Введение к работе
Актуальность работы. Важным фактором подъема экономики страны является развитие ресурсосберегающих технологий и создание новых материалов комплексной переработкой минерального сырья и использование отходов различных производств. Одним из ключевых направлений развития промышленности является создание новых сварочных материалов, обладающих высокими физико-механическими и технологическими свойствами, а также разработка экономичных и экологически чистых технологий их получения.
В настоящее время эта проблема решается путем использования дорогостоящих легирующих элементов. Однако в связи с истощением минеральных ресурсов и ухудшением экологической обстановки перед материаловедением поставлена задача использования рудного сырья без глубокой технологической переработки и создания предприятий, территориально приближенных к его добыче.
Для Дальнего Востока эта проблема является наиболее актуальной в силу отсутствия развитой промышленной базы для переработки и производства материалов. Дальневосточный регион, обладая уникальными сырьевыми запасами, отправляет их в Центральные регионы страны, а готовую продукцию (в том числе сварочно-наплавочные материалы) закупает по высокой стоимости. Это требует поиска новых методов и технологий создания материалов, учитывающих как экономические, так и экологические аспекты. Наиболее остро эта проблема ощутима в сварочно-наплавочных технологиях, широко используемых в промышленности, строительстве, на транспорте, а также при создании, эксплуатации и ремонте технических устройств.
Для получения материалов на основе многокомпонентных ассоциаций преимущественно применяют три метода:
1) термический метод, основанный на исследовании взаимосвязи «состав-
свойство» между шлаком и металлом с помощью диаграмм плавкости;
метод расчета термодинамических и физико-химических свойств сварочных шлаков;
метод, основанный на технической кибернетике, при котором сварочная ванна представлена в виде сложной системы, в которой множество элементов находится между собой и окружающей средой в тесной взаимосвязи. Задача решается экспериментально-статистическими методами, позволяющими при неполном знании механизмов, явлений, происходящих в исходном минеральном сырье, подвергнутом воздействию высоких температур, давлений, электрических полей и т.д., создать математические модели, позволяющие установить оптимальный состав компонентов шлаковой системы.
Однако, несмотря на указанное, анализ работ, посвященных проблемам создания материалов, показывает, что данные подходы не обеспечивают качественного и быстрого решения поставленных задач, так как в них отсутствует общепринятая методология создания сварочных материалов на основе использования минерального сырья. А это представляет значительный научный и практический интерес
особенно для тех регионов, которые имеют большие запасы сырья и значительно удалены от центров его переработки. Для решения указанной проблемы необходимо создать такую методологию получения сварочных материалов, которая обеспечивала бы выбор компонентов шихты и создание шлаковой системы в целях получения высокой свариваемости и легирования наплавленного металла. В этих целях в настоящей диссертационной работе предпринята попытка создать методологию, основанную на предварительной экспертной оценке минерального сырья, путем воздействия концентрированных потоков энергии (электрической дуги, плазмы, электронного луча и т.д.).
Тематика выполненных и описанных в работе исследований соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации («Энергосберегающие технологии», «Технологические совмещаемые модули металлургических мини-производств»), утвержденным Президентом Российской Федерации 30 марта 2002 года № 577 и № 578.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка научных основ создания, технологии получения и практическое применение сварочных материалов с использованием импортозаменяющего минерального сырья.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
разработать научно-обоснованную методологию создания сварочных материалов на основе комплексного использования минерального сырья;
разработать технологические принципы получения шлаковой системы из многокомпонентного минерального сырья без его глубокой переработки;
исследовать влияние шлаковых систем на физико-механические и технологические характеристики формируемых покрытий;
разработать новые составы порошковых проволок для сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей, обеспечивающих высокие механические и эксплуатационные свойства;
использовать результаты исследования для практического применения при восстановлении и упрочнении деталей, работающих в условиях ударных нагрузок и интенсивного износа;
создать научно-исследовательский центр по разработке и производству сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона.
Научная новизна работы.
На основе использования общих методов научного познания и принципов материалогии разработаны: алгоритм получения шихты сварочно-наплавочных порошковых проволок; методика и установка для экспертной оценки качества компонентов шлаковой системы, позволяющие в 8-10 раз сократить объем экспериментальных исследований. Это послужило базой для создания методологии получения новых сварочных материалов из импортозаменяющего минерального сырья.
Разработана методология создания новых сварочно-наплавочных материалов, основанная на воздействии электрической дуги на минеральное сырье и последующем выборе рационального состава компонентов шихты порошковых проволок.
Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований процесса сварки и наплавки, включающий математический анализ, изучение физико-механических и эксплуатационных характеристик (твердость, износостойкость, ударная вязкость и другие), позволивший получить новые сварочные материалы.
На основе проведенных исследований установлены рациональные режимы сварочно-наплавочного процесса, обеспечивающего переход легирующих элементов из шихты в наплавленный металл с целью создания порошковых проволок, основанных на циркониевом концентрате.
Установлена возможность использования циркониевого концентрата и определены закономерности восстановления циркония, повышающего качество и свойства наплавленного металла, предъявляемого технологическими инструкциями по ремонту подвижного состава и элементов пути.
Получены математические зависимости и диаграммы, позволяющие осуществить прогнозирование состава шихты порошковых проволок и свойств наплавленного металла.
На основе разработанной методологии получены шлаковые системы для электродугового процесса, позволяющие создавать новые порошковые проволоки, обеспечивающие высокие физико-механические свойства формируемых покрытий при сварке и наплавке углеродистых и легированных сталей.
Практическая значимость работы.
Получена серия опытных порошковых проволок для наплавки углеродистых и низколегированных сталей, позволяющих получать твердость формируемых покрытий 200-500 НВ. Введенный в шлаковую систему цирконий способствовал образованию мелкозернистой структуры и повышению ударной вязкости с 80 до 140 Дж/см2.
Создана порошковая проволока для наплавки легированных высокомарганцевых сталей, обеспечивающая высокую твердость и износостойкость наплавленного металла в 1,5-2 раза превышающая работоспособность исходного материала.
Разработаны технология, оборудование и материалы, позволяющие получать формируемые покрытия с высокими механическими свойствами (А.с. № 1297363, А.с. № 1381866, патенты РФ № 55319, № 60808, № 2316608). Результаты исследования внедрены на ремонтных предприятиях Дальневосточной железной дороги, что подтверждается актом о внедрении с суммарным экономическим эффектом 9,2 млн.рублей.
Создан научно-исследовательский центр по разработке и производству сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона.
Личный вклад автора. Материалы, обобщенные в диссертации, являются результатом исследований, выполненных лично автором или под его руководством, и при непосредственном участии автора в лабораториях Дальневосточного государственного университета путей сообщения, институтов материаловедения и химии ДВО РАН. Диссертационная работа формировалась по результатам
исследований, в процессе руководства работой аспирантов и студентов по выполненным научным темам. В работу включены некоторые результаты исследований Д.В. Строителева и И.О. Романова, выполненных под руководством и непосредственным участием автора.
Автор выражает признательность коллективу кафедры «Технология металлов» ДВГУПС, лично профессору А.Д. Верхотурову и профессору Э.Г. Бабенко за оказанную помощь при выполнении диссертационной работы.
Апробация работы.
Основные результаты исследований были представлены на:
-43-й научно-практической конференции ученых транспортных вузов «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 22-23 октября 2003 г.);
-4-й международной научной конференции творческой молодёжи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 12-14 апреля 2005 г.);
-6-й международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 5-7 октября 2005 г.);
- 44-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные тех
нологии железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 25-26
января 2006 г.);
-Joint China-Russia symposium on advanced materials processing technology (Harbin, P.R. China, 21-22 August 2006);
6-й региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования. Образование» (Благовещенск, 6-28 сентября 2006 г.);
международной конференции «Материаловедение тугоплавких соединений: достижение и проблемы» (Украина, Киев, 27-29 мая 2008 г.);
IV Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 22-25 сентября 2008 г.);
международной научной конференции «Проблемы комплексного освоения георесурсов (Хабаровск, 16-18 сентября 2009 г.);
заседаниях кафедр: «Технология металлов» ПГУПС (г. Санкт-Петербург), «Технология сварки, материаловедение, износостойкость деталей машин» МИИТ (г. Москва) в 2005 г., а также в Институте «Материаловедения» ХНЦ ДВО РАН (г. Хабаровск) в 2007 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 52 научных работах, в том числе одна монография, 9 статей в реферируемых журналах из списка, рекомендованных ВАК, получены два авторских свидетельства и три патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 239 страницах. Текст содержит 162 рисунка, ПО таблиц, 3 приложения и 221 наименование библиографического списка.
Похожие диссертации на Разработка научных основ создания сварочных материалов с использованием минерального сырья
