Содержание к диссертации
Введение
Глава I СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ КОМПО-ЗИЦИОНННЫМИ СПЛАВАМИ ДЕТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВИДАХ ИЗНОСА 13
1.1. Условия эксплуатации и виды высокотемпературного износадеталей металлургического оборудования 13
1.1.1. Условия эксплуатации, износ и упрочнение деталей агломерационного оборудования 15
1.1.2. Условия эксплуатации, износ и упрочнение деталей доменного оборудования 26
1.1.3. Условия эксплуатации, износ и упрочнение деталей прокатного оборудования 32
1.2. Роль твердых частиц композиционного сплава при высокотемпературных видах абразивного износа 51
1.3. Способы наплавки и материалы для упрочнения деталей, работающих при высокотемпературных видах износа 57
1.4. Существующие композиционные сплавы для упрочнения деталей, работающих при высокотемпературных видах износа 62
1.5. Способы упрочнения деталей композиционными сплавами 70 Выводы 76 Задачи работы 78
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 79
2.1. Характеристика исходных материалов для получения КС 79
2.2. Технология приготовления спеченных твердых частиц 81
2.3. Электрошлаковые технология получения КС 84
2.4. Исследование энергетических характеристик шлаковой ванны. Моделирование тепломагнитогидродинамического поля 87
2.5. Исследование макро-и микроструктуры КС 91
2.6. Определение механических свойств КС при повышенных температурах испытания 95
2.7. Измерение температурных деформаций и напряжений на поверхности раздела КС методом спекл-фотографии 99
Глава 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НАПЛАВКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ 101
3.1. Энергетические характеристики шлаковой ванны при ЭШТ получения КС
3.2. Натурно-модельная оптимизация параметров ЭШТ получения КС 106
3.3. Моделирование тепломагнитогидро динамики расплава шлака при ЭШТ получения КС 118
3.4. Исследование тепломагнитогидродинамического перемешивания шлаковой ванны при ЭШТ получения КС 121
3.5. Синтез рациональных программ управления технологическими процессами ЭШТ получения КС 13 5
3.6. Регулирование растворимости твердых частиц в матрице КС воздействием тепла шлаковой ванны при ЭШТ получения КС 149
3.7. Фрактография разрушения композиционных сплавов, полученных с использованием ЭШТ 151
Выводы по главе 3 159
Глава 4 РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СПЕЧЕННЫХ КАРБИДОВ ТИТАНА ТИПА ТН 20 161
4.1. Выбор и обоснование компонентов, составляющих КС 161
4.1.1. Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов КС. Обоснование выбора твердых частиц КС 162
4.1.2. Обоснование выбора сплава-связки КС 169
4.2. Возможности борирования поверхности твердых частиц КС 173
4.3. Нанесение покрытия Мо2С на твердые частицы КНТ 16 178
4.4. Прогнозирование свойств и разработка КС на основе спеченных твердых частиц типа ТН 20, КНТ 16, ОКНТ 26 180
4.5. Изучение физико-механических свойств разработанных КС 189
4.5.1. Смачиваемость твердых частиц сплавами-связками 189
4.5.2. Влияние поверхности раздела на прочность и характер разрушения КС на основе спеченных твердых сплавов типа ТН 20 208
4.5.3. Тепловая микроскопия КС 219
4.5.4. Внутренние остаточные макронапряжения на поверхности раздела КС и методы их релаксации 219
4.5.5. Испытания КС на абразивный износ при повышенных темпера турах 226
Выводы по главе 4 232
Глава 5. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ЭШТ УПРОЧНЕНИЯ КС И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 234
5.1. Способы ЭШТ упрочнения деталей частицами твердого сплава 934
5.2. Способы ЭШТ упрочнения деталей спеченными пластинами твердого сплава 2^7
5.3. Способы ЭШТ упрочнения деталей предварительно спеченным каркасом из твердосплавных пластин 240
5.3.1. Способы горизонтальной ЭШТ спеченным каркасом ^42
5.3.2. Способы ЭШТ упрочнения КС тел вращения 246
5.4. Способы ЭШТ изготовления бандажированных прокатных вал ков 251
5.5. Способы упрочнения плоских торцов вырубных штампов 267
Выводы по главе 5 9__
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
274 Литература
277 Приложения
306
- Условия эксплуатации и виды высокотемпературного износадеталей металлургического оборудования
- Характеристика исходных материалов для получения КС
- Энергетические характеристики шлаковой ванны при ЭШТ получения КС
Введение к работе
Актуальность работы. Многие детали металлургического оборудования работают в тяжелых условиях высокотемпературных видов абразивного износа. К их числу можно отнести звездочки роторных дробилок горячего агломерата, детали засыпных устройств доменных печей, валки прокатных станов горячего металла и многие другие.
