлення, що мають підвищені триботехнічні властивості. Нові наплавлювальні матеріали призначені для відновлення та зміцнення деталей, що працюють в умовах тертя метала по металу без змащування.

На захист виносяться такі основні положення дисертаційної роботи.

1. Результати термодинамічних розрахунків реакцій утворення фосфідів основних легуючих елементів і вибору на цій основі системи легування наплавленого металу з фосфідним зміцненням.

2. Результати дослідження структури наплавленого металу, розподілу в ній фосфору і його з'єднань та їх впливу на триботехнічні характеристики наплавленого металу, зміцненого фосфідами.

3. Результати дослідження засвоєння фосфору при різних способах дугового наплавлення й впливу фосфору на зварювально-технологічні характеристики розроблюваних матеріалів для наплавлення.

4. Розробка оптимального складу порошкового дроту, що містіть фосфор, та його дослідно-промислова перевірка.

Об'єкт досліджень – процеси, що відбуваються при дуговому наплавленні порошковими дротами, із вмістом фосфору, та їх вплив на службові властивості наплавленого металу з фосфідним зміцненням.

Предмет досліджень – технологія та матеріали (порошкові дроти) для дугового наплавлення деталей пар тертя.

Методи дослідження – поставлені завдання вирішувалися експериментально з використанням термодинамічних розрахунків реакцій утворення фосфідів. Структуру та фазовий склад наплавленого металу вивчали методами металографічного, мікрорентгеноспектрального і рентгеноструктурного аналізів, растрової електронної мікроскопії, високотемпературного диференціального термічного аналізу. Для дослідження властивостей флюсів-шлаків використовували методики виміру активності кисню в шлаку, в'язкості шлакових розплавів, коефіцієнтів термічного розширення шлакових кірок і наплавленого металу.

Наукова новизна отриманих результатів

Вперше встановлено, що легування фосфором дозволяє значно поліпшити триботехнічні характеристики низьколегованого наплавленого металу 20ХГСП в умовах тертя метала по металу. Показано, що при його легуванні фосфором у межах 1,0...1,6% коефіцієнт тертя знижується в 1,5 рази, а стійкість проти спрацювання наплавленого металу та контртіла збільшуються відповідно в 4,0 і 1,5 рази.

Показано, що легування хромом (0,7...1,2%) та марганцем (0,6...1,0%) збільшує розчинність фосфору в наплавленому металі 20ХГСП до 1,45 % і більше, порівняно з розчинністю фосфору в чистому залізі - максимум 1,2 %.

Встановлено, що гарячі й холодні тріщини в наплавленому металі 20ХГСП не утворюються при вмісті фосфору 0,3...1,3 % внаслідок високої розчинності останнього в наплавленому металі; при більш високому вмісті фосфору по границях зерен утворюється велика кількість евтектик, що перешкоджають утворенню гарячих тріщин через прояв ефекту “заліковування” їх зародків; у той же час ці евтектики є причиною утворення холодних тріщин.

Термодинамічними розрахунками визначено ймовірність утворення фосфідів основних легуючих елементів при їх одночасному використанні для легування наплавленого металу (по спадній): Mо2P, Cr3P, NiР, MnР, Со2P, AlР, Fe3P, SiР; результати термодинамічних розрахунків дозволили уточнити систему легування наплавленого металу.

Практичне значення отриманих результатів

У результаті досліджень для наплавлення деталей пар тертя розроблені самозахисний порошковий дріт ПП-Нп-20ХГСП(с) і порошковий дріт ПП-Нп-20ХГСП(ф) для наплавлення під флюсом АН-348А. Порошкові дроти пройшли санітарно-гігієнічну й технологічну перевірку й включені в розроблені у від. № 2 ІЕЗ ім.Е.О.Патона Технічні умови України ТУУ 28.7.05416923.066-2002, що дає можливість виготовляти та застосовувати їх у промислових масштабах. Дослідно-промислова перевірка порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП(ф) при наплавленні кранових коліс і шнеків дифузійних апаратів, що експлуатуються на цукрових заводах, показала, що состійкість проти спрацювання деталей, наплавлених новим дротом, збільшилася в 1,5...2,0 рази. Економічний ефект від використання порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП для наплавлення коліс одного мостового крана становить 3150 грн на рік.

Оформлено заявку на патент України “Склад сталі для наплавлення”, № 2004020978 із пріоритетом від 11.02.2004 р.

Особистий внесок автора

Дисертація є підсумком експериментальних і теоретичних досліджень, проведених автором особисто. Постановка завдань та обговорення результатів досліджень проводилась разом з науковим керівником і співавторами публікацій. До особистого внеску автора відноситься.

