автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка расчетно-экспериментальной методики обеспечения заданного состава легированных наплавок покрытыми электродами

На правах рукописи

Крылов Алексей Петрович

РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО СОСТАВА ЛЕГИРОВАННЫХ НАПЛАВОКПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Специальности: 05.02.01 —материаловедение (машиностроение), 05.03.06 - технологии и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2004

Работа выполнена на кафедре «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Научньшруководитель - доктор технических наук, доцент

Кусков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Макаренко Валерий Дмитриевич

- кандидат технических наук, доцент Макаров Анатолий Ильич

Ведущая организация - ОАО «Тюменские моторостроители»

Защита состоится « 28 » декабря 2004 г. в 1200 час. на заседании диссертационного совета К 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, ауд 219.

Факс (3452) 25-08-52

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета.

Автореферат разослан <«&» ноября 2004 г.

Ученый секретарь Л

диссертационного совета И.А. Бенедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема ресурсо- и энергосбережения всегда была актуальной. Тем более в настоящее время, когда экономическая ситуация в России все настойчивее заставляет продлевать срок эксплуатации машиностроительных изделий за счет восстановления изношенных поверхностей. В подавляющем большинстве случаев увеличение размеров и обеспечение приемлемых эксплуатационных характеристик достигается в результате наплавки новых порций металла. При этом получаемые поверхностные слои выгодно отличаются от напыленных высокой плотностью и прочностью сцепления с основой. Самым простым и доступным для многих машиностроительных предприятий является восстановительная наплавка покрытыми электродами.

Состав наплавленного металла должен в наибольшей степени соответствовать назначению и условиям функционирования изделия. Поэтому задача получения наплавки заданного состава с наименьшими потерями легирующих элементов очень важна в современном машиностроении. Она может быть успешно решена путем выявления физико-химических закономерностей процессов, происходящих на межфазных границах при взаимодействии ванны жидкого металла со шлаком в ходе наплавки, за счет оптимизации технологических параметров.

Существующие методы прогнозирования состава и свойств легированного металла основаны на экспериментальном подборе наплавочных материалов, что приводит к значительным затратам материальных, финансовых ресурсов и времени. Поэтому разработка расчетных или расчетно-эксперименталь-ных методик является весьма актуальной как с практической, так и с научной точек зрения.

Отдельные разделы работы выполнены при поддержке грантов губернатора Тюменской области С.С. Собянина 2003 и 2004 гг.

Цель работы. Разработать расчетно-экспериментальную методику получения заданного химического состава наплавленного металла с повышенными эксплуатационными характеристиками: прочностью, пластичностью и износостойкостью.

^РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

оснв)ИЫВДв#£Х£ С

3 » 09

- исследовать структуру и механические свойства наплавленного металла, экспериментально определить содержание легирующих элементов в металле и шлаке;

- оценить влияние активности шлака на коэффициенты распределения легирующих элементов, рассчитать уравнения регрессии;

- выполнить термодинамические расчеты сопряженных реакций взаимодействия алюминия, кремния, марганца, магния и железа с кислородом;

- разработать установку для испытания на прочность электродного покрытия для повышения стабильности результатов испытаний по ГОСТ 9466-75.

Методы исследования. В работе использованы рентгенофлюоресцент-ный анализ наплавленного металла и шлака по ГОСТ 28033-89, металлографические исследования, методы определения механических свойств металла по ГОСТ 6996-66 (на статическое растяжение), ГОСТ 1497-84 (расчет предела прочности, предела текучести, относительного удлинения, относительного сужения), ГОСТ 9454-78 (на ударный изгиб), ГОСТ 9450-76 (микротвердость), ГОСТ 9013 (твердость по Роквеллу), испытания на прочность электродного покрытия по ГОСТ 9466-75.

Научная новизна. 1. Разработана расчетно-экспериментальная методика обеспечения заданного химического состава наплавленного металла с использованием построенных номограмм, которая учитывает активность и физико-химические характеристики шлака.

2. Предложен модифицированный показатель активности шлака, учитывающий коэффициенты активности оксидов марганца и железа на базе теории регулярных ионных растворов в зависимости от состава шлака.

3. Выполнены термодинамические расчеты сопряженных реакций на межфазной границе металла и шлака, свидетельствующие о повышении расхода алюминия в присутствии кремния, марганца и магния.

4. Экспериментально исследованы структура и механические свойства наплавок различного состава с целью выявления корреляции технологии и степени легирования металла. Получены уравнения регрессии второго порядка между хрома, марганца, кремния, никеля, мо-либ&ена и активновтмо шлзда.

Практическая значимость. 1. Получены наплавки заданного состава с повышенными эксплуатационными характеристиками. Расчетно-эксперимен-тальная методика с комплектом номограмм внедрена в ЗАО «Завод сварочных электродов «СИБЭС». Экономический эффект в расчете на год составил 56000 руб. (акт внедрения от 1.10.04). Рекомендации по восстановлению торцевых уплотнений нефтяных магистральных насосов переданы для внедрения ОАО «Тюменские машиностроители». Ожидаемый годовой экономический эффект составил 118 000 руб. (акт внедрения от 24.11.04).

2. Разработана и запатентована (решение о выдаче патента РФ на полезную модель от 09.09.04) установка для испытания на прочность электродного покрытия.

3. Результаты работы используются в учебном процессе в Тюменском государственном нефтегазовом университете (акт внедрения от 3.11.04).