Улучшение физических свойств агломерата и стабилизация его гранулометрического состава могут обеспечить ровный, стабильный ход доменных печей, полноту протекания металлургических процессов, увеличить выплавку чугуна на 9-И 1 %, снизить удельный расход кокса на 6+9 %, улучшить качество чугуна [56-58]. Каждый процент мелочи в железорудной части доменной шихты снижает производительность доменной печи на 0,6+0,8 % и повышает расход кокса на 0,4+0,7 % [61]. Содержание мелочи в скиповом агломерате не должно превышать 1+2 %. В начальный период работы дробильного органа агломашины обычно удается достигнуть таких показателей, но по мере износа бил роторных дробилок агломерата стабильность гранулометрического состава агломерата ухудшается, при этом увеличивается выход мелочи до 45 %, что требует соответствующих затрат на переработку агломерата [60].
Срок службы деталей засыпных устройств доменной печи (ЗУДП) на металлургических комбинатах России колеблется в широких пределах от 8 до 14 месяцев. Затраты на замену ЗУДП, в зависимости от мощности доменной печи, составляют от 2-х до 6-ти млн. руб. Длительность замены ЗУДП доходит до 72 ч. Следовательно, каждая доменная печь ежегодно теряет более 1 млн. руб.
Одной из важнейших мер, способствующих увеличению выпуска проката, улучшению качества металлопродукции и снижению расходов по переделу, является повышение стойкости прокатных валков - основного рабочего инструмента прокатных станов. Статистические данные, полученные как в нашей стране, так и за рубежом, достаточно красноречивы: 6 % всей стоимости прокатного стана составляет стоимость прокатных валков; 20+25 % времени работы стана уходит на перевалки валков; в общих расходах по переделу затраты на валки по стану горячей прокатки составляют примерно 15+17 %.
Для повышения надежности и долговечности дробящих органов агломерата, засыпных устройств доменной печи и валков прокатных станов потребовались новые износостойкие КС, успешно работающие в условиях высокотемпературного абразивного износа [70-100, 154-224]. Разработкой КС занимались многие специалисты: Б.Е. Патон, Д.А. Дудко, Г.В. Самсонов, Ю.А. Юзвенко, И.К. Походня, Б.И. Максимович, А.П. Жудра, В.Д. Орешкин, В.Д. Кудинов и др. Среди известных КС наибольшее применение получил сплав на основе релита [87-97,171-180]. Однако, дефицитность, дороговизна релита (42СМ- 660 руб./кг) и технологические затруднения наплавки КС релит + сплав на основе железа, ввиду высокой растворимости релита в сплаве-связке [154-158, 183-191], побудили исследователей искать новые безвольфрамовые КС. Поэтому разработка ЭШТ упрочнения КС деталей металлургического оборудования, работающих в тяжелых условиях высокотемпературного износа, является весьма актуальной задачей, имеющей важное теоретическое и народнохозяйственное значение.
Настоящая работа выполнена в соответствии с Программой ГКНТ СССР и одобрена Координационным советом по сварке 25.09.86г. Раздел 7.02.4.; по Координационному плану Головного совета Минвуза РСФСР по программе "Порошковая металлургия" от 19.02.90 г. Раздел 7.01.08.; в соответствии с научно-технической программы Минвуза РФ от 19 12.2000 г. Грант № 01200103361.
Цель диссертации — создание основ электрошлаковых технологий (ЭШТ) упрочнения деталей разработанными безвольфрамовыми композиционными сплавами (КС), с прогнозированием закономерностей формирования структуры и свойств КС под воздействием параметров ЭШТ.
Научная новизна:
1. Разработана технология математического моделирования тепломассооб-менных процессов в электрошлаковой ванне, основными операциями которой являются: построение математической модели; объектно-ориентированная декомпозиция задач моделирования и построение объектной модели; синтез рациональных программ управления процессами ЭШТ упрочнения КС.