Аналіз літературних даних про вплив фосфору на механічні й експлуатаційні властивості сталей і чавунів. Показано, що фосфор є перспективним легуючим елементом у матеріалах, призначених для відновлення та зміцнення деталей, що працюють в умовах тертя метала по металу без змащування. (Рябцев И.И., Кусков Ю.М. Перспективы использования фосфора в наплавочных материалах на основе железа//Автомат.сварка. - 2003.-№ 1.-С.12-16.)

Диференціальний термічний аналіз впливу фосфору на плавлення та кристалізацію наплавленого металу 20ХГСП. Встановлено, що процес його плавлення стає двостадійним при вмісті 1,3 % фосфору, що свідчить про появу в ньому фосфідних евтектик. Виконані дослідження дозволили встановити діапазон кристалізації наплавленого металу та причини відсутності в ньому гарячих тріщин. (Особенности плавления и кристаллизации наплавленного металла типа стали 20ХГС, легированного фосфором /Ю.М.Кусков, И.И.Рябцев, Л.К.Дорошенко и др.// Автомат. сварка. - 2002. - № 8. - С. 24-27.)

Експериментальне дослідження засвоєння фосфору при наплавленні відкритою дугою та під флюсом АН-348А порошковими дротами ПП-Нп-20ХГСП, що містять до 2,5 % фосфору, а також впливу фосфору на триботехнічні властивості та структуру наплавленого металу цього типу. Встановлено, що при наплавленні відкритою дугою й під флюсом АН-348А увесь фосфор засвоюється наплавленим металом. Показано, що оптимальне сполучення триботехнічних характеристик пари тертя наплавлений метал 20ХГСП - загартована сталь 45 забезпечується при вмісті фосфору в наплавленому металі 1,0...1,6 %. (Триботехнические характеристики наплавленного металла системи легирования Fe-Cr-Si-Mn-P/И.И.Рябцев, Ю.М.Кусков, В.Ф.Грабин и др.//Автомат.сварка. - 2003 р. - № 6. - С. 20-24.)

Апробація результатів дисертації

Основні положення та результати досліджень по темі дисертації доповідалися та обго-ворювалися на наступних конференціях і семінарах: науково-технічному семінарі “Прогресивні технології зварювання в промисловості” (м.Київ, 2003); ІІ науково-технічній конференції молодих учених “Зварювання та суміжні технології” (м.Київ, 2003); міжнародній конференції „Сучасні проблеми зварювання та ресурсу конструкцій” (м.Київ, 2003); ІІІ науково-технічній конференції молодих учених “Зварювання та суміжні технології” (м.Київ, 2005).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано сім робіт: три статті в журналах, чотири роботи у вигляді тез доповідей.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 133 найменувань, викладених на 142 сторінках. 37 рисунків, 29 таблиць, трьох додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета й основні завдання досліджень, показані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, наведені відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

У першому розділі розглянуті умови експлуатації та основні види спрацювання деталей при терті металу по металу без змащування; сформульовані принципи легування матеріалів для наплавлення деталей, що працюють в цих умовах; проаналізовані літературні дані про вплив фосфору на властивості сплавів на основі заліза та розглянуті перспективи його використання для легування наплавлювальних матеріалів триботехнічного призначення; сформульовані мета й завдання роботи.

Процес спрацювання при терті двох металевих поверхонь можна поділити на три окремих процеси, що протікають одночасно: взаємодія поверхонь тертя; зміни, що відбуваються в поверхневих шарах металів; руйнування поверхонь. Взаємодія двох поверхонь тертя може бути механічною та молекулярною. Механічна виражається у взаємному впровадженні та зачепленні нерівностей поверхонь, а також у їх зіткненні при ковзанні грубих поверхонь; молекулярна - у вигляді адгезії й схоплювання. При цьому схоплювання властиве тільки металевим поверхням. Адгезія й схоплювання можуть викликати вириви матеріалу поверхонь тертя. В зазор між поверхнями тертя можуть потрапляти частки абразиву або продукти спрацювання, які прискорюють процес спрацювання.

Руйнування поверхонь тертя відбувається у вигляді окремих елементарних процесів: мікрорізання, дряпання, глибинного виривання, викришування, відшаровування. Спільна дія різних за інтенсивностю й видами елементарних актів руйнування та зміни механічних і фізико-хімічних властивостей поверхневих шарів матеріалу під впливом зовнішніх факторів (тиск, температура, середовище, тертя і таке інш.) призводить до макроспрацювання поверхонь тертя.

Здатність металів і сплавів протистояти спрацюванню при терті металу по металу залежить від хімічного складу, що визначає їх структуру та фізико-механічні властивості. Основна вимога до структури стійких до спрацювання антифрикційних сплавів уперше була сформульована Г. Шарпі, у відповідності з якою їх структура повинна складатися з рівномірно розподілених у пластичній основі зміцнюючих включень із низьким коефіцієнтом тертя та малою схильністю до задирів.

