Физико-химические основы разработки современных сварочных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Мазуровский, Владимир Львович

• Мазуровский, Владимир Львович
• кандидат химических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат химических наук Мазуровский, Владимир Львович

положения концепции создания современных сварочных материалов р

1.1 Современное состояние н области сотдапия материалов для сварки и наплавки.

1.2 Обоснование необходимости новою подхода. Основные положения рафабап.жаемой коненнип

Выводы глдид 2. создание феноменологической модели i1ерав1 ювес1 юй кристаллита!щи сварочной ванны на ос1юве физико-химического а11ализа протекающих процессов

2.1. 11ро1 полирование химическою состава иаплавленпою металла на основе кинетического анализа процессов втанмодейстиия на границе "металл-шлак"

2.2. Физико-химический апалич процесса неравновесной кристаллизации сварочной ванны и процесса карбидообрачовапия

2.2.1 Ф и' и I к о - х и м и ч с с к и й апалич процесса первичной кристалл и ищи и

2.2.2 Физико-химический aiuuin t процесса вторичной кристаллизации

2.3. Феноменологическая модель процесса неравновесной кристаллизации сварочной шиты и формирования металла шва. Прогнозирование количественного и качественного состава упрочняющих фаз (>

M ы волы

глава 3. прогнозировании фазо-структурного состава матрицы наплавленного металла 7с>

3.1. Разработка новой структурной диаграммы.

11рогнозироваиие фазо-структурпого состава матрицы наплавленного металла

3.2. Математическое описание повои структурной диаграммы матрицы наплавленною металла

3.3. Разработка системы автоматизированного проектирования современных сварочных материалов

Выводы

ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. 11роек1ировапие. изготовление и испытание жеперимепталытй партии наплавочных материалов

4.1.1.

4.1.2.

4.1.3.

4.1.4.

ЗАКЛЮЧЕНИИ список

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-химические основы разработки современных сварочных материалов»

Актуальность темы. Физико-химические процессы, протекающие при сварке плавлением, определяют течение технологического процесса сварки. а следовательно и его результат, то сен, состав, структуру и свойства наплавленного металла. Изучение, анализ и описание 'них процессов должны обеспечить разработку оптимальной технологии сварки и главное - прогрессивных сварочных материалов и. как следствие, получение наплавленного металла с требуемой структурой, составом и свойствами, определяемыми ею служебными характеристиками.

Конечная цель сварочного производства - выпуск экономичных сварных конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим и физическим свойствам тому эксплуатационному назначению и условиям работы, для которых они создаются. Получение необходимых механических и физических свойетв сварных соединений - главная задача, решение которой должны обеспечить технологические процессы сварки и новые сварочные материалы.

Процесс сварки плавлением весьма сложен, что определяется прежде всего образованием сварочной ванны, представляющей собой многокомпонентную, многофазную систему с неравномерным температурным полем и сложными процессами массо- и теплоперепоса. Первую группу явлений составляют физические и химические явления, происходящие при подготовке свариваемого материала к образованию прочных свячен между отдельными частями свариваемой детали. В большинстве случаев это явления, связанные с преобразованием различных видов энергии в тепловую. Металл, будучи нагрет и расплавлен, способен образовывать сварное соединение. Чаще всего при сварке для нагрева металла используют электрическую энергию или энергию, выделяющуюся при горении газов, лучевую энергию, а также их сочетания. Теплота, переданная источниками энергии свариваемому телу, распространяется в нем. подчиняясь чаконам теплопроводности. Г.сли бы металл не изменял своих механических и физических свойств при повышении температуры, го задача и зучения нагрева тел при сварке свелась бы только к определению условий, при которых металл в зоне сварки достигает необходимой температуры. И действительности изучение температурных процессов к металле шва и вблизи него необходимо главным образом но лвум причинам: для количественного описания многочисленных реакции, которые идут между жидким металлом и шлаком или газом. а также при определении условий кристаллизации металла, различных структурных превращений и термодеформациопных процессов в металлах.

