автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка научных основ создания сварочных материалов с использованием минерального сырья

На правах рукописи

00340 I <' МАКИЕНКО ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.03.06 - Технологии и машины сварочного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул - 2009

003481727

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный

университет путей сообщения» (ДВГУПС).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Радченко Михаил Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шанчуров Сергей Михайлович;

Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Гордиенко Павел Сергеевич;

доктор технических наук, профессор Гнюсов Сергей Федорович

Ведущая организация: Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской Академии наук, г. Комсомольск-на-Амуре

Защита диссертации состоится «25» декабря 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004. 01 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, тел. (факс) 8(3852) 36-72-23, e-mail: vuoshevtsov@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «¿2» om^U- 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Ю.О. Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важным фактором подъема экономики страны является развитие ресурсосберегающих технологий и создание новых материалов комплексной переработкой минерального сырья и использование отходов различных производств. Одним из ключевых направлений развития промышленности является создание новых сварочных материалов, обладающих высокими физико-механическими и технологическими свойствами, а также разработка экономичных и экологически чистых технологий их получения.

В настоящее время эта проблема решается путем использования дорогостоящих легирующих элементов. Однако в связи с истощением минеральных ресурсов и ухудшением экологической обстановки перед материаловедением поставлена задача использования рудного сырья без глубокой технологической переработки и создания предприятий, территориально приближенных к его добыче.

Для Дальнего Востока эта проблема является наиболее актуальной в силу отсутствия развитой промышленной базы для переработки и производства материалов. Дальневосточный регион, обладая уникальными сырьевыми запасами, отправляет их в Центральные регионы страны, а готовую продукцию (в том числе сварочно-наплавочные материалы) закупает по высокой стоимости. Это требует поиска новых методов и технологий создания материалов, учитывающих как экономические, так и экологические аспекты. Наиболее остро эта проблема ощутима в сварочно-наплавочных технологиях, широко используемых в промышленности, строительстве, на транспорте, а также при создании, эксплуатации и ремонте технических устройств.

Для получения материалов на основе многокомпонентных ассоциаций преимущественно применяют три метода:

1) термический метод, основанный на исследовании взаимосвязи «состав-свойство» между шлаком и металлом с помощью диаграмм плавкости;

2) метод расчета термодинамических и физико-химических свойств сварочных шлаков;

3) метод, основанный на технической кибернетике, при котором сварочная ванна представлена в виде сложной системы, в которой множество элементов находится между собой и окружающей средой в тесной взаимосвязи. Задача решается экспериментально-статистическими методами, позволяющими при неполном знании механизмов, явлений, происходящих в исходном минеральном сырье, подвергнутом воздействию высоких температур, давлений, электрических полей и т.д., создать математические модели, позволяющие установить оптимальный состав компонентов шлаковой системы.

Однако, несмотря на указанное, анализ работ, посвященных проблемам создания материалов, показывает, что данные подходы не обеспечивают качественного и быстрого решения поставленных задач, так как в них отсутствует общепринятая методология создания сварочных материалов на основе использования минерального сырья. А это представляет значительный научный и практический интерес

особенно для тех регионов, которые имеют большие запасы сырья и значительно удалены от центров его переработки. Для решения указанной проблемы необходимо создать такую методологию получения сварочных материалов, которая обеспечивала бы выбор компонентов шихты и создание шлаковой системы в целях получения высокой свариваемости и легирования наплавленного металла. В этих целях в настоящей диссертационной работе предпринята попытка создать методологию, основанную на предварительной экспертной оценке минерального сырья, путем воздействия концентрированных потоков энергии (электрической дуги, плазмы, электронного луча и т.д.).

Тематика выполненных и описанных в работе исследований соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации («Энергосберегающие технологии», «Технологические совмещаемые модули металлургических мини-производств»), утвержденным Президентом Российской Федерации 30 марта 2002 года № 577 и № 578.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка научных основ создания, технологии получения и практическое применение сварочных материалов с использованием импортозаменяющего минерального сырья.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1) разработать научно-обоснованную методологию создания сварочных материалов на основе комплексного использования минерального сырья;

2) разработать технологические принципы получения шлаковой системы из многокомпонентного минерального сырья без его глубокой переработки;

3) исследовать влияние шлаковых систем на физико-механические и технологические характеристики формируемых покрытий;

4) разработать новые составы порошковых проволок для сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей, обеспечивающих высокие механические и эксплуатационные свойства;

5) использовать результаты исследования для практического применения при восстановлении и упрочнении деталей, работающих в условиях ударных нагрузок и интенсивного износа;

6) создать научно-исследовательский центр по разработке и производству сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона.

Научная новизна работы.

1. На основе использования общих методов научного познания и принципов материалогии разработаны: алгоритм получения шихты сварочно-наплавочных порошковых проволок; методика и установка для экспертной оценки качества компонентов шлаковой системы, позволяющие в 8-10 раз сократить объем экспериментальных исследований. Это послужило базой для создания методологии получения новых сварочных материалов из импортозаменяющего минерального сырья.

2. Разработана методология создания новых сварочно-наплавочных материалов, основанная на воздействии электрической дуги на минеральное сырье и последующем выборе рационального состава компонентов шихты порошковых проволок.

3. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований процесса сварки и наплавки, включающий математический анализ, изучение физико-механических и эксплуатационных характеристик (твердость, износостойкость, ударная вязкость и другие), позволивший получить новые сварочные материалы.

4. На основе проведенных исследований установлены рациональные режимы сварочно-наплавочного процесса, обеспечивающего переход легирующих элементов из шихты в наплавленный металл с целью создания порошковых проволок, основанных на циркониевом концентрате.

5. Установлена возможность использования циркониевого концентрата и определены закономерности восстановления циркония, повышающего качество и свойства наплавленного металла, предъявляемого технологическими инструкциями по ремонту подвижного состава и элементов пути.

6. Получены математические зависимости и диаграммы, позволяющие осуществить прогнозирование состава шихты порошковых проволок и свойств наплавленного металла.

7. На основе разработанной методологии получены шлаковые системы для электродугового процесса, позволяющие создавать новые порошковые проволоки, обеспечивающие высокие физико-механические свойства формируемых покрытий при сварке и наплавке углеродистых и легированных сталей.

Практическая значимость работы.

1. Получена серия опытных порошковых проволок для наплавки углеродистых и низколегированных сталей, позволяющих получать твердость формируемых покрытий 200-500 HB. Введенный в шлаковую систему цирконий способствовал образованию мелкозернистой структуры и повышению ударной вязкости с 80 до 140 Дж/см2.

2. Создана порошковая проволока для наплавки легированных высокомарганцевых сталей, обеспечивающая высокую твердость и износостойкость наплавленного металла в 1,5-2 раза превышающая работоспособность исходного материала.

3. Разработаны технология, оборудование и материалы, позволяющие получать формируемые покрытия с высокими механическими свойствами (A.c. № 1297363, A.c. № 1381866, патенты РФ № 55319, № 60808, № 2316608). Результаты исследования внедрены на ремонтных предприятиях Дальневосточной железной дороги, что подтверждается актом о внедрении с суммарным экономическим эффектом 9,2 млн.рублей.

4. Создан научно-исследовательский центр по разработке и производству сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона.

Личный вклад автора. Материалы, обобщенные в диссертации, являются результатом исследований, выполненных лично автором или под его руководством, и при непосредственном участии автора в лабораториях Дальневосточного государственного университета путей сообщения, институтов материаловедения и химии ДВО РАН. Диссертационная работа формировалась по результатам

исследований, в процессе руководства работой аспирантов и студентов по выполненным научным темам. В работу включены некоторые результаты исследований Д.В. Строителева и И.О. Романова, выполненных под руководством и непосредственным участием автора.

Автор выражает признательность коллективу кафедры «Технология металлов» ДВГУПС, лично профессору А.Д. Верхотурову и профессору Э.Г. Бабенко за оказанную помощь при выполнении диссертационной работы.

Апробация работы.