Аналіз літературних даних показав, що в якості зміцнюючих включень, які поліпшують тріботехнічні властивості наплавленого металу, можна застосовувати з'єднання фосфору. Ставиться завдання створити матеріали для наплавлення, леговані фосфором, який за рахунок утворення з іншими елементами відповідних фосфідів активно впливатиме на коефіцієнт тертя й, як наслідок, - на стійкість проти спрацювання наплавленого металу.

Фосфор неоднозначно впливає на міцністні та експлуатаційні властивості сплавів на основі заліза. За деякими даними, при вмісті до 0,5 % він підвищує межі міцності та текучості заліза більшою мірою, ніж кремній, марганець, молібден, хром, ванадій та деякі інші елементи. Однак, через схильність до внутрікристалічної ліквації, фосфор може погіршувати пластичні властивості стали, особливо при знижених температурах. Є дані і про негативний вплив фосфору на тріщиностійкість зварних швів.

Проте фосфор застосовується для легування деяких марок сталей для поліпшення їх триботехнічних характеристик або оброблюваності різанням. Існують ливарні сплави на основі заліза, що містять до 10% Cu і 0,3...1,6% P. Триботехнічні характеристики цих сплавів при терті ковзанням із граничним змащуванням перебувають на рівні таких відомої бронзи Бр0Ф10-1.

Виходячи з цих умов, було вирішено дослідити можливість використання фосфору з метою легування матеріалів для наплавлення деталей, що працюють в умовах тертя металу по металу без змащування.

У другому розділі описані матеріали, обладнання та методики досліджень, які були використані при виконанні роботи.

У третьому розділі наведені результати термодинамічних розрахунків ізобарних потенціалів реакцій утворення фосфідів різних легуючих елементів. Для розрахунків ізобарних потенціалів реакцій обраний ентропійний метод. Розрахунки провадилися для кімнатної температури (298 К) та для середньої температури зварювальної ванни (2050 К).

За допомогою термодинамічних розрахунків встановлено, що при одночасному легуванні наплавленого металу декількома легуючими елементами ймовірність утворення їх фосфідів виглядає так (по спадній): Mо2P, Cr3P, NiР, MnР, Со2P, AlР, Fe3P, SiР (Табл. 1).

На основі досвіду з переважного застосування низьколегованих матеріалів для наплавлення деталей пар тертя з урахуванням даних термодинамічних розрахунків, а також економічних передумов для досліджень обрана система легування Fe-С-Cr-Mn-Si-P і тип наплавленого металу - економнолегована сталь 20ХГСП. Розроблювальний електродний матеріал - порошковий дріт.

Цей дріт призначений для наплавлення деталей пар тертя, тому в першу чергу був досліджений вплив фосфору на триботехнічні характеристики наплавленого металу 20ХГСП. Випробування проводили способом витирання лунок за схемою “вал-площина” без додаткової подачі змащування в зону тертя. Визначали коефіцієнт тертя та стійкість проти спрацювання наплавленого металу 20ХГСП і контртіла із загартованої сталі 45.

Таблиця 1

Ентальпії утворення фосфідів , різниця між величинами ентропій фосфідів та вихідних елементів , ізобарні потенціали реакцій утворення фосфідів легуючих елементів

Еле-мент | Реакції утворення фосфідів | ,

кДж/моль |

.10-3,

кДж/моль.К | кДж/г моль при Т, К

298 | 2050

Al | Al + P = Al * | -164 | -22,14 | -157,40 | -118,60

Cr | Cr + P = Cr | -168 | -24,82 | -160,60 | -117,12

3Cr + P = Cr3P * | -252 | -23,62 | -244,96 | -203,58

Mn | Mn + P = Mn * | -186 | -23,94 | -178,86 | -136,92

2Mn + P = Mn2P | -172 | -28,13 | -163,62 | -114,33

3Mn + P = Mn3P | -181 | -32,60 | -170,27 | -114,20

Mо | 2Mо + P = Mо2P * | -255 | -7,96 | -252,63 | -238,68

Fe | 2Fe + P = Fe2P | -147 | -23,27 | -140,07 | -99,30

3Fe + P = Fe3P * | -162 | -21,26 | -155,66 | -118,42

Ni | Ni + P = Ni * | -108 | +22,16 | -114,60 | -153,43

З | 2З + P = З2P * | -174 | -23,77 | -166,92 | -125,27

З + P = Со | -158 | -20,92 | -151,77 | -115,11

Si | Si + P = Si * | -69 | -27,28 | -60,87 | -13,076

Примітка: Зірочкою позначено найбільш термодинамічно ймовірні реакції утворення фосфідів кожного легуючого елемента.

