автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологии наплавки износостойких сплавов при изготовлении биметаллических изделий

003056786

На правах рукописи

Неверов Виктор Валентинович

У /

Разработка технологии наплавки износостойких сплавов при изготовлении биметаллических изделий

Специальность: 05.03.06 - Технологии и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003056786

Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете на кафедре сварки

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Карих Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лозован Александр Александрович

кандидат технических наук, доцент Сарычев Иван Сергеевич

Ведущая организация:

ОАО «Липецкий трактор» г. Липецк

Защита состоится 26 апреля в 14— часов на заседании диссертационного совета Д212.110.05 при «МАТИ»-Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д.З, ауд. 523А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ»-Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан « марта_2007 г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Износостойкие сплавы в последнее время применяются не только как материалы для упрочнения рабочих поверхностей деталей, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации, но и как составной элемент при изготовлении биметаллических изделий. Биметаллы, рабочая часть которых изготовлена из материалов в высокими эксплуатационными характеристиками, имеют преимущество по сравнению с цельными деталями по сроку эксплуатации и расходу дорогостоящих материалов.

Например, при производстве стального проката важное значение имеют агрегаты подготовки полосы, а именно кромкообрезные ножницы, в основе которых используются кромкообрезные и кромкокрошительные ножи, изготавливаемые в настоящее время цельными из инструментальных сталей 5ХВ2С, 6ХВ2С, ХВГ и других. В процессе эксплуатации используется всего 7... 10 % от массы ножа, остальная часть идет в передел, что нерационально. Стойкость ножей из указанных сталей в условиях резания металла также невысока и составляет в среднем 2...3 рабочие смены в зависимости от свойств обрабатываемого материала. Увеличение срока эксплуатации ножей позволяет сократить затраты и время на обслуживание и ремонт прокатного стана и значительно снизить себестоимость произведенного стального проката.

Одним из наиболее технологичных способов получения биметаллических изделий является электродуговая наплавка сплавов с требуемым комплексом механических свойств на основу из конструкционных сталей. На настоящий момент существует группа перспективных наплавочных материалов, по составу и свойствам близких к быстрорежущим сталям и разработанных для изготовления биметаллического металлорежущего инструмента с малыми размерами рабочей части (фрез, метчиков, резцов и других). Но основным затруднением более широкого применения данной группы сплавов является склонность к образованию трещин при наплавке изделий с большими объемами наплавленного металла.

В связи с вышеизложенным, разработка технологий наплавки износостойких сплавов при изготовлении биметаллов, позволяющих предупредить появление трещин в наплавленном металле и увеличить срок эксплуатации наплавляемых изделий, является актуальной задачей.

Цель работы - разработка научно обоснованной технологии наплавки материалов с отсутствием дефектов в износостойком наплавленном слое для изготовления биметаллов с наплавленной рабочей частью.

Достижение поставленной цели предполагало решение следующих задач:

1. Проанализировать существующие.способы изготовления биметаллического металлообрабатывающего инструмента и способы предупреждения образования трещин при наплавке износостойких материалов;

2. Разработать методики исследований механических свойств, износостойкости и склонности к образованию трещин наплавляемых материалов, позволяющих в комплексе выбрать сплав для наплавки определенного вида изделий;

3. Провести испытания и определить физико-механические и эксплуатационные свойства наплавочных материалов для изготовления биметаллических изделий, работающих в условиях абразивного изнашивания и резания металла;

4. Определить режимы термической обработки после наплавки исследуемых материалов на основании результатов испытания свойств по разработанным методикам;

5. Разработать расчетную методику определения длины участка валика наплавленного металла, позволяющую избежать появления трещин, в том числе с использованием предварительного подогрева и определить влияние деформации изделия в процессе наплавки и охлаждения на величину внутренних напряжений в нем;

6. Разработать технологии изготовления и последующего восстановления кромкокрошительных и кромкообрезных ножей, используемых при производстве стального проката, способом наплавки короткими участками их режущей кромки и рабочей поверхности футеровочных плит износостойкими сплавами со схемами наложения валиков, позволяющие увеличить срок эксплуатации наплавляемых изделий. Провести их производственные испытания.

Методы испытаний.

Для анализа эксплуатационных свойств исследуемых наплавочных материалов проводились испытания на ударную вязкость, склонность к образованию трещин и износостойкость в условиях трения по абразиву. Проводились замеры твердости, в том числе при повышенных температурах, и металлографические исследования. Использовались как стандартные методики (замеры твердости и металлографические исследования), так и специально разработанные (определение ударной вязкости наплавленного металла). Разработаны установки для проведения исследований износостойкости и трещиностойкости наплавленных образцов.

Научная новизна.

Установлено, что ударная вязкость, износостойкость и склонность к образованию трещин являются основными характеристиками, позволяющими определить состав наплавочного материала для данного вида изделий. Впервые разработан специальный образец для определения ударной вязкости наплавленного металла, учитывающий его реальное состояние в процессе эксплуатации, а также предоставляющий возможность исследования ударной вязкости металла зон сплавления и термического влияния. Получены зависимости изменения указанных величин от температуры отпуска и количества наплавленных слоев.

Доказано, что деформация изделия в процессе наплавки не ведет к значительному уменьшению внутренних напряжений в наплавленном металле. Следовательно, использование различных ограничений деформации (кондукторов, зажимов и других) не сказывается на процессе образования трещин.

Установлено, что основными факторами, влияющими на величину внутренних напряжений в наплавленном металле, являются его механические и теп-лофизические свойства (пластичность, прочность, коэффициент линейного расширения). Расчетами доказано, что предварительный подогрев положительно влияет на длину участка валика наплавленного металла при использовании технологии наплавки износостойких сплавов короткими участками в результате изменения указанных свойств наплавленного металла (увеличения пластичности).

Обосновано экспериментально и подтверждено результатами производственных испытаний, что технологический прием наплавки износостойких сплавов короткими участками является эффективным способом предупреждения образования трещин при наплавке, возникающих в результате действия внутренних напряжений. Впервые разработана расчетная методика определения допускаемой длины этих участков, позволяющая применять ее с учетом температуры предварительного подогрева при наплавке материалов различного химического состава.

Практическая значимость.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований явились основой для разработки нового технологического процесса изготовления биметаллического металлообрабатывающего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит, включающего схему наплавки короткими участками расчетной длины и разработку соответствующего комплекса приспособлений.

Определен сплав 90Х4М4ВФ для наплавки режущей кромки металлообрабатывающего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит, удовлетворяющий по механическим свойствам, износостойкости и склонности к образованию трещин условиям эксплуатации наплавляемых изделий.

Полученные уравнения регрессии изменения свойств сплавов 90Х4М4ВФ, 10К18В11М10ХЗСФ и 110Х5М8В2ТЮ от температуры отпуска используются при определении оптимальных режимов термообработки указанных материалов для требуемых условий эксплуатации.

Разработаны методики и образцы для определения износостойкости, склонности к образованию трещин и определения ударной вязкости наплавленного металла.

Разработанная технология наплавки была использована при изготовлении опытной партии биметаллических кромкокрошительных и кромкообрезных ножей с наплавленной сплавом 90Х4М4ВФ режущей кромкой, используемых при производстве стального проката в ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Проведение производственных испытаний показало, что срок их эксплуатации в 1,8...2,1 раза превышает срок эксплуатации цельных ножей из стали 5ХВ2С, применяемых в настоящее время. В приложении к диссертации имеется акт о проведении производственных испытаний.

Достоверность основных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается применением апробированных методов испытаний и исследований, адекватностью полученных расчетных значений и экспериментальных данных, системным характером экспериментальных исследований с применением методов статистической обработки, а также практическим применением полученных результатов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях с международным участием: «Славяновские чтения. «Сварка и контроль - 1999» (Липецк, 1999); «Сварка и контроль- 2001» (Воронеж, 2001); «Славяновские чтения. «Сварка и контроль

- 2004» (Липецк, 2004); «Сварка и контроль - 2004» (Пермь, 2004); V Всероссийской научно-практической конференции (Пенза, 2002); X юбилейной Российской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 40-летию образования КГТУ (Курск, 2003); научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.А. Николаева (МГТУ имени Н.Э. Баумана, Москва, 2003); IX, X и XII областных научно-технических конференциях «Повышение эффективности металлургического производства» (Липецк, 2001-2004).

Положения, выносимые на защиту:

- обоснование выбора наплавочных материалов для изготовления и восстановления биметаллических изделий на основе результатов проведенных металлографических исследований, испытаний механических свойств (в том числе - образец для определения ударной вязкости), износостойкости и склонности наплавленного металла к образованию трещин при наплавке;

- расчетная методика определения длины валика наплавленного металла, свободного от трещин, в том числе с применением предварительного подогрева при использовании технологии наплавки износостойких сплавов короткими участками;

- разработанные технологические схемы наплавки режущей кромки металлорежущего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит короткими участками;

- технология изготовления и восстановления металлообрабатывающего инструмента способом наплавки режущей кромки износостойким сплавом на основу из конструкционной стали;

- технология наплавки рабочей поверхности футеровочных плит распределительного лотка засыпного аппарата доменных печей.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 28 печатных работах, получен 1 патент РФ и 1 решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, приложений. Текст диссертации изложен на 165 страницах, содержит 74 рисунка, 13 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и представлено ее краткое описание.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса и сформулированы задачи исследований. Рассмотрены существующие способы наплавки, методы изготовления и восстановления металлорежущего инструмента и рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования. На основе анализа литературных данных показано, что в настоящее время на территории России и за рубежом существуют различные наплавочные материалы с практически любым необходи-

мым комплексом механических свойств. Рассмотрены основные схемы легирования износостойких материалов.

