Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПУТИ СОЗДАНИЯ ШИХТЫ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ ИЗ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ 9
1.1. Анализ современного состояния вопроса создания сварочных материалов 9
1.2. Выбор способа восстановления изношенных деталей и обоснование эффективности применения порошковых проволок для электродуговых способов сварки 13
1.3. Металлургические процессы при сварке (наплавке) порошковой проволокой 22
1.4. Особенности создания шихты порошковых проволок из минерального сырья Дальневосточного региона 27
1.5. Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ 38
2.1. Методика создания (разработки) состава шихты порошковых проволок 38
2.2. Оборудование для производства и исследования сварочно-наплавочных материалов 42
2.2.1. Оборудование для производства порошковых проволок 42
2.2.2. Оборудование для подготовки шихты 44
2.2.3. Оборудование для сварки и наплавки 46
2.2.4. Оборудование для металлографического анализа 47
2.2.5. Оборудование для химического и фазового анализов 48
2.2.6. Оборудование для анализа физико-механических и эксплуатационных свойств сплавов 49
2.3. Материалы для шихты порошковой проволоки 50
2.4. Выводы по главе 2 50
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВОЙ ГАЗОШЛАКООБРАЗУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ СЕРДЕЧНИКА ЦИРКОНИЕВОГО ТИПА ПОРОШКОВЫХ ПРОВОЛОК 52
3.1. Выбор компонентов и установление интервалов варьирования.. .. 52
3.1.1. Выбор и обоснование компонентов газошлакообразующей системы 52
3.1.2. Исследование возможности использования рутилового концентрата в качестве нитридообразующего компонента шихты 53
3.1.3. Исследование возможности использования циркониевого концентрата в качестве нитридообразующего, легирующего и рафинирующего компонента шихты 55
3.1.4. Исследование возможности использования графита в качестве газообразующего компонента шихты 64
3.2. Назначение факторов, определяющих работоспособность газошлако образующей системы 66
3.2.1. Исследование влияния газошлаковой системы на переход легирующих элементов 67
3.3. Выводы по главе 3 71
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ ВОССТА НОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ 73
4.1. Исследование газошлакообразующей системы ферромарганец —
графит - циркониевый концентрат 73
4.1.1. Исследование закономерностей перехода легирующих элементов из сердечника в наплавленный металл 78
4.1.2. Исследование механических и эксплутационных характеристик получаемых покрытий 92
4.2. Назначение состава шихты порошковой проволоки для восстановле
ния деталей из марганцовистой стали 98
4.2.1. Выбор и обоснование компонентов шихты 98
4.3. Исследование состава, структуры и свойств наплавленных покрытий 103
4.4. Выводы по главе 4 107
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ ПРОВОЛОК ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ВЫСОКОМАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ 109
5.1. Обоснование выбора восстанавливаемых деталей 109
5.2. Технология механизированной наплавки деталей порошковыми проволоками 111
5.3. Оценка работоспособности наплавляемых деталей в условиях эксплуатации 112
5.4. Оценка экономической эффективности применения порошковых
проволок 114
5.4.1. Расчёт себестоимости порошковых проволок 114
5.4.2. Анализ экономической эффективности применения порошковых проволок с использованием минерального сырья 122
5.5. Выводы по главе 5 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 128
ПРИЛОЖЕНИЯ 142
Приложение 1. Минеральное сырье Западного региона, используемое в сварочно-наплавочных материалах 142
Приложение 2. Минеральное сырье Дальневосточного региона Российской Федерации 146
Приложение 3. Акт внедрения разработанной порошковой проволоки на ОАО «Корфовский каменный карьер» 152
Приложение 4. Оценка санитарно-гигиенических показателей 153
- Анализ современного состояния вопроса создания сварочных материалов
- Методика создания (разработки) состава шихты порошковых проволок
- Выбор компонентов и установление интервалов варьирования..