Процессы массообмепа на границе металл-шлак и металл-газ определяю! химический состав металла шва. а следовательно, во многом и его механические свойства. Однако формирование свойств сварного шва. а тем более сварного соединения, определяется не только химическим составом металла. Характер кристаллизации шва во многом влияет на его свойства. Свойства околошовной зоны и в определенной мере металла шва существенно зависят от температурного н термомеханического циклов, которые сопровождают процесс сварки |1 -4, 17, 62). Для многих легированных сталей и сплавов эта фаза формирования сварного соединения определяет их механические свойства. При сварке могут создаваться такие скорости нагрева и охлаждения металла вследствие передачи iсила по механизму теплопроводности, которые част невозможно организован» при термической обработке путем поверхностной теплопередачи. Образование сварного соединения сопровождается пластическими деформациями металла и возникновением собственных напряжений, которые также влияют на свойства соединений [ 1,4, 7, 17].

Разработка технологии сварки металлом, новых сварочных материалов и процессов термической обработки сварных соединений должны основываться на ясных научных представлениях о протекании сварочных процессов |1. 2. 5|. Теория призвана дать правильное описание совокупности явлений, которые составляют сущность процесса сварки. Однако, уже более века разработка сварочных п наплавочных материалом осуществляется на основе системы эмпирических знаний и накопленных данных и, в основном, зависит от опыта и квалификации разработчиков. Ile существует эффективного метода, который позволил бы на основе строгих научных положений разрабатывать современные сварочные и наплавочные материалы различного назначения. г)го связано с большим количеством физико-химических и технологических параметров, влияющих па процесс формирования состава, структуры и свойств наплавленною металла. Для описания процессов и явлений, протекающих при различных милах сварки плавлением на нсех се этапах, необходимо привлечение широкого круга фундаментальных и прикладных паук. На современном -папе не представляется возможным создать математическое (формализованное) описание всего комплекса процессов, протекающих при сварке плавлением, и па его основе - систему проектирования сварочно-паплавочных материалов. Такое положение привело к перенасыщению мировою рынка однотипными сварочными материалами с одной стороны, а с другой - к сложности, а иногда и невозможности выбора необходимого материала ;и1Я получения сварного «ива или специализированных слоев с необходимыми служебными свойствами. Н мире участились случаи разрушении сварных металлоконструкции и наплавленных специальных покрытии, работающих в условиях сложного пространственною пагружеиия. воздействия агрессивных сред и высоких температур. Особенно -ж» характерно для металлоконструкций из суперсовременных материалов. Следовательно, создание концепции разработки современных сварочных п наплавочных материалов и методологии их проектировании па основе комплексною физико-химического анализа протекающих при сварке плавлением процессов взаимодейстия жидкого металла и шлака, различных структурных прекращении и термодеформациоппых процессов на этапах первичной и вторичной кристаллизации металла шва является актуальным.

Цель настоящей работы заключается в создании покои концепции разработки современных материалов для сварки и наплавки и методологии их проектирования на основе физико-химического анализа протекающих процессов и в частности процесса неравновесной кристаллизации металла шва.

Научная новизна диссертационной работ ы заключается в следующем: на основе физико-химического анализа предложена новая концепция карбидообразования в наплавленном металле в процессе сю неравновесной кристаллизации. И нелепо понятие карбидообразующей способное!и И-члемепгов и па его основе дан ряд карбидообразоваиия; впервые разработана феноменологическая модель неравновесной кристаллизации многокомпонентного металлического расплава сварочной панны, учитывающая использование част легирующих <1-)лемспгов па карбидообразовапие; предложена новая структурная диаграмма матрицы наплавленного металла широкою диапазона легироиания, позволяющая качественно и количественно оценивать не только наличие Й-феррита. марзенента и аустепита. по и продуктов расшит аустснита на лапах первичной и вторичной кристаллизации металлического расплава сварочной ванны.

Научили н практическая значимость диссертационной работы заключаемся в следующем:

Разработанная концепция карбидообразоваиия и поияше карбидообразующая способиосзь иолемептов могут быть использованы ;1ля рачрабозки концепции образований боридов и нитридов 11-)лемензов п быстрокриеталлизующихся многокомпонентных металлических расплавах;

• Природа физико-химических процессов, прозекающпх при кристаллизации малогабаритных стальных отливок, аналогична природе процессов, прозекающпх при неравновесной кристаллизации металлического расплава сварочной панны. Всвязи с чем предложенная феноменологическая модель неравновесной кристаллизации многокомпонентного металлического расплава сварочной ванны может быть применена для прогнозирования состава, структры и свойств металла при кристаллизации малогабаризпых стальных отливок широкого диапазона легирования;

• Комплексное применение методов прогнозирования карбидообразоваиия и расчета структуры матрицы (твердого раствора) наплавленного металла в соединении с математическим моделированием технологического процесса сварки позволило создать алгоритм и систему автоматизированного проектирования специальных материалом для сварки и наплавки.

