Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Анализ состояния и тенденций развития процесса электрошлаковой наплавки в России и за рубежом 13
1.2. О проблеме выбора материала для неплавящегося электрода при электрошлаковой сварке и наплавке 27
1.3. Методы прогнозирования химического состава металла шва при сварке и наплавке 30
1.3.1. Использование эмпирических коэффициентов перехода элементов 31
1.3.2. Термодинамический метод 34
1.3.3. Учет кинетических торможений реакций окисления элементов при сварке 37
1.3.4.Математическая модель кинетики взаимодействия многокомпонентного металла и шлака при электрошлаковых процессах сварки (ЭШС) и электрошлаковом переплаве (ЭШП) 39
1.4. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 42
Глава 2. Исследование и оценка устойчивости начальной стадии процесса центробежной электрошлаковой наплавки (ЦЭШН)
2.1. Наведение шлаковой ванны 44
2.1.1. О выборе схемы наведения шлаковой ванны 46
2.2. Выявление зависимости износа наконечника графитового электрода от параметров режима ЦЭШН 48
2.3.Поиск и обоснование критериев, определяющих оптимальные условия устойчивости процесса ЦЭШН 53
2.4. ВЫВОДЫ 57
Глава 3. Исследование тепловых характеристик процесса ЦЭШН... 58
3.1. Выбор метода измерения температуры шлаковой ванны 62
3.2. Методика эксперимента 63
3.2.1. Порядок проведения эксперимента 68
3.2.2. Обсуждение результатов исследований 70
3.3. ВЫВОДЫ 76
Глава 4. Исследование влияния основных условий и параметров режима ЦЭШН на механические свойства наплавленного металла 77
4.1. Общая методика исследований 78
4.1.1. Методика испытаний на износостойкость 82
4.1.2. Методика испытаний на твердость 88
4.1.3. Методика исследования влияния параметров режима ЦЭШН на долю участия, глубину проплавлення основного металла и величину ЗТВ 89
4.1.4. Методика исследования микроструктуры наплавленного металла ... 96
4.1.5. Методика исследования склонности металла к порообразованию при ЦЭШН с применением порошкового присадочного материала 96
4.2. Обсуждение результатов исследований на износостойкость, твердость и степени науглероживания наплавленного слоя 98
4.3. Обсуждение результатов исследования оценки однородности механических свойств наплавленного слоя при ЦЭШН 103
4.4. Обсуждение результатов исследований доли участи и глубины проплавлення основного металла, величины ЗТВ 105
4.5. Обсуждение результатов исследований структурного состояния наплавленного металла и склонности металла к порообразованию 107
4.6. ВЫВОДЫ 111
Глава 5. Разработка физико-математической модели прогнозирования химического состава наплавленного слоя при ЦЭШН
5.1. Разработка физико-математической модели прогнозирования химического состава наплавленного слоя внутренних цилиндрических поверхностей ЦЭШН с применением порошкового присадочного материала 113
5.1.1. Физическая и математическая модели взаимодействия фаз при ЦЭШН 114
5.1.2. Расчет скоростей взаимодействия металла со шлаком 121
5.1.3. Математическая модель прогноза химического состава наплавленного металла 126
5.1.4. Оценка погрешности расчетов и экспериментальная проверка физико-математической модели 133
5.2. ВЫВОДЫ 139
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 141
ЛИТЕРАТУРА 145
ПРИЛОЖЕНИЯ 158
- Анализ состояния и тенденций развития процесса электрошлаковой наплавки в России и за рубежом
- Наведение шлаковой ванны
- Выбор метода измерения температуры шлаковой ванны
Введение к работе
В 90 - х гг. в результате реформ прекратилось централизованное финансирование капитальных: ремонтов, реконструкций, НИР и ОКР, планов освоения новой техники. Экономический кризис вынуждал экономить на всем, в том числе и на текущих планово-предупредительных ремонтах. Из-за изнашивания техники возросла угроза техногенных аварий, которые неизбежно влекут за собой огромные финансовые потери. В этих условиях целесообразно использовать технологии восстановления - реновации — быстроизнашивающихся поверхностей, позволяющие быстро и сравнительно недорого восстанавливать и даже повышать эксплуатационные свойства изношенных деталей, обеспечивая тем самым исправность и надежность оборудования.
