автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка электродного материала и технологиимеханизированной наплавки электроэрозионностойкого сплава

- -- _ ---------—. —. , и —— - I I (/ V Г|

9 - ДЕК 1999

Приазовский государственный технический университет

Алистратов Валерий Николаевич

УДК 621.791.927.5

Разработка электродного материала и технологии механизированной наплавки электроэрозионностойкого сплава

Специальность: 05.03.06 - Сварка и родственные технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мариуполь 1999 г.

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Приазовском государственном техническо университете (ПГТУ) Министерство Образования Украины, г. Мариуполь.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чигарев Валерий Васильевич ПГТУ, зав. кафедрой "Металлургия и технология сварочного производства"

Официальные оппоненты — . доктор технических наук, профессор

Размышляев Александр Денисович, ПГТУ, профессор кафедры "Оборудование и технология сварочного производства"

кандидат технических наук, доцент Карпенко Владимир Михайлович, Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск; зав. кафедрой "Сварочное производство".

Ведущая организация: Национальный технический университе

Украины "Киевский политехнический институт Министерства Образования Украины, г. Киев.

Защита состоится 1 июля 1999 г. в 14 часов на заседани специализированного ученого совета К. 12.052.01. при Приазовско государственном техническом университете по адресу 341000, г. Мариупол пер. Республики 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГТУ: 341001 г. Мариуполь, ул. Апатова 115.

Автореферат разослан ". ......" 1999 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета доктор технических наук, профессор

Маслов В. А.

кт. с?

¿///О /Г О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В мировой практике наблюдается тенденция увеличения выпуска стали в электрических дуговых печах, что объясняется ее высоким качеством, а так же рядом преимуществ электроплавки по сравнению с другими способами получения стали. Рост производства достигается как за счет строительства новых агрегатов, так и за счет увеличения производительности существующих. Повышение производительности сдерживается низкой долговечностью отдельных элементов печей.

В наиболее тяжелых условиях работают контактные щеки электрододержателя дуговой сталеплавильной печи, причем наличие электроэрозионного износа на их поверхности является одной из главных причин выхода их из строя. Несмотря на постоянное совершенствование, работающие на сегодняшний день конструкции электрододержателей не обеспечивают полного устранения причин электроэрозионного износа.

Одним из путей решения этой проблемы является нанесение на поверхность контактной щеки электроэрозионностойкого слоя наплавкой.

Актуальность темы. В настоящее время для наплавки меди и ее сплавов могут быть применены различные способы. Газовая, ручная дуговая, полуавтоматическая электродуговая наплавка в защитных газах характеризуется невысокой производительностью, тяжелыми условиями труда. Автоматическая электродуговая наплавка порошковыми лентами под флюсом имеет определенные преимущества: высокую производительность, менее тяжелые условия труда, стабильно высокое качество наплавленного металла. Однако влияние состава и структуры наплавленных медных сплавов на электроэрозионную стойкость изучены недостаточно.

В этой связи можно констатировать, что дальнейшие исследования направленные на разработку электроэрозионностойкого наплавочного материала и технологии механизированной электродуговой наплавки, является актуальной задачей.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена на основе программы НИР и ОКР ПГТУ на 1992-1997 г.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка экономнолегированного электродного материала и технологии механизированной наплавки, обеспечивающих повышение качества наплавленного металла и стойкости деталей работающих в условиях электроэрозионного износа.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи: - разработать экспериментальную установку и методику оценки электроэрозионной стойкости материалов;

- исследовать влияние состава и структуры медных сплавов на электроэрозионную стойкость, электропроводность и механические свойства с целью выбора оптимального состава для наплавки;

- разработать наплавочный материал с высокими технологическими и технико-экономическими характеристиками в процессе наплавки и эксплуатации;

- на основании исследований и теоретических изысканий разработать технологические рекомендации по наплавке медных контактных щек;

- провести промышленное опробование и внедрение результатов исследования.

Научная новизна полученных результатов. Разработан состав порошкового электрода на медной основе с использованием комплексно-легированной лигатуры ПГ-Л101 в качестве легирующего компонента (содержание хрома и железа в соотношении 1,8 - 2,0) в сердечнике порошкового электрода, который позволяет получить наплавленный металл в виде хромо-железной бронзы содержащей сигма-фазу (интерметаллид СгРе).

Установлено, что введение в шихту порошковой ленты (состав: комплексной лигатуры ПГ-Л101 — 6,0-6,5%, порошка алюминиево-магниевого ПАМ-4 - 1,9-2,1%, фторопласта Ф-4 - 1,7-1,9%, при коэффициенте заполнения равном 30%) мрамора - 3-4%, позволяет за счет повышения основности шлака на стадии капли практически подавить кремнийвосстановительный процесс и снизить содержание кремния с 0,221 до 0,128%, что приводит к увеличению электропроводности наплавленного металла.

Доказана возможность наплавки композиционных сплавов систем Си-Сг3С2, Си-Мо2С и Си-\УС, с содержанием тугоплавкой фазы до 15 % (по объему).