Лдеквагпоечь модели и работоспособность базирующейся па пси еиечемы автоматизированного проектирования подтверждены 'жеперпмешалыю. ('заработанная система автоматизированного проектирования, ядром кочорой являечея •жеиертная система, позволяет решачь большой комплекс научных и практических задач. как то: о моделирование процессом неравновесной крнеч'аллизации многокомпонентных металлических расплавов широкого диапазона легирования для различных видов сварки плавлением и ироизводсчва малогабаритных отливок; о моделирование процесса выделения упрочняющих фит при неравновесной кристаллизации многокомпонентных металлических расплавов широкою диапазона легирования; о прогнозирование состава структуры и свойств закристаллизовавшегося металла шва и металла малогабаритных отливок; о проекчрование новых сварочных и наплавочных материалом для сварки сталей и сплавов на основе железа и производима специальных ннцитных покрытий.

В результате данной работы: предложена научно-обоснованная концепция разработки современных сварочио-нанлавочных материалом на основе общего структурного анализа их служебных характеристик и сварочпо-техпологических свойств, а чакже физико-химического анализа процессов взаимодействия «внешняя среда -наплавленный металл», процессов неравновесной кристаллизации меч алла шва и карбидообразовапия; разработана феноменологическая модель неравновесной кристаллизации металла шва широкого диапазона легирования, учитывающая использование части легирующих элементом на карбидообразовапие; разработан аналитический метод расчета количества карбидных фаз; разработан замкнутый алгоритм проектирования современных сварочных и наплавочных материалов.

Ha taiiuny выносится: основные положения концепции разработки современных сварочных материалов; методика расчета карбидных фат к наплавленном металле; методика расчета фазового состава матрицы ианланленного металла; система автоматизированного проектирования сварочных материалов. * *

В настоящем работе использованы результаты исследований, выполненные совместно с академиком Л.И. Леонтьевым и профессором М.И. Зпниградом.

Э^еримеиталышя чаем» данной работы (производство экспериментальных порошковых проволок и испытание и исследование образцов, наплавленных -и ими проволоками) выполнена совместно с В.И. Шумяковым, A.II. Краспопольским. В.Ф. Мазуровской. В.1>. ')итисом. Г.М. Пипхусовичем, А.М. Зиниградом и U.C. Литвак. Часть исследовании и испытаний выполнена на оригинальных приборах и установках конструкции В.И. Шумякова и Г.М. Пипхусовича.

Автор считает своим долгом сердечно поблагодарить члеп-корр. РАН Пастухова ').А., иро(|)ессоров Фишмаиа А.Я. Шалимова М.П. Шупясва К.Ю. к.т.и. Лисина BJI. к.х.н. Пономарева В.И, км.и. Сокола И.Я. за ценные советы при обсужде! I и и работы.

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Мазуровский, Владимир Львович

Выводы

1. Разработан принципиально новый вариант структурной диаграммы матрицы наплавленного металла, учитывающий использование части углерода и легирующих элементов иа карбидообразование и взаимное влияния элементов на образование структурных составляющих.

2. Создана математическая модель для формализованного описания диаграммы. Полученные математические зависимости впервые позволили рассчитывать и прогнозировать фазо-структурный состав наплавленною металла в широком диапазоне легирования.

3. На основе феноменологической модели неравновесной кристаллизации сварочной ванны и математического описания предложенной структурной диаграммы разработан замкнутый алгоритм расчета фазо-структурпого состава наплавленного металла и количественною и качественною состава упрочняющих фаз.