2. Составленное по математической модели регрессионное уравнение зависимости температуры нагрева твердых частиц от параметров ЭШТ, позволило определить оптимальные области подачи твердых частиц в расплав матрицы и разработать ряд новых технологий внесения частиц твердого сплава в зону наплавки при ЭШТ, предотвращающих их растворение и образование хрупких структурных фаз на поверхности раздела твердая частица - матрица за счет:
• исследованиями установлено, что направление движения потоков расплава шлака при ЭШТ нерасходуемым электродом, в отличие от расходуемого, идет от поверхности электрода к стенкам кристаллизатора, что благоприятно сказывается на термическом цикле нагрева твердых частиц, так как препятствует попаданию последних в высокотемпературную область шлаковой ванны;
• исследованиями установлено, что при введении твердых частиц 15-Ї-25 % от массы металлической ванны практически исключается растворение твердых частиц в матрице, за счет локального поглощения тепла металлической ванны. Этот локальный участок быстро кристаллизуется, фиксируя попавшие в него твердые частицы, удельный объем твердых частиц в матрице на поверхности износа может достигнуть 60 %, что обеспечивает высокую износостойкость.
3. С использованием физико-математического моделирования влияния энергетических характеристик шлаковой ванны на свойства КС, созданы основы для разработок новых ЭШТ внесения твердых частиц в зону наплавки и упрочнения различных конфигураций деталей, предотвращающих растворение твердых частиц в матрице и охрупчивание поверхности раздела твердая частица - матрица.
4. Теоретически обоснована возможность создания без вольфрамовых КС, базирующаяся на термодинамической и кинетической совместимости спеченных твердых сплавов на основе карбидов титана со сплавами-связками.
5. Впервые выполнены комплексные металлографические исследования, рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы для определения закономерностей влияния теплоэнергетических параметров ЭШТ, а также химического состава компонентов полученных КС на смачивание, взаимодействие фаз и образование хрупких структурных соединений на поверхности раздела твердая частица - матрица, ответственных за износостойкость при упрочнении быстроизнашивающихся деталей созданными безвольфрамовыми КС.
6. Развиты современные представления о природе получения спеченных твердых сплавов. Показано, что нанесение на поверхность частиц КНТ 16 барьерного покрытия из карбида молибдена Мо2С или твердого раствора (Ті, Мо)С и дополнительно Nb в пределах 0,05+0,5 вес. % улучшает смачиваемость, повышает предел прочности при изгибе до 1,5-5-1,6 ГПа, повышает износостойкость КС при ударно-абразивном высокотемпературном износе в 1,5+2 раза.
7. Развиты современные представления получения борированного слоя на поверхности твердых частиц за счет диффузии бора в твердые частицы с образованием карбоборидов титана, что приводит к увеличению микротвердости поверхности до 29+32 ГПа; повышению прочности сцепления твердых частиц с матрицей, вследствие улучшения смачивающей способности бора, обладающего самофлюсующими свойствами; повышению износостойкости в 2+2,5 раза упрочненных КС деталей, работающих при высокотемпературных видах износа.
8. Впервые для определения термических деформаций на поверхности раздела твердая частица - матрица КС применен метод спекл-фотографии, основанный на лазерной голографической интерферометрии с чувствительностью метода D =1,5 мкм, позволивший рассчитать остаточные термические напряжения, возникающие на поверхности раздела твердая частица - матрица. Показано, что с повышением температуры нагрева КС до 350 °С внутренние термические напряжения уменьшаются, прочность сцепления твердых частиц с матрицей возрастает, предотвращая их от выкрашивания, что приводит к повышению износостойкости КС при высокотемпературном абразивном износе в 2,5-ьЗ раза.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Разработана и защищена авторскими свидетельствами на изобретения серия КС с твердыми частицами на основе спеченных твердых сплавов из карбидов титана типа ТН-20, карбонитридов титана типа КНТ-16 и оксикарбонитрида титана типа ОКНТ-26 с различными сплавами связками, что позволило сократить расход дорогостоящего и остродефицитного карбида вольфрама [404-411].
