Введение к работе
Актуальность работы. Проблемы экономии материальных ресурсов в промышленности и других областях народного хозяйства напрямую связаны с износостойкостью деталей машин, инструмента и оборудования. Большой потенциал в повышении эксплуатационных свойств интенсивно изнашивающихся под влиянием абразивной среды деталей нефтегазодобывающей, дорожно-строительной, горнорудной и другой техники заложен в использовании эффективных процессов электрошлаковой наплавки износостойкими сплавами. Значимый вклад в разработку абразивностойких наплавочных материалов внесли исследования Е. И. Лей-начука, Н. А. Гринберг, В. С. Попова, В. Д. Орешкина, Ю. А. Юзвенко, Б. В. Данильченко, А. П. Жудры и многих других, оказавшие большое влияние на развитие теории и практики создания композиционных наплавочных сплавов, упрочненных частицами тугоплавких соединений.
Выполненные Д. А. Дудко, Г. В. Ксендзыком, В. А. Быстровым, Ю. М. Кусковым, А. Я. Шварцером, D. Houl, U. Dakuort, A. Dilawary, D. Rawson и др. глубокие исследования в области разработки материалов и технологий для упрочнения и восстановления с помощью электрошлаковой наплавки металлургического инструмента и других изделий поставили ЭШН в ряд технологических процессов, конкурирующих как по производительности, так и по качеству наплавленного металла с дуговой наплавкой. Вместе с тем возможности каждого способа наплавки, особенно с использованием кристаллизаторов, сравнительно ограничены минимально допустимой толщиной слоя наплавленного металла.
Востребованы новые технологии ЭШН, однако объем публикаций как отечественных, так и зарубежных авторов в области разработки новых процессов электрошлаковой наплавки невелик. Это объясняется сложностью формирования структуры и свойств наплавленного металла в тонком слое, а также необходимостью разработки новых специализированных для электрошлакового процесса наплавочных материалов, в том числе и наиболее эффективных - порошковых проволок, обеспечивающих гарантированный переход тугоплавких микрочастиц в наплавленный металл. В этой связи разработка нового материала и создание технологического процесса ЭШН, позволяющего получить качественный наплавленный металл, упрочненный частицами диборида титана, представляет актуальную задачу сварочного производства.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением его части в рамках государственного контракта Министерства образования и науки РФ № 16.740.11.0017 и гранта Президента РФ МК-3708.2009.8 для поддержки научно-исследовательской работы молодых ученых РФ.
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является повышение износостойкости тонких слоев наплавленного металла путем упрочнения его частицам TiB2 при электрошлаковой наплавке порошковой проволокой.
Автор выражает глубокую благодарность заслуженному деятелю науки РФ, д-ру техн. наук, профессору В. И. Лысаку за формирование направления и анализ научной новизны диссертационного исследования.
Исходя из цели работы, были поставлены следующие научно-технические задачи, решение которых выносится на защиту:
На основе исследования электрофизических процессов в шлаковой ванне и установления взаимосвязи между ними и формированием наплавленного металла разработать конструкцию токоподводящего кристаллизатора и технологию ЭШН в горизонтальном положении тонких слоев (от 3 мм) металла на плоские поверхности деталей.
На основе исследования влияния количества и дисперсности частиц порошка диборида титана (TiB2), введенного в состав шихты порошковой проволоки, на характер формирования композиционной структуры и эксплуатационные свойства абразивностойкого наплавленного металла разработать состав порошковой проволоки для ЭШН.
Установить влияние наноразмерных частиц карбонитрида титана TiCN на структуру и износостойкость наплавленного металла.
На основе результатов склерометрических испытаний наплавленного металла уточнить критерий оценки стойкости его к абразивному изнашиванию для экстраполяции измеренной величины микрообъема деформированного при скра-бировании алмазным индентором наплавленного металла на значение относительной износостойкости.
Научная новизна работы заключается в установлении взаимосвязи между электрофизическими и технологическими параметрами процесса ЭШН и свойствами наплавленного металла со структурой искусственного композита, а именно:
Выявлен эффект перемещения зоны повышенного тепловыделения в шлаке к поверхности металлической ванны при размещении в токоподводящем кристаллизаторе диэлектрического элемента, что обусловливает снижение поверхностного натяжения металлического расплава и способствует качественному формированию тонкого слоя наплавленного металла на горизонтальной стальной поверхности.
Показано, что равномерное выделение тепла по ширине шлаковой ванны токоподводящего кристаллизатора достигается в результате введения в нее двух полых графитовых электродов, расположенных на расстоянии 1,7... 2,4 от диаметра электродов й?э при ширине ванны (4... 5,5)й?э и заглубленных в шлак на величину, определяемую отношением й?э /(2,1... 2,7).
Выявлено, что при содержании в порошковой проволоке тугоплавких частиц ТіВг с фракцией не менее 30 мкм, а также наноразмерных частиц TiCN в процессе ЭШН обеспечивается формирование структуры искусственного композита, состоящей из введенных в металлический расплав частиц TiB2, а также боридов, карбоборидов и карбонитридов других металлов, выделяющихся в матрице, что значительно повышает стойкость наплавленного металла к абразивному изнашиванию.
Установлено, что протекающие при ЭШН диффузионные процессы между микрочастицами ТіВ2, матрицей сплава и выделившимися в процессе его кристаллизации железохромистыми боридами и карбоборидами, приводят к формированию прочных химических связей в образованном искусственном композите, модифицированном наноразмерными частицами TiCN, что повышает его относительную (по сравнению с эталоном - отожженной сталью 45) износостойкость до 12,5.
Практическая значимость. Результаты исследований легли в основу разработанной технологии ЭШН деталей превенторов буровых установок. Новая технология внедрена в производство на ООО "ВМЗ Инжиниринг" с экономическим эффектом 300 тыс. руб. (доля автора 25 %). Разработаны способ ЭШН плоских поверхностей (патент РФ № 2397851), конструкции кристаллизаторов (патенты РФ № 82615, № 90727), наплавочная головка для ЭШН, состав порошковой проволоки (ТУ ВолгГТУ № 202 - 10), которые могут быть использованы для изготовления и восстановления различных деталей машин, механизмов и инструмента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных внутривузовских (2007-2010 гг.) ВолгГТУ и на 9 международных, всероссийских и региональных конференциях: всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии. НМТ-2008" (Москва 2008), международных научных конференциях "Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2007" и "НПМ-2010" (Волгоград 2007, 2010), всероссийской научной студенческой конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (Новосибирск, 2009), Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов" (Москва, 2010), XI, XIII, XIV и XIV региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 3 статьи в рекомендованных ВАК РФ центральных рецензируемых научно-технических журналах, 2 статьи в зарубежных научно-технических журналах, 9 статей в сборниках научных трудов и материалов конференций, 3 тезиса доклада на научно-практических конференциях, а также получено 4 патента РФ на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 160 страниц, 70 рисунков, 11 таблиц. Список использованной литературы содержит 138 наименований.