Введение к работе
Экономическая стабильность России базируется на развитии ее регионов, в том числе и Дальневосточного, при освоении которого требуется решать множество научно-технических и экономических проблем. Выполнение поставленных задач направлено на рост наиболее значимых отраслей промышленности, одной из которых является сварочное производство. Развитие данной области позволит не только снабдить Дальневосточный регион дешевыми и качественными сварочными материалами на основе местной сырьевой базы, но и обеспечит возможность использования прогрессивного оборудования и сварочных процессов.
В настоящее время сформировался мощный арсенал технологий сварки. В результате анализа коньюктуры рынка установлено, что в странах с развитым машиностроением и судостроением (страны Европейского Союза, Япония и др.) соотношение ручной дуговой сварки к автоматической изменяется в сторону увеличения доли механизированных способов и составляет примерно 1 к 4. Одним из перспективных методов является использование самозащитных порошковых проволок (ПП), позволяющих формировать слои с широким спектром механических и эксплуатационных свойств. При этом исключается подача защитного газа и флюса, что повышает технологичность проведения сварочно-наплавочных работ. Применение данного способа является необходимым условием при развитии тяжелого машиностроения, судостроения и строительства, требующих высокопроизводительных способов сварки (наплавки).
Установлено, что при строительстве автомобильных и железных дорог, развитии горнодобывающей и золотодобывающей отраслей поверхности рабочих органов машин такие, как зубья ковшей экскаваторов, отвалы, дренажные черпаки, крестовины стрелочных переводов и т.д., имеют непродолжительные сроки службы и требуют значительных затрат на восстановление. Для обеспечения требуемого ресурса работы деталей их изготавливают, в основном, из стали 110Г13Л, которая, обладая высокой ударной вязкостью (300-350 Дж/см"), спо-
5 собна в процессе эксплуатации (при наклепе) обеспечить твердость рабочей
зоны до 530-560 НВ. Кроме того, для продления срока службы таких деталей можно применять различные способы (плазменное напыление, упрочнение взрывом и т.д.). Однако в условиях производства, в настоящее время, изношенные детали либо меняют на новые, либо используют непроизводительный и малоэффективный способ восстановления - ручную дуговую наплавку электродами (ЭА-395/9, ОК 86.08, ОК 86.20 и др.). В связи с этим исследована возможность восстановления указанных деталей высокомарганцовистой стали методом наплавки порошковой проволокой.
Работа выполнялась в соответствии с планами фундаментальных исследований Министерства путей сообщения, в рамках хоздоговорных и хозбюджет-ных исследований совместно с предприятиями Дальневосточной железной дороги, а также с программами вузов МПС Сибирских и Дальневосточных регионов и СО РАН по обеспечению и снижению эксплуатационных расходов и энергоресурсов: тема П 2000/1-10.2 «Создание и внедрение сварочно-наплавочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона для восстановления деталей подвижного состава, строительно-дорожных машин и элементов пути».
Цель работы;
Разработать и исследовать порошковую проволоку циркониевого типа для наплавки, повышающей эксплутационные свойства деталей из марганцовистой стали.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Разработать методику создания шихты порошковых проволок на основе результатов экспериментальных исследований;
Разработать и исследовать газошлакообразующую систему на основе концентратов, содержащих оксиды легирующих компонентов (Zr02, Si02, W2O3), восстанавливаемых в процессе плавления;
Исследовать закономерности перехода легирующих элементов из шихты в наплавленный металл;
Разработать состав сердечника порошковой проволоки, обеспечивающего высокие механические и эксплутационные свойства металла, наплавленного на марганцовистую сталь.
Опытным путем оценить эффективность применения созданной наплавочной порошковой проволоки в условиях эксплуатации.
Научная новизна работы:
Научно обоснована и обобщена методика создания сердечника порошковых проволок, заключающаяся в анализе требований, предъявляемых к свароч-но-наплавочным материалам, комплексном исследовании условий их реализации, а также указанной последовательности проведения экспериментов.
Впервые исследована возможность использования графита в качестве газообразующего компонента шихты, что позволило получить новую газошлако-образующую систему порошковых проволок, обеспечивающую снижение потерь легирующих элементов за счет образования монооксида углерода.