Основные результаты исследований были представлены на:

-43-й научно-практической конференции учёных транспортных вузов «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 22-23 октября 2003 г.);

-4-й международной научной конференции творческой молодёжи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 12-14 апреля 2005 г.);

-6-й международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 5-7 октября 2005 г.);

- 44-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 25-26 января 2006 г.);

-Joint China-Russia symposium on advanced materials processing technology (Harbin, P.R. China, 21-22 August 2006);

- 6-й региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования. Образование» (Благовещенск, 6-28 сентября 2006 г.);

- международной конференции «Материаловедение тугоплавких соединений: достижение и проблемы» (Украина, Киев, 27-29 мая 2008 г.);

- IV Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 22-25 сентября 2008 г.);

- международной научной конференции «Проблемы комплексного освоения георесурсов (Хабаровск, 16-18 сентября 2009 г.);

- заседаниях кафедр: «Технология металлов» ПГУПС (г. Санкт-Петербург), «Технология сварки, материаловедение, износостойкость деталей машин» МИИТ (г. Москва) в 2005 г., а также в Институте «Материаловедения» ХНЦ ДВО РАН (г. Хабаровск) в 2007 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 52 научных работах, в том числе одна монография, 9 статей в реферируемых журналах из списка, рекомендованных ВАК, получены два авторских свидетельства и три патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 239 страницах. Текст содержит 162 рисунка, 110 таблиц, 3 приложения и 221 наименование библиографического списка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе даны: оценка эффективности, перспективы применения сварки и наплавки, анализ современного состояния вопроса создания сварочных материалов; рассмотрены методологические и технологические проблемы создания новых материалов.

Анализ литературных источников показал, что одной из составляющих мировой экономики является сварочное производство. Особо актуальными вопросами сварки и наплавки остаются повышение качественных характеристик формируемых покрытий путем расширения области эффективных технологий и создания новых материалов, таких, как порошковая проволока, рост потребности которых обусловлен возможностью формирования наплавленного металла с широким спектром механических свойств без дополнительной защиты (газом или флюсом), а также механизации сварочно-наплавочных процессов.

Исследованием и разработкой самозащитных порошковых проволок занимались такие ученые, как И.И. Фрумин, И.К. Походня, В.Н. Шлепаков, A.JI. Суп-тель, A.A. Ерохин, И.С. Иоффе, И.П. Браверман, А.И. Марчук, Л.И. Орлов, С.А. Супрун, А.Ю. Юштин, Л.П. Мойсов и др. Ими были разработаны порошковые проволоки для сварки и наплавки различных сталей, применяемых в строительстве, тяжелом машиностроении, судостроении и т.д., при создании которых определяющими факторами являлись: выбор компонентов сердечника, обеспечение качества формируемых покрытий и экологическая безопасность.

В настоящее время при создании электродных покрытий, флюсов, шихты порошковых проволок для получения легированных сплавов используются дорогостоящие легирующие элементы. Исследованию проблем комплексного использования минерального сырья и формирования наплавленных слоев с высокими физико-механическими свойствами уделяется недостаточно внимания, в результате значительно повышается стоимость сварочно-наплавочных материалов, сдерживается рост их производства и истощаются запасы минерального сырья. Сложность указанных проблем заключается в том, что комплексное использование рудного сырья требует разработки новой методологии выбора компонентов, состава шихты и технологии получения материалов.

Помимо этого, необходимо учитывать, что при разработке новых сварочных материалов с использованием многокомпонентного минерального сырья существует ряд технологических и металлургических проблем:

- при электродуговом процессе в сварочной ванне имеют место сложные металлургические превращения, связанные с высокой степенью неравновесности жидкого металла и шлака, а также их многокомпонентный состав;

- значительное влияние на процесс сварки оказывают высокие температуры, технологические факторы, внешняя среда и др.;

- особую роль при сварке играет шлак, состав которого определяет стабильность технологического процесса, качество наплавленной поверхности, химический состав и структура металла шва.

Одной из самых сложных задач создания материалов является подбор компонентов и расчет шихты. Анализ литературных источников показал, что основой данных расчетов являются физико-химические методы, учитывающие формулу констант равновесия реакций, концентрации и активности легирующих элементов, коэффициент усвоения, данные кинетики и термодинамики. Однако большое число применяемых допущений, недостаточность данных для расчетов и невозможность достижений термодинамического равновесия в сложных шлаковых системах при реальных скоростях охлаждения не позволяют быстро и качественно решать задачи по разработке сварочных материалов.

В настоящей диссертационной работе указанная проблема решена путем разработки методологии создания сварочных материалов, которая основана на экспертной оценке минерального сырья методом воздействия концентрированных потоков энергии (электрической дугой, плазмой, электронным лучом и т.д.), с последующим экспериментальным исследованием в целях выбора оптимального состава компонентов шлаковой системы.

Во второй главе приведена методика экспериментальных исследований системы «состав-свойство», дана характеристика исходных материалов, оборудования и методов исследования.

Экспериментальные исследования проводились с целью создания шлаковых систем, а также получения на их основе порошковых проволок путем построения математических моделей, диаграмм влияния параметров электродугового процесса и легирующих элементов на технологические характеристики и качество формируемых покрытий.

Основной задачей исследования системы «состав-свойство» является установление функциональной зависимости между входными параметрами — факторами - и выходными параметрами - показателями качества функционирования системы, а также определение уровней соответствующих рациональным выходным параметрам технологического процесса.

В условиях неполного знания механизма явлений задача нахождения рациональных условий протекания процессов или рационального выбора состава многокомпонентных систем решается на основе экспериментально-статистических методов. В этом случае модель объекта исследования сварочной ванны удобно представить в виде расчетной модели (рис. 1).

Из расчетной модели следует, что при планировании эксперимента задаются входные параметры (Хь Х2, X,), опреде-

Хи Х2...Х; -►

1Г и V

Объект исследований

пт

-У; -►

Еь Е2 ...Е

Рис. 1. Расчетная модель объекта исследований

ляющие состояние объекта и измеряются выходные технологические параметры (Уь У2, У;) - реакции объекта на входные воздействия. Кроме того, на объект исследования могут оказывать влияние управляемые (Ъ\, Ъг, и неуправляемые (Еь Е2, Еп) внешние факторы.

Методы планирования эксперимента являются одним из эмпирических способов получения математического описания сложных объектов исследования. Они дают возможность получать математические зависимости системы.

Построение математических моделей электродугового процесса сварки и наплавки необходимо с целью выбора на основе численного эксперимента рациональных режимов, оптимизации состава шихты и оценки влияния основных факторов на качество и свойства формируемых покрытий.

При решении задач по созданию новых материалов с использованием минерального сырья при электрической сварке и наплавке шлаковые системы наиболее полно описываются приведенным полиномом третьего порядка (1):

У = ХР.х, + IP.jX.XJ + 1РуХ,Х| (х, - X;) + ХРуЛ^х,. (1)

где у - оценка выходного параметра;

х„ х^хк - контролируемые факторы;

Р>> Рц.Рик - коэффициенты полинома.

На заключительном этапе проводится построение контурных кривых поверхностей откликов, оптимизация состава шлаковой ванны, испытание полученных сварочно-наплавочных и других функциональных материалов, проверка соответствия полученных свойств нормативной документации.

При проведении исследований использовалось современное оборудование, обеспечивающее высокую точность и технологичность.

Проведенный анализ показал, что на территории Дальневосточного региона имеются большие запасы сырья (шеелит, бадделеит, датолит и т.д.), пригодного для создания сварочных материалов с высокими физико-механическими характеристиками.

В третьей главе рассмотрены основные вопросы методологии науки, методы, применяемые при исследовании проблемы синтеза сварочных материалов с использованием минерального сырья. Даны концептуальные основы создания методологии частных наук (материалогии, минералогической материалогии), а также алгоритм получения сварочных материалов с использованием минерального сырья. Приведены результаты исследования воздействия дугового разряда на шее-литовый и бадделеитовый концентраты.