Установлено, что наиболее перспективными с точки зрения экономической и технологической целесообразности для изделий, испытывающих в процессе эксплуатации ударные нагрузки и работающих в условиях абразивного изнашивания, являются сплавы на основе экономнолегированных быстрорежущих сталей. А именно, сплавы системы Ре-С^-У-Мо. Причем существует тенденция замены вольфрама молибденом и ванадием с целью уменьшения стоимости наплавочных материалов. Эти элементы являются как карбидообразующими, увеличивающими сопротивление материала внедрению в него абразивных частиц, так и элементами, влияющими на механические свойства матрицы (увеличивают ее твердость, а также стабилизируют размер зерна, не допуская его увеличения при различных скоростях охлаждения). В результате твердость таких материалов составляет 45-65 ЖС.

Рассмотрены достоинства и недостатки различных способов наплавки. Так использование механизированных способов (автоматическая и полуавтоматическая наплавка под флюсом и в среде защитных газов) ведет к увеличению производительности технологического процесса. Однако в этом случае, вследствие более высоких плотностей тока, увеличивается доля участия основного металла в наплавленном. В результате наиболее приемлемо использовать механизированные способы в случае наплавки больших поверхностей с незначительным отличием по химическому составу основного и наплавленного металлов (как правило, это восстановительная наплавка углеродистых и низколегированных сталей).

Процесс ручной дуговой наплавки, хотя и более требователен к уровню квалификации сварщика, но отличается от механизированных способов своей мобильностью, большим разнообразием наплавочных материалов и сравнительно небольшим перемешиванием наплавленного металла с металлом основы. Это определяет его использование при изготовлении биметаллических изделий небольшого размера (например, металлорежущего инструмента). Приведены различные приемы ручной дуговой наплавки, например использование зигзагообразных и возвратно-поступательных движений электрода, позволяющие улучшить эксплуатационные характеристики наплавленного металла. Тем не менее, эффективных технологических приемов, позволяющих гарантированно предупредить процессы трещинообразования в наплавленном металле, не предложено.

На основании проведенного анализа сформулирована цель работы и задачи исследований.

Во второй главе разработаны методики испытаний износостойкости, ударной вязкости и склонности к образованию трещин исследуемых материалов. Приведены описания и конструкции используемых установок и приспособлений. Разработана расчетная методика определения допускаемой длины участка наплавленного металла для предупреждения образования трещин в наплавленном слое.

При определении ударной вязкости наплавленного металла возникают проблемы, связанные с изготовлением образцов. Вырезание их из слоя наплавленного металла не позволяет получить объективные значения исследуемой характеристики механических свойств ввиду перемешивания наплавленного металла с метал-

лом основы в первых слоях наплавленного металла. Поэтому в этом случае требуется наплавка в 8 и более слоев, что неэкономично. Также возникают трудности при самой вырезке ввиду высокой твердости износостойких материалов.

Для преодоления указанных затруднений был разработан образец, полученный способом наплавки и сварки исследуемым наплавочным материалом (рис. 1). Достоинством такого образца является однородность наплавленного металла в сечении Ообразного надреза, а также возможность исследования ударной вязкости зоны сплавления и термического влияния. Полученные таким образом образцы обрабатывались шлифовкой до получения требуемых стандартных размеров. В качестве измерительного оборудования использовался маятниковый копер марки )Р 20 модели ИО 5003-03 (ГОСТ 10708-82).

Рис. 1. Схема образца для определения ударной вязкости наплавленного металла.

При определении склонности наплавленного металла к образованию трещин за базовый вариант исследования была выбрана качественная технологическая проба Пеллини, образцы которой в определенной мере способны воспроизвести напряженное состояние поверхностей, наплавленных протяженными швами. Критерием оценки склонности наплавленного металла к образованию трещин было принято соотношение «к» в процентах площади трещин Еф к общей площади изломов по шву рщва (рис. 2):

Рис. 2. Схема (а) и образец (б) определения критерия к, характеризующего склонность наплавленного металла к образованию трещин (5и1еа=а-в).

наплавленный метал."!

МРщ/Рш^ -100%, [%]

(П

Износостойкость металла в условиях абразивного изнашивания определялась по потере массы исследуемого образца в процессе трения его по вращающе-

6

муся контртелу с нанесенным на его поверхность абразивом (алмазной пастой). Испытания проводились на установке ШЛИФ-2, используемой в металлографической практике.

Рассмотрены существующие расчетные методы определения внутренних напряжений и деформаций при сварке и наплавке металлов. На основе изучения этих материалов было сформулировано предположение о наплавке износостойких сплавов короткими участками для локализации в них внутренних напряжений и предотвращению, тем самым, образования трещин. Была разработана методика, позволяющая рассчитать длину участка наплавленного металла, при соблюдении которой в технологическом процессе наплавки вероятность возникновения трещин в нем сводится к минимуму.

В результате изучения и соответствующего изменения для условий наплавки методики определения деформации свариваемых изделий, предложенной Н.О. Окербломом, была определена зависимость длины этого участка Ь от физико-механических свойств наплавляемого материала:

где: М=оен1¥~ момент, создаваемый внутренней усадочной силой;

Рус доп ^^вРн — допускаемая величина усадочной силы исходя из условия неразрушения наплавленного металла (отсутствия трещины);

ат=:Е(аТАсз - 5) - величина внутренних напряжений в наплавленном металле;

\¥-момент сопротивления сечения наплавленного металла, мм3;

<Уе — предел прочности на разрыв наплавленного металла, МПа;

¥н — площадь сечения валика наплавленного металла, мм2;

Е - модуль упругости 1-го рода (модуль Юнга) наплавленного металла, МПа;

а - коэффициент термического расширения, 1/°С,

ТАс3 — температура критической точки Асз, С;

5- относительное удлинение, отн. ед.

По данной зависимости была рассчитана длина участка валика наплавленного металла различного химического состава, приведенная на рис.3.

Одним из распространенных технологических приемов снижения внутренних напряжений в наплавленном металле и как следствие, уменьшения вероятности образования трещин в нем, является использование предварительного либо предварительного и сопутствующего подогрева наплавляемого изделия. В этой связи исследовалось влияние предварительного подогрева на изменение длины участка. Доказано, что с увеличением температуры предварительного подогрева длина этого участка увеличивается, что согласуется с экспериментальными данными, приводимыми в литературе. И показано, что данный эффект достигается за счет изменения физико-механических свойств наплавляемого материала.

Тип наплавленною металла Температура предварительного подогрева, "С. ПЕгз подогрева >200 ОЗОО П400

Рис. 3. Гистограмма изменения расчетной длина валика наплавленного металла различного химического состава при изменении температуры предварительного подогрева.

В ходе разработки данной методики исследовалось влияние деформации наплавляемого изделия на уровень внутренних напряжений в наплавленном металле. Для этого было разработано соответствующее приспособление, позволяющее измерять прогиб наплавляемой детали (пластины) в процессе наплавки и охлаждения. Кинематическая схема данного приспособления представляет собой консольную балку с измерительным прибором (индикаторной головкой) на ее незакрепленном конце. Для определения величины изменения внутренних напряжений в процессе деформации пластины было решено дифференциальное уравнение оси изогнутой балки, выражающей зависимость прогиба балки у координаты ее любой точки V' вида:

с12у М

(3)

Е)

где .1- момент инерции сечения балки.

В результате его численного решения была получена зависимость прогиба балки у от изгибаюшего момента М, создаваемого усадочной силой Рус:

■М

(4)

Г/Л

- =

1 р 1г * ус

ш 6

,FJ

\ ;

где /-длина балки.

В ходе расчетов было доказано, что деформация изделия в процессе наплавки очень слабо влияет на величину уровня внутренних напряжений, и при их расчете величину деформации пластины (собственную деформацию) можно не учитывать. Также показано, что при воздействии на деталь внешней силы деформация изделия является признаком увеличения внутренних напряжений, а деформация изделия под воздействием внутренней силы (какой является усадочная сила) является признаком уменьшения внутренних напряжений.

к

Третья глава посвящена анализу технологических и механических свойств материалов для наплавки режущей кромки металлообрабатывающего инструмента и рабочей поверхности агрегатов шихтоподачи доменных печей. Определены режимы наплавки и построены зависимости изменения свойств материалов от режимов термообработки.