3. Впервые установлены условия восстановления циркония из циркониевого
концентрата, обеспечивающие переход в наплавленный металл до 0,37 мас.%
этого элемента (патент № 60888), что позволило:
а) обеспечить снижение износа наплавленного слоя за счет:
- измельчения зерна аустенита, что достигается образованием дополнитель
ных центров кристаллизации;
— образования упрочняющей фазы — комплексного нитрида глобулярной
формы;
б) исключить применение ферросплавов (ферротитана и алюминиевого по
рошка) и использовать восстановленный цирконий в качестве нитридообра-
зующего и легирующего компонента шихты.
Впервые получен сердечник порошковой проволоки циркониевого типа (на основе циркониевого концентрата), позволяющий получать высоколегированные покрытия за счет восстановительной атмосферы дуги и уменьшения окислительной способности шлака.
Получены регрессионные зависимости механических и эксплутационных характеристик формируемых покрытий, а также закономерности перехода ле-
7 гирующих элементов Mn, Zr и С в наплавленный металл в зависимости от
содержания в шихте ферромарганца, циркониевого концентрата и графита.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов исследования состава, структуры и свойств материалов путем использования методик и оборудования, аттестованных государственной и международными службами стандартизации и метрологии, а также производственной практикой.
Практическая значимость работы:
На основе разработанной газошлакообразующей системы получены наплавочные порошковые проволоки, обеспечивающие твердость наплавленного металла 150 ... 300 НВ и ударную вязкость 290 ... 300 Дж/см (при t = 20 С).
Получен новый состав шихты порошковой проволоки, повышающий работоспособность деталей, изготовленных из высокомарганцовистой стали (110Г13Л)в1,2...1,5раза.
Результаты исследования внедрены на ремонтном предприятии Корфов-ский каменный карьер.
На защиту выносятся:
Методика создания шихты порошковых проволок.
Результаты экспериментальных исследований по использованию циркониевого концентрата в качестве нитридообразующего и легирующего компонента сердечника.
Результаты экспериментальных исследований по созданию газошлакообразующей системы порошковых проволок.
Результаты экспериментальных исследований по созданию наплавочной порошковой проволоки на сталь 110Г13Л.
5. Результаты эксплуатационных испытаний покрытий, формируемых созданной порошковой проволокой.
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 мо-
8 лодежи "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.); 44-й Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности" (Хабаровск, 25-26 января 2006 г.); региональной научно-технической конференции творческой молодежи "Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования" (Хабаровск, 18-19 апреля 2006 г.); Joint China-Russia symposium on advanced materials processing technology, Harbin, P.R. China, August 21-22, — 2006; V Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке" (Хабаровск, 17-19 апреля 2007 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них пять - в рецензируемых журналах. Получены патенты № 55319 (заявка №2006104131), № 60888 (заявка №2006133705) .
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Содержит 153 страницы машинописного текста, 72 рисунка, 57 таблиц и библиографический список из 146 наименований.
Автор выражает благодарность заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору А.Д. Верхотурову и кандидату технических наук, доценту Е.М. Баранову за оказанную помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Работа выполнялась в Дальневосточном государственном университете путей сообщения на кафедре «Технология металлов» в 2002-2007 гг.
Анализ современного состояния вопроса создания сварочных материалов
Развитие производительных сил России невозможно без решения наиболее актуальных проблем, первоочередными из которых являются повышение прочности, надежности и долговечности деталей машин. Однако высокая стоимость технологического оборудования и нехватка запасных частей отрицательно сказывается на эксплутационной готовности машин. Увеличение же производства новых изделий неизбежно приводит к росту материальных и трудовых затрат. Поэтому целесообразно вторичное использование деталей и узлов агрегатов после их восстановления.