Встановлено, що зі збільшенням вмісту фосфору твердість наплавленого металу рівномірно зростає від HRC 20 при вмісті фосфору 0,1 % до HRC 44 при його вмісті 2,3 %. Коефіцієнт тертя при збільшенні вмісту фосфору до 1 % знижується приблизно в 1,5 рази. Зі збільшенням вмісту фосфору спрацювання наплавленого зразка та контртіла також знижується. При вмісті фосфору 1,0...1,6 % стійкість проти спрацювання наплавленого зразка зростає у 4,0...4,5 рази, а контртіла - у 1,5 рази. Однак з подальшим зростанням вмісту фосфору триботехнічні характеристики пари тертя погіршуються (рис. 1).

Вплив фосфору на триботехнічні характеристики наплавленого металу, вочевидь, пов'язаний з його структурою та характером розподілу в ній фосфору та його з'єднань. Наплавлений метал 20ХГСП без фосфору має перлітну структуру з невеликою кількістю фериту (рис. 2, а). Введення 0,3 % фосфору, відомого як елемент-феритизатор, збільшує кількість феритної фази й досить різко міняє його структуру (рис. 2, б). Поява стрічкових включень фосфідної евтектики зафіксована при вмісті фосфору близько 1,3 % (рис. 2, в). При вмісті фосфору ? 2,0 % у структурі сталі 20ХГСП утворюється суцільна сітка фосфидної евтектики, що облямовує зерна матриці сплаву (рис. 2, г).

Методом диференціального термічного аналізу (ДТА) було встановлено, що до 1,0 % фосфору наплавлений метал 20ХГСП плавиться в одну стадію. При вмісті ? 1,3 % фосфору плавлення відбувається у дві стадії: спочатку при температурі 980…1000 0С плавиться фосфідна евтектика, а потім в умовах більш високої температури - твердий розчин (табл. 2).

Таблиця 2

Характеристики процесів плавлення та кристалізації

наплавленого металу 20ХГСП із різним вмістом фосфору

№№

п/п | Марка дроту | Масова частка фосфору в зразках, % | Температура, 0С | Характеристика процесу плавлення

Солідус | Ліквідус

1 | ПП-ОП-0 | - | 1440 | 1500 | Одностадійне

2 | ПП-ОП-0.1 | 0,11 | 1430 | 1525 | - “ -

3 | ПП-ОП-0.3 | 0,31 | 1370 | 1460 | - “ -

4 | ПП-ОП-0.6 | 0,57 | 1380 | 1470 | - “ -

5 | ПП-ОП-0.9 | 1,00 | 1460 | 1480 | - “ -

6 | ПП-ОП-1.2 | 1,28 | 1360 | 1460 | Двостадійне

7 | ПП-ОП-2.0 | 1,98 | 1360 | 1400 | - “ -

8 | ПП-ОП-2.5 | 2,38 | 1300 | 1370 | - “ -

Проведені дослідження наплавленого металу 20ХГСП із різним змістом фосфору на скануючому мікроскопі JSM-840 і мікрорентгеноспектральному аналізаторі “Камебакс-SX50”. Завдяки останньому вдалося виявити фосфідні включення при вмісті фосфору 0,3 %. До складу фосфідів входить хром, марганець і залізо, окрім того, у них зафиксований знижений вміст кремнію (рис. 3, в).

Ці дослідження підтверджують результати термодинамічних розрахунків. З підвищенням загального вмісту фосфору збільшується його кількість у матриці наплавленого металу: максимальний вміст фосфору в матриці становить 1,45 %, що перевищує літературні дані про межу розчинності фосфору в чистому залізі - 1,2 %.

Результати триботехнічних і металографічних досліджень свідчать про те, що фосфор перестає сприятливо впливати на триботехнічні характеристики наплавленого металу 20ХГСП після утворення в його структурі суцільної сітки фосфідної евтектики. При наявності ізольованих фосфідних включень з більшою твердістю, ніж у пластичної матриці, навантаження розподіляється на твердих включеннях, що забезпечує невеликий коефіцієнт тертя й високий опір схоплюванню. Збільшення кількості евтектики та формування суцільної фосфідної сітки, що характеризується підвищеною твердістю та крихкістю, приводить до утворення при спрацюванні уламків, що грають роль абразиву й збільшують спрацювання зразка і контртіла.

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу фосфору на зварювально-технологічні властивості порошкових дротів для дугового наплавлення.

В наплавлювальних та зварювальних матеріалах фосфор як легуючий елемент не застосовувався, тому при дослідженні впливу фосфору на зварювально-технологічні властивості розроблюваних порошкових дротів перш за все след було оцінити засвоєння фосфору при наплавленні порошковим дротом ПП-Нп-20ХГСП відкритою дугою та під флюсом АН-348А. Для проведення досліджень було виготовлено по сім дослідних порошкових дротів з метою наплавлення відкритою дугою та під флюсом АН-348А, розрахунковий вміст фосфору в яких змінювався від 0,3 до 2,5 %.

