автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование процесса центробежной электрошлаковой наплавки и создание методики прогнозирования химического состава наплавленного металла

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи

ЧУВАШОВА Анна Васильевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ И СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА.

Специальность 05.03.06 - "Технологии и машины сварочного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 2005

Работа выполнена на кафедре "Сварочное производство" Ижевского государственного технического университета

Ведущее предприятие: ОАО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, г. Ижевск.

Защита состоится "01" июля 2005 г. в П_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.06 в Южно-Уральском государственном университете в 201 аудитории, главного учебного корпуса, по адресу 454080 г. Челябинск, проспект им. В.И. Ленина 76, ЮУрГУ, ученый совет.

Ваш отзыв на автореферат (1 экз., заверенный гербовой печатью) просьба направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ЮУрГУ Автореферат разослан "30" мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент

Виктор Арсентьевич АНИКАЕВ Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Василий Сергеевич ШТЕННИКОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Евгений Николаевич ЕРЕМИН

кандидат технических наук, доцент Александр Минеевич ОСИПОВ

ЕРОФЕЕВ В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В настоящее время износ деталей и инструментов существенно ограничивает сроки службы оборудования различного назначения. На сегодняшний день существующие методы наплавки пригодны лишь для восстановления внутренних поверхностей больших диаметров. Проблема наплавки внутренних цилиндрических поверхностей малых диаметров и сложных размеров остается не решенной. Центробежная электрошлаковая наплавка износостойкими сплавами рабочих поверхностей является одним из самых эффективных способов повышения стойкости наиболее нагруженных деталей и при малых затратах позволяет улучшать свойства поверхности с более высоким уровнем эксплуатационных показателей, что, в свою очередь, позволяет сократить потребление энергии и повысить производительность труда.

Существует достаточно широкая номенклатура износостойких наплавочных материалов, обеспечивающих различное структурное состояние наплавленного металла. Для различных условий воздействия изнашивающих нагрузок оптимальные эксплуатационные характеристики обеспечиваются при различном, но характерном для каждого случая структурно-фазового состояния материала. Выбор рационального состава наплавленного металла часто связан с необходимостью выполнения большого объема экспериментальных работ и вложения больших экономических затрат, не всегда приводящих к желаемому результату. В этом случае весьма выгодным является использование адекватных математических моделей, соответствующих алгоритмов и программ расчетов на персональных ЭВМ для создания систем автоматического управления технологическими процессами. Разработка методики расчета химического состава наплавленного металла представляется весьма перспективной, она позволит существенно оптимизировать процесс еще на стадии проектирования: правильно выбрать присадочный материал, марку флюса 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 шлаковой ваннах, позволяет глубже понять картину взаимодействия и дает новые возможности управления этими процессами.

В связи с этим проблема изучения процесса центробежной электрошлаковой наплавки, установление зависимости изменения механических и эксплуатационных свойств, разработка методики прогнозирования состава наплавленных поверхностей, имеющих экономную систему легирования, является актуальной, её решение позволит более широко использовать центробежную электрошлаковую наплавку в промышленных условиях.

Цель работы. Исследовать особенности и характеристики процесса центробежной электрошлаковой наплавки и создать расчетную методику прогнозирования химического состава наплавленных поверхностей.

Задачи исследования. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

Изучить особенности и специфику наведения шлаковой ванны, исследовать ее устойчивость и определить условия стабильности процесса центробежной электрошлаковой наплавки.

Выбрать оптимальную схему наведения шлаковой ванны при вращении заготовки, обеспечивающую плавный перехо,; •й/Ц^^ЦЩЩ^^лим наплавки.

БИБЛИОТЕКА I

-3- I

3. На основе систематических исследований выявить влияние режимов и условий ЦЭШН на изменение механических свойств (твердость, износостойкость, долю участия основного металла, склонность металла к порообразованию) и на изменение химического состава (процентное содержание углерода) наплавленного слоя.

4. Разработать физическую модель процесса ЦЭШН и дать математическое описание процессов взаимодействия легирующих элементов расплава металлической ванны с расплавом флюса.

5. Освоить и усовершенствовать инженерную методику расчета химического состава наплавленных поверхностей, оценить ее адекватность и точность для применения в производственных условиях.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях технологии машиностроения, сварочного производства, химии и математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента.

Научная новизна результатов исследования.

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, позволяющих прогнозировать структуру, износостойкость, твердость наплавленных поверхностей с учетом параметров режима и условий центробежной электрошлаковой наплавки.

2. Впервые экспериментально установлено, что стабильность течения процесса ЦЭШН графитовым электродом обеспечивается при вращении электрода вокруг своей оси в соотношении с линейной скоростью вращения заготовки в пределах: 1,05-1,2), оптимальная форма графитового электрода -пластинчатая цилиндрическая с водоохлаждаемым наконечником.

3. 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 значимость результатов работы: на основе анализа полученных экспериментальных данных и теоретических положений установлена возможность воздействия на процесс формирования наплавленного металла в целях улучшения его технологических и эксплуатационных свойств.

-4-

Разработанная физико-математическая модель прогнозирования химического состава наплавленных поверхностей с учетом реальных условий центробежной электрошлаковой наплавки и разработанный на ее основе программный комплекс существенно сокращают объем исследований и снижают затраты материальных ресурсов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XXII научно-технической конференции сварщиков Уральского региона с международным участием, посвященной 100-летнему юбилею академика H.H. 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. РЕНОВАЦИЯ - 2003" и "СВАРКА. КОНТРОЛЬ. РЕНОВАЦИЯ - 2004" (Уфа, октябрь 2003, октябрь 2004 г.). По теме диссертации делались сообщения и доклады на научно-практических и научно-методических конференциях ИжГТУ 2002-2005 гг.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 26 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе, библиографического списка, включающего 115 наименований, и приложения. Работа изложена на 164 листах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель и задачи исследований, кратко описаны проведенные исследования, применявшиеся методики, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе на основе литературных данных показано, что износ является главным фактором, ограничивающим сроки службы деталей различного назначения. Существующие способы наплавки характеризуются значительным перегревом наносимого металла, расплавлением основного металла с относительно большим взаимным перемешиванием соединяемых металлов. Перемешивание основного и наплавляемого металла в большинстве случаев отрицательно сказывается на механических свойствах наплавленного соединения в целом. На сегодняшний день, наиболее предпочтительным способом наплавки внутренних цилиндрических поверхностей малого диаметра является центробежная электрошлаковая наплавка. Использование предлагаемого способа электрошлаковой наплавки обеспечит по сравнению с существующими способами наплавки, пригодными лишь для внутренних поверхностей больших диаметров и несложной конфигурации, следующие преимущества:

-возможность наплавки на внутренние поверхности тел вращения малого диаметра; -возможность наплавки как легкоплавких, так и тугоплавких материалов;

- уменьшение доли участия основного металла в наплавленном слое;

- повышение качества наплавленной поверхности и снижение затрат на последующую механическую обработку.

Данный способ характеризуется высокой устойчивостью процесса и повышенным качеством наплавленного слоя и позволяет с использованием порошкообразных присадочных материалов наплавлять внутренние поверхности цилиндрических деталей различного типоразмера широкой гаммой сталей, цветных металлов и сплавов. Авторами данного способа наплавки являются преподаватели и сотрудники кафедры "Сварочное производство" Ижевского государственного технического университета: Аникаев Виктор Арсентьевич, Ватлин Борис Викторинович, Попов Сергей Юрьевич, Ильин Василий Прокопьевич и Штенников Василий Сергеевич.

Центробежная электрошлаковая наплавка износостойкими сплавами позволяет не только упрочнять рабочие поверхности изделия, но и восстанавливать изношенную деталь до требуемых размеров. Однако недостаточный анализ процесса сдерживает ее широкое применение в производственных условиях. Таким образом, возникает необходимость более глубокого исследования критериев, определяющих оптимальные условия устойчивости начальной стадии наведения шлаковой ванны, и выбора ее схемы, тепловых характеристик процесса ЦЭШН, исследования влияния основных условий и параметров режима ЦЭШН на механические свойства наплавленного металла.

Для полной оптимизации процесса центробежной электрошлаковой наплавки на стадии проектирования необходимо использовать методики прогнозирования химического состава наплавленного металла шва. Результаты, полученные при применении этой методики, позволят правильно выбрать химический состав порошкового присадочного материала (ППМ), марку флюса, параметры и режимы ЦЭШН для получения максимально качественного наплавленного слоя биметаллических деталей.

Первые математические модели процесса сварки плавлением были разработаны Н. Н. Рыкалиным в начале 50-х годов. Эти модели базировались на аналитическом решении линейных уравнений и не позволяли учитывать особенности прогнозируемого процесса. Далее, огромный вклад в развитие вопросов математических моделей процессов окисления при сварке и наплавке сделал A.A. Ерохин. Данный подход успешно развивается научной школой Уральского государственного технического университета: Бороненковым В.Н., С.М. Шанчуровым, М.П. Шалимовым, Н.В. Королевым, JI.H. Барминым, A.M. Саламатовым, а так же A.A. Буки, Н.М. Новожиловым, А.Г. Потапьевским и другими учеными.

К настоящему времени известен ряд способов прогноза химического состава металла шва для некоторых видов сварки и наплавки. Их можно разделить на две группы: применение эмпирических коэффициентов перехода элементов и расчетные методы, основанные на анализе физико-химических процессов в сварочной ванне, с теми или иными упрощающими допущениями.

Таким образом, на основе литературного обзора, выполненного в первой главе, были сформулированы основные задачи и направления работы.

Вторая глава посвящена исследованию особенностей и специфики наведения шлаковой ванны, поиску и обоснованию критериев, влияющих на устойчивость электрошлакового процесса.

Процесс ЦЭШН протекает в двухстадийном режиме — наведение шлаковой ванны и непосредственно электрошлаковый процесс. При наплавке деталей больших толщин с использованием шлаковой ванны значительных объемов и глубины процесс наведения не представляет трудностей. При центробежной электрошлаковой наплавке неплавящимся электродом, 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.

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.

