Введение к работе
Актуальность работы. Наплавка алюминиевых бронз на поверхности деталей пар трения-скольжения является не только рациональным технологическим процессом, дающим значительную экономию цветных металлов, но, зачастую, единственно возможным способом изготовления деталей, сочетающих в себе высокие эксплуатационные свойства, возможность многократного восстановления и общий длительный срок службы. Однако наплавка алюминиевых бронз наиболее универсальными способами, в частности, штучными электродами, позволяющими получить наплавленный металл определенного структурно-фазового состава, связана с рядом трудностей металлургического и технологического характера. С целью предупреждения образования пор и трещин при наплавке алюминиевой бронзы на сталь особое внимание уделяют использованию специальных наплавочных материалов. В связи с этим представляется необходимым разработать общие принципы выбора рационального состава защитно-легирующих покрытий электродов в сочетании с целесообразной технологией их наплавки.
Перспективным и оправданным при разработке наплавочных материалов оказывается применение термодинамических методов, базирующихся на оценке возможности взаимодействия металла со шлаком и газом. Основы термодинамического подхода заложены в трудах Б.Н. Бадьянова, А.А. Ерохина, Б.Е. Патона, В.В. Подгаецкого, Н.Н. Потапова, И.К. Походни, В.В. Фролова и др. Данный подход успешно развивается научными школами В.Н. Бороненкова, К.В. Любавского и др.
К настоящему времени накоплено достаточное количество экспериментальных данных о термодинамических свойствах различных веществ и термодинамических параметрах химических реакций для медно-алюминиевых сплавов. Дальнейшее развитие термодинамического подхода к моделированию процесса наплавки многокомпонентного медно-алюминиевого сплава, обеспечивающего износостойкость наплавленного металла в условиях трения «металл по металлу», представляется весьма перспективным. Использование данного подхода ограничено противоречивостью существующих сведений о термодинамических характеристиках реакций взаимодействия медно-алюминиевых и шлаковых расплавов.
В связи с вышеизложенным проблема получения расчетным путем состава защитно-легирующего покрытия электродов для наплавки алюминиевой бронзы на сталь, обеспечивающего рациональный структурно-фазовый состав наплавленного металла с необходимыми эксплуатационными характеристиками для заданных условий изнашивания, является актуальной.
Цель работы. Разработка рационального состава наплавочного материала с применением термодинамических методов расчета для создания технологии дуговой наплавки алюминиевой бронзы на сталь, обеспечивающей высокое качество и работоспособность наплавленного металла в условиях трения «металл по металлу», и экспериментальная оценка его служебных свойств.
Для достижения поставленной цели работы необходимо решить следующие задачи:
1. Установить закономерности образования пор при дуговой наплавке стальных поверхностей алюминиевой бронзой и разработать технологические меры предотвращения порообразования.
2. Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность применения термодинамических методов при анализе процесса наплавки многокомпонентного медно-алюминиевого сплава.
3. На основе термодинамических расчетов разработать составы электродов для наплавки алюминиевой бронзы на сталь, обеспечивающие высокое качество наплавленного металла.
4. Разработать технологию наплавки, обеспечивающую уменьшение степени проплавления основного металла, а также рациональный с точки зрения сопротивления износу химический и структурно-фазовый состав наплавленного металла.
5. Установить влияние химического и структурно-фазового состава наплавленного металла на его трибологические свойства.
Методы исследований. Изучение физико-химических особенностей формирования наплавленного металла проводили с использованием термодинамических методов. Особенности наплавленного слоя оценивали методами испытаний механических и трибологических свойств. Химический и структурно-фазовый составы определяли стандартными методами химического и микрорентгеноспектрального анализа, металлографических исследований. Обработка расчетных и экспериментальных данных выполнялась на ЭВМ с использованием компьютерных программ с применением методов математической статистики и методов планирования эксперимента.
Научная новизна. Предложен термодинамический подход к разработке сварочно-наплавочных материалов типа алюминиевая бронза, обеспечивающий получение беспористого износостойкого наплавленного металла в условиях трения «металл по металлу».
На основе проведенных термодинамических расчетов скорректированы составы ранее разработанных электродных покрытий для обеспечения улучшенных механических свойств наплавленного металла. С учетом термодинамического анализа разработаны новые электродные покрытия, обеспечивающие получение беспористого наплавленного металла.