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на науч.-техн. конф. «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» (г. Тюмень, 2002 г.); регион, науч.-техн. конф. «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (г. Тюмень, 2003 г.); методич. сем. «Второе образование: проблемы и решения» (г. Тюмень 2004 г.); междунар. науч.-практ. конф. «Научные результаты - агропромышленному производству» (г. Курган, 2004 г.); науч.-техн. конф. «АПК в XXI веке: действительность и перспективы» (г. Тюмень, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2004123562 от 05.08.04.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы из 83 наименований, актов внедрения. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста с 50 рисунками и 22 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко описано современное состояние проблемы, обоснована актуальность темы, поставлена цель работы, отмечены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен критический анализ литературных источников об основных закономерностях физико-химических процессов, происходящих на границах раздела и определяющих состав и свойства наплавленного металла при изготовлении и ремонте машиностроительных изделий. Особое внимание уделено оптимизации технологического воздействия для обеспечения химического состава, свойств и структуры наплавок. Показана многофакторность физико-химических процессов получения поверхностного слоя изделия с заданными эксплуатационными характеристиками методом наплавки из-за их скоротечности, значительного перегрева металла выше температуры плавления, высокой скорости охлаждения, взаимодействия с окружающей средой, дисперсности исходных компонентов и т.д. Изложенное позволило обосновать направление, цель и задачи исследования.

Во второй главе описаны материалы и методики исследования. В частности, приведены химический и гранулометрический составы компонентов электродных покрытий.

Представлены методики проведения металлографических исследований на микроскопе МЕТАМ ЛВ-31 в светлом и темном поле при увеличении 100 -500 крат, а также механических испытаний наплавленного металла в соответствии с ГОСТ 6996-66 (на статическое растяжение), ГОСТ 1497-84 (расчет предела прочности, предела текучести, относительного удлинения, относительного сужения), ГОСТ 9454-78 (на ударный изгиб), ГОСТ 9450-76 (микротвердость), ГОСТ 9013-59 (твердость по Роквеллу). Для выявления химического состава металла и шлака, образующегося при плавлении многокомпонентного покрытия, использован метод рентгенофлюоресцентного анализа по ГОСТ 28033-89.

Для испытаний легирующего покрытия на прочность разработана и запатентована установка, которая содержит стальную гладкую плиту, измеритель высоты и бункер, в нижней части которого расположен вращающийся цилиндрический захват с калиброванной прорезью для электродов (рис. 1).

В третье главе на основе заданного химического состава наплавленного металла и его назначения по известным методикам с учетом физико-химических свойств шлака определи исходное содержание компонентов по-

крытая и выполнили комплексное исследование закономерностей легирования наплавок при варьировании состава покрытия. При наплавке использовали низкоуглеродистый стержень из проволоки Св-08А

Рис. 1. Установка для испытания легирующего покрытия на прочность: 1 - бункер; 2 — шток; 3 - цилиндрический захват; 4 - рукоятка; 5 — стальная плита

Сочетание высоких прочностных и пластических характеристик наплавленного металла обеспечивает состав № 1 (табл. 1), а износостойкость - состав № 2.

Таблица 1

Заданный химический состав наплавленного металла, мае. %

Для получения указанных составов наплавленного металла целесообразно использовать шлаковую систему карбонатно-флюоритного типа. При этом, исходя из статистики практических наблюдений, ее физические характеристики должны находиться в пределах: температура плавления вязкость 0,2 - 0,4 Пас, поверхностное натяжение 300 - 400 мН/м.

Показано, что данным требованиям удовлетворяют шлаковые системы типа: На основании известных выражений, свя-

зывающих физические свойства многокомпонентных шлаковых расплавов с

аналогичными свойствами компонентов, входящих в эти системы, определили

содержание системных оксидов по формулам:

ССа0 = -1,373 ■ а + 8,546 ■ Ъ + 2,431 ■ </ +12,524 • 5; (1)

СсаР2 = 0,238-а -1£97- Ь - 0,748-(1 + 4,129-Б; (2)

С3ю2 = -0,092 ■ а + 0,239 ■ Ъ + 0,294+ 0,231 Я; (3)

Спо, = -0,102-а + 0,321 -Ъ + 0,317-с1 + 2,14 ■ Б, (4)

где С,- - содержание оксида (мае. %) в шлаке; а,Ъ, д, — коэффициенты, определяемые из аддитивного вклада компонента в величины температуры плавления, вязкости и поверхностного натяжения шлака; сумма системных компонентов шлака.

Существующие методики не учитывают совместного действия элемен-тов-раскислителей. Поэтому выполнены термодинамические расчеты сопряженных реакций взаимодействия алюминия, кремния, марганца, магния и железа с кислородом на границе раздела расплавленного металла со шлаком: /"&•; + [Мп] + 2[А1] + ] + [Ре] + 8[0]-+ ->(8Ю2) + (Мп0)+(А1203) + (Мв0)+(Ре0) ( '

При этом суммарную константу равновесия определили как:

где стандартное изменение энергии Гиббса образования оксида

элемента, Г-температура, К (в расчетах приняли Т = 1923 К, считая ее наиболее характерной при наплавке покрытыми электродами).