4. Впервые разработана эффективная система автоматизированного проектирования (САПР) сварочных материалов, в основе которой лежит экспертная система, оперирующая системой знаний, основанной па феноменологической модели неравновесной кристаллизации сварочной ванны. Система автоматизированного проектирования (САПР) сварочных материалов организована как открытая система индивидуального пользования с возможностью постоянного обновления и дополнения баз данных и знаний по мере их накопления и развития.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Проектирование, изготовление и испытание экспериментальной партии наплавочных материалов

Новый подход к проектированию сварочных материалов, феноменологическая модель карбидообразоваиня в железоуглеродистом наплавленном металле, математическое описание новой структурной диаграммы, система автоматизированного проектирования - все эти разработки требуют тщательной проверки на работоспособность и адекватность отражения реальных процессов. Такая проверка была осуществлена путем проведения комплекса экспериментальных работ в условиях лаборатории современных материалов Матсриаловсдчсского центра Академического колледжа Иудеи и Самарии (Израиль).

4.1.1. Постановка экспериментальных работ. Их цели и задачи

Для проведения экспериментальных работ была выбрана важная техническая проблема - ударно-абразивный износ стенок бункера загрузочного устройства, изготовленных из стали типа 20К, под воздействием загружаемого сыпучего многокомпонентного сухого материала со следющими характеристи кам и: грануляция 20-1200 цм; внедренные глыбы грапито-подобпого материала размером от 40 до 500 мм в направлении наибольшей протяженности; средний удельный насыпной вес материала - 5.2 т/м\ средняя удельная твердость -54 11RC,; относительная влажность - не более 30 %; средняя статическая нагрузка па стенки бункера 12 кГ/мм2 (приблизительно 120 МРа); средняя ударная пафузка на стснкн бункера - 90 кГ/мм2 900 МИа) с частотой 25 ударов в минуту на 1 м2.

Таким образом, задача заключается в обеспечении надежной работы стенок бункера загрузочного устройства из стали 20К в условиях ударно-абразивного износа, вызываемого воздействием химически неагрессивною материала. Решение такой задачи видится в создании специального защитного покрытия на сгеиках бункера, способного противостоять воздействию внешней среды. Одним из возможных вариантов такого решения является наплавка специального материала. Целесообразность такого варианта определялась следующими соображениями:

1. скорость изнашивания стали 20К иод воздействием материала с вышеуказанными характеристиками оценивается в 6.2 мг/сек-м2 [10, II] (приблизительно 10 мм толщины листа в год с I м2) - т.е. для обеспечения длительного межремонтного цикла толщина покрытия должна быть не менее 3 мм (при условии, что скорость изнашивания этого металла по крайней мере в 4 раза меньше, чем у стали 20К), что наиболее эффективно осуществить сваркой плавлением (наплавкой), так как бункер имеет значительную площадь (> 5 м2): автоматизированные способы сварки обеспечивают наплавку 1 м2 (толщина наплавки = 3 мм) за 1 - 2 часа, что значительно превышает производительность всех методов термического напыления, включая ЭДМ;

2. электродуговая наплавка обеспечивает наиболее высокое качество наносимого покрытия по таким важным показателям как:

- трещиностойкость; пористость; неметаллические включения;

- плотность.

Исходя из этих соображений и целей экспериментальных работ их задачи сводятся к следующим:

I. Спроектировать специальный сварочный материал па основе предложенного нового подхода с использованием разработанной САПР для целей нанесения чащи того покрытия па стопки бункера загрузочного устройства. Полученный наплавленный металл должен обеспечим, падежную защиту стенок бункера от воздействия ударно-абразивного износа, вызываемою материалом с известными характеристиками и свойствами при определенных условиях нагруженпя. Проектируемый сварочный материал должен обладай, комплексом функций п свойств. определенных результатом проектирования (высокими сварочпо-тсмюлогнчсскими свойствами и пр.). при условии его использования на конвенциональном сварочном оборудовании. Нами выбран широко применяемый в мире сварочный комплекс KIîMPI'l 3500 зииа МИГ -- MAI" с подающим механизмом, снабженным парно-роликовым проводом. ;1ля сварочных проволок диаметром от 1.8 до 3.2 мм.

2. На основе результатов проектирования изготовить специальный сварочный материал в виде партии самозащитных или газозащизпых порошковых проволок диамет ром 2.0 мм.

3. Произвести наплавку изделий-представителей изготовленными порошковыми проволоками на режимах сварки, определенных результатами проектирования. Наплавку произвести на изделия-представители, имитирующие реальное рабочее тело - стенку бункера. Материал образцов - сталь 20К (1051 Gr. 164400, 154-400 US. Великобритания). Из каждого изделия-представителя произвести вырезку "холодным" способом необходимого количества образцов для проведения натурных испытаний, металлографических исследований, рент i ciюет руктурпою и химического анализа.

