Разработка технологии аргонодуговой наплавки абразивостойкого до 500 °С сплава с введением модификатора в сварочную ванну Антонов Алексей Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Процессы дуговой наплавки и наплавочные материалы для упрочнения изделий, работающих в условиях абразивного изнашивания при температурах до 500 С 13

1.1 Особенности абразивного изнашивания сплавов при повышенной температуре 13

1.2 Методы оценки стойкости наплавленного металла к высокотемпературному абразивному изнашиванию 17

1.3 Анализ наплавочных материалов для упрочнения инструмента, работающего в условиях высокотемпературного абразивного изнашивания .20

1.4 Способы улучшения эксплуатационных свойств наплавленного металла для работы в условиях абразивного изнашивания .32

1.5 Анализ способов модифицирования сплавов тугоплавкими частицами в процессе наплавки 1.6 Способы дуговой наплавки плавящимся электродом с использованием присадочных проволок 42

Выводы по 1 главе и постановка задач исследования 48

2 Материалы, оборудование и методы экспериментальных исследований 48

2.1 Технологическое оборудование и материалы для изготовления порошковых проволок .48

2.2 Методика дуговой наплавки в среде аргона 49

2.3 Методика оценки геометрических размеров сварочной ванны и зоны проплавления 51

2.4 Методика определения термического цикла наплавки, температуры расплава сварочной ванны и оборудование бесконтактного измерения температуры .53

2.5 Методики металлографических и дюрометрических исследований наплавленного металла 54 2.6 Методика испытаний наплавленного металла на абразивное изнашивание .57

2.7 Методика определения плотности наплавленного металла 58

2.8 Исследование сварочно-технологических свойств порошковых

проволок .59

Вывод по 2 главе 61

3. Разработка методики испытаний наплавленного металла на стойкость к абразивному изнашиванию при повышенных температурах 62

Выводы по 3 главе 75

4. Разработка материалов для дуговой наплавки изделий, работающих в условиях абразивного изнашивания при температурах до 500 С . 76

4.1. Разработка модификатора для сварочных материалов

4.1.1 Выбор исходных компонентов модификатора .76

4.1.2 Разработка технологии изготовления модификатора 79

4.1.3 Анализ физико-химических процессов при изготовлении и применении модификатора 4.2 Разработка состава порошковой проволоки для наплавки сплава системы Fe-Cr-C-Moi-Ni-B, стойкого к абразивному изнашиванию при повышенных температурах 82

4.3 Влияние модификатора на структуру и свойства наплавленного металла системы Fe-Cr-C-Moi-Ni-B .91

4.4 Модель экзогенного модифицирования сплавов .96

Выводы по главе 4 100

5. Разработка технологии аргонодуговой наплавки плавящимся электродом с введением присадочной порошковой проволоки в сварочную ванну 102

5.1 Исследование влияния параметров процесса наплавки на форму, размеры сварочной ванны и качество формирования наплавленного металла 103

5.2 Влияние расстояния B на формирование наплавленного металла, его структуру и твердость

5.3 Рекомендации к выбору технологических параметров наплавки 112

5.4 Технология наплавки шнека дробилки для измельчения абразивных масс .120

Выводы по 5 главе 123

Общие выводы 124

Список использованной литературы .126

• Методы оценки стойкости наплавленного металла к высокотемпературному абразивному изнашиванию
• Методика дуговой наплавки в среде аргона
• Разработка технологии изготовления модификатора
• Влияние расстояния B на формирование наплавленного металла, его структуру и твердость

Введение к работе

Актуальность темы. Инструмент и детали оборудования металлургического, огнеупорного, а также иных производств работают в сложных условиях абразивного, теплового, усталостного, окислительного видов изнашивания при высокотемпературном контакте с обрабатываемыми материалами, что обусловливает их низкий ресурс.

Многократно повысить эксплуатационные свойства таких объектов позволяет наплавка их рабочих поверхностей износостойкими сплавами.

