Введение к работе
Актуальность работы. Создание технически совершенного, экономичного и качественного штампового инструмента для деформирования горячего металла является важной научно-технической проблемой, актуальность которой непосредственно связана с задачами, решаемыми с помощью сварочных процессов.
Большие резервы в повышении ресурса прессовых штампов заложены в технологических возможностях наплавки их рабочих поверхностей термо- и износостойкими сплавами.
Крупный вклад в разработку научных и технологических основ наплавки штампов и металлургического инструмента внесли российские и зарубежные ученые И. И. Фрумин, И. К. Походня, М. И. Разиков, Л. Н. Бармин, В. П. Демянцевич, Ф. Д. Кащенко, В. Н. Кальянов, Л. К. Лещинский, В. Г. Радченко, В. Д. Орешкин, Г. В. Ксендзык, И. А. Рябцев, И. А. Кондратьев В. А. Быстров, Е. Н. Сафонов, Ю. М. Кусков, В. А. Короткое, Pease Е., Murray P., Andrews D., Bransali К., Crook P., Dilawary A., Friedman L., Hickl A., Evans C, Johnson P. и многие другие.
Вместе с тем относительно небольшой объем научных данных в области теории и практики наплавки рассматриваемых объектов, обрабатывающих нагретый до 700... 1100 С металл, свидетельствует о недостаточной изученности сложного влияния циклического термосилового воздействия (ЦТСВ) на свойства наплавленного металла, что в условиях длительного контакта инструмента с горячими заготовками (выдавливание, прессование, калибровка, прошивка, экструзия) не позволяет существенно повысить его ресурс даже с применением дорогостоящих типов наплавленного металла, содержащих большое количество дорогостоящих вольфрама и кобальта.
Остаются недостаточно изученными металлургические и сварочно-технологические проблемы формирования более стойкой в условиях ЦТСВ композиционной структуры термо- и износостойких сплавов. Это обусловливает актуальность формулирования научно-обоснованного подхода к разработке технологических процессов наплавки и наплавочных материалов, заключающегося в решении триединой задачи, направленной на изучение физико-химических закономерностей изнашивания наплавленного металла и составление на основе полученных результатов научно обоснованных сварочно-технологических требований к нему, а также к способам наплавки. Такой подход определяет строгую, соответствующую определенным термосиловыми параметрам нагружения изделий и характеру их взаимодействия со средой, регламентацию свойств и более узкое технологическое назначение вновь разрабатываемых материалов. Актуальность выбранной темы диссертационного исследования, определяемая потребностью промышленности в новых термостойких материалах и процессах их наплавки, подтверждена выполнением его части в рамках Сводного плана по сварочной науке и технике Научного и Координационного советов по сварке, проблема 0.72.01 в период
4 с 1981 по 1991годы, тем VIII-51; VIII-148; VIII-183 и др., а также по направлениям "Развитие научного потенциала высшей школы", "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", грант А04-3.17-544, 2004 г.
Цель и задачи работы. Разработка и внедрение в промышленность новых материалов и технологий, обеспечивающих повышение эффективности прессовых штампов и металлургического инструмента для горячего деформирования сталей, на основе исследований физико-химических процессов износа и легирования наплавленного металла, а также теплофизических процессов электрошлаковой наплавки.
Исходя из цели работы были решены следующие научно-технические задачи:
Исследованы температурно-силовые условия работы и кинетика износа наплавленных деталей штампов. Выявлены причины, характер изменения структуры и свойств тонких приконтактных слоев наплавленного инструмента, подверженного термосиловому воздействию, а также обобщенны и развиты представления о физико-химических процессах их изнашивания. Сформулированы требования к наплавленному металлу и обоснованы системы его легирования, эффективные в диапазонах температур, С: 650.. .700; 750.. .900 и 950... 1100.
Научно обоснован подход к формированию термически стойкой в условиях ЦТСВ композиционной структуры наплавленного металла.
