Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и пути повышения работоспособ-ности рабочих органов углеразмольных мельниц 12
1.1. Била молотковых мельниц (БММ), анализ условий работы и применяемые материалы 12
1.2. Современные представления о механизме абразивного изнашивания 16
1.3. Факторы, влияющие на интенсивность изнашивания (БММ) 19
1.4. Пути повышения долговечности рабочих органов измельчителей ударного действия БММ 28
1.5. Обоснование выбора ЭШН для восстановления БММ и задачи исследования 31
Глава 2. Методика, материалы и оборудование для проведения экспериментальных исследований 37
2.1. Методика экспериментальных исследований 37
2.2. Методика и оборудование для исследования технологических факторов ЭШН 39
2.3. Методика исследования абразивной износостойкости и лабораторная установка 43
2.4. Методика и оборудование для исследования физико-механических свойств наплавленного металла и зоны сплавления 48
2.5. Металлографические исследования структур наплавленного металла и зоны сплавления 49
2.6. Методика выбора системы легирования и оптимизация составаизносостойкой наплавки 49
2.7 Методика определения износа БММ при эксплуатационных испытаниях 50
Глава 3. Исследования влияния технологических параметров ЭШН и различных способов легирования на качество наплавки 51
3.1 Выбор схемы и основных технологических факторов определяющих качество наплавки 51
3.2 Выбор сварочно-наплавочных материалов для ЭШН БММ 54
3.3 Исследование влияния технологических факторов ЭШН на качество зоны сплавления 57
3.4 Анализ способов легирования при ЭШН 63
3.5 Исследование технологии изготовления легирующих пластин 64
3.6 Исследование способов легирования при ЭШН 70
3.7 Исследование влияния технологических параметров ЭШН на усвоение легирующих элементов 74
3.8. Выводы 76
Глава 4. Исследование состава, структуры и свойств износостойкой наплавки для восстановления БММ 78
4.1. Анализ основных промышленных материалов для получения износостойких наплавок 78
4.2. Выбор легирующей системы для восстановления БММ 84
4.3. Принципы рационального легирования наплавочных сплавов 86
4.4. Исследования влияния содержания элементов в легирующей системе на износостойкость при ЭШН 88
4.5. Оптимизация состава легирующих элементов методом планирования эксперимента 96
4.6. Выводы 100
Глава 5. Исследование и разработка технологии восстановления БММ методом ЭШН и ее промышленные испытания 101
5.1. Разработка общей схемы технологического процесса восстановления БММ 101
5.2. Разработка технологического процесса и оборудования для восстановления БММ методом ЭШН 102
5.3. Совершенствование технологии и оборудования для ЭШН 106
5.4. Результаты сравнительных производственных испытаний восстановленных БММ методом ЭШН 109
5.5. Экономическая эффективность восстановления БММ методом ЭШН 112
Общие выводы 114
Список использованных источников 116
Приложения 126
- Пути повышения долговечности рабочих органов измельчителей ударного действия БММ
- Методика и оборудование для исследования физико-механических свойств наплавленного металла и зоны сплавления
- Исследование влияния технологических факторов ЭШН на качество зоны сплавления
- Исследования влияния содержания элементов в легирующей системе на износостойкость при ЭШН
Введение к работе
Одним из важнейших приоритетных направлений, стоящих перед машиностроением, является проблема повышения качества, надежности, экономичности и производительности машин. Значительная роль в решении данной проблемы отводится к комплексу технических и технологических мероприятий, направленных на снижение износа, так как наиболее распространенной причиной выхода деталей и рабочих органов машин из строя, является не поломка, а различные виды износа и повреждения рабочих поверхностей. Особенно низкий срок службы имеют детали, работающие в открытой абразивной среде. Часто низкая долговечность деталей связана с неправильным выбором материала, который по своим свойствам не отвечает условиям эксплуатации.
Молотковые мельницы предназначены для размола различных пород природных ископаемых и широко применяются на тепло-электро-централях (ТЭЦ) для размола угля, на горно-обогатительных комбинатах для размола породы и многих других предприятиях, занимающихся добычей и переработкой природного минерального сырья. Основной рабочей деталью молотковой мельницы является било, которое работает по принципу свободного удара по разрушающей породе и в результате этого подвергается интенсивному абразивному изнашиванию. За время работы в мельнице масса билы, в результате изнашивания, уменьшается на 25-35%, после чего она направляется в металлолом, что является экономически нецелесообразным. Потребность в билах молотковых мельниц (БММ) измеряется сотнями тысяч штук, поэтому проблема восстановления изношенных БММ является весьма актуальной.