Как известно, стремительное развитие машиностроения, начавшееся во второй половине XIX века, столкнулось с проблемой предупреждения поломок наиболее нагруженных деталей [26]. При длительной эксплуатации машин изнашивание деталей сопровождается снижением эксплуатационных показателей, что, в частности, вызывает ухудшение качества изготовляемых изделий. Изнашивание рабочих поверхностей деталей нередко требует их полной замены. Это повышает себестоимость производства из-за больших амортизационных отчислений.
В ряде случаев изготовление деталей целиком из износостойких легированных сталей нерационально в связи с трудностью обработки и высокой стоимостью стали [51, 72].
К середине XX века на первое место выступили проблемы изнашивания, чему способствовали возрастающие мощности и быстродействие машин. Успешная эксплуатация оборудования становилась уже невозможной без специального упрочнения ответственных деталей.
Традиционный подход к проблеме износа деталей, заключающийся в замене изношенных деталей на новые, весьма расточителен, так как необходимы большие затраты на замену запасных частей, не участвующих в
рабочем процессе. Зачастую ритмичность работы предприятий напрямую зависит от поставок изготовителем запасных частей. Данная система неизбежно приводит к перерасходу материальных ресурсов, государственных средств и частных инвестиций [72].
Для предотвращения износа классические виды "сквозной" термической обработки не столь эффективны, как поверхностное упрочнение. Во-первых, потому что нет необходимости упрочнять всю массу детали, когда изнашивается лишь тонкий поверхностный слой, во-вторых, сокращение упрочняемого объема позволяет увеличить степень упрочнения [26].
Поэтому изыскание эффективных способов повышения стойкости
наиболее нагруженных деталей, которые при малых затратах позволяли бы
улучшать свойства поверхности с более высоким уровнем
эксплуатационных показателей, что, в свою очередь, позволяет сократить потребление энергии и повысить производительность труда в различных отраслях промышленности, приобретает огромное народнохозяйственное значение [68].
В настоящее время в промышленности используются различные способы наплавки: автоматическая под плавленым и керамическими флюсами, в среде защитных газах, порошковой и сплошной проволоками, лентой, электрошлаковая, многоэлектродная, вибродуговая и т.д.
При выборе способа наплавки необходимо учитывать экономичность, технологичность, его простоту, стремиться к путям использования наплавочных материалов, которые обеспечивают получение высоких эксплуатационных характеристик наплавленных изделий при низкой себестоимости процесса.
Одним из эффективных способов повышения службы машин и механизмов является механизированная наплавка с применением дополнительной присадки [23]. При наплавке по слою гранулированного порошка используют сравнительно недорогие материалы, но этот метод мало пригоден для деталей сложной формы и неприменим в тех случаях, когда
7 требуется большая стабильность состава наплавленного металла [62]. Способ механизированной наплавки с применением дополнительной присадки находит применение для деталей машин и механизмов в основном под флюсом, что усложняет, и удорожает процесс [51,61, 72]. Замена флюса на другие материалы (например, защитные газы) или применение способов наплавки с минимальным расходом флюса, таких как центробежная электрошлаковая наплавка (ЦЭШН) [1], позволяет значительно расширить область использования наплавки с порошковым присадочным материалом (ППМ) и повысить ее эффективность.
Центробежная электрошлаковая наплавка с применением порошковых присадочных материалов является высокопроизводительным процессом. Она позволяет эффективно использовать возможность очистки металла от неметаллических включений и придания металлу благоприятной кристаллической структуры, обеспечивая высокую стабильность процесса при низких значениях плотности тока на электроде [91].
Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до плавления или до температуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный слой образует единое целое с основным металлом. При этом химический состав может значительно отличаться от состава основного металла [1].
