Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований .12
1.1 Анализ применения биметаллических конструкций с использованием износостойких материалов в металлургической промышленности 12
1.2 Анализ существующих способов изготовления биметаллического металлообрабатывающего инструмента . 18
1.3. Состав и микроструктура износостойких наплавочных материалов, причины и способы предупреждения образования горячих и холодных трещин ... 24
1.4. Формирование микроструктуры и свойств износостойких материалов в процессе наплавки и последующей термической обработки 32
1.5.Технологические особенности наплавки ..35
1.6. Выводы по главе 1, постановка цели работы и задач исследований 42
ГЛАВА 2. Методики исследований механических и технологических свойств износостойких покрытий, полученных электродуговой наплавкой 46
2.1. Разработка методики определения ударной вязкости наплавленного металла 47
2.2 Методика оценки склонности наплавленного металла к образованию трещин .51
2.3. Методика определения износостойкости 55
2.4 Расчетная методика определение максимально допустимой длины наплавленного валика при наплавке износостойких сплавов короткими участками 57
2.4.1. Напряжения и деформации в наплавленном металле 58
2.4.2. Определение максимальной допускаемой длины участка валика наплавленного металла, свободного от трещин 71
Выводы по главе 72 76
ГЛАВА 3. Результаты исследований механических и технологических свойств наплавленного металла ... 77
3.1. Анализ твердости и микроструктуры 77
3.1.1 Определение режимов термической обработки для условий эксплуатации наплавляемых изделий 77
3.1.2 Исследование зоны сплавления основного металла с наплавленным 88
3.1.3. Исследование структуры сплава, применяемого для упрочнения рабочей поверхности футеровочных плит и выявление причины его низкой эксплуатационной стойкости 90
3.1.4. Определение возможности восстановления цельных ножей из стали СтЗ на основании исследования сварного соединения разнородных сталей 92
3.1.5. Исследование влияния полного цикла термической обработки наплавленного металла 97
3.2. Анализ результатов исследования ударной вязкости 104
3.3. Анализ склонности наплавочных материалов к образованию трещин 108
3.4. Анализ износостойкости .110
Выводы но главе 3 .113
ГЛАВА 4. Разработка технологии изготовления и восстановления биметаллического металлообрабатывающего инструмента холодной резки металла и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит 115
4.1. Агрегаты и ножи обрезки торцевых кромок листового проката 115
4.2.1. Технология изготовления кромкокрошительного ножа .121
4.2.2. Технология изготовления и восстановления кромкообрезного ножа .128
4.2.3. Анализ производственных испытаний металлообрабатывающего инструмента .
4.3. Распределительный лоток засыпного аппарата доменной печи
4.4. Технология наплавки рабочей поверхности футеровочных плит Выводы по главе 4
Общие выводы и результаты работы .
Список литературы .
- Анализ применения биметаллических конструкций с использованием износостойких материалов в металлургической промышленности
- Разработка методики определения ударной вязкости наплавленного металла
- Определение режимов термической обработки для условий эксплуатации наплавляемых изделий
Введение к работе
Акгуальность работы. Износостойкие сплавы в последнее время применяются не только как материалы для упрочнения рабочих поверхностей деталей, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации, но и как составной элемент при изготовлении биметаллических изделий. Биметаллы, рабочая часть которых изготовлена из материалов в высокими эксплуатационными характеристиками, имеют преимущество по сравнению с цельными деталями но сроку эксплуатации и расходу дорогостоящих материалов.
Например, при производстве стального проката важное значение имеют агрегаты подготовки полосы, а именно кромкообрезные ножницы, в основе которых используются кромкообрезные и кромкокрошительные ножи, которые в настоящее время изготавливают цельными из инструментальных сталей 5ХВ2С, 6ХВ2С, ХВГ и других. В процессе эксплуатации используется всего 1... 10% от массы ножа, остальная часть идет в передел, что нерационально. Стойкость ножей из указанных сталей в условиях резания металла также невысока и составляет в среднем 2...3 рабочие смены, в зависимости от свойств обрабатываемого материала. Увеличение срока эксплуатации ножей позволяет сократить затраты и время на обслуживание и ремонт прокатного стана, а также значительно снизить себестоимость произведенного стального проката.