Установлено что, состав порошковой ленты с использованием механической смеси компонентов (отношение содержания хрома к углероду составляет 3,1-3,3), в связи с отсутствием стадии диссоциации карбида хрома при наплавке, обеспечивает более стабильные сварочно-технологические свойства и равномерное распределение карбида хрома Сг3С2 в металле шва, чем состав порошковой ленты, содержащий готовый карбид хрома Сг3С2.

На основании проведенных исследований определена зависимость электроэрозионной стойкости композиционных наплавочных сплавов от состава. Установлено, что электроэрозионная стойкость растет в ряду: Си-Сг3С2, Си-Мо2С и Си-\УС.

Практическое значение полученных результатов. Состав разработанного порошкового электрода, обеспечивает повышение электроэрозионной стойкости наплавленного металла более чем в 1,7 раза по

сравнению с медью, при электропроводности равной 79% от электропроводности меди.

Определены параметры оптимального режима наплавки, обеспечивающего высокую производительность, минимальную долю участия основного металла в наплавленном, минимальные выделения пыли и газов, на основании которого разработана и опробована технология наплавки контактных щек электрододержателей дуговых сталеплавильных печей.

Использование наплавочного материала и технологии наплавки позволило улучшить качество наплавленного металла, повысить производительность, улучшить условия труда по сравнению с ранее применявшейся ручной дуговой наплавкой.

Проведена апробация наплавочного материала и технологии наплавки в условиях ОАО "Азов"(г. Мариуполь). Предложенные наплавочный материал и технология наплавки приняты к внедрению.

Личный вклад соискателя. Автором, на основе анализа условия работы контактных щек электрододержателя, разработана установка и методика испытаний на электроэрозионный износ. Автором исследовано влияние состава наплавленного металла на электроэрозионную стойкость и электропроводность, построена математическая модель. Автором проведены исследования по разработке и определению характеристик композиционных наплавочных материалов систем: Си-Сг3Сг; Си-Мо2С; Си-\¥С. Автором исследовано влияние режима наплавки хромо-железной бронзы на производительность и санитарно-гигиенические условия. Разработанный автором электродный материал и технология наплавки внедрена в ОАО "Азов" (г. Мариуполь) при личном участии соискателя. Автором подтверждено ожидаемое повышение стойкости контактных щек электрододержателя и улучшение условий труда в сравнении с ранее применявшейся технологией восстановления ручной дуговой наплавкой.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научной конференции "Механика сыпучих тел" (Одесса, 1991 год); Всесоюзной конференции "Сверхтвёрдые и композиционные материалы и покрытия, их применение" (Киев, 1991 год); Региональной научно-технической конференции (Мариуполь, 1992 год); III региональной научно-технической конференции (Мариуполь, 1995 год); на научных семинарах кафедр: "Металлургия и технология сварочного производства" и "Оборудование и технология сварочного производства" Приазовского государственного технического университета (Мариуполь 1994, 1998 годы).

Публикации. По результатам выполненных исследований

опубликовано 4 статьи в научных журналах, 4 тезиса докладов на научно-технических конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка использованных источников из 132 наименований, 1 приложения и содержит 134 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Раздел 1. Характеристика условий работы электрододержателей дуговых сталеплавильных печей и анализ путей повышения их работоспособности.

Контактные щеки электрододержателей дуговых сталеплавильных печей подвергаются комплексному воздействию высоких температур, агрессивной газовой среды, магнитного поля высокой напряженности, трения о графитированный электрод и вибрации под действием электродинамических сил, приводящих к поломкам электродов и возникновению кратковременных дуг в контакте "электрод-контактная щека". Причем наличие электродугового износа на поверхности контактных щек электрододержателей является одной из главных причин выхода их из строя.

Причины электродинамических колебаний электродов и способы их устранения исследованы в работах Сапко А.И., Коваль Н.В., Стеценко Н.В. Однако предложенные устройства требуют значительных материальных затрат на реконструкцию, к тому же они не обеспечивают полного подавления колебаний, а только уменьшают их амплитуду.

Одним из путей решения проблемы является нанесение на поверхность контактных щек покрытий с оптимальным сочетанием электропроводности и дугостойкости.

Изучению электроэрозионного износа, разработке электроэрозион-ностойких материалов для применения в электротехнике посвящен целый ряд работ Минаковой Р.В., Францевича И.Н., Братерской Г.Н. При эксплуатации электротехнических устройств типа короткозамыкателей и разъединителей, которые работают в условиях во многом сходных с исследуемыми (токовая нагрузка от 10 до 1000 А), во всем мире находят применение спеченные композиционные материалы систем: Си-\У; Си-\УС; Си-Мо; Си-Мо2С с содержанием тугоплавкой фазы до 70% (по массе), а также в последнее время Си-Сг и Си-Сг-С.

Однако эти материалы являются дорогими и остродефицитными, а методы порошковой металлургии, при нанесении покрытий на изделие такой формы и габаритов, представляются труднореализуемыми.

Эффективным способом повышения стойкости является нанесение на поверхность контактной щеки электроэрозионностойкого слоя наплавкой. Однако применяющаяся ручная дуговая наплавка характеризуется тяжелыми условиями труда, а также отсутствием наплавочных материалов предназначенных для электроэрозионностойкой наплавки. Все это указывает на необходимость разработки электродного материала и технологии механизированной наплавки электроэрозионностойкого сплава.