Установлены зависимости влияния толщины покрытия электрода и режимов наплавки на образование пор, интерметаллидов, железистых включений и диффузионных прослоек в наплавленном металле, снижающих его качество.
Получены экспериментальные зависимости влияния легирования наплавочных материалов титаном и лигатурой на основе редкоземельных металлов (РЗМ) на содержание водорода, являющегося основной причиной порообразования в наплавленном металле, а также на трибологические свойства бронзовых наплавок на сталь. Значения коэффициентов трения алюминиевой бронзы, наплавленной усовершенствованными и разработанными нами электродами, приблизительно в 2 раза ниже по сравнению с его значениями для материала того же типа.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются необходимым и достаточным объемом экспериментального материала, применением стандартных и научно обоснованных методик, использованием современных методов обработки, анализа и оценки достоверности результатов.
Практическая значимость и реализация результатов работы. На основании проведенных исследований разработан программный комплекс, позволяющий выполнять расчет состава защитно-легирующего покрытия электрода и сложнолегированного наплавленного металла, а также степень проплавления основного металла.
С применением указанного программного комплекса разработаны:
1) электрод марки АБ-4/1, состав покрытия которого скорректирован по сравнению с электродом АБ-4 для обеспечения улучшенных механических свойств наплавленного металла;
2) электрод марки АБ-17/РЗМ, обеспечивающий необходимые свойства наплавленного металла благодаря своей металлургической активности.
Разработаны технические условия и технологический регламент изготовления электродов.
Определены рациональные технология и техника наплавки.
Разработан расширенный комплекс технологических мер предотвращения порообразования.
Производство электрода марки АБ-4/1 освоено ЗАО «Завод сварочных материалов», Березовский Свердловской области. Электроды использовались для наплавки пар трения следующих узлов и машин: подшипников скольжения механизмов шагающих экскаваторов, поршней и штоков гидравлических систем, а также заварки дефектов в литых заготовках из алюминиевой бронзы (шестернях). Кроме того, электроды данной марки были использованы при монтаже памятников семье Романовых и Пушкину в Екатеринбурге.
Электрод марки АБ-17/РЗМ применялся при изготовлении наплавкой деталей для бесплатформенной инерционной системы навигации (БИНС) и комплексной системы управления (КСУ) в ОАО «Уральский приборостроительный завод, Екатеринбург.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Состав покрытий электродов, разработанных на основе термодинамических методов, взаимосвязан с технологическими и служебными свойствами материала типа алюминиевая бронза.
2. Технология наплавки влияет на химический и структурно-фазовый состав наплавленного металла.
3. Новые составы покрытий электродов обеспечивают получение беспористого наплавленного металла с более низким по сравнению с материалами того же типа коэффициентом трения.
Личный вклад автора состоит в проведении теоретических исследований, планировании и проведении экспериментальных исследований, разработке, изготовлении и внедрении опытных партий электродов в производство для наплавки различных металлоконструкций. Автор принимал непосредственное участие в проведении патентного поиска, оформлении и подаче заявки на полезную модель (получено приоритетное решение уведомление о поступлении и регистрации заявки от 18.03.2009, входящий №013375, регистрационный №2009109875). Обработка и анализ полученных результатов осуществлены автором лично либо при его непосредственном участии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях разного уровня, в том числе:
международные «Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления деталей машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций» (Санкт-Петербург, 2004); «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, 2005); «Сварка: традиции и тенденции» (Екатеринбург, 2006); «Сварка. Диагностика и контроль» (Екатеринбург, 2008);
российские «Материалы и технологии XX века» (Пенза, 2001); «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2002);
межрегиональные «Сварка и контроль 2005» (Челябинск, 2005); «Инновационные технологии в педагогике и на производстве» (Екатеринбург, 2005);
региональные «Сварка Урала 2002» (Курган, 2002); «Наука образование производство: опыт и перспективы развития» (Н. Тагил, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов по работе и 4 приложений. Работа включает 174 страницы печатного текста, 70 рисунков, 36 таблиц. Библиографический список содержит 177 наименований.