Образование шлаковой ванны при ЦЭШН осуществляется косвенной сварочной дугой, горящей между подвижным и неподвижным неплавящимся электродами. Как показали проведенные исследования, длительность наведения шлаковой ванны на трубных заготовках с внутренним диаметром 15 ... 38 мм не превышает 20 ... 30 с, включая время, необходимое для расплавления флюса и нагрева шлаковой ванны до нужной температуры.

С целью определения наилучших условий, обеспечивающих высокую устойчивость процесса наведения шлаковой ванны, были проведены исследования следующих схем наведения шлаковой ванны: с неподвижным в радиальном направлении наконечником, имеющим молоткообразную форму с выступающим мыском и кольцевым неподвижным графитовым электродом; с цилиндрическим пластинчатым неплавящимся графитовым электродом, вращающимся вокруг своей оси и центральным стержневым; с цилиндрическим пластинчатым вращающимся вокруг своей оси электродом и кольцевым графитовым; с цилиндрическим в виде вытянутой чашки, вращающимся вокруг своей оси электродом и кольцевым графитовым, также в виде чаши.

Из всех рассмотренных схем оптимальной схемой наведения шлаковой ванны является схема, представленная на рис. 1. Зажигание косвенной дуги происходит между чашкообразным графитовым наконечником вращающегося вокруг собственной оси неплавящегося комбинированного электрода и выступом графитового электрода. Данная схема обеспечивает весьма высокую устойчивость и кратковременность процесса наведения шлаковой ванны, а также минимальный износ наконечника и высокую стабильность процесса наплавки.

/

и Л/ 1

Рис. 1. Оптимальная схема наведения шлаковой ванны - скорость вращения детали; и'эл - скорость вращения электрода.

Известно, что в процессе износа графитового наконечника происходит процесс науглероживания металла наплавки. С целью выявления зависимости износа наконечника электрода от параметров режима были проведены исследования, в которых определялись износ графитового наконечника, вольфрамового стержня и степень науглероживания наплавленного слоя от изменения тока сварки, соотношения скоростей вращения неплавящегося электрода и заготовки, а также материала несущего токопроводящий стержень комбинированного подвижного электрода. В опытах использовалось математическое планирование эксперимента Процесс наплавки осуществляется постоянным током прямой полярности на напряжении 28 В, со скоростью продольного перемещения подвижного электрода 0,35 мм/с на заготовке из стали Ст. 3 с внутренним диаметром 70 мм, толщиной стенки 3 мм. Диаметр контактной части вращающегося электрода 50 мм, ширина контактной поверхности 12 мм, диаметр несущего стержня 12 мм. В качестве присадки использовался гранулированный порошок ПГ-СР2, толщина слоя порошка составляла 3 мм, наплавка осуществлялась с применением сварочного флюса марки АН-348-А. Относительный износ (Иотн) графитового наконечника и несущего стержня электрода вычислялся по выражению:

и = р „ .> - р „. ,]00 0/о О); р „,

где Рэлд и Рэлн - соответственно вес наконечника или стержня до наплавки и после наплавки.

После обработки результатов исследований на ЭВМ были получены следующие уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс с доверительной вероятностью 0,95:

С = 0,67 + 0,022Х, - 0,045Х2 + 0,01Х,Х2; (2) г|эл= 2,23 + 0,36Х, - 0,76Х2 - 0,08 Х,Х2; (3) цст = 0,377 + 0,022Х| + 0,005 Х2; (4)

где С - процентное содержание углерода в наплавленном слое; Пэл. Лет ~ соответственно износ графитового электрода и несущего стержня.

Анализ полученных уравнений показывает, что максимальное влияние на износ графитового наконечника и соответственно насыщение наплавленного слоя углеродом оказывает соотношение линейных скоростей вращения детали и электрода. С повышением линейной скорости перемещения металлической ванны относительно линейной скорости электрода износ электрода и соответственно содержание углерода в наплавленном слое падают. Как показывают опыты и результаты исследований, оптимальные условия стабильного процесса с минимальным износом графитового наконечника и повышение качества наплавленного слоя с минимальным его насыщением углеродом обеспечивается при наплавке постоянным током прямой полярности при минимально возможном его значении, обеспечивающем стабильность процесса, при вращении цилиндрического наконечника подвижного неплавящегося электрода в направлении вращения заготовки с окружной скоростью меньше окружной скорости поверхности сварочной ванны в диапазоне соотношения:

IV -нг ч (5);

Следующим по величине значимости фактором, оказывающим влияние на износ электрода и насыщение углеродом наплавленного слоя, является сварочный ток. С ростом последнего наблюдается увеличение износа и рост углерода в наплавленном металле. Однако действие тока примерно более чем в 2 раза меньше действия соотношения скоростей.

Износ несущего стержня весьма незначителен, не зависит от материала, из которого он изготовлен, и не будет оказывать в данных условиях процесса наплавки существенное влияние на химический состав наплавки.

В случае, когда примесь углерода нежелательна или его содержание допустимо в низких пределах, целесообразно взамен графитового токопроводящего наконечника использовать металлический неплавящийся. В условиях ЭШП (температура шлака 1600... 1800°), как показывает опыт, поэтому применение металлического неплавящегося электрода возможно только при его охлаждении.

Были исследованы две различные схемы токопроводящих металлических наконечников: вращающийся вокруг собственной оси цилиндрический пластинчатый наконечник 7 из молибдена (рис. 2.) и вращающий цилиндрический пустотелый водоохлаждаемый наконечник, также из молибдена. Несущий стержень электродов 2 (рис. 2.) был изготовлен из вольфрамового прутка диаметром 12 мм.

/

/ к

Рис. 2. Схема цилиндрического пластинчатого электрода.

Результаты исследований показывают, что минимальный износ обеспечивается при использовании вращающегося водоохлаждаемого пустотелового электрода, относительный износ составляет не более 0,5 ... 0,8%, в наплавленном слое содержание вольфрама, как показал проведенный химический анализ, не превышает 0,03 ... 0,10%, в зависимости от соотношения \У,ЛЛ\ГД, износ равномерный по всей контактной поверхности электрода.

Устойчивость процесса электрошлаковой сварки или наплавки оказывает значительное влияние на свойства металла шва и его эксплуатационные характеристики. Процесс ЦЭШН протекает в режиме сопротивления при плотностях тока 200 А/см2 и выше без образования сварочной дуги.

Известно, что нарушение устойчивости электрошлакового процесса и переход к дуговому происходят вследствие образования газообразующих продуктов в приэлектродных зонах из-за увеличения плотности тока и отделении при этом электрода от расплава, т.е. происходит перегрев шлака и его вскипание. Следовательно, можно сделать вывод о том, что потеря устойчивости процесса — превышение температуры шлака в какой либо точке приэлектродной зоны температуры кипения наиболее легкоплавких его компонентов.

Для оценки условий, определяющих устойчивость процесса, необходимо знать время, в течение которого элементарный объем шлаковой ванны может находиться под электродом, а его температура может изменяться от средней температуры (Тср) ванны до температуры кипения легкоплавкого компонента (Ткип).

Теплота, выделяющаяся за этот промежуток времени в заданном элементарном объеме шлаковой ванны, согласно закону Ленца-Джоуля равна:

где Я - сопротивление участка шлаковой ванны под контактной поверхностью неплавящегося электрода, Ом; I - время нахождения элементарного объема шлаковой ванны под электродом, с; и - напряжение процесса ЦЭШН, В.

В то же время, теплота, необходимая для нагрева данного участка шлаковой ванны до температуры кипения наиболее легкоплавких компонентов, может быть вычислена по формуле:

б = СртАТ (7);

где Ср - удельная теплоемкость наиболее легкоплавкого компонента при заданных температуре и давлении, Дж; ш - масса указанного участка шлаковой ванны, г; ДТ — разность между температурой кипения наиболее легкоплавкой составляющей шлака и средней температурой шлаковой ванны, град.

Преобразовывая уравнения (6) и (7), в конечном итоге получим, что угловая скорость вращения заготовки равна:

0,017 а Р

Ш С ( р А Т И 2

Таким образом, для обеспечения устойчивости процесса ЦЭШН необходимо увеличить скорость вращения с одновременным увеличением мощности процесса и уменьшением глубины шлаковой ванны. В свою очередь удельная мощность процесса возрастает с увеличением скорости вращения заготовки и глубины шлаковой ванны.

Третья глава посвящена экспериментальному измерению температуры шлаковой ванны во вращающейся трубе и температуры наплавляемой заготовки, изучению влияния температуры шлаковой ванны на глубину проплавления материала заготовки, а также исследованию влияния основных параметров режима наплавки на температуру шлаковой ванны.

Для измерения температуры шлаковой ванны малого объема и температуры наплавляемой заготовки были выбраны методы плавких вставок и метод измерения с помощью термопар.

Производилась центробежная электрошлаковая наплавка образцов, представляющих собой трубу внутренним диаметром 82 мм, наружным 100 мм и длиной 1110 мм, выполненную из стали Ст. 3. В качестве присадочного материала использовался порошок ПГ-ХН80СРЗ, выполненный на основе никеля. Порошок предварительно наносился на внутреннюю поверхность трубы в виде обмазки. В качестве связующего использовали силикатный клей. Толщина обмазки составляла 2 мм.

Для измерения температуры наплавляемой заготовки применялись две термопары ХА ГОСТ 3044-77, зачеканенные на глубину 10 и 15 мм от внутренней поверхности трубы. Провода термопар припаивались к отцентрированным бронзовым токосъемным кольцам, изолированным от трубы. Термоэдс снималась с колец при помощи меднографитовых щеток типа МГЗ.

Для измерения температуры шлаковой ванны применялись следующие способы:

-10-

I. Измерение температуры наконечника неплавящегося электрода, находящегося в непосредственном контакте со шлаковой ванной. В данном способе применялась термопара типа вольфрамрений ВР 5/20 ГОСТ 3044-77, позволяющая производить измерения температуры до 2500 "С.