Большой вклад в теорию и практику наплавки внесли работы М. М. Хрущова, И. И. Фрумина, М. И. Разикова, Н. В. Королева, В. Д. Орешкина, Л. С Лившица, Н. А. Гринберг, В. С Попова, Ю. А. Юзвенко, Е. Н. Еремина, Г. Н. Соколова, Б. В. Данильченко, Ф. Д. Кащенко, Е. И. Лейначука, O. Celik, H. Lio, Н. Berns и многих других исследователей. Наиболее универсальным способом упрочнения изделий является аргонодуговая наплавка плавящимся электродом, применение которой позволяет не только повысить коэффициенты перехода легирующих элементов из проволоки в наплавленный металл, но и дает возможность наплавлять изделия сложной геометрической формы. Вместе с тем применение в механизированных процессах дуговой наплавки отечественных, а также поставляемых по импорту зарубежных электродных материалов, не всегда обеспечивает достаточную износостойкость упрочняемых изделий, что обусловливает большие финансовые потери. Поэтому разработка новых составов наплавочных материалов, способов и технологий получения наплавленного металла, превышающего технические показатели мировых аналогов, является актуальной задачей отечественного сварочного производства.

В выполненных в последние годы исследованиях (Е. Н. Еремин, Г. Н. Соколов, И. А. Рябцев, А. Н. Смирнов, М. В. Радченко, Н. В. Коберник, В. В. Головко и др.) убедительно доказано, что под влиянием небольшого количества ультрадисперсных частиц тугоплавких химических соединений, служащих в металлическом расплаве модификаторами экзогенного типа, можно целенаправленно управлять формированием структуры наплавленного металла и сварных швов, обеспечивая им превосходные технологические и эксплуатационные свойства. Однако остается нерешенной проблема максимального сохранения ультрадисперсных частиц от диссоциации в сварочной ванне в процессе наплавки.

Повысить эффективность модифицирования металла такими частицами в процессе дуговой наплавки плавящимся электродом можно путем введения их в низкотемпературную область сварочной ванны в составе присадочной порошковой проволоки. Но известные приемы подачи присадочных материалов в ванну применяются преимущественно для повышения производительности сварки и наплавки. Основная масса ультрадисперсных частиц при этом подвержена диссоциации в реакционной зоне сварки, что обусловливает актуальность разработки более совершенной технологии дуговой наплавки.

*Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность чл.-корр. РАН, д.т.н., проф., Заслуженному деятелю науки РФ, В. И. Лысаку, определившему основную идею и направление работы.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается его выполнением в рамках грантов РФФИ: 14-08-00868а; 13-08-01282а; 16-08-01276; 16-38-00764; грантов Президента РФ МК-4265.2014.8 и МК-4713.2016.8; гранта Администрации Волгоградской области 2015 г.

Цель и задачи работы. Цель работы заключается в повышении стойкости наплавленного металла к абразивному изнашиванию при температурах до 500 С за счет формирования в нем термостабильной структуры, содержащей большое количество упрочняющей фазы.

Исходя из цели диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана достоверная методика испытания наплавленного металла на стойкость к абразивному изнашиванию при повышенных температурах и определены оптимальные параметры испытаний.

2. Разработан состав порошковой проволоки, обеспечивающий получение износостойкого наплавленного металла системы Fe-Cr-C-Mo-Ni-Ti-B.

3. Разработан сварочный модификатор экзогенного типа, состоящий из ультрадисперсного порошка термостабильного химического соединения и вещества-протектора.

4. Разработана технология дуговой наплавки плавящимся электродом с введением в сварочную ванну присадочной порошковой проволоки, содержащей частицы тугоплавкого химического соединения.

Научная новизна работы заключается в выявлении взаимосвязей между
составами разработанных наплавочных материалов, технологическими пара
метрами аргонодуговой наплавки с одновременной подачей в сварочную ванну
плавящегося электрода и присадочной порошковой проволоки, особенностями
формирования структуры и свойствами стойкого к абразивному изнашиванию
при температурах до 500 С наплавленного металла системы

Fe-Cr-C-Mo-Ni-Ti-B.