В основу создания методологии сварочных материалов положен принцип, заключающийся в том, что она (методология) является «нижним» этажом структурно-логического «здания», а верхним - общие методологические, общенаучные и частнонаучные методы (рис. 2).

Рис. 2 . Алгоритм создания новых сварочных материалов

На основании предложенного алгоритма (рис. 2) были разработаны методологии материалогии и минералогической материалогии. Основой для разработки методологии материалогии послужила схема Г.В. Самсонова - «состав-структура-технология-свойства», а для минералогической материалогии - комплексное и рациональное использование сырья, экологичность технологии получения и обработки материалов.

Методология материалогии предопределяет два основных подхода создания материала: экспериментальный и теоретико-экспериментальный. Экспериментальный подход базируется на известных теориях создания материала, а также методах его получения и исследованиях, с последующей обработкой и формированием окончательного материала. Экспериментально-теоретический подход включает расчет взаимосвязи «состав-структура-технология-форма» с выдачей рекомендаций для ее экспериментальной проверки. Полученные результаты при этих подходах служат не только при создании новых перспективных материалов, но и при формировании (уточнении) новых теорий, законов, технологий.

Для формирования методологии создания сварочных материалов были использованы принципы дополнительности и конкретизации, а также внесены изменения в методологии материалогии и минералогической материалогии. Для этого составлялись базовые элементы методологии (табл. 1).

Таблица 1

Базовые элементы методологии

№ п/п Элементы методологии Материалогия Минер алогиче екая материалогия Материалогия сварочных материалов

1 Цель Разработка теории и практики получения материалов с заданными свойствами Разработка теории и практики получения материалов из минерального сырья Разработка теории и практики получения сварочных материалов с использованием минерального сырья

2 Задача Получение материалов с заданными свойствами Получение материалов с заданными свойствами при рациональном, комплексном использовании минерального сырья Получение сварочных материалов с использованием минерального сырья

3 Предмет исследования Органические и неорганические вещества и материалы Минеральное сырье Минеральное сырье, отвечающее требованиям сварочного производства

4 Объект исследования Взаимосвязь состава, структуры, технологи, формы и свойств Поведение минерального сырья при различных видах воздействия; взаимосвязь состава, структуры, формы и технологии Поведение минерального сырья при действии дугового разряда; взаимосвязь состава, структуры, формы и технологии

5 Технология Пиро-гидрометаллургия, химические технологии, механическая обработка, литье (Т,+Т2) Углетермическое восстановление, концентрированные потоки энергии, порошковая металлургия, механическая обработка (Т, + Т2+Т3) Дуговой разряд, механическая обработка, термическая обработка (Т, + Т2 + Т3 + Т4)

6 Схема «Состав-структура-технология-форма-свойства» Сокращение цикла производства от сырья к материалу - комплексное, рациональное использование производства Сокращение цикла производства от сырья к материалу - комплексное, рациональное использование производства

Из табл. 1 следует, что основные различия заключаются в сущности материало-гии и минералогической материалогии, т.е. в предмете и объекте исследования технологий.

Принимая во внимание эти дополнения, была составлена методология получения сварочных материалов, при создании которых использовалось минеральное сырье, обеспечивающее высокий уровень его свойств (рис. 3).

Весь методологический цикл получения сварочных материалов, начиная от его назначения (образование сварочного шва и наплавки с высоким уровнем его свойств) и до рабочей технологии получения материала, с последующими производственными испытаниями, включает, помимо известных стандартных методов и методик, еще две, дополнительные: методику выбора руды, концентратов и методику исследования действия дугового разряда на минеральное сырье.

При выборе руды и концентратов в работе предлагаются дополнительные методы «копирования» и «подобия» - подбор по заданному химическому и фазовому составу (известного химического вещества) местного минерального сырья, имеющего сходный химический и фазовый состав и свойства. При этом известные химические вещества, рекомендованные нормативными документами (названные «эталоном») взамен эталонных, подбираются отдельно для каждого элемента шихты - газообразующие, раскисляющие, стабилизирующие и др.

Использование дугового разряда для восстановления руд и концентратов представляет значительный научный и практический интерес для создания теории выбора необходимых компонентов шихты, а также оптимальных режимов их обработки.

Для исследования воздействия дугового разряда на выбранные концентраты была разработана и изготовлена опытная установка, позволяющая получать образцы (спеки) после воздействия дуговых разрядов на минеральное сырье (рис.4).

В целях установления влияния размера зерна на состав циркониевого концентрата были проведены гранулометрический и химический анализы циркониевого концентрата (табл. 2, рис. 5), в результате которых установлено, что максимальное содержание двуокиси циркония наблюдается во фракции менее 125 мкм. В связи с этим для исследований использовалась указанная фракция.

Результаты фазового и химического составов шеелитового и бадделеитового концентратов до и после воздействия дуговых разрядов приведены в табл. 3 и рис. 6,7.

Исследования показали, что при воздействии дугового разряда без защитной среды и восстановителей происходит изменение химического и фазового составов концентратов.

Рис. 3. Методология получения сварочных материалов с использованием минерального сырья 13

Кроме того, в бадделеите происходит практически полное удаление ЗЮ2 и образование циркониевой керамики гг8Ю4, которая при наплавке должна обеспечить высокий уровень свойств. В шеелитовом концентрате происходит частичное восстановление вольфрама. Полученные результаты позволили сделать вывод о возможности использования дугового разряда для экспертной оценки минерального сырья с целью выбора компонентов шлаковой системы.

Таблица 2

Химический состав циркониевого концентрата в зависимости от размера фракции, мае. %

Номер сита Ъх02 БЮг Другие компоненты Плотность, г/см3

0,5 18,4 75,6 6 2,5

0,25 30,3 63,7 6 3,0

0,125 40 54 6 3,36

<0,125 76 18 6 3,75

Рис. 4. Установка для исследования влияния дуговых разрядов на минеральное сырье: 1 - газоанализатор, 2 - вольфрамовый электрод, 3 -пирометр, 4 - каретка, 5 - переплавляемый материал, 6 - кристаллизатор

!!! ; \ \ 11 ¿!\\ 1

1 ! ! ! ! 1 1 ;;; | || 1 7 111 ______ 1 |

1 ! ! ! ! ! | ] 1 |

Г ! ! ¡¡II .1 и ии______ 1 1 и 11 ш._____ 1 / ■—[г \ 111 ___ш 1

_!__" _!_" 1:: 1 '!! 1 111 !

III !!! 1 1! !!! 1 ''Л и Ш . | и 1 1______

1 44+1 '11 1 1! !! , -Г

1 и1 II 1 1 X" К1 11 1 Т 1 1 1 1

11 / Ь 1 ¡1 п ! 1 ! | ' '

5 ¡Г ГГГтгг 1ш _

10 50 100 500 1000 2000

Рис. 5. Гранулометрический анализ циркониевого концентрата

Рис. 6. Результаты исследования химического и фазового составов бадделеитового концентрата после воздействия дугового разряда: ♦ - 2г8Ю4; ■ - ХЮ2.

Химический состав

\Л/ Р э Са

47,94 0,47 0,55 0,12 10,64

Нд Ре № Си Бе

0,164 0,62 0,030 0,065 0,352

Фазовый состав

Са\ЛЛЭ, \Л* -

зоо -

1—1 200 —

Рис. 7. Результаты исследования химического и фазового составов шеелитового концентрата после воздействия дугового разряда: ♦ - V/; ■ - CaW04.

Таблица 3

Фазовый и химический составы шеелитового и бадделеитового концентратов до и после воздействия дуговых разрядов

№ образца Сочетание электродов Химический состав, % Фазовый состав

Хх XV Са

2.1 Ш/Г 0,358 - 45,15 11,66 Са\У04, V/

2.2 Ш/Г 0,372 0,012 44,63 11,36 Са\¥04

2.3 Ш/Г 0,511 0,0664 46,37 11,93 СаШ04

3.1 Ш/Х¥ 0,473 0,031 47,94 10,64 Са\У04, XV

2.4 Б/Г 7,888 33,21 1,587 0,598 2г02, ХтОг (тетр.)