В настоящее время одной из наиболее высокоэффективных и распространенных технологий повышения качества выплавляемой стали и переплава отработавших ресурс деталей является электрошлаковый переплав (ЭШП), позволяющий вторично использовать дорогостоящий легированный материал без потери качества и служебных свойств переплавляемого металла.
Использование электрошлаковой наплавки (ЭШН) позволяет не только восстанавливать изношенные детали, но и получать качественно новые биметаллические материалы на основе ресурсосберегающих технологий, применение которых для восстановления БММ обеспечит повышение их ресурса при снижении расхода дефицитных легирующих элементов.
Актуальность темы диссертационной работы также подтверждена выполнением научно- исследовательских работ в рамках: программы «СТАРТ-2005» (2005-2007), государственный контракт №3649р/5964 «Исследование и разработка технологии, оборудования и оснастки по восстановлению бил молотковых мельниц энергетического оборудования» грант по проекту №2.07 ТОГУ «Разработка лабораторного стенда и технологии восстановления деталей электрошлаковой наплавкой».
Цель работы заключалась в увеличении срока службы БММ путем повышения износостойкости наплавляемого слоя при их восстановлении методом ЭШН за счет использования новых износостойких экономлегированных сплавов и усовершенствования технологии электрошлаковой наплавки, обеспечивающих повышение производительности и снижение себестоимости восстановления по сравнению с новыми отливками.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Разработать методику проведения экспериментальных исследований процесса ЭШН, триботехнических и физико-механических свойств наплавленного металла при ЭШН.
Создать лабораторное оборудование и измерительный комплекс для исследования процессов ЭШН.
Создать физическую модель и установку для моделирования абразивного изнашивания БММ.
Установить закономерности формирования структуры наплавленного слоя и зоны сплавления в зависимости от технологических параметров ЭШН и влияние этой структуры на ее механические свойства и износостойкость.
Оптимизировать технологические параметры ЭШН, обеспечивающие необходимое качество наплавляемого слоя и зоны сплавления.
Исследовать способы легирования и режимы ЭШН, обеспечивающие максимальное усвоение легирующих элементов в наплавленном слое.
Исследовать влияние номенклатуры и содержания легирующих элементов в наплавляемом сплаве на его износостойкость и физико- механические свойства.
Разработать технологию и создать оборудование для восстановления БММ ЭШН в производственных условиях.
Произвести производственные испытания восстановленных БММ и оценить технико-экономическую эффективность созданной технологии ЭШН.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты установления закономерностей формирования структуры наплавленного слоя и зоны сплавления, механических свойств и износостойкости в зависимости от технологических факторов ЭШН;
Прогнозирование технологических параметров ЭШН для обеспечения качества наплавки, зоны сплавления и прочности сцепления при помощи полученной математической модели;
Результаты исследования влияния номенклатуры и количества легирующих элементов в наплавленном слое на его физико-механические свойства и износостойкость на основе полученной математической модели.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Установлена закономерность формирования структуры наплавленного слоя и зоны сплавления, его механических свойств и износостойкости от технологических параметров ЭШН: - выполнен регрессионный анализ линейной математической модели процесса стартовой операции; установлено, что для повышения качества зоны сплавления (ударную вязкость) необходимо снижать сечение электрода и величину тока наплавки, а напряжение повышать; разработана математическая модель влияния режимов ЭШН на качество наплавки и прочность зоны сплавления.
