Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Пути создания сварочно-наплавочных порошковых проволок из минерального сырья и отходов горнорудного производства 11
1.1. Современное состояние вопроса создания порошковых проволок 11
1.2. Металлургические и физико-химические процессы при сварке порошковыми проволоками 20
1.3. Анализ минерально-сырьевой базы для создания сварочных материалов 28
1.4. Постановка цели и задач исследования 35
ГЛАВА 2. Методика исследований, оборудование и материалы 37
2.1. Методика исследований 37
2.2. Оборудование
2.3. Минеральное сырье и материалы используемые для создания порошковых проволок 52
2.4. Исследование возможности обогащения титаномагнетитового шлиха для использования в качестве компонента шихты порошковой проволоки 66
2.5. Выводы 74
ГЛАВА 3. Разработка шлаковой системы ильменито карбонатно-флюоритного типа 76
3.1. Выбор компонентов шлаковой системы ильменито-карбонатно флюоритного типа 76
3.2. Термодинамический расчет восстановительных реакций в исследуемой шлаковой системе 80
3.4. Исследование восстановительных процессов при воздействии дуги и электрошлакового переплава на минеральное сырье 88
3.5. Экспериментальные исследования по созданию шлаковой системы 98
3.6. Выводы 111
ГЛАВА 4. Создание наплавочных порошковых проволок на основе разработанной шлаковойсистемы 112
4.1. Постановка задачи и выбор легирующих компонентов порошковых проволок 112
4.2. Экспериментальные исследования по созданию порошковых проволок 118
4.3. Состав, структура и свойства металла, наплавленного опытными образцами порошковых проволок 129
4.4. Выводы 138
5. Расчет экономической эффективности и опытно-сравнительные испытания разработанных порошковых проволок 139
5.1. Расчёт себестоимости 140
5.2. Расчет экономической эффективности 148
5.3 Опытно-сравнительные испытания 149
5.5. Выводы 153
Общие выводы 154
Список используемой литературы
- Металлургические и физико-химические процессы при сварке порошковыми проволоками
- Минеральное сырье и материалы используемые для создания порошковых проволок
- Термодинамический расчет восстановительных реакций в исследуемой шлаковой системе
- Экспериментальные исследования по созданию порошковых проволок
Введение к работе
Актуальность темы.
Создание новых сварочно-наплавочных материалов, обладающих высокими технологическими свойствами, является важной народнохозяйственной задачей, так как сварочное производство является одним из ключевых направлений развития промышленности. Производство таких материалов связано с большими затратами, так как используются дорогостоящие компоненты. В то же время в Дальневосточном регионе имеются большие запасы минерального сырья, в том числе отходов горнорудного производства, использование которых позволит значительно снизить затраты на их получение. Например, по данным Хабаровского научного центра ДВО РАН ильменитовый концентрат месторождений Тугуро-Чумиканского района содержит TiO2 – 46,28%.
Важным для экономики Дальнего Востока является организация
предприятий по производству сварочно-наплавочных материалов,
территориально приближенных к добыче минерального сырья, что позволит уменьшить себестоимость продукции, а также создать дополнительные рабочие места. Несмотря на многообразие способов сварки и наплавки, наиболее перспективным направлением является механизированная сварка и наплавка порошковыми проволоками, поэтому данная работа посвящена разработке наплавочных порошковых проволок, обладающих высокими сварочно-технологическими свойствами, на основе концентратов и отходов горнорудного производства Дальневосточного региона. Данный путь имеет большое преимущество в экологическом и экономическом плане в виду того, что за время работы предприятий горнорудного комплекса образовалось огромное количество отходов, в которых содержится достаточное количество дорогостоящих химических элементов таких как вольфрам, бор, титан, цирконий, необходимых для получения сварочных материалов высокого качества.
Работа выполнена в соответствии с концепцией социального и экономического развития Хабаровского края до 2025 года («О приоритетном направлении развития минирально-сырьевой базы региона»).