В случае совместного раскисления получили следующие значения констант равновесия:

Сравнив их с индивидуальными величинами:

- установили,

что при совместном раскислении только Кувеличилась, остальные же величины уменьшились. Это свидетельствует о повышенном расходе алюминия

при совместном введении раскислителеи в сварочную ванну, т.е. при комплексном раскислении остаточное содержание алюминия в стали становится исчезающе малым, оксиды же остальных раскислителей и железа будут восстанавливаться алюминием.

Описанные выше соображения позволили подобрать экспериментальный шихтовый состав покрытий и изготовить опытные электроды, условно названные К-1 и К-2, на установке ОАО «Завод сварочных электродов «СИБЭС».

По результатам наплавки экспериментальными электродами валиков на пластины из стали ВСт.З с помощью рентгенофлюоресцентного анализа определили химический состав наплавленного металла (табл. 2 и 3) и шлака, образовавшегося при плавлении и взаимодействии покрытия с металлом.

Для оценки реакционной способности шлаков предложен показатель активности шлака, который учитывает коэффициенты активности оксидов марганца и железа в шлаке на базе теории регулярных ионных растворов:

Аи ~

Мя02+ГМп0-В 'N¡¿„0 В

0,018СаР + 0,015МгР + 0,006СаР2 + 0,014(Ыа 20 +К20) +О,007МпО 0,01 Ш02 + 0,005{А1203 + ТЮ2 + 2г02)

2180

1&УреО ~

1000

к Г МпО = !ё ГРеО--— К8Ю2 [2],

'2,ШМп0К8Ю2 +5,9{ЫсаО+^М8о)м5ю2 +'

+ 10^СаО^Р2О5

[2],

(7) [1] (8)

(9)

(10)

где А^- — мольная доля 1-го оксида в шлаке; В- основность шлака; ^-—коэффициент активности 1-го оксида в шлаке.

Таблица 2

Химщ

тоский состав металла, наплавленного электродами К 1, мае

№ экспе-

Хлап; чу чудии

имический состав, мае. %

римента С Мп Ст № Мо Р Б

1 0,06 0,29 1,53 1,18 1,27 0,39 0,026 0,015

2 0,07 0,41 1,38 1,2 1,14 0,21 0,014 0,015

3 0,06 0,34 1,19 1,12 1,16 0,39 0,031 0,015

4 0,09 0,37 1,39 1,07 1,11 0,37 0,027 0,014

Таблица 3

Химический состав металла, наплавленного электродами К-2, мае. %

№ эксперимента Химический состав, мае. %

С Мп Сг Р Б

1 0,43 0,99 0,93 8,51 0,013 0,012

2 0,33 1,07 0,78 7,75 0,015 0,014

3 0,29 0,50 0,66 7,46 0,007 0,014

4 0,36 0,67 0,83 8,70 0,017 0,011

5 0,30 0,59 0,77 8,88 0,02 0,011

Эффективность легирования наплавленного металла оценили по величине коэффициента распределения элемента между металлом и шлаком:

где [С(]Н (С^)— содержание элемента в металле и шлаке соответственно.

Нанесенные на координатное поле — Аш» экспериментальные точки для хрома, марганца, кремния, никеля и молибдена, аналогичные приведенному на рисунке 2 примеру, описываются уравнениями 2-ой степени с высоким коэффициентом корреляции (табл. 4 и 5).

Рис. 2. Зависимость коэффициента распределения хрома от активности шлака (К-1)

Экстремумы для электродов К-1 наблюдаются в интервале Аш от 0,43 до 0,46 для различных элементов, а для электродов К-2 - Аш — 0,25 — 0,29. Это по-

зволяет подобрать шихтовый состав покрытий, обеспечивающих максимальную эффективность легирования наплавленного металла.

Таблица 4

Уравнения регрессии для электродов К-1

Химический элемент Уравнение регрессии Коэффициент корреляции

Мо LMo = 1625 • 4 " 1476 • + 339,99 0,83

Cr Lcr = - 550 • А^ + 487,74 • - 106,85 0,97

Ni LNi = 4875 • - 4370,8 • Аш+ 988,74 0,92

Si Lsi = — 75 • А^ +68,868- 4,-11,299 0,96

Mn LMn = -62,5- ^ +53,831 • 4,+ 11,299 0,97

Таблица 5 Уравнения регрессии для электродов К-2

Химический элемент Уравнение регрессии Коэффициент корреляции

Cr Ьсг = -67,347- ^ +35,531 • ^ -3,3457 0,89

Si ^¡ = -74,561 • +42,651 • 5,5336 0,60

Mn Ьм„ = - 25,614 • ^ + 12,789- 4,- 1,177 0,99

В четвертой главе описана разработанная расчетно-экспериментальная методика обеспечения заданного химического состава наплавленного металла и исследованы его структура и свойства.

Схема расчетно-экспериментальной методики приведена на рисунке 3. Разработанная методика позволяет посредством 3-4 экспериментов определить интервал активности, соответствующий наиболее эффективному легированию наплавленного металла. Первоначальный состав покрытия и его вариации определяют на основе практических наблюдений с учетом физико-химических свойств шлака. На основе полученного экспериментального интервала с помощью номограмм, аналогичных представленной на рисунке 4, определяют концентрацию системных компонентов покрытия. При этом может быть найдено несколько возможных комбинаций. Последующие расчеты физико-химических характеристик шлаков позволяют отдать предпочтение одному из вариантов.

В результате расчетов и экспериментов (эксперимент № 4 в табл. 2, эксперимент № 5 в табл. 3) установлен состав электродных покрытий, обеспечивающих заданное содержание элементов в наплавленном металле (см. табл. 1).