При определении марок материалов для изготовления и последующего восстановления металлообрабатывающего инструмента и наплавке рабочей поверхности футеровочных плит исследовалась твердость и микроструктура сплавов 90Х4М4ВФ, 110Х5М8В2С2ТЮ и 10К18В11М10ХЗСФ. Исследовалось также влияние способов и режимов термообработки, а именно температуры и кратности отпуска на указанные характеристики материалов. Было установлено, что сплавы 90Х4М4ВФ и 110Х5М8В2С2ТЮ можно отнести к износостойким наплавочным материалам с мартенситной матрицей и карбидным упрочнением. После наплавки их микроструктура состоит из высокоуглеродистого легированного мартенсита, аустенита остаточного, карбидов и эвтектики сложного химического состава. Твердость составляет 58...60 и 60...62 НИС для сплавов 90Х4М4ВФ и 110Х5М8В2С2ТЮ соответственно. После проведения высокого отпуска при температуре 550...600 °С в результате частичного распада остаточного аустенита, эвтектики и выпадения мелкодисперсных вторичных карбидов твердость указанных сплавов составляет соответственно 60...62 и 62...64 НЯС (рис. 4, 5).

Микроструктура сплава 10К18В11М10ХЗСФ после наплавки при твердости 42-45 ИКС представляет собой пакетный мартенсит, интерметаллидные соединения на основе кобальта, типа Со7\\^, (Ре,Со)2Мо, (Ре,Со)15Сг2Мою и другие, являющиеся основными упрочняющими частицами, и эвтектика сложного химического состава. После отпуска при температуре 600 °С в результате распада эвтектики и выпадения вторичных мелкодисперсных интерметаллидов указанного ранее состава твердость сплава возрастает до 65.. .67 ЛЯС (рис. 6).

После обработки экспериментальных данных на ЭВМ с использованием программного продукта 81а11з11ка были получены уравнения регрессии, выражающие зависимость твердости указанных сплавов от температуры отпуска:

90Х4М4ВФ:

НЯС= - 240+1,1Т - 0,001Т2, (5)

10К18В11М10ХЗСФ:

ШС= - 678+2,5Т - 0,0021Т2, (6)

110Х5М8В2С2ТЮ:

НЯС= - 287+1,23Т - 0,0011Т2, (7)

где Т - температура отпуска, °С.

Структура зоны сплавления наплавленного металла 90Х4М4ВФ с основой состоит из вытянутых кристаллов (дендритов) переходного химического состава (рис. 7) с постепенным переходом в последующих слоях наплавленного металла к характерной структуре сплава 90Х4М4ВФ (рис. 3), других дефектов структуры в зоне сплавления обнаружено не было.

а)х500 б)х500

Рис. 5, Микроструктура сплава 110Х5М8В2Ф2С2ТЮ сразу после наплавки (а) и после отпуска (б).

а) х500 6} х500

Рис. 6. Микроструктура сплава 10К18В11М1ОХЗСФ сразу после наплавки (а) и после отпуска (б).

Рис. 4. Микроструктура сплава 90Х4М4ВФ

б)х500

сразу после наплавки (а) и после

I

х500

Рис. 7. Зона сплавления сплава 90Х4М4ВФ со сталью От 3.

Исследовалась возможность восстановления к р о мко кро шите л ьн о го ножа из стали 5ХВ2С способом приваривания восстановительной планки из стали СтЗ к его тыльной части как вариант увеличения срока эксплуатации. Однако для получения работоспособного сварного соединения инструментальных сталей необходимо проведение предварительного подогрева до температуры 350.. .400 "С, что приводит к разупрочнению материала ножа. Проведение полного цикла термообработки (отжиг, 860 "С, 6 часов, закалка 860 °С и отпуск 200 "С, 2 часа), позволяющей восстановить работоспособность ножей, приводит к разрушению сварного соединения в процессе закалки ввиду существенного различия коэффициентов линейного расширения у сталей 5ХВ2С и СтЗ.

Кроме того, полностью избежать появления закалочных структур в зоне сплавления не удается даже при использовании предварительного подогрева и часть соединений имела трещины. По этой причине на данном этапе исследований способ восстановления сваркой цельных ножей из стали 5ХВ2С признан нецелесообразным.

Также предположительно определена причина низкой эксплуатационной надежности сплава 1170X17С4Р4, которым в настоящее время наплавляют рабочие поверхности футеровочных плит. Гак структура сплава представляет собой у-твердый раствор на основе никеля, скелетообразную эвтектику сложного химического состава системы Т^ьРе^, а также бориды и карбо-бориды типа Сг7С.1, ВС, ВгС, (Сг, N1)563, (Сг, №)В2 и другие. Форма кар б о-б ори до в (длинные массивные иглы, рис. 8), дает основание предполагать, что данный сплав обладает низкой пластичностью, а наличие в структуре хрупкой с-фазы при содержании железа в указанном сплаве более 4 %, согласно литературным источникам, способствует еще более резкому снижению пластичности указанного сплава.

х500

Рис. 8. Микроструктура сплава Н70Х17С4Р4.

Исследована ударная вязкость рассматриваемых материалов. Разработана оригинальная методика изготовления образцов для определения этой величины у наплавленного металла и металла зоны термического влияния с учетом технологии наплавки. Причем сам процесс изготовления отличается относительной простотой по сравнению со способом вырезки их из наплавленной детали. Исследовалась ударная вязкость указанных материалов как после наплавки, так и после проведения отпуска в температурном интервале 500...625 °С. Сами испытания проводились на стандартном копре марки 1Р-20. Результаты замеров приведены на рис. 9.

Без Однократно Двукратно

термообработки

Температура отпуска. 1С □ И6С0 П625

термообработки

Температура отпуска. □ 575 1600 П625

термообработки

Температура отпуска, С □ 575 1800 □ 625

Рис, 9. Гистограммы изменения ударной вязкости сплавов 90Х4М4ВФ (а), 110Х5М8В2С2ТЮ (б) и 10К18В11М10ХЗСФ (в) в зависимости от температуры и кратности отпуска.

На основе обработки экспериментальных данных были получены уравнения регрессии, выражающие зависимость величины ударной вязкости указанных материалов от температуры отпуска (длительность - 1,5 часа во всех случаях):

90Х4М4ВФ:

КСи= - 32+0,12Т-9,7-10"5Т2, [Дж/см2] (8)

10К18В11М10ХЗСФ:

Ка>0,01Т-1, [Дж/см2] (9)

110Х5М8В2С2ТЮ:

КСи= - 57+0,2Т - 1,610 4Т2, [Дж/см2] (10)

где Т - температура отпуска, "С.

При исследовании склонности наплавленного металла к образованию трещин в случае 3-х слойной наплавки величина критерия к, определяющего склонность наплавленного металла к образованию трещин, составляет соответственно 5,5...12 % для сплава 90Х4М4ВФ; 12...22 % для 110Х5М8В2ТЮ; 6...13 % для 10К18В11М10ХЗСФ и 28...38 % для Н70Х17С4Р4, что говорит о меньшей, по сравнению с остальными, склонности сплава 90Х4М4ВФ к образованию трещин при наплавке.

При исследовании стойкости при истирании по абразиву на установке ШЛИФ-2 в течение 15 минут потери массы образцов испытуемых сплавов сразу после наплавки и после проведения кратного отпуска составили соответственно 0,15 и 0,1 г для сплава 90Х4М4ВФ; 0,1 и 0,07 г для 110Х5М8В2ТЮ; 0,28 и 0,06 г для 1 OKI 8В11М10ХЗСФ и 0,27 и 0,25 г для Н70Х17С4Р4.

По результатам исследований установлено, что наиболее приемлемым сплавом с учетом стоимости для наплавки режущей кромки ножей и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит является сплав 90Х4М4ВФ.

Четвертая глава посвящена разработке технологии изготовления кромкок-рошительных и кромкообрезных ножей с наплавленной режущей кромкой и упрочнения рабочей поверхности футеровочных плит.

Определены виды наплавляемых изделий - кромкообрезных, кромкокроши-тельных ножей, используемых для резки кромки листового проката и ее измельчения, а также узлов и деталей загрузочного устройства фирмы "PAUL WURTH" доменной печи, применяемого в ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Рассмотрены условия эксплуатации наплавляемых изделий.

Кромкообрезные ножи, используемые для обрезки и выравнивания кромки полосы стального проката, работают в условиях абразивного изнашивания. Кром-кокрошительные ножи, используемые для измельчения обрези, испытывают дополнительно и ударные нагрузки. Оба вида ножей в настоящее время чаще всего изготавливают цельными из инструментальной стали типа 5ХВ2С. И после двух-трехкратной переточки до допустимых ремонтных размеров ножи идут в металлолом. В результате до 90 % достаточно дорогостоящей стали не используется. Таким образом обосновывается способ изготовления биметаллического металлорежущего инструмента способом наплавки высокопрочных износостойких сплавов на основу из низкоуглеродистой стали, что помимо экономии дорогостоящих материалов ведет к увеличению срока их эксплуатации.