Предложены и научно обоснованы рациональные способы легирования и режимы ЭШН для повышения эффекта легирования наплавленного слоя: разработана новая технология изготовления легированной пластины; симплекс - планированием определены оптимальные параметры изготовления легирующей пластины, обеспечивающие максимальную ее прочность: давление прессования в пресс-форме Р=2,8 МПа; температура сушки в печи Т=320 С; продолжительность сушки - 21 мин; жидкое стекло в количестве 25% сверх массы легирующих компонентов; разработан новый способ легирования посредством легирующей пластины при ЭШН, обеспечивающий наибольшее усвоение легирующих элементов на рабочей грани била; при этом усвоение марганца в среднем увеличивается на 13 %, кремния на 16 %, хрома на 35 %, углерода на 21 % в сравнении с введением их посредством дозатора через расплавленный флюс; установлено влияние технологических параметров ЭШН на степень усвоения легирующих элементов в наплавленном слое; одновременное увеличение тока и снижение напряжения наплавки ведет к увеличению усвоения углерода на 17 %, хрома на 19 %, кремния на 14 %, при этом усвоение марганца снижается на 6 %;
Разработана математическая модель влияния номенклатуры и содержания легирующих элементов в наплавленном слое на его физико-механические свойства и износостойкость: на основании проведенных исследований сплавов различных систем легирования определена система сплавов С-Сг-Мп^-Мо, обладающая наибольшей износостойкостью; оптимизированы интервалы варьирования легирующих элементов, обеспечивающие высокую износостойкость; - методом математического планирования эксперимента определен новый сплав 100Х6ГЗСФМ, который более чем в три раза превосходит по износостойкости сталь 45.
Практическая ценность работы
Разработана методика контроля абразивной износостойкости крупногабаритных деталей без их разрушения (положительное решение о выдачи патента на изобретение от 18.02.09 г. Заявка 2008112366/28 (013377) «Способ контроля абразивной износостойкости деталей»).
Разработан способ восстановления деталей ЭШН, повышающий качество зоны сплавления и устойчивость процесса стартовой операции при использовании электродов большого сечения (патент РФ №2350449 от 27.03.09 г. «Способ восстановления деталей электрошлаковой наплавкой»).
Разработана технология легирования посредством легирующей пластины, обеспечивающая высокое усвоение легирующих элементов по рабочей грани поверхности слитка (патент РФ №2348497 от 10.03.09 г. «Способ восстановления деталей электрошлаковой наплавкой».).
Разработана промышленная установка для ЭШН, а также комплекс оборудования для подготовительно-заключительных операций для изготовления электродов большого сечения, приготовления легирующих пластин, подготовки изношенных бил к восстановлению. Разработаны устройства для восстановления ЭШН, повышающие производительность подготовительно-заключительных операций (патент РФ №2329128 от 20.07.08 г. «Устройство для восстановления деталей электрошлаковой наплавкой»; заявка на изобретение от 21.04.2008 г. 2008115697/02 (017630) «Устройство для восстановления деталей электрошлаковой наплавкой»).
Разработана технология восстановления бил молотковых мельниц методом ЭШН новым экономлегированым износостойким сплавом разработанного состава 100Х6ГЗСФМ. Восстановленные билы прошли производственные испытания на ТЭЦ №3 г. Хабаровска при размоле угля. Достигнуто повышение износостойкости в 2,58 раза по сравнению с промышленными билами. Ожидаемый совокупный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований на ТЭЦ №3 г. Хабаровска может составить более 19 млн. руб. в ценах 2008 г.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на 6 международных, всероссийских, региональных научно-технических конференциях: научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации, качества и надежности транспортных и технологических машин», (г. Хабаровск, 2005 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы», (г. Красноярск, 2006 г.); научно-практической конференции «Идеи, гипотезы, поиск» (г. Магадан, 2006 г.); IX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития, литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства» (г. Барнаул, 2008 г.); II научных чтениях СВГУ (г. Магадан, 2008 г.); XI Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. Санкт-Петербург, 2009
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 научных статьи, получено 3 патента РФ на изобретение и 1 решение на выдачу патента. Материалы диссертации приведены в отчетах по НИР и Грантам, выполненным при участии автора.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературных источников из 104 наименований и 5 приложений. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, иллюстрирована 51 рисунком.
Достоверность научных результатов. Достоверность экспериментальных данных подтверждалась путем широкого использования современных методов и методик исследования физико-механических, эксплуатационных, структурных свойств сплавов. Полученные результаты подтверждаются производственными испытаниями.
Личный вклад автора. В настоящей работе представлены экспериментальные результаты, полученные автором самостоятельно. При этом автор проводил исследования в лабораторных и промышленных условиях, разрабатывал методики исследования и принимал непосредственное участие в разработке, проектировании и изготовлении лабораторного и промышленного оборудования.