Восстановление деталей является основой эффективного ремонтного производства. Проблема подготовки ремонтного производства и организации восстановления деталей является более сложной по сравнению с производством новых. Образцы, поступающие на восстановление, имеют деформации, изношенные базы, остаточные структуры термообработки, трещины и пониженную усталостную выносливость. Все это требует детального изучения и учета при разработке технологических процессов. Восстановление и упрочнение деталей позволяет повысить их частный ресурс, а в некоторых случаях - значительно повысить долговечность агрегата.
Как показала практика, при выбраковке деталей по износу потеря массы не превышает 2 % от исходной, при этом прочность остается практически неизменной. До 80 % деталей после восстановления пригодны к дальнейшей эксплуатации, при этом себестоимость их не превышает 65-70 % стоимости новых, а расход материалов в ходе ремонта в 15-20 раз меньше, чем в основном производстве.
Уместно привести сведения о восстановлении деталей за рубежом.
В Японии восстановленные детали удовлетворяют 40 % потребности в запасных частях. В США, Германии и Австрии - до 30-35 % [1,2].
Анализ неисправностей и способов восстановления показывает, что особое внимание при восстановлении деталей уделяется электротермическим технологиям (сварка, наплавка и т.д).
В завершившемся столетии сформировался мощный арсенал технологий сварки, позволяющий получать неразъемные соединения практически любых конструкционных (металлических, неметаллических, композиционных и полимерных) материалов, толщиной от микрометров до метров, в условиях земной атмосферы, в космосе, а также под водой. В машиностроении, судостроении, энергетике, строительстве и других отраслях производства сварка является промышленной технологией соединения и восстановления, не имеющей серьезной конкуренции.
Соответственно современное сварочное производство — это одна из наукоемких составляющих мировой экономики, имеющая межотраслевой характер и достаточно устойчивую динамику развития. Такое развитие сварочного производства базируется на фундаментальных и прикладных исследованиях, высоком научно-техническом потенциале, квалифицированных трудовых ресурсах, эффективном трансфере нормативной документации сварочных процессов и инноваций в этой отрасли [3,4].
Научно-технический прогресс постоянно требует создания новых сварочных материалов. Однако, как указывается в [5—7], после распада Советского Союза Россия лишилась многих сырьевых источников производства сварочных электродов и флюсов, оказавшимися за ее пределами. Кроме того, кардинальные изменения в системе распределения сырья, снижение уровня контроля за его качеством, убыточность добычи и обогащения привели к необходимости поиска и освоения новых, близлежащих месторождений.
Методика создания (разработки) состава шихты порошковых проволок
Необходимым условием разработки технологии получения порошковой проволоки является выполнение определенной последовательности методов. Получение порошковой проволоки Анализ требований к сварочно- наплавочным порошковым проволокам и механизмы их реализации
Алгоритм по созданию порошковых проволок представлен нарис. 2.1. Для создания порошковых проволок первоначально были обоснованы основные требования, предъявляемые к сварочно-наплавочным материалам: Анализ и выбор компонентов
Научно-исследовательская рабоїа — защита расплавленного металла от воздействия газов (азота, кислорода, водорода). При этом оценивается пористость наплавленного металла; Внедрение разработанных порошковыч проволок на предприятия
- —формирование покрытий с заданными механическими и эксплутационными свойствами. Показателем Рис 1 Алгоритм Данного требования является ударная вязкость, твер создания порошковых д0сть, износостойкость и др. параметры; проволок
- обеспечение сварочно-технологических характери
стик (потери, отделение шлака и т.д.)
Каждое требование выполняется различными механизмами и способами в процессе формирования легированного покрытия. К примеру, пористость, вызываемую воздействием перечисленных газов, предотвращают следующими способами:
— путем использования газовой и шлаковой .защиты расплавленного металла;
— легированием металла шва нитридообразующими и раскисляющими металлами: марганцем, кремнием, алюминием, титаном, цирконием и др.;
- прокалкой шихты, а также использованием плавикового шпата
Для формирования покрытий с заданными свойствами используют два подхода:
- применение легирующих элементов в виде ферросплавов металлических добавок (ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан, ферробор, алюминиевый, никелевый, медный порошок и др.);
- использование концентратов, содержащих элементы в виде их оксидов (В203, Zr02,W03, МоОз, А1203, Fe203, MgO, ТЮ2, Cu20 и др.).