II Измерение температуры шлаковой ванны путем непосредственного кратковременного введения свая термопары в шлаковую ванну с помощью термопары ВР 5/20, вводимой в различные точки шлаковой ванны. Измерения проводились при различных режимах наплавки примерно, 1-1,5 мм от поверхности ванны. III. Измерение температуры шлаковой ванны при помощи плавких вставок.

Эксперименты показали, что в период наведения шлаковой ванны средняя температура ванны составляет 1300 - 1500 "С. При включении вращения температура падает на 100-200 °С, что можно объяснить остыванием ванны в результате соприкосновения с ранее ненагреваемыми участками трубы, этим же объясняется и незначительное уменьшение средней температуры ванны при включении продольной подачи электрода. В дальнейшем процесс устанавливается и величина температуры стабилизируется (рис.3).

На основе экспериментальных исследований выявлено, что на величину средней температуры шлаковой ванны влияют такие параметры режима наплавки, как мощность, размер подвижного электрода, скорость вращения детали и скорость наплавки. С увеличением величины скорости вращения заготовки средняя температура ванны несколько уменьшается (рис.4). Это, объясняется тем, что при увеличении скорости вращения уменьшается время пребывания каждого элементарного участка шлаковой ванны под электродом. С увеличением скорости предельной подачи неплавящегося электрода (скорости наплавки) наблюдается рост температуры шлаковой ванны (рис. 5).

Температура шлжоеой ванны

Т«мп*ратур» в вщтЛ тмкмл«ф<«а

1)

/-ЗШ ( -48В

Я I ОГадЛ

/«2ИМ

г

г(г)

ЗООО Г-

Тмаиргтур. ШШМО? и

- МП*/ к /•200/1 У=*>В

-------1 2) и » ЯШ>/ ««

• мртмточимитроот 1

г /- 2ХМ

МО 1120 1Ю 0,27 040 У(ш/с)

Рис. 4. Рис. 5.

Температура шлаковой ванны в значительной степени зависит от размера головки электрода (рис 6.). С увеличением длины дуги "С" головки электрода возрастает температура шлаковой ванны, что также можно объяснить увеличением длительности пребывания каждого участка шлаковой ванны в подэлектродной зоне. Увеличение эффективной мощности, выделяемой в шлаковой ванне, также способствует росту ее температуры (рис 7).

О! = 19ЮОЙ/ >41' 2)

I _ = 04шг/с />= КЖЮйи

Р, Вт

10400

Рис. 6. Рис. 7.

При помощи эксперимента с плавкими вставками определена приблизительная длина шлаковой ванны и распределение температур в шлаковой ванне по длине трубы. При токе 280 А, напряжении 28 В и частоте вращения трубы 1800 об/мин длина шлаковой ванны (определена по границе расплавления медных вставок) составляет около 110 мм.

Вольфрамовые вставки, оказавшиеся в подэлектродной области, оплавились (рис. 8.), что говорит о значительной температуре шлаковой ванны, достигаемой при данном способе наплавки.

Температура шлаковой ванны по окружности трубы также непостоянна и меняется в зависимости от режима наплавки, от максимальной (2500-2700°С) в подэлектродной зоне до минимальной (1200-1300°С) в зоне над электродом (рис. 9.).

Эксперименты показали, что величина глубины проплавления металла заготовки (доля участия основного металла в наплавленном слое) зависит не только от температуры шлаковой ванны, но также от таких параметров режима наплавки, как скорость продольной подачи электрода, зазор между неплавящимся электродом и

-12-

наплавляемой поверхностью, скорость вращения заготовки (рис. 10.).

Проведенные эксперименты показали, что максимальная температура шлаковой ванны в условиях исследуемого способа достигает порядка 2500 °С и более, т.е. превышает по своей величине температуру кипения шлака (2200 - 2220°С) без нарушения устойчивости процесса. Таким образом, следует сделать вывод о том, что использование центробежной электрошлаковой наплавки позволяет не только повысить устойчивость электрошлакового процесса при уменьшении объема шлаковой ванны, но и существенно повысить ее рабочую температуру.

4 ТС

III 411 (¡11 XII 11Н1 12111^11 lf.ll 1ХП 211112211 241И мм

1111 „I

_ ---—^

штшштшшш/,

Рис. 8

1,05 1,00

0,08

0,05 0,01

Рис. 9

Ь. мм

1

5 1=120 А 11=27 В 4 1= II 320 Л =25 В

3 1=300 А и=30 В

1=320 Л 11=27 В 1=2*0 А и=40 В

. и„

) (0 = 1 800 об/мин 4) й) = 1120 об/мин

V 11=0,2 7 мм/с

5)

Уп=0,27 мм/с

ш = 1 800 об/мин Vп=0,1 8 мм/с

2) ю = 900 об/мин

V 11=0,27 мм/с

3) о) = 1 1 20 об/мин

V п=0,2 7 мм/с

Рис. 10.

В четвертой главе рассматриваются результаты экспериментального исследования влияния основных параметров режима ЦЭШН на изменение механических свойств наплавленного металла и процентного содержания углерода в наплавленном слое.

Влияние режимов наплавки на физико-механические свойства наплавленного слоя исследовалось при наплавке трубных заготовок из стали Ст.З (внутренний диаметр 82 мм, толщина стенки 9 мм). Наплавка осуществлялась постоянным током прямой полярности неплавящимся графитовым электродом с использованием флюса

АН-348-А (по ГОСТ 9087-81). В опытах изменялась сила тока Iсв, окружная скорость

вращения заготовки V , продольная скорость перемещения электрода Упро1) и

процентное содержание релита в наплавочном порошке, состоящем из смеси релита и

-13-

порошка гранулированного ПГ-ХН80СРЗ. Для сокращения объемов исследований и получения зависимостей в виде уравнений регрессии в опытах использовалось математическое планирование эксперимента.

После обработки результатов исследований были получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс с доверительной вероятностью 0,95:

Еотн=3,27-0,084Х г0,029Х2+0,234Х4+0,101 Х,Х3 (9);

НУ=961,3-32,5Х]+105Х4+47,5Х|Х3 (10);

%С=0,376-0,021 Х,+0,026Х3+0,211 Х4+0,0,36Х1Х2-0,016Х,Х3 (11);

Испытания на износостойкость производили с использованием оригинального устройства (Ав. св. №1548705) для испытаний конструкционных материалов в абразивной массе, разработанного преподавателями Ижевского Государственного Технического Университета и Кишиневского Сельскохозяйственного Института имени М.В. Фрунзе.

Для сравнения условий наплавки на износостойкость наплавленного слоя проводилась электродуговая наплавка неплавящимся электродом по слою порошкообразного присадочного материала на пластины идентичного металла, что и трубные образцы и центробежная электрошлаковая наплавка. Режимы наплавок подбирались таким образом, чтобы обеспечить равные доли участия порошкообразного присадочного порошка металла в формировании наплавленного слоя. Испытывалось по три образца, вырезанных из одной заготовки, и для дальнейших расчетов принималось среднее значение полученных величин относительной износостойкости. В качестве контрольного образца при испытаниях на износ использовались образцы из стали 45 закаленной.

Анализ полученных данных эксперимента показывает, что износостойкость образца наплавленного ЦЭШН примерно в 1,5 раза выше, чем у образца наплавленного электродуговым способом идентичным наплавочным материалом, что объясняется более мелкозернистой структурой наплавленного металла. В сравнении с эталонным образцом, износостойкость образца наплавленного ЦЭШН в 3 - 3,5 раза выше, что позволяет рекомендовать наплавку исследуемым наплавочным материалом, применительно к деталям, работающим в условиях абразивного нагруженная.

Анализ полученного уравнения регрессии (9) показывает, что основное влияние на относительную износостойкость оказывает состав легирующего порошка (процентное содержание в нем релита). С увеличением содержания в нем релита относительная износостойкость возрастает (рис. 11). Такая закономерность, объясняется тем, что увеличение количества релита в легирующем порошке приводит к возрастанию количества карбидов и боридов вольфрама и уменьшению количества карбидов и боридов хрома. Ощутимое влияние на относительную износостойкость оказывает величина сварочного тока. С уменьшением величины сварочного тока износостойкость увеличивается. Это можно объясняеть тем, что уменьшение сварочного тока приводит к выделению меньшего количества тепла в зоне наплавки, что влияет на долю участия легирующего порошка в наплавленном слое. При меньших значениях сварочного тока доля участия легирующего порошка в наплавленном слое

возрастает, а это и приводит к увеличению износостойкости. Окружная скорость вращения заготовки влияет на износостойкость наплавленного слоя несущественно.

Анализ полученного уравнения регрессии (10) показывает, чго основное влияние на твердость наплавленного металла оказывает состав легирующего порошка (рис. 12.). С увеличением содержания релита твердость возрастает. Существенное влияние на твердость оказывает величина сварочного тока. С уменьшением сварочного тока ' твердость наплавленного слоя возрастает.

Рис. 11. Зависимость относительной износостойкости наплавленного слоя от сварочного тока (X,) и состава наплавочного порошка (Х4). Окружная скорость вращения заготовки 1150 об/мин., продольная скорость перемещения электрода 0,15 мм/с.

С ялрочмый ток (XI)

Рис. 12. Зависимость твердости наплавленного слоя от сварочного тока (Х^ и состава

легирующего порошка (Х4).

Продольная скорость перемещения электрода 0,15 мм/с.

Анализ полученного уравнения регрессии (11) показывает, что процентное содержание углерода в наплавленном слое в основном зависит от состава легирующего порошка (рис. 13). С увеличением содержания релита в наплавочной смеси процентное содержание углерода значительно возрастает. Причем при изменении содержания релита от 20 до 60 % содержание углерода в наплавленном

слое возрастает почти в 3 раза. Объясняется это тем, что в состав релита входит углерод Соответственно при возрастании содержания релита в наплавочной смеси увеличивается содержание углерода в наплавленном слое.

Также на процентное содержание углерода в наплавленном металле оказывают влияние величины сварочного тока и продольной скорости перемещения электрода (рис. 14) При уменьшении тока и увеличении продольной скорости перемещения электрода содержание углерода возрастает. Данные изменения (ток, скорость перемещения) приводят к увеличению доли участия легирующего порошка в наплавленном слое, что и приводит к увеличению процентного содержания углерода.