Рассмотрен принцип работы бесконусного загрузочного устройства доменной печи фирмы "PAUL WURTH". Особо выделен распределительный лоток, подвергающийся наиболее интенсивному абразивному и ударно-абразивному износу в условиях термоциклического воздействия. Его рабочая часть состоит из 16-ти футеровочных плит с наплавленной износостойким сплавом рабочей поверхностью. Наплавленный металл плит работает в условиях истирания перемещающейся массой шихты, испытывает ударные нагрузки в месте ее падения в лоток и, кроме этого, подвергается воздействию повышенных (до 400 °С) температур от восходящих из доменной печи газов.

В качестве наплавочного материала для упрочнения рабочей поверхности футеровочных плит сейчас используют сплав Н70Х17С4Р4. Наплавку производят плазменным способом порошком ПГСР-Н70Х17С4Р4 сплошным валиком. При всех достоинствах этого материала (твердость в пределах 54. ..58 НЛС, достаточно высокая износостойкость в условиях абразивного изнашивания и коррозионная стойкость к действию доменных газов) срок эксплуатации футеровочных плит при плановом режиме работы доменной печи составляет 6 месяцев (срок периодического планово-предупредительного ремонта), что недостаточно. Причина такого раннего выхода из строя футеровочных плит заключается чаще всего в отколах наплавленного металла из-за высокого уровня внутренних напряжений, о чем говорит большое количество трещин в нем, их протяженность и раскрытие. Сами отколы хорошо видны на плитах, снятых с эксплуатации. К тому же сам материал Н70Х17С4Р4 дорог в сравнении со сплавами на железной основе. В результате в качестве меры по увеличению срока службы футеровочных плит и других деталей засыпного аппарата предлагается изменение схемы наплавки с целью уменьшения уровня внутренних напряжений и снижение вероятности образования трещин откола, а также замена наплавочного материала и способа наплавки на менее дорогой, но сходный или превосходящий по эксплуатационной надежности. А именно электродуговую наплавку сплавом 90Х4М4ВФ, сопоставимым по своим свойствам с Н70Х17С4Р4.

Разработан комплекс приспособлений, позволяющий формировать режущую кромку наплавляемого инструмента И избегать перерасхода наплавочного материала. Разработаны приспособления для восстановления (способом наращивания основы) кромкообрезных ножей.

На основе результатов расчетов разработана технологическая схема наплавки ножей (рис, 10, 11) и плит короткими участками, позволяющая получать слой износостойкого наплавленного металла без трещин с использованием предварительного подогрева и без него. Длина участка наплавленного металла составляет 45. .200 мм в зависимости от его физико-механических свойств и температуры предварительного подогрева. При наплавке этих же сплавов сплошным валиком избежать появления трещин не удается.

а) б)

Рис. 10. Схема наплавки (а) и внешний вид (б) кромкокрошительного ножа (цифрами показан порядок наложения валиков, стрелками - направление наплавки).

б)

Рис. 11. Схема наплавки режущей кромки (а) и внешний вид кромкообрез-ного ножа.

Проведены производственные испытания наплавленных изделий. Установлено, что биметаллические кромкокрошительные и кромкообрезные ножи, изготовленные по разработанной технологии, работают в 1.8. ..2,1 раза больше, чем цельные из стали 5ХВ2С при сравнительно равной себестоимости изготовления. Срок эксплуатации футерованных плит также увеличился и уменьшились затраты на наплавочный материал в связи с его заменой.

Общие выпады и результаты пабогы

1. Комплекс проведенных исследований обеспечил возможность разработки технологии наплавки износостойких материалов, позволяющей избежать образования трещин в наплавленном металле. При изготовлении биметаллического металлорежущего инструмента с наплавленной режущей кромкой существует возможность его восстановления без потери эксплуатационных свойств. Количество восстановлений может бьиь неоднократным.

2. Разработаны методики определения механических свойств, износостойкости и склонности к образованию трещин наплавленного металла для обоснования выбора наплавочных материалов применительно к конкретным условиям эксплуатации. Впервые разработан способ изготовления образца для исследования ударной вязкости рабочего слоя наплавленного металла, а также зон сплавления и термического влияния.

3. Определены режимы отпуска после наплавки сплавов 90Х4М4ВФ, 10К18В11М10ХЗСФ и ! 10Х5М8В2С2ТЮ на основании испытаний механических свойств и исследования микроструктуры- Для сплавов 90Х4М4ВФ и 1ЮХ5М8В2С2ГЮ температура отпуска состав'.^ 575 "С, для сплава 10К18В11М10ХЗСФ 600 "С, продолжительность отпуска составляет 2 часа во всех случаях. Ударная вязкость рассмотренных сплавов при указанной температуре отпуска составляет 5,0...5,1 Дж/см при твердости 60. .62 НКС для сплава 90Х4М4ВФ, 4,7 Дж/см2 при твердости 62...64 ИКС для сплава П0Х5М8В2С2ТГО и 5,2 Дж/см1 при твердости 65...67 НКС для сплава 10К18В11М10ХЗСФ.

4. На основании результатов исследований группы сплавов по разработанным методикам для изготовления и восстановления металлообрабатывающего инструмента, а также наплавки рабочей поверхности футеровочных плит определен наплавочный материал 90Х4М4ВФ, удовлетворяющий требуемым при эксплуатации характеристикам.

5. Впервые разработана расчетная методика определения длины участка наплавленного металла, в том числе с использованием предварительного подогрева, для наплавки износостойких материалов короткими участками с целью уменьшения вероятности образования трещин. Определено расчетным путем, что для выбранного сплава 90Х4М4ВФ допускаемая длина валика наплавленного металла составляет 83 мм без использования предварительного подогрева и возрастает до 150 мм при использовании предварительного подогрева до 400 "С.

6. Подтверждено и доказано расчетным путем, что положительное влияние предварительного подогрева на увеличение длины валика наплавленного металла происходит за счет увеличения пластичности металла. Рассчитаны длины участка для наплавочных материалов различного химического состава с применением предварительного подогрева и без него для использования их в технологическом процессе изготовления металлообрабатывающего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит.

7. Впервые разработана и апробирована технология изготовления и восстановления кромкоообрезных и кромкокрошительных ножей, используемых при производстве стального проката, включающая технологическую схему наплавки режущей кромки металлообрабатывающего инструмента и рабочей поверхности футеровочных плит с использованием расчетной методики определения длины участка валика наплавленного металла. Разработан соответствующий комплекс приспособлений.

8. Проведены производственные испытания металлорежущего инструмента, изготовленного по предлагаемой технологии. В результате установлено, что срок эксплуатации таких ножей в 1,8...2,1 раза выше, чем у применяемых в настоящее время ножей из стали 5ХВ2С.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пат. RU 2293629, CI, B23D 31/04, В23К 9/04 Нож для резки листового проката/ В.В. Карих, В.В. Неверов // Заявлено 30.05.2005; опубл. 20.02.2007 бюл. №7.

2. Решение о выдаче патента РФ «Дисковый нож» на заявку № 2005128041.

3. Неверов В.В. Использование технологии наплавки износостойких сплавов короткими участками при упрочнении деталей металлургического оборудования. / В.В. Неверов, В.В. Карих // Сварочное производство- 2005. - №12. -С. 25-27.

4. Неверов В.В., Карих В.В. Твердые сплавы в биметаллическом режущем инструменте для листопрокатного производства // Славяновские чтения. Сварка-XXI век: Сб. научных трудов,- Липецк: ЛЭГИ, 1999. - С. 234-242.

5. Карих В.В., Неверов В.В., Карих М.С. Износостойкий наплавленный металл в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания при многоцикловом тепловом воздействии // Материалы и упрочняющие технологии - 2003: Сб. материалов научн.-техн. конф. - Курск, 2003 - С. 178-181.

6. Неверов В.В., Добрынин В.П., Карих В.В. Методика определения внутренних напряжений в наплавленном износостойком металле // Сварка и контроль - 2004: Сб. докладов научн.-техн. конф. - Пермь, 2004. - С. 68-74.

7. Бурцев А.Б., Карих В.В., Неверов В.В. Исследование процесса трещино-образования в износостойком наплавляемом металле // Повышение эффективности металлургического производства: Тезисы докладов научн.-техн. конф. -Липецк, 2004.-С. 16-17.

8. Карих В.В., Неверов В.В., Соломатин Д.Н. Деформации пластины с вогнутой поверхностью при наплавке на ее поверхность износостойкого металла различного химического состава // Перспективные пути развития сварки и контроля: Сб. научных трудов. - Воронеж, 2001. - С. 51-57.

9. Неверов В.В., Карих В.В., Коробейников С.Н. Способ определения ударной вязкости износостойкого наплавленного металла // Современные технологии в машиностроении: Сб. докладов научно- практической конф. - Пенза, 2002. -С. 68-70.

10. Неверов В.В., Добрынин В.П. Карих В.В. Влияние предварительного подогрева на длину участка валика износостойкого наплавленного металла // Сла-вяновские чтения. Сварка XXI - век: Сб. научных трудов. - Липецк, 2004. -С. 457-461.

