Введение к работе
Актуальность работы.
Стратегическим направлением материаловедения современного периода в условиях интеграции экономики России в международное экономическое пространство является получение новых материалов с повышенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами. Не менее важное значение имеет разработка ресурсосберегающих, экологически чистых, экономически целесообразных технологий их получения. Это касается и сварочно-наплавочных технологий, широко используемых в промышленности, строительстве, па транспорте при создании, эксплуатации и ремонте технических устройств.
В настоящее время, при восстановлении повсеместное предпочтение отдается электрической сварке плавящимися электродами, которая позволяет производить 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 SO % 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 из носов и тд.
Для легирования наплавленного при дуговой сварке металла, как правило, используются один из двух вариантов;
легированный присадочный материал и нелегирующий флюс или покрытие электрода;
легирующий флюс илн покрытие и присадочный материал из низкоуглеродистой сварочной проволоки.
Для реализации обоих вариантов требуется или дорогая легированная проволока, илн порошки чистых легирующих элементов, что существенно ограничивает экономически выгодные масштабы применения легированных покрытий. Кроме того, такие добавки существенно усложняют технологические процессы изготовления материалов, сварки и наплавки.
Новым направлением в области легирования наплавленных поверхностей при электрической дуговой 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 - сварщиков (Е.О.Патона, Б.И. Медовара, Б.Д.Малышева, А.А.Ерохина, А.И.Акулова, Г.А. Николаева, ГЛ. Петрова, К.К. Хренова И.В. Зуева и других) и материаловедов (Н.П. Лякишева, Ю.В. Цветкова, Г.В. Самсонова, АЛ- Верхотурова, Г.П. Швейкина, В.А. Резниченко, ИЛ. Подчерняевой, Э.Г. Бабенко, Ри Хосена и др.) позволили получить ряд существенных результатов. Однако представления о формирова-
нии высококачественных легированных покрытий 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 электродных покрытий на основе такого сырья с последующим формированием наплавленных поверхностей изделий с высоким уровнем физико-химических и эксплуатационных свойств. Такой подход позволяет создавать в отдаленных районах Дальневосточного региона собственную базу (ми ни заводы, малые предприятия) для производства легирующих электродов.
Актуальность работы определяется важной, имеющей существенное значение для экономики страны задачей создания прогрессивных, экологически чистых, энергосберегающих и безотходных технологий при электродуговой сварке и наплавке 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," Ха 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 повышение эксплуатационных свойств деталей машин наплавкой электродами с покрытиями на основе вольфрамосодержаще-го минерального сырья.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
разработка методики создания и математической модели синтеза шихты электродных покрытий на основе минерального сырья, содержащего оксиды легирующих элементов;
исследование и выбор наиболее рациональных восстановителей для синтеза шихты легирующих покрытий электродов;
разработка технологической схемы и создание легирующих электродов на основе минерального сырья, содержащего оксиды легирующих элементов, без его глубокой технологической переработки;
исследование взаимосвязей состава, структуры и свойств легированных слоев, полученных при электрической сварке с использованием разработанных электродов;
- промышленная апробация созданных электродов на деталях, работающих
в условиях интенсивного трения, ударных нагрузок и вибрации.
Научная новизна работы:
исследованы особенности восстановления вольфрама из шеелитового концентрата в зависимости от типа восстановителя и вида электротермической технологии. Обоснован выбор восстановителя, обеспечивающий максимальный переход вольфрама из шеелитового концентрата в переплавляемую низкоуглеродистую сварочную проволоку;
изучены закономерности легирования наплавляемого металла при ручной дуговой сварке электродами с покрытиями из минерального сырья, содержащего оксиды легирующих элементов, позволяющие оптимизировать массовый состав шихты таких покрытий;
сформулированы научно-обоснованные решения по синтезу шихты электродных покрытий, заключающиеся в непосредственном использовании минерального сырья, содержащего оксиды легирующих элементов.
Практическая значимость работы:
разработан, изготовлен и апробирован ряд керамических флюсов на основе шеелитового концентрата, позволяющих при электрошлаковом переплаве низкоуглеродистой стали получать вольфрамовые ферросплавы, полуфабрикаты для инструментальных сталей, конструкционные стали, стали с особыми свойствами;
предложен способ и технология дающие возможность полного перехода вольфрама в переплавляемую сталь за счет повторного использования шлаков;
разработаны наплавочные электроды для ручной дуговой сварки на основе шеелитового концентрата, позволяющие получать сплавы специального назначения с содержанием вольфрама до 14 мас.% и износостойкостью превосходящей износостойкость стали Р18;
разработаны наплавочные электроды для ручной дуговой сварки с добавками шеелитового концентрата, позволяющие получать покрытия с содержанием вольфрама 2-7 мас.%, обладающие высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами;
применение при ручной дуговой наплавке легирующих электродов с шее-литовым концентратом в покрытии дает возможность повысить ресурс восстановленных деталей в 2,5 - 3 раза;
промышленной апробацией созданных электродов установлено, что их технологические свойства соответствуют требованиям, предъявляемым к электродам для наплавки углеродистых и низколегированных сталей согласно ГОСТ 9466-75*. ГОСТ 9467-75* и ГОСТ 10051-75*. Механические свойства наплавленного металла соответствуют свойствам сплавов, сформированных электродами ОЗН-300М, рекомендованными к использованию "Инструкцией по сварочным и наплавочным работам при ремонте тепловозов, электровозов, электропоездов и дизель-поездов".
Основные положения, выносимые на зашиту:
методика синтеза легирующих флюсов и покрытий на основе минерального сырья, содержащего оксиды легирующих элементов, заключающаяся в непосредственном н комплексном его использовании для создания сварочно-наплавочных материалов;
математическая модель, алгоритм и технология получения легированных покрытий при ручной дуговой сварке и наплавке на основе многокомпонентных минеральных ассоциаций;
состав покрытий электродов из минерального сырья Дальневосточного региона, позволяющий наплавлять на изделиях поверхности с содержанием вольфрама до 14 мас.%;
способ, дающий возможность полного перехода вольфрама в переплавляемую электродную сталь за счет повторного использования шлаков на основе многокомпонентного минерального сырья.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: 43-й Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности" (Хабаровск, 22*23 октября 2003 г.); IV Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке" (Хабаровск, 12-14 апреля 2005 г.); шестой международной научно-практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (Владивосток, 5-7 октября 2005 г.); восьмом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов "Наука - Хабаровскому краю" (Хабаровск, 17 января 2006 г.); 44-й Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности" (Хабаровск, 25-26 января 2006 г.); международном симпозиуме "Принципы и процессы создания неорганических материалов" (Третьи Самсоновскис чтения) (Хабаровск, 12-15 апреля 2006 г.); региональной научно-технической конференции творческой молодежи "Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования" (Хабаровск, 18-19 апреля 2006 г.).
Автор выражает благодарность заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Верхотурову АД., кандидату технических наук Кузьмичеву Е.Н., Лихачеву Е.А. за оказанную помощь в постановке экспериментов, за консультации при написании н представлении диссертационной работы к защите.
Публикации. Основные материалы исследований опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 150 страниц машинописного текста, включая 32 таблицы, 50 рисунков и список литературы из 121 источника.