Рис. 13. Рис. 14.

В результате эксперимента были получены следующие уравнения регрессии для выявления зависимости доли участия основного металла и глубины его проплавления от параметров режима ЦЭШН, описывающие процесс с доверительной вероятностью 0,95:

Пр=0,78+0,15Хг-0,1Хз (14);

ЗТВ=0,9+0,13Х,+0,075Х4 (15);

у=12,48+0,64Х|-0,69Х2-0,18Х3 (16);

Анализируя уравнение регрессии, которое описывает изменение глубины проплавления основного металла (14), можно отметить, что наибольшее влияние на значение исследуемого параметра оказывают два фактора, сила тока и скорость вращения заготовки (Х[ и Х3), причем при увеличении силы тока и уменьшении скорости вращения глубина проплавления увеличивается. Наибольшая глубина проплавления достигается при 1СВ=300А и УО1ф=3500 мм/сек.

Анализируя уравнение регрессии, описывающие величину ЗТВ (15), можно отметить, что наибольшее влияние на значение параметра оказывает один фактор -сила тока. При увеличении силы тока ЗТВ увеличивается. Минимальное значение ЗТВ получается при 1СВ=300А.

Анализируя уравнение регрессии, описывающее долю участия основного металла в наплавке (16), можно отметить, что наибольшее влияние на данный параметр оказывают два фактора, сила тока и скорость продольного перемещения электрода. Причем чем больше скорость перемещения электрода и меньше сила тока, тем меньше доля участия основного металла, то есть при 1СВ=300А и Упр=1,51 мм/сек.

Экспериментально исследовано порообразование при ЦЭШН с применением ППМ. Наплавка производилась на внутреннюю поверхность трубных заготовок с внутренним диметром 110 мм и толщиной стенки 15 мм. В качестве присадочного наплавочного материала использовались различные композиции легирующих смесей,

-16-

основой которых являлся серийный гранулированный никельсодержащий порошок, в состав которого дополнительно вводился порошок железа, графита, хрома, ферробора, феррохрома, карбидных и Зоридных соединений хрома, титана и вольфрама С целью интенсификации процесса наплавки в состав присадочного порошка вводился феррохром азотированный, порошок прокатной окалины, а также в плавильную зону процесса ЦЭШН вдувался азот и использовался флюс марки АН-348-А повышенной по сравнению с нормативными значениями влажности. Склонность к порообразованию наплавленного слоя, полученного в различных условиях процесса * наплавки, оценивалась, как отношение площади поперечного сечения выявленных пор (5П) к площади поперечного сечения наплавленного слоя (5НС) в процентах. Среднее значение пористости, свойственное исследуемым условиям наплавки, определялось как среднее арифметическое в пяти сечениях наплавленного слоя. Параллельно осуществлялась оценка пористости по рентгенограммам наплавленного слоя.

Анализ исследуемых наплавленных образцов показал, что во всех опытных ситуациях провоцирующих интенсификацию процессов порообразования при центробежной электрошлаковой наплавке, были получены литые с высокой плотностью наплавленные слои без каких либо дефектов, относящихся к группе пор, что объясняется действием центробежных сил на расплавленный металл сварочной ванны и выдавливанием центров порообразования на поверхность наплавленного слоя.

При исследовании микроструктуры наплавленного слоя было установлено, что в зонах (периферийная зона, глубинная и контактная с основой) распределение порошковых добавок в объеме наплавленного металла различно. Так карбид титана без изменений переходит в наплавленный слой значительно в меньших объемах, чем карбид вольфрама. Распределение оплавленных частиц карбида вольфрама отличается от распределения карбида и борида хрома, последнее, как правило, распределяется в периферийной зоне, а карбид вольфрама проникает практически на всю толщину наплавленного слоя. Уменьшение времени существования шлаковой ванны и соответственно времени химического взаимодействия карбидных соединений с расплавом шлака увеличивает наличие карбидных составляющих в объеме наплавки. Результаты рентгеновского анализа согласуются с микроструктурным анализом. Сопоставление рентгенограмм наплавленного слоя с рентгенограммами исходных карбидных и боридных порошковых композиций подтверждает наличие в наплавленном слое карбидов и боридов хрома, вольфрама, молибдена. Наличие карбидов титана в наплавленных слоях не зафиксировано.

Полученные результаты позволяют сделать заключение о возможности получения композиционного наплавленного слоя на основе карбидных и боридных соединений

Сг и Мо с применением ЦЭШН трубных заготовок и деталей.

Пятая глава посвящена разработке инженерной методики прогнозирования химического состава наплавленного металла при ЦЭШН и оценке адекватности предложенной методики.

Взаимодействие фазовых составляющих сварочной ванны имеет сложный характер и не всегда поддается точному описанию из-за большого числа случайных факторов.

Поэтому первым этапом математического моделирования является выбор физической модели (схемы), неизбежно упрощающей реальную картину процесса. Используя известный в химической технологии кибернетический подход, можно представить реакционную зону наплавки как совокупность реакторов непрерывного действия, в которых осуществляется взаимодействие реагирующих фаз при одновременном взаимодействии друг с другом.

Физическая модель ЦЭШН с принятыми упрощениями приведена на рис. 14. Прямоугольники на рис. 15. соответствуют стационарно существующим агрегатным состояниям фаз на определенных участках зоны наплавки. Общая сторона прямоугольников - граница раздела фаз, т.е. реакционная поверхность, линии соединяющие прямоугольники - пути перемещения реагирующих компонентов.

Плавление ППМ1 - [

Плавление ППМ2 - * Расплав ЛПМ1 [э,1

»

Мггаллич*екая в. >ииа Шлаковая ванна

(П.

Плавление ОСНОВНОГО 4 • 4

_ —галла • [3,1.______Плавление флюс» ■ [ } ^_

Крметализация металла [ '

{образование наплавленного елея) '

[3 ^ Затвердевание шлака (шлаковая корка) -[Э ]_ ч

Рис. 15 Физическая модель ЦЭШН с ППМ. Содержание элемента в [Э,]0 „ - основном металле, [Э,]м, - металлической ванне, (Э,)ш,, - шлаковой ванне, (Э,)ф сварочном флюсе, [Э,]„с - наплавленном слое, (Э,)Ш1Ч) - шлаковой корке, [Э,]ппм1, [Э,]ппм2 -порошковом присадочном материале 1 и порошковом присадочном материале 2 соответственно

Процесс наплавки лишь условно можно разделить на последовательные стадии, поэтому в общем случае будем рассматривать зону наплавки как один реактор, содержащий несколько взаимодействующих фаз, или совокупность реакторов с обратными связями. Совокупность фаз составляет систему, в которую реагенты поступают с наплавочными, вспомогательными материалами и основным металлом. Очевидно, что состав последних может быть найден из уравнения материального баланса, составленного для каждой фазы.

При разработке модели необходимо принять следующие допущения:

1. Жидкий металл реагирует со шлаком на поверхности расплава ППМ1 (стадия 1) и на поверхности раздела металлической и шлаковой ванн (стадия 2);

2. Состав ванны формируется за счет поступления металла от ППМ и основного металла;

3. Состав шлаковой и металлической ванны остается неизменным. Материальный баланс Э, (кг/с) для рассматриваемого элемента в металле можно

описать на стадиях процесса следующим образом:

на стадии 1 (j=l)

G^djoA _ .. [Э,L„ , „ (15);

100 rfr 100 .....100

на стадии 2 (j=2)

G №2d[3 ,]2 [Э ,], [Э

-+ D

100 di Mez 100 1 100

[Э ,j„ м [Э ,

+ L> „ „ -—--I , S

(16);

100 2 ' *' ' 100 х

гДе ГЭ^ппмь [Э*]ппм2> [Э1]ц.с. - массовое содержание ¡-ого элемента в ППМ1,

ППМ2, основном металле и наплавленном слое соответственно, %; I, — скорость перехода металла в шлак на стадии], т.е. скорость химической реакции, моль/м2 с"'; SJ - площадь реакционной поверхности на стадии], м2; А„ - атомная масса ¡-ого элемента, кг/моль; «меь ^Мс21 ^о.м.5 - соответственно скорости плавления ППМ1, плавления ППМ2, плавления основного металла, кристаллизации наплавленного слоя кг/с; т -время процесса, с; СМе1, Сме2 - масса жидкого металла на стадии], кг; х - коэффициент ликвации.

Уравнение (15) описывает скорость изменения ¡-ого элемента в металле на первой стадии, где первый член правой части - скорость поступления элемента (с расплавляющимся металлом) в жидкий металл, второй — скорость перехода элемента из металла в шлак вследствие химических реакций, третий — скорость ухода элемента в металлическую ванну.

Левая часть уравнения (16) описывает скорость изменения количества элемента в металлической ванне в результате изменения концентрации элемента на стадии ванны. Первый и второй члены правой части — скорость поступления элемента с порциями ППМ1 и ППМ2, третий член — скорость поступления элемента из основного металла, четвертый член — скорость перехода элемента из металла в шлак вследствие химических реакций, пятый член — убыль элемента вследствие кристаллизации металла.

Материальный баланс для рассматриваемого элемента в шлаке описывается следующим уравнением:

на стадии ванны (j=2) G.^O.OJ, = ц (Э.О.), 100 di ф 100

ОК ( Э ,„ О m ) ппм | ок ( Э 1П О m ) ralM 2 ( Э 1Л О т )„

U ГПГХА I _____~Г U

+ 1 ,S ,М ()к +1 :S 2М ок + (,7);

100 11ИМ 2 100 * 100 X

где (Э,пОт)о, (Э|пОт)ппмь (Э^Ога)Ппм2, (Э1„0„1)шл.кр. — концентрация i-ого элемента соответственно в исходном флюсе, в шлаковой ванне, в оксидной пленке на ППМ1,

ППМ2 и во время кристаллизации, %; ъф, ппм 2» ,)шл-кр- — соответственно

скорости подсыпки флюса, растворения оксидных пленок на ППМ1, ППМ2 и кристаллизации, кг/с; М0к — молекулярная масса оксида ЭшОт, кг/моль; Сшл2 — масса шлака, кг.