Раздел 2. Разработка методики испытаний на электроэрозионный

износ.

На основе анализа условий работы контактных щек электрододержателей и существующих методик по исследованию электроэрозионного износа, разработана установка имитирующая условия работы контактных щек и методика испытаний материалов на электроэрозионный износ.

Разработанная установка позволяет: производить испытания с вертикальной плоскостью контакта, что соответствует реальным условиям эксплуатации контактных щек; иметь токовую нагрузку до 400 А и верхнюю границу диапазона частот коротких замыканий до 2 Гц; охлаждать зажимной патрон водой. Схема установки для электроэрозионных испытаний представлена на рис. 1.

4 - графитовая пластина; 5 - подвижная траверса; 6 - источник питания; 7 - электромагнит; 8 - система управления электромагнитом. Рис.1 Схема установки для электроэрозионных испытаний

Установка состоит из двух основных частей: механической и электрической. Основными частями механической части являются: зажимной патрон 1 с исследуемым образцом 2, закрепленным на неподвижной траверсе 3, графитовая пластина 4, закрепленная на подвижной траверсе 5. В электрическую часть входит источник питания переменного тока 6, для передачи тока от него к образцу и графитовой пластине используя гибкие шины. В качестве источника питания применяются сварочный трансформатор СТШ-500. Для придания возвратно-поступательного движения подвижной траверсе, а вместе с ней и графитовой пластине, используется электромагнит 7. Управление электромагнитом осуществляется системой управления 8, собранной на основе мультивибратора и позволяющей изменять частоту колебаний подвижной траверсы.

Методика проведения испытаний состоит в следующем. Образец в виде цилиндра диаметром 16 мм, взвешивается на весах ВЛТ-1 с точностью до 0,01 г. Затем он закрепляется в держателе таким образом, чтобы обеспечивался надежный контакт в паре "образец - графитовая пластина". При наличии колебательного процесса подводилось напряжение от источника питания и отмечалось время начала испытаний. По истечении времени испытаний образец извлекался из держателя и производилось его повторное взвешивание с той же точностью. Разница в весе до и после испытаний дает количественную характеристику электроэрозионной стойкости испытуемого материала.

Для выбора оптимальных параметров испытаний проведены исследования по определению влияния силы тока короткого замыкания в диапазоне от 220 до 400 А, длительности испытаний в диапазоне от 90 до 300 с и частоты коротких замыканий в диапазоне от 0,70 до 1,90 Гц на величину износа образцов, при водяном охлаждении (расход воды 1,65-10"5 м3/с).

При исследовании влияния параметров режима испытаний на электроэрозионный износ установлено, что величина износа в наибольшей степени зависит от величины силы тока и частоты коротких замыканий, причем зависимость в обоих случаях имеет экспоненциальный характер.

Полученные результаты обработаны методом регрессионного анализа с использованием вычислительной техники. Уравнения множественной регрессии для величины износа в зависимости от силы тока короткого замыкания, длительности испытаний и частоты коротких замыканий представлены в виде уравнений 1-3.

(1)

где

АМ — величина износа, г; I - сила тока, А.

АМ = 2,5 • г • 10"3 + 0,06

где

ДМ — величина износа, г; т — длительность испытаний, с.

19 97

АМ = —+ 9,14-/-15,7 (3)

где ДМ - величина износа, г; частота коротких замыканий, Гц.

Таким образом режим испытаний: сила тока короткого замыкания -300 А, частота коротких замыканий - 1,7 Гц, длительность испытаний — 300 с.

Раздел 3. Разработка состава наплавочного материала.

Требования предъявляемые к материалам, используемым для наплавки поверхности контактных щек: высокая электропроводность и дугостойкость, жаропрочность и жаростойкость. В наибольшей степени им соответствуют медные сплавы упрочненные дисперсными выделениями избыточных фаз -типа сигма-фазы (интерметалида СгРе).

На основе анализа способов наплавки медных сплавов рекомендована наплавка порошковым ленточным электродом под флюсом.

Исходя из того, что введение комплексно-легированных лигатур в состав шихты электродных материалов повышает химическую однородность распределения элементов в наплавленном металле, снижает трещинообразование и образование шлаковых включений, был проанализирован состав промышленно-выпускаемых лигатур. Оптимальным представляется использование лигатуры ПГ-Л101, соотношение содержания железа и хрома в которой делает высокой вероятность образования интерметалида СгРе в медной матрице.

Для введения активных раскислителей был использован порошок алюминиево-магниевый марки ПАМ-4, в качестве средства удаления водорода из сварочной ванны использовался фторопласт Ф-4. Материал оболочки медь М1.

В связи с наличием в составе шихты комплексно-легированной лигатуры ПГ-Л101, а также порошка алюминиево-магниевого, в качестве входных параметров принимаем: Х\ - суммарное содержание хрома, железа, никеля, марганца, кремния, а так же углерода (переходящего в сплав из лигатуры), в образцах (в % мае); Х2 - суммарное содержание алюминия и магния в образцах (в % мае); Х3 - содержание углерода (переходящего в сплав из фторопласта) в образцах (в % мае). При этом в качестве нижнего уровня принято: суммарное содержание элементов, вносимых комплексно-легированной лигатурой -0,70 %; суммарное содержание алюминия и "магния - 0,18 %; содержание углерода вносимого, фторопластом — 0,01 %. В качестве верхнего уровня приняты: суммарное содержание элементов вносимых комплексно-легированной лигатурой - 1,65 %; суммарное содержание алюминия и магния - 0,73 ; содержание углерода вносимого фторопластом - 0,03%.