На рисунке 5 приведены микрофотографии структуры наплавленного металла, а в таблице 6 - его механические свойства.

При использовании электродов с покрытиями К-1 образуется игольчатая сор-бито-трооститная структура, а в случае К-2 - мартенситно-ферритная с включениями карбидов (Сг, Ре)7Сз. В наплавках электродами К-2 микротвердость на границах и в теле зерна различается не существенно и составляет около 8,08

ГПа.

а) б)

Рис. 5. Структура металла, наплавленного электродами К-1 (а) и К-2 (б)

Таблица 6

Механические свойства наплавленного металла

Условная марка электрода овр, МПа а02, МПа 65, % кси, Дж/см2 НЯС

К-1 690 590 18 55 100 33-35

К-2 1430 1265 4 5 60 50-51

Указанные характеристики позволяют использовать исследованные наплавки для восстановления изношенных торцевых уплотнений нефтяных магистральных насосов (состав № 1) и для восстановления режущих кромок штампов из специальной и высокоуглеродистой стали, которые обрабатывают металл в горячем или холодном состоянии (состав № 2).

После восстановления торцевых уплотнений продолжительность по-

вторной эксплуатации насосов составляет 80 - 90 % от первоначальной. Технологические рекомендации переданы для внедрения в ОАО «Тюменские машиностроители». Ожидаемый экономический эффект составляет 118,0 тыс. руб./год.

Расчетно-экспериментальная методика внедрена в ЗАО «Завод сварочных электродов «СИБЭС» и используется в учебном процессе ТюмГНГУ.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Экспериментально исследованы структура и механические свойства наплавленного металла, обеспечивающие повышение эксплуатационных характеристик изделия (прочности, пластичности, износостойкости).

2. Экспериментально установлены зависимости коэффициентов распределения хрома, марганца, кремния, никеля и молибдена от активности шлака, рассчитаны уравнения регрессии и определены интервалы активности шлака, которые обеспечивают максимальную эффективность легирования наплавленного металла.

3. Разработан модифицированный показатель активности шлака, который учитывает коэффициенты активности оксидов марганца и железа на базе теории регулярных ионных растворов.

4. Разработана расчетно-экспериментальная методика обеспечения заданного химического состава и структуры наплавленного металла с учетом физико-химических характеристик и активности шлака, которая основана на выявлении максимальных значений коэффициентов распределения легирующих элементов и выборе по построенным номограммам системных компонентов покрытия. Методика внедрена в ЗАО «Завод сварочных электродов «СИ-БЭС» и используется в учебном процессе в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

5. Разработана методика термодинамического расчета сопряженных реакций взаимодействия алюминия, кремния, марганца, магния и железа на границе металла со шлаком, которая выявила повышение расхода алюминия и позволила рассчитать необходимое количество раскислителей.

6. Технологические рекомендации по восстановлению торцевых уплотнений нефтяных магистральных насосов НН 10000 переданы для внедрения в

ОАО «Тюменские машиностроители».

7. Разработана и запатентована установка для испытания на разрушение электродного покрытия, которая обеспечивает повышение стабильности проведения испытаний за счет равномерного горизонтального сбрасывания электрода на стальную гладкую плиту с постоянной высоты.

В работе цитирована литература: 1. Потапов Н.Н. Окисление металлов при сварке плавлением - М.: Машиностроение, 1985. 216 с. 2. Взаимодействие расплавленного металла с газом и шлаком / под ред. Попеля СИ. -Свердловск: УПИ им. СМ. Кирова, 1975. 184 с.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Кусков В.Н, Волохов А.П., Крылов А.П. Разработка состава электродного покрытия для легирования чугуна ванадием // Нефть и газ: Проблемы недропользования, добычи и транспортировки: Матер, науч.-техн. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. - С 256.

2. Крылов А.П., Кусков В.Н, Волохов А.П., Разработка состава электродного покрытия для легирования наплавленного металла ванадием // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Матер, регион, науч.-практ. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. — С. 38 -41.

3. Крылов А.П., Кусков В.Н. Использование методики расчета состава электродного покрытия при обучении специалистов-практиков // Второе образование: проблемы и решения: Матер, метод, сем. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - С 29 - 30.

4. Крылов А.П., Кусков В.Н., Волохов А.П. Легирование наплавленного металла через электродное покрытие в процессе ручной дуговой сварки // Известия вузов. Нефть и газ. 2004. № 3. С. 61 - 65.

5. Кусков В.Н., Крылов А.П., Волохов А.П., Ашихмин Е.В. Восстановление режущих кромок штампов для деталей сельскохозяйственных машин ручной электродуговой наплавкой покрытыми электродами // АПК в XXI веке: действительность и перспективы: Сб. матер, конф. - Тюмень: ТюмГСХА, 2004 г.-С 177-179.

6. Кусков В.Н., Крылов А.П., Волохов А.П., Ашихмин Е.В. Восстановление деталей сельскохозяйственных машин ручной электродуговой наплав-

#2 562 3

кой покрытыми электродами // Научные результаты - агропромышленному комплексу: Матер, междунар. науч.-практ. конф. - Курган: ГИПП «Зауралье», 2004 г.-С. 177-179.