У загальному вигляді перехід фосфору з флюсу-шлаку та електродного металу в метал шва й навпаки при наплавленні (зварюванні) можна виразити залежністю:

[P]ем + р(P)фл [P]нм , (1)

де [P]ем - вихідний вміст фосфору в електродному (присадному) матеріалі; (P)фл - вміст фосфору у флюсі; р – коефіцієнт розподілу фосфору між шлаком і металом; [P]нм – вміст фосфору в наплавленому металі (шві).

Фосфор з металу у флюс-шлак в процесі наплавлення може переходити внаслідок окислювання та зв'язування в групи, які міцно утримують фосфор у шлаці. За даними відомого металурга С.Т.Ростовцева окислювачем у цьому випадку може бути оксид заліза FeО, а сполучним компонентом - основні оксиди, зокрема найбільш активний з них СаО. У рідкій сталі фосфор присутній, вірігідно, у формі з'єднання Fe2P. Обмінні реакції між флюсом-шлаком та металевою ванною в цьому випадку можна виразити реакціями:

2[Fe2P] + 5(Fe) + 3(СаО) (Са3P2O8) + 9[Fe]ж (2)

2[Fe2P] + 5(Fe) + 4(Са) (Са4P2O9) + 9[Fe]ж (3)

Аналіз констант рівноваги зазначених реакцій:

(4) (5)

показує, що засвоєння фосфору металом зварювальної ванни відбувається тим повніше, чим менше оксидів заліза й кальцію в шлаку.

Хімічний аналіз показав, що при наплавленні відкритою дугою та під флюсом АН-348А практично весь фосфор засвоюється наплавленим металом (рис. 4). Це пояснюється тим, що в експериментах використовували флюс із невеликим вмістом оксидів заліза та кальцію, саме тому перехід фосфору в шлаки не зафіксований.

У газошлакоутворюючій системі самозахисних порошкових дротів взагалі не було оксидів заліза, а складалася вона із плавикового шпату, рутилу й мармуру, що також не призвело до втрат фосфору. З огляду на майже однаково високе засвоєння фосфору, наплавлення дротом ПП-Нп-20ХГСП можна з успіхом виконувати під флюсом АН-348А або використовувати його в самозахисному варіанті.

Використанню фосфора як легуючого елемента у наплавлювальних матеріалах заважає існування думки про його негативний вплив на тріщиностійкість наплавленого металу, хоча, як правило, мова йде про матеріали з відносно низьким вмістом фосфору (не вище 0,05 %).

Досліджували тріщиностійкість наплавленого металу 20ХГСП, легованого фосфором у межах 0,3...3,5 %. Для досліджень використовували жорстку технологічну пробу, запропоно-вану Центральним інститутом зварювальної техніки (м.Галле, ФРН). Порошковими дротами ПП-Нп-20ХГСП із різним вмістом фосфору під флюсом АН-348А на пластини зі сталі Ст3 розмірами 40х100х250 мм наплавляли валики довжиною приблизно 200 мм у чотири шари.

Для виявлення тріщин застосовували візуальний контроль із використанням лупи з чотирикратним збільшенням та кольорову дефектоскопію. Заміряли довжину тріщин і підраховували їх кількість, за допомогою щупів встанавливали ширину тріщин. Для оцінки схильності наплавленого металу до тріщин розроблена шкала балів. Найкращим балом - 1 оцінюється метал без тріщин; при наявності наскрізних тріщин шириною > 0,1мм, що доходять до основного металу та мають загальну довжину > 60 мм, схильність наплавленого металу до утворення тріщин позначається найгіршим балом 5. Проміжними балами (2-4) оцінюється метал із тріщинами шириною ? 0,1мм і загальною довжиною ? 60 мм.

Гарячих тріщин при наплавленні всіма дослідними дротами не було виявлено. Як показано вище, при дослідженні процесу плавлення та кристалізації наплавленого металу 20ХГСП методом ДТА, до вмісту приблизно 1,3 % фосфору наплавлений метал 20ХГСП плавиться в одну стадію й має досить вузький діапазон кристалізації, що позитивно позначається на його стійкості проти утворення гарячих тріщин. При більш високому вмісті фосфору, коли в наплавленому металі утворюється велика кількість легкоплавких фосфідних евтектик, вони сприяють “заліковуванню” зародків гарячих тріщин.

У наплавленому металі 20ХГСП при вмісті близько 1,6 % фосфору зафіксована поява холодних тріщин (табл. 3). Зі збільшенням вмісту фосфору кількість і загальна довжина тріщин збільшувалися. Тріщини з'являлися у верхньому наплавленому шарі, проходили через усі шари, але не розповсюджувались в основний метал. Руйнування відбувалося по границях зерен. Вірогідно, утворення та поширення таких тріщин пов'язане з виділенням по границях первинних зерен суцільної сітки фосфідної евтектики. З урахуванням труднощів керування процесами утворення фосфідних евтектик при дуговому наплавленні, вміст фосфору в наплавленому металі 20ХГСП зважаючи на тріщиностійкость вирішено обмежити 1,3 % (з деяким запасом).