2,5 Б/Г 8,2 28,10 2,034 0,543 гг02, 5Ю2

2.6 Б/Г 8,113 33,30 2,02 0,617 ЪтОг, гйЮд

3.2 Б/XV 9,04 28,39 9,655 0,814 гг02(м);2г02(куб.)

5.1 Б 17 41,4 1,07 0,92 гю2, 8Ю2

5.2 Ш 1,93 0,03 41,94 17,2 СаХУ04

X - остальные элементы А1, Р, Мп, Ре, Со, №, Си, Бе, У, №>, Ж у которых, как правило, содержание < 1%

Примечание:

1. Ш/Г; Б/Г - шеелитовый, бадделеитовый концентраты переплавлены графитовым (Г) электродом соответственно.

2. Ш/ V/; Б^; - шеелитовый, бадделеитовый концентраты переплавлены вольфрамовым (XV) электродом соответственно.

В четвертой главе рассмотрены особенности металлургических процессов при электродуговых способах сварки, приведены результаты исследований по разра-

ботке шлаковых систем с целью создания на их основе порошковых проволок для сварки и наплавки деталей из углеродистых, низколегированных и легированных высокомарганцевых сталей.

При электрической сварке плавлением возникает целый комплекс физико-химических процессов, которые протекают в условиях высоких температур, большого накопления тепла в ограниченном объеме, резкого охлаждения расплавленного металла. Во время переноса нагретого до высоких температур присадочного материала с плавящегося электрода в сварочную ванну формируется сварной шов или защитное покрытие, структура и свойства которых существенно отличаются (чаще всего, в худшую сторону) от исходного. Особенно вредное влияние при этом оказывают кислород и азот, находящиеся в воздухе. Так, например, при сварке стали СтЗ проволокой Св-08А без защиты сварочной ванны, содержание кислорода в наплавленном металле увеличивается в десять раз, а азота-в пять, это снижает ударную вязкость от 15 до 1,5 Дж/см2.

В целях ограничения вредного воздействия воздуха на жидкий переплавляемый металл, в процессе сварки применяются различные способы защиты, в том числе электродные обмазки, флюсы и шихта порошковой проволоки. В связи с этим при разработке таких составов им требуется уделять особое внимание. Использование для этих целей многокомпонентных минеральных композиций является важным и перспективным не только с позиций повышения качества защиты жидкого металла сварочной ванны, но и возможности легирования последнего компонентами, входящими в состав сырья.

Исследование по созданию шлаковой системы для сварки и наплавки деталей из углеродистых и низколегированных сталей с использованием разработанной методологии включает следующие этапы:

1) выбор компонентов на основе разработанной методологии;

2) разработку технологии изготовления шихты;

3) установление критериев работоспособности шлаковой системы;

4) разработку и построение математических моделей, описывающих закономерность влияния входных параметров на работоспособность шлаковой системы;

5) построение диаграмм состояния для выбора рационального состава шлаковой системы.

Важным фактором при выборе компонентов является основность шлака, обеспечивающая переход легирующих компонентов и качество наплавленного металла. При использовании предложенной методологии были выбраны следующие компоненты, обеспечивающие основной тип сердечника: гранодиорит, мрамор, флюорит, циркониевый (бадделеитовый) концентрат, ферромарганец, ферросилиций.

После подготовки компонентов шихты проводились исследования минеральных компонентов с целью создания шлаковой системы, для оценки которой были установлены критерии работоспособности (переход легирующих элементов из шихты в наплавленный металл, потери электродного металла, общая пористость, наличие неметаллических включений, балл зерна). Кроме того, были определены факторы, влияющие на критерии работоспособности сварочно-наплавочной систе-

мы: режим термообработки, состав шихты и ее массовая доля относительно металлической оболочки, коэффициент заполнения, режимы наплавки.

На основе экспериментальных исследований были получены математические зависимости, по результатам анализа которых была построена совмещенная диаграмма, позволяющая определять рациональные значения гранодиорита, коэффициента заполнения и силы тока (рис. 8).

Из диаграммы (рис. 8) следует, что максимальная работоспособность шлаковой системы порошковой проволоки находится при следующих значениях исследуемых факторов:

- сила тока - 380.. .400 А;

- коэффициент заполнения - 30.. .31 %;

- массовая доля гранодиорита - 9... 10 %.

На основе анализа результатов проведенных исследований установлено, что шлаковая система работоспособна при определенных значениях параметров и способна обеспечивать требуемые характеристики при создании порошковых проволок из углеродистых и низколегированных сталей.

Коэффициент заполнения, %

Рис. 8. Совмещённая диаграмма влияния гранодиорита, силы тока и коэффициента заполнения на критерии работоспособности шлаковой системы: ^э» - коэффициент потерь (кпот); — - общая пористость в металле (77); - коэффициент перехода марганца (кперМп); - коэффициент перехода кремния (к„ер 51). Пунктирные линии являются предсказанными значениями, выходящими из области исследованного факторного пространства.

Процесс получения шлаковой системы для наплавки легированных высокомарганцевых сталей включает следующие этапы:

1) подбор компонентов;

2) исследование микроструктуры;

3) рентгенофазовый анализ наплавленного металла.

На основе разработанной методологии был проведен выбор компонентов шихты (табл. 4).

Таблица 4

Компоненты шлаковой системы

Компонент Функции

до восстановления элементов из оксидов после восстановления элементов из оксидов

Никелевый порошок Легирующий

Циркониевый концентрат шлакообразующий нитридообразующий, раскисляющий, легирующий, рафинирующий

Графит Газообразующий, легирующий, раскисляющий

Ферромарганец Легирующий, раскисляющий, рафинирующий

В качестве основы шлаковой системы (50 - 60 %) был выбран циркониевый концентрат, являющийся хорошим шлакообразующим компонентом. Кроме того, при восстановлении циркония из двуокиси обеспечивается комплексное воздействие: нитридообразование; легирование; раскисление; рафинирование наплавленного металла. При этом наиболее активным восстановителем является углерод, который одновременно может быть использован в качестве следующих компонентов: газообразующего, легирующего и раскисляющего. Для раскисления, легирования и рафинирования металла в шихту был добавлен ферромарганец.

На следующем этапе исследований устанавливалось содержание циркония в наплавленном металле в зависимости от массовых долей циркониевого концентрата и графита в составе шихты (рис.9).

Результаты исследования показали, что переход циркония носит немонотонный характер, а его максимальное содержание (0,37 мас.%) соответствует точке, отвечающей весовым долям 85 мас.% графита и 15 мас.% циркониевого концентрата. Сканирование в отраженных электронах и исследование химического состава наплавленного металла с помощью электронно-зондового микроанализатора показало фазовую неоднородность сплава и дисперсное распределение нитридов по металлу (рис.10, табл.5). В точке 1 содержится циркония 70,37 мае. %, железа-25,74 мае % и 3,89 мас.% азота, что свидетельствует об образовании нитрида циркония. Это подтверждает картина качественного распределения данного элемента (рис. 11).

Наличие в структуре мелкодисперсных нитридов свидетельствует о том, что восстановленный цирконий осуществляет защиту расплавленного металла от воздействия азота. Таким образом, в результате проведенных исследований установлена возможность использования циркониевого концентрата в качестве нитридо-образующего компонента шихты.

В процессе наплавки происходит восстановление других легирующих элементов, что способствует получению легированного наплавленного слоя (табл. 6). Предло-

женный состав шихты не только выполняет функцию шлакообразующей системы, но и является легирующей добавкой (патент РФ № 60888).