Для определения концентрации [Э,] любого элемента в металлической ванне и оксида (ЭшОт) в шлаковой ванне преобразуем уравнение (16) и (17) соответственно:

[Э,]г =

о^ЛЭ,], +оХк1[Э,]пт1 2 +'о„ „ [Э,]„ . -

- I2S2A „ 100 - и,

[Э,],

1 (18);

P.O.), =

+ Ю0 + 12ЗгМт 100 +

V ппи 1 (Э,„От ) или I + f П11\1 2 (Э,„От ) ШП1 2 — I

Р. о,).

X

(19);

Система уравнений (18)-(19) представляет собой общую математическую модель, позволяющую прогнозировать химический состав металла и шлака при ЦЭШН. На основе данной модели разработана компьютерная программа расчета в системе Turbo Pascal 7.0 на микроЭВМ, описывающая химические реакции с участием 13 элементов: Fe, С, Si, Mn, Ti, Сг, В, V, Nb, Al, Р, S, О. Кроме того, находятся концентрации пяти элементов без учета их окисления: Со, Си, Ni, Mo, W.

Входными параметрами модели являются исходные составы ППМ и флюса, скорости их плавления и подачи, площади поверхностей взаимодействия, толщина и состав оксидной пленки на поверхности ППМ, коэффициенты ликвации и другие величины, входящие в указанные уравнения.

Используя данную методику расчета, можно одновременно решать две задачи: прямую-с учетом параметров и режимов наплавки, химического состава присадочного материала и флюса прогнозировать химический состав наплавленного слоя и обратную, зная химический состав наплавленной поверхности, режимы и параметры наплавки рассчитать необходимый для ее получения химический состав присадочного материала.

Для оценки точности предложенной физической и математической моделей сравнивали результаты расчета химического состава наплавленного металла с результатами реальной наплавки на различных режимах с использованим присадочных порошкообразных материалов различного химического состава.

Содержание легирующих элементов в наплавленном металле изменялось в следующих диапазонах: углерода от 0,18% до 2,2%, кремния от 0,5% до 2,6%, марганца от 0,35% до 1,8%, хрома от 1,8% до 24,0%, титана от 0,1% до 2,3%, вольфрама от 0,35% до 4,8%, алюминия от 0,1% до 1,5%, никеля от 1,3% до 16,0%. По исходным данным процесса каждой опытной наплавки производился расчет химического состава наплавленного металла по предложенной модели, и одновременно химическим анализом определялось конечное содержание легирующих элементов в наплавленном металле. В общей совокупности проведен расчет химического состава наплавленного металла 20 опытных наплавок, и получено 120 расчетных значений содержания легирующих элементов.

Относительная погрешность прогнозирования химического состава наплавленного металла с учетом конкретных условий и параметров режима ЦЭШН:

Me .... - Me ........ .. (20);

Me

100 %

где Mexl

Меп;

соответственно содержание легирующего элемента, определенное

химическим анализом и расчетом.

Был проведен расчет критерия соответствия (/-квадрат) Сравнение расчетной величины с критическим значением при числе степеней свободы К = 4 и доверительной вероятности 0,95 показывает, что нет оснований сомневаться в нормальности распределения погрешностей расчета химического состава наплавленного металла На основании статистической обработки результатов расчета относительной погрешности предложенной математической модели можно заключить, что она позволяет получать и прогнозировать химический состав наплавленного металла, полученного ЦЭШН, с отклонением от заданных с погрешностью не превышающей ± 12 5%- ± 22.5% в зависимости от вида легирующего элемента (рис 15)

-40- 1

/ [ \

— V ' - \

, / ' / 15- \ 1

// -

50 40 30 20 Ю О Ю 20 30 40 50 Относительная погреиноспъ

ш а--с — -- Т1

Рис. 15 Распределение относительной погрешности расчета.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе приведенных теоретических положений и подробного анализа полученных экспериментальных данных установлено, что использование центробежной электрошлаковой наплавки (ЦЭШН) является оптимальным способом при наплавке внутренних цилиндрических поверхностей малого диаметра Данный способ обеспечивает высокую стабильность процесса, высокое качество и чистоту наплавленных поверхностей для восстановления геометрических размеров деталей или придания специальных свойств внутренним поверхностям с использованием как легкоплавких, так и тугоплавких порошковых присадочных материалов (ППМ)

2 Сравнение результатов эксперимента и расчетных исследований позволяет сказать, что основным критерием, определяющим устойчивость процесса Ц01ПН, является соблюдение необходимого соответствия между мощностью процесса, скоростью вращения заготовки, размером контактной поверхности неплавящегося электрода и глубиной шлаковой ванны На основе экспериментальной обработки данных выявлено, что при ЦЭШН графитовым электродом наибольшая стабильность шлакового процесса и минимальный износ графитового наконечника достигается при наплавке постоянным током прямой полярности и при отношении скорости вращения электрода вокруг своей оси к линейной скорости вращения заготовки в пределах' IV^ = /(1,05 +1,20), оптимальная форма электрода - пластинчатая цилиндрическая.

3 Установлено, что наведение шлаковой ванны, осуществляемое при зажигании косвенной дуги между чашкообразным графитовым наконечником вращающегося вокруг собственной оси неплавящегося комбинированного электрода и выступом графитового электрода, является способом, обеспечивающим весьма высокую устойчивость и кратковременность процесса наведения шлаковой ванны, а также минимальный износ наконечника и высокую стабильность процесса наплавки

4 Исследованы тепловые процессы при ЦЭШН Экспериментально установлено, что на величину средней температуры шлаковой ванны влияют следующие параметры процесса: мощность процесса, размер электрода, скорость вращения заготовки и скорость наплавки. Выявлен эффект воздействия вышеприведенных параметров ЦЭШН на величину температуры шлаковой ванны.

5 Сравнение экспериментально полученных данных позволило установить, что максимальная температура шлаковой ванны в условиях исследуемого способа достигает порядка 2500 °С и более, т е превышает по своей величине температуру кипения шлака (2200 - 2220°С) без нарушения устойчивости процесса

6 Сравнение результатов эксперимента позволило выявить непосредственную зависимость получения оптимальных механических свойств наплавленной поверхности от параметров режима ЦЭШН. Экспериментально установлено, что:

а основное влияние на относительную износостойкость, твердость наплавленного металла и на процентное содержание углерода в наплавленном слое оказывает состав легирующего порошка (процентное содержание в нем релита), величина сварочного тока и продольной скорости перемещения электрода Выявлен эффект воздействия вышеприведенных параметров режима ЦЭШН на изменение относительной износостойкости, твердости и процентного содержания углерода в наплавленном слое.

6 наибольшее влияние на глубину проплавлепия, па величину ЗТВ и на долю участия основного металла при центробежной электрошлаковой наплавке оказывают сила тока, окружная скорость вращения заготовки и продольная скорость перемещения электрода Выявлен эффект воздействия вышеприведенных параметров режима ЦЭШН на изменение глубины проплавления. величины ЗТВ и на доли участия основного металла

7 Экспериментальное исследование микроструктуры наплавленных поверхностей позволило выявить, что распределение оплавленных частиц карбида вольфрама отличается от распределения карбида и борида хрома, последнее, как правило, распределяется в периферийной зоне, а карбид вольфрама проникает практически на всю толщину наплавленного слоя. Уменьшение времени существования шлаковой ванны и соответственно времени химического взаимодействия карбидных соединений с расплавом шлака увеличивают наличие карбидных составляющих в объеме наплавки Наличие карбидов титана в наплавленных слоях не зафиксировано.

8 Разработана общая физическая и математическая модели процесса, позволяющие прогнозировать химический состав наплавленного металла при ЦЭШН с применением различного вида порошковых присадочных материалов.

9. Разработана инженерная методика расчета химическ01 о состава наплавленной поверхности и химического состава порошкового присадочного материала при ЦЭШН, позволяющая в широком диапазоне изменять процентное содержание легирующих элементов Сравнение результатов эксперимента и расчетных исследований позволяет сказать, что средняя ошибка точности прогноза металла шва для основных легирующих элементов (С, Si, Mn, Cr, Ti, W, AI, Ni) не превышает ошибки результатов химического анализа. Максимальное различие результатов расчета и эксперимента для элементов, имеющих максимальное сродство с кислородом, - Ti и AI объясняется случайными отклонениями нерегулируемых факторов процесса ЦЭШН Программа расчета состава металла шва при ЦЭШН с использованием ППМ передана в производственный отдел AHO "Института электросварки" для использования ее при технологической подготовке наплавочных работ Ожидаемый экономический эффект составит 533 340 (пятьсот тридцать три тысячи триста сорок) рублей в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Штенников В С , Макаренков Д А , Штенникова А В Влияние режимов электрошлаковой наплавки на физико-механические свойства наплавленного металла // Славяновские чтения Сварка - XXI век- Сборник научных трудов. - Липецк: Изд-во ЛЭГИ, 1999 - С 199-204

2 Штенникова А В , Штенников В С Оценка точности методики прогнозирования химического состава наплавленного слоя // Сварка Урала 2001: Сб. тезисов юбилейной 20 научно -технической конференции сварщиков Урала - Нижний Тагил' Изд-во Нижнетагильский технологический институт УГТУ-УПИ, 2001. - С. 19-20.

3 Штенников В С . Штенникова А В Прогнозирование химического состава наплавленного слоя при центробежной электрошлаковой наплавке // Сварка Контроль Реновация - 2001 Труды первой международной научно-технической конференции. Уфа: Гилем, 2001.-С. 129-131

4 Штенников В С , Штенникова А В , Бороненков В.Н Расчет присадки при центробежной электрошлаковой наплавке цилиндрических деталей // Сварка, наплавка и специализированное оборудование в ремонте и восстановлении деталей машин' Сборник тезисов докладов на 7 - ой научно-технической конференции "Первые Бороненковские чтения" Екатеринбург ГОУ УГТУ-УПИ, 2001.-С. 70-71.