В качестве выходных параметров приняты: показатель относительной электроэрозионной стойкости - Пс и электропроводность наплавленного металла отнесенная к электропроводности меди - у (% к меди).

Показатель относительной электроэрозионной стойкости определяется по формуле 4

ТТ ЛУм

Пг =--(-4-)

с ДУН {}

где АУМ - потеря объема медного образца при испытании;

ДУН - потеря объема наплавленного образца при испытании.

В случае испытания наплавленных материалов с незначительно отличающимися от меди удельными весами возможно использование в качестве показателя относительной стойкости - отношения потери веса медного образца в процессе испытаний к потере веса наплавленного при одинаковых условиях испытаний.

При изготовлении двухзамковой ленты на стане ОБ-765 величина усилия обжатия соответствовала 15 кН.

Наплавка производилась на аппарате АДФ-1004 с источником питания ВДУ-1201.

Проводилась наплавка пластин из меди М1 под флюсом АН-20ГТ на режиме 1н=600-ь650, ид = 30-^32 В, Ун = 15 м/ч, вылет электрода - 70 мм, ток постоянный, полярность обратная.

Наплавка проводилась в один и в два слоя. Температура предварительного подогрева в печи 500°С. После наплавки каждого слоя проводилась выдержка в печи при температуре 500°С в течении 30 мин.

Определение механических характеристик проводилось по стандартным методикам, жаропрочность оценивали по методу одночасовой горячей твердости при температурах 500°С и 700°С.

Замер электросопротивления образцов проводили методом косвенных измерений на мостовой установке У309 по схеме двойного моста. Полученные результаты пересчитывались в значения электропроводности относительно меди.

С помощью корреляционно-регрессионного анализа проведена математическая обработка результатов эксперимента. Получены линейные модели:

Пс = 1,35 + 0,22Х, + 0Д2Х2 + 0,07Х3 (5) у = 100 - 19,58Х, - 18,67Х2 - 6,41Х3 (6>

Исследованиями установлено, что оптимальным сочетанием электроэрозионной стойкости (Пс>1,7) и электропроводности относительно электропроводности меди (у=63%) обладает сплав следующего состава: Сг -0,630%, Ре - 0,411%, Мп - 0,093%, № - 0,082%, - 0,221%, С - 0,080%, А1 -0,203%, К^ - 0,182%, получаемый при использовании порошковой ленты

шихта которой содержала: лигатуры ПГ-Л101 - 6,5%; порошка алюминиево-магниевого ПАМ-4 - 2,1%; фторопласта Ф-4 - 1,9%. Данный состав принят за основу для дальнейших исследований.

С целью определения уровня свойств разработанного экономнолегированного наплавочного материала вызывает интерес сравнение его характеристик с наплавочными материалами на основе меди и карбидов хрома, молибдена, вольфрама, а также меди и хрома.

Так как одним из основных критериев является высокая электропроводность, расчет составов порошковых лент для наплавки композиционных материалов производился из расчета получения в первом наплавленном слое объемного содержания карбидной фазы около 15%.

Для получения в наплавленном слое карбида хрома в медной матрице использовались ленты двух составов: лента, содержащая карбид хрома Сг3С2, а также лента, содержащая смесь хрома и графита.

Для определения влияния содержания хрома на свойства бронзы исследовались порошковые ленты, позволяющие наплавить металл типа Бр.Х1, а также сплав меди с-повышенным содержанием хрома (до 15% по объему).

Наплавка производилась на пластины из меди М1, при наплавке использовался флюс АН-20П. Режим наплавки: 1=600+650 А, ид=30-32 В, Уц=15м/ч, вылет электрода 70 мм, ток постоянный, обратная полярность. Температура предварительного подогрева - 500°С. После наплавки каждого из двух слоев производилась выдержка в печи при температуре 500°С в течении 30 мин.

Производилась оценка технологических характеристик наплавочных материалов, определение химического состава, металлографические исследования, а также рентгеноструктурный анализ на рентгеновском дифрактометре УРС-50КМ.

Так как разработанный состав порошковой ленты, с использованием механической смеси компонентов (отношение содержания хрома к углероду составляет 3,1 - 3,3), обеспечивает более стабильные сварочно-техиологические свойства и равномерное распределение карбида хрома Сг3С2 в металле шва, чем состав порошковой ленты, содержащий карбид Сг3С2, то дальнейшие исследования проводились с его использованием.

Результаты исследований представлены на рис.2 в виде электропроводности наплавленного металла относительно электропроводности меди М1 и относительной электроэрозионной стойкости.