Цель работы – создание наплавочных порошковых проволок
ильменито-карбонатно-флюоритного типа, обеспечивающих высокие
механические и эксплуатационные свойства наплавленного металла на основе концентратов и отходов горнорудного производства Дальневосточного региона.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
– выполнить анализ минерально-сырьевой базы Дальневосточного региона;
– выполнить термодинамический расчет с целью определения возможных химических реакций в шлаковых системах при электродуговом процессе;
– выполнить исследования по восстановлению элементов
титаномагнетитовых шлихов и датолитового концентрата с использованием электродугового и электрошлакового процессов;
– на основе экспериментальных исследований разработать новую
шлаковую систему ильменито-карбонатно-флюоритного типа с
использованием концентратов и отходов горнорудного производства, обеспечивающую высокое качество наплавленного металла;
– провести экспериментальные исследования по разработке
наплавочных порошковых проволок на основе полученной шлаковой системы и установить зависимости влияния состава шихты на требуемые свойства формируемых покрытий;
– исследовать структуру и свойства формируемых покрытий при наплавке разработанными порошковыми проволоками;
– провести опытно-сравнительные испытания полученных порошковых проволок в условиях эксплуатации.
Научная новизна работы:
– на основе термодинамического расчета и анализа физико-химических
процессов показана возможность распада концентратов, содержащихся в
исходном сырье, при электродуговом процессе, приводящая к
восстановлению легирующих элементов и выделению двуокиси углерода и других веществ. Установлено, что восстановление титана и бора происходит при температуре от 5700 до 6300 К, однако при взаимодействии с углеродом наблюдается смещение в сторону более низких температур (23002400 К), что подтверждено экспериментально при электрошлаковом и электродуговом процессах;
– выявлены закономерности восстановления титана и бора из
титаномагнетитового шлиха и датолитового концентрата при комплексном
использовании минерального сырья с использованием электродугового и
электрошлакового процессов. Максимальное содержание титана в
наплавленном металле 0,41 % достигается при соотношении
титаномагнетитового шлиха к графиту 8 к 2 соответственно. Максимальное содержание бора в наплавленном металле 0,022 % достигается при соотношении датолитового концентрата к графиту 9 к 1 соответственно;
– получены уравнения регрессии и построены диаграммы, позволяющие прогнозировать состав шихты порошковых проволок в зависимости от требуемых свойств формируемых покрытий (твердость, износостойкость и ударная вязкость);
– обоснована возможность применения отходов предприятий горнорудного производства для создания сварочно-наплавочных материалов. Установлено, что разработанные порошковые проволоки не уступают аналогам по сварочно-технологическим характеристикам, при этом их стоимость на 30 % ниже типовых.
Практическая значимость работы:
-
Разработана шлаковая система ильменито-карбонатно-флюоритного типа на основе Дальневосточного минерального сырья, обеспечивающая высокие сварочно-технологические свойства (возбуждение, стабильность и эластичность горения дуги, отделение шлаковой корки) и качество формируемых покрытий (минимальная пористость и зернистость) за счет оптимального сочетания компонентов в составе шихты: гранодиорит 8%; флюорит 5%; мрамор 37 %; бадделеит 1 %; ферромарганец 10 %; ферросилиций 7 %; титаномагнетитовый шлих 27,5 %; датолитовый концентрат 4,5 %;
-
На основе разработанной шлаковой системы получены порошковые проволоки ильменито-карбонатно-флюоритного типа из концентратов и отходов горнорудного производства Дальневосточного региона для восстановления деталей подвижного состава следующих марок:
– ПП-Нп-40ХГ-Т-С-2,8 – обеспечивающая твердость наплавленного металла 350 НВ при ударной вязкости 47 Дж/см2. Состав шихты порошковой проволоки: гранодиорит – 2,4 %; флюорит – 1,5 %; мрамор – 11,1 %; бадделеит – 0,3 %; ферромарганец – 38 %; ферросилиций – 2,1 %; титаномагнетитовый шлих – 8,25 %; датолитовый концентрат – 1,35 %; графит – 3 %; феррохром – 32 %;
– ПП-Нп-130ХГ-Т-С-2,8 – обеспечивающая твердость наплавленного металла 500 НВ при ударной вязкости 30 Дж/см2. Состав шихты порошковой проволоки: гранодиорит – 2,4 %; флюорит – 1,5 %; мрамор – 11,1 %; бадделеит – 0,3 %; ферромарганец – 32 %; ферросилиций – 2,1 %; титаномагнетитовый шлих – 8,25 %; датолитовый концентрат – 1,35 %; графит – 13 %; феррохром – 28 %.