На основе выявленных закономерностей качественного формирования наплавленного металла на режимах, обеспечивающих минимальную долю участия в нем основного металла при аргонодуговой наплавке с захолаживанием сварочной ванны присадочной порошковой проволокой, содержащей модификатор с ультрадисперсными частицами тугоплавких химических соединений, установлено, что вблизи фронта кристаллизации формируется область переохлажденного расплава, в которой частицы растворяются не полностью и служат центрами зарождения упрочняющих фаз.

Показано, что введение в сварочную ванну через присадочную порошковую проволоку модификатора в виде ультрадисперсных частиц мононитрида титана приводит к диспергированию эвтектической матрицы наплавленного металла и инициирует на поверхности частиц TiN кристаллизацию термодинамически устойчивых карбидов (Ti,Mo)C_1-x, что способствует повышению высокотемпературных свойств наплавленного металла.

Установлено, что максимальное сопротивление высокотемпературному
абразивному изнашиванию наплавленного металла системы

Fe-Cr-C-Mo-Ni-Ti-B при аргонодуговой наплавке с использованием разработанной порошковой проволоки достигается на режимах, обеспечивающих соотношения содержаний в наплавленном металле (в ат. %) хрома и молибдена к углероду в диапазонах 0,92…1,18 и 0,088…0,092 соответственно с формированием эвтектической структуры с объемными содержаниями твердого раствора (+)-Fe ~35 % и карбоборидов ~65 %.

Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования послужили основой для разработки технологии аргонодуговой наплавки плавящимся электродом с одновременным введением в сварочную ванну присадочной порошковой проволоки, содержащей ультрадисперсный порошок TiN, что способствует повышению износостойкости наплавленного металла. На уровне изобретений разработаны: способ и устройство для испытания сплавов на стойкость к абразивному изнашиванию при повышенных до 500 С температурах (патент РФ №2564827); модификатор экзогенного типа для сварочных материалов и способ его изготовления (заявки на выдачу патентов на изобретения № 2015143444 и № 2015143469 с приоритетами от 12.10.2015 г.); состав порошковой проволоки для наплавки (заявка на выдачу патента на изобретение № 2015155491 с приоритетом от 23.12.2015 г.). Технология наплавки с использованием разработанных материалов апробирована в ЗАО «Волгоградский завод сварочных материалов ХОБЭКС».

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования и аппаратуры, включая стандартные и оригинальные методики: оптической и электронной микроскопии, оптико-эмиссионной спектрометрии, рентгеноструктурного анализа, дюрометрии, испытания на абразивное изнашивание при трении о жестко закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 17367-71), при трении металла по металлу через абразивную прослойку и др.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на 10 международных, всероссийских и региональных конференциях: «Инновации в материаловедении» (Москва, 2015); «Инновации в металлообработке: взгляд молодых специалистов», (Курск, 2015); «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2016); «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», (Москва, 2015); «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2014 и 2015); Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, (Волгоград, 2015); «Science and Education», (Мюнхен, 2015); Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, (Екатеринбург, 2016), а также на научных семинарах в ВолгГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 6 – в периодических рецензируемых научно-технических журналах из списка ВАК при Минобрнауки РФ. Получен один патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы, включающего 112

наименований, и приложения. Основная часть работы содержит 137 страниц машинописного текста, 72 рисунка и 12 таблиц.

Методы оценки стойкости наплавленного металла к высокотемпературному абразивному изнашиванию

Абразивостойкий НМ легируют хромом для получения необходимого уровня свойств и термически устойчивой структуры. С повышением содержания хрома (до 32%) растворимость углерода в матрице сплава уменьшается, что облегчает выделение карбидных фаз и увеличивает степень устойчивости твердого раствора [38,42].