11. Неверов В.В., Карих В.В. Теоретическое обоснование схемы наплавки износостойких сплавов короткими участками // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении. Сб. трудов научно- практической конф. - Юрга, 2004. -С. 22-23.

Личный вклад автора.

В приведенных работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит исследование ударной вязкости наплавленного металла [9], разработка приспособления для замера деформации пластины в процессе наплавки [8], разработка технологии наплавки металлорежущего инструмента и рабочей поверхности футеровочных плит короткими участками [10, 11], разработки расчетной методики определения длины участка валика наплавленного металла с использованием предварительного подогрева [9, 12], творческое и непосредственное участие в подготовке и написании статей и подготовке материалов [1- 3, 4, 6].

Подписано в печать 20.03.2007 Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №

Липецкий государственный технический университет 398600 Липецк, ул. Московская, 30

Перечень основных условных обозначений

Введение

ГЛАВА 1.

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований

1.1 Анализ применения биметаллических конструкций с использованием износостойких материалов в металлургической промышленности

1.2 Анализ существующих способов изготовления биметаллического металлообрабатывающего инструмента

1.3. Состав и микроструктура износостойких наплавочных материалов, причины и способы предупреждения образования горячих и холодных трещин

1.4. Формирование микроструктуры и свойств износостойких материалов в процессе наплавки и последующей термической обработки

1.5.Технологические особенности наплавки

1.6. Выводы по главе 1, постановка цели работы и задач исследований

ГЛАВА 2.

2. Методики исследований механических и технологических свойств износостойких покрытий, полученных электродуговой наплавкой

2.1. Разработка методики определения ударной вязкости наплавленного металла

2.2 Методика оценки склонности наплавленного металла к образованию трещин . . . . . . . .51 2.3. Методика определения износостойкости

2.4 Расчетная методика определение максимально допустимой длины наплавленного валика при наплавке износостойких сплавов короткими участками

2.4.1. Напряжения и деформации в наплавленном металле

2.4.2. Определение максимальной допускаемой длины участка валика наплавленного металла, свободного от трещин . . 71 Выводы по главе

ГЛАВА 3.

3. Результаты исследований механических и технологических свойств наплавленного металла

3.1. Анализ твердости и микроструктуры

3.1.1 Определение режимов термической обработки для условий эксплуатации наплавляемых изделий

3.1.2 Исследование зоны сплавления основного металла с наплавленным

3.1.3. Исследование структуры сплава, применяемого для упрочнения рабочей поверхности футеровочных плит и выявление причины его низкой эксплуатационной стойкости

3.1.4. Определение возможности восстановления цельных ножей из стали СтЗ на основании исследования сварного соединения разнородных сталей

3.1.5. Исследование влияния полного цикла термической обработки наплавленного металла

3.2. Анализ результатов исследования ударной вязкости

3.3. Анализ склонности наплавочных материалов к образованию трещин

3.4. Анализ износостойкости. . . . . . . .110 Выводы но главе

ГЛАВА 4.

4. Разработка технологии изготовления и восстановления биметаллического металлообрабатывающего инструмента холодной резки металла и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит . 115 4.1. Агрегаты и ножи обрезки торцевых кромок листового проката

4.2.1. Технология изготовления кромкокрошительного ножа

4.2.2. Технология изготовления и восстановления кромкообрезного ножа

4.2.3. Анализ производственных испытаний металлообрабатывающего инструмента

4.3. Распределительный лоток засыпного аппарата доменной печи

4.4. Технология наплавки рабочей поверхности футеровочных плит . 149 Выводы но главе 4 . . . . . . . .151 Общие выводы и результаты работы . . . . . .152 Список литературы.

Перечень основных условных обозначений

Y0 - доля примеси основного металла в наплавленном;

1СВ - сварочный ток, А; ид- напряжение на дуге, В;

Ул - скорость перемещения дуги, м/ч; d3- диаметр электрода, мм; а„ - коэффициент наплавки, г/Лч; m - масса, г; к - критерий определения склонности наплавленного металла к образованию трещин; а- напряжения, МПа; в - относительная деформация, %; а - коэффициент линейного расширения, 1/°С;

Т- температура, °С;

Е- модуль уиругости 1-го рода (модуль Юнга), МПа;

М- изгибающий момент, П-мм;

Р- сила, Н;

L - длина, мм; b - ширина, мм;

И- высота, мм;

F- площадь, мм2;

8 - относительное удлинение, %;

S- статический момент сечения, мм ;

J - момент инерции сечения, мм4;

Акгуальность работы. Износостойкие сплавы в последнее время применяются не только как материалы для упрочнения рабочих поверхностей деталей, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации, но и как составной элемент при изготовлении биметаллических изделий. Биметаллы, рабочая часть которых изготовлена из материалов в высокими эксплуатационными характеристиками, имеют преимущество по сравнению с цельными деталями по сроку эксплуатации и расходу дорогостоящих материалов.

Например, при производстве стального проката важное значение имеют агрегаты подготовки полосы, а именно кромкообрезные ножницы, в основе которых используются кромкообрезные и кромкокрошительные ножи, которые в настоящее время изготавливают цельными из инструментальных сталей 5ХВ2С, 6ХВ2С, ХВГ и других. В процессе эксплуатации используется всего 7.10% от массы ножа, остальная часть идет в передел, что нерационально. Стойкость ножей из указанных сталей в условиях резания металла также невысока и составляет в среднем 2.3 рабочие смены, в зависимости от свойств обрабатываемого материала. Увеличение срока эксплуатации ножей позволяет сократить затраты и время на обслуживание и ремонт прокатного стана, а также значительно снизить себестоимость произведенного стального проката.

Одним из наиболее технологичных способов получения биметаллических изделий является электродуговая наплавка сплавов с требуемым комплексом механических свойств на основу из конструкционных сталей. Па данный момент существует группа перспективных наплавочных материалов, по составу и свойствам близких к быстрорежущим сталям и разработанных для изготовления биметаллического металлорежущего инструмента с малыми размерами рабочей части (фрез, метчиков, резцов и других). Но основным препятствием к более широкому применению данной группы сплавов является склонность к образованию трещин при наплавке изделий с большими объемами наплавленного металла.

В связи с вышеизложенным, разработка технологий наплавки износостойких сплавов при изготовлении биметаллов, позволяющих предупредить появление трещин в наплавленном металле и увеличить срок эксплуатации наплавляемых изделий, является актуальной задачей.

Цель работы: разработка научно обоснованной технологии наплавки материалов с отсутствием дефектов в износостойком наплавленном слое для изготовления биметаллов с наплавленной рабочей частью.

Достижение поставленной дели предполагало решение следующих задач:

1. Проанализировать существующие способы изготовления биметаллического металлообрабатывающего инструмента и способы предупреждения образования трещин при наплавке износостойких материалов;

2. Разработать методики исследований механических свойств, износостойкости и склонности к образованию трещин наплавляемых материалов, позволяющих в комплексе выбрать сплав для наплавки определенного вида изделий;

3. Провести испытания и определить физико-механические и эксплуатационные свойства наплавочных материалов для изготовления биметаллических изделий, работающих в условиях абразивного изнашивания и резания металла;

4. Определить режимы термической обработки после наплавки исследуемых материалов на основании результатов испытания свойств по разработанным методикам;

5. Разработать расчетную методику определения длины участка валика наплавленного металла, позволяющую избежать появления трещин, в том числе с использованием предварительного подогрева и определить влияние деформации изделия в процессе наплавки и охлаждения на величину внутренних напряжений в нем;

6. Разработать технологии изготовления и последующего восстановления кромкокрошительных и кромкообрезных ножей, используемых при производстве стального проката, способом наплавки короткими участками их режущей кромки и рабочей поверхности футеровочпых плит износостойкими сплавами со схемами наложения валиков, позволяющие увеличить срок эксплуатации наплавляемых изделий. Провести их производственные испытания.

Методы испытаний.

Для анализа эксплуатационных свойств исследуемых наплавочных материалов проводились испытания на ударную вязкость, склонность к образованию трещин и износостойкость в условиях трения по абразиву. Проводились замеры твердости, в том числе при повышенных температурах, и метал-лофафические исследования. Использовались как стандартные методики (замеры твердости и металлографические исследования), так и специально разработанные (определение ударной вязкости наплавленного металла). Разработаны установки для проведения исследований износостойкости и тре-щиностойкости наплавленных образцов.

Научная новизна.

Установлено, что ударная вязкость, износостойкость и склонность к образованию трещин являются основными характеристиками, позволяющими определить состав наилавочного материала для данного вида изделий. Впервые разработан специальный образец для определения ударной вязкости наплавленного металла, учитывающий его реальное состояние в процессе эксплуатации, а также предоставляющий возможность исследования ударной вязкости металла зон сплавления и термического влияния. Получены зависимости изменения указанных величин от температуры отпуска и количества наплавленных слоев.

Доказано, что деформация изделия в процессе наплавки не ведет к значительному уменьшению внутренних напряжений в наплавленном металле.

Следовательно, использование различных ограничений деформации (кондукторов, зажимов и других) не сказывается на процессе образования трещин.