Таблиця 3

Оцінка схильності наплавленого металу 20ХГСП до утворення тріщин

Масова частка фосфору в наплав-леному металі | Кількість тріщин шириною, мм | Бал при загальній довжині тріщин, мм

>0,1 | 0,1 | 0 | 1-20 | 21-40 | 41-60 | 60

0,035 | 0 | 0 | 1 | - | - | - | -

0,32 | 0 | 0 | 1 | - | - | - | -

0,59 | 0 | 0 | 1 | - | - | - | -

0,98 | 0 | 0 | 1 | - | - | - | -

1,23 | 0 | 0 | 1 | - | - | - | -

1,58 | 0 | 8 | - | - | 3 | - | -

2,02 | 2 | 8 | - | - | - | - | 5

2,46 | 2 | 11 | - | - | - | - | 5

3,35 | 2 | 12 | - | - | - | - | 5

Дріт, який розроблюється, призначений для наплавлення деталей з попереднім підігрівом, на значних площах та у кілька шарів, що призводить до нагрівання наплавлювальної деталі до 300 0С и вище та значно погіршує віддільність шлакової кірки навіть флюсу АН-348А, знижує продуктивність і якість наплавлення. Поставлено завдання розробити заходи щодо поліпшення цієї характеристики.

Як показано в роботах академіка І.К.Походні, для міцного зчеплення шлакової кірки з металом необхідна наявність проміжного оксидного шару з такими параметрами кристалічних ґраток, при яких забезпечується його епітаксіальне зростання на металі шва. За відсутності такого шару, утворюваного внаслідок взаємодії оксидів, що складають шлак, шпінелі не призводять до епітаксіального зчеплення шлакової кірки з металом шва, навіть якщо вони мають близькі параметри кристалічних ґраток з вюститом або ?-Fe. Однак проміжний шар не завжди сприяє міцному зчепленню металу з шлаком. У деяких випадках він може стати слабкою ланкою в системі метал-шлак, тому розрив зв'язку відбувається саме по цьому шарі.

Таким чином, відокремлюваність шлакової кірки можна поліпшити, змінюючи окисний потенціал шлаків, щоб зовсім виключити утворення проміжного шару або одержати такі пара-метри його кристалічних ґраток, які усувають епітаксіальне зрощення шару з поверхнею шва.

Для поліпшення відокремлюваності шлакової кірки при наплавленні порошковим дротом Пп-Нп-20ХГСП під флюсом АН-348А в її шихту вводили або цирконовий концентрат КЦП, або рутил, або оксид магнію. Передбачалося, що при введенні цих компонентів зміниться окисний потенціал шлаків. Кислі діоксиди цирконію та титану повинні були збільшити цей показник, а основний оксид магнію, навпаки, зменшити. Мали також змінитися фізичні характеристики шлаків: коефіцієнт термічного розширення (КТР) та інтервал кристалізації (температура затвердіння). Всі ці заходи повинні були вплинути на відокремлюваність шлакової кірки.

Кращі результати щодо відокремлюваності отримані при використанні порошкових дротів, у шихті яких міститься 4,0...7,5% ZrO2. Шлакова кірка при цьому легко видалялася з поверхні п'ятого шару при температурі зразка близько 400 0С.

Поліпшенню відокремлюваності шлакової кірки флюсу АН-348А із зростанням вмісту в ній діоксиду цирконію сприяє збільшення окисної здатності шлаків (рис. 5), збільшення різниці КТР наплавленого металу та шлакової кірки (рис. 6) та зростання температури затвердіння шлаків (рис. 7).

Збільшення окисної здатності шлаків призводить до того, що проміжний шар оксидів між наплавлюваним металом і шлаками може перешкоджати епітаксіальному зростанню шлакової кірки з металом. Збільшення різниці КТР наплавленого металу та шлакової кірки флюсу АН-348А одночасно з підвищенням вмісту діоксиду цирконію в шихті порошкового дроту також поліпшує відокремлюваність шлакової кірки при температурах 200…600 0С. Позитивний вплив збільшення температури затвердіння шлаків пов'язаний з тим, що відокремлення шлакової кірки неможливе, доки вона знаходиться в рідкому стані.

У п'ятому розділі наведені розрахунки складу шихті порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП (ПП-АН194) у самозахисному варіанті та для наплавлення під флюсом АН-348А. Представлено результати санітарно-гігієнічної оцінки порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП, які включені у відповідний розділ ТУУ 28.7.05416923.066-2002 “Дроти порошкові наплавочні”, що дозволяє виробляти та застосовувати цей дріт у промислових масштабах.