Система легирования Fe-Cr-C – одна из простых и широко применяющихся для формирования структуры износостойкого НМ (20Х17, 40Х13,140Х5,140Х30, 280Х10, 280Х25), включает в себя лишь относительно недорогостоящие и недефицитные элементы [8,34,36,43]. Углерод, образуя карбиды, определяет не только количество и расположение карбидов, но и строение матрицы сплавов. С увеличением количества углерода в НМ возрастает количество остаточного аустенита, при этом с увеличением содержания хрома происходит упрочнение аустенита [43].

Исследование процессов абразивно-коррозионного изнашивания хромо-содержащих сталей [44] показали, что при низкой частоте воздействия абразивных частиц достаточную стойкость имеют стали с пониженным до 14%, содержанием хрома при высокой частоте увеличивают содержание хрома до 30%.

Введение бора в НМ способствует изменению критических соотношений карбидообразующих элементов к углероду, способствует интенсификации выделения специальный карбидов [39] и карбоборидов ((Cr,Fe)7(C,B)3 и (Cr,Fe)23(C,B)6), а также способствует измельчению карбидной фазы, что значительно повышает как твердость, так и износостойкость НМ, в том числе и при повышенных температурах [40]. Введение в сплав 0,4…0,6 масс. % бора приводит к смещению эвтектической точки сплавов влево, тем самым способствует выпадению избыточных карбидов, наличие которых приводит к резкому охрупчиванию сплава и одновременно к повышению износостойкости НМ, работающего в условиях интенсивного абразивного изнашивания без ударных нагрузок [18]. Известно [47] использование боридов в составе проволоки ПП-0Н13М5Х4ФСТЮ. В условиях работы наплавленного данной проволокой изделия при повышенных температурах на поверхности НМ образуются химические соединения, способствующие повышению защитных свойств образующейся оксидной пленки, что в комплексе с карбоборидными фазами обеспечивают ему высокую теплостойкость и окалиностойкость.

В иных системах легирования используются активные карбидообразова-тели: вольфрам, молибден, ванадий, титан, ниобий, тантал, цирконий, выделяющиеся при этом в НМ монокарбиды способствуют повышению его износостойкости как при нормальной, так и при повышенных температурах. Не участвующие в образовании карбидов избытки легирующих элементов, таких как вольфрам, молибден, тантал, растворяются в твердом растворе, увеличивают его прочность при высоких температурах. При термообработке наплавленных изделий или в результате воздействия термического цикла наплавки, а также в процессе их эксплуатации из пересыщенного твердого раствора могут выделяться интерметаллические соединения, что способствует дополнительному упрочнению металла [8].

Кремний не образует устойчивых карбидов, однако его используют для обеспечения более однородного распределения упрочняющей фазы и увеличения ее содержания по причине снижения растворения углерода в железе [40,41]. В сплавах, содержащих кремний, износостойкость дополнительно повышают за счет легирования их титаном, который образует твердые монокарбиды TiC. Это способствует измельчению структуры НМ и однородности распределения эвтектических карбидов. Соединения титана в комплексе с карбидами эвтектического типа хорошо сопротивляются воздействию абразивной среды в условиях высоких температур [38,43]. Ограничивает использование кремния его склонность к ликвации и образованию силицидов по границам кристаллов, что снижает стойкость НМ к горячим трещинам [8].

Кроме образования монокарбида при взаимодействии молибдена с углеродом, могут выделяться дисперсные карбиды типа Mo2C, Mo23C6, и др., которые способствуют как повышению жаропрочности и теплостойкости НМ, так и уменьшению его склонности к отпускной хрупкости [48].

Легирование азотом НМ на основе железа обеспечивает его твердорас-творное и дисперсионное упрочнение. Являясь активным аустенизатором, азот, заменяя никель и марганец, способствует их экономии. Также он уменьшает интенсивность процесса превращения в металле при повышенных температурах [49,50]. Азот образует дисперсные нитриды, которые, однородно распределяясь в матрице металла, способствуют повышению его механических свойств [51].

