автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологических основ формирования рабочих поверхностей, структуры и свойств электрошлаковых наплавок-отливок инструментальных сталей

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И.И.ПОЛЗУНОВА Кафедра "Оборудование и технология сварочного производства" *

На правах рукописи УДК 621.791.927.93

АРСЕНКИН Валерий Тихонович

Доцент

Разработка технологических основ формирования рабочих поверхностей, структуры и свойств электрошлаковых наплавок-отливок инструментальных сталей

Специальность 05.03.06 "Технология и машины сварочного производства"

Диссертация _ в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул -1998

гееУйдрстзЕнм'

(I

Официальные £

оппоненты - доктор технических наук, профессор

ст. научный сотрудник, кандидат технических наук

С.М. Шанчуров В .Г.Пинаев

Ведущая организация: АОЗТ, научно-производственный центр "КОМПОЗИТ-АНИТИМ"

Защита состоится "¿? февраля 1999 г. в 10-00 час. на заседании диссертационного совета К 064.29.05 Алтайского государственного технического университета имени И.И.Ползунова (АлтГТУ) по адресу: 656099, Россия, г. Барнаул-99, пр-т Ленина, 46, АлтГТУ

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползуяова

Диссертация в виде научного доклада разослана декабря 1998 г.

Ваш отзыв на дисссрта та (1 экз., заве-

ренный гербовой печатью) «указанному

адресу АлтГТУ на имя учено.. >вета.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, до

Фридман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях зарождающихся в России рыночной экономики я малого бизнеса возрастает роль увеличения эффективности машиностроения, одной из основных задач которого является повышение надежности и качества деталей машин и срока службы металлообрабатывающего инструмента. Особо актуальной представляется проблема изготовления штампового и режущего инструмента с использованием энерго- и ресурсосберегающих технологий, среди которых весьма заметную роль выполняют электрошлаковые процессы переплава (ЭШП), наплавки (ЭШН) и отливки (ЭШО) сложно-профильных электрошлаковых заготовок инструмента, по форме и размерам близких к готовому штамповому и мета ляорежу гасму инструменту.

Несмотря на явные технико-экономические преимущества элекг-рошлаковых технологий, разработанных в Институте электросварки им. Е.О.Патона АН Украины и опубликованных в многочисленных фундаментальных работах, монографиях, пособиях и статьях Б.Е.Па-тона, Б.И.Медовара, Г.А.Бойко, Ю.В.Латаша, В.ИМахненко, Д.А.Дуд-ко, В.Л.Шевцова и других, остается малоизученным в теоретическом и практическом аспектах влияние электрошлаковых процессов на формирование сложно-фасонных рабочих поверхностей, макро- и микроструктуру и функциональные свойства и прежде всего износостойкость штампового и металлорежущего инструмента.

Одним из путей решения данной проблемы является разработка технологических основ формирования поверхности, структуры и свойств электрошлаковых наплавок-отливок инструментальных сталей на базе исследований основных характеристик, зависящих от режима электрошлакового процесса, схем подключения электродов и других параметров, таких как; распределение рабочего тока в кристаллизаторе при ЭШП, тепловой баланс в шлаковой ванне, локальная плотность „галлового потока через стенку кристаллизатора, электрическая прово-1 хп ь шлаковой ванны, глубина проплавления при ЭШН, темпе-г1;.гура шлаковой и металлической ванны, толщина шлакового гарни-сажа и др.

Необходимость широкого внедрения электрошлаковых процессов ;; производстве инструмента в условиях малого предпринимательства, ^аоотки соответствующих кристаллизаторов, формирующих фасон-• -'электрошлаковые наплавки и отливки, и мегаллофлюсовых смесей

втоматизации "старта" при получении сложно-профильных элеюг-

рошлаковых заготовок штамнового и металлорежущего инструмента небольших сечений предопределяет актуальность задачи исследования и разработки рациональных режимов ЭШП, ЭШН, ЭШО, обеспечивающих высокое качество и производительность при минимальных энерго- и ресурсозатратах.