Разработаны составы двух порошковых и двух композиционных проволок для дуговой и электрошлаковой наплавки сплавов на основе железа с температурой эксплуатации до 700 С и - на основе никеля, стойкого до 900 С, а также сплавов с матрицами на основе никеля и алюминида никеля у'-№зА1, стойких, до 1100 С.
Создан метод склерометрического высокотемпературного испытания наплавленного металла на износостойкость, позволяющий количественно характеризовать износостойкость сплавов в температурно-силовых условиях деформирования их поверхности алмазным индентором в инертной среде.
5. Выявлена на базе установленных закономерностей формирования струк
турно-фазового состава наплавленного металла взаимосвязь между количествен
ным соотношением легирующих элементов в высокоуглеродистых хромомолиб-
деновых наплавочных сплавах на железной, а также на никелевой основе и сва-
рочно-технологическими свойствами наплавленного металла.
На основе исследования электро- и теплофизических закономерностей ЭШН в секционном кристаллизаторе с полым электродом и использованием двухкон-турной схемы питания шлаковой ванны постоянным током разработаны новые способы наплавки, обеспечивающие формирование перегретой свыше 3000 С области в шлаке.
Разработана термокинетическая модель расплавления в шлаке композиционной проволоки с двухслойной Ni-Al оболочкой и тугоплавким наполнителем, а также методика расчета ее состава.
Реализованы в промышленности научно обоснованные технологические процессы электрошлаковой и дуговой наплавки колеблющимся электродом, а
также установлены функциональные взаимосвязи между их электрическими и технологическими параметрами.
Научная новизна полученных результатов. Новым научным положением работы, основанном на раскрытии взаимосвязей между теплофизическими и сва-рочно-технологическими параметрами процессов ЭШН порошковыми и композиционными проволоками и направленным на установление их совокупного влияния на структуру и свойства термо- и износостойких сплавов с матрицами на основе железа, никеля и алюминида никеля №зА1, является создание научно обоснованных подходов к формированию композиционной структуры наплавленного металла для работы в условиях ЦТСВ при рабочих температурах до 1100 С.
Обобщены и развиты существующие представления о тепловом износе наплавленного металла при температурах свыше 700 С и напряжениях до 1000 МПа. Установлено, что при ЦТСВ в тонком приконтактном слое наплавленного металла аномально, на несколько порядков, ускоряется диффузия легирующих элементов, что приводит к его гомогенизации и снижению износостойкости; оценивать время гомогенизации предложено в зависимости от структурного и диффузионного факторов.
Разработана новая методика высокотемпературного склерометрического испытания сплавов, заключающаяся в деформировании их полированной поверхности алмазным индентором в инертной среде при постоянном значении температуры, скорости деформации и давления в зоне контакта индентора с металлом. На ее основе установлен коррелирующий с горячей твердостью показатель износостойкости, характеризующийся относительным объемом деформированного наплавленного металла и обеспечивающий более высокую достоверность экспериментальных результатов.
3. Теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность
формирования на поверхности инструмента, подверженного ЦТСВ при темпера
турах свыше 700 С двухслойного наплавленного металла с композиционной
структурой. Предложено более тонкий поверхностный слой такой композиции
формировать из сплава с жаропрочной матрицей, диффузия легирующих элемен
тов в которой в диапазоне рабочих температур замедлена, а нижележащий слой
выполнять из термостойкого металла с гетерогенной структурой, содержащей уп
рочняющие фазы в матрице и по границам зерен. Соотношение высот слоев в
композите следует определять, исходя из топологии теплового поля в инструмен
те.
Установлено, что композиционная структура и повышенные эксплуатационные свойства наплавленного металла, подвергающегося ЦТСВ с максимальными рабочими температурами до 700 С, реализуются в высокохромистых сплавах системы легирования Fe-Cr-Mo-C при соотношении атомных содержаний в них хрома и молибдена к углероду 2,5...3,0 и 0,3...0,5 соответственно, а при рабочих температурах до 900 С - в высокохромистых сплавах системы Ni-Cr-Mo-C при соотношении атомных содержаний в них хрома и молибдена к углероду 2,2.. .2,6 и 0,18... 0,25 соответственно.