-
Проведены опытно сравнительные испытания полученных порошковых проволок в условиях эксплуатации (вагонно-ремонтное депо Хабаровск, АО «ВРК-1»), что подтверждено актом о проведении опытно-сравнительных испытаний.
-
Разработана программа ЭВМ для расчета регрессионных зависимостей и построения диаграмм «состав-свойства» на симплексной решётке четвертого порядка, позволяющая сократить время статистической обработки данных, полученных при проведении экспериментальных исследований по созданию порошковых проволок. (Св-во № 2016618684 от 05.08.2016).
На защиту выносятся:
1. Комплексное исследование по разработке наплавочных материалов
из концентратов и отходов Дальневосточного региона;
2. Результаты термодинамического расчета и анализа физико-
химических процессов в исследуемой шлаковой системе;
3. Результаты разработки и исследований шлаковой системы и
наплавочных порошковых проволок ильменито-карбонатно-флюоритного
типа обеспечивающие высокие сварочно-технологические свойства;
4. Математические зависимости и диаграммы позволяющие
прогнозировать состав шихты порошковых проволок в зависимости от требуемых свойств формируемых покрытий (твердость, износостойкость и ударная вязкость).
Достоверность полученных результатов подтверждается
использованием известных теоретических разработок и современных методов определения состава, структуры и свойств материала в аттестованных лабораториях, данными, полученными автором в результате экспериментальных исследований, а также положительными результатами стендовых и эксплуатационных испытаний.
Апробация работы. Основные результаты исследований были
представлены: на молодежном форуме «Интеллектуальный потенциал
молодежи – Дальневосточному региону. 70-летию Великой Победы
посвящается» (Хабаровск, 21–23 апреля 2015 г.); международном
симпозиуме «Наука. Инновации. Техника и технологии: проблемы,
достижения и перспективы» (Комсомольск-на-Амуре, 12–16 мая 2015 г.);
седьмой международной научно-практической конференции «Транспортная
инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 29 марта – 1 апреля 2016 г.);
международной научно-практической конференции «Технологии
упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 14–15 апреля 2016 г.); всероссийской научно-практической конференции творческой молодежи с международным участием «Научно-техническое и социально-экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 20––22 апреля 2016 г.); VI всероссийской научной конференции с участием иностранных ученных «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (Хабаровск, 5 – 7 октября 2016 г.).
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 11 научных работах, в числе которых 3 статьи в периодических журналах перечня ВАК. Получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Поданы две заявки для оформления патентов.
Личный вклад автора состоит в постановке задач, выполнении основного объема исследований, интерпретации научных положений и выводов. Материалы диссертации являются результатом исследований, выполненных при непосредственном участии автора в лабораторных исследованиях, проводимых в Дальневосточном государственном университете путей сообщения, Тихоокеанском государственном университете, Институтах материаловедения, химии и водных проблем ДВО РАН.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 155 страниц основного текста, включая 81 таблицу, 78 рисунков и список литературы из 146 наименований.
Металлургические и физико-химические процессы при сварке порошковыми проволоками
Наибольшее применение получили порошковые проволоки трубчатой конструкции, составляющие до 80 % от всего объема их производства. Остальные конструкции применяются для улучшения защиты расплавленного металла и более равномерного плавления проволоки при сварке. Сварочные технологические свойства и качество формируемых покрытий во многом зависят как от составов компонентов, так и от соблюдения установленного соотношения масс шихты и присадочного металла. Не менее важным является соотношение массы шихты к общей массе проволоки (коэффициент заполнения). Коэффициент заполнения для проволок при сварке в среде защитных газов находится в диапазоне 1525 %, а для самозащитных порошковых проволок 2550 %.