4. Провести натурные испытания образцов и их мсз'аллографичсскнс исследования, рентгеноетруктурный и химический анализы. Обеспечить системную регистрацию результатов испытаний, исследовании н анализов. Произвести обработку результатов исследований и их анализ.

5. По результатам анализа провести верификацию проектного решения и определить адекватность характеристик полученного наплавленного металла с таковыми, определенными в проект ном решении.

6. При наличии значительных расхождений - произвести соответствующие корректировки в модели карбидообразоваиия и математическою описания новой структурной диаграммы и соответствующие изменения в программном обеспечении САШ* и структуре экспертной системы.

В рамках предложенного подхода было сформулировано техническое задание па проектирование нового сварочного материала, в котором были определены:

- назначение и основные характеристики проектируемого материала;

- ожидаемый (желаемый) комплекс функций и свойств объекта проектирования;

- область применения;

- граничные значения диапазона параметров процесса наплавки:

- характеристики применяемого наплавочного оборудования:

- желаемая относительная износостойкость наплавляемого металла по сравнению с материалом, подвергаемым защите (принят за условную единицу);

- маршруг проектирования;

- комплект выходной технической документации.

Первым этапом проектирования, как определено в новом подходе, является анализ внешней среды и характер пагружсиия рабочего тела. Легализация основных этапов повою подхода и последовательность их реализации изложены в первой главе настоящей работы. Напомним только, что они осуществляются в режиме диалога «оператор - экспертная система» с формированием в итоге каждого этана пакета входных данных для экспертной системы. На втором этане в режиме тою же диалога производится анализ рабочего тела, т.е. сю состав, комплекс свойств, гсомегрическис характеристики, особенности конструкции и прочее. Параллельно формируется пакет входных данных о рабочем теле. Третий этап - наиболее важный - определяет характер взаимодействия рабочего тела и внешней среды на основании пакета входных данных по первым двум этапам и редактирующим воздействиям оператора системы. При этом формируются знания об этом взаимодействии, которые заносятся в БЗ и мо|уг быть использованы системой для последующих проектов и строится модель взаимодействия с описанием протекающих процессов [10, 12). В нашем конкретном случае было определено, что стенки бункера воспринимают абразивное и ударное воздействие от сыпучего грунта, характеризуемое как сухое зрение в случае размера частиц, превышающего 80 микрон а при меньшем размере частиц, как микрорезание. Мри этом внедренные глыбы оказывают ударное воздействие, вызывающее нормальные i i (до 30.50 кГ/мм") и сдвиговые (до 25.40 кГ/мм") напряжения в стенках бункера.

Отделы иле пиковые ударные нагрузки могут превышать предел прочности стенок сосуда (50 кГ/мм2) и вызывать локальное растрескивание. Особую опасность вызывает эффект микрорезания, вызывающий интенсивный износ стенок сосуда

4.5 мг/сск-м:). Остальные виды воздействия вызывают износ не превышающий 2 мг/сск-м" (II]. Па основании анализа полученных представлений о характере взаимодействия «внешняя среда - рабочее тело» и связанных с ним процессов, осуществляем главный этап проектирования - формирование представления о требуемой структуре наплавленного металла. Представление формируется па основе пакета данных, являющихся резул«»татом работы предыдущих этапов, и комплекса знаний, заложенных в базе знаний (1»3) экспертной системы. В разработанной САПР эта база содержит модель знаний, сформированную па основе результатов фундаментальных исследований российских и зарубежных ученых о работоспособности деталей машин и конструкций в условиях воздействия абразивного и ударного изнашивания [7, 9 - 12, 15 - 25] и установления взаимосвязей «структура - износостойкость металла» ]9. 12, 19]. В результате этого этапа было определено, что для зашиты стенок сосуда из стали 20К от интенсивного износа в условиях абразивного изнашивания, вызываемого совместным воздействием сухого трения, микрорезания и ударного воздействия, необходимо произвести защиту внутренней поверхности стенок бункера путем нанесения защитного слоя из металла, способного противостоять такому комплексному воздействию. Нанесение покрытия целесообразно обеспечить методом электродуговой наплавки. Специальный сварочный материал должен обеспечить формирование наплавленного металла, имеющего базовую структуру структура матрицы) мелкоигольчатого или игольчатого мартенсита и метастабилыюю аустспита (30 - 50 %, мае.) с рашюмерно-распределсиными и ней карбидами (5-15 %, мае.).