Выявлен механизм формирования под действием термо деформационного цикла электрошлаковой наплавки термически стабильной в условиях ЦТСВ при температурах до 1100 С, гетерофазной, композиционной структуры наплавленно-
го металла с матрицей на основе у'-№зА1, заключающийся в перераспределении легирующих элементов в объемах дендритов у'-№зА1 и в междендритных пространствах, а также в образовании областей концентрационной химической микронеоднородности, характеризующихся выделениями интерметаллидов у'вт и к-фаз, а также монокарбидов тугоплавких металлов, имеющих стабильный размер, морфологию и распределение.
6. На основе результатов математического моделирования процесса ЭШН вы
явлен механизм и оценен эффект от суммарного воздействия циркуляции в шлако
вой ванне, вызванных перепадом температур и электромагнитным полем, заклю
чающийся в создании "гидравлического подпора", который, способствуя замедле
нию потока шлака, увеличивает время пребывания металлических капель в нем,
что улучшает качество их металлургической обработки, а также за счет формиро
вания плоской поверхности межфазной границы шлак-металл создает условия для
построения направленно кристаллизованной композиционной структуры наплав
ленного металла.
7. Установлено, что совокупность величин соотношений токов с секции
кристаллизатора и с полого электрода в пределах 0,8...1,2, а также объемной
плотности тока (до 550.. .650 А/мм ) в шлаке, находящимся в сферической полости
электрода, обусловливают качественно новый способ получения перегретой
свыше 3000 С области в шлаке, а также создают в нем термические условия для
равномерного расплавления содержащей туго- и легкоплавкие компоненты компо
зиционной проволоки и формирования однородных по химическому составу ме
таллических капель.
Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты послужили научной основой для создания новых эффективных составов, конструкций и способов изготовления порошковых и композиционных проволок и электродов, а также явились теоретической базой для разработки технологий дуговой и электрошлаковой наплавки деталей прессовых штампов, оправок, кулачков, экспандеров, валков трубопрокатного оборудования, ножей для резки горячего стального проката и другого металлургического инструмента, обеспечивающих увеличение их стойкости в среднем в 1,5...2,5 раза. Экономический эффект от внедрения новых технологических процессов наплавки и опытно-промышленных партий наплавочных материалов в производство на ОАО «Волжский подшипниковый завод», ОАО «Волжский трубный завод», а также промышленной апробации на ОАО ВМЗ «Красный Октябрь» и ряде предприятий составил в сопоставимых ценах 2006 года 11 млн. рублей (доля автора 50 %).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 5 всесоюзных и межреспубликанских научно-технических семинарах "Теоретические и технологические основы наплавки" (Киев, ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины: 1982, 1983, 1988, 1990, 1992 годы) и на 7 международных и всероссийских научно-технических конференциях: "Разработка, производство и применение инструментальных материалов" (Киев, ИПМ им. И. Н. Францевича НАН Украины 1990), "Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (Волгоград, 1996), "Современные материалы и технологии-2002" (Пенза, 2002), "Сварка на рубеже веков" (Москва, 2003), "МАТИ - Сварка XXI века" (Мо-
сква, 2003), "Сварка и контроль - 2004" (Пермь, 2004), "Новые и перспективные материалы и технологии" (Волгоград 2004), а также на 25 региональных научно-практических конференциях и научных семинарах в ВолгГТУ (1979-2007), в ДГТУ (Ростов-на-Дону, 2007) и в ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" (Санкт-Петербург, 2007).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 73 опубликованных печатных работах, в том числе в монографии, в 41 научно-технических статьях (в их числе 19 - в рекомендованных ВАК РФ центральных рецензируемых научно-технических журналах), 12 патентах и авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Основное содержание диссертации изложено на 291 страницах текста, иллюстрированного 175 рисунками и 31 таблицей. Приложение к диссертации содержит копии актов испытаний наплавленных изделий и внедрения результатов работы в производство, а также технические условия на изготовление разработанных наплавочных материалов.