Массовая доля графита в шихте , % 100 97 94 91 88 85 82 79 76 73 70

Массовая доля циркониевого концентрата в шихте , %

Рис. 9. Результаты исследования перехода циркония в наплавленный металл в зависимости от содержания графита и циркониевого концентрата

Таблица 5

Химический состав фаз, мас.%

Номер фазы Ре 2г N О Б

1 25,74 70,37 3,89 - - -

2 75,4 14,67 - - 5,47 4,47

3 99,62 - - 0,38 - -

4 99,64 - - 0,36 - -

Таблица б

Химический состав наплавленного слоя

Номер состава шихты Количество элементов в наплавленном слое, %

С гт Мп Ш Си Б Р

1 1,0 0,37 0,23 0,3 0,04 0,09 0,0061 0,0093

Рис. 10. Микроструктура наплавленного Рис. И. Картина качественного распределе-

металла в отраженных электронах (х 700) ния циркония в наплавленном металле

При изучении закономерностей легирования наплавленного металла, обеспечивающего стабильность свойств и структуры, в ходе экспериментов устанавливалась зависимость легирования марганцем и эффективность его усвоения (Кпер) от изменения массовой доли графита и ферромарганца в сердечнике. Экспериментальные данные по содержанию легирующих элементов и Кпер приведены на рис. 12, из которого следует, что максимальное значение коэффициента перехода марганца достигается в точке, отвечающей весовым долям: 50 % графита + 50 % ферромарганца, при этом коэффициент перехода составляет 0,72 %, что в 1,76 раза превышает переход марганца при использовании его в качестве добавки в 1 порошковую проволоку с основным типом сердечника .

В пятой главе представлено описание процесса создания порошковых проволок на основе разработанных шлаковых систем, приведены результаты исследования закономерности перехода легирующих элементов из шихты в наплавленный металл и результаты исследований структуры, физико-механических и эксплуатационных характеристик получаемых покрытий.

Поставленная задача решалась в соответствии с разработанной методологией. При создании порошковых проволок для износостойкой наплавки деталей из углеродистой и низколегированной стали в качестве легирующих компонентов были использованы марганец, кремний (в виде ферросплавов) и графит.

При уточнении закономерностей влияния выбранных компонентов на работоспособность шлаковой системы в изучаемой области трёхфакторного пространства была построена совмещенная диаграмма (рис. 13), из которой следует, что рациональная область факторного пространства находится при определенном расчётном отношении кремния, марганца и углерода.

Массовая доля ферромарганца в шихте, % 20 30 40 50 60 70 80 90 100

£2,5 о"

5

ь ш

5 2,<

1,5

1,0

0,5

2,14 0, 12 14 ? ^ 23,.

\ 0 6 а ! 1 , ^ Ж / -0,63 N \ ч N 17,51____ / \ 0,6 »

1,25; 1,0 13,19 0,56 : >

/5,63 и,У Л85

4,81,

>чЯ

и

4

5 §

о я х и

>£

я ц

с я в

я

X я и а я 5

3 х

я *

а

и

4 о

о и

0,7 э я

а я 2 я ч о X и а и с н я и я я я

•е-

0,4 л"

о «

0,6

0,5!

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Массовая доля графита в шихте, %

Рис. 12. Содержание марганца и углерода в наплавленном металле в зависимости от массовой доли ферромарганца и графита.

Содержание Мл, мас.%

Рис. 13. Совмещённая диаграмма влияния кремния, марганца и углерода на работоспособность шлаковой системы: — - коэффициент потерь (квот);-----общая пористость в металле (П)

Эта закономерность была выражена через коэффициент легирования кл, который равен: кл = / тм„, т.е. отношению расчётной массы кремния (ти) к расчётной массе марганца (тМп)- Из диаграммы (рис. 13) следует, что с увеличением содержания углерода число пор в наплавленном слое уменьшается. Это объясняется увеличением газовой защиты расплавленного металла за счёт образования С02. Потери электродного металла в этой области факторного пространства являются приемлемыми. На этом основании можно сделать вывод о том, что применять указанные легирующие эле-

менты можно только при определённом их массовом соотношении.

Далее была проведена экспериментальная оценка работоспособности шихты и динамики перехода легирующих элементов, в результате этого были установлены функциональные зависимости свойств формируемых покрытий (Ут - твёрдость, Укси - ударная вязкость, Уи - износостойкость относительно стали 20ФЛ) от состава шихты и легирующих элементов (X] - ферросиликомарганец, Х2-графит):

— для твёрдости наплавленного металла:

Ут = 196,24-3,1785 X, + 18,9776 Х2- 3,1225 Х22 + 1,5504 X, Х2 - 0,2446 X,2 Х2 + + 0,2932 X, Х22 + 0,2632 Х23;

— для ударной вязкости наплавленного металла:

Укси = 344,25-13,433 Хг-43,014 Хг+ 0,2383 Х^ + 3,3661 Х22 + 0,5585 Х,Х2--0,313 XI Х22- 0,7379 Х23;

— для коэффициента износостойкости наплавленного металла:

УИ = -0,56+ 0,1778 Х, + 0,5076 Х2- 0,4902 Х22 - 0,1147 X! Х2

Полученные зависимости были использованы при построении совмещенной диаграммы (рис. 14), позволяющей решать практические задачи в зависимости от заданных свойств формируемых покрытий.

Исследование состава, структуры и свойств покрытий проводилось с использованием порошковых проволок, выбранных по рис. 14, в состав шихты которых входили компоненты, приведённые в табл.7.

Химический состав, механические свойства и микроструктура наплавленного металла приведены в табл. 8, 9 и рис. 15-17, которые подтверждают соответствие требованиям инструкции по ремонту подвижного состава ОАО «РЖД».

Данным порошковым проволокам были присвоены марки 1ИI-Нп-25ГС-Т-С 2,8 и ПП-ПМС-1 -2,8ПС49-А2Н в соответствии ГОСТ 26101-84 и ГОСТ 26271-84.

Кроме того экспериментальными исследованиями установлено, что компоненты в виде ферросиликомарганца и графита можно использовать в качестве легирующих добавок сердечника в производстве порошковых проволок. При этом для создания шихты было использовано минеральное сырье Дальневосточного региона.

Таблица 7

Составы шихты порошковых проволок

Марка Компоненты Основа шлаковой системы Легирующие

Мрамор Грано-диорит Флюорит Бадде-леит Ферро-силико-марганец Графит

ПП-Нп-25ГС Масса, г : 45,0 9,0 : . 23,0 3,0 27,0 5,00

Мае. доля, проц. 40,18 8,04 20,54 2,68 24,1 4,46

ПП-ПМС-1 Масса, г 45,0 9,0 23,0 3,0 26,0 -

Мае. доля, проц. 42,45 8,49 21,70 2,83 24,53 -

24 30,5 37 43,5 50 56,5 63

Массовая доля ферросиликомарганца, %

Рис. 14. Совмещённая диаграмма влияния массовых долей ферросиликомарганца и графита на твёрдость, износостойкость и ударную вязкость наплавляемого металла: ...........- коэффициент износостойкости

наплавленного металла; ---- твердость наплавленного металла

(НВ); -- ударная вязкость КШ Дж/см2.

Таблица 8

Химический состав материалов, мас.%

Материал С 81 Мп V Си Б Р

ПП-Нп-25ГС-Т-С 2,8 0,29 0,98 1,27 - - 0,012 0,028

ПП-ПМС- 1-2,8ПС49-А2Н 0,11 1,02 1,32 - - 0,017 0,029

20ФЛ 0,17 0,254 0,52 0,148 0.25 0,025 0,030

Таблица 9

Механические свойства материалов

Материал Твердость, НВ Коэффициент износостойкости ки относительно стали 20ФЛ Ударная вязкость КСи, Дж/см2 при 1 = +20 °С

ПП-Нп-25ГС-Т-С 2,8 260... 280 1,7...1,8 45...52

ПП-ПМС-1-2,8ПС49-А2Н 120... 160 1,2...1,3 130... 140

20ФЛ 120... 160 1 70... 80

Рис. 15. Микроструктура наплавленного металла проволокой ПП-ПМС-1

(хЮОО)

Рис.16. Микроструктура наплавленного металла проволокой ПП-Нп-25ГС (хЮОО)

Рис. 17. Микроструктура и микротвёрдость металла, наплавленного проволокой марки ПП-НП-25ГС (*800)

При создании порошковых проволок для наплавки деталей из высокомарганцевых сталей проводились исследования, включающие три этапа:

1) определение условий перехода легирующих элементов в наплавленный металл;

2) определение коэффициентов перехода (Кперс, Knep Mn, Кпер Zr);

3) определение влияния легирующих элементов на механические свойства наплавленного металла.