Дослідно-промислова перевірка порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП проведена при наплавленні кранових коліс і котушок шнека дифузійного апарата ДС-12 цукрового заводу. Обидві ці деталі працюють в умовах тертя металу по металу. Після наплавлення та механічної обробки наплавлені деталі передані на випробування замовникам. При контрольному огляді наплавлених кранових коліс, що перебувають в експлуатації, встановлено, що їх спрацювання в 1,5...2,0 рази менше, ніж у серійних зі сталі 65Г. Економічний ефект від використання розробленого порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП для наплавлення коліс одного мостового крана становить 3150 грн на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Вперше запропоновано використовувати фосфор як легуючий елемент у низьколегованих наплавлювальних матеріалах триботехнічного призначення. Фосфор, що утворює з іншими легуючими елементами та залізом складні фосфіди, дозволяє значно поліпшити триботехнічні характеристики наплавленого металу.

2. Термодинамічними розрахунками визначена ймовірність утворення фосфідів основних легуючих елементів при одночасному їх використанні для легування наплавленого металу (по спадній): Mо2P, Cr3P, NiР, MnР, Со2P, AlР, Fe3P, SiР. На підставі досвіду стосовно переважного застосування для дугового наплавлення деталей пар тертя (валів, вісей, кранових коліс тощо) матеріалів у вигляді низьколегованих суцільних і порошкових дротів, а також з урахуванням даних термодинамічних розрахунків для досліджень обраний тип наплавленого металу - економнолеговану сталь 20ХГСП.

3. Оптимальне сполучення триботехнічних характеристик наплавленого металу 20ХГСП забезпечується при вмісті фосфору 1,0…1,6 %. При цьому коефіцієнт тертя знижується приблизно в 1,5 рази; стійкість проти спрацювання наплавленого металу збільшується в 4,0...4,5 рази, а контртіла із загартованої сталі 45 - в 1,5 рази.

4. Залежно від вмісту фосфор у наплавленому металі 20ХГСП частково розчиняється в матриці, а частково утворює фосфіди та фосфідні евтектики. Легування 0,7...1,2 % хрому та 0,6...1,0 % марганця збільшує розчинність фосфору в наплавленому металі до 1,45 % і більше, порівняно з розчинністю фосфору в чистому залізі - 1,2 %.

5. При наплавленні порошковим дротом ПП-Нп-20ХГСП відкритою дугою та під флюсом АН-348А встановлено, що практично увесь фосфор засвоюється наплавленим металом. Високий ступінь засвоєння фосфору пояснюється тим, що в шлакоутворюючій системі самозахисного порошкового дроту та флюсі АН-348А відсутні, або перебувають у мінімальних кількостях оксиди заліза, які можуть окисляти фосфор, і оксиди кальцію, що переводять утворювані оксиди фосфору в шлак.

6. При наплавленні жорсткої технологічної проби встановлено, що гарячі тріщини в наплавленому металі 20ХГСП не утворюються при вмісті фосфору 0,3...3,5 %. До 1,3 % фосфору наплавлений метал має вузький діапазон кристалізації, що позитивно позначається на його стійкості проти утворення гарячих тріщин. При більш високому вмісті фосфору в наплавленому металі утворюється велика кількість легкоплавких фосфідних евтектик, які “заліковують” зародки гарячих тріщин.

7. Холодні тріщини в досліджуваному наплавленому металі утворюються при вмісті фосфору > 1,6 %. Осередками зародження й поширення холодних тріщин є фосфидные эвтектики, що виділяються по границях зерен. З урахуванням труднощів керування процесами утворення фосфидних эвтектик зміст фосфору в наплавленому металі 20ХГСП щодо тріщиностійкості обмежено 1,3 %.

8. За результатами дослідження стійкості проти спрацювання й тріщиностійкості визначені оптимальні межі легування наплавленого металу 20ХГСП фосфором - 1,0...1,3 %.

9. Встановлено, що введення 4,0...7,5 % ZrO2 у шихту порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП збільшує окисну здатність шлаків, різницю в значеннях КТР шлакової кірки та наплавленого металу при температурах 200…600 0С і температуру затвердіння шлаків, що поліпшує відокремлюваність шлакової кірки при підвищених температурах при наплавленні цим дротом під флюсом АН-348А.

10. В результаті досліджень розроблено порошковий дріт ПП-Нп-20ХГСП, що містить фосфор, для наплавлення деталей, що працюють в умовах тертя металу по металу. Порошковий дріт ПП-Нп-20ХГСП (ПП-АН194) включено в розроблені у від. № 2 ІЕЗ ім..Є.О.Патона ТУУ 28.7.05416923.066-2002, що дає можливість виготовляти та використовувати його в промислових масштабах.

11. Порошковим дротом ПП-Нп-20ХГСП здійснено наплавлення кранових коліс і шнеків дифузійних апаратів для цукрового заводу. Досягнуто збільшення стійкості проти спрацювання в 1,5...2,0 рази порівняно із серійними деталями із сталі 65Г. Економічний ефект від використання розробленого порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП для наплавлення коліс одного мостового крана становить 3150 грн на рік.