7. Крылов А.П., Кусков В.Н., Волохов А.П., Ашихмин Е.В. Восстановление деталей машин электродуговой наплавкой // Нефть и газ: Новые технологии в системах транспорта: Матер, регион, науч.-практ. конф. Часть 1. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2004 г. - С. 154 - 156.

8. Крылов А.П., Кусков В.Н., Волохов А.П., Ашихмин Е.В. Физико-химические закономерности получения наплавок заданного состава покрытыми электродами // Нефть и газ: Новые технологии в системах транспорта: Матер, рег. науч.-практ. конф. Часть 1. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004 г. - С. 157 — 160.

9. Решение о выдаче патента на полезную модель от 09.09.04 по заявке № 2004123562. Установка для испытания на разрушение электродного покрытия / Крылов А.П., Кусков В.Н., (РФ).

Подписано к печати АЗМ-РУг Заказ № Тираж 100 экз.

Уч. изд. л. 1,00 Усл. печ. л. 1,00

Тюменский государственный нефтегазовый университет Отдел оперативной полиграфии, 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТАВ И СВОЙСТВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

1.1 Применение наплавки для упрочнения и восстановления деталей машиностроения

1.2 Основополагающие методики расчета состава наплавленного металла и шлака

1.3 Анализ влияния отдельных технологических параметров на взаимодействие металла со шлаком

1.3.1 Содержание и грануляция компонентов покрытия

1.3.2 Окислительная способность компонентов

1.3.3 Термодинамическая активность компонентов шлака

1.3.4 Режимы наплавки

1.3.5 Относительный вес покрытия (флюса)

1.4 Постановка задачи исследования

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Химический и гранулометрический состав материалов, использованных для наплавки

2.2 Форма и размеры исследованных образцов

2.3 Металлографические исследования и механические испытания

2.4 Испытание на прочность электродного покрытия

2.5 Рентгенофлюоресцентный анализ

2.6 Определение сварочно-технологических свойств покрытых электродов

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЛЕГИРОВАНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ИЗ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ

3.1 Выбор шихтового состава электродного покрытия

3.1.1 Расчет легирующей части

3.1.2 Расчет шлакообразующей части

3.1.3 Расчет количества раскислителей

3.1.4 Термодинамические расчеты сопряженных реакций на межфазной границе металла и шлака

3.2 Определение окислительной способности покрытия

3.2.1 Расчет основности и активности шлака

3.2.2 Корреляция коэффициента распределения легирующих элементов и активности шлака

3.2.3 Технологические свойства электродов

4. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАДАННОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

4.1 Анализ влияния состава шлака на его активность

4.2 Сущность расчетно-экспериментальной методики

4.3 Структура и механические свойства наплавленного металла

Актуальность темы. Проблема ресурсо- и энергосбережения всегда была актуальной. Тем более в настоящее время, когда экономическая ситуация в России все настойчивее заставляет продлевать срок эксплуатации машиностроительных изделий за счет восстановления изношенных поверхностей. В подавляющем большинстве случаев увеличение размеров и обеспечение приемлемых эксплуатационных характеристик достигается в результате наплавки новых порций металла. При этом получаемые поверхностные слои выгодно отличаются от напыленных высокой плотностью и прочностью сцепления с основой. Самым простым и доступным для многих машиностроительных предприятий является восстановительная наплавка покрытыми электродами.

Состав наплавленного металла должен в наибольшей степени соответствовать назначению и условиям функционирования изделия. Поэтому задача получения наплавки заданного состава с наименьшими потерями легирующих элементов очень важна в современном машиностроении. Она может быть успешно решена путем выявления физико-химических закономерностей процессов, происходящих на межфазных границах при взаимодействии ванны жидкого металла со шлаком в ходе наплавки, за счет оптимизации технологических параметров.

Существующие методы прогнозирования состава и свойств легированного металла основаны на экспериментальном подборе наплавочных материалов, что приводит к значительным затратам материальных, финансовых ресурсов и времени. Поэтому разработка расчетных или расчетно-экспериментальных методик является весьма актуальной как с практической, так и с научной точек зрения.

Отдельные разделы работы выполнены при поддержке грантов губернатора Тюменской области С.С. Собянина 2003 и 2004 гг.

Объект исследования - закономерности физико-химических процессов, происходящих на границе раздела металл-шлак, формирующих заданные состав и свойства наплавленного металла.

Предмет исследования — состав и свойства наплавленного металла и шлака, образующегося при плавлении электродного покрытия при ручной дуговой сварке.

Методы исследования. В работе использованы рентгенофлюоресцент-ный анализ наплавленного металла и шлака, металлографический метод, определение механических свойств наплавленного металла, испытания на прочность электродного покрытия.

Научная новизна. 1. Разработана расчетно-экспериметальная методика получения заданного химического состава наплавленного металла с использованием построенных автором номограмм, которая учитывает активность и физико-химические характеристики шлака.

2. Предложен модифицированный показатель активности шлака, учитывающий коэффициенты активности оксидов марганца и железа на базе теории регулярных ионных растворов в зависимости от состава шлака.

3. Выполнены термодинамические расчеты сопряженных реакций на межфазной границе металла и шлака, свидетельствующие о повышении расхода алюминия в присутствии кремния, марганца и магния.

4. Экспериментально исследованы структура и механические свойства наплавок различного состава с целью выявления корреляции технологии и степени легирования металла. Получены уравнения регрессии второго порядка между коэффициентами распределения марганца, хрома, никеля, молибдена и кремния и активностью шлака.