У исследованных композиционных сплавов на основе меди электроэрозионная стойкость растет в ряду: медь-карбид хрома, медь-карбид молибдена, медь-карбид вольфрама. Рост дугогасящих свойств в ряду

объясняется увеличением температуры плавления и кипения тугоплавкой фазы, различным влиянием продуктов эрозии на стабильность дугового процесса. Представляет интерес система медь-карбид хрома - низкий уровень электропроводности объясняется значительным количеством кремния, а также свободным хромом.

Электроэрозионная стойкость и электропроводность разработанного материала сопоставима с характеристиками композиционных материалов.

5

Щ - электроэрозионная стойкость; | | - электропроводность.

100

80

-60

40

-20

Ф с О

1 2 3 4 5 6

Рис.2 Диаграмма относительной электроэрозионной стойкости и электропроводности наплавленных материалов отнесенной к электропроводности меди: 1 - Бр.ХЖ; 2 - Бр.Х1; 3 - Бр.ХК10-1; 4 - Си+6%Сг3С2; 5 - Си+15%Мо2С; 6 - Си+24%\УС

С целью повышения электропроводности наплавленного металла типа хромо-железной бронзы, исследовалось влияние добавок мрамора на торможение кремнийвосстановительного процесса из флюса.

С целью определения оптимального содержания мрамора на основе разработанного порошкового электрода была разработана серия порошковых лент в шихте которых содержание мрамора составляло 1-8%, коэффициент заполнения составлял 30%.

Установлено, что введение в шихту порошковой ленты 3-4% мрамора (при коэффициенте заполнения равном 30%) позволяет за счет повышения основности шлака на стадии капли практически подавить кремнийвос-становительный процесс и снизить содержание кремния с 0,221 до 0,128%, что

приводит к увеличению электропроводности наплавленного металла до 79% от электропроводности меди, при незначительном росте электроэрозионной стойкости. Увеличение содержания мрамора до 5-8% приводит к ухудшению формирования наплавленного металла, отделяемость шлаковой корки удовлетворительная. При содержании мрамора 6%, в наплавленном металле появляются единичные мелкие поры.

С целью повышения электроэрозионной стойкости исследовалось влияние повышенного содержания хрома. Была изготовлена серия порошковых лент в шихте которых дополнительно содержалось 0,5-3,0% порошка хрома марки Х99А.

Из результатов исследований следует, что увеличение содержания хрома с 0,630 до 1,174% в хромо-железной бронзе приводит к увеличению прочностных характеристик наплавленного металла при нормальной и повышенных температурах (предел прочности ств=540 МПа, твердость НВ=86 кгс/мм2, одночасовая горячая твердость при 500°С HBi500=55 кгс/мм2). Однако незначительный рост электроэрозионной стойкости (Пс=1,83), при значительном снижении электропроводности (у=68%) делает повышение содержания хрома нецелесообразным.

Таким образом шихта разработанного порошкового электрода (при Кз=30%) имеет следующий состав: лигатура ПГ-Л101 - 6,0 - 6,5%; порошок алюминиево-магниевый ПАМ-4 - 1,9 — 2,1%; фторопласт Ф-4 - 1,7 - 1,9%; мрамор - 3,0 - 4,0%. Данный состав обеспечивает в первом наплавленном слое электроэрозионную стойкость в 1,7 раза превышающую стойкость меди и электропроводность на уровне 79% относительно меди, при следующих механических свойствах: ств=530 МПа, НВ=81 кгс/мм2, 55=15%, НВ1500=52 кгс/мм2, НВ,700^ кгс/мм2.

Проводилось исследование микроструктуры, фазового состава и распределения элементов наплавленного металла.

Микроструктура наплавленного металла исследовалась как на оптическом микроскопе рис.3, так и на растровом электронном микроскопе ISM - 'Г200. Структура представляет собой отдельные включения интерметаллидов различной величины и формы в твердом растворе. Локальный спектральный анализ показал, что крупной и средней величины включения состоят из хрома, железа, кремния и меди.

Рентгеноструктурный анализ проводился на рентгеновском дифрактометре УРС-50 ИМ. Выявлены следующие фазы: CrFe, Q - Al7Cu6Mg6, 0 - CuAI2, у - Al4Cu9, 5 - Ni2Si.

Для распределения наплавленном

исследования элементов в металле

использовался микроанализатор рентгеновский модели SX - 50 фирмы Самека.

Анализ распределения элементов подтвердил результаты предыдущих исследований - основной .упрочняющей фазой является интерметаллид СгРе .

Рис.3. Микроструктура наплавленного металла (х400)

Раздел 4. Технологические особенности наплавки электроэрозионностоикого сплава порошковой лентой.

С целью оптимизации режимов наплавки проводилось исследование влияния параметров режима (силы тока, напряжения дуги, скорости наплавки) на показатели производительности и валовые выделения пыли, содержание кремния, меди и их соединений, а также газов выделяющихся при наплавке. Результаты приведены на рис.4.

Наплавка производилась на пластины из меди М1 под флюсом АН-20П в один слой. Температура предварительного подогрева в печи 500°С.

Исходя из соображений достижения высокой производительности, низкой доли участия основного металла в наплавленном и минимальных выделений пыли и газов, принимаем следующий режим наплавки: сила тока -600-650 А; напряжение дуги - 30-32 В; скорость наплавки- 15-18 м/ч.