В качестве входных параметров были выбраны ферромарганец (FeMn), циркониевый концентрат (Zr02, Si02,W03) и графит (С), выходными параметрами являлись износостойкость (относительно стали 110Г13Л) и твердость (НВ). Границы области по каждому параметру обусловлены максимальными и минимальными значениями массовых долей: ферромарганец - 0...92 %, циркониевый концентрат -7...74%, графит-2...60 %.

В результате проведенных экспериментальных исследований была получена регрессионная зависимость и построена совмещенная диаграммы, позволяющая решать практические задачи по созданию шихты порошковых проволок, при из- \ менении состава которых можно в широких пределах регулировать состав наплавленного металла и за счет этого получать покрытия с заданными свойствами (рис. 18).

Назначение состава шихты порошковой проволоки для наплавки стали 110Г13Л проводилось на основании априорной информации, при этом содержание марганца в наплавленном слое должно быть 11,5 — 14,5 %, углерода - 0,851,3 %. Сформированное покрытие должно обеспечивать твердость 220 - 250 НВ.

Рис. 18. Совмещенная диаграмма механических и эксплутационных характеристик:

- - твердость наплавленного металла,

НВ;--износостойкость наплавленного

металла относительно стандартных электродов марки ЭА-395/9

Исследование состава, структуры и свойств покрытий проводилось с использованием порошковых проволок, полученных в соответствии с данными рис. 18. Химический состав и механические свойства полученного металла представлены в табл. 10, из которой следует, что твердость и износостойкость формируемых покрытий соответствует прогнозируемым. Проведенные исследования показали, что структура наплавленного металла состоит из аустенита с микротвердостью Нц=190-235НУ и карбидов марганца (рис. 19,20). Сварочно-технологические свойства разработанной порошковой проволоки приведены в табл. 11.

Таблица 10

Химический состав и свойства наплавленного металленного металл

Компоненты № Мп, мае. % Углерод, мае. % Цирконий, мае. % Твердость, НВ Коэффициент износостойкости

1 10,3 0,9 0,15 246 1,4

2 11,7 0,85 0,17 223 1,5

3 12,5 0,85 0,15 207 1,35

Исследования хладостойкости сформированного покрытия показали, что до температуры -80 °С наплавленный металл не имеет явно выраженного порога хладноломкости, что вероятно связано с присутствием никеля и циркония, которые повышают хладостойкость. Анализ структуры в отраженных электронах показал, что ин-теркристаллитные включения отсутствуют. Наличие внутренних дефектов (пор, трещин) оценивалось рентгеновским аппаратом АРИНА-3. По результатам исследований установлено, что указанные внутренние дефекты отсутствуют.

Таким образом, экспериментальные исследования доказали возможность получения наплавленного металла, соответствующего стали 110Г13Л, причем его износостойкость в 1,5 раза выше износостойкости слоя, наплавленного стандартными электродами марки ЭА-395/9.

Разработанной порошковой проволоке присвоена марка ПП-Нп-90Г13Н4ЦС-Т-С-2,8 в соответствии с ГОСТ 26101-84.

I, имп/с 600

500

400

300

200

100

у-Ре

МпС

МпС

у-Ре

а МпС

10 20

30 40

60 70

Рис. 19. Рентгенофазовый анализ наплавленного металла

90

28, град

Рис. 20. Микроструктура и микротвердость наплавленного металла (х 800)

Таблица 11

Сварочно-технологические свойства

Сварочный материал Производительность, кг/ч Сила тока, А Напряжение, В Вылет, мм Положение шва Потери наплавленного металла, %

ПП-Нп-90Г13Н4ЦС (опытная порошковая проволока) 8,1 250...300 26-30 20..23 нижнее 6-8

ПП-НП-90Г13Н4 (прототип) 6-7 220-240 20-22 15-20 нижнее 17-20

Электроды ЭА-395/9 0,8-2,4 140-160 22-26 - во всех, кроме вертикального 10-12

В тестой главе приведены результаты технико-экономического обоснования, промышленного внедрения, проверки разработанных порошковых проволок в условиях эксплуатации, создания научно-исследовательского центра по разработке и производству сварочных материалов.

Расчет экономической эффективности от применения порошковых проволок показал, что годовой экономический эффект от внедрения разработанных сварочных материалов для наплавки деталей автосцепных устройств составил 1 млн. 42 тыс. руб., при наплавке лабиринтовых колец - 182 тыс. руб., при наплавке зубьев ковшей экскаваторов - 1 млн. 53 тыс. руб.

Результаты исследования внедрены на предприятиях железнодорожного транспорта и горноперерабатывающей отрасли. При этом внедрение в практику осуществлялось комплексно с разработкой и созданием оборудования и технологий на кафедре «Технология металлов» Дальневосточного государственного университета путей сообщения. Так, на Дальневосточной железной дороге в локомотивных и вагонных депо ст. Хабаровск-2, Комсомольск-на-Амуре, ст. Вяземская, Корфовском

карьере внедрены защищенные авторскими свидетельствами и патентами технологии, оборудование и материалы для электродуговой, электрошлаковой сварки и наплавки деталей машин и механизмов. Разработано универсальное оборудование, позволяющее восстанавливать изделия значительной номенклатуры, реализовать широкий диапазон режимов, использовать различные сварочные, наплавочные и легирующие материалы с целью получения заданных свойств покрытий высокого качества (рис. 21 , 22). Внедрение указанных технологий позволило увеличить производительность наплавки по сравнению с ручной в 12-14 раз, снизить расходы свароч-но-наплавочных материалов, уменьшить себестоимость восстановленных деталей и узлов. Экономический эффект только по Дальневосточной железной дороге составил 9,2 млн. руб. в год (в ценах 2008 г.), что подтверждается сводным актом внедрения.

На основе разработанной методологии, применив математические модели и совмещенные диаграммы, были выбраны оптимальные составы шихты, обеспечивающие требуемые механические свойства формируемых покрытий, изготовлены опытные партии порошковых проволок и проводилась наплавка изношенных поверхностей деталей автосцепных устройств, центров колесных пар, зубьев ковшей экскаватора и других деталей (рис. 23). Свойства металла, наплавленного разработанными порошковыми проволоками приведены в табл.12.

Для комплексного использования результатов диссертационных исследований под руководством автора работы, при ДВГУПС создан научно-исследовательский центр для производства сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона производительностью 1500 кг порошковой проволоки и 4000 кг электродов в смену. Технологическая линии по производству порошковых проволок приведена на рис. 24.

Рис. 21. Установка для наплавки Рис. 22. Установка для наплавки

центров колесных пар лабиринтовых колец

Таблица 12

Свойства металла, наплавленного разработанными _порошковыми проволоками__

Марка проволоки Назначение Твердость наплавленного металла НВ Ударная вязкость, Дж/см2

ПП-ПМС1-С-2,8 Для сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей 160 130

ПП-Нп-25ГС-Т-С-2,8 Для наплавки углеродистых и низколегированных сталей 250-300 45

ПП-НП-90Г13Н4ЦС-Т-С- 2,8 Для наплавки легированных высокомарганцевых сталей До наклепа После наклепа До наклепа

194 530 300

Результаты технико-экономического расчета подтвердили высокую рентабельность проекта для предприятий Дальневосточного региона (стоимость сварочных материалов на 15-25 % ниже рыночной). Срок окупаемости при годовой программе 12 тыс. тонн составит один год.

Рис. 23. Наплавленные де- Рис. 24. Технологическая линия для производства порошко-

тали автосцепного устрой- вых проволок

ства

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе использования общих методов научного познания и принципов материалогии разработан алгоритм получения шихты сварочно-наплавочных по-

рошковых проволок, методика и установка для экспертной оценки качества компонентов шлаковой системы, позволяющей в 8-10 раз (с двух лет до 2-3 месяцев) сократить объем экспериментальных исследований. Это послужило базой для создания методологии получения новых сварочных материалов из импортозаме-няющего минерального сырья.