Практическая значимость. 1. Получены наплавки заданного состава с повышенными эксплуатационными характеристиками. Расчетно-эксперимен-тальная методика с комплектом номограмм внедрена в ЗАО «Завод сварочных электродов «СИБЭС». Экономический эффект в расчете на год составил 56000 руб. (акт внедрения от 1.10.04). Рекомендации по восстановлению торцевых уплотнений нефтяных магистральных насосов переданы для внедрения ОАО «Тюменские машиностроители». Ожидаемый годовой экономический эффект составил 118 ООО руб. (акт внедрения от 24.11.04).

2. Разработана и запатентована (решение о выдаче патента РФ на полезную модель от 09.09.04) установка для испытания на прочность электродного покрытия.

3. Результаты работы используются в учебном процессе в Тюменском государственном нефтегазовом университете (акт внедрения от 3.11.04).

Апробация. Основные положения работы доложены и обсуждены на на-уч.-техн. конф. «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» (г. Тюмень, 2002 г.); регион, науч.-техн. конф. «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (г. Тюмень, 2003 г.); методич. сем. «Второе образование: проблемы и решения» (г. Тюмень 2004 г.); междунар. науч.-практ. конф. «Научные результаты - агропромышленному производству» (г. Курган, 2004 г.); науч.-техн. конф. «АПК в XXI веке: действительность и перспективы» (г. Тюмень, 2004).

1. АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ, У ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ СОСТАВ И СВОЙСТВА

НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Экспериментально исследованы структура и механические свойства наплавленного металла, обеспечивающие повышение эксплуатационных характеристик изделия (прочности, пластичности, износостойкости).

2. Экспериментально установлены зависимости коэффициентов распределения хрома, марганца, кремния, никеля и молибдена от активности шлака, рассчитаны уравнения регрессии и определены интервалы активности шлака, которые обеспечивают максимальную эффективность легирования наплавленного металла.

3. Разработан модифицированный показатель активности шлака, который учитывает коэффициенты активности оксидов марганца и железа на базе теории регулярных ионных растворов.

4. Разработана расчетно-экспериментальная методика обеспечения заданного химического состава и структуры наплавленного металла с учетом физико-химических характеристик и активности шлака, которая основана на выявлении максимальных значений коэффициентов распределения легирующих элементов и выборе по построенным номограммам системных компонентов покрытия. Методика внедрена в ЗАО «Завод сварочных электродов «СИБЭС» и используется в учебном процессе в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

5. Разработана методика термодинамического расчета сопряженных реакций взаимодействия алюминия, кремния, марганца, магния и железа на границе металла со шлаком, которая выявила повышение расхода алюминия и позволила рассчитать необходимое количество раскислителей.

6. Технологические рекомендации по восстановлению торцевых уплотнений нефтяных магистральных насосов НН 10000 переданы для внедрения в ОАО «Тюменские машиностроители».

7. Разработана и запатентована установка для испытания на разрушение электродного покрытия, которая обеспечивает повышение стабильности проведения испытаний за счет равномерного горизонтального сбрасывания трода на стальную гладкую плиту с постоянной высоты.

1. Повышение долговечности рабочих органов экскаваторов износостойкой наплавкой / Петров И.В. - М.: ИНФОРМЭНЕРГО, 1968. 40 с.

2. Основы легирования наплавленного металла / Лившиц Л.С., Гринберг Н.А., Кукумелли Э.Г. М.: Машиностроение, 1969. 188 с.

3. Справочник по сварке / Под ред. Е.В. Соколова. В 4-х т. Т. 1 М.: Машгиз, 1961. 542 с.

4. Автоматическая электродуговая наплавка / Фрумин И.И. М.: Металлург-издат, 1961. 228 с.

5. Крылов А.П., Кусков В.Н., Волохов А.П., Ашихмин Е.В. Восстановление деталей машин электродуговой наплавкой // Нефть и газ: Новые технологии в системах транспорта: Матер, регион, науч.-практ. конф. Часть 1. Тюмень: ТюмГНГУ, 2004 г. С. 154 - 156.

6. Колесов В.Г. О повышении долговечности деталей, изнашивающихся при трении о грунт и рациональном выборе сплавов для их наплавки // Вестник машиностроения. 1960. № 9. С. 26 28.

7. Ремонт оборудования сваркой / Вощанов К.П. М.: Машиностроение, 1967. 192 с.

8. Ю.Ремонт и восстановление коленчатых валов / Горохов В.А., Руденко ПА. М.: Колос, 1978 159 с.

9. Низколегированные стали высокой прочности для сварных конструкций / Касаткин Б.С., Мусияченко В.Ф. Киев: «Техшка», 1970. 188 с.

10. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / Синярев Г.Б., Ватолин. Н.А., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К. — М.: Наука, 1982. 124 с.

11. П.Ефимов JI. А. К расчету шихты электродных покрытий // Тр. Ленингр. политехи. ин-та. М.: Металлургиздат, 1961. С. 142 - 148.

12. Расчет фазовых равновесий в многокомпонентных системах / Казаков А.И., Мокрицкий В.А., Романенко В.Н., Хитова Л.С. М.: Металлургия, 1987. 210 с.

13. Бадьянов Б.Н. Термодинамический метод расчета при разработке сварочных процессов // Сварочное производство. 1997. № 11. С. 30 33.