Работа выполнена на кафедре "Оборудование и технология сварочного производства" и "Малый бизнес и сварочное производство" Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ) им. И.И.Ползунова в рамках программ, включенных на конкурсной основе: общесоюзная научно-техническая программа ГК СМ СССР по науке и технике 0,72.01 "Новые процессы сварки и сварные конструкции" (1977... 1980 гг.), координационные планы работ по сварке ГКНТ СССР (1981... 1990 гг), ГНТП "Перспективные материалы" (1990, 91 гг.), Республиканская НТП "Перспектива" (1990 г.), Республиканская НТП "Исследование, разработка, освоение и выпуск мелкосерийной и малотоннажной наукоемкой продукции для народного хозяйства РФ" (1992 г.), Республиканская межвузовская НТП "Сварочное производство" (1992... 1994 гг.), Республиканская НТП "Технические университеты России" (1993... 1994 гг.), Региональные НТП "Сибирь" и "Нефть и газ Сибири" (1994...1997 гг.), Единый наряд-заказ Госкомвуза - Министерства общего и профессионального образования РФ (1990... 1997 гг.)'

Цель работы. Разработка технологических основ формирования сложно-фасонной рабочей поверхности, макро- и микроструктуры и функциональных свойств электрошлаковых наплавок-отливок штампо-вого и металлорежущего инструмента.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие научные и прикладные задачи:

- выполнить комплексные исследования электрошлакового процесса наплавки, отливки и переплава для получения заготовок инструмента, имеющего сложно-фасонный профиль рабочей поверхности с требуемыми физико-механическими свойствами;

- исследовать влияние параметров злектрошлакового процесса и схемы подключения электродов на распределение тока в кристаллизаторах при ЭШП, оказывающего влияние на температуру шлаковой и металлической ванны, локальную плотность теплового потока через стенку кристаллизатора и формирование корочки шлакового гарниса-жа и сажевидного налета;

- разработать методику расчета функциональной связи важнейшего параметра ЭШП — электрической проводимости шлаковой ванны

с основными параметрами электрошлакового процесса, необходимой для определения оптимальных режимов ЭШН шгамповых заготовок;

- изучить влияние электрических параметров электрошлакового процесса наплавки и схемы подключения электродов при ЭШН на глубину проплавления заготовок штампового инструмента;

- исследовать влияние схемы электрошлаковой наплавки (ЭШН) на локальную плотность теплового потока через стенку кристаллизатора и тепловой баланс шлаковой ванны;

- разработать методику расчета локальной плотности теплового потока и глубины проплавления при ЭШН;

- установить зависимости температуры шлаковой и металлической ванны и толщины шлакового гарнисажа от электрических и геометрических параметров режима элекгрошлаковой наплавки-отливки, оказывающих существенное влияние на качество формируемой рабочей сложно-профильной поверхности электрошлаковых отливок (ЭШО) заготовок, на макро- и микроструктуру, физико-механические свойства и износостойкость штампового и металлорежущего инструмента.

Методы исследования. Исследования проводили для широкой номенклатуры высоколегированных инструментальных шгамповых и быстрорежущих сталей (Приложение 1), работающих в условиях различного вида изнашивания сложно-профильных рабочих поверхностей гравюр штампового и электрошлаковых отливок металлорежущего инструмента.

Теоретические исследования выполняли с использованием классических методик расчетов тепловых процессов академика Н.Н.Рыка-лина, вычислительной техники, метода анализа размерностей, разработанных методик исследований, трехмерных электролитических моделей.

Экспериментальные исследования выполнены на установках для элекгрошлаковой наплавки и элекгрошлакового переплава типа А-550М Института электросварки им. Е.О.Патона АН Украины, дополнительно оборудованных соответствующей измерительной и регистрирующей аппаратурой и специально сконструированными водо-охдаждаемыми, в том числе трехсекционными и четырехсекционными кристаллизаторами, позволяющими целенаправленно формировать сложно-фасонные рабочие поверхности заготовок электрошлаковых наплавок и электрошлаковых отливок и оказывать влияние на формирование макро - и микроструктуры, физико-механических и стойкостных свойств штампового и режущего инструмента.