Разработка методики расчета химического состава металла шва при центробежной электрошлаковой наплавке позволяет существенно оптимизировать процесс еще на стадии проектирования: правильно выбрать ППМ, марку флюса и параметры режима для получения наплавленного слоя заданного химического состава. Результаты расчета могут быть эффективно использованы при разработке новых сварочных материалов (присадочные материалы, флюсы) или оптимизировать их состав, так как количество экспериментов в этом случае резко снижается. Описание физико-химических процессов, протекающих на поверхности расплава ППМ, в металлической и
8 шлаковой ваннах, позволяет глубже понять картину взаимодействия и дает новые возможности управления этими процессами.
В связи с этим проблема изучения особенностей процесса центробежной электрошлаковой наплавки, установление зависимости изменения механических и эксплуатационных свойств, разработка методики прогнозирования химического состава наплавленных поверхностей с применением порошкового присадочного материала (ППМ) в зависимости от содержания элементов в исходных материалах (порошкового присадочного материала, флюса) и технологических параметров является, на сегодняшний день, наиболее актуальной.
Цель работы. Исследовать особенности и характеристики процесса центробежной электрошлаковой наплавки и создать расчетную методику прогнозирования химического состава наплавленных поверхностей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, позволяющих прогнозировать структуру, износостойкость, твердость, наплавленных поверхностей с учетом параметров режима и условий центробежной электрошлаковой наплавки.
Впервые экспериментально установлено, что стабильность течения процесса ЦЭШН графитовым электродом обеспечивается при вращении электрода вокруг своей оси, обеспечивая соотношение с линейной скоростью вращения заготовки в пределах: ^^=W^( 1,05-=-1,2), оптимальная форма графитового электрода пластинчатая цилиндрическая с водоохлаждаемым наконечником.
Выявлены основные зависимости изменения теплофизических характеристик центробежной электрошлаковой наплавки от параметров режима, определены оптимальные условия устойчивости процесса наплавки на стадии наведения шлаковой ванны.
4. На основе анализа полученных экспериментальных и теоретических
данных, автором предложен физико-математический аппарат
прогнозирования химического состава наплавленного металла, с
учетом параметров режима ЦЭШН и разработана инженерная методика
расчета химического состава наплавленных поверхностей,
обеспечивающая точность в пределах разброса ± 12,5 %, в зависимости
от искомого элемента.
Практическая ценность работы: на основе анализа полученных
экспериментальных данных и теоретических положений установлена
возможность воздействия на процесс формирования наплавленного металла в
целях улучшения его технологических и эксплутационных свойств.
Разработанная физико-математическая модель прогнозирования химического состава наплавленных поверхностей с учетом реальных условий центробежной электрошлаковой наплавки и разработанный на ее основе программный комплекс существенно сокращает объем исследований и снижает затраты материальных ресурсов.
В первой главе диссертационной работы приведен обзор способов электрошлаковой наплавки внутренних цилиндрических поверхностей, рассмотрены различные схемы их выполнения. Подробно описываются особенности, характеристики и преимущества центробежной электрошлаковой наплавки с применением порошковых присадочных материалов при наплавке внутренних цилиндрических поверхностей малых диаметров. Анализируются факторы, влияющие на стабильность и устойчивость шлакового процесса. Приводятся существующие методы прогнозирования химического состава металла шва при сварке и наплавке. В заключение главы поставлены задачи исследования.
Вторая глава посвящена исследованию особенностей и специфики наведения шлаковой ванны, подробно изучены факторы, влияющие на устойчивость электрошлакового процесса при ЦЭШН. Теоретически обоснован выбор оптимальной схемы наведения шлаковой ванны при
10 вращении заготовки, обеспечивающий плавный переход на стационарный режим наплавки. Уделяется внимание износу графитового стержня и выбору оптимальной формы электрода при ЦЭШН.
Третья глава содержит результаты систематических экспериментальных исследований, которые позволили с высокой достоверностью произвести оценку теплофизических характеристик центробежного электрошлакового процесса, т.е. экспериментально измерить температуру шлаковой ванны, выявить и установить влияние параметров режима ЦЭШН на изменение температуры шлаковой ванны.
В четвертой главе приведены результаты полученных экспериментальных данных и анализ теоретических положений исследования влияния параметров режима и условий ЦЭШН на изменение механических свойств (износостойкость, твердость, доля участия основного металла, глубина проплавлення, величина ЗТВ, склонность металла к порообразованию) и на изменение процентного содержания углерода в наплавленном слое внутренних цилиндрических поверхностей с применением порошковых присадочных материалов. Так же уделяется внимание исследованию микроструктуры наплавленной поверхности при ЦЭШН.