Никель не образует карбидов, он легирует твердый раствор и оказывает влияние на стабилизацию аустенита в металле [18]. Его вводят в износостойкие сплавы на основе железа в количестве 0,8…25,0 масс. % [38]. Введение никеля до 3 масс. % в НМ влияет на его пластичность, которая увеличивается по причине повышения количества твердого раствора и перераспределения эвтектических карбидов в структуре [52].

Марганец, как и никель, растворяясь в аустените, способствует увеличению его устойчивости. Марганец не образует карбидов, он может частично содержаться в твердом растворе и может содержаться в карбидах, однако он способствует увеличению склонности металла к росту зерна при повышенных температурах, что негативно сказывается на стойкости сплавов к высокотемпературному изнашиванию [18].

Для достижения высокой износостойкости деталей, работающих в условиях АИ, возможно два варианта создания износостойких сплавов. Первый – создание материалов с метастабильной структурой. Такие материалы способны поглощать вносимую извне энергию и рассеивать ее путем структурно–фазовых превращений, в первую очередь за счет превращения. Но такие сплавы при температурах до 550 С слабо сопротивляются АИ, что связано с термическим разупрочнением матрицы сплава [53].

Методика дуговой наплавки в среде аргона

Анализ способов модифицирования НМ и сварных швов показал актуальность разработки технологии дуговой наплавки, обеспечивающей максимальную сохранность ультрадисперсных частиц от диссоциации, что достигается путем подачи их в составе присадочной ПП в низкотемпературную область сварочной ванны.

Разработан способ дуговой наплавки плавящимся электродом, который предусматривает введение в сварочную ванну ультрадисперсного порошка нитрида титана в составе присадочной ПП, подаваемой вблизи фронта кристаллизации согласно схеме, представленной на рис. 5.1.

Контролируемыми параметрами способа являются: расстояние B между электродной и присадочной проволоками, угол наклона присадочной ПП относительно основного металла, скорость Vп подачи присадочной ПП. Оптимальный режим подачи присадочной ПП должен обеспечивать эффективное расплавление оболочки ПП при минимальной диссоциации частиц ТХС, входящих в ее наполнитель. Исследованные диапазоны технологических параметров подачи присадочной ПП в сварочную ванну приведены в табл. 5.1. Таблица 5.1 Параметры подачи присадочной ПП Диаметр присадочной проволоки, мм 1,8 Скорость подачи присадочной проволоки, м/ч 5…23 Расстояние точки ввода присадочной ПП относительно электродной проволоки, мм 4…16 Угол наклона присадочной ПП, град 20…40 Род тока, полярность постоянный, обратная

С целью изучения коэффициента перехода частиц TiN в разработанный тип НМ и оценки однородности их распределения в нем из наполнителя электродной проволоки был исключен титансодержащий компонент – борид титана и заменен на борид хрома. Таким образом, отработку технологии наплавки производили с использованием ПП, обеспечивающей НМ типа 320Х13М2НР.

Экспериментально установлено, что оптимальным значением угла в исследуемом диапазоне скоростей подачи присадочной ПП является величина 25…30. Такой диапазон значений углов наклона обеспечивает достаточное время для эффективного расплавления оболочки присадочной ПП в сварочной ванне. Уменьшение значений угла менее 25 приводит к за-103 труднению контроля параметра B и обусловливает вероятность касания присадочной ПП валика наплавленного металла. Увеличение угла более 30 ведет к уменьшению допустимых скоростей подачи проволоки. Значение скорости подачи присадочной ПП Vп в дальнейших экспериментах выбрали равной 1,26 м/ч, исходя из задачи обеспечения содержания частиц TiN в НМ в количестве 0,4 масс. % что достаточно для экономного и эффективного модифицирования металла.

Варьировали расстоянием B между присадочной и электродной проволоками в диапазоне 0,15…0,55 от длины сварочной ванны. Контроль температуры металлического расплава ванны показал (рис. 5.2), что при уменьшении расстояния В от 0,55L до 0,25L температура расплава на поверхности ванны возрастает с 1360 С до 1550 С, причем вблизи фронта кристаллизации она не превышает 1300 С, что обусловлено пониженной температурой кристаллизации металла с большим содержанием в нем углерода и бора.