Разработаны и защищены авторскими свидетельствами на изобретения способы ЭШТ упрочнения быстроизнашивающихся деталей композиционными сплавами на основе спеченных карбидов титана, позволяющие при меньшем весовом расходе твердых частиц в металлической ванне, сосредоточить их до максимально возможного содержания (60ч-90 %), за счет концентрации в местах интенсивного износа поверхности детали [412-417, 430].
Разработанными КС и новыми способами ЭШТ упрочнены звездочки дробилок агломерата, детали засыпных устройств доменных печей, прокатные валки горячего металла на ОАО "КМК", ОАО "ЗСМК" и ОАО КарМК, что повысило производительность и качество продукции агломерационных машин, доменных печей и прокатных станов за счет повышения срока службы звездочек дробилок агломерата в 3-г4 раза, ЗУДП в 1,5- 2,2 раза и прокатных валков в 2,5-5-2,8 раза. Суммарный годовой экономический эффект составил 13580000 руб. (тринадцать миллионов пятьсот восемьдесят тыс. руб. по ценам 2002 г), что подтверждено актами о внедрении новых разработок в производство, приведенных в Приложении.
Технологические разработки упрочнения звездочек одно-валковых дробилок агломерата электрошлаковым способом с применением КС на основе карбидов и карбонитридов титана типа ТН 20 экспонировались на ВДНХ СССР и отмечены, серебряной и бронзовыми медалями.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Физико-математическая модель и численно-аналитический алгоритм расчета нестационарных тепломассообменных процессов движения, нагрева твердых частиц в электрошлаковой ванне и степени растворения их в металлической ванне.
2. Методика аналитического описания физико-математической модели теп-ломассообменных процессов с разработкой алгоритма схемы распознавания класса КІС для предстоящей 1-й наплавки с заданными параметрами ЭШТ.
3. Физико-математическая модель конвективного теплообмена и электромагнитного перемешивания в электрошлаковой ванне, а также численные алгоритмы для расчета режимов ЭШТ упрочения КС быстроизнашивающихся деталей.
4. Разработка новых технологий ЭШТ получения КС и сосредоточение частиц твердого сплава в местах интенсивного износа детали, обеспечивающих максимальную износостойкость при высокотемпературных видах износа.
5. Прогнозирование закономерностей образования структуры КС под воздействием параметров ЭШТ, предотвращающих растворение твердых частиц в матрице КС и образование хрупких структурных образований на границе раздела твердая частица - матрица, обеспечивающих высокую износостойкость при высокотемпературных видах износа.
6. Развитие современных представлений о нанесении барьерных покрытий на частицы твердого сплава ТН 20, обеспечивающих повышение жаропрочности и износостойкости КС при высокотемпературных видах износа.
7. Регулирование термических деформаций на границе раздела твердая частица - матрица, обеспечивающих увеличение прочности сцепления твердых частиц с матрицей, а следовательно, повышение износостойкости КС при износе.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 29-ти Международных, Всероссийских, Зональных и Отраслевых научных конференциях и семинарах, включая Всесоюзный семинар «Обмен опытом по восстановлению и упрочнению деталей оборудования» (Москва, 1973); I, IV Всесоюзные НТК «Современные методы наплавки и наплавочные материалы» (Харьков, 1978, 1981); 10-11 Совещания по тепловой микроскопии «Структура и свойства металлических материалов в широком диапазоне температур» (Новокузнецк, 1982,1984); Отраслевые НТК «Пути повышения долговечности машин» (Свердловск, 1983,1987); Всесоюзные семинары «Пластическая деформация сплавов и порошковых материалов» (Новокузнецк, 1988, 1991); Расширенный научный семинар кафедры "Защитные и упрочняющие покрытия" УПИ им. СМ. Кирова (Свердловск, 1990); Всесоюзную НТК «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии» (Новокузнецк, 1991); Всесоюзное совещание «Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии» (Новокузнецк, 1991); III-IV Международные НТК «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (Новокузнецк, 1993, 1995); I Международную НТК «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, 1994); II Международную школу-семинар «Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах» (Барнаул, 1994); Международный семинар «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1995); I-II Международные НТК «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 1996, 2000); III-IV Международные НТК «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 1994, 1996); Международную НТК «Структурная перестройка металлургии: Экономика, экология, управление, технология» (Новокузнецк, 1996, 1997); I, IV Всероссийские НІЖ «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1982, 1997); IV Международную НТК «Актуальные проблемы материаловедения» (Новокузнецк, 1999); Всероссийскую НПК «Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы» (Новокузнецк, 2000); XV Уральскую школу металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Екатеринбург, 2000); II Всероссийскую НПК «Моделирование, программное обеспечение и наукоёмкие технологии в металлургии» (Новокузнецк, 2001); Заседание НТС ОАО «Запсибметкомбината», протокол №2 от 24.01.2002 г. (Новокузнецк); Расширенный научный семинар кафедры МиТОМ СибГИУ (Новокузнецк, 2002); Всероссийскую НПК «Металлургия: Реорганизация, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, 2002).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 46 статей в центральных журналах и сборниках научных трудов, из них 9 работ опубликовано индивидуально автором, включая три обзорные статьи в центральных журналах, 32 тезиса докладов на НПК и семинарах, получено 34 авторских свидетельства и патентов на изобретения.