Пятая глава посвящена разработке физико-математической модели прогнозирования химического состава металла шва при ЦЭШН с применением ППМ и оценке достоверности предложенной методики с использованием математической обработки результатов планирования эксперимента.
В конце работы приведены основные выводы по результатам диссертации.
На защиту выносятся: 1. Условие устойчивости начальной стадии центробежного
электрошлакового процесса, определяемое соотношением скорости
вращения цилиндрического наконечника подвижного неплавящегося
электрода (W3X) в направлении вращения заготовки с окружной скоростью вращения детали (WA): WR/ W^ 1,05^-1,2
Результаты экспериментальных исследований режимов и условий наплавки, влияющих на износ графитового электрода, механические свойства и химический состав наплавленного металла, полученного ЦЭШН.
Установленные закономерности изменения теплофизических характеристик процесса ЦЭШН.
Общая физическая и математическая модели взаимодействия фаз при центробежной электрошлаковой наплавке.
Инженерная методика, позволяющая прогнозировать химический состав металла шва в зависимости от содержания химических элементов в исходных материалах и технологических параметров процесса центробежной электрошлакой наплавки.
Результаты экспериментальных исследований изменения химического состава наплавленного металла, полученные при использовании предложенной методики расчета.
Оценка достоверности предложенной методики прогнозирования химического состава наплавленных поверхностей.
Результаты проведенных исследований докладывались: на XXII научно-технической конференции сварщиков Уральского региона с международным участием, посвященной 100-летнему юбилею академика Н.Н. РЫКАЛИНА (Киров, март 2003 г.); на Всероссийской научно-технической конференции "МАТИ - СВАРКА XXI ВЕКА" "Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве" (Москва, ноябрь 2003 г.); на Всероссийской с международным участием научно - технической конференции, посвященной 150 - летию со дня рождения Н.Г. Славянова "СВАРКА И КОНТРОЛЬ - 2004" (Пермь, май 2004 г.); на III и IV международных научно-технических конференциях "СВАРКА. КОНТРОЛЬ.
12 РЕНОВАЦИЯ - 2003" и "СВАРКА. КОНТРОЛЬ. РЕНОВАЦИЯ - 2004" (Уфа, 2003, 2004 г.)
По результатам проведенных исследований было опубликовано 26 работ.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 (пяти) глав, общих выводов по работе, библиографического списка, включающего 115 наименований, и приложения.
Работа выполнена на кафедре "Сварочное производство" Ижевского государственного технического университета в соответствии с планами научно-исследовательских работ Ижевского государственного технического университета на 1998-2004 гг.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту Аникаеву Виктору Арсентьевичу, научному консультанту - кандидату технических наук, доценту Штенникову Василию Сергеевичу и инженеру Ватлину Борису Викториновичу за помощь, замечания и неоценимую поддержку при выполнении диссертационной работы.
Анализ состояния и тенденций развития процесса электрошлаковой наплавки в России и за рубежом
Детали строительных дорожных, горнорудных и других типов машин и механизмов, работающих при абразивном воздействии внешней среды, подвержены интенсивному износу. Огромные материальные, энергетические и трудовые ресурсы расходуются на изготовление запасных частей и механизмов. В подавляющем числе случаев отказ в работе техники обусловлен износом ее тяжело нагруженных деталей и, прежде всего узлов трения. При этом разрушаются только рабочие поверхности деталей, которые во многих случаях можно восстановить.
Нанесение износостойких покрытий на рабочие поверхности деталей может осуществляться различными способами и материалами в зависимости от предъявляемых требований. Применение того или иного способа наплавки предопределяется материалом, формой, размерами, свойствами, условиями и степенью износа наплавляемой детали [68].
Чтобы получить желаемые свойства наплавленного металла — высокую износостойкость, стойкость против коррозии, жаропрочность и жаростойкость, нужно найти приемлемый способ легирования.
Разработка методов легирования дала практически применяемые решения для получения легированного наплавленного слоя различного состава, как для восстановительной наплавки, так и для наплавки износостойких слоев.
