Разработка расчетно-экспериментальной методики обеспечения заданного состава легированных наплавок покрытыми электродами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Крылов, Алексей Петрович

• Крылов, Алексей Петрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крылов, Алексей Петрович

ВВЕДЕНИЕ

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

1.1 Применение наплавки для упрочнения и восстановления деталей машиностроения

1.2 Основополагающие методики расчета состава наплавленного металла и шлака

1.3 Анализ влияния отдельных технологических параметров на взаимодействие металла со шлаком

1.3.1 Содержание и грануляция компонентов покрытия

1.3.2 Окислительная способность компонентов

1.3.3 Термодинамическая активность компонентов шлака

1.3.4 Режимы наплавки

1.3.5 Относительный вес покрытия (флюса)

1.4 Постановка задачи исследования

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Химический и гранулометрический состав материалов, использованных для наплавки

2.2 Форма и размеры исследованных образцов

2.3 Металлографические исследования и механические испытания

2.4 Испытание на прочность электродного покрытия

2.5 Рентгенофлюоресцентный анализ

2.6 Определение сварочно-технологических свойств покрытых электродов

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЛЕГИРОВАНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ИЗ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ

3.1 Выбор шихтового состава электродного покрытия

3.1.1 Расчет легирующей части

3.1.2 Расчет шлакообразующей части

3.1.3 Расчет количества раскислителей

3.1.4 Термодинамические расчеты сопряженных реакций на межфазной границе металла и шлака

3.2 Определение окислительной способности покрытия

3.2.1 Расчет основности и активности шлака

3.2.2 Корреляция коэффициента распределения легирующих элементов и активности шлака

3.2.3 Технологические свойства электродов

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

4.1 Анализ влияния состава шлака на его активность

4.2 Сущность расчетно-экспериментальной методики

4.3 Структура и механические свойства наплавленного металла

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка расчетно-экспериментальной методики обеспечения заданного состава легированных наплавок покрытыми электродами»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Крылов, Алексей Петрович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крылов, Алексей Петрович, 2004 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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