Одним из наиболее технологичных способов получения биметаллических изделий является электродуговая наплавка сплавов с требуемым комплексом механических свойств на основу из конструкционных сталей. Па данный момент существует группа перспективных наилавочных материалов, по составу и свойствам близких к быстрорежущим сталям и разработанных для изготовления биметаллического металлорежущего инструмента с малыми размерами рабочей части (фрез, метчиков, резцов и других). Но основным препятствием к более широкому применению данной группы сплавов явля- ется склонность к образованию трещин при наплавке изделий с большими объемами наплавленного металла.
В связи с вышеизложенным, разработка технологий наплавки износостойких сплавов при изготовлении биметаллов, позволяющих предупредить появление трещин в наплавленном металле и увеличить срок эксплуатации наплавляемых изделий, является актуальной задачей.
Цель работы: разработка научно обоснованной технологии наплавки материалов с отсутствием дефектов в износостойком наплавленном слое для изготовления биметаллов с наплавленной рабочей частью.
Достижение поставленной цели предполагало решение следующих задач:
Проанализировать существующие способы изготовления биметаллического металлообрабатывающего инструмента и способы предупреждения образования трещин при наплавке износостойких материалов;
Разработать методики исследований механических свойств, износостойкости и склонности к образованию трещин наплавляемых материалов, позволяющих в комплексе выбрать сплав для наплавки определенного вида изделий;
Провести испытания и определить физико-механические и эксплуатационные свойства наплавочных материалов для изготовления биметаллических изделий, работающих в условиях абразивного изнашивания и резания металла;
Определить режимы термической обработки после наплавки исследуемых материалов на основании результатов испытания свойств по разработанным методикам;
Разработать расчетную методику определения длины участка валика наплавленного металла, позволяющую избежать появления трещин, в том числе с использованием предварительного подогрева и определить влияние деформации изделия в процессе наплавки и охлаждения на величину внутренних напряжений в нем;
6. Разработать технологии изготовления и последующего восстановления кромкокрошительных и кромкообрезных ножей, используемых при производстве стального проката, способом наплавки короткими участками их режущей кромки и рабочей поверхности футеровочных плит износостойкими сплавами со схемами наложения валиков, позволяющие увеличить срок эксплуатации наплавляемых изделий. Провести их производственные испытания.
Методы испытаний.
Для анализа эксплуатационных свойств исследуемых наплавочных материалов проводились испытания на ударную вязкость, склонность к образованию трещин и износостойкость в условиях трения по абразиву. Проводились замеры твердости, в том числе при повышенных температурах, и металлографические исследования. Использовались как стандартные методики (замеры твердости и металлографические исследования), так и специально разработанные (определение ударной вязкости наплавленного металла). Разработаны установки для проведения исследований износостойкости и тре-щиностойкости наплавленных образцов.
Научная новизна.
Установлено, что ударная вязкость, износостойкость и склонность к образованию трещин являются основными характеристиками, позволяющими определить состав наилавочного материала для данного вида изделий. Впервые разработан специальный образец для определения ударной вязкости наплавленного металла, учитывающий его реальное состояние в процессе эксплуатации, а также предоставляющий возможность исследования ударной вязкости металла зон сплавления и термического влияния. Получены зависимости изменения указанных величин от температуры отпуска и количества наплавленных слоев.
Доказано, что деформация изделия в процессе наплавки не ведет к значительному уменьшению внутренних напряжений в наплавленном металле.
Следовательно, использование различных ограничений деформации (кондукторов, зажимов и других) не сказывается на процессе образования трещин.