Появление наплавки под флюсом, отличающейся высокой производительностью и надежностью, способствовало использованию наплавки в машиностроении, когда в качестве электрода начали использовать ленту большой и малой толщины, предложенную в СССР [61, 68, 103].
Наплавка под флюсом плавящимся электродом позволяет получать металл шва высокого качества с минимальным количеством дефектов.
Одним из наиболее эффективных способов восстановления деталей и механизмов является наплавка под флюсом с дополнительной порошкообразной присадкой. Однако опыт промышленного применения показал, что далеко не все задачи могут быть решены посредством наплавки под флюсом: себестоимость процесса завышена вследствие использования большого объема флюса и трудности повторного использования легирующего порошка вследствие перемешивания его с флюсом. В других случаях трудно управлять движением невидимой дуги и наплавлять детали сложной формы. Все это снижает эффективность применения данного способа [51, 61, 72].
Для решения выше установленной проблемы можно так же применять и дуговую наплавку в инертных газах. Данный способ целесообразно применять в тех случаях, когда невозможна или затруднена наплавка под флюсом, например, при наплавке внутренних поверхностей глубоких отверстий, при наплавке деталей сложной формы. Все недостатки, присущие наплавке под флюсом плавящимся электродом, устраняются при наплавке плавящимся электродом в среде инертных газов или открытой дугой, но из-за высокой стоимости инертных газов (аргон, гелий и их смеси) себестоимость наплавленного металла резко возрастает [51, 58].
Новые технологические возможности и области применения открыла наплавка проволокой и лентой. Наиболее предпочтительным и производительным процессом является электрошлаковая наплавка (ЭШН) [103].
Электрошлаковая наплавка была впервые осуществлена в конце 50-х годов 20 века и сразу же получила применение на Таганрогском котлостроительном, Барнаульском котельном и Ново-Краматорском машиностроительном им. Ленина заводах, а затем на многих предприятиях тяжелого машиностроения и других отраслей промышленности. Большое преимущество этого процесса — высокая производительность, возможность эффективной очистки металла от неметаллических включений и придания наплавленному слою благоприятной кристаллической структуры.
Наведение шлаковой ванны
Процессы электрошлаковой наплавки и сварки протекают в двухстадийном режиме — наведение шлаковой ванны и непосредственно электрошлаковый процесс. При сварке и наплавке деталей больших толщин с использованием шлаковой ванны значительных объемов и глубины процесс наведения не представляет затруднений [56]. При центробежной электрошлаковой наплавке неплавящимся электродом [1] (рис. 2.1.), когда глубина шлаковой ванны составляет несколько миллиметров, процесс наведения шлаковой ванны (первая стадия) и переход к стабильному электрошлаковому процессу (вторая стадия) имеют свои особенности и специфику.
Способ центробежной электрошлаковой наплавки разработан применительно к наплавке внутренних цилиндрических поверхностей малых диаметров 15 ... 180 мм, что тоже накладывает свои ограничения на первую и вторую стадии процесса.
Рис. 2.1. Схема процесса наплавки.
1 - неподвижный электрод; 2 - графитовый наконечник подвижного электрода; 3 — заглушка; W, — скорость вращения детали; продольная скорость перемещения подвижного электрода;
При центробежной шлаковой наплавке в качестве неплавящегося электрода используется комбинированный электрод, состоящий из прессованного графита, что позволяет существенно повысить его стойкость при высоких температурах процесса, близких к температуре кипения шлака [74].
При ЦЭШН наведение шлаковой ванны происходит следующим образом: в установленную и оцентрованную в патроне токарно-винторезного станка деталь засыпают флюс и наплавочный материал. Включается привод вращения двигателя. При прикосновении выступом подвижного угольного электрода о графитовый (угольный) "косвенный" электрод, возникает электрическая дуга. Подвижный электрод постепенно опускается и одновременно выводится. Опускание и вывод подвижного электрода осуществляется, за счет включения приводов вращения. Посредством конечных включателей процесс перемещения электрода прекращается. Этим также достигается гашение открытой дуги и переход ее на работу по расплавлению флюса, тем самым обуславливается образование шлаковой ванны.