При B 0,3L плавление проволоки с тонкостенной (0,25 мм) оболочкой под воздействием тепла от периферийных областей плазмы и радиации дуги происходит уже над сварочной ванной, что обусловливает капельный массоперенос и повышенную степень диссоциации частиц TiN, содержащихся в перегретом расплаве капель.

При введении присадочной ПП на расстоянии B = 0,5 L и более скорость плавления проволоки в расплаве оказывается недостаточной, что приводит к ее приварке ко дну сварочной ванны (рис. 5.3, а), либо к формированию борозды от ее контакта с поверхностью НМ (рис. 5.3, б). а б Рис. 5.3 – Нарушение формирования НМ при превышение оптимальной величины B: а – приваривание проволоки ко дну ванны; б – образования борозды. Экспериментально установлено, что в диапазоне значений В=(0,34…0,47)L несмотря на относительно низкую температуру на поверхности ванны оболочка проволоки успевает полностью расплавиться. Это обусловлено влиянием конвективного потока в металлическом расплаве сварочной ванне.

Таким образом, исследование теплового поля в реакционной зоне при наплавке показало, что выбранные параметры введения в сварочную ванну присадочной проволоки обеспечивают минимизацию ее перегрева от плазмы дуги и полное расплавление ее оболочки в расплаве ванны. Для уточнения полученных параметров с точки зрения эффективности модифицирова-105 ния НМ необходимо исследовать зависимость его структуры и твердости от величины расстояния B.

Для установления зависимости структуры и твердости НМ от величины B сравнивали структуры НМ, полученные без введения присадочной ПП и с ее введением на различных расстояниях B.

Показано, что введение частиц нитрида титана в сварочную ванну в процессе дуговой наплавки способствует диспергированию структуры НМ (рис. 5.4) и появлению в ней включений TiN кубической и глобулярной форм (рис. 5.5), количество которых увеличивается с увеличением величины B. Это связано с уменьшением температуры расплава в области плавления присадочной ПП, что уменьшает степень диссоциации частиц TiN. В структуре металла, наплавленного без использования присадочной ПП, включения нитрида титана отсутствуют.

Электронной микроскопией и микрорентгеноспектральным анализом глобулярных включений, которые, вероятно, являются сохранившимися в металле и не полностью диссоциировавшими частицами TiN из состава модификатора, показано, что они однородны по составу и в них отсутствуют другие химические соединения (рис 5.5 а).

Исследованием структуры выделений кубической формы показано, что в их центральных областях находятся нано- и субмикроразмерные включения оксидов TiO2 (рис. 5.5 б), которые играют роль центров кристаллизации для нитридов TiN, выделяющихся из металлического расплава, насыщенного титаном и азотом, образовавшихся вследствие частичной диссоциации частиц модификатора. Также вероятно, что кубовидные нитриды могут формироваться на частицах TiN из состава модификатора. Однако, вследствие изоморфно-сти их кристаллических решеток и практически идентичного химического состава, подтвердить это использованными методами исследований невозможно.

Разработка технологии изготовления модификатора

Установлено, что введение в сварочную ванну электронейтральной присадочной проволоки в рассмотренном диапазоне скоростей подачи (5,4 -22,7 м/ч) практически не оказывает существенного влияния на длину ванны, что согласуется с данными [80]. В то же время изменение теплофизических свойств НМ различного химического состава приводит к кратному изменению длины ванны. Например, использование ПП, обеспечивающей низкоуглеродистый нелегированный НМ, практически в 3 раза сокращает длину ванны по сравнению с наплавкой высоколегированного сплава 320X1ЗМ2НТР. В частности, это объясняется легированием последнего углеродом, бором и титаном которые снижают температуру плавления сплава и оказывают влияние на его теплопроводность и жидкотекучесть.