Основні результати дисертації відображені в таких публікаціях:

1. Особенности плавления и кристаллизации наплавленного металла типа стали 20ХГС, легированного фосфором /Ю.М.Кусков, И.И.Рябцев, Л.К.Дорошенко, В.Г.Васильев //Автомат. сварка. – 2002. - № 8. – С. 24-27.

2. Рябцев И.И., Кусков Ю.М. Перспективы использования фосфора в наплавочных материалах на основе железа //Там же. – 2003. - № 1. – С. 12-16.

3. Триботехнические характеристики наплавленного металла системы легирования Fe-Cr-Si-Mn-P/ И.И.Рябцев, Ю.М.Кусков, В.Ф.Грабин и др.//Там же.- 2003 г.-№ 6.– С. 20-24.

4. Рябцев И.И. Триботехнические характеристики наплавленного металла, легированного фосфором//Зварювання та суміжні технології: Матеріали ІІ наук.-техн. Конф. молодих учених (25-27 червня 2003 р.Київ). - Київ: ІЕЗ ім.Є.О.Патона, 2003. – С. 70-71.

5. Рябцев И.И., Черняк Я.П., Осин В.В. Установка для комплексной оценки свойств наплавленного металла//Прогрессивные технологии сварки в промышленности: Материалы науч.-техн. семинара.– Киев: УИЦ “Наука, техника, технология”, 2003. – С. 11-12.

6. Рябцев И.И., Кусков Ю.М. Использование фосфора в наплавочных материалах триботехнического назначения//Современные проблемы сварки и ресурса конструкций: Материалы между нар. конф. (24-27 ноября 2003. Киев) - Киев: ИЭС им.Е.О.Патона, 2003. – С.69.

7. Рябцев И.И. Улучшение отделимости шлаковой корки при повышенных температурах при дуговой наплавке под флюсом порошковыми проволоками//Зварювання та суміжні технології: Матеріали ІІІ наук.-техн. Конф. молодих учених (25-27 травня 2005 р., Київ). - г.Київ: ІЕЗ ім.Є.О.Патона, 2005. – С. 59-60.

АНОТАЦІЯ

Рябцев І.І. Розробка матеріалів, що містять фосфор, для електродугового наплавлення шарів з підвищеними триботехнічними характеристиками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.06 - “Зварювання та споріднені технології”. - Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, Київ, 2005.

Робота присвячена дослідженню закономірностей формування в сплавах на основі заліза структур, зміцнених фосфідами, і створенню на цій основі нового класу матеріалів для наплавлення, що мають підвищені триботехнічні та інші експлуатаційні властивості. Нові матеріали призначені для відновлення й зміцнення деталей пар тертя, що працюють в умовах тертя металу по металу без змащування.

З використанням ентропійного методу розраховано ізобарні потенціали реакцій утворення фосфідів основних легуючих елементів. Встановлено, що перш за все найбільш імовірне утворення фосфідів молібдену, хрому й марганцю. На підставі термодинамічних розрахунків і досвіду розробки матеріалів для наплавлення деталей пар тертя для досліджень обраний метал 20ХГСП.

Експериментально встановлено, що коефіцієнт тертя наплавленого металу 20ХГСП при збільшенні вмісту фосфору до 1 % знижується приблизно в 1,5 рази. При вмісті фосфору 1,0...1,6 % спрацювання наплавленого зразка знижується в 4,0...4,5 рази, а контртіла зі сталі 45 в 1,5 рази. Показано, що при наплавленні відкритою дугою та під флюсом АН-348А порошковим дротом ПП-Нп-20ХГСП практично увесь фосфор засвоюється наплавленим металом.

При наплавленні жорсткої технологічної проби показано, що в наплавленому металі 20ХГСП холодні тріщини утворюються при вмісті фосфору > 1,3 %. Осередками зародження та поширення холодних тріщин є крихкі фосфідні евтектики, що виділяються при такому вмісті фосфору по границях зерен.

Для поліпшення відокремлюваності шлакової кірки при підвищених температурах при наплавленні порошковим дротом ПП-Нп-20ХГСП під флюсом АН-348А запропоновано вводити в шихту дроту 4,0...7,5 % діоксиду цирконію.

За результатами досліджень розроблено порошковий дріт ПП-Нп-20ХГСП, який включено в розроблені у відділі № 2 ІЕЗ ім. Є. О. Патона ТУУ 28.7. 05416923.066-2002 “Дроти порошкові наплавлювальні”, що дозволяє виготовляти та застосовувати цей дріт у промислових масштабах. Дослідно-промислова перевірка розробленого порошкового дроту ПП-Нп-20ХГСП при наплавленні кранових коліс показала, що їх стійкість проти спрацювання зросла в 1,5…2,0 рази порівняно із серійними