14. Сварочные материалы / Петров Г.Л. — Л.: Машиностроение, 1972. 280 с.

15. Кулишенко Б.А., Табатчиков А.С., Шумяков В.И. Методика расчета состава защитно-легирующих покрытий электродов // Сварочное производство. 1991. №9. С. 14- 16.

16. Туркин П.С. Расчет состава и коэффициента веса легирующих покрытий электродов // Сварочное производство. 1965. № 12. С. 26 28.

17. Бороненков В.Н., Шулепов B.C. Расчет состава сварочных материалов, обеспечивающих заданное содержание элементов в шве при дуговой сварке под флюсом // Математические методы в сварке. Киев: ИЭС им. Патона, 1986. С. 98- 102.

18. Кулишенко Б.А., Расчет защитно-легирующих покрытий сварочных и наплавочных электродов // Сварочное производство. 1977. № 10. С. 32-33.

19. Быков А.Н. Статистическая модель для расчета металлургических реакций при сварке // Сварочное производство. 1975. № 4. С. 1 4.

20. Тарлинский В.Д., Воронина JI.C., Рогова Е.М., Новик Ф.С. Разработка высокопрочных сварочных электродов с применением математического метода // Сварочное производство. 1973. № 3. С. 3 5.

21. Власов А.Ф., Карпенко В.М. Особенности металлургического процесса плавления электродов с экзотермической смесью // Труды всесоюзной конференции по сварочным материалам. Киев: Наукова Думка, 1982. С. 62 — 70.

22. Кравченко С.В. Разработка и промышленное освоение электродных покрытий на основе волластонитовой и ильменит-волластонитовой шихты // Ав-тореф. на соиск. уч. ст. к.т.н. — Барнаул, 2004. 21 с.

23. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. Н.М. Барона — Л.: Химия, 1972. 268 с.

24. Физико-химические свойства окислов. Справочник / Под ред. Г.В. Самсо-нова-М.: Металлургиздат, 1969. 425 с.

25. Антоненок В.И., Пашкеев И.Ю., Подзорков В.Ф. // Физическая химия и электрохимия расплавленных солей и шлаков. Ч. 1 Киев: Наукова Думка, 1969. С. 411 -416.

26. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение, 1974, 768 с.

27. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки / Ерохин А.А. — М.: Машиностроение, 1964. 256 с.

28. Окисление металлов при сварке плавлением / Потапов Н.Н. М.: Машиностроение, 1985.216 с.

29. Электродуговая сварка и наплавка под керамическими флюсами / Багрян-ский К.В. Киев: Техшка, 1976. 184 с.

30. Основы сварки плавлением / Ерохин А.А. М.: Машиностроение, 1973. 448 с.

31. Бурылев Б.П., Кретов А.И. Учет термодинамической активности компонентов шлака для разработки сварочных электродов // Труды всесоюзной конференции по сварочным материалам. Киев, Наукова Думка, 1982. С. 42 -44.

32. Мойсов Л.П., Бурылев Б.П. Исследование физико-химических свойств и состава оксидно-галогенидных систем с целью создания новых сварочных материалов // Адгезия расплавов и пайка материалов. 1994. Вып. 4. С. 85 -88.

33. Мойсов Л.П., Бурылев Б.П. Термодинамическая активность и растворимость углерода в системе Fe Y - С // Металлы. 1998. №2. С. 11 - 13.

34. Мойсов Л. П., Бурылев Б. П. Учет активности компонентов в шлаковых расплавах на основе MnO Si02 // Сварочное производство. 1995. №2. С. 21 -25.

35. Потапов Н.Н., Волобуев Ю.С. Окислительный потенциал окиси алюминия в сварочных флюсах // Автоматическая сварка. 1981. №2. С. 22 26.

36. Потапов Н.Н., Волобуев Ю.С. Особенности окисления металла двуокисью титана // Сварочное производство. 1982. №9. С. 7 — 9.

37. Сорокин Л.П., Сидлин З.А. Переход элементов из электрода в наплавленный металл // Сварочное производство. 1974. № 5. С. 5 6.

38. Основы выбора флюсов при сварке сталей / Потапов Н.Н. М.: Химия, 1979. 256 с.

39. Кушнерев Д.М., Головко В.В., Шпак В.Е., Нога Н.Я. Исследования по разработке керамического флюса для скоростной сварки труб // Труды всесоюзной конференции по сварочным материалам. Киев: Наукова Думка, 1982. С. 70-74.

40. Термодинамика металлургических шлаков / Кожеуров B.JI. М.: Метал-лургиздат, 1955. 164 с.

41. Сварка порошковой проволокой / Походня И.К., Суптель A.M., Шлепаков В.Н. Киев: Наукова Думка, 1979. 216 с.

42. Мяксяшев В.П., Коковкин О.С. Методика защиты плавящегося металла при дуговой сварке плавящимися электродами // Автоматическая сварка. 1983. №8. С. 16- 18.

43. Баженов В.В., Буткевич В.В., Овчинников В.А. Условия газошлаковой защиты плавящегося металла при дуговой сварке покрытыми электродами // Сварочное производство. 1972. № 3. С. 24 27.

44. Современные типы покрытых электродов и их применение для дуговой сварки сталей / Сидлин З.А., Тарлинский В.Д. М.: Машиностроение, 1984. 63 с.