Через определенный промежуток времени, достаточный для наведения шлаковой ванны, подвижный электрод начинает перемещаться в горизонтальном направлении со скоростью наплавки (vH). Таким образом, образование шлаковой ванны осуществляется косвенной сварочной дугой, горящей между подвижным и неподвижным неплавящимся электродом. Как показали проведенные исследования, длительность наведения шлаковой ванны на трубных заготовках с внутренним диаметром 15 ... 38 мм не превышает 20 ... 30 с и включает в себя время, необходимое для расплавления флюса и нагрева шлаковой ванны до нужной температуры [75].
Выбор метода измерения температуры шлаковой ванны
Как показали вышеприведенные данные, центробежную электрошлаковую наплавку можно успешно применять для наплавки внутренних поверхностей труб диаметром 14 - 150 мм, поддерживая при этом устойчивый электрошлаковый процесс при глубине шлаковой ванны 2 - 5 мм как легкоплавкими (медь, бронза и т.д.), так и тугоплавкими (Сг, СгВ2 и т.п.) материалами, получая наплавленные слои с высоким качеством поверхности (Rz 40 - Rz 20) Для более глубокого исследования тепловых процессов при центробежной электрошлаковой наплавке труб в данном разделе необходимо решить следующие задачи:
Шлаковая ванна в процессе наплавки труб диаметром 37 мм.
— произвести выбор способов измерений температуры шлаковой ванны на основе анализа существующих методов;
— спроектировать и изготовить приспособления, необходимые для измерений;
— произвести измерения температуры шлаковой ванны во вращающейся трубе (рис 3.3) и температуры наплавляемой заготовки;
— исследовать влияние основных параметров режима наплавки на температуру шлаковой ванны;
— изучить влияние температуры шлаковой ванны на глубину проплавлення материала заготовки.
В данном разделе проведен анализ существующих методов измерения температур вращающихся поверхностей. В настоящее время получили распространение такие методы измерения как способ теплового контакта со ртутью [22], способ контроля температуры охлаждающей среды [16, 36, 46, 59, 64], металлографический способ [42], способ шкалы твердости, способ плавких вставок [21, 37, 57], способ термокрасок [57], роботометрический способ [30, 57], использование вращающихся термометров расширения [46], измерение температур вращающихся деталей с помощью радиационных и фотоэлектрических пирометров способом взаимодействия магнитных полей вихревых токов [22], способ поверхностного отклонения [22], различные способы электрического моделирования [31] и другие.
На основании проведенного анализа, для измерения температуры шлаковой ванны малого объема и температуры наплавляемой заготовки были выбраны методы плавких вставок и метод измерения с помощью термопар, так как данные способы обладают наибольшей простотой и точностью.
. Методика эксперимента. Производилась электрошлаковая наплавка образцов, представляющих собой трубу внутренним диаметром 82 мм, наружным 120 мм и длиной ПО мм, выполненную из стали Ст. З (рис 3.4.). В качестве присадочного материала использовался гранулированный порошок ПГ-ХН80СРЗ, выполненный на основе никеля. Порошок предварительно наносился на внутреннюю поверхность трубы в виде обмазки. В качестве связующего компонента использовался силикатный клей. Толщина обмазки составляла 2 мм.
Наплавка производилась на установке для исследования электрошлаковой наплавки труб (рис. 3.5.), включающей в себя вращатель, выполненный на основе токарно-винторезного станка 1А616 и выпрямителя ВКСМ-1000-1. Параметры режима наплавки контролировались при помощи приборов типа М367 с пределами измерения 500 А и 75 В.
Наплавка на установке производится следующим образом: в бункера для наплавочного порошка и флюса засыпаются исходные материалы. Загрузочное устройство подается до конца заготовки. При включении обратного хода происходит загрузка заготовки порошком и флюсом. После выполнения данной операции загрузочное устройство отправляется в конечное положение. Совмещаются центры электродного узла и заготовки. Включается привод подачи электродного узла. Дальнейшая работа механизмов осуществляется в механическом режиме. После окончания наплавки электродный узел отводится в сторону для снятия детали.