Мстастабильнмй аустеиит при интенсивном ударном нагружении. поглощая чаем» энергии удара, переходит в мартенсит, упрочняющий наплавленный металл и повышающий его износостойкость. Ныла рассчитана такая система легирования, при которой область мартенситного превращения смещается в диапазон комнатных температур (Ms < 120 °С, Мг < О °С) [122, 124. 126, 128, 130, 132. 134 - 139). Ото позволяет по окончании кристаллизации наплавленною металла сохранит!, значительное количество аустспита, пересыщенного легирующими элеметамн. в т.ч. элементами, образующими твердые растворы внедрения с аустснитом (Ti. С, N), что делает аустеиит неусточивым при пластическом деформировании [137). Таким образом происходит распад аустспита при ударном нагруженпи или микрорезании на мартенсит и карбиды, т.е. дополнительное упрочнение металла наплавки и повышение его износостойкости.

Теперь, когда сформировано представление о требуемой (вторичной) структуре наплавленною металла, можно перейти к расчету первичной структуры (получаемой в результате первичной неравновесной кристаллизации сварочной ванны) и химического состава металла шва. Расчет представляет- собой решение обратной задачи, когда входными параметрами является вторичная структура металла шва и значения параметров термо-деформациоиного цикла сварки. Расчет осуществляется в режиме диалога «эксперт - экспертная система» и основывается на разработанной в рамках данной работы феноменологической модели неравновесной вторичной кристаллизации металла шва, сопугетвуюшим ей процессам выделения вторичных карбидов и математическом описании новой структурной диаграммы. Входные данные но вторичной структуре рассчитываемых сварочных материалов (методика расчета подробно описана в первой главе настоящей работы) представлены в таблице 4.1.

Результаты расчета первичной структуры и хим.состава наплавленного металла 4-х проектируемых сварочных материалов приведены в таблицах 4.2 и 4.3 соответственно:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К наиболее существенным результатам данной работ!,I следует отести следующие:

I. Разработка новою подхода к проектированию современных сварочных материалов:

1. Предложен научный подход к разработке сварочных материалов на основе системною анализа требуемых служебных характеристик металла шва, производимого данными материалами, и физико-химического анализа процессов, протекающих в металле шва в процессе его производства.

2. Показана эффективность моделирования процессов, протекающих в металле шва на этапах его производства и взаимодейст вия с окружающей средой при ею эксплуатации. Анализ этих моделей обеспечивает получение комплекса данных для расчета электродной формулы проектируемого сварочного материала, как функции этих процессов.

3. Сформулированы основные этапы проектирования сварочных материалов, базирующиеся па индивидуальном и системном подходах к процессу проектирования и его автоматизации:

• анализ внешней среды и характер пагружсиия рабочего тела;

• анализ рабочего тела;

• установление характера взаимодейст вия внешняя среда - рабочее тело и связанных с ним процессов;

• формирование представления о требуемой структуре металла шва (специальных наплавленных слоев);

• расчет первичной структуры и химического состава металла шва (наплавленного металла);

• расчет электродной формулы;

• проверочный расчет.

Результатом проектирования в соответствии с вышеприведенными лапами должно быть: определение электродной формулы специального сварочного /наплавочного материала; и определение особенностей технологического маршрута производства данного материала; и технология процесса наплавки; и прогноз химсостава, структуры и свойств наплавленных слоев; и определение длительности рабочего цикла наплавленных слоев.

Определены основные принципы проектирования специальных наплавочных материалов с требуемыми служебными характеристиками:

Индивидуальпыый подход к проектированию, то есть проектирование специального наплавочного материала для конкретного рабочею тела, работающего в конкретных условиях воздействия внешней среды;

Создание системы знаний о рабочем теле, о внешней среде, о процессах взаимодействия рабочего тела с внешней средой, о процессах протекающих в сварочной ванне и при первичной и вторичной кристаллизации;

Математическое и компьютерное моделирование процессов, происходящих при взаимодействии рабочего тела с окружающей средой и непосредственно процессов, приводящих к получению специального покрытия, то есть технологическою процесса наплавки и процессов кристаллизации;

Системный подход к процессу проектирования па основе системного анализа объекта проектирования;

Автоматизация процесса проектирования па базе системы автоматизированного проектирования, ядром которой является экспертная система;

Верификация проектных работ.

