CC BY
23
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. № 12
УДК 621.791..927.5
Чигарев В.В.1, Кондратов К.А.2, Макаренко H.A.3, Грановский A.B.4
НАПЛАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРЕСС-ФОРМ
Дан критический анализ состава порошковой проволоки, применяющейся в промышленности при наплавке пресс-форм. Предложен и исследован усовершенствованный состав наплавочного материала для способа плазма-МИГ наплавки.
В работах [1-3] была предложена сталь 2Х13Н12ГС2Р2 для наплавки пресс-формы стекольного производства. Несмотря на экономное применение никеля в этой стали, стойкость ее к термоциклическим нагрузкам оказалась несколько ниже, чем у сплавов на основе никеля. Данная сталь была взята за основу для наплавленного металла.
Для достижения повышения стойкости наплавленного металла к образованию сетки трещин разгара на поверхности пресс-форм основное внимание было уделено уменьшению легкоплавких компонентов (эвтектик) в наплавленном металле. Так, присутствующий в стали 2Х13НМ12ГС2Р2 бор (около 2 %) приводит к образованию легкоплавких эвтектик бора с никелем, что широко используется в припоях на основе никеля [4]. В связи с этим бор из состава стали был исключен. Для упрочнения стали, повышения ее механических свойств при высоких температурах, что очень важно при формовке головки изолятора (именно в этом месте пресс-форма испытывает максимальные механические нагрузки), в состав наплавленного металла вводился бериллий, повышающий механические свойства стали при высоких температурах [5]. Бериллий имеет малый атомный радиус 0,035 мм [6] и образует твердые растворы внедрения, искажая кристаллическую решетку. Данный эффект наблюдается уже при содержании бериллия в долях процентов [5]. Особое внимание было уделено снижению содержания вредных примесей, кислорода, серы, фосфора. Кислород образует с никелем также легкоплавкую эвтектику Ni NiO [7]. Кроме того, кислород легко окисляет активный бериллий, имеющий большое сродство к кислороду. Для удаления кислорода, серы и фосфора в состав шихты порошковой проволоки вводились алюмокальций, ферроцерий. Кальций и церий являются металлами, имеющими ярко выраженные основные свойства. Поэтому они хорошо связывают серу и фосфор, препятствуя тем самым образованию легкоплавких включений сульфидного и фосфатного характера.
Во всем диапазоне температур наибольшей раскисляющей способностью обладает кальций [8]. Церий может препятствовать выгоранию бериллия лишь при низких температурах. Однако, при температурах плавления стали, т.е. когда проходят металлургические реакции, церий уже не может препятствовать окислению бериллия. В целом же все элементы AI, Ca, Се, Ве, Ва являются активными раскислителями, связывающими кислород в тугоплавкие окислы [5].
Проведенный анализ показал, что барий не является достаточно эффективным раскислите-лем, энергия Гиббса (AG) реакции образования ВаО во всем диапазоне температур близка к AG реакции образования АЬОз Таким образом, вводить в состав порошковой проволоки Ва или его соединения нецелесообразно, учитывая их токсичность.
1ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
2ПГТУ, мл. науч. сотр.
3 ПГТУ, канд. техн. наук, докторант
4 ПГТУ, специалист
С целью снижения содержания кислорода в наплавленном металле в состав порошковой проволоки не вводились кислородосодержащие элементы: кремнезем, глинозем, оксиды натрия и калия. В табл. 1 приведены данные по содержанию оксидов в наплавленном металле. В целом же предложенная система введения в состав порошковой проволоки ферроцерия, алюмокальция (при одновременном исключении из состава шихты кислородосодержащих элементов) дала положительные результаты по снижению вредных примесей в наплавленном металле.
Таблица 1 - Содержание оксидов в наплавленном металле
Проволока Содержание оксидов, %
2Х13Н12ГС2Р2 (прототип [9,10]) 0,021-0,028
2Х13Н12ГС2Р2 (без введения в состав шихты кислородосодержащих элементов) 0,018-0,023
Введение алюмокальция 1,3 % в состав шихты 0,011-0,014
Введение алюмокальция 1,5 % в состав шихты 0,009-0,012
Введение алюмокальция 1,7 % в состав шихты 0,008-0,011
Введение ферроцерия 0,5 % 0,016-0,019
Введение ферроцерия 1 % 0,015-0,019
Комплексное легирование (7 % алюмокальция и 1% ферроцерия) 0,007-0,009
Принятая схема проведения плазменной наплавки с аксиальной подачей порошковой проволоки предусматривает применение в качестве плазмообразующего и защитного газа инертного аргона, в связи с чем количество газошлакообразующих компонентов в составе шихты порошковой проволоки сведено к минимуму. Как указано в [3] в состав шихты вводится эвтектическая смесь СиС 1: KCl, эффективно удаляющая оксиды с поверхности частиц порошка сердечника порошковой проволоки, а также бура плавленная и фтористый магний. В процессе наплавки оксид бора, содержащийся в наплавленной буре вступает в реакцию. Выделяющийся трифторид бора связывает водород. Кроме этого, происходит активное флюсование поверхности изделия [3].