5 Штенников B.C., Бороненков В Н , Штенникова А В. Компьютерное моделирование процесса центробежной электрошлаковой наплавки // "Информационные технологии в инновационных проектах"- Труды III международной научно-технической конференции, часть 1 Ижевск Изд-во Ижевского радиозавода, 2001. - С 125-126.

6 Штенников B.C., Бороненков В.Н . Штенникова А.В , Макаренков ДА Управление химическим составом наплавленного металла, полученного центробежной электрошлакой наплавкой // "Сварка Урала - 2002"' Сб тезисов докладов XXI научно - технической конференции сварщиков Уральского региона Курган' Изд-во Курганского государственного университета, 2002 - С 3740;

7 Штенникова A.B., Аникаев В.А, Штенников B.C., Ватлин Б.В Оценка износостойкости наплавленных композиционных слоев // Наплавка и напыление как эффективные способы повышения срока службы деталей машин и оборудования Сб тезисов докладов научно-технической конференции посвященной 80-летию со дня рождения профессора д-ра тех. наук МИ Разикова. Екатеринбург IОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. - С. 126-127

8 Штенникова А.В , Штенников В С., Аникаев В А Анализ структурного состояния наплавленного металла, полученного ЦЭШН // Сварка Урала - 2003: Сб докладов 22-ой научно - технической конференции сварщиков Уральского региона с международным участием, посвященной 100-летнему юбилею академика Н Н Рыкалина. Киров Изд-во Вятского государственного университета, 2003. - С. 158-159.

9 Штенникова А.В Исследование эксплуатационных характеристик наплавленного слоя // Сварка Урала - 2003: Сб докладов 22-ой научно - технической конференции сварщиков Уральского региона с международным участием, посвященной 100-летниму юбилею академика НН Рыкалина Киров: Изд-во Вятского государственного университета, 2003. - С 160

10 Штенникова A.B., Штенников B.C., Аникаев В.А. Управление химическим составом наплавленного металла, полученного ЦЭШН // "МАТИ - Сварка XXI века" "Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве": Сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции. М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э Циолковского, 2003. - С. 100-101

11 Штенникова A.B. Прогнозирование химического состава наплавленных композиционных слоев // "МАТИ - Сварка XXI века" "Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве": Сб докладов Всероссийской научно-технической конференции. М : МАТИ -РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2003. - С. 101-102.

12 Штенникова А.В , Аникаев В.А , Штенников B.C. Исследование износостойкости наплавленного металла // Сварка. Контроль Реновация - 2003- Труды третьей международной научно -технической конференции. Уфа: Гилем, 2003. - С. 315-316.

13 Штенникова A.B. Прогнозирование химического состава наплавленного слоя // Сварка. Контроль. Реновация - 2003' Труды третьей международной научно - технической конференции. Уфа: Гилем, 2003. - С. 314.

»12617

14. Штенников B.C., Чувашова A.B., Аникаев В.А. Исследование и прогнозирование химического состава, механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла // Сварка и Контроль - 2004- Сб. докладов, том 3. Сварочные материалы. Технология. Сварочное оборудование: Всероссийская с международным участием научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения Николая Гавриловича Славянова. Пермь. ОЦНИТ ПГТУ, 2004. - С. 53-58.

15. Штенников В.С , Чувашова А В. Оценка устойчивости начальной стадии центробежной электрошлаковой наплавки // Тяжелое машиностроение. - 2004. - № 6. - С. 28-30.

16. Чувашова A.B., Штенников B.C. Моделирование процесса центробежной электрошлаковой наплавки биметаллических трубных заготовок // Сварка. Контроль. Реновация - 2004: Труды четвертой научно - технической конференции. Уфа: Гилем, 2004. - С. 179-184.

17. Штенников B.C., Бороненков В Н., Штенникова A.B. Физическая и математическая модель кинетики взаимодействия металла и флюса при центробежной электрошлаковой наплавке // Сварочное производство - 2004. - № 11. - С. 10-14.

18. Штенников B.C., Чувашова A.B., Аникаев В.А. Исследование износостойкости биметаллических наплавленных узлов в условиях абразивного нагружения // Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций. Материалы 6-й международной практической конференции-выставки. Спб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. - С. 72-75

19. Чувашова A.B. Расчет химического состава наплавленного слоя биметаллических узлов трения // Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций: Материалы 6-й международной практической конференции-выставки. Спб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. - С. 107-109.

20. Штенников B.C., Чувашова A.B., Ватлин Б В. Оценка устойчивости процесса центробежной электрошлаковой наплавки // Сварка и контроль - 2005' Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири. Челябинск, 2005 - С. 152-155.

21 Штенников B.C., Чувашова A.B., Ватлин Б.В., Оценка тепловых процессов при центробежной электрошлакой наплавке // Сварка и контроль - 2005: Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири Челябинск, 2005. - С. 94-99.

РНБ Русский фонд

2006-4 10272

Подписано в печать 29 05 2005 Набор компьютерный. Бумага ВХИ Формат60X90/16, объем I, уч изд л , тираж 100 экз

Ошечатано „а ризографе в AHO "Институт электросварки" 426069 г Ижевск, Студенческая ул., 7

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Анализ состояния и тенденций развития процесса электрошлаковой наплавки в России и за рубежом.

1.2. О проблеме выбора материала для неплавящегося электрода при электрошлаковой сварке и наплавке.

1.3. Методы прогнозирования химического состава металла шва при сварке и наплавке.

1.3.1. Использование эмпирических коэффициентов перехода элементов.

1.3.2. Термодинамический метод.

1.3.3. Учет кинетических торможений реакций окисления элементов при сварке.

1.3.4.Математическая модель кинетики взаимодействия многокомпонентного металла и шлака при электрошлаковых процессах сварки (ЭШС) и электрошлаковом переплаве (ЭШП).

1.4. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 2. Исследование и оценка устойчивости начальной стадии процесса центробежной электрошлаковой наплавки (ЦЭ111Н).

2.1. Наведение шлаковой ванны.

2.1.1. О выборе схемы наведения шлаковой ванны.

2.2. Выявление зависимости износа наконечника графитового электрода от параметров режима ЦЭШН.

2.3.Поиск и обоснование критериев, определяющих оптимальные условия устойчивости процесса ЦЭШН.

2.4. ВЫВОДЫ.

Глава 3. Исследование тепловых характеристик процесса ЦЭШН.

3.1. Выбор метода измерения температуры шлаковой ванны.

3.2. Методика эксперимента.

3.2.1. Порядок проведения эксперимента.

3.2.2. Обсуждение результатов исследований.

3.3. ВЫВОДЫ.

Глава 4. Исследование влияния основных условий и параметров режима ЦЭШН на механические свойства наплавленного металла.

4.1. Общая методика исследований.

4.1.1. Методика испытаний на износостойкость.

4.1.2. Методика испытаний на твердость.

4.1.3. Методика исследования влияния параметров режима ЦЭШН на долю участия, глубину проплавления основного металла и величину ЗТВ.

4.1.4. Методика исследования микроструктуры наплавленного металла

4.1.5. Методика исследования склонности металла к порообразованию при ЦЭШН с применением порошкового присадочного материала.

4.2. Обсуждение результатов исследований на износостойкость, твердость и степени науглероживания наплавленного слоя.

4.3. Обсуждение результатов исследования оценки однородности механических свойств наплавленного слоя при ЦЭШН

4.4. Обсуждение результатов исследований доли участи и глубины проплавления основного металла, величины ЗТВ.

4.5. Обсуждение результатов исследований структурного состояния наплавленного металла и склонности металла к порообразованию.

4.6. ВЫВОДЫ.

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.

5.1.1. Физическая и математическая модели взаимодействия фаз при ЦЭШН.

5.1.2. Расчет скоростей взаимодействия металла со шлаком.

5.1.3. Математическая модель прогноза химического состава наплавленного металла.

5.1.4. Оценка погрешности расчетов и экспериментальная проверка физикоматематической модели.

5.2. ВЫВОДЫ.

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 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 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:

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, позволяющих прогнозировать структуру, износостойкость, твердость, наплавленных поверхностей с учетом параметров режима и условий центробежной электрошлаковой наплавки.

2. 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: W3J1=WV(1,05-1,2), оптимальная форма графитового электрода пластинчатая цилиндрическая с водоохлаждаемым наконечником.

3. 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 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 проплавления, 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 (W3J1.) в направлении вращения заготовки с окружной скоростью вращения детали (Wa): WJ Wэл= 1,05^-1,2

2. Результаты экспериментальных исследований режимов и условий наплавки, влияющих на износ графитового электрода, механические свойства и химический состав наплавленного металла, полученного ЦЭШН.

3. Установленные закономерности изменения теплофизических характеристик процесса ЦЭШН.

4. Общая физическая и математическая модели взаимодействия фаз при центробежной электрошлаковой наплавке.

5. Инженерная методика, позволяющая прогнозировать химический состав металла шва в зависимости от содержания химических элементов в исходных материалах и технологических параметров процесса центробежной электрошлакой наплавки.

6. Результаты экспериментальных исследований изменения химического состава наплавленного металла, полученные при использовании предложенной методики расчета.

7. 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.

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.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе приведенных теоретических положений и подробного анализа полученных экспериментальных данных установлено, что использование центробежной электрошлаковой наплавки (ЦЭШН) является оптимальным способом при наплавке внутренних цилиндрических поверхностей малого диаметра. Данный способ обеспечивает высокую стабильность процесса, высокое качество и чистоту наплавленных поверхностей, для восстановления геометрических размеров деталей или придания специальных свойств внутренним поверхностям с использованием как легкоплавких, так и тугоплавких порошковых присадочных материалов (НИМ).