Пути повышения долговечности рабочих органов измельчителей ударного действия БММ
По условиям взаимодействия с перерабатываемым материалом [1,2,3] изнашивание рабочих органов углеразмольных мельниц относится к абразивному или ударно-абразивному. Абразивное изнашивание является результатом взаимодействия материала рабочего органа с перерабатываемым материалом, в результате чего происходит разрушение поверхностного слоя и его разупрочнение [4-8]. В процессе изнашивание возможно и повышение прочности (упрочнение) материала, которое, в большинстве случаев не приводит к качественному изменению процесса изнашивания (не меняет вид разрушения), влияя лишь на интенсивность разрушения материала [9].
В настоящее время существуют различные теории механизма разрушения металла при абразивном изнашивании: молекулярная [12], молекулярно-механическая [10], энергетическая [11] и др.
В оценки механизма абразивного изнашивания нет единого мнения. Наибольшее распространение получила точка зрения, объясняющая образование изнашивания как режущее и царапающее действие абразивных частиц по поверхности металла.
И.В.Крагельский отмечает [9], что абразивное изнашивание происходит при микрорезании и пластическом деформировании в зависимости от механических свойств абразивных частиц и изнашиваемой поверхности, а также действующих нагрузок.
Согласно теории, сформулированной М.М.Хрущевым и М.А.Бабичевым [5], механизм абразивного изнашивания может быть представлен как царапание множественных твердых зёрен, из которых большинство оставляет пластически выдавленный след, а меньшая их часть, с соответственно расположенными гранями, снимает стружку.
Срезанием микрообъемов металла с поверхности деталей объясняют абразивное изнашивание также Боуден Ф.П. и Тейбор Д. [11].
Б.И.Костецкий [10] считает, что абразивное разрушение может происходить с преобладанием механико-химического износа в виде пластического деформирования поверхностных объемов, их окисления и последующего разрушения или в результате механического разрушения за счет внедрения абразивных зёрен и разрушение поверхности металла без отделения частиц основного металла или его отделения путем снятия стружки.
Согласно [6,12] в металлах с низкой твердостью при ударно-абразивном изнашивании в месте контакта абразива в поверхности металла образуются лунки, по контуру которых происходит пластическая деформация. В этом случае поверхность разрушается вследствие отрыва частиц из-за многократной деформации, наклепа и охрупчивании поверхности деталей. В ходе процесса изнашивания от первоначальных лунок могут развиваться характерные волны, фронт которых ориентирован перпендикулярно к траектории движения абразивных частиц, причем волны образуются только у пластических материалов при средних углах атаки. Если изнашиванию подвергаются твёрдые и хрупкие металлы, то вокруг лунок зарождаются хрупкие трещины, которые, соединяясь с другими трещинами, приводят к образованию частиц износа [12].
Опираясь на известные работы H.H. Давиденкова, Ф.Ф. Витмана и В.А. Степанова, H.A. Златина, Дж. С. Рейнхарда и Дж. Пирсона, В. Гольдсмита и других можно отнести удары в углеразмольных мельницах как удары с малой и умеренной скоростью (до 100 м/с), при которых имеет место упругопластическое оттеснение металла. При этом, происходит зарождение, развитие, перемещение и накопление дефектов строения рабочей поверхности. Все это свидетельствует о сложности процесса абразивного изнашивания, а механизм и интенсивность изнашивания в каждом конкретном случае зависит от структуры металла, свойства абразивного материала, его размеров и твёрдости, скорости взаимодействия металла и абразива, угла атаки и т.п. [13].
Детали в процессе работы могут быть подвержены абразивному, ударно- абразивному и гидроабразивному изнашиванию, которые отличаются по своему механизму, закономерностям и критериям. Среди многочисленных видов износа наиболее часто на практике встречаются абразивный и ударно- абразивный износ. Существуют две формы проявления абразивных процессов, отличающихся характером взаимодействия частиц с поверхностью металла: пластическое деформирование поверхностных объемов, их окисление и последующее разрушение образующихся пленок - разновидность окислительного разрушения и с преобладанием механического разрушения и с преобладанием механического разрушения металла (внедрения абразивных частиц и разрушение поверхностных объемов со снятием микростружки или без отделения металла).
Виды износа и механизм их возникновения подробно рассмотрены в работе [9]. Широко распространены адгезионный и абразивный износ. Адгезионное истирание характерно для трущихся пар деталей машин. Во избежании когезии детали таких пар целесообразно изготавливать из редких материалов (антифрикционные материалы - баббиты, бронзы, графитизированные чугуны и стали, порошковые спеченные материалы, пластмассы и др.).