Установлено, что основными факторами, влияющими на величину внутренних напряжений в наплавленном металле, являются его механические и теплофизические свойства (пластичность, прочность, коэффициент линейного расширения). Расчетами доказано, что предварительный подогрев положительно влияет на длину участка валика наплавленного металла при использовании технологии наплавки износостойких сплавов короткими участками в результате изменения указанных свойств наплавленного металла (увеличения пластичности).
Обосновано экспериментально и подтверждено результатами производственных испытаний, что технологический прием наплавки износостойких сплавов короткими участками является эффективным способом предупреждения образования трещин при наплавке, возникающих в результате действия внутренних напряжений. Впервые разработана расчетная методика определения допускаемой длины этих участков, позволяющая применять ее с учетом температуры предварительного подогрева при наплавке материалов различного химического состава.
Практическая значимость.
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований явились основой для разработки нового технологического процесса изготовления биметаллического металлообрабатывающего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит, включающего схему наплавки короткими участками расчетной длины и разработку соответствующего комплекса приспособлений.
Определен сплав 90Х4М4ВФ для наплавки режущей кромки металлообрабатывающего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит, удовлетворяющий по механическим свойствам, износостойкости и склонности к образованию трещин условиям эксплуатации наплавляемых изделий.
Полученные уравнения регрессии изменения свойств сплавов 90Х4М4ВФ, 10К18В11М10ХЗСФ и 110Х5М8В2С2ТЮ от температуры отпуска используются при определении оптимальных режимов термообработки указанных материалов для требуемых условий эксплуатации.
Разработаны методики и образцы для определения износостойкости, склонности к образованию трещин и определения ударной вязкости наплавленного металла.
Разработанная технология наплавки была использована при изготовлении опытной партии биметаллических кромкокрошительных и кромкообрез-ных ножей с наплавленной сплавом 90Х4М4ВФ режущей кромкой, используемых при производстве стального проката в ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Проведение производственных испытаний показало, что срок их эксплуатации в 1,8...2,1 раза превышает срок эксплуатации цельных ножей из стали 5ХВ2С, применяемых в настоящее время. В приложении к диссертации имеется акт о проведении производственных испытаний.
Достоверность основных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается применением апробированных методов испытаний и исследований, адекватностью полученных расчетных значений и экспериментальных данных, системным характером экспериментальных исследований с применением методов статистической обработки, а также практическим применением полученных результатов.
Апробация рабоїьі.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях с международным участием: «Славяновские чтения. «Сварка и контроль - 1999» (Липецк, 1999); «Сварка и контроль - 2001» (Воронеж, 2001); «Славяновские чтения. «Сварка и контроль - 2004» (Липецк, 2004); «Сварка и контроль -2004» (Пермь, 2004); V Всероссийской научно-практической конференции (Пенза, 2002); X юбилейной Российской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 40-летию образования КГТУ (Курск, 2003); научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.Л. Николаева (МГТУ имени Н.Э. Баумана, Москва, 2003); IX, X и XII областных научно-технических конференциях «Повышение эффективности металлургического производства» (Липецк, 2001-2004).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 28 печатных работах, получен 1 патент РФ и 1 решение о выдаче патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, приложений. Текст диссертации изложен на 165 страницах, содержит 74 рисунка, 13 таблиц и 2 приложения.
Анализ применения биметаллических конструкций с использованием износостойких материалов в металлургической промышленности
В настоящее время в связи с увеличением стоимости таких металлов как хром, молибден, вольфрам, кобальт и других, часто являющихся главными легирующими элементами в сталях и сплавах и обеспечивающих необходимый комплекс технологических свойств, актуальна проблема рационального использования материалов. Одним из способов такого их применения является разработка биметаллических конструкций, использование которых по сравнению с монолитными изделиями имеет ряд преимуществ, (увеличение срока эксплуатации, улучшение технологических свойств и других).