При производстве сварочно-наплавочных работ порошковыми проволоками с дополнительной защитой углекислым газом по сравнению с применением монолитной проволоки диаметром 1,62,0 мм производительность повышается на 1520 %. Повышенное разбрызгивание при сварке монолитной проволокой без защиты делает необходимым очистку поверхности соединения от брызг, на что уходит 3040 % времени при производстве сварочных работ. При сварке как самозащитной порошковой проволокой, так и в среде углекислого газа не требуется специальной операции по удалению разбрызганного металла.
Отмеченное подтверждает эффективность использования порошковых проволок при производстве сварочно-наплавочных работ.
Создание и производство сварочно-наплавочных материалов, в частности новых видов порошковых проволок, в настоящее время в России является актуальной задачей, несмотря на то, что предприятиями производится широкий ассортимент сварочной продукции: 30 марок сплошной проволоки, более 40 типов покрытых электродов, а также различные виды порошковых проволок, прутки, ленты, порошки, флюсы и др.
Такое многообразие ассортимента не всегда решает проблему формирования заданных эксплуатационных свойств наплавленных покрытий в силу того, что механизмы машиностроения, детали и узлы подвижного состава, трубопроводы и другие металлоконструкции производятся из различных типов конструкционных материалов и сплавов, и их разнообразие постоянно пополняется.
Разработкой и созданием порошковых проволок занимались известные ученные. Так, в середине 50-х годов двадцатого столетия в Институте электросварки сварки имени Патона Е.О. был разработан и освоен способ производства порошковых проволок для наплавки металлических деталей из жаропрочной высоколегированной стали [9].
Порошковая проволока для сварки и наплавки чугуна была разработана в начале 60-х годов прошлого века. В состав шихты порошковых проволок входили графитизаторы (углерод и кремний) и раскислители (ферромарганец, ферросилиций) [10].
В дальнейшем исследования по созданию сварочно-наплавочных порошковых проволок получили широкое развитие как у нас в стране, так и за рубежом (США, Швеция, ФРГ, Япония и другие). Результаты этих исследований послужили основой для создания самозащитных порошковых проволок карбонатно-флюоритного, рутилового, рутил-карбонатно-флюоритного и других типов с кислым, основным и нейтральным классом сердечников. Также высокие сварочно-технологические характеристики обеспечивают порошковые проволоки карбонатно-флюоритного типа с основным сердечником [911]. При создании самозащитных порошковых проволок главным фактором являлся подбор состава шихты. Особый вклад в исследование и разработку самозащитных порошковых проволок внесли такие учёные, как В.Н. Шлепаков, И.И. Фрумин, А.М. Суптель, А.А. Ерохин, И.К. Походня, И.П. Браверман, И.С. Иоффе, А.Н. Марчук, Л.Н. Орлов, А.Н. Юштин, С.А. Супрун, Л.П. Мойсов, В.М. Макиенко и другие. Ими разработаны составы порошковых проволок для производства сварочно-наплавочных работ различных сталей, используемых в строительстве, машиностроении, судостроении, ремонтном производстве, на железнодорожном транспорте и т.д. Учеными И.С. Иоффе, И.К. Походней, В.А. Коротковым, М.В. Ханопетовым установлено, что при производстве сварочно-наплавочных работ порошковыми проволоками карбонатно-флюоритного типа металл не склонен к образованию пор, а данный тип сердечника обеспечивает высокие свойства наплавленного металла. В то же время на окислительно-восстановительные реакции влияет наличие в шихте карбонатов, повышающих потери углерода, марганца, кремния, хрома и 1.3), относящиеся к кислому классу (рудно-кислые и рутиловые). других элементов на угар, однако данный тип сердечника не обеспечивает высокую стабильность сварочного процесса. Авторы работ [12–18] для производства шихты порошковой проволоки применяли компоненты (табл.
Минеральное сырье и материалы используемые для создания порошковых проволок
Для получения оптимального состава с позиции требуемых критериев качества проводилось планирование эксперимента системы, включающей неизменяемые входные параметры, варьируемые входные параметры, а также контролируемые выходные параметры (отклики).
