CC BY
32
III ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
УДК 621.74.04:669.112.22
Канд. техн. наук Ю. Ю. Жигуц Ужгородський нацюнальний унiверситет, м. Ужгород
ТЕРМ1ТНЕ З ВАРЮ ВАН НЯ ВИСОКОМАРГАНЦЕВИХ СТАЛЕЙ
У статтi запропоновано конструкцт металотермiчного реактора, яка дозволяе економити легувальш матерiали при отриманнi ятсного зварного шва за допомогою обладнання для термiтного зварювання. При синтезi в термiтнiй сумiшi стандартней феромарганець замiнено на пус 'ери - вiдходи електродугово'1 плавки високомарганцево'1 сталi.
Вступ
У першш половит двадцятого столитя вперше було запропоновано метод отримання рщко! сталi в результат горшня термино! сумiшi [1] та впроваджено у промислову практику алюмiнотермiчне плавлення сталi i отримання на И основi фасонних виливк1в. Су-часнi дослщження в галузi металотерми значно роз-ширили дiапазон синтезованих сплавiв [2-6].
Недолжом iснуючих складiв екзотермiчних сум-шей для синтезу легованих сталей е неможливiсть !х використання для живлення виливк1в з легованих i високолегованих сталей у зв'язку iз значною !х л^а-цiею. Одночасно потрiбно враховувати характерну особливiсть процесу синтезу - введення лiгатури у шихту викликае занадто низьк1 температури И горш-ня, iнколи навиъ недостатнi для плавлення глинозе-мистих та кременистих шлашв [4, 6, 7]. У той же час юнуе можливють вiдновлення легуючих елеменпв у резулътатi металотермiчних реакцiй з вiдходiв металур-гiйного та термiчного виробництв.
Поставлена проблема
Аналiз способiв отримання заготовок з високоле-гованих сталей виявив проблему, яка полягала у необ-хщносл отримування термiтного високолегованого матерiалу та оргашзаци способу зварювання, який би поеднував у своему технологiчному цикт пiзне моди-фiкування термино! сталi i при економи легувалъних матерiалiв дозволив би отримувати надiйне яшсне з' еднання деталей з високомарганцевих сталей.
Об 'ект до^дження дано! роботи - ливарш висо-колегованi стал^ а саме 110Г12л та 110Г13л. Мета роботи - розробка технологи термггного плавлення i термiтного зварювання деталей з високомарганцевих сталей. Задача роботи - розробка складу екзотермiч-но! сумiшi для отримання вилившв з високомарганцевих сталей, як можутъ використовуватися як в техно-
логи термггного плавлення, так i в технологи термiт-ного зварювання.
Матерiали i методика проведення експерименту
Для визначення маси металевого зливка з шихти на першому етапi дослiдження були проведенi мжроп-лавлення при маа шихти 250-300 г у металевому тиглi дiаметром 80 мм з рiзним процентним сшввщношен-ням компоненпв у сумiшi. Iнiцiювання процесу горшня проводилося спецiалъним титановим запалом ви-готовленим з порошку титанового хiмiчного ПХ-2 ТУ 48-10-78-83. Шдпалювання титанового запалу вико-нувалося звичайним арником. Випробовування на розтяг виконувалося у вiдповiдностi до ГОСТ 1215-59 на машиш УМ-20, взiрцiв виготовлених з нижнъо! центрально! частини отриманих сталевих вилившв.
При виконанш роботи були використаш матерiали: сажа ацетиленова (технiчний вуглецъ ТУ 14-7-24-80), порошок алюмшевий ПА-3-ПА-4 Г0СТ6058-73, про-аяне мливо алюмшево! стружки та ш. Порошкова шихта просушувалася, перемiшувалася, розмiшувалася у металотермiчному реакторi i пiсля цъого ушiлъню-валася.
Одна iз похiдних задач дослiдження полягала у тому, шоб розробити методику розрахунку складу шихти на основi стехiометричного сшввщношення компонентiв реакци iз введенням ввдповвдних ко-ефiцiентiв, як1 б враховували актившсть !х засвоення розплавом. Ця методика дозволяе встановити склад металотермiчних шихт i розрахувати адiабатичну температуру И горшня. Головною умовою такого метало-термiчного процесу е необхщшсть мати реалъну температуру горшня шихти вишу ввд температури плавлення шлаку [2-6, 8], яка для А1203 дорiвнюе 2400 К.
У подальшому теоретичнi розрахунки перевiряли-ся при проведеннi експериментальних мiкроплавленъ. З метою здешевлення собiвартостi шихти замiстъ алю-
© Ю. Ю. Жигуц, 2007
78
мшieвоro порошку у подальшому використовувалося мливо алюмшево1 стружки. Проведена корекцiя хiмiчного складу шихти дозволила провести зварюван-ня заготовок у дослiдно-промислових умовах.