Установлено, что основными факторами, влияющими на величину внутренних напряжений в наплавленном металле, являются его механические и теплофизические свойства (пластичность, прочность, коэффициент линейного расширения). Расчетами доказано, что предварительный подофев положительно влияет на длину участка валика наплавленного металла при использовании технологии наплавки износостойких сплавов короткими участками в результате изменения указанных свойств наплавленного металла (увеличения пластичности).

Обосновано экспериментально и подтверждено результатами производственных испытаний, что технологический прием наплавки износостойких сплавов короткими участками является эффективным способом предупреждения образования трещин при наплавке, возникающих в результате действия внутренних напряжений. Впервые разработана расчетная методика определения допускаемой длины этих участков, позволяющая применять ее с учетом температуры предварительного подогрева при наплавке материалов различного химического состава.

Практическая значимость.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований явились основой для разработки нового технологического процесса изготовления биметаллического металлообрабатывающего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит, включающего схему наплавки короткими участками расчетной длины и разработку соответствующего комплекса приспособлений.

Определен сплав 90Х4М4ВФ для наплавки режущей кромки металлообрабатывающего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит, удовлетворяющий по механическим свойствам, износостойкости и склонности к образованию трещин условиям эксплуатации наплавляемых изделий.

Полученные уравнения регрессии изменения свойств сплавов 90Х4М4ВФ, 10К18В11М10ХЗСФ и 110Х5М8В2С2ТЮ от температуры отпуска используются при определении оптимальных режимов термообработки указанных материалов для требуемых условий эксплуатации.

Разработаны методики и образцы для определения износостойкости, склонности к образованию трещин и определения ударной вязкости наплавленного металла.

Разработанная технология наплавки была использована при изготовлении опытной партии биметаллических кромкокрошительных и кромкообрез-ных ножей с наплавленной сплавом 90Х4М4ВФ режущей кромкой, используемых при производстве стального проката в ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Проведение производственных испытаний показало, что срок их эксплуатации в 1,8.2,1 раза превышает срок эксплуатации цельных ножей из стали 5ХВ2С, применяемых в настоящее время. В приложении к диссертации имеется акт о проведении производственных испытаний.

Достоверность основных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается применением апробированных методов испытаний и исследований, адекватностью полученных расчетных значений и экспериментальных данных, системным характером экспериментальных исследований с применением методов статистической обработки, а также практическим применением полученных результатов.

Апробация рабо!ы.

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях с международным участием: «Славяновские чтения. «Сварка и контроль - 1999» (Липецк, 1999); «Сварка и контроль - 2001» (Воронеж, 2001); «Славяновские чтения. «Сварка и контроль - 2004» (Липецк, 2004); «Сварка и контроль -2004» (Пермь, 2004); V Всероссийской научно-практической конференции (Пенза, 2002); X юбилейной Российской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 40-летию образования КГТУ (Курск, 2003); научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.Л. Николаева (МГТУ имени Н.Э. Баумана, Москва, 2003); IX, X и XII областных научно-технических конференциях «Повышение эффективности металлургического производства» (Липецк, 20012004).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 28 печатных работах, получен 1 патент РФ и 1 решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, приложений. Текст диссертации изложен на 165 страницах, содержит 74 рисунка, 13 таблиц и 2 приложения.

Общие выводы и результаты работы

1. Комплекс проведенных исследований обеспечил возможность разработки технологии наплавки износостойких материалов, позволяющей избежать образования трещин в наплавленном металле. При изготовлении биметаллического металлорежущего инструмента с наплавленной режущей кромкой существует возможность его восстановления без потери эксплуатационных свойств. Количество восстановлений может быть неоднократным.

2. Разработаны методики определения механических свойств, износостойкости и склонности к образованию трещин наплавленного металла для обоснования выбора наплавочных материалов применительно к конкретным условиям эксплуатации. Впервые разработан способ изготовления образца для исследования ударной вязкости рабочего слоя наплавленного металла, а также зон сплавления и термического влияния.

3. Определены режимы отпуска после наплавки сплавов 90Х4М4ВФ, 10К18В11М10ХЗСФ и 110Х5М8В2С2ТЮ на основании испытаний механических свойств и исследования микроструктуры. Для сплавов 90Х4М4ВФ и 110Х5М8В2С2ТЮ температура отпуска составляет 575 °С, для сплава 10К18В11М10ХЗСФ 600 °С, продолжительность отпуска составляет 1,5 часа во всех случаях. Ударная вязкость рассмотренных сплавов при указанной темпе

•л ратуре отпуска составляет 5,0.5,1 Дж/см при твердости 60.62 IIRC для

•л сплава 90Х4М4ВФ, 4,7 Д^с/см при твердости 62.64 HRC для сплава 110Х5М8В2С2ТЮ и 5,2 Дж/см2 при твердости 65.67 HRC для сплава 10К18В11М10ХЗСФ.

4. На основании результатов исследований группы сплавов по разработанным методикам для изготовления и восстановления металлообрабатывающего инструмента, а также наплавки рабочей поверхности футеровочных плит определен наплавочный материал 90Х4М4ВФ, удовлетворяющий требуемым при эксплуатации характеристикам.

5. Впервые разработана расчетная методика определения длины участка наплавленного металла, в том числе с использованием предварительного подогрева, для наплавки износостойких материалов короткими участками с целыо уменьшения вероятности образования трещин. Определено расчетным путем, что для выбранного сплава 90Х4М4ВФ допускаемая длина валика наплавленного металла составляет 83 мм без использования предварительного подогрева и возрастает до 150 мм при использовании предварительного подогрева до 400

6. Подтверждено и доказано расчетным путем, что положительное влияние предварительного подогрева на увеличение длины валика наплавленного Meiajuia происходит за счет увеличения пластичности металла. Рассчитаны длины участка для наилавочных материалов различною химическою состава с применением предварительного подогрева и без него для использования их в технологическом процессе изготовления металлообрабатывающего инструмента и наплавки рабочей поверхности футеровочных плит.

7. Впервые разработана и апробирована технология изготовления и восстановления кромкоообрезных и кромкокрошительных ножей, используемых при производстве стального проката, включающая технологическую схему наплавки режущей кромки металлообрабатывающего инструмента и рабочей поверхности футеровочных плит с использованием расчетной методики определения длины участка валика наплавленного металла. Разработан соответствующий комплекс приспособлений.

8. Проведены производственные испытания металлорежущего инструмента, изютовлепного но предлагаемой технологии. В результате установлено, что срок эксплуатации таких ножей в 1,8.2,1 раза выше, чем у применяемых в настоящее время ножей из стали 5ХВ2С.

1. КМолодык, Н.В. Восстановление деталей машин. / Н.В. Молодык, А.С. Зенкин. Справочник.-М.: Машиностроение, 1989.-480 с.

2. Елагина, О.Ю. Структурная диаграмма высокоуглеродистых наплавленных слоев. / О.Ю. Елагина, J1.C. Лившиц, М.А. Мальцева / Сварочное производство. 1996. - №5. - С. 9-11.

3. Лившиц, Л.С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей) / Л.С. Лившиц М.: Машиностроение, 1979.- 253 с.

4. Лившиц, Л.С. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений / Л.С. Лившиц, А.Н. Хакимов М.: Машиностроение, 1989. 236 с.

5. Голованенко, С.А. Термическая обрабогка износостойких и инструментальных биметаллов. / С.А. Голованенко (Ц11ИИЧЕРМЕТ) // Металловедение и термическая обработка металлов 1972-№ 1- С. 42 -47.

6. Исследование структуры и физико-механических свойств наплавленною покрытия на основе порошка быстрорежущей стали Р6М5. / Ю.Н. Сараев и др. //Сварочное производство 1994.-№ 1.-С. 9-12.

7. Клименко, Ю.В. / Электроконтактная наплавка быстрорежущей стали Р18 и Р6М5 на сталь 45. Ю.В. Клименко, Р.А. Лытков // Сварочное производство 1979-№6. - С. 36 -37

8. Клименко, Ю.В. Электроконтактная наплавка /Ю.В. Клименко -М: Машиностроение,- 1978 154с.

9. Высокопроизводительный способ наплавки режущего инструмента в вакууме жидким присадочным металлом. И.К. Захаров и др. // Сварочное производство 1980 - №2 - С. 20-21.

10. Горпешок, Б.Н. / Изготовление наплавленного дискового инструмента / Н.Н. Горпенюк, С.Г. Степаненко, А.Ю. Пригода // Сварочное производство.- 1991.-№6. -С. 32 -33.

11. Прецизионная плазменно-порошковая наплавка быстрорежущей стали, Н.А. Соснин и др.//Сварочное производство 1988-№9 -С. 8-9.

12. Зубков, Н.С. / Твердость наплавленных рабочих валков холодной прокатки, Н.С. Зубков, В.А. Терентьев, Н.С. Федоров // Автоматическая сварка.- 1978.- №11.- С. 56-61.

13. Гольдштейн, М.И. Специальные стали / М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер М.: Металлургия, 1985 - 408 с.