Средние валовые значения при наплавке порошковой лентой под флюсом на оптимальном режиме представлены в табл. 1.

На основании полученных расчетных данных следует, что определяющей вредностью при наплавке порошковой лентой под флюсом АН -20П являются выделения фторидов. Для создания необходимых санитарно-гигиенических условий при наплавке необходимо обеспечить соответствующий воздухообмен, который определен для фторидов.

5

0

1

3

ь

га

г.

к §

а:

та

I щ

го

Ц

40

30

20

10

36

34

(0 х

ш 32, з

71

-е ■е-

(О .

5 •

\

^ТССА 1 / *

550

650 750

Сила тока I, А

а)

0,12

0,10 о;

X ® .

-б

ш ^ О 5

л

0,06 СО с

0,08

850

0,35 5

0,25

0,15

3 ^ £ Ч-"

ю т

03 о

5 э

о о.

II

ее §

сг

г о

X

30

20

10

у

Напряжение и, В б)

0,35

0,25

0,15

к X <" . 5 *

СС 1-¡о П." ™ т о

а)

ш

о а.

5£

ш -в-

ь

го

У

о; с; о Ч

5

30

20

10

£

ф

-е -е-

10 20 30 40

Скорость наплавки Ун, м/ч

в)

0,35 о:

0,25

0,15

х

л п.

ш а> о

А Ш

о а.

51

т -В-

Рис.4 Зависимость коэффициента наплавки ац, доли участия основного металла в наплавленном у0, валовых выделений пыли ТССА и фторидов Б от режима наплавки: а) силы тока; б) напряжения дуги; в) скорости наплавки.

Таблица 1

Валовые выделения пыли и газов при наплавке на оптимальном режиме

Аэрозоль, г/кг Газы, г/кг

Общее количество пыли Соединения меди Соединения кремния HF и SiF4 СО

0.07-0.09 0,08 0.02-0,04 0,03 0.03-0,05 0,04 0,20-0.22 0,21 0,60-0.80 0,70

На основе анализа различных схем наплавки контактных щек электрододержателей выбрана схема наплавки вдоль образующей.

Подготовка поверхности под наплавку проводится механическим способом или травлением.

При наличии дефектов глубиной более 4 мм проводится механическая обработка с последующей заваркой электродами марки АНЦ-2.

После устранения дефектов при помощи ручной дуговой сварки проводится механическая обработка. Подготовленная контактная щека помещается в специальное приспособление на манипуляторе, где при помощи газовых горелок производится предварительный подогрев до 400-600°С. Отверстия на поверхности контактных щек закрываются технологическими графитовыми заглушками.

Наплавка производится одиночными валиками с перекрытием 1/3 ширины предыдущего на режимах: сила тока - 600-650 А, напряжение дуги -30-32 В; скорость наплавки - 15-18 м/ч. После наплавки проводится контроль качества, в случае наличия - дефекты устраняются при помощи ручной дуговой сварки электродами АНЦ-1 по технологии, описанной выше.

Применение разработанной технологии и электродного материала для восстановления головок электрододержателей ДСП-25 позволило повысить их стойкость с 4 месяцев до 1 года.

Фактический экономический эффект от внедрения технологии наплавки и наплавочного материала равен 19700 грн.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Ha основе литературного и патентного обзора установлено, что эффективным средством повышения стойкости медных контактных щек, является наплавка электроэрозионностойкого сплава на их поверхность при помощи порошковых лент.

2.На основе анализа существующих испытательных установок и методик испытаний на электроэрозионный износ, а так же реальных условий работы контактных щек электрододержателей разработана конструкция

испытательной установки и методика, позволяющие производить испытания образцов в близких к реальным условиях.

3.При исследовании влияния параметров режима испытаний на электроэрозионный износ установлено, что величина износа в наибольшей степени зависит от величины силы тока и частоты коротких замыканий, причем зависимость в обоих случаях имеет экспоненциальный характер.

4.Разработан состав порошкового электрода на медной основе с использованием комплексно-легированной лигатуры ПГ-Л101 в качестве легирующего компонента (содержание хрома и железа в соотношении 1,8 -2,0) в сердечнике порошкового электрода, который позволяет получить наплавленный металл в виде хромо-железной бронзы содержащей сигма-фазу (интерметаллид СгРе).

5.Установлено, что введение в шихту порошковой ленты (состав: комплексной лигатуры ПГ-Л101 - 6,0-6,5%, порошка алюминиево-магниевого ПАМ-4 - 1,9-2,1%, фторопласта Ф-4 - 1,7-1,9%, при коэффициенте заполнения равном 30%) мрамора - 3-4%, позволяет за счет повышения основности шлака на стадии капли практически подавить кремнийвосстановительный процесс и снизить содержание кремния с 0,221 до 0,128%, что приводит к увеличению электропроводности наплавленного металла.

6.Состав порошковой ленты, разработанной в результате исследований, обеспечивает получение наплавленного слоя с электроэрозионной стойкостью в 1,7 раза превышающей стойкость меди и электропроводностью на уровне 79% относительно меди.

7.Доказана возможность наплавки композиционных сплавов систем Си-Сг3С2, Си-Мо2С и Си-\УС, с содержанием тугоплавкой фазы до 15 % (по объему).