Структура и объём работы. Основное содержание изложено на 277 страницах, список использованной литературы из 437 наименований на 29 стр. и Приложения на 34 стр. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, включая 104 рисунка, 34 таблицы, 84 формулы и Приложения.
Выражаю глубокую признательность докт. техн. наук, профессору Верёвки-ну Валерию Ивановичу за многолетний плодотворный совместный труд, позволивший выполнить нам поставленную задачу и опубликовать в соавторстве ряд работ, включенных в настоящую диссертацию с его согласия.
Условия эксплуатации и виды высокотемпературного износадеталей металлургического оборудования
Эксплуатационные показатели работы металлургических агрегатов во многом зависят от способности материала деталей сопротивляться воздействию абразива и окислительной среды при высокотемпературном абразивном износе. Детали оборудования в процессе работы изнашиваются, нагреваются, теряют свои первоначальные свойства и, с течением времени, выходят из строя. Поэтому работа оборудования зависит от износостойкости, термостойкости, прочности и коррозионной стойкости материала детали [50-62].
Многие детали металлургического оборудования работают в тяжелых условиях высокотемпературного абразивного и газоабразивного износа. К их числу можно отнести детали палет агломерационных машин, ножи, срезающие агломерат с аглолент, звездочки одновалковых и роторных дробилок горячего агломерата, колосники спекательных машин, детали засыпного устройства доменных печей (ЗУДП), валки прокатных станов горячего металла и многие другие. Диапазон рабочих температур перечисленных деталей весьма широк. Так например, детали дробильного агломерационного оборудования, соприкасаясь с раскаленным агломератом, температура которого в центре аглоспека достигает 900-И 100 С, могут нагреваться до 600 С, а контактирующая поверхность в микрообъёме до 800 С [50-54, 57-62, 347, 386, 402].
Поскольку от работы дробильных органов горячего аглоспека зависит стабилизация гранулометрического состава агломерата и его прочностные характеристики, влияющие на устойчивое протекание металлургических процессов и ровный ход доменной печи, следовательно, в дальнейшем за основу будем рассматривать закономерности высокотемпературного абразивного износа роторных и одновалковых дробилок агломерата, а также газоабразивный износ засыпных устройств доменной печи.
Процессы, протекающие при высокотемпературном абразивном износе трущихся поверхностей при повышенных температурах, сложны и малоизученны. Как представляют такие исследователи, как И.В. Крагельский, Б.И. Костецкий, М.М. Тененбаум, М.А. Тылкин, М.М. Хрущов, М.А. Бабичев, Л.Н. Бармин и другие, при этом могут происходить процессы пластической и упругой деформации, скалывание или отрыв частиц металла, растрескивание поверхности, изменение микро- и субмикроструктуры, диффузионные и окислительные процессы, приводящие под воздействием значительного давления к молекулярному сцеплению частиц трущихся поверхностей [35-47, 49-55].