В данной главе показаны наиболее широко распространенные области применения биметаллических изделий с использованием износостойких материалов на основе дисперсионно-упрочняемых сплавов. Одним из основных и высокопроизводительных способов нанесения таких материалов является их электродуговая наплавка или сварка. Рассмотрены свойства наплавочных и сварочных материалов, близких по аналогичным характеристикам к использованным при изготовлении и воссіановлении металлорежущего инструмента и наплавке рабочей поверхности де і алей засыпною аппарата доменных печей и описанным в последующих главах настоящей работы.
Сущность наплавки состоит в нанесении методами сварки на поверхность детали слоя металла, обладающею требуемым комплексом свойств [1]. Восстановление деталей с большой величиной износа, работающих в тяжелых условиях, как правило, осуществляется многослойной электродуговой наплавкой. Разработано большое количество наплавочных материалов, обеспечивающих повышение износостойкое і и наплавляемых изделий в различных условиях изнашивания [1,2]. Данные материалы, как правило, представляют собой высоколегированные стали и сплавы системы Fe-C-Cr-W-V [3-5] с карбидным и (или) ингерметаллидным упрочнением.
Разработка методики определения ударной вязкости наплавленного металла
Ударная вязкость, как известно, является важной характеристикой механических свойств металлов и методики ее определения достаточно полно описаны в литературе [98, 106]. Однако описания методов определения этой величины у износостойкого наплавленною металла в литературе не встречается. Хотя и отмечается влияние ударной вязкости и твердости на износостойкость наплавленного металла, работающего в условиях ударно-абразивного изнашивания [3-5, 36,45].
Поэтому определение взаимосвязи этих параметров позволило бы определить более благоприятные с точки зрения увеличения износостойкости наплавленного металла режимы наплавки и термообработки. Но если с определением твердости проблем не возникает, то в определении ударной вязкости есть затруднения, связанные прежде всего с изготовлением соответствующих образцов.
Изготовление необходимого количества образцов способом их полного выплавления из соответствующего материала является достаточно трудоемким процессом, особенно при использовании ручной дуговой наплавки.
В результате разработан и опробован оригинальный способ определения ударной вязкости износостойкого наплавленного металла [105], суть которого заключается в следующем.
Из материала заготовки под наплавку (например, сталь Ст 3, как в нашем случае) изготавливается заготовка образца соответствующего размера с припуском на механическую обработку (рис. 2.1 а). Причем целесообразнее использовать стандартный пруток квадратного сечения из требуемого материала (авторами использовался пруток 12x12 мм из стали 3). Длина заготовки определяется размером стандартного образца и технологичностью наплавки (например, 60...80 мм).
Определение режимов термической обработки для условий эксплуатации наплавляемых изделий
Кромкокрошительные ножи и футеровочные плиты распределительных лотков доменных печей работают, как правило, в условиях абразивного изнашивания их режущей кромки. Металлорежущий инструмент испытывает достаточно высокие удельные давления на кромках, а футеровочные плиты в большей мере подвержены термоциклическому воздействию и ударным нагрузкам, соответственно, со стороны доменных газов, шихты и агломерата. Для противодействия такому воздействию внешней среды металл должен иметь твердую составляющую, сопротивляющуюся воздействию абразива. Такой составляющей в металле чаще всего являются карбиды либо интерметаллиды. Эти составляющие должны быть связаны с матрицей, свойства которой имеют двоякое значение: она скрепляет твёрдые составляющие и непосредственно противодействует изнашиванию.
При абразивном и ударно-абразивном изнашивании основное значение имеет способность металла сопротивляться внедрению и перемещению внедрённой абразивной частицы. Этот комплекс характеристик определяется сопротивлением металла упругим и пластическим деформациям (силовой показатель). Показательной характеристикой свойств при этом может быть твёрдость металла и твёрдость его отдельных фазовых составляющих.