2. Разработана методология создания новых сварочно-наплавочных материалов, основанная на воздействии электрической дуги на минеральное сырье и последующем выборе рационального состава компонентов шихты порошковых проволок.

3. Разработан рациональный состав шлаковой системы (гранодиорит - 9-10 %, флюорит - 22-24 %, мрамор - 44-46 %, бадделеит - 2-3 %, ферромарганец - 9-11 %, ферросилиций - 6-8 %), обеспечивающий требуемые характеристики, в целях создания порошковых проволок для сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей.

4. Разработана новая шлаковая система с целью создания порошковых проволок для наплавки легированных высокомарганцевых сталей, обеспечивающая переход в наплавленный металл до 0,37 % циркония и до 13 % марганца, что позволяет получать наплавленный металл с высокими механическими свойствами.

5. Созданы новые порошковые проволоки:

- для сварки (наплавки) деталей из углеродистых и низколегированных сталей (патент РФ №55319);

-для наплавки деталей из легированных высокомарганцевых сталей (патент РФ №60888).

6. Разработаны, изготовлены и внедрены на предприятиях железнодорожного транспорта и горноперерабатывающей отрасли установки, технологии и материалы для восстановления деталей машин и механизмов (A.c. № 1297363; A.c. № 1381866; патент РФ № 2316608). Годовой экономический эффект от внедрения только на Дальневосточной железной дороге составил 9,2 млн. руб. (в ценах 2008 г.).

7. Создан при Дальневосточном государственном университете путей сообщения научно-исследовательский центр для производства сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона, производительностью 1500 кг порошковой проволоки и 4000 кг электродов в смену.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Монография

1. Макиенко В.М. Верхотуров А.Д., Бабенко Э.Г. Методология создания сварочных материалов: монография /; под ред. чл.-корр. РАН Б.А. Воронова. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2009.-128 с. - Библиогр.: с. 119-126.

Журналы, рекомендуемые ВАК

1. Макиенко В.М., Строителев Д.В., Баранов Е.М., Романов И.О. Влияние компонентов шлаковой системы порошковых проволок на технологичность процесса

наплавки и механические свойства наплавленного металла [Текст] / Сварочное производство. - 2006. - № 10. - С. 7-10.

2. Макиенко В.М., Романов И.О., Строителев Д.В., Клиндух В.Ф. Порошковая проволока для наплавки зубьев ковшей экскаваторов с использованием минерального сырья Дальневосточного региона [Текст] / Ремонт, восстановление и модернизация. - 2008. - № 1. - С. 7-11.

3. Макиенко В.М., Строителев Д.В., Романов И.О., Верхотуров А.Д. Использование циркониевого сырья для сварочных материалов [Текст] / // Технология металлов. - 2008. - N° 2. - С. 22-26.

4. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Повышение хладостойкости аустенитной стали при восстановлении изношенных поверхностей электродуговой наплавкой порошковыми проволоками [Текст] Сварочное производство. -2008. -№ 6. - С. 17-20.

5. Макиенко В.М., Баранов Е.М. К вопросу о переносе кислорода в оксидных расплавах в ходе электродуговых процессов восстановления тугоплавких металлов [Текст] / Технология металлов. - 2008. - № 12. - С. 8.

6. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Порошковая проволока для наплавки высокомарганцовистой аустенитной стали [Текст] / Сварочное производство. - 2008. -№ 5. - С. 7-10.

7. Макиенко В.М., Романов И.О., Строителев Д.В. Использование минерального сырья в качестве основы защитных проволок [Текст] /Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2009. -№ 9 - С. 19-20.

8. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Андреюк H.A., Строителев Д.В. Влияние рудного комплексного модификатора на качество вагонных тормозных колодок [Текст] / Литейное производство. - 2008. - № 2. - С. 22-24.

9. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Андреюк H.A. Структурообразование чугуна вагонных тормозных колодок при модифицировании цирконием [Текст] / Литейное производство. -2008. — № 3. - С. 15-18.

Авторские свидетельства и патенты

1. A.C. № 1297363. Флюс для износостойкой наплавки [Текст]: Макиенко В.М., Бабенко Э.Г., Васильев Н.Г.: (СССР) № заявки 3953959; заявлено 11.06.85; опубл. 15.11.86. Бюл. № 12-2 с: ил.

2. A.C. № 1381866. Способ электрошлаковой наплавки [Текст]: Макиенко В.М., Бабенко Э.Г., Васильев Н.Г.: (СССР) № заявки 4096370; заявлено 4.08.86; опубл. 15.11.87. Бюл. №22-2 с: ил.

3. Пат. 55319 Российская Федерация, МПК В 23 К 35/368. Порошковая проволока [Текст]/ Макиенко В.М., Григоренко В.Г., Строителев Д.В., Романов И.О. .; заявитель и патентообладатель Дальневосточный государственный университет путей сообщения - № 2006104131/22; заяв. 10.02.2006; опубл. 10.08.2006. Бюл. - № 22. -2 с: ил.

4. Пат. 60888 Российская Федерация, МПК В 23 К 103/02. Порошковая проволока [Текст] /Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О..; заявитель и патентообладатель Дальневосточный государственный университет пу-

тей сообщения - №2006133705/22; заяв. 20.09.2006; опубл. 10.02.2007. Бюл. -№4.-2 с: ил.

5. Пат. 2316608 Российская Федерация, МПК С22С 35/00. Модификатор [Текст] / Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Андреюк H.A., Романов И.О. .; заявитель и патентообладатель Дальневосточный государственный университет путей сообщения - № 2006114500; заяв. 27.04.2006; опубл. 10.02.2008. Бюл.-№4.-2 с: ил.

Другие публикации

1. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Андреюк H.A., Строителев Д.В., Колесников М.А. Влияние конструкции кокиля на структуру доэвтектического чугуна вагонных тормозных колодок [Текст] / Вестник ВНИИЖТ. - 2007. - № 5. - С. 16-19.

2. Макиенко В.М. Григоренко В.Г., Строителев Д.В., Романов И.О. Новая порошковая проволока для восстановления крестовин [Текст] / Путь и путевое хозяйство. - М.: Орган ОАО «Российские железные дороги», ГУП РМ «Красный октябрь», Ежемес. - 2007. - № 8. - С. 37- 39.

3. Макиенко В.М., Верхотуров А.Д., Строителев Д.В., Романов И.О. Получение шлаковой системы порошковой проволоки из минерального сырья Дальневосточного региона [Текст] / Химическая технология. - 2007. - № 10. - С. 433- 442.

4. Макиенко В,М., Верхотуров А.Д., Романов И. О., Строителев Д.В. Технология и методология получения сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона. [Текст]/Горный информационно-аналитический бел-лютень (научно-технический журнал).- 2009.-№4,- С.131-145.

5. Макиенко В.М., Верхотуров А.Д., Строителев Д.В. Методологические особенности разработки составов шихт порошковых проволок на основе минерального сырья Дальневосточного региона [Текст] / Физика: фундаментальные и прикладные исследования. Образование: материалы VI регион, науч. конф. /Амурский гос. ун.-т; БГПУ, Департамент образ. Амур. обл. - Благовещенск. 2006. -С. 82-90.

6. Макиенко В.М., Романов И.О., Строителев Д.В., Баранов E.M. Исследование влияния шлаковой системы порошковых проволок на основе двуокиси циркония [Текст] / // Сварщик-Профессионал. - 2005. - № 6 - С. 8-10.

7. Макиенко В.М. Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Исследование перехода марганца в наплавленный металл с целью получения восокомарганцови-стой порошковой проволоки для наплавки крестовин стрелочных переводов [Текст] / Сварщик-профессионал. - 2005. - №4.

8. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Исследование формирования шлаковой системы порошковых проволок на основе двуокиси циркония [Текст] / Сварщик-профессионал. - 2005. -№ 6.