Первый подход наиболее распространен и широко используется в металлургии. Однако, в этом случае получаемые материалы выше по себестоимости в связи с отсутствием производств ферросплавов в Дальневосточном регионе.
Второй подход более экономичен, так как используемые концентраты находятся в Дальневосточном регионе и не требуют дополнительной переработки.
В процессе расплавления шихты имеют место восстановление металлов из руд и легирование ими получаемых покрытий. Применение этого подхода требует предварительных исследований, целью которых является изучение состава, структуры и свойств выбранных легирующих концентратов. Такая инфор- , мация необходима для установления дополнительных функций исследуемого материала (шлакообразование, газообразование, стабилизизация и т.д.).
Для выполнения третьего требования необходимо учитывать: химическую и физическую природу шлак, назначение коэффициента заполнения, выбор режимов сварки (наплавки). Это достигается назначением кислого или основного типа сердечника с последующим подбором экспериментальным путем режимов наплавки и коэффициента заполнения.
Выбор компонентов и установление интервалов варьирования
Для получения новой газошлакообразующей системы, способной обеспечить максимальный переход легирующих компонентов, а также исключающей необходимость удаления шлаковой корки в процессе наплавки, проведен выбор компонентов шихты (табл. 3.1). Исходя из выполняемых функции, были отобраны для проведения экспериментов рутиловый и циркониевый концентраты, являющиеся, как известно, хорошими шлакообразующими компонентами, обеспечивающими защиту расплавленного металла.
В тоже время в дуговом процессе при использовании компонентов, обладающих большим сродством к кислороду, возможно восстановить титан и цирконий из двуокиси. При этом обеспечивается нитридообразование, легирование, раскисление, рафинирование. Наиболее активным восстановителем является углерод, который может быть одновременно использован в качестве газообразующего, легирующего и раскисляющего компонента. Кроме него, в качестве легирующей, раскисляющей и рафинирующей добавки может также использоваться ферромарганец.
Так как наибольшее применение в шлаковых системах в качестве нитридообразующего элемента находит титан, на первом этапе исследований устанавливалась зависимость интенсивности перехода титана из шихты в наплавленный металл от содержания в шихте рутилового концентрата и графита. Результаты исследований представлены на рис.3.1
Массовая доля рутилового концентрата шихте, %
Как видно из рис.3.1, максимальное содержание титана в наплавленном металле составляет 0,33 мае. %. Восстановление титана происходит по следующей реакции:
Прогнозирование данной реакции происходит с учетом
термодинамических реакций и методике предложенной Б.Ф. Якушиным [107,108]. Протекание данной реакции доказывается расчетом свободной энергии Гиббса:
Исходя из полученных данных, можно сказать, что в температурных условиях дуговой сварки до температуры 3000 С, т.е. на стадии ванны, титан не будет восстанавливаться.
Расчет по реакции (1.1) показывает, что для восстановления 2-атома титана необходимо 15 г углерода. Однако, приводимая реакция не может исчерпывающе описывать все металлургические процессы протекающие в сердечнике под действием нагрева дуги. Вероятно, следующее совместное равновесие:
Расчеты по результирующей реакции совместного равновесия требуют такого количества данных, что вряд ли могут дать достоверный результат. Тем не менее опыт показывает, что титан восстанавливается в электродуговом процессе в присутствии углерода в неравновесных условиях при температурах существенно ниже 3000 С.
Опыт также показывает наличие развитой пористости в наплавленном слое с применением рутилового концентрата. Это вероятно, связано с тем, что рутил повышает вязкость шлака и одновременно расплава, что уменьшает скорость всплытия пузырьков газа.
Таким образом, использовать рутиловый концентрат в качестве нитридообра-зующего и легирующего элемента в составе шихты порошковых проволок нецелесообразно.