Конструктивна розробка
Iснуючi технологи терминого зварювання викори-стовують однокамерш конструкцп металотермiчного реактора, як1 мають характернi i суттeвi недолiки: 1) роздшення металу i шлаку проходить у порожниш реактора (рис. 1) одночасно з процесом модиф^вання лiгатурою, що призводить до надмiрного випалу легу-ючих елементiв; 2) у процеа заливки металу в зону зварювання виникае велика iмовiрнiсть попадання шлаку i неметалевих включень безпосередньо у зва-рювальний шов, що не дозволяе забезпечити безпори-стий i однорiдний метал шва з високими механiчними властивостями; 3) термита сумiшi для зварювання скомпоновав на основi залiзоалюмiнiевого термiту i феродомiшок, що призводить до високо! 1х собiвар-тостi, при мшмальному застосування вiдходiв мета-лообробного i термiчного виробництв (наприклад, тра-дицшна технологiя передбачае використання дорогого промислового феромарганцю).
Складнiсть оргашзацп термггного зварювання ви-сокомарганцевих сталей полягае i в тому, що випалю-вання феромарганцю впливае безпосередньо на хiмiчний склад матерiалу шва i це потрiбно врахову-вати у методищ розрахунку шихти. Разом iз тим, у про-мисловостi використовуються спецiальнi ливарнi фор-ми, конструкщя яких дозволяе проводити технологiю модиф^вання у внутрiшнiй порожнинi (шмолд-про-цес). Рщка сталь у даному випадку легуеться домш-ками-присадками безпосередньо у ливниковш системi [8-10].
Недолiком ще1 технологи е необхiднiсть передба-чати у ливниковш системi реакцiйну "камеру-приямок", у якш легуюча присадка взаемодiе з розплавом сталi. Використання тако! "камери-приямку" суттево ускладнюе процес i призводить до охолодження розп-лаву.
Вiдомий спосiб термiтного зварювання сталi (див. рис. 1) заснований на класичнш термiтнiй реакцп (1):
Ре304 + А1 ^ Бе + А1203 + (1)
де 0 - тепловий ефект реакцп.
У реакцiйнiй камерi пристрою проводять метало-термiчну реакцiю, в результата яко! утворюеться розп-лавлена термина сталь, що заповнюе зварну щiлину. Поставлена проблема може була виршена при по-еднаннi двох технологш - термiтного зварювання i модифiкування у порожнинi форми за рахунок спе-щально1 конструкцп металотермiчного реактора. Зап-ропонована конструкцiя металотермiчного реактора дозволяе отримувати рiдку сталь для зварювання за рахунок алктшле^чно1 реакцп, а лтатуру вводити тсля завершення процесу утворення термiтного ме-
талу при мшшальному випалi легуючих елементiв.
Крiм того, для синтезу високолегованого сплаву використовуються заметь стандартного промислового феромарганцю, пус'ери - вщходи електродугово1 плавки високомарганцево1 сталi (пилу, що вловлюеть-ся фшьтрами у ливарних цехах).
4
Ж
Рис. 1. Конструкщя мегалогермiчного реактора:
1 1 2 - сталев1 детал^ що тдлягають зварюванню; 3 - запоб1жна пластинка; 4 - верхня камера; 5 - пластинка, що роздшяе камери; 6 - нижня камера; 7 - порожнина для терминого зварювання
У верхнш камерi 4 проходить металотермiчна ре-акцiя горiння залiзоалюмiнiевого термiту, а також роздшення рщких продукпв реакцп на металеву i шлако-ву фази. При цьому шлакова фаза спливае, а рвдка сталь збираеться у нижнiй частинi камери i пропалюе тонку пластинку.
Час пропалювання пластини, залежить вiд И тов-щини i повинен бути достатшм для повного роздшен-ня двох рщких фаз у камерi 4. Камера 6 служить для проведення iнмолд-процесу - п1знього легування сталь Розчинення пластини 3 призводить до виливання рвдко-го сплаву у порожнину зварювання 7, де i проходить оплавлення перегрiтою термiтною сталлю зварюваних сталевих деталей 1 i 2, а пiсля охолодження i тверд-нення вае1 системи - мщне !х зварювання.
Проведенi експериментальш роботи дали мож-ливiсть розробити технологи синтезу високолеговано1 сталi, терминого зварювання легованих сталей i кон-струкцш металотермiчного реактора, як1 при економп легуючих елементiв дозволяють отримувати яшсний зварний шов.