2. Сравнение результатов эксперимента и расчетных исследований позволяет сказать, что основным критерием, определяющим устойчивость процесса ЦЭШН, является соблюдение необходимого соответствия между мощностью процесса, скоростью вращения заготовки, размером контактной поверхности неплавящегося электрода и глубиной шлаковой ванны. На основе экспериментальной обработки данных выявлено, что при ЦЭШН графитовым электродом наибольшая стабильность шлакового процесса и минимальный износ графитового наконечника достигается при наплавке постоянным током прямой полярности и при отношении скорости вращения электрода вокруг своей оси к линейной скорости вращения заготовки в пределах: W03 =Wnl( 1,05-5-1,20), оптимальная форма электрода - пластинчатая цилиндрическая.

3. Установлено, что наведение шлаковой ванны, осуществляемое при зажигании косвенной дуги между чашкообразным графитовым наконечником вращающегося вокруг собственной оси неплавящегося комбинированного электрода и выступом графитового электрода, является способом обеспечивающем весьма высокую устойчивость и кратковременность процесса наведения шлаковой ванны, а также минимальный износ наконечника и высокую стабильность процесса наплавки.

4. Исследованы тепловые процессы при ЦЭШН. Экспериментально установлено, что на величину средней температуры шлаковой ванны влияют следующие параметры процесса: мощность процесса, размер электрода, скорость вращения заготовки и скорость наплавки. Выявлен эффект воздействия вышеприведенных параметров ЦЭШН на величину температуры шлаковой ванны.

5. Сравнение экспериментально полученных данных позволило установить, что максимальная температура шлаковой ванны в условиях исследуемого способа достигает порядка 2500 °С и более, т.е. превышает по своей величине температуру кипения шлака (2200 -2220°С) без нарушения устойчивости процесса.

6. Сравнение результатов эксперимента позволило выявить непосредственную зависимость получения оптимальных механических свойств наплавленной поверхности от параметров режима ЦЭШН. Экспериментально установлено, что:

6.1. основное влияние на относительную износостойкость, твердость наплавленного металла и на процентное содержание углерода в наплавленном слое оказывает состав легирующего порошка (процентное содержание в нем релита), величина сварочного тока и продольной скорости перемещения электрода. Выявлен эффект воздействия вышеприведенных параметров режима ЦЭШН на изменение относительной износостойкости, твердости и процентного содержания углерода в наплавленном слое.

6.2. наибольшее влияние на глубину проплавления, на величину ЗТВ и на долю участия основного металла при центробежной электрошлаковой наплавке оказывают сила тока, окружная скорость вращения заготовки и продольная скорость перемещения электрода. Выявлен эффект воздействия вышеприведенных параметров режима ЦЭШН на изменение глубины проплавления, величины ЗТВ и на доли участия основного металла.

7. Экспериментальное исследование микроструктуры наплавленных поверхностей позволило выявить, что распределение оплавленных частиц карбида вольфрама отличается от распределения карбида и борида хрома, последнее, как правило, распределяется в периферийной зоне, а карбид вольфрама проникает практически на всю толщину наплавленного слоя. Уменьшение времени существования шлаковой ванны и соответственно времени химического взаимодействия карбидных соединений с расплавом шлака увеличивают наличие карбидных составляющих в объеме наплавки. Наличие карбидов титана в наплавленных слоях не зафиксировано.

8. Разработана общая физическая и математическая модели процесса, позволяющие прогнозировать химический состав наплавленного металла при ЦЭШН с применением различного вида порошковых присадочных материалов.

9. Разработана инженерная методика расчета химического состава наплавленной поверхности и химического состава порошкового присадочного материала при ЦЭШН, позволяющая в широком диапазоне изменять процентное содержание легирующих элементов. Данная методика расчета реализована для персональных ЭВМ в системе программного обеспечения TURBO PASCAL 7.0. Сравнение результатов эксперимента и расчетных исследований позволяет сказать, что средняя ошибка точности прогноза металла шва для основных легирующих элементов (С, Si, Mn, Cr, Ti, W, Al, Ni) в среднем не превышает ошибки результатов химического анализа.

Максимальное различие результатов расчета и эксперимента для элементов, имеющих максимальное сродство с кислородом, — Ti и А1 объясняется случайными отклонениями нерегулируемых факторов процесса ЦЭШН.

10. Программа расчета состава металла шва при ЦЭШН с использованием ППМ передана в производственный отдел АНО "Института электросварки" для использования ее при технологической подготовке наплавочных работ. Ожидаемый экономический эффект составит 533 340 (пятьсот тридцать три тысячи триста сорок) рублей в год.

1. А.С. 1269376. Способ электрошлаковой наплавки / В.А. Аникаев, Б.В. Ватлин, С.Ю. Попов, В.П. Ильин, B.C. Штенников (СССР), - № 3774320; заявлено 23.07.84.

2. А.С. 1548705. Способ испытаний материалов в абразивной массе и устройство для его осуществления / C.JI. Ларнер, И.М. Горнштейн, B.C. Штенников (СССР), № 4425598; заявлено 07.05.88.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971 — 379 с.

4. Бесхлебный В.А., Лещинский Л.К. Потери легирующих элементов при наплавке (сварке) под керамическим флюсом // Сварочное производство — 1971.-№9. С. 12-14.

5. Билык Г.Б., Карпенко В.М. и др. О коэффициентах перехода и расчете химического состава металла при наплавке самозащитной проволокой // Автоматическая сварка. 1979. - № 10. С. 31-34.

6. Билык Г.Б., Карпенко В.М., Богуцкий А.А. Влияние режима наплавки самозащитной порошковой проволокой на состав наплавленного металла // Автоматическая сварка. 1980. - № 10. С. 71-79.

7. Бороненков В.Н. Кинетический анализ реакции окисления примесей железа расплавленным шлаком // Физико-химические исследования металлургических процессов, вып.1. Межвузовский сборник. — Свердловск: Изд-во УПИ им. С.М. Кирова, 1973. С. 18-22.

8. Бороненков В.Н., Жадкевич M.JL, Шанчуров С.М., Янишевская А.Г. Математическая модель химических процессов при центробежном электрошлаковом литье (ЦЭШЛ) // Металлы. 1993. - № 5. - С. 35.

9. Бороненков В.Н., Саламатов A.M. Применением ЭВМ для расчета равновесных составов многокомпонентных металла и шлака при дуговой сварке под флюсом В кн.: Применение вычислительной техники и автоматизации сварочного производства. Липецк. 1982 - С. 37-45.

10. Бороненков В.Н., Шанчуров С.М., Зининград М.И. Кинетика взаимодействия многокомпонентного металла со шлаком в диффузионном режиме // Изв. АН СССР. Металлы. 1979. - № 6. - С. 2125.

11. Бороненков В.Н. Шанчуров С.М Математическая модель процессов взаимодействия многокомпонентных металла и шлака при электрошлаковом переплаве // Изв. АН СССР. Металлы. 1980. - № 11.— С. 20-29.

12. Бороненков В.Н., Шанчуров С.М. Математическая модель кинетических процессов взаимодействия металла и шлака при электрошлаковой сварке стали // Автоматическая сварка. — 1985. № 6. - С. 22-27.

13. Буки А.А. Моделирование физико-химических процессов дуговой сварки. М.: Машиностроение, - 1991. - 288 с.

14. Гершензон С.М., Бороненков В.Н. О равновесном составе окисной пленки, образовавшейся при напылении и термообработке Ni-Cr-B-Si сплавов // Изв. высших учебных заведений. М.: Цветная металлургия, 1978.-№3.-С. 89-92.

15. Гордов А.И. Методы измерения температур в промышленности. М: Металлургиздат, 1952.-65 с.

16. Григорьев В.А. Тепло и массообмен. Теплотехнический эксперимент // Справочник. М.: Энергоиздат, 1982. 173 с.

17. Ерохин А.А. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки. — М.: Машиностроение, 1964. - 253 с.

18. Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. — М.: Машиностроение, 1973.- 448 с.

19. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов // Часть II. М.: Металлургия, 1966. - 704 с.

20. Зверев И.И. Исследование температурного состояния выпускных клапанов двигателей // Труды ЦИАМ, 1949. № 139. - С. 29-38.

21. Зедлинидзе Г.П. Измерение температуры вращающихся деталей машин.- М: Машгиз, 1962. 83 с.

22. Ивочкин И.И., Малышев Б.Д. Сварка под флюсом с дополнительной присадкой. М.: Стройиздат, 1981. - 175 с.

23. Кафаров В.Р. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1968.-380 с.

24. Конищев Б.П. Восстановление титана из окислов шлака при сварке под флюсом // Сварочное производство. 1977. - № 12. - С. 21-23.

25. Короткое В.А. Организационно-экономические аспекты реновационных технологий // Сварочное производство. 2002. - № 1. - С. 49-51.

26. Кох Е.А. Термодинамический расчет легирования из шлака и раскисление металла при сварке // Автоматическая сварка. — 1977. № 7. -С. 20-25.

27. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя. Ленинград: Химия, 1974. - 200 с.

28. Ксендзык Г.В. Тепловой баланс кольцевой электрошлаковой наплавки // Автоматическая сварка. 1972. - № 10. — С. 11-20.

29. Курант Р., Гильберг О. Методы металлической физики: Справочник: В 3 т. 3-е изд. - М.: Наука, 1973. - Т.1 - 367 с.

30. ЗЬЛевшиц П.С. Справочник по щеткам электрических машин. М.: Энергоиздат, 1983. — 56 с.

31. Любавский К.В. Металлургия автоматической сварки малоуглеродистой стали под флюсом // Вопросы теории сварочных процессов. — М.: Машгиз, 1948. С. 86-214.

32. Лютый И.Ю., Латаш Ю. М. Электрошлаковая выплавка и рафинирование металлов. Киев: Наукова думка, 1982. — 286 с.

33. Макаренков Д.А., Штенников B.C. К вопросу об электрошлаковой наплавке с порошкообразным присадочным материалом // Сварочное производство Удмуртии. Ижевск: ИжГТУ, 1997. - С. 29-32.

34. Математическая модель прогнозирования химического состава металла при электрошлаковой наплавке / В.Н. Бороненков, Н.В. Королев, С.С Байоралов, С.Л. Григорьев // Теоретические и технологические основы наплавки. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1980. С. 19-22.

35. Миронов К.А., Шипятин Л.И. Тепломеханические измерительные приборы. М: Машгиз, 1954. - С. 155.