Экспериментально установлено, что модифицирование НМ реализуется наиболее эффективно при введении присадочной проволоки на расстояние В от электродной проволоки, вычисленном по формуле: В = kL = кт?Ш , (5.4) 2лТплЛ где к- эмпирический коэффициент, обусловленный оптимальной скоростью плавления присадочной проволоки в сварочной ванне и зависящий от скорости ее подачи V . Диапазон рекомендуемых значений коэффициента к, составленный на основании опытов с использованием электродных проволок диаметрами 115 2,8-3,2 мм и присадочных проволок диаметрами 1,8-2 мм при условии получения массовой доли Ммод модификатора в НМ в диапазоне 0,002…0,006, визуализирован на номограмме (рис. 5.14). приварна присадочной ПП ко дну ванны

Коэффициент k зависит от скорости подачи присадочной проволоки, а также силы сварочного тока. Так, при необходимости увеличения степени модифицирования металла, равно как и при повышении доли участия основного металла в наплавленном, возрастает величина Vпп и требуется корректировка значения k в границах диапазона, соответствующего определенной величине сварочного тока. Это объясняется недостаточным для полного расплавления оболочки присадочной проволоки временем нахождения в ванне при неизменной ее глубине. В то же время увеличение силы тока приводит к увеличению величин Vэ, уом и соответственно V пп при неизменном значении Ммод (согласно формуле 5.1), что смещает область значений k на номограмме (рис. 5.14) вправо. При этом изменение коэффициента k не требуется, поскольку повышенная скорость подачи присадочной ПП компенсируется увеличением глубины сварочной ванны (рис. 5.13, а), что обеспечивает полное расплавление оболочки порошковой проволоки. к

Изменение в рабочих диапазонах напряжения на дуге (25-30 В) и скорости наплавки (20…30 м/ч) оказывает существенно меньшее влияние на глубину ванны, чем сила тока (рис. 5.13, б, в). Это влияние учитывали изменившейся долей участия уом, что приводит к корректировке скорости Fпп и коэффициента . Таким образом, алгоритм подбора и расчета параметров режима разработанного способа заключается в следующем. 1. Экспериментально определяют основные параметры режима наплавки (/, U, Vсв) исходя из условия качественного формирования валика НМ при минимальной доле участия основного металла и достаточной производительности процесса. 2. Экспериментально определяют долю участия уом, удельные массы тэ, пп, коэффициент кз и, задаваясь требуемой массовой долей Ммод модификатора, рассчитывают по формуле 5.1 скорость подачи присадочной ПП Vпп. 3. На основании известных значений /и Кпп по номограмме (рис. 5.14) определяют диапазон допустимых значений коэффициента к. 4. Рассчитывают по формуле 5.3 значение 7пл, определяют по справочным данным коэффициент и на основании выбранного коэффициента к вычисляют по формуле 5.4 расстояние между электродом и присадкой В. 5. Выбирают из рекомендованного диапазона 25…30 угол наклона присадочной проволоки. Результаты исследования структуры и твердости модифицированного сплава 320Х12М2НТР, полученного при наплавке на различных режимах, параметры которых были рассчитаны по предложенному алгоритму, приведены на рис. 5.15.

Показано, что все образцы НМ обладают схожей микроструктурой, а разброс значений их твердости минимален. Это свидетельствует о создании сопоставимых тепло физических и гидродинамических условий для эффек

Влияние расстояния B на формирование наплавленного металла, его структуру и твердость

Установлено, что введение в сварочную ванну электронейтральной присадочной проволоки в рассмотренном диапазоне скоростей подачи (5,4 -22,7 м/ч) практически не оказывает существенного влияния на длину ванны, что согласуется с данными [80]. В то же время изменение теплофизических свойств НМ различного химического состава приводит к кратному изменению длины ванны. Например, использование ПП, обеспечивающей низкоуглеродистый нелегированный НМ, практически в 3 раза сокращает длину ванны по сравнению с наплавкой высоколегированного сплава 320X1ЗМ2НТР. В частности, это объясняется легированием последнего углеродом, бором и титаном которые снижают температуру плавления сплава и оказывают влияние на его теплопроводность и жидкотекучесть.