14. Хорн, Ф. Атлас структур сварных соединений / Ф. Хорн М.: Металлургия,- 1977 - 288 с.

15. Харитонов, Л.Г. Определение микротвердосги / Л.Г. Харитонов -М.: Металлургия,- 1967.-45 с.

16. Лившиц, Л.С. / Оптимизация состава наплавленного металла и параметров технологии износостойкой наплавки. Л.С. Лившиц, О.Ю. Елагина// Сварочное производство 1992-№8 - С. 19 -20.

17. Современные загрузочные устройства доменных печей / В.А. Авдеев и др. -М.: Металлургия, 1994.-224 с.

18. Акулов, А.И. Технология и оборудование сварки плавлением /

19. A.И. Акулов, Г.А. Бельчук, В.Г1. Демянцевич М.: Машиностроение, 1989.-482 с.

20. Сварка разнородных металлов и сплавов / В.Р. Рябов и др. М.: Машиностроение, 1984.-240 с.

21. Готальский, Ю.Н. Сварка разнородных сталей / Ю.Н. Готальский -Киев: Техшка, 1981- 184 с.

22. Лазько, В.Е. Сварка разнородных сталей высокой прочности /

23. B.Е. Лазько, М.Т. Борисов, М.В. Поплавко М.: МДНТП, 1980.- 158 с.

24. Березовский, Б.М Оптимизация формирования слоя металла ири дуговой наплавке / Б.М. Березовский, А.В. Стихии // Сварочное производство.-1990.-№6.-С. 33-35.

25. Miller, Duane К. Cost saving ideas for structural weld dezing / Duane K. Miller // Welding Desing and Fabrication.- July 1999.- P. 25-31.

26. Повышение качества сварных заготовок режущего инструмента /

27. B.И. Егоров и др. //Сварочное производство 1982-№9 -С. 13-16.

28. Наплавка и термическая обработка металлорежущего инарумента /В.П. Добрынин и др. // В кн.: Ремонт и эксплуатция оборудования. Научно-технический реферативный сборник. Серия 15. Выпуск 1. М.: Изд. ВНИИЭСМ, 1986.-С. 15-18.

29. Совершенствование технологии наплавки металлорежущего инструмента / В.В. Карих и др. // Сварочное производство- 1986,- № 111. C. 16-17.

30. Наплавка режущего инструмента электродами ОЗИ-5 / В.П. Добрынин и др. //Сварочное производство 1982.-№ 7-С. 17-19.

31. Kuvin, Brad F. How to Fabrikate Stainless Seels / Brad F. Kuvin // Welding Desing and Fabrication November 1997 - P. 30 -36.

32. Закс, И.А. Сварка разнородных сталей / И.А. Закс,- Л.: Машиностроение, 1973.-208 с.

33. Земзин, В.Н. Сварные соединения разнородных сталей / В.Н. Земзин.-М.: Машиностроение, 1966.-232 с.

34. Гуляев, А.П. Металловедение / A.II. Гуляев.- М.: Металлургия, 1986.-544 с.

35. Лахгин, Ю.М. Ме1алловедение и термическая обработка металлов / Ю.М. Лахтин,- М.: Металлургия, 1976.-246 с.

36. Основы материаловедения / под ред. И.И. Сидорина.- М.: Машиностроение, 1976 188 с.

37. Петров, Г.Л. Теория сварочных процессов / Г.Л. Петров, А.С. Тумарев.- М.: Высшая школа, 1972 472 с.

38. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов / В.Г. Блохин. М.: Радио и связь, 1997 - 232 с.

39. Теория сварочных процессов / под ред. 13.13. Фролова. М: Высшая школа, 1988 - 559 с.

40. Геллер, 10.А. Инструментальные стали / Ю.А Геллер. М.: Металлургия, 1983 - 527 с.

41. Металловедение и термическая обработка: Справочник. / под ред. МЛ. Бернштейна, А.Г. Рахштадта- М.: Мегаллургоиздат, Т-2, 1961747 с.

42. Лившиц, Л.С. Основы легирования наплавленного металла / Л.С. Лившиц, 1I.A. Гринберг, Э.Г. Куркумелли.- М.: Машиностроение, 1969.- 174 с.

43. Пат. RU 2293629, CI, B23D 31/04, В23К 9/04 Нож для резки листового проката/ В.В. Карих, В.В. Неверов. Заявитель и патентообладатель Липецкий государственный технический университет // Заявлено 30.05.2005; опубл. 20.02.2007 бюл. №7.

44. Артингер, И. Инструментальные стали и их термическая обработка/И. Аргингер Пер. с венг., М.: Металлургия, 1982.- 312с.

45. А.с. SU 1618525 А1 СССР, В 23 D 19/06. Дисковые ножницы / В.Г. Антипанов, B.C. Молчанов (СССР).- № 4487462/27; заявл. 28.09.88; опубл. 07.01.91, Бюл. № 1.-2 с.

46. А.с. SU 1691011А1 СССР, В23 К 20/00. Способ изготовления дискового ножа / И.И. Бондяев, П.Н. Смирнов, И.И. Ошевелов (СССР).- № 4729101/27 заявл. 1 1.08.89; опубл. 15.11.91, Бюл. № 42.-3 с.

47. А.с. SU 1779491 А1 СССР, В 23 D 35/00. Нож для холодной резки проката / Г.А. Исаев, A.M. Якушев, В.А. Кудрин (СССР).- № 4744787/27 заявл. 03.10.89; опубл. 07.12.92, Бюл. № 45.- 3 с.

48. А.с. 725828 СССР, В23 D 35/00. Нож для резки листового проката / В.И. Дунаевский, Н.Г. Бойденко, Н.В. Кшистан (СССР).- № 2517356/2527 заявл. 17.08.77; опубл. 05.04.80, Бюл. № 13.- 3 с.

49. А.с. 279303 СССР, В23 D 35/00. Режущий инструмент / В.П. Артюхов и др., (СССР).- № 2872042/25-27 заявл. 21.01.80; опубл. 10.10.81, Бюл. № 37.- 2 с.

50. А.с. 925567 СССР, В23 D 35/00. Режущий инструмент / B.C. Михайлов, Г.Я. Янковский (СССР).- № 2976202/25-27 заявл. 21.08.80; опубл. 07.05.82, Бюл. № 17.- 2 с.

51. А.с. 841814 СССР, В23 D 35/00. Режущий инструмент/B.C. Михайлов, Б.С. Иванов (СССР).- № 2804209/25-27 заявлено 02.08.79; опубл. 30.06.81, Бюл. №45.- 2 с.

52. А.с. 530763 СССР, В23 D 35/00. Режущий инструмент / В.П. Артюхов, П.Г. Некрасов, В.И. Плотников (СССР).- № 2119983/02 заявл. 03.04.75; опубл. 05.10.76, Бюл. № 37.- 2 с.

53. А.с. 279303 СССР, В23 D 35/00. Режущий инструмент / В.П. Артюхов, П.Г. Некрасов, В.И. Плотников (СССР).- № 1306368/25-27 заявл. 20.11.69; опубл. 21.08.70, Бюл. № 26.- 2 с.

54. А.с. SU 1388208 А1 СССР, В23 D 35/00. Нож для резки листового проката / В.П. Багнов, А.А. Туник, Н.И. Найденко В.П. (СССР).-№ 4070699/25-27 заявл. 21.05.86; опубл. 15.04.88, Бюл. № 14.- 3 с.

55. А.с. 385684 СССР, В23 D 35/00. Дисковый составной нож / П.Г. Некрасов, В.И. Плотников (СССР).- № 1484806/25-27 заявл. 15.10.70; опубл. 14.06.73, Бюл. № 26,- 2 с.

56. А.с. 530763 СССР, В23 D 35/00, В 23 D 1/06. Нож для резки проката / Ю.М. Миронов и др. (СССР).- № 2557388/25-27 заявл. 19.12.77; опубл. 15.06.79, Бюл. № 22.- 3 с.

57. А.с. SU 1098690 А СССР, В 23 D 19/04, 35/00. Инструмент для обрезки листового материала / B.C. Блинов, И.И. Ошеверов, JI.H. Смирнов (СССР).- № 3574344/25-27 заявлено 07.04.83; опубл. 23.06.84, Бюл. №23.-4 с.

58. A.c. SU 1 152727 А СССР, В 23 D 19/04, 35/00. Дисковый нож / В.О. Вологдин, В.Г. Попов, А.А. Татаринов (СССР).- № 3656720/25-27 за-явл. 29.07.83; опубл. 30.04.85, Бюл. № 16,- 2 с.

59. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин и др.; под общ. ред. В.Г.Сорокина.-М.: Машиностроение, 1989.-640 с.

60. Абрамов, В.В. Остаточные напряжения и деформации в металлах /

61. B.В. Абрамов-М.: Машгиз, 1963.-355 с.

62. Дарков, А.В. Сопротивление материалов. Учебник для вгузов /

63. A.В. Дарко, Г.С. Шпиро. М.: Высшая школа, 1975.-654 с.

64. Расчетно-экспериментальный метод определения остаточных напряжений с учетом распределения по глубине металла / С.Н. Киселев и др.. Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции «МАТИ -сварка XXI века».- М.- 2003.- С. 54 -58.

