Введение к работе
Актуальность работы.
Современная действительность характеризуется крайне высокими темпами разработки и внедрения новых материалов, обеспечивающих решение многих сложных технических проблем. Особенно это стало наглядно во второй половине
ХХ в., так как именно новые материалы явились ключевым звеном, определяющим успехи инженерных решений в космической, авиационной, атомной промышленности, электронике. При этом были получены не только материалы с улучшенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами на основе известных материалов, но и материалы с принципиально новой структурой и свойствами: конструкционная керамика, аморфные и наноматериалы, пластические массы и др.
Отмеченное в полной мере относится и к сварочно-наплавочным материалам, используемым при изготовлении, упрочнении и поддержании в течение длительного периода работоспособности технических устройств.
Сварочно-наплавочные технологии являются одними из ведущих, призванных решать современные задачи материального производства и способствовать прогрессу в промышленности, строительстве, на транспорте.
В настоящее время, наиболее широкое применение находит электрическая сварка плавлением, которая даёт возможность осуществлять не только монтажные операции, но и формировать на изношенных поверхностях изделий покрытия с требуемыми эксплуатационными свойствами. К примеру, на железных дорогах России доля сварочных работ при изготовлении и ремонте конструкций (локомотивов, вагонов, верхнего строения пути и др.) составляет более 50 % всех операций. При этом очень широко используется ручная дуговая сварка и наплавка, которая, несмотря на ряд недостатков, является универсальной и мобильной; дает возможность восстанавливать изделия с трещинами незначительной протяженности, расположенных в труднодоступных местах; наплавлять малые площади износов и т.д.
Для легирования наплавленного при электрической сварке плавлением металла, как правило, используются один из двух вариантов:
– легированный присадочный материал и нелегирующий флюс или покрытие электрода;
– легирующий флюс или покрытие и присадочный материал из низкоуглеродистой сварочной проволоки.
Для реализации обоих вариантов требуется или дорогая легированная проволока, или порошки чистых легирующих элементов, что существенно ограничивает экономически выгодные масштабы применения легированных покрытий. Кроме того, такие добавки существенно усложняют технологические процессы сварки, наплавки и переплава.
Новым направлением в области легирования наплавленных поверхностей при сварке является создание высокоэффективных флюсов и покрытий электродов с комплексным использованием многокомпонентного минерального сырья, содержащего оксиды легирующих элементов, без его глубокой технологической переработки.
Работы ведущих ученых-материаловедов (Н.П. Лякишева, Ю.В. Цветкова, Г.В. Самсонова, А.Д. Верхотурова, Г.П. Швейкина, В.А. Резниченко, И.А. Подчерняевой, Э.Г. Бабенко, Ри Хосена и др.) и сварщиков (Е.О. Патона, Б.И. Медовара, Б.Д. Малышева, А.А. Ерохина, А.И. Акулова, Г.А. Николаева, Г.Л. Петрова,
К.К. Хренова, И.В. Зуева и других) позволили получить ряд обнадёживающих результатов. Однако представления о формировании легированных сплавов на основе комплексного использования минерального сырья далеки от завершенности и требуют своего дальнейшего развития. Особенно это важно для Дальневосточного экономического региона, где сосредоточено наибольшее в России количество россыпных и коренных месторождений ряда ценных минералов, в процессе обогащения которых образуются многокомпонентные концентраты, уникальные по своему минералогическому и химическому составу. Решение указанной проблемы дало бы возможность получения флюсов и электродных покрытий на основе такого сырья с последующим формированием наплавленных поверхностей изделий с высоким уровнем физико-химических и эксплуатационных свойств и создавать в отдаленных районах Дальневосточного региона собственную базу (минизаводы, малые предприятия) для производства легирующих электродов и флюсов.
Актуальность работы определяется важной, имеющей существенное значение для экономики страны задачей создания прогрессивных, экологически чистых, энергосберегающих и безотходных электротермических технологий с применением минерального сырья в качестве легирующих материалов.
Работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований Министерства путей сообщения, по плану НИР Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН (тема – "Создание научных основ и разработка новых материалов на основе тугоплавких соединений при использовании минерального сырья Дальнего Востока", № гос. регистрации 01.9.60001427); программе научно-технического сотрудничества Сибирского государственного университета путей сообщения, железных дорог, вузов МПС региона Сибири, Дальнего Востока и СО РАН (тема П 2000/1-10.2 "Создание и внедрение сварочно-наплавочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона для восстановления деталей подвижного состава).