В работе [16], рассмотрены три механизма износа путем абразивного истирания: абразив режет истирающую поверхность с силой, достаточной для вырывания из нее частичек металла; такое изнашивание сопровождается большими динамическими нагрузками (зубья ковшей экскаваторов, рабочие органы землечерпалок, щеки дробилок и т.п.); частицы измельченной породы находятся между взаимодействующими рабочими поверхностями и, играют роль абразива, со значительной силой проникают в глубь материала (детали ротора у роторных эксковаторов, шаровых мельниц, вальцовых дробилок и т.д).
Начальной стадией разрушения металлов при абразивном и ударно- абразивном изнашивании является образование микротрещины, которая в процессе пластической деформации развивается в макротрещину и приводит к разрушению материала. Зарождение трещины в металле под воздействием абразивного тела происходит в результате активации источников дислокации, которое усиливается с увеличением роста напряжений, создаваемых абразивной частицей при контакте с поверхностью изнашивания. В системе скользящих дислокаций или деформационного двойникования часть краевых дислокаций, сливаясь, превращается в полостные, которые затем оформляются в трещину и распространяются по металлу в направлении действия напряжений.
В процессе пластической деформации металла под воздействием абразива в его поверхностном слое происходит зарождение дислокаций внутри металла, характеризуемое процессом упрочнения. Задержание дислокаций может происходить у препятствий — границ зерен, включений второй фазы, двойников, границ раздела фаз, мелкодисперсных образований (эффект аннигиляции дислокаций). Процесс упрочнения продолжается до тех пор, пока плотность задержанных перед препятствием дислокаций не достигает критической. При превышении этого значения наступает разрушение объема металла.
Методика и оборудование для исследования физико-механических свойств наплавленного металла и зоны сплавления
Куски топлива имеют возможность интенсивно дробиться по своим вершинам и при этом непрерывно обновлять острые зёрна, что обуславливает постоянство фактора высокой мгновенной абразивности. При этом остроугольные куски воздействуют на рабочий орган отдельными выступами, что приводит к возникновению высоких удельных давлений и как следствие, возрастает интенсивность изнашивания [15].
При размоле одной и той же марки угля на интенсивность износа влияет также изменение содержания золы и ее состав. Значительное влияние на износостойкость оказывает наличие таких примесей как колчедан и кварцевый песок, обладающих высокой абразивностью [1,2].
Износостойкость металлов зависит прежде всего от их структуры. Наиболее эффективным путём повышения износостойкости металлов, является их легирование [22,23]. При этом решающее значение приобретает фактор рационального легирования наплавленных слоев. Высокая износостойкость металлов, как правило, обуславливается наличием в структуре твердых фаз (карбидов, боридов, нитридов и пр.). Формирование в структуре металла этих фаз уменьшает степень пластической деформации и предотвращает разрушение рабочей поверхности [23,24,25]. Их положительная роль состоит в создании своеобразного барьера на пути движения абразивной частицы. При встрече с армирующей фазой происходит затупление, разрушение или оттеснение абразивных частиц, в результате чего эффективность их воздействия на матрицу и изнашиваемую поверхность снижается. Однако увеличение карбидов с целью повышения износостойкости материала целесообразно лишь в определенных пределах, так как чрезмерное количество карбидов меняет механизм изнашивания - карбиды начинают выкрашиваться (но не истираются), и износостойкость при этом уменьшается [22,88].
На износостойкость материала оказывает влияние форма и расположение карбидов. Определено, что хромистые карбиды выделяются преимущественно в виде прямоугольников вытянутой формы, а карбиды ванадия, ниобия образуют комплексы компактного круглого или прямоугольного сечения. При столкновении с абразивными телами карбиды хрома прорезаются ими и разрушаются, а при взаимодействии с комплексными карбидами округлой формы происходит разрушение абразива. Хорошая сопротивляемость разрушению карбидов обусловлена не только их формой, но и величиной сил связи в карбиде и на границе раздела карбид- матрица. Большую износостойкость имеют сплавы с мелкодисперсными карбидами [22].