65. Тылкин, М.А. Справочник термиста ремонтной службы / М.А. Тылкин М.: Металлургия, 1981.-647 с.

66. Жданов, И.М. Характер взаимодействия активной и реактивной зон остаточных напряжений в пластине с наплавленной кромкой / И.М. Жданов, Е.В. Головенко // Автоматическая сварка.- 1998 № 51. C. 28 -34.

67. Неверов, В.В. Опыт изготовления биметаллического инструмента, используемого при производстве стального проката / В.В. Неверов,

68. B.В. Карих // Сварка в Сибири. 2005. - № 1.- С. 73 -74.

69. Хасуи, О. Наплавка и напыление / О. Хасуи, О. Моригаки. Перевод с японского В.Н. Попова М.: Машиностроение, 1985.-325 с.

70. Прохоров, П. Никол. Технологическая прочность сварных швов в процессе кристаллизации / И. Никол. Прохоров М.: Металлургия, 1979248 с.

71. Талыпов, Г.Б. Сварочные деформации и напряжения / Г.Б. Талыпов -J1.: Машиностроение, 1973 280 с.

72. Проектирование технологи изготовления сварных конструкций /Н.О. Окерблом и др..- Л: Судпромгиз, 1963,—386с.

73. Беляев, Н.М. Сопротивление материалов. Изд. 8-е. / Н.М. Беляев -М.: Гостехиздат, 1953. 856 с.

74. Байкова, И.П. Деформации и напряжения сварных балок при изгибе / И.П. Байкова, Б.В. Гринберг// Сварочное производство- 1975-№5.-С. 1-3.

75. Утин, И.А. Восстановление деталей оборудования и конструкций зданий методом наплавки и сварки // И.А. Утин, Г.И. Шандренко // Сварочное производство 1971.—№ 10-С. 45 -47.

76. А.с. SU 1608026 А1, СССР, В 23 К 9/04. Способ дуговой многослойной наплавки / В.В. Пьянков, Т.Д. Дритова, Ю.К. Мельник (СССР)-№ 44446794/27-27; заявлено 21.06.88; опубл. 23.11.90, бюл. № 43.- 4 с.

77. Теоретическое обоснование схемы наплавки износостойких сплавов короткими участками / В.В. Неверов, В.В. Карих // Сборник трудов II всероссийской научно-практической конференции. Юрга: ТГТУ, 2004. -С. 22-23.

78. Анализ микроструктуры металла, наплавленного элекгродами УОНИ-13/45, ОЗИ-6, ЭН -60М, Т-590 при многослойной наплавке /

79. A.Б. Бурцев, В.В. Карих, В.В. Неверов // Тезисы докладов XII областной научно-технической конференции. Липецк: ЛГТУ-ЛЭГИ, 2003.- С. 28.

80. Неверов, В.В. Влияние режимов термообработки на механические свойства и работоспособность износостойкого наплавленного металла, работающего в условиях ударно-абразивного изнашивания /В.В. Неверов,

81. B.В. Карих, А.В. Татьянин // Тезисы докладов IX областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлуртическо-го производства». Липецк: ЛЭГИ.-2000.-С. 20-21.

82. Неверов, В.В. Влияние предварительного подогрева на длину участка валика износостойкого наплавленного металла / В.В. Неверов, В.П. Добрынин, В.В. Карих // сборник научных трудов «Славяновские чтения. Сварка XXI- век». Липецк: ЛЭГИ, 2004. - С. 457-461.

83. ГОСТ 6996-66 Сварные соединения. Методы определения механических свойств. (СТ СЭВ 6732-89, СТ СЭВ 3521-82, СТ СЭВ 3524-82) М.: Госстандарт, 1991.- 38 с.

84. Карих, В.В. Методика определения деформаций при наплавке / В.В. Карих, В.В. Неверов, Д.Н. Соломатин // Тезисы докладов X областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического производства». Липецк: ЛЭГИ.-2001 С. 33 -34.

85. Деформации пластины с вогнутой поверхностью при наплавке на ее поверхность износостойкого металла различного химического состава /

86. B.В. Карих, В.В. Неверов, Д.Н. Соломатин // Сборник научных трудов «Сварка и кон гроль- 2001». Воронеж: ВГАСУ, 2001.- С. 51 -57.

87. Миронова, Т.П. Исследование деформаций при наплавке рабочих поверхностей деталей / Т.П. Миронова, B.II. Добрынин, В.В. Неверов // сборник научных трудов «Славяновские чтения. Сварка XXI- век». Липецк: ЛЭГИ, 2004. - С. 633-636.

88. Есенберлин Р.Е. Восстановление автомобильных деталей сваркой, наплавкой и пайкой / Р.Е. Есенберлин М.: Транспорт, 1994 - 225 с.

89. Геворкян, В.Г. Основы сварочного дела. Изд. 2-е, перераб. и доп. / В.Г. Геворкян М.: Высшая школа, 1985 - 168 с.

90. Макаров, Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей / Э.Л. Макаров М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.

91. Доценко, Н.И. Восстановление автомобильных деталей сваркой и наплавкой / Н.И. Доценко М.: Транспорт, 1972 352 с.

92. Способ определения ударной вязкости износостойкого наплавленного металла / В.В. Неверов и др. // Современные технологии в машиностроении: Сборник докладов V Всероссийской научно-практической конференции. Пенза: «Знание», 2002,- С. 68 -70.

93. Карих, В.В. Исследование структуры и свойств сварного соединения разнородных сталей / В.В. Карих, E.JI. Торопцева, Неверов В.В. // Физическое металловедение: Сборник научных трудов. Липецк: ЛЭГИ, 2000.-С. 85-88.

94. Недосека, А.Я. Основы расчета сварных конструкций / А.Я. Недо-сека-Киев: Выща шк., 1988.-263 с.

95. Николаев, Г.А. Сварные конструкции / Г.А.Николаев, С.А. Кур-кин, В.А. Винокуров. М.: Высшая школа, 1982-272с.

96. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т. / Ред. кол. : Г.А. Николаев и др.. /Под ред. А.И. Акулова. М.: Машиностроение, 1978. -Т. 2,-462 с.

97. Сварка разнородных сталей при воссшновлении режущего инструмента для листопрокатного производства./ В.В. Неверов, В.В. Карих // Сборник научных трудов «Славяновские чтения. Сварка- XXI век», Липецк: ЛЭГИ, 1999.- С. 168-172.

98. А.с. 1001585 A SU, В 23 К 9/04. Способ сварки и наплавки деталей плавящимся электродом / А.Н. Бабаев (СССР).- № 2495428/25-27; заявл. 02.02.76; опубл. 13.06.77 Бюл. № 22.

99. Неверов, В.В. Твердые сплавы в биметаллическом режущем инструменте для листопрокатного производства./ В.В. Неверов, В.В. Карих II Сборник научных трудов «Славяновские чтения. Сварка- XXI век», Липецк: ЛЭГИ, 1999.- С. 234-242.

100. Серенко, А.Н. Расчет сварных соединений и конструкций / A.II. Серенко и др.. Киев: Вища школа, 1977.-118 с.

101. Шехтер, С.Я. Наплавка металлов / С.Я. Шехгер, A.M. Резницкий М.: Машиностроение, 1982 - 67 с.

102. Тылкин, М.А. Повышение долговечности деталей металлургического оборудования / М.А. Тылкин. М.: Металлургия, 1971 - 586 с.

103. Накатори, М. Исследование способа поверхностного упрочнения, основанного на наплавке сверхтвердых материалов / М. Накат ори // Токио: Мицубиси дзюкоге тихо, 1983 -Т. 18-№4-с. 566 -573.

104. Толстов И.А. Наплавка и комбинированные методы обработки засыпных аппаратов доменных печей / И.А. Толстов, Л.И. Зверев. М.: Металлургия, 1987.-419 с.

105. Авдеев, В.А. Современные за1рузочные устройства доменных печей. / В.А. Авдеев, О.И. Шайнович, Е.И. Исаков. М.: Металлургия, 1994.- 267 с.

106. Неверов В.В. Использование технологии наплавки износостойких сплавов короткими участками при упрочнении деталей металлургическою оборудования. / В.В. Неверов, В.В. Карих // Сварочное производство.-2005,-№ 12.-С. 25 -27.

107. Испытания металлов / Пер. с нем. Лайнер Е.В. и др. Под ред. К.Нитцше. М.: Металлургия, 1967.-452 с.

108. Никифоров, Г.Д. Технология и оборудование сварки плавлением. Учебник для вузов. / Г.Д. Никифоров, Г.В. Бобров, В.М. Никитин. М.: Машиностроение, 1986.-320 с.

109. Шекера, В.М. Расчетно- экспериментальное исследование напряжений при наплавке массивных деталей / В.М. Шекера // Труды Всесоюзного симпозиума по остаточным напряжениям и методам регулирования.-М.: 1982.-С. 395 -402.