Наличие в дуге фтора, имеющего высокий потенциал ионизации (16,9 В) [6], ухудшает электропроводность столба дуги [9], что ведет к улучшению саморегулирования дуги плавящегося электрода и повышению стабильности процесса наплавки.
Состав порошковой проволоки отрабатывался экспериментально, путем оптимизации состава шихты порошковой проволоки с целью: получения наибольшей стойкости наплавленного металла к термоциклическим нагрузкам; получение высоких сварочно-технологических свойств порошковой проволоки.
Для изготовления порошковой проволоки применялась лента 0,8 Кп сечением 0,5x14 мм, коэффициент заполнения составлял 0,38 - 0,43, диаметр порошковой проволоки - 3 мм.
Наплавка производилась на следующем оборудовании: для питания дуги плавящегося электрода использовался выпрямитель ВДГ-601, модернизированный согласно [3], с целью получения жесткой характеристики с учетом токоподводящих коммуникаций. Плазматрон [3] обеспечивал получение сигнала обратной связи для работы выпрямителя.
Для питания плазменной дуги применялся выпрямитель ВД-306, модернизированный согласно [3]. Механизм подачи обеспечивал плавную регулировку скорости подачи порошковой проволоки (с независимой от напряжения на дуге скоростью).
Наплавка осуществлялась на следующих режимах: ток плазменной дуги - 125 А; напряжение плазменной дуги - 42 В; ток дуги плавящегося электрода - 280 А; напряжение дуги плавящегося электрода - 22 В; скорость наплавки - 22 м/ч.
Стойкость наплавленного металла к образованию первой трещины разгара определялась по методике, описанной в работе [10].
Испытания проводились на специальной установке, позволяющей производить нагрев наплавленного металла под давлением с последующим охлаждением в специальной среде. Применялись образцы из испытуемого металла в виде цилиндров диаметром 2 см и толщиной 0,3 см, кото-
рые закреплялись на штангах из хромоникелевой стали резьбовым соединением. Давление на испытуемую поверхность составляло 5 Н/см2; время нагрева составляло 5 мин, время охлаждения -5 мин. Охлаждающая среда подбиралась таким образом, чтобы на сером чугуне первая трещина появилась при числе циклов, близком к появлению сетки разгара в реальных условиях. Это по нашему мнению, наиболее близко моделирует прессование стекла. Применялась охлаждающая среда, состоящая из 50 % калиевой селитры и 50 % натриевой селитры, нагретых до 523 К. Наплавка образцов проводилась в медный кокиль. Температура нагрева образца измерялась термопарой, установленной в печи в месте расположения образцов. Испытанию подвергались одновременно два образца. В качестве эталонов принят серый чугун марки СЧ 21-40. Образцы испытывались при исходной твердости 30-34 НЯС. Испытания проводились на автоматизированной установке до момента появления первой видимой трещины на поверхности образца. Контроль за появлением трещин осуществлялся через каждые 10 циклов после проведения 50 циклов испытаний, так как предварительными опытами установлено, что при меньшем числе циклов трещины еще не образуются.
Результаты испытаний приведены в табл. 2. Для сравнения приведены данные для стали 2Х13Н12ГС2Р2 и сплава на основе никеля 8Н90СЗХЗР2. Таким образом, оптимизация состава порошковой проволоки при ее одновременном микролегировании бериллием позволило значительно повысить стойкость наплавленного металла к термоциклическим нагрузкам, превзойдя стойкость более дорого сплава на никелевой основе. Оптимальный состав шихты порошковой проволоки приведен в табл. 3.