Этот метод дает возможность учитывать воздействие неравновесности процессов сварки и наплавки, а также получать необходимое содержание легирующих элементов в наплавленном металле, обеспечивая требуемые свойства формируемых покрытий.
Под планированием эксперимента понимается совокупность действий, направленных на эффективную постановку серии опытов. Целью планирования эксперимента является достижение максимальной достоверности полученных в результате опытов данных при наименьшем количестве опытов.
При решении экспериментальных задач планирование состоит в выборе количества опытов, соответствующих необходимым условиям, дающим возможность собрать требуемые сведения об исследуемом объекте с высокой достоверностью [62].
В данной работе целью экспериментальных исследований является получение шлаковой системы, а также разработка на ее основе наплавочных порошковых проволок. По результатам исследования строились математические модели и диаграммы распределения свойств наплавленного металла в зависимости от состава шихты.
Объект исследования – электродуговой процесс, протекающий в зоне сварочной ванны. Рассматривался как совокупность элементов, в которой каждый из элементов взаимодействует между другими элементами и окружающей средой. Воздействие сварочной ванны на состав, структуру и свойства формируемых покрытий учитывались комплексно. Данная задача решалась при помощи экспериментально-статистических методов, позволяющих при ограниченном объеме информации о механизмах явлений, происходящих в сложной системе, выводить математические зависимости, а также прогнозировать свойства создаваемого материала [81–85]. Модель объекта исследования представляется в виде расчетной модели (рис. 2.2).
Из рис. 2.2 можно сделать вывод, что объект исследования представляется в виде сложной системы с входными переменными факторами воздействия (Х1, Х2, Xi) и выходными факторами реакции (откликами) (Y1, Y2, Yi), которые в свою очередь являются объектами оптимизации. При проведении планирования эксперимента устанавливаются входные параметры (Х1, Х2, Xi), определяющие состояние объекта, и производятся измерения выходных параметров (Y1, Y2, Yi). Кроме этого, на объект исследования оказывают влияние управляемые (Z1, Z2, Zi) и неуправляемые (1, Е2, Еi) внешние факторы, которые тоже необходимо учитывать.
При получении данных в ходе опытов задача установления зависимости «состав – свойство» заключается в построении и анализе регрессионных уравнений, связывающих выходные факторы (отклики) с входными факторами (воздействиями). Данные зависимости в многомерном пространстве факторов можно представить в виде геометрического эквивалента – поверхности откликов.
Так, для составов шлаковых систем как основы шихты в качестве входных факторов выбираются газо- и шлакообразующие компоненты, а также стабилизирующие компоненты и раскислители. Входные факторы должны оказывать непосредственное воздействие на систему и быть управляемыми. Отклики (твердость, ударная вязкость, износостойкость, балл зерна, пористость металла и др.) должны быть универсальными, обладать физическим смыслом, оценивать действие исследуемой системы в целом, а не отдельных её подсистем, а также существовать для различных её состояний.
При решении задач оптимизации (в том числе шихты порошковой проволоки) в работах [86, 87] установлено, что возможно применение алгебраических полиномов Шеффе [83], позволяющих учитывать значительное количество входных факторов.
На этапе создания шлаковой системы, с учетом результатов предварительных экспериментов, определялось количество факторов, оказывающих влияние на систему. Обычно шлако- и газообразующая часть шихты содержит не более четырех компонентов [88-91]. Данный факт даёт возможность использовать симплекс-решётчатые планы для получения уравнений поверхностей откликов, что не требует значительного числа экспериментов.
Термодинамический расчет восстановительных реакций в исследуемой шлаковой системе
В целях исследования возможности повышения свойств наплавочных порошковых проволок путем выделения из титаномагнетитового шлиха Фадеевского рудного узла (Приморский край), входящего в состав шлаковой системы, ильменитового концентрата были проведены исследования по обогащению титаномагнетитового шлиха и замене его на ильменитовый концентрат.
Исследования были направлены на изучение возможности выделения титансодержащих концентратов и использования их в чистом виде в шихте порошковой проволоки.