II. Создание феноменологической модели неравновесной кристаллизации сварочной ванны на основе проведенного физико-химического анализа:

1. Предложены механизмы первичной кристаллизации металла шва и формирования первичных карбидов па основе сформулированного принципа карбидообразования в железо-углеродистом наплавленном металле.

2. Предложены механизмы распада легированного аустеиита и формирования вторичных карбидов в процессе неравновесной вторичной кристаллизации металла шва.

3. Разработана феноменологическая модель неравновесной кристаллизации металла шва. позволяющая прогнозировать фазо-етруктуриый состав наплавленного металла широкого диапазона легирования.

4. Предложен новый вариант диаграммы Шсффлера для прогнозирования структуры наплавленною металла. Новая диаграмма позволяет учитывать процесс карбидообразования в сталях и прогнозировать структуру матрицы наплавленного металла широкого диапазона легирования.

5. Представлено математическое описание новой структурной диаграммы Шсффлера, позволившее компьютеризировать процесс определения структуры твердого раствора наплавленного металла.

III. Практическое использование нового подхода для проектирования промышленных партии специальных сварочных материалов:

1. Совместное применение методов прогнозирования карбидообразования и расчета структуры матрицы (твердою раствора) наплавленною металла в соединении с математической моделью технологического процесса сварки позволило создать алгоритм и систему автоматизированного проектирования специальных материалов для сварки и наплавки в соответствии с положениями и требованиями базовой концепции. Адекватность модели и работоспособность базирующейся на ней системы автоматизированного проектирования подтверждены экспериментально.

С использованием предложенной модели и САШ' спроектированы и изготовлены:

- специальные электроды для сварки и наплавки сплавов типа №.чА1, исключающие типичное растрескивание наплавленного металла под действием термо-деформациоипого цикла сварки;

- порошковая проволока для механизированной сварки гальванизированных сталей на сверхвысоких скоростях (до 90 м/час) с гарантированно высокими механическими характеристиками;

- порошковые проволоки для механизированной наплавки быстрорежущего инструмента с гарантией получения наплавленного металла, обладающего свойствами быстрорежущей стали типа Р6М5 без последующей термообработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Мазуровский, Владимир Львович, 2004 год

1. Волчснко В.Н. Ямиольский В.М., Винокуров В.Л. и др. Теория сварочных процессов /11од ред.ироф. Фролова B.B. М.: Высшая школа, 1988. - 559 с

2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. / Под ред. акад. B.I:. Патопа. М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

3. Рыкалин И. П., Расчеты тепловых процессов при сварке. Справочник по сварке, гл. II. М.: Машгиз, 1960. - 556 с.

4. Сварка в машиностроении. Справочник / Под ред. II. А. Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978. Т. 1.-501 с.

5. Нагон H.H., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. М.: Машиностроение, 1966, 359 с.

6. Кох H.A. Основы термодинамики металлургических процессов сварки. JI.: Судостроение, 1975. - 240 с.

7. Ван Флеке JI. Теоретическое и прикладное материаловедение. Пер. с англ. -М.: Атомиздат, 1975.-472 с.

8. Сварочные материалы для дуговой сварки. Т. 2. Сварочные проволоки и электроды / Под общей редакцией И. И. Потапова. М.: Машиностроение. 1993.-767 е.

9. Разиков М. И. Тол сто в И. А. Справочник мастера наплавочного участка. -М.: Машиностроение, 1966. 200 с.

10. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977 - 526с.

11. Ткачев В.П. Работоспособность деталей машин в условиях абразивного износа. М.: Машиностроение. 1995. - 336 е.

12. Рыбакова JI. М„ Кукеепова JI. И. Структура и износостойкость металла. -М.: Машиностроение, 1982. -212 с.

13. Патон B.lï., Уткин В.Ф., Мсдосека А.Я. Хромяк II.Т. О структуре систем технической диагностики сварных конструкций // Автоматическая сварка. 1984. №5.-с. 1-9.1415,16.