36. Нагин Э. Р. Измерение температуры лопаток и дисков газовых турбин // Обзорный бюллетень авиамотостроения, 1948. № 11. — С. 20-29.

37. Новик Ф.С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. Раздел I. Общие представления о планировании экспериментов. Планы первого порядка. М.: МИСиС, 1972. 107с.

38. Новик Ф.С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. Раздел II. Планы второго порядка. Исследование области экстремума. М.: МИСиС, 1970. 79 с.

39. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, 1980. — 304 с.

40. Новожилов Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах. — М.: машиностроение, 1979.— 231 с.

41. Панченко Е.В. Лаборатория металлографии. — М.: Металлургиздат, 1951. -128 с.

42. Петров Л.Г. Сварочные материалы. Ленинград: Машиностроение, 1972. -280 с.

43. Петров Г.Л., Земзин В.Н. и др. Сварка жаропрочных нержавеющих сталей. М.: Машгиз, 1963. - 248 с.

44. Петров Г.Л. Схема взаимодействия материалов при дуговой сварке под флюсом // Сварочное производство. — 1967. № 2. — С. 42-49.

45. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М: Изд-во П. ГЭИ, 1954.-74 с.

46. Пружанский Л.Ю. Метод определения ударной вязкости твердых наплавочных материалов // Машиноведение. — 1965. № 2.

47. Подгаецкий В.В., Галинич В.И. К вопросу о достижимости термодинамического равновесия при электродуговой сварке // Автоматическая сварка. — 1961. № 8. — С. 7-9.

48. Рогельберг И.Л., Беймен В.М. Сплавы для термопар: Справочник. М.: Металлургия, 1983. 209 с.

49. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971.-288 с.

50. Рябцев И А. Все о восстановлении деталей и машин наплавкой // Сварщик. 1998.-№3.-С. 11-18.

51. Рябцев И.А., Кусков Ю.М. Электрошлаковая наплавка, Часть 1. // Сварщик. 2000. - № 6. - С. 20-25.

52. Рябцев И.А., Кусков Ю.М. Электрошлаковая наплавка Часть 2. примеры промышленного применения ЭШН // Сварщик. 2001. - № 1. - С. 20-24.

53. Саламатов A.M. Математическая модель процессов взаимодействия металла и шлака при дуговой сварке под флюсом: Дис. канд. тех. наук. Свердловск: 1982. - 199 с.

54. Селетков С.Г. Соискателю научной степени. — 3-е изд., перераб. и доп. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002. 192 с.

55. Сидорчук B.C., Дудко Д.А., Галинич В.И. и др. Стабилизация начальной стадии электрошлаковой сварки // Автоматическая сварка.- 1976. № 5. — С. 45-47, 53.

56. Соловьев С.М. Инфракрасная фотография. М.: Изд-во Искусство, 1960. -47 с.

57. Справочник сварщика // Под ред. В.В. Степанова. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1974. - 520 с.

58. Тарарухин И.И. Температура головки поршней, седел, клапанов в выключенных двигателях // Техника воздушного флота. 1947. - № 7. — 63 с.

59. Теория сварочных процессов // Под. ред. В.В. Фролова.- М.: Высшая школа, 1988.-559 с.

60. Технология и оборудование сварки плавлением // Под ред. Г.Д. Никифорова, Г.В. Боброва и др. 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986. - 320 с.

61. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки // Под ред. А.И. Акулова 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. - 560 с.

62. Урюмов В.Я. и др. Расчетный метод определения химического состава металла шва при сварке под керамическими флюсами // Прогрессивные методы сварки и наплавки в горной металлургии. Жданов. 1972. - С. 3843.

63. Фремке А.В. Электрические измерения. М.: Изд-во П. ГЭИ, - 1954. - 29 с.

64. Фролов В.А., Никитин Е.В., Ельцов А.В. Прогнозирование физико-химических процессов при дуговой сварке алюминиевых сплавов // Сварочное производство. 2002. - № 7. - С. 20-23.

65. Фрумин И.И. Автоматическая электродуговая наплавка. — М.: Металлургиздат, 1961. 422 с.

66. Ханапетов М.В. Сварка конструкций с дополнительной порошкообразной присадкой. -М.: Стройиздат, 1992. 192 с.

67. Хаусуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / Пер. с яп. — В.Н. Попова; Под. ред. B.C. Степина, Н.Г. Шестеркина. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

68. Хиритонов В.Н. и др. Износостойкая механизированная наплавка лопаток глиномешалок пластинчатым графитовым электродом // Сварочное производство. 1974. - № 11. - С. 20-25.

69. Хрущев М.М., Бабичев М.А. и др. Износостойкость и структура твердых наплавок. / Е.С. Беркович, С.П. Козырев, Л.Б. Крапошина, Л.Ю. Пружанский. М.: Машиностроение, 1971. - 96 с.

70. Чуркин А.С., Топорищев Г.А., Есин О.А. Кинетические особенности десульфурации кремнистого чугуна шлаком системы СаО-БЮг-АЬОз // Изв. АН СССР. Металлы. 1971. - № 1. - С. 37-44.

71. Штенников B.C. Исследование процесса и разработка технологии автоматической наплавки по слою легирующего порошка в газах: Дис. канд. тех. наук. Свердловск: 1977. - 153 с.

72. Штенников B.C. Расчет доли участия электродного, порошкообразного и основного металла в наплавленном валике // Сварочное производство. — 1986.-№6.-С. 22.

73. Штенников B.C., Ватлин Б.В. Оценка тепловых процессов при центробежной электрошлаковой наплавке // Сварочное производство Удмуртии. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1997. - С. 6-12.

74. Штенников B.C. Оценка устойчивости начальной стадии центробежной электрошлакой наплавки // Сварка Урала — в XXI век: Тез. докладов 18-й конференции сварщиков Урала. — Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 1999.-С. 35.

75. Штенников B.C., Макаренков Д.А., Штенникова А.В. Влияние режимов электрошлаковой наплавки на физико-механические свойстванаплавленного металла // Славяновские чтения. Сварка — XXI век: Сборник научных трудов. Липецк: Изд-во ЛЭГИ, 1999. — С. 199-204.

76. Штенников B.C. Штенникова А.В. Оценка устойчивости начальной стадии центробежной электрошлакой наплавки // Сварка: Вестник ПГТУ. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2002. С. 157-163.

77. Штенникова А.В., Аникаев В.А., Штенников B.C. Исследование износостойкости наплавленного металла // Сварка. Контроль. Реновация 2003: Труды третьей международной научно - технической конференции. Уфа: Гилем, 2003. - С. 315-316.

78. Штенникова А.В. Прогнозирование химического состава наплавленного слоя // Сварка. Контроль. Реновация 2003: Труды третьей международной научно — технической конференции. Уфа: Гилем, 2003. — С. 314.

79. Штенников B.C., Чувашова А.В. Оценка устойчивости начальной стадии центробежной электрошлаковой наплавки // Тяжелое машиностроение. — 2004.-№6.-С. 28-30.

80. Чувашова А.В., Штенников B.C. Моделирование процесса центробежной электрошлаковой наплавки биметаллических трубных заготовок // Сварка. Контроль. Реновация — 2004: Труды четвертой научно — технической конференции. Уфа: Гилем, 2004. — С. 179-184.

81. Штенников B.C., Бороненков В. Н., Штенникова А.В. Физическая и математическая модель кинетики взаимодействия металла и флюса при центробежной электрошлаковой наплавке // Сварочное производство. — 2004. -№ 11.-С. 10-14.

82. Штенников B.C., Чувашова А.В., Ватлин Б.В. Оценка устойчивости процесса центробежной электрошлаковой наплавки // Сварка и контроль- 2005: Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири. Челябинск, 2005. С. 152-155.

83. Штенников B.C., Ватлин Б.В., Чувашова А.В. Оценка тепловых процессов при центробежной электрошлакой наплавке // Сварка и контроль 2005: Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири. Челябинск, 2005. - С. 94-99.

84. Щипков М.Д. Зависимость содержания кислорода в металле шва от состава флюса при автоматической сварке малоуглеродистой стали // Научные доклады высшей школы. М.: Металлургия, 1982. - № 3. - С. 117-121.

85. Электрошлаковая сварка и наплавка / Под ред. Б.Е. Патона — М.; Машиностроение, 1980. 511 с.

86. Arnoldy R.F. Bulk Process Welding // Welding Journal. 1963. - № 11.- C.48-52.

87. Belton G., Moore Т., Tanrins E. Slag metal reactions in submerged arc welding // Welding Journal. - 1968. - № 7. C. 289-290.

88. Gosh D.F. Slag welding & overlying in industrial production // Welding Journal. 1982. - № 11. - C. 20-25.

89. Rubinshtane G.M. Repair of abrasive surface with slag weld material for improving productivity cutting production // Welding Journal. 1991. - № 2. -C. 11-14.

90. Trier H. Metallurgical reactions in submerged arc welding // Weld poll chemical & metals. - 1980. - vol. 1. - C. 271-278.

91. Мазо А.Б. Математическое моделирование процессов горячей обработки металла. Казанский фонд "Математика", 1996 — 209 с.

92. Губин Б.А., Боздуган А.В., Синчуг А.Г. Взаимодействие сварочной ванны с графитовым электродом и формирующие устройства при ЭШС алюминия // Автоматическая сварка. 1993. - № 4. - С. 22-24.

93. Гладкий П.В., Переплетчиков Е.Ф., Сом А.И. Порошки для плазменной наплавки // Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавочные материалы / Под ред. Фруминова И.И. Киев: Изд-во ИЭС им. Е.О. Патона АН УССР, 1978. - С. 48-54.

94. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. - 192 с.

95. Глинер Б.М. Определение механических и технологических свойств металла: Справочное пособие. — М.: Машгиз, 1959. 156 с.

96. Кибисов Г.И., Гуревич Т.Г., Резвова М.И., Почтенная JI.K. Спектральный количественный анализ сталей из растворов. — Ленинград: Изд-во Ленинградский дом научной пропаганды, 1956. 9 с.