Подготовка пробы к исследованиям включала операции взвешивания, усреднения и отбора навесок по 20 г для выполнения минералогических и химических анализов. В целях получения однородного материала проба подвергалась перемешиванию способом перекатывания и просеивания. Крупность представленного материала составила менее 0,5 мм. Определение минерального состава исходной пробы и продуктов обогащения проводилось с использованием оптической микроскопии (стереомикроскопы Stemi 2000C, Stemi DV4, CarlZeiss). Технологические испытания представленного материала выполнялись в соответствии с данными минералогического анализа исходной пробы. Учитывая присутствие в пробе минералов, обладающих магнитными свойствами, применялись электромагнитные методы обогащения. При этом использовалось стандартное лабораторное оборудование: для сильномагнитных минералов – электромагнитный барабанный сепаратор; для слабомагнитных – индукционно-роликовый сепаратор с максимальным напряжением магнитного поля 9200 э при зазоре 1 мм.
Гранулометрический состав пробы (табл. 2.11) определялся рассеиванием материала на виброситах. Электромагнитная сепарация проводилась стадиально на отдельных гранулометрических классах: 0,5 + 0,2 мм; 0,315 + 0,2 мм; 0,2 + 0,1 мм; 0,1 мм. Концентраты подвергались перечисткам, промышленные продукты – контрольной сепарации. Все продукты обогащения направлялись на минералогический анализ для контроля качества.
Согласно данным выполненного минералогического анализа титаномагнетитовый шлих состоит из магнетита, ильменита, лейкоксена. Кроме того, присутствуют лейкоксенизированные минералы титана; циркон; кварц, с включениями магнетита и сульфидов; сульфиды; гранаты; апатит; гидроокислы железа.
Присутствие в пробе минералов, характеризующихся различной магнитной восприимчивостью, предопределило применение электромагнитных методов для их выделения в концентраты. Схема переработки пробы для получения селективных концентратов (по отдельным классам крупности: 0,5 + 0,2 мм; 0,315 + 0,2 мм; 0,2 + 0,1 мм; 0,1 мм) представлена на рис. 2.33. Для выделения магнетита как сильномагнитного минерала проводилась магнитная сепарация в слабом поле с контрольным обогащением. В результате получено два концентрата магнитной фракции (1 и 2) с содержанием магнетита 90 и 64 % соответственно.
Затем немагнитная фракция направлялась на сепарацию в сильном поле для наработки ильменитовых концентратов. После четырех перечисток получены ильменитовые концентраты 1 и 2 с содержанием ильменита 93 и 84 % соответственно. После выделения ильменитового концентрата материал пробы направлялся на электромагнитную сепарацию с контрольным обогащением и четырьмя перечистками для получения лейкоксенового концентрата. Содержание лейкоксена в концентрате составило 85 %. Немагнитная фракция, полученная в результате электромагнитной сепарации, представляет собой цирконовый концентрат с содержанием циркона до 90 %. Минеральный состав продуктов обогащения представлен в табл. 2.12.
Экспериментальные исследования по созданию порошковых проволок
Порядок создания наплавочных порошковых проволок с введением в состав шлаковой системы легирующих компонентов для обеспечения наплавки металла с требуемыми механическими и эксплуатационными свойствами рассматривается на примере ремонта и восстановления изношенных деталей подвижного состава.
Большинство узлов и агрегатов подвижного состава относят к категории ответственных. К высокоответственным относят такие узлы, как тележки, колесные пары, автосцепки, крестовины и другие, которые требуют при восстановлении использования особых технологий и материалов [94]. Наиболее распространёнными дефектами узлов подвижного состава и верхнего строения пути являются износ, трещины, сколы и другие [121].
Проведенный анализ эксплуатации подвижного состава показывает низкую надежность группы деталей, работающих в условиях интенсивного износа рабочих поверхностей. Установлено, что такие детали, как центрирующие балочки, автосцепки, клинья, буферные тарели, пятники, лабиринтовые кольца и другие, производятся из сталей с низким содержанием легирующих элементов, вследствие чего уровень механических свойств не всегда является удовлетворительным. Основные неисправности подвижного состава, восстанавливаемые сваркой и наплавкой, приведены в табл. 4.1 [95].