Таблица 2 - Результаты испытаний наплавленного металла на стойкость к термоциклическим
нагрузкам
Марка металла Число циклов до первой трещины
2Х13Н12ГС2Р2 240
8Н90СЗХЗР2 370
2Х13Н12ГД2Ю (содержит 0,8 % бериллия) 420
Таблица 3 - Оптимальный состав шихты разработанной порошковой проволоки для наплавки
пресс-форм, использующейся при формовке стеклянных изоляторов
Наименование компонентов Химическая формула Содержание масс, %
Хром Сг 32-36
Никель N1 32-36
Медно-бериллиевая лигатура Си Ве (« 3 % Ве) 12-15
Алюмокальций А1Са (» 10 %Са) 5,2-5,8
Ферроцерий Бе Се (40 % Се) 5,2-5,8
Бура плавленная 2,4-2,6
Магний фтористый 1,6-1,8
Ферромарганец Бе Мп ( 70 % Мп) 4,0-4,3
Хлорная медь СиСЬ 1,2-1,8
Хлористый калий КС1 1,2-1,8
Железный порошок Бе остальное
Химсостав наплавленного металла: Сг - 12,2 -13,2 %; № - 11,4-11,9 %; Мп - 0,8-1,2 %; Си -1,9-2,1 %; А1 - 0,8-1,2 %; Ве - 0,6-0,8 %.
При плазма-МИГ наплавке разработанной порошковой проволокой на указанном нами режиме получены следующие сварочно-технологические показатели: коэффициент наплавки ан = 16 -19 г/А ч; потери на угар и разбрызгивание \|/у.Р = 4-5 %; выход годного металла Кв = 91 %. Наплавленный металл удовлетворительно обрабатывается твердосплавным инструментом и обладает достаточной износостойкостью для сохранения необходимого профиля пресс-формы в процессе ее эксплуатации.
Выводы
1. Снижение содержания в наплавленном металле кислорода, серы и фосфора повышает его стойкость к термоциклическим нагрузкам.
2. Комплексное введение в шихту порошковой проволоки алюмокальция, ферроцерия, мед-но-бериллиевой лигатуры увеличивает стойкость наплавленных пресс-форм для формовки стеклянных изоляторов.
3. В порошковую проволоку для плазма-МИГ наплавки в среде аргона целесообразно вводить лишь небольшое количество газошлакообразующих компонентов, имеющих высокую активность.
4. В результате исследований наплавленных металлов на их стойкость против образования сетки разгара установлено, что наиболее перспективным для наплавки пресс-форм для стекла является металл типа 2Х13Н12ГД2Ю.
Перечень ссылок
1. Порошковые проволоки для электродуговой сварки: Каталог- справочник / Под ред. И.К. По-ходни. - К.: Наукова думка, 1960. - 179 с.
2. С.Мровец, Т.Вербер. Современные жаростойкие материалы. - М.: Металлургия, 1986. - 59 с.
3. Макаренко И.О. Розробка плазмового процесу з акаальним по даваниям порошкового дрота для наплавлення прес-форм: Автореф.дис.канд.техн.наук: 05.03.06 / Приазовський державний техшчний ушверситет. - Mapiyno.ib.. 1999. - 19 с.
4. Справочник по пайке / Под ред. И.Е.Петрунина. - М.: Машиностроение, 1984. - 398 с.
5. НекрасовБ.В. Курс общей химии. - М.: Госхимиздат, 1955. - 971 с.
6. Свойства элементов: Справочник под ред. Г.В.Самсонова. - 4.1. - М.: Металлургия, 1976. -248 с.
7. Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов. - М.: Машиностроение, 1974. - 238 с.
8. Уикс К.Е., блок Ф.Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их оксидов, галогенидов, карбидов, и нитридов. - М.: Металлургия, 1965. - 240 с.
9. Линивцев В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров КН. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. - М.: Машиностроение, 1989. - 263 с.
10. Макаренко H.A. Разработка плазменого процесса с аксиальной подачей порошковой проволоки для наплавки пресс-форм: Дис...канд.техн.наук 05.03.06. - Мариуполь, 1999 . - 215 с.
Чигарев Валерий Васильевич. Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой МиТСП (ПГТУ), окончил Мариупольский металлургический институт в 1968г. Основные направления научных исследований -прикладные и теоретические проблемы создания электродных материалов для дуговой наплавки с улучшенным комплексом служебных свойств, технологических процессов их изготовления. Кондратов Константин Александрович. М.н.с. кафедры МиТСП (ПГТУ), окончил Славянский государственный педагогический институт в 1991. Основное направление научных исследований -разработка наплавочных материалов.
Макаренко Наталья Алексеевна. Канд.техн.наук, докторант кафедры МиТСП (ПГТУ), окончила Краматорский индустриальный институт в 1983. Основные направления научных исследований - плазменная наплавка с аксиальной подачей порошковой проволоки и разработка порошковых проволок.
Грановский Александр Викторович. Специалист кафедры кафедры МиТСП (ПГТУ), окончил Краматорский индустриальный институт в 1971 г. Основные направления научных исследований -плазменная наплавка с аксиальной подачей порошковой проволоки и разработка порошковых проволок.
Статья поступила 20.02.2002