Работ в области изучения высокотемпературной износостойкости деталей металлургического оборудования выполнено относительно немного. К ним относятся работы И.И. Фрумина, Е.И. Лейначука, М.А. Тылкина, Ю.А. Юзвенко, Л.Н. Бармина, К.Л. Лещинского, СВ. Гулакова, Ф.Д. Кащенко и др. [27-30, 50-55, 69-72, 105-117, 386-388]. Условия эксплуатации и износ агломерационного оборудования и ЗУДП рассмотрены в работах [50-91, 386, 388, 402]. Из всего ломерационного оборудования дробильные органы подвержены наиболее интенсивному высокотемпературному абразивному износу, следовательно, работу и упрочнение этих органов необходимо рассматривать более пристально, поскольку они лимитируют стабильность гранулометрического состава агломерата и межремонтный период агломерационной машины.
Характеристика исходных материалов для получения КС
Исследуемые композиционные сплавы (КС) состоят из твердой износостойкой фазы на основе спеченного карбида титана и сплава-сзязки. В качестве твердой фазы использовали спеченный твердый сплав на основе карбида титана типа ТН 20 ГОСТ 26530-85, карбонитрида титана типа КНТ 16 и окси-карбонитрида титана типа ОКНТ 26. Химический состав спеченных твердых сплавов на основе карбидов титана приведен в таблице 2.1 [9, 230-231 ].
Во всех марках сплавов допускается содержание вольфрама в карбидной составляющей до 4,5%. Для изготовления сплава марки ТН используется карбид титана нестехиометрического состава ТіСо,85+ТіСо,94- Оксикарбонит-рид титана содержит следующие компоненты, вес.% С 16-И 9%; N2 0,3+12%, 02 0,1+5%. Физико-механические свойства спеченных твердых сплавов приведены в таблице 2.2 [10-26].
Таблица 2.2- Физико-механические свойства спеченных твердых сплавов
Марка сплава Плотность,рМг/м3 Модуль упругости, Е ГПа Коэффициент термическогоэасширения, K-i 106 Коэффициент Пуассона, ц Предел прочности при изгибе, стизг ГПа Предел прочности при сжатии, асж ГПа Твердость по Рок-веллу, В качестве сплава-связки использовали сплавы, имеющие собственные износостойкие фазы и низкую температуру плавления. К таким сплавам относятся: "колмоной", "сормайт" и сплав "мельхиор".
Сплавы-связки выпускаются в виде гранулированных порошков Торезским заводом твердых сплавов по ГОСТ 21448-75: "сормайт" - порошок типа ПГ-С1, соответствует наплавленному металлу У30Х28Н4С4; "колмоной" порошок ПГ-СРЗ, наплавленный металл 55Х16Н75СЗРЗ; медноникельмарганцевый мельхиор - МНМц 60-20-20. В качестве плавящегося электрода применяли порошковые проволоки и ленты, обеспечивающие наплавленный металл типа сормайт У30Х28Н4С4, выпускаемые по ТУ 48-19-43-73. Химический состав сплавов-связок, применявшихся при получении КС, приведен в таблице 2.3 [27-29].
Физико-механические свойства наплавленного металла, полученного при наплавке КС на основе ТН 20 с исследуемыми сплавами-связками, приведены в таблице 2.4 [10-26].
Для ЭШТ получения КС на основе карбидов титана, с целью предотвращения окисления твердой фазы использовали безокислительные основные флюсы, выпускаемые промышленностью в соответствии с ТУ ИЭС 57Ф-73. Химический состав флюсов и их основные физические свойства приведены в таблице 2.5.
С целью получения КС на основе спеченных карбидов титана с заданными свойствами спеченные твердые частицы готовили при участии автора в лаборатории №2 ЧФ ВНИИТС г. Чирчик, Узбекистан (см. Приложение). За основу был принят способ получения гранул твердого сплава из отходов производства и технологического брака, не подлежащего исправлению [130]. Только на одном комбинате по производству жаропрочных и твёрдых сплавов ежегодно образуются десятки тонн подобных отходов. Использование их в качестве наплавочных материалов экономически целесообразно.
Кусковые отходы и забракованные изделия для охрупчивания (за счет интенсивного роста зёрен при высоких температурах) обжигали при температуре 2250-г2300С в графитово-трубчатой электропечи сопротивления в среде водорода (для предотвращения окисления). После обжига отходы в виде спечённого блока очищают от графита, обдувают сжатым воздухом и дробят в щековой дробилке. Раздробленные отходы просеивали через вибросито и подавали на валковую дробилку, с последующим рассевом и классификацией по фракциям в пределах 1,2-5-6,0 мм.