Другие методы исследований включали:

- методику расчета функциональной связи важнейшего параметра ЭШП — электрической проводимости шлаковой ванны с электрическими параметрами процесса, необходимой для определения оптимальных режимов электрошлаковой наплавки;

- определение температуры по глубине шлаковой ванны, оказывающей существенное влияние на формирование сложно-профильных. поверхностей электрошлаковых наплавок-отливок, в свою очередь зависящей, в основном, от мощности электрошлакового процесса в функции от напряжения; замеры температуры осуществляли термопарой ВР-5/20 без защитного наконечника;

- исследование электрической проводимости шлаковой ванны выполняли на сконструированной автором установке с помощью разработанной методики для моделирования процесса ЭШН;

- для обеспечения возможности математической обработки результатов исследований величины противления,, выполняемых с использованием четырех вариантов электрической схемы ЭШН сложно-фасонных заготовок штампового инструмента с гравюрой, применяли метод анализа размерностей и безразмерных комплексов подобия в виде критерия Кирпичева (КО, критерия Пекле (Ре), безразмерной величины проплавления (Е = г/Ншв) и др;

- металлографические исследования выполняли с использованием: оптических микроскопов (МИМ-8, "1<Геор1ю1-21", "№ор1юГ.-32"), электронного растрового микроскопа "Те51а ВБ-ЗОО" (ЧССР), электронного микроскопа УЭМВ-100К; фазовый и рентгеноструктурный анализы проводили на установках УРС-55, УРС-60, рентгеновском дифрактометре "ДРОН-1", на микроанализаторе УХА-ЗА японской компании ЕЕОЬ, сканирующем электронном микроскопе "Стереоскан-84" с автоматическим рентгеноспектральным микроанализатором "Линк-860 КХ" (с мини-ЭВМ), а для исследования с помощью метода ядерного гамма-резонанса (ЯГР) - Рудольфа Мессбауэра использовали установку ЯГРС-4 с источником Со57, диффундированным в матрицу Сг, с регистрацией излучения Ре37 (14,4 эВ) с помощью сцингил-ляционного счетчика, с последующей записью информации на анализаторе АИ-409В;

- дюрометрические исследования выполняли по стандартным методикам на приборах ПМТ-3 и ТК-2; кроме того по принятым методикам были выполнены исследования чистоты поверхности сложно-профильных электрошлаковых наплавок-отливок, прочности и ударной вязкости, испытания на износостойкость при сухом трении, стойкост-

ные испытания инструмента из электрошлаковых заготовок при резании и штамповке.

Достоверность выводов. Достоверность и обоснованность выводов научного доклада-диссертации, практических, технологических основ формирования рабочих сложно-профильных рабочих поверхностей, макро- и микроструктуры и свойств электрошлаковых отливок-наплавок инструментальных сталей и полученных результатов обеспечены за счет использования современных приборов, установок, оборудования, методик исследования и анализа для решения задач, поставленных в диссертационной работе и подтверждающихся большим объемом экспериментальных и расчитанных на ЭВМ данных и многолетним опытом успешного применения выполненных разработок в промышленности при производстве и изготовлении штампового и металлорежущего инструмента.

Научная новизна. В работе развиты представления о закономерностях влияния соотношения эквивалентных сопротивлений при ЭШП, схемы подключения электродов (бифилярная и монофилярная -обычная), полярности рабочего тока, условий выпрямления тока в области стенки кристаллизатора, изолированного и неизолированного от поддона, на тркораспределение и характер изменения отдельных составляющих рабочего - "сварочного" тока, оказывающих влияние на температурные поля и тепловой баланс шлаковой и металлической ванн [1,2,5,7,11], которые во многом предопределяют качество металла сложно-фасонных (сложно-рельефных) электрошлаковых заготовок штампового [27,29,42] и металлообрабатывающего инструмента [3,4, 6,8] и технико-экономические показатели процесса электрошлакового переплава, электрошлаковой наплавки и электрошлаковой отливки.

Разработаны конструкция модели и методика моделирования электрической проводимости шлаковой ванны - важнейшего параметра электрошлакового процесса, позволяющего функционально связывать электрические параметры (рабочий - "сварочный" ток - 1р, напряжение на шлаковой ванне - ишв, мощность - Р-ЛУ) с геометрией шлаковой ванны и расходуемого электрода и перейти от экспериментального определения оптимальных режимов ЭШН к расчетному [10].