45. Производство сварочных электродов. / Шахпазов Х.С. — М.: Металлургия, 1977. 795 с

46. Рафинирование стали синтетическими шлаками / Воинов С.Г., Шалимов А.Г., Косой Л.Ф. М.: Металлургия, 1970. 460 с.

47. Решение о выдаче патента на полезную модель от 09.09.04 по заявке № 2004123562. Установка для испытания на разрушение электродного покрытия / Крылов А.П., Кусков В.Н., (РФ).

48. Рентгено-флуоресцентный анализ: применение в завод, лаб.: Сб. науч. тр. / Под. ред. X. Эрхардта. М.: Металлургия, 1985. 254 с.

49. Рентгено-флуоресцентный анализ / В.П. Афонин, Н.И. Комяк, В.П. Николаев, Р.И. Плотников. Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1991. 169 с.

50. Опыт разработки электродов для дуговой сварки. Расчетно-экспериментальный метод / Ефимов Л.А., Григорьев Б.Л. Л.: ЛДНТП, 1988. 20 с.

51. Колесов В.Г. Износостойкость наплавочных материалов при работе в абразивной среде // Сварочное производство. 1960. №11. С.6 8.

52. Козлов Р.А., Зубова Г.Е. Механические свойства 12%-ного хромистого наплавленного металла, полученного при автоматической сварке под флюсом // Сварочное производство. 1982. № 3. С. 25 27.

53. Волобуев Ю.С., Потапов Н.Н., Старченко Е.Г., Тарновский А.И. Металлургические свойства флюсов с изменяющимся содержанием кремнезема при сварке нержавеющих сталей типа 08Х19Н10Б // Сварочное производство. 1982. № 1.С. 31-33.

54. Поверхностные явления в сварочных процессах / Пацкевич И.Р., Деев Г.Ф. — М.: Металлургия, 1974. 121 с.

55. Многокомпонентные системы окислов / Бережной А.С. Киев: Наукова Думка, 1970. 542 с.

56. Технологические свойства материалов труб нефтяного сортамента / Макаренко В.Д., Палий Р.В., Гаврилов Е.И. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. 143 с.

57. Поверхностные свойства сварочных флюсов и шлаков / Якобашвили С.Б. — Киев: Техшка, 1970. 280 с.

58. Теория металлургических процессов / Попель С.И., Сотников А.И., Боро-ненков В.Н. -М.: Металлургия, 1986. 463 с.

59. Якобашвили С.Б., Опарин Л.И. Поверхностное натяжение шлаков системы СаО А1203 // Автоматическая сварка. 1965. № 8. С. 24 - 28.

60. Мойсов Л.П., Бурылев Б.П. Исследование поверхностных свойств солеок-сидных расплавов для разработки новых сварочных материалов // Чернаяметаллургия. 1996. № 10. С. 1-4.

61. Бак Т. Действие фтористого кальция на шлаки // Физическая химия сталеварения. 1963. № 5. С. 141 144.

62. Бочорашвили А.И., Якобашвили С.Б. Влияние окислов металлов на поверхностное натяжение известково-глиноземистых шлаков // Сварочное производство. 1968. № 10. С. 6 8.

63. Физическая химия оксидных и оксифторидных расплавов / Леинский Б.М., Манаков Л.И. -М.: Наука, 1977. 190 с.

64. Сварочные шлаки / Подгаецкий В.В. Киев: Наукова Думка, 1964. 75 с.

65. Жидкие металлы и шлаки / Андронов В.Н., Чекин Б.В., Нестеренко С.В. — Киев: Наукова Думка, 1964. 75 с.

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

67. Физико-химические свойства элементов. Справочник. / Под ред. Г.В. Сам-сонова. Киев: Наукова Думка, 1965. 428 с.

68. Термодинамические расчеты равновесия металлургических реакций / Владимиров Л.П. -М.: Металлургия, 1970.286 с.

69. Шоршоров М.Х., Красулин Ю.Л. О природе физико-химических явлений сварных и паяных соединений // Сварочное произвлдство. 1967. № 12. С. 1-4.

70. Термохимия сталеплавильных процессов / Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Ра-макришна В. М.: Металлургия, 1969. 251 с.

71. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. В 2-х т. Т. 2 / Под ред. В.П. Глушко. М.: АН СССР, 1962. 486 с.

72. Взаимодействие расплавленного металла с газом и шлаком / Попель С.И. и др. Свердловск: УПИ им. С.М. Кирова, 1975. 184 с.

73. Физическая химия пирометаллургических процессов / Есин О.А., Гельд П.В. -М.: Металлургия, 1966. 170 с.

74. Сварка в машиностроении. В 4-х т. Т. 1 / Под ред. Н.А. Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978. 501 с.

75. Основы легирования стали / Меськин B.C. — М.: Металлургиздат, 1959. 120 с.

76. Лившиц Л.С., Гринберг Н.А., Вереникина Л.Е., Щербакова B.C., Куркумел-ли Э.Г. О влиянии на свойства износостойких наплавок распределения легирующих элементов между фазами // Автоматическая сварка. 1968. № 12. С. 23 -26.

77. Крылов А.П., Кусков В.Н., Волохов А.П. Легирование наплавленного металла через электродное покрытие в процессе ручной дуговой сварки // Нефть и газ. 2004. № 3. С. 61 65.

78. Крылов А.П., Кусков В.Н., Волохов А.П. Влияние состава электродного покрытия на переход легирующих элементов в наплавленный металл // Каф. сбор., 2004. С. 32 37.