Экспериментально установлено, что модифицирование НМ реализуется наиболее эффективно при введении присадочной проволоки на расстояние В от электродной проволоки, вычисленном по формуле: В = kL = кт?Ш , (5.4) 2лТплЛ где к- эмпирический коэффициент, обусловленный оптимальной скоростью плавления присадочной проволоки в сварочной ванне и зависящий от скорости ее подачи V . Диапазон рекомендуемых значений коэффициента к, составленный на основании опытов с использованием электродных проволок диаметрами 2,8-3,2 мм и присадочных проволок диаметрами 1,8-2 мм при условии получения массовой доли Ммод модификатора в НМ в диапазоне 0,002…0,006, визуализирован на номограмме (рис. 5.14). приварна присадочной ПП ко дну ванны

Коэффициент k зависит от скорости подачи присадочной проволоки, а также силы сварочного тока. Так, при необходимости увеличения степени модифицирования металла, равно как и при повышении доли участия основного металла в наплавленном, возрастает величина Vпп и требуется корректировка значения k в границах диапазона, соответствующего определенной величине сварочного тока. Это объясняется недостаточным для полного расплавления оболочки присадочной проволоки временем нахождения в ванне при неизменной ее глубине. В то же время увеличение силы тока приводит к увеличению величин Vэ, уом и соответственно V пп при неизменном значении Ммод (согласно формуле 5.1), что смещает область значений k на номограмме (рис. 5.14) вправо. При этом изменение коэффициента k не требуется, поскольку повышенная скорость подачи присадочной ПП компенсируется увеличением глубины сварочной ванны (рис. 5.13, а), что обеспечивает полное расплавление оболочки порошковой проволоки. к

Изменение в рабочих диапазонах напряжения на дуге (25-30 В) и скорости наплавки (20…30 м/ч) оказывает существенно меньшее влияние на глубину ванны, чем сила тока (рис. 5.13, б, в). Это влияние учитывали изменившейся долей участия уом, что приводит к корректировке скорости Fпп и коэффициента . Таким образом, алгоритм подбора и расчета параметров режима разработанного способа заключается в следующем. 1. Экспериментально определяют основные параметры режима наплавки (/, U, Vсв) исходя из условия качественного формирования валика НМ при минимальной доле участия основного металла и достаточной производительности процесса. 2. Экспериментально определяют долю участия уом, удельные массы тэ, пп, коэффициент кз и, задаваясь требуемой массовой долей Ммод модификатора, рассчитывают по формуле 5.1 скорость подачи присадочной ПП Vпп. 3. На основании известных значений /и Кпп по номограмме (рис. 5.14) определяют диапазон допустимых значений коэффициента к. 4. Рассчитывают по формуле 5.3 значение 7пл, определяют по справочным данным коэффициент и на основании выбранного коэффициента к вычисляют по формуле 5.4 расстояние между электродом и присадкой В. 5. Выбирают из рекомендованного диапазона 25…30 угол наклона присадочной проволоки. Результаты исследования структуры и твердости модифицированного сплава 320Х12М2НТР, полученного при наплавке на различных режимах, параметры которых были рассчитаны по предложенному алгоритму, приведены на рис. 5.15. Показано, что все образцы НМ обладают схожей микроструктурой, а разброс значений их твердости минимален. Это свидетельствует о создании сопоставимых тепло физических и гидродинамических условий для эффек 117 тивного массопереноса модификатора из электронейтральной присадочной проволоки в формирующийся НМ.

Исследование структур модифицированного и немодифицированного НМ, полученных на оптическом микроскопе, показало некоторое диспергирование структуры сплава под действием модификатора (рис. 5.16).

Сравнение износостойкости модифицированного и немодифицирован-ного сплава 320Х13М2НТР показало (рис. 5.17), что введение 0,4 масс. % частиц TiN в сварочную ванну в составе присадочной ПП способствует росту твердости НМ с 55 до 57 HRC, при этом его стойкость к абразивному изнашиванию возрастает на 20%.