8.Установлено, что состав порошковой ленты, с использованием механической смеси компонентов (отношение содержание хрома к углероду составляет 3,1-3,3), в связи с отсутствием стадии диссоциации карбида хрома при наплавке, обеспечивает более стабильные сварочно-технологические свойства и равномерное распределение карбида хрома Сг3С2 в металле шва, чем состав порошковой ленты, содержащей готовый карбид хрома Сг3С2.

9.На основании проведенных исследований определена зависимость электроэрозионной стойкости композиционных наплавочных сплавов от состава. Установлено, что электроэрозионная стойкость растет в ряду: Си-Сг3С2, Си-Мо2С и Си-\УС.

10.Проведена оценка санитарно-гигиенических условий при наплавке. Установлена зависимость валовых выделений пыли и газов от режимов наплавки. Определяющей вредностью при наплавке являются выделения фторидов, по валовым выделениям которых рассчитан необходимый воздухообмен.

11 .Разработана порошковая лента ПЛ-МН-1 и технология наплавки контактных поверхностей электрододержателей, которая позволила увеличить стойкость наплавленного металла в условиях электроэрозионного износа в 1,5-

2,0 раза.

12.Внедрена технология механизированной наплавки контактных щек электрододержателей дуговых сталеплавильных печей порошковым ленточным электродом на ОАО "Азов" (г. Мариуполь). Фактический экономический эффект от внедрения составил 19700 грн.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Алистратов В.Н., Чигарев В.В., Сагиров И.В. Методика оценки электроэрозионной стойкости наплавленного металла // Автомат, сварка. -1998,-№9.-С. 35-38.

2. Муратов В.А., Алистратов В.Н. Причины образования трещин при наплавке композиционных сплавов системы марганцовый мельхиор-релит под флюсом // Автомат, сварка. — 1996. - № 8. - С. 36-38.

3. Алистратов В.Н., Чигарев В.В., Швец Т.Н. Оценка свойств наплавочных материалов, предназначенных для работы в условиях электроэрозионного износа // Вестник Приазовского гостехуниверситета. - Мариуполь. - 1997. -№ 3. - С. 145-148.

4. Алистратов В.Н., Чигарев В.В. Влияние режима наплавки бронзы порошковой лентой на производительность и пылевыделение // Вестник Приазовского гостехуниверситета. - 1998.-№ 6. - С. 196-198.

5. Чигарев В.В., Балашова Е.Л., Алистратов В.Н. Выбор технологических режимов производства порошковых электродов // Композиционные материалы в породоразрушающих инструментах: Тез. докл. Всесоюз. науч,-техн. конфер. - Ивано-Франковск, 1987. - С. 43^14.

6. Чигарев В.В., Алистратов В.Н., Малинов B.JI. Кинетика уплотнения порошка в оболочке порошковой ленты // Физика и механика пластических деформаций порошковых материалов: Тез. докл. респ. семинара. — Луганск, 1991.-С.60.

7. Чигарев В.В., Алистратов В.Н., Малинов В.Л. Повышение стабильности плавления порошковых ленточных электродов // Регион, научн.-техн. конф., май 1992.: Тез. докл. - Мариуполь, 1992. - т.2. Машиностроение. -С. 77.

8. Чигарев В.В., Алистратов В.Н. Разработка электроэрозионностойкого материала // III регион, науч.-техн. конф., май 1995. : Тез. докл. -Мариуполь, 1995. - С. 73.

Анотащя

Алктратов В.М. Розробка електродного матер1алу i технологи наплавлення електроерозшностШкого сплаву. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття вченого ступеня кандидата техшчних наук з спещалыюеп 05.03.06 — зварювання i спорщнеш технологи. - Приазовський державний техшчний университет Мшстерства освгги УкраУни, Мар1уполъ, 1999 р.

Аноташя Дисертащя присвячена гштанню розробки економнолегованого електродного матер1алу i технологи мехашзованого наплавлення електроерозШностШкого сплаву. В робот! розроблеш установка i методика випробувань на електроерозшний зное. Дослщжено вплив складу i структури мщного сплаву на електроерозшну стпшсть, електропровщшеть i MexaHi4Hi властивость Розроблений склад порошкового електрода, забезпечуючий наплавлення хромо-зал1зно'1 бронзи змщненоУ сигма-фазою. Проведен! пор1внялыи випробування наплавлювалыюго матер1алу з композицшними матер1алами, як1 у своему склад1 мають до 15 % (за обсягом) карбщно! фази таких систем: м1дь-карб1д хрому, мщь-карбщ мол1бдену, м|'дь-icap6ifl вольфраму. Проведен! дослщження впливу режиму наплавлювання на продуктивн1сть i caHiTapHO-ririeHiHHi умови дозволили опттпзувати Yx. Розроблений електродний матер1ал i технолопя механоованого наплавлення знайшли застосування в умовах металурпйних i машинобуд1вних п1дприемств УкраУни.

Kmo4oBi слова: електрична ероз1я, бронза, порошков! електроди, електропров1дн1сть, технолог1я.

Summary

Alistratov V. N. Development of electrode material and design for mechanized surfacing of electroerosion-resistant alloy. - Manuscript.