9. Макиенко В.М., Бабенко Э.Г., Ткачук Н.С. Установка для электрошлаковой наплавки плоских поверхностей [Текст] / Инф.листок Хабаровского ЦНТИ, 1982. -С. 50-82

10. Макиенко В.М., Бабенко Э.Г., Новачук Я.А. К определению характера износа и ресурсов узлов и деталей тепловозов [Текст] /Вопросы динамики, эксплуа-

тации, диагностики, ремонта и надежности тепловозов: Сб. науч. тр. / Ташкентский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Ташкент, 1984. - Вып. 69/6. - С. 70-73

11. Макиенко В.М., Четвергов В.А., Васильев Н.Г., Бабенко Э.Г. Электрошлаковое восстановление деталей [Текст] / Электрическая и тепловозная тяга. - 1984. -Вып.7. - С. 26-27.

12. Макиенко В.М., Четвергов В.А., Васильев Н.Г., Бабенко Э.Г. Повышение работоспособности тяговых электродвигателей тепловозов способом электрошлаковой наплавки [Текст] / Вопросы эксплуатации и ремонта подвижного состава в условиях Дальнего Востока: межвуз, сб. науч. тр. / Хабаровский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Хабаровск, 1984. - Вып.5. - С.23-27.

13. Макиенко В.М., Бабенко Э.Г., Ткачук Н.С. Пробеги тепловозов М-62 можно изменить [Текст] / // Депонирование в ЦНИИТЭИ МПС. - 1985. - № 2. -С. 65-85.

14. Макиенко В.М., Четвергов В.А., Васильев Н.Г., Бабенко Э.Г. Повышение долговечности автосцепки электрошлаковой сварки [Текст] /: тез. науч.-техн. конф. /Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1986. - С. 24.

15. Макиенко В.М., Бабенко Э.Г., Клиндух В.Ф., Головко A.A. К вопросу восстановления колесных пар подвижного состава [Текст] /: тез. науч.-техн. конф. / Хабаровский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Хабаровск, 1989. - С. 2.

16. Макиенко В.М., Бабенко Э.Г., Клиндух В.Ф., Зимин O.A. Разработка технологии аргонодуговой сварки корпусов турбокомпрессоров тепловозов [Текст] /: тез. науч.-техн. конф. 1 Хабаровский ин-т инж. ж.-д. трансп. — Хабаровск, 1989. — С.4.

17. Макиенко В.М., Головко A.A., Зимин O.A. Установка для заварки трещин хвостовиков автосцепок четырехосных вагонов методом электрошлаковой сварки [Текст] / Информационный лист Хабаровского ЦНТИ, № 110,- 1990.

18. Макиенко В.М., Головко A.A., Маков Е.А. Установка для наплавки колесных пар локомотивов [Текст] / Проблемы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона: межвуз. сб. науч. тр. Вып.3. - Хабаровск, 1991.

19. Макиенко В.М. Исследование технологии электрошлаковой наплавки деталей подвижного состава [Текст] / Депонировано в ЦНИИТЭИ МПС, 1991, № 5439.

20. Макиенко В.М. Состояние сварочно-наплавочных работ при ремонте подвижного состава [Текст] / «Проблемы Дальнего Востока»: тез. докл. Дальневост. науч.-техн. конф. - Владивосток, 1995.

21. Макиенко В.М., Константинов К.В., Несмачный С.П. Сварочная установка для полуавтоматической сварки [Текст] /: материалы конф. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 1998.

22. Макиенко В.М., Верхотуров А.Д., Бабенко Э.Г. Совершенствование технологических процессов ремонта подвижного состава [Текст]: межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 1998. - С. 22-24.

23. Макиенко В.М. Эффективные методы резки металлов // Повышение эффективности работы ж.-д. транспорта Сибири и Дальнего Востока. -Хабаровск: ДВГУПС, 1999.

24. Макиенко В.М., Константинов К.В., Кузьмичев E.H. Износостойкая наплавка деталей подвижного состава [Текст] / // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 1999.

25. Макиенко В.М., Романов И.О., Клиндух В.Ф. Порошковая проволока для износостойкой наплавки [Текст] /Совершенствование технологических процессов ремонта и эксплуатации подвижного состава. Омск, 2003.

26. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Разработка состава шихты порошковой проволоки из минерального сырья Дальневосточного региона [Текст] / Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности: сб. тр. 43-й Всерос. науч.-практ. конф. учёных транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки в 2 томах: Т. 1 /ДВГУПС. - Хабаровск, 2003. - С. 39-42.

27. Макиенко В.М., Романов И.О., Строителев Д.В., Баранов Е.М. Разработка высокомарганцовистой порошковой проволоки для наплавки крестовин стрелочных переводов [Текст] // Проблемы транспорта Дальнего Востока: тез. докл. шестой междунар. науч.-практ. конф. /ДВО PAT. - Владивосток, 2005. - С. 69.

28. Макиенко В.М., Строителев Д.В., Заяц С.А., Романов И.О. Повышение технологических свойств сварочной порошковой проволоки с основным типом сердечника [Текст] / Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: сб. тр. четвёртой междунар. науч. конф. творч. молодёжи в 2 томах: Т. 1 / ДВГУПС. - Хабаровск, 2005. - С. 39-42.

29. Макиенко В.М. Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Разработка сварочной порошковой проволоки из минерального сырья Дальневосточного региона [Текст] / Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: сб. тр. четвёртой междунар. науч. конф. творческой молодёжи в 2 томах: Т. 1 / ДВГУПС. - Хабаровск, 2005. - С. 34-38.

30. Макиенко В.М., Пузанов М.Ф., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. // Разработка износостойкой порошковой проволоки для наплавки крестовин стрелочных переводов [Текст] / Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР: тр. четвертой междунар. конф. творческой молодежи / ДВГУПС. - Хабаровск, 2005.

31. Макиенко В.М. Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Влияние циркония на свойства наплавленного металла [Текст] / Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности: сб. тр. 44-й Всерос. науч.-практ. конф. / ДВГУПС; ред. кол. Ю.А. Давыдов. - Хабаровск, 2006. - С. 196-198.

32. Макиенко В.М. Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Эффективность применения порошковых проволок из минерального сырья Дальневосточного региона [Текст] / Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности: сб. тр. 44-й Всерос. науч.-практ. конф. / ДВГУПС; ред. кол. Ю.А. Давыдов. - Хабаровск, 2006. - С. 194-195.

33. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Метод получения порошковых проволок из минерального сырья Дальневосточного региона

[Текст] / Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности: сб. тр. 44-й Всерос. науч.-практ. конф. / ДВГУПС; ред. кол. Ю.А. Давыдов. - Хабаровск, 2006. - С. 192-194.

34. Макиенко В.М., Клиндух В.Ф., Строителев Д.В., Романов И.О. Использование циркониевого сырья в качестве компонента шихты сварочно-наплавочных порошковых проволок [Текст] / Инновационные технологии - транспорту и промышленности: тр. 45-й междунар. научно-практ. конф. ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, Хабаровск, 2007-С. 9-10.

35. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Технологические особенности подготовки и применения комплексного рудного модификатора для материала тормозных колодок [Текст] / Черные и цветные сплавы: труды восьмого съезда литейщиков России. Том 1. - Ростов-на-Дону, 2007. - С. 150-152.

36. Makienko V.M., Grigorenko V.G., Stroitelev D.V., Romanov I.O. Features of elaboration of welding - deposition flux-cored electrodes powder wires from the mineral raw material of the Far Eastern region [Текст] / Joint China-Russia symposium on advanced materials processing technology, Harbin, P.R. China. August 21-22,2006.

37. Makienko V.M., Stroitelev D. V., Baranov E. M., Romanov U.O. Effect of components of the slag system of flux cored wires on the technological features of the surfacing process and the mechanical properties of the deposited metal / Welding international 2007 Volume 21 Number 3, P. 231-238.

)

МАКИЕНКО ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Отпечатано методом прямого репродуцирования.

Подписано в печать 07.09.2009. Формат 60x84'/ 1б. Гарнитура Arial. Усл. печ. л. 2,6. Зак. 298. Тираж 120 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.