Задача создания наплавочных порошковых проволок состоит в установлении закономерностей влияния состава шихты порошковой проволоки на свойство формируемых покрытий и получении математических зависимостей, позволяющих определять соотношения массовых долей компонентов шихты наплавочной порошковой проволоки, обеспечивающей твердость наплавляемого металла в широком диапазоне (250500 НВ) и износостойкости выше стали 20ФЛ, а также обеспечивающей ударную вязкость не менее 2530 Дж/см2
Корпус автосцепки 15ГЛ, 20ФЛ, 20ГЛ, 20Г1ФЛ, 20Л - наплавка передней поверхности полочки для верхнего плеча предохранителя и серповидного прилива; - наплавка цилиндрической поверхности и торца шипа для замкодержателя; - наплавка изношенных стенок двух отверстий для валика подъемника; - наплавка места опоры стенки замкодержателя на корпусе с внутренней стороны; - наплавка нижней перемычки в окне для замка и задней наклонной части дна кармана в месте опоры замка; - наплавка изношенных поверхностей хвостовика, соприкасающихся с тяговым хомутом, центрирующей балочкой и стенками ударной розетки; - наплавка изношенной торцевой поверхности хвостовика;
Как показывает проведенный анализ, основной материал конструкций это сталь в виде сортового, листового и фасонного проката. Эксплуатация подвижного состава протекает в тяжелых условиях. Это большие ударные нагрузки, вибрации, колебание температуры, абразивная среда. Детали и узлы подвижного состава помимо того, что должны иметь высокие эксплуатационные и механические свойства, также обязаны соответствовать требованиям оптимальной технологии ремонта, обладать требуемой свариваемостью.
Под эти требования подходят конструкционные низколегированные и углеродистые стали (табл. 4.2). Они используются в наиболее металлоемких узлах таких, как автосцепки, рамы локомотивов, вагонов и тележек, оси, бандажи, колесные центры, опорные и поворотные узлы и т.д. [121125].
Выбор элементов для легирования проводился с опорой на многолетний опыт эксплуатации и ремонта подвижного состава. Детали подвижного состава подвержены коррозионно-механическим и контактно-усталостным видам износа. Твердость формируемых покрытий ударно-тяговых поверхностей пассажирских и рефрижераторных вагонов, а также вагонов электропоездов должна быть не менее 450 единиц по Бринеллю, а для локомотивов и грузовых вагонов не менее 250 [95].
Из литературного анализа [19, 58] можно сделать вывод, что высокие механические свойства (твёрдость, ударная вязкость, износостойкость, отсутствие азотной пористости) обеспечивают такие элементы, как марганец, углерод, кремний и хром.
Углерод повышает прочность и твёрдость металла, однако содержание углерода в наплавленном металле эффективно в интервале 0,2…0,35 %. Это повышает твёрдость формируемых покрытий от 130 до 180 НВ. Также образование (CO) в сварочной ванне уменьшает содержание азота в расплавленном металле, повышая качество наплавленного металла. Большое содержание углерода в наплавленном металле способствует повышению твердости, при этом свариваемость ухудшается.
Марганец повышает прочность и твёрдость металла, а при концентрации до 1,4 % значительно увеличивает ударную вязкость формируемых покрытий. Установлено, что его влияние на растворимость азота аналогично кремнию и углероду. Марганец образует с железом твердый раствор, связывая при этом серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. При высоком содержании марганца сталь приобретает исключительно большую твердость и сопротивление износу, однако свариваемость ухудшается, поскольку велика вероятность появления трещин [3537].
Хром при содержании от 0,3 до 35 % увеличивает прочность и твердость металла, а также стойкость к образованию коррозии. Хром карбидообразующий элемент, при высокой температуре образует карбиды, затрудняющие процесс сварки.
Кремний также повышает твёрдость металла, однако его содержание более 0,8…1 % приводит к резкому снижению ударной вязкости, поэтому большее количество кремния в наплавленном слое нежелательно. Увеличение содержания кремния приводит к уменьшению содержания азота в расплаве, что благоприятно влияет на плотность металла.