Thesis for academic degree of Candidate of Technical Sciens in speciality 05.03.06. - Welding and related techniques. - Pryazovskyi State Technical University. - Ministry of Education of Ukraine, Mariupol, 1999

The dissertation deals with the problem of developing economically-alloyed electrode material and process design for mechanized surfacing of electroerosian-resistant alloy. In the course of this work the facility and the methodology for electroerosian-resistant tests have been elaborated and are proposed. The effect of the composition and the structure of copper alloy on electroerosian resistance, electroconductivity and mechanical properties have been investigated. The composition of powder electrode providing for surfacing the chrome-iron bronze reinforced by sigma phase was developed. Parallel testing of surfacing material and

composite materials containing to 15 % (in volume) of carbide phase of the following systems: copper-carbide of chrome, copper-carbide of molybdenum, copper-carbide of tungsten were conducted. Investigation into the effect of the surfacing mode on productivity and hygiene condition allowed to optimize them. The developed electrode material and the process design for mechanized surfacing found an application in metallurgical and machine-engineering factories in Ukraine.

Key words: electrical erosion, bronze, powder electrodes, elecrtoconductivity, technology.

Аннотация

Алистратов B.H. Разработка электродного материала и технологи механизированной наплавки электроэрозионностойкого сплава. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - сварка и родственные технологии. - Приазовский государственный технический университет Министерства образования Украины, Мариуполь, 1999 г.

Диссертация посвящена вопросу разработки экономнолегированного электродного материала и технологии механизированной наплавки электроэрозионностойкого сплава. Повышение производительности электрических дуговых печей сдерживается низкой долговечностью отдельных элементов печей. В наиболее тяжелых условиях работают контактные щеки электрододержателя дуговой сталеплавильной печи, причем наличие электроэрозионного износа на их поверхности является одной из главных причин выхода их из строя. Эффективным средством повышения стойкости является наплавка электроэрозионностойкого сплава на поверхность медных контактных щек при помощи порошковых лент. На основе анализа существующих методик испытаний на электроэрозионный износ и реальных условий работы контактных щек электрододержателей разработана конструкция испытательной установки позволяющая производить испытания образцов в близких к реальным условиях. При исследовании влияния параметров режима испытаний на электроэрозионный износ установлено, что величина износа в наибольшей степени зависит от величины силы тока и частоты коротких замыканий, причем зависимость в обоих случаях имеет экспоненциальный характер. В работе исследовано влияние состава и структуры медного сплава на электроэрозионную стойкость, электропроводность и механические свойства. Разработан состав порошкового электрода содержащий комплексно-легированную лигатуру ПГ-Л101 в качестве легирующего компонента, который позволяет получить наплавленный металл в виде хромо-железной бронзы содержащей сигма-фазу (интерметаллид CrFe), обеспечивающий получение наплавленного слоя с электроэрозионной стойкостью в 1,7 раза превышающей стойкость меди и электропроводностью на уровне 79% относительно меди. Исследовано влияние

введения в шихту порошковой ленты мрамаора на торможение кремнийвосетановительного процесса на стадии капли. Установлено, что введение в шихту порошковой ленты 3-4% мрамора (при коэффициенте заполнения равном 30%) позволяет снизить содержание кремния, что приводит к увеличению электропроводности наплавленного металла. С целью определения уровня свойств разработанного экономнолегированного наплавочного материала проведены сравнительные испытания с композиционными материалами содержащими до 15% (по объему) карбидной фазы следующих систем: медь-карбид хрома, медь-карбид молибдена, медь-карбид вольфрама. При разработке композиционных наплавочных материалов оценивались сварочно-технологические свойства, электроэрозионная стойкость, электропроводность. Установлено, что электроэрозионная стойкость и электропроводность растет в ряду: Си-Сг3С2, Си-Мо2С и Си-\УС. Разработашшй состав порошковой ленты, с использованием механической смеси хрома и углерода, обеспечивает более стабильные сварочно-технологические свойства и равномерное распределение карбида хрома Сг3С2 в металле шва, по сравнению с составом содержащим карбид хрома Сг3С2. Проведена оценка санитарно-гигиенических условий при наплавке. Установлена зависимость валовых выделений пыли и газов от режимов наплавки. Определяющей вредностью при наплавке являются выделения фторидов. Определены параметры оптимального режима наплавки, обеспечивающего высокую производительность, минимальную долю участия основного металла в наплавленном, минимальные выделения пыли и газов, на основании которого разработана и опробована технология наплавки контактных щек электрододержателей дуговых сталеплавильных печей. Использование наплавочного материала и технологии наплавки позволило улучшить качество наплавленного металла, повысить производительность, улучшить условия труда по сравнению с ранее применявшейся ручной дуговой наплавкой. Разработана порошковая лента ПЛ-МН-1 и технология наплавки контактных поверхностей электрододержателей, которая позволила увеличить стойкость наплавленного металла в условиях электроэрозионного износа в 1,52,0 раза. Разработанный электродный материал и технология механизированной наплавки нашли применение в условиях металлурптческих и машиностроительных предприятий Украины.

Ключевые слова: электрическая эрозия, бронза, порошковые электроды, электропроводность, технология.