Целью работы является установление закономерностей формирования состава, структуры и свойств сплавов при электротермических процессах (сварке и наплавке) на основе минерального сырья, содержащего оксиды легирующих элементов, с разработкой технологии повышения их служебных характеристик.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
– разработка блок-схемы повышения физико-химических и эксплуатационных свойств сплавов, формируемых электротермическими технологиями на основе комплексного использования минеральных ассоциаций Дальневосточного региона;
– разработка технологии создания легирующих флюсов и электродных покрытий с использованием в качестве легирующей составляющей цирконового концентрата без его технологической переработки;
– установление обобщающих закономерностей формирования составов, структур и свойств сплавов и покрытий на основе исследования взаимосвязей систем «технология-сырьё-материал-свойства»;
– создание электродов общего назначения с покрытиями из минерального сырья Дальневосточного региона;
– создание новых флюсов и электродов с использованием в качестве легирующего компонента цирконового концентрата, обеспечивающего легирование электродной низкоуглеродистой стали при электротермических технологиях;
– изучение взаимосвязей состава, структуры и свойств сплавов и покрытий, полученных при электрической сварке, наплавке и переплаве с использованием разработанных флюсов и электродов;
– промышленная апробация созданных сварочно-наплавочных материалов при восстановлении деталей технических устройств, эксплуатируемых в условиях ударных нагрузок, вибраций и интенсивного износа.
Научная новизна работы:
– установлено, что при переплаве низкоуглеродистой сварочной проволоки электротермическими технологиями с использованием цирконового концентрата происходит её легирование цирконием;
– впервые установлены закономерности легирования в зависимости от массового соотношения в шлаковой ванне цирконового концентрата и восстановителя;
– обоснован выбор восстановителя, обеспечивающего максимальный переход циркония из концентрата в переплавляемую низкоуглеродистую сварочную проволоку при электродуговой сварке и электрошлаковом переплаве;
– сформулированы научно-обоснованные технологические решения по синтезу состава флюсов и электродных легирующих покрытий, заключающиеся в непосредственном использовании минерального сырья, содержащего оксиды циркония;
– впервые исследованы состав, структура и эксплуатационные свойства легированных цирконием сплавов, полученных при электрической сварке и электрошлаковом переплаве с использованием разработанных флюсов и электродных покрытий на базе минерального сырья Дальневосточного региона.
Практическая значимость работы:
1. Получены и запатентованы две марки новых электродов общего назначения с покрытиями из минерального сырья Дальневосточного региона, позволяющие формировать сварочные швы и наплавленные поверхности со свойствами, превышающими свойства, получаемые с использованием стандартных качественных электродов типа УОНИИ13/55.
2. Получены легирующие сварочно-наплавочные электроды с покрытиями, в которых в качестве легирующего компонента использован цирконовый концентрат содержащий 52 масс.% ZrO2 без его глубокой технологической переработки.
3. Впервые созданы керамические флюсы на основе цирконового концентрата позволяющие легировать переплавляемую низкоуглеродистую проволоку Св-08 цирконием до 3 масс.%.
4. Разработаны технологии получения керамических флюсов и электродов с безотходным использованием минерального сырья Дальневосточного региона, в том числе содержащие оксиды легирующих элементов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: ХХХVIII Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта в новых условиях развития Дальневосточного региона» (Хабаровск, 1993 г.); Всероссийской научно-практической конференции по проблеме «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона» (Хабаровск, 1995 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего востока» (Хабаровск, 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Автомобильный транспорт Дальнего Востока» (Хабаровск, 2000 г.); 43-й Всероссийской научно-практической конференции учёных транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. «Современные технологии – железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск 22-23 октября 2003 г.); Четвёртой международной научной конференции творческой молодёжи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (12-14 апреля. Хабаровск, 2005 г.); Шестой международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (5-7 октября. Владивосток, 2005 г.); Пятой международной научной конференции творческой молодёжи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (17-19 апреля. Хабаровск, 2007 г.).
Автор выражает благодарность заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Верхотурову А.Д., кандидатам технических наук Кузьмичёву Е.Н., Лукьянчуку А.В., Макаревичу К.С., Муравьёвой Е.М. за оказанную помощь в постановке экспериментов, за консультации при написании и представлении диссертационной работы к защите.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 23 работы. В том числе 1 в издании, рекомендуемом ВАК и 3 патентах РФ на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержит 132 страницы машинописного текста, 43 таблицы, 46 рисунков и список литературы из 142 наименований.