Помимо упрочняющей фазы значительное влияние на износостойкость материала оказывает матрица. Матрица должна быть достаточно пластичной и способной демпфировать возникающие напряжения. Но её прочностные свойства должны быть максимально высокими для противодействия собственному разрушению и вытеснению твёрдых включений. Матрица может быть ферритной, мартенситной, аустенитной или состоять из смеси структурных составляющих [22]. Ферритная структура обладает наименьшей сопротивляемостью изнашиванию, поэтому твёрдые карбидные, боридные частицы плохо удерживаются в ней [6,22]. Самую высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания имеют сплавы с мартенситной или мартенситно-аустенитной основой и карбидной, боридной, нитридной упрочняющей фазой. Упрочняющие твердые включения хорошо удерживаются мартенситной матрицей, которая, к тому же, в безударном режиме хорошо противодействует внедрению и перемещению абразивной частицы. Однако в условиях ударно-абразивного изнашивания происходит выкрашивание карбидов из-за высокой хрупкости основы. В результате выкрашивания карбидов в металле возникают микротрещины и изнашивание сплава повышается [22-24,49].
Более высокой износостойкостью при ударно-абразивном изнашивании обладают сплавы с аустенитной и аустенитно-мартенситной основой и ограниченным количеством армированных твёрдых соединений, где количество карбидной фазы не должно превышать 25-30% [22,25]. Аустенит менее износостоек, чем мартенсит, но благодаря своей повышенной вязкости, он лучше удерживает твёрдые включения. Кроме того, в связи с различным удельным объемом мартенсита и аустенита в объёме металла, охваченного превращениями, возникают внутренние напряжения сжатия, повышающие твёрдость и сопротивление износу.
Установлением взаимосвязи между износостойкостью металлов и их физико-механическими свойствами занимались многие исследователи [46,21,22,50-53]. Износостойкость чистых металлов, сталей и сплавов с повышением твёрдости увеличивается, но при одной и той же твёрдости стали различного химического состава отличаются по изнашиваемости [5,21]. Для сплавов, имеющих неоднородную структуру, зависимость между степенью износа и твёрдостью может быть нелинейной, так как каждая структурная составляющая при столкновении с абразивными частицами в разной степени определяет уровень сопротивляемости изнашиваемости [5].
На износостойкость влияют и другие механические свойства металлов. Установлено, что абразивный износ уменьшается с увеличением предела текучести, а с увеличением относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости он увеличивается. Предел прочности неоднозначно влияет на износостойкость стали. Износостойкость повышается до определенных значений предела прочности, а дальнейший рост приводит к снижению износостойкости [25,27,53].
При ударно-абразивном износе определяющими свойствами металлов является пластичность и ударная вязкость. В области хрупкого разрушения стали независимо от величины удельных нагрузок с повышением пластических свойств износостойкость стали увеличивается. В область вязкого разрушения при малых значениях нагрузок эти свойства не влияют на износ, а при высоких нагрузках их износостойкость снижается [25].
Исследование влияния технологических факторов ЭШН на качество зоны сплавления
При установившемся электрошлаковом процессе полностью отсутствуют потери на разбрызгивание, шлак надежно защищает жидкую металлическую ванну от вредного воздействия воздуха. Расход флюса при ЭШН в 2-3 раз меньше, чем при дуговой наплавке и составляет не более 3 % от веса наплавленного металла [44].
Для ЭШН может использоваться широкий спектр электродных и присадочных материалов (электродные сплошные и порошковые проволоки; холоднокатаные, порошковые и спеченные ленты; электроды большого сечения; зернистый и жидкий присадочный материал и т.д.), с использованием которых можно осуществлять различные схемы легирования [44, 45, 46].
Несмотря на неоспоримые преимущества, существуют и не решенные и малоизученные проблемы в технологии электрошлаковой наплавки, главной из которых является повышение эффективности легирования наплавленного метала.
Наиболее распространенными способами легирования наплавленного слоя при ЭШН являются легирование расходуемым электродом заданного состава или применение комбинированных электродов [100], легирование посредством легированных проволок и лент, в том числе, и порошковых, легирование трубчатыми электродами, наполненным легирующим материалами; легирование зернистым присадочным материалом и легирование посредством флюса [44,47,56,57] и др.
Однако, несмотря на широкий спектр способов легирования, все они имеют существенные недостатки, ограничивающие их использование для восстановления деталей с повышенным износом.