Впервые, с использованием центрального композиционного ортогонального планирования второго порядка, применительно к ЭШН штампов прямоугольного сечения по бифилярной и монофилярной (обычной) схемам получены интерполяционные уравнения регрессии, связывающие геометрические размеры шлаковой ванны с ее электропроводимостью. Установлено, что при одинаковой геометрии наплавки

проводимость шлаковой ванны в случае использования бифилярной схемы в 1,8...2,1 раза ниже, чем при обычной схеме наплавки, так как при бифилярной схеме ток протекает преимущественно на боковые поверхности шлаковой ванны и только незначительная его часть (9... 11% в пределах выбранных интервалов варьирования) - через металлическую ванну, тогда как при обычной схеме эта доля составляет более 50% [10].

Применение бифилярной схемы по сравнению с монофилярной -обычной, при ЭШН на одинаковых режимах способствует повышению скорости наплавки (VH). Математическая обработка результатов экспериментов показала, что скорость наплавки в критериальной форме [1] хорошо аппроксимируется линейной функцией критерия Пекле Ре= VHPH/a от критерия Кирпичева Ki^W/H^lT^^ W/PsXTmM: для бифилярной схемы Рс = 12,5íQ - 33,0; для монофилярной схемы Ре = 3,2К, - 3,0.

где W.....мощность, вводимая в шлаковую ванну, НШЕ-гдубина шлаковой

ванны, а, X, Т^-температуропроводность, теплопроводность и температура плавления металла, Рн-периметр зеркала шлаковой ванны.

По результатам математического моделирования установлены зависимости температуры шлаковой ванны (Тшл) от скорости подачи электрода (V3) для различных условий ЭШН и произведена ранжировка исходных данных по влиянию основных параметров на Тшл. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что температура шлаковой ванны на 150...200 °С превышает значения, полученные другими исследователями. Это объясняется повышенной удельной мощностью, выделяемой в шлаковой ванне - (Руд = 3,0...47,5:104 кВа/м3) при ЭШН инструментальных сталей в кристаллизаторах небольших поперечных сечений Fx= 1,9610~3...9,5010~3 м" [2].

В результате обобщения, с помощью ЭВМ, данных по ЭШН в кристаллизаторы Fk= 1,96 10"3...9,50Ю"3 м2 получено выражение для расчета толщины шлакового гарнисажа (5Г) [5]:

5Г = 9,76 • 10ч (-1,2 -10~' ij;26)(—8,02 • 10~4 U¿13) х

х (7,16Нщ®78 )(-4,47F¡°'0012 )(2420F30'983), величину которой необходимо учитывать при выборе оптимальных параметров режима электрошлаковой наплавки рабочей поверхности штампового биметаллического и металлорежущего инструмента со сложно-профильной гравюрой, близкой по форме и размерам к готовым штампам, зенкерам, фрезам и др., обеспечивающих повышение стойкости такого инструмента в среднем в 1.5...2,5 раза [31,38].

Экспериментальные исследования показали, что безразмерная величина проплавления Е=г/Ншв (где г-реальная величина про-плавления) является линейной функцией критерия Кирпичева - [1], для расчета которой могут быть использованы полученные уравнения: для бифилярной схемы

Е = 0,01К1-0,31 и для обычной (монофилярной) схемы

Е = 0,05К£ - 1,77 .

При этом величина проплавления пластинчатым электродом при ЭШН конкретного изделия (например, штампового инструмента) является функцией вводимой мощности и глубины шлаковой ванны -Ншв [12].'

Разработана методика расчета глубины проплавления (г) при ЭШН штампов по бифилярной и монофилярной (обычной) схемам, позволяющая установить, что проплавление при ЭШН определяется плотностью теплового потока шлаковой ванны (ф в основной металл штампового кубика, рассчитываемой по тепловому балансу шлаковой ванны, а также глубиной шлаковой ванны (Ншв) и скоростью наплавки (Ун). Установлено, что плотность теплового потока через стенку кристаллизатора (дкр) по высоте шлаковой ванны неравномерная: наибольшее ее значение (до 4