Энергетические характеристики шлаковой ванны при ЭШТ получения КС
Для подтверждения возможности практического использования ЭШТ и разработки способов наплавки КС на основе ЭШТ, с использованием спеченного твердого сплава типа ТН 20, необходимо изучить влияние параметров наплавки на температурные поля шлаковой ванны, с целью регулирования растворения твердых частиц в матрице КС. Это позволит уточнить допустимый диапазон толщин наплавленного слоя, разработать перспективные способы подачи твердых частиц в зону наплавки, определить оптимальные опорные значения режимов ЭШТ, разработать приёмы управления технологическими процессами, предотвращающие растворение частиц твердого сплава в матрице.
Непосредственный замер температуры шлаковой ванны затруднен высокой температурой и агрессивностью шлака. Поэтому для повышения надежности и снижения трудоемкости замера температуры шлаковой ванны в работе использовался экспериментально-модельный способ определения температур. При различных параметрах ЭШТ получения КС измерялась лишь температура в низкотемпературной приграничной области шлаковой ванны. Температурное поле ванны рассчитывалась по математической модели. При моделировании использовались экспериментально найденные краевые условия. Взаимосвязанное численное описание электрического и теплового, иначе электротеплового поля шлаковой ванны можно осуществить с помощью методики, основанной на способе численного сеточного моделирования [273-292].
Для оценки температур внутренних объёмов шлаковой ванны в каждом из 16-ти опытов и в центре плана применяли математическое моделирование. При моделировании начало координат располагается в центре дна прямоугольной шлаковой ванны с наплавленным слоем. Ось абсцисс X направлена по ходу движения электрода, ось ординат У - поперёк детали, ось аппликат Z -вертикально вверх. Предполагается, что краевые условия задачи моделирования температурных полей шлаковой ванны соответствуют симметрии температуры относительно оси аппликат. Учитывая нестационарный характер тепловых процессов при наплавке КС по слою шихты, и особенно при дозированной подаче твердых частиц в шлаковую ванну, при описании температурных полей в каждом сечении шлаковой ванны в предположении изотропности пространства за основу было взято уравнение теплопроводности (3.1) [274]:
дт/дт = aV2T + qv /(ер), (3.1) где Т = f (X, У, Z, т) - температура в точке ванны с координатами, X = const, У, Z в момент времени т; а = А/(ср) - средняя температуропроводность; X и с - средние теплопроводность и удельная теплоёмкость; р - средняя плотность шлака в описываемом диапазоне температур; qv - плотность теплового потока в самом элементарном объёме; V Т2= д Т Iду2 + д2Т Idz2 - оператор Лапласа, записанный для двумерной области в декартовой системе координат.
По результатам математического моделирования строили распределение температуры шлаковой ванны в каждом опыте и в центре плана эксперимента. Наибольший интерес с точки зрения качества наплавленного слоя представляет анализ температур в хвостовой области шлаковой ванны, пройденной электродом. Пример построения температурного поля по одному из опытов показан на рисунке 3.1. Характер распределений температуры является общим для всех температуры в каждой точке шлаковой ванны и наплавленного слоя во времени. После прохождения электрода температура отдельных точек наплавленного слоя продолжает повышаться, достигая максимума Ттах и далее снижается. Время достижения и величина Ттах для разных точек поперечного сечения различные [336-338, 356]. Оптимальные температуры наплавки лежат в пределах 1150ч-1350С. Установлено, что этому диапазону нагрева в большей мере соответствуют следующие параметры ЭШН: IH = 350-=-420 А, иш.в= 33+38 В, VH = 0,8-5-1,2 м/ч,Нм= 12-ь 14 мм, Д 3 = 35-=-40 , Вш.в= 65ч-100 мм. Как следует из рисунка 3.1, в зоне максимальных температур нижние слои шихты перегреваются меньше, чем верхние. Поэтому для того, чтобы избежать перегрева твердых частиц и растворения их в матрице, рекомендуется насыпать шихту в два слоя: нижний слой - частицы спеченного твердого сплава ТН 20, верхний слой - гранулированный порошок сплава-связки, например ПГ-СРЗ (колмоной). При нагреве шихты расплавом шлака, сплав-связка расплавляется, хорошо смачивает твердые частицы, сплавляя их между собой и с материалом детали.