Главным недостатком, объединяющим все приведенные существующие способы, является то, что они реализуют объемное легирование всей массы восстанавливаемой детали, а не ее рабочую поверхность. Это обуславливает нерациональное использование легирующих элементов и делает технологию восстановления экономически не целесообразной, так как затраты только на легирующие элементы могут превысить стоимость новой детали.
Также общим и существенным недостатком большинства приведенных способов легирования является то, что при легировании элементы вводятся через расплавленный флюс, имеющий высокую температуру (от 1600 до 2200 С) [45]. При этом происходят активные взаимодействия с ним, окисление и выгорание, что снижает их долю в наплавленном металле [46]. Коэффициент усвоения легирующих элементов при восстановлении износостойкой наплавкой является весьма важным, так как он обуславливает расход дорогостоящих легирующих элементов и себестоимость процесса восстановления.
Не менее важным является правильный выбор режимов наплавки, позволяющие влиять на переход легирующих элементов в наплавленный металл. Они определяют условия кристаллизации, структуру, размер фаз и, следовательно, физико —механические свойства и износостойкость [88].
До настоящего времени остаются малоизученными вопросы о влиянии режима ЭШН на степень усвоения легирующих элементов по длине наплавляемого слитка и на его кристаллическое строение, которое в значительной степени влияет на его механические свойства.
Начальной стадией электрошлакового процесса является стартовая операция, которая может осуществляться «твердым» и «жидким» стартом. При использовании «твердого» старта, задачей которого является наведение шлаковой ванны (расплавления флюса) и сплавление наплавляемого металла с восстанавливаемой деталью, часто возникают значительные трудности. При «твердом» старте между электродом и подложкой (деталью) разжигается электрическая дуга, за счет тепла которой плавится флюс. Однако процесс разжигания дуги при электрошлаковой наплавке, заключающейся в перегорании перемычки (вылета электрода), является трудноконтролируемым. Здесь требуется в короткий промежуток времени поддерживать стабильность сварочной дуги, варьируя одновременно подаваемым напряжением и величиной межэлектродного зазора. В противном случае дуга может «потухнуть» и попавший в зазор флюс не даст разжечь ее снова, либо электрод может «привариться» к подложке (детали), что в том и другом случае требует весь процесс наплавки начинать заново.
Поэтому проблему стартовой операции часто решают с помощью использования «жидкого» старта, при котором заранее расплавленный флюс заливают в кристаллизатор [60,79].
Однако и этот вариант старта имеет существенные недостатки. Так заливка расплавленного шлака в холодный кристаллизатор приводит к его быстрому охлаждению и в случае восстановительной наплавки массивных деталей ведет к несплавлению. Кроме того, расплавление флюса, поддержания его в "жидком" состоянии и подогрев восстанавливаемой детали ведет к значительным энергозатратам и значительному удорожанию всего технологического процесса наплавки. Аналогичные недостатки имеет и технология, предусматривающая применение двух электродов, когда первый нерасходуемый электрод (графитовый или вольфрамовый) используется для наведения шлаковой ванны, а второй расходуемый используют непосредственно для процесса наплавки. Данный способ усложняет технологический процесс и увеличивает его продолжительность, а при использовании графитового нерасходуемого электрода к тому же ведет к науглероживанию флюса. Поэтому проблема изучения и оптимизации стартовой операции при ЭТТТН с целью обеспечения ее устойчивости и высокого качества зоны сплавления является актуальной. В то же время вопросы, связанные с изучением влияния технологических факторов на качество зоны сплавления при использовании «твердого» старта в литературных источниках практически отсутствуют.
Не решены в достаточной степени и вопросы, связанные с повышением уровня механизации технологического процесса восстановления при использовании ЭШН. Известные конструкции стендов для ЭШН [89-92] имеют, как правило, одну рабочую позицию, что не решает вопрос снижения трудоемкости подготовительно-заключительных операций, которые при ЭШН составляют до 70 % от общей трудоемкости процесса восстановления.
Все перечисленные выше проблемы имеют прямое отношение к разработке энерго- и ресурсосберегающих технологий восстановления БММ и повышения их ресурса по сравнению с новыми деталями.
На основании анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования, приведенные во введении.
Исследования влияния содержания элементов в легирующей системе на износостойкость при ЭШН
Анализ различных способов легирования при ЭШН (п. 1.5) показал, что все они имеют существенные недостатки, ограничивающие их использование для восстановления деталей с повышенным износом.
В связи с этим для исследования были приняты два способа легирования: легирование посредством легирующих вставок, установленных в специально выполненные на внутренней полости кристаллизатора пазы [103], и легирование зернистым присадочным материалом посредством подачи легирующей шихты со стороны рабочей поверхности детали.
Проведенные исследования показали, что недостатком способа [103] является неконтролируемое расходование легирующих элементов из легирующей пластины при постепенном ее выгорании, в связи с этим можно ожидать непредсказуемый состав наплавляемого металла. Кроме этого, при выгорании легирующей пластины на восстанавливаемой детали образуются выступы, что ведет к изменению общей массы детали, что недопустимо, для бил молотковых мельниц, где разброс массы строго ограничен из-за возникновения дисбаланса мельницы. Недостатком способа является также трудоемкость изготовления пластин с температурой плавления выше температуры шлаковой ванны, а также необходимость выполнения в кокиле пазов и подгонки к ним пластин.
Поэтому для повышения качества наплавляемого металла и снижения себестоимости восстановления за счет предсказуемого, поддающегося расчету легирования наплавленной поверхности детали, снижения трудоемкости изготовления легирующих пластин и исключения необходимости изготовления специальных пазов в кокиле, а также получения гарантированной одинаковой общей массы восстановленной детали, легирующую пластину предложено изготавливать с температурой плавления меньше, чем температура шлаковой ванны. Технологии изготовления легирующих пластин путем прессования порошковой шихты со связующим не существует.
Для разработки технологии изготовления легирующей пластины проведены исследования по выбору связующего и оптимизации технологических параметров. В качестве связующего вещества для пропитки шихты использовали жидкое стекло, поливиниловый спирт, этилсиликат и др.
Изготовление легирующих пластин осуществляли путем размола легирующих материалов в дробилке и шаровой мельнице с последующим смешиванием их вначале в сухом виде и со связующим, прессованием в пресс- форме, а затем сушкой в печи. Важными технологическими свойством пластины являются достаточная прочность, необходимая при механической подгоне к размерам пазов в кокиле и ее транспортировке.
Установлено, что наибольшую прочность в качестве связующего обеспечивает жидкое стекло. Установлено что количество необходимого связующего для обеспечения достаточной прочности вставки в большей степени определяется массой входящих в состав вставки ингредиентов. В табл. 3.6 приведены данные зависимости прочности легирующей пластины от процентного содержания связующего сверх массы наполнителя, в качестве которого использовался графит.
Как видно из приведенных данных наибольшая прочность легирующей пластины достигается при содержании связующего 25%.
Однако на прочность легирующей пластины оказывает влияние не только количество связующего, но и давление прессования, температура и время сушки. С учетом того, что на прочность может оказывать взаимное влияние указанных факторов, такую задачу проще решить на основе многофакторных экспериментов, поэтому для ее решения был применен симплексный метод оптимизации [63].
Данный метод исключительно прост, не требует проведение статистического анализа, нет жестких требований к точности поддержания факторов на заданном уровне. В данном случае опыты можно не дублировать, так как при получении ошибки в одном опыте симплекс только временно отклонится в сторону, несколько замедлив оптимизацию, а в случае безупречного проведения последующих опытов движение к экстремуму продолжится. Основным недостатком метода является невозможность получения уравнения регрессии, что в данном случае непринципиально. Результаты опытов на прочность образца от процентного содержания В качестве параметра оптимизации при изготовлении легирующей пластины был принят предел прочности на изгиб.
С учетом того, что весовое процентное содержание связующего в композиции является зависимой величиной от содержания наполнителей легирующей пластины, оно исключалось из варьируемых факторов и оптимизация проводилась по трем факторам. Факторами варьирования выбраны: давление прессования, температура нагрева пластины и время ее сушки. Определение уровней факторов Определение уровней факторов при построении исходного симплекса производится по табл. 3. Таблица предусматривает принцип построения симплекса, при котором центр плана расположен в центре тяжести фигуры, а высота направлена по оси одного из факторов. Полагая длину ребра, равной единице, значения величин, входящих в таблицу, можно определить по формулам где / - номер фактора в матрице планирования.
Значения уровней факторов, принятых на основе предварительных исследований и выбранных шагов варьирования, сведены в табл. 3.8