На рис. 2 зображена схема розробленого метало-термiчного реактора для зварювання деталей, виготов-лених iз високолегованих сталей. Плити 1 i 2 зафор-мовували у пiщано-глиняну сушш 12, при цьому щши-на мiж ними шириною 10 мм заповнювалася пiнополiуретаном 7. Плити 1, 2 i полiуретанова прокладка 7 прикривалися опокою з формувальною сумь шшю 11, яка мала рiвнi лади. У верхнiй напiвформi передбачався канал 9, на якому встановлювався дво-камерний реактор 10. У формувальнш сумiшi передбачався тимчасовий отвiр 9, через який подавалося полум'я газово1 горiлки, що пропалювало пiнополiу-ретанову прокладку 7, розжарювало торщ плит 1 i 2 та
5
6
3
1
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007
79
прорвало порожнину термiтного зварювання, а од-ночасно i канал 3, верхню 4 та нижню 6 камери реактору. Пiсля завершения операцп прожарювання у камеру 6 закладалися пус'ери i стержень 8 з отвором, який перекривався тонкою пластиною зi сталi (як вар-iант - алюмiнiевого сплаву). Шсля цього у камеру 4 засипалася сушш термiту 13.
Рис. 2. Схема проведення зварювання двох заготовок з високомарганцево! стал^
1, 2 - сталев1 плити з 110Г13Л товщиною 20 мм;
3 - вертикальний ливарний канал; 4 - верхня камера;
5 - пластина; 6 - нижня камера; 7 - тнопол1уретанова прокладка; 8 - стержень з отвором; 9 - отв1р; 10 - двока-
мерний реактор; 11 - опока; 12 - формувальна сумш;
13 - термина сумш
Приблизно через 20-25 секунд тсля початку тех-нолопчно! операцп горiння пластина 5 пропалювала-ся термiтною сталлю, яка виливалася у камеру 6, роз-чиняючи на своему шляху пус'ери, а далi стiкала у канал 3 i у порожнину зварювання 7. Шар на торцях плит 1 та 2 ввдновлювався розплавом сталi, яка вмiшувала пус'ери. Плити мiцно приварювалися одна до одно1 у процесi !х оплавлення перегрггою сталлю i и твердiння.
Теоретична частина
Для досягнення вказано! мети були використаш у складi метатспемчно! шихти пус'ери, що вловлюють-ся фшьтрами з диму, який виднеться з дугово1 стале-плавильно1 печi у процесi плавки високомарганцево1 сталь Цi пус'ери мають такий хiмiчний склад (у % за масою): перекис марганцю 35-40, оксид залiза 15-25, оксид калъцiю 4-7, iншi сполуки - решта. Хiмiчний склад пус'ер дозволяе скласти на !х основi екзотермь чну сумiш, здатну самовiлъно горiти з утворенням редко" сталi типу 110Г12Л, 110Г13Л. Проведет ввдповщщ термохiмiчнi розрахунки iз врахуванням засвоення компонентiв шихти дозволили розробити наступний склад екзотермiчноl сумiшi (у % за масою): залiзоалюмiнiевий термгт 70-76, пус'ери 20,5-25,0, алюмiнiевий порошок 3,0-3,7, порошок вуглецю 0,50,7 [9, 11]. Алюмшевий порошок у складi шихти у
наступному вдалося замшити мливом алюмшево! стружки. У якосп порошку вуглецю використовував-ся графiт. Механiчнi властивостi отриманих високо-марганцевих термiтних сталей не гiршi за аналоги, ви-готовленi промисловими способами, про що сввдчать дат табл. 1.
Таблиця 1 - Мехашчш властивосп термино! ви-сокомарганцево! сталi 110Г12Л
№ зразка ств, МПа 8, % ан, МДж/м2
1 830 21 11
2 835 18 9
3 830 20,5 9
4 810 21 10,5
5 830 21 -
Розрахована адiабатична температура горшня сумiшi склала 1840-2890 °С. При вмiстi у сумiшi мен-ше 21 % пус' ер адiабатична температура горiння шдви-шуеться, але вмiст марганцю знижуеться нижче ниж-ньо! границi за ГОСТ 2176-77 (менше 11,5 %). Це ви-магае застосовування заметь частини пус'ер феромарганцю. При вмюл ж у сумiшi понад 25 % пус'ер адiабатична температура горшня знижуеться i стае мен-шою за допустиму (1840 °С), а вмiст марганцю переви-шуе верхню межу за ГОСТ 2176-77 (понад 15,0 %).
Задаш границ домiшок вуглецю у екзотермiчнiй сумiшi вiдповiдаютъ границям вмiсту вуглецю у висо-комарганцевiй сталi (0,9-1,5 %) iз врахуванням випа-лу вуглецю, який сягае 7-8,5 %. Коли у пус'ерах вияв-лявся малий вмют перекису марганцю, дану техноло-гiю використовували поеднуючи у необх^них пропорцiях запропоновану сумiш iз звичайною екзо-термiчною легованою сумiшшю, залiзоалюмiнiевим термiтом i високовуглецевим феромарганцем або су-мiшшю порошков алюмiнiю та тролюзиту.
Приклад конкретного використання
Упродовж дано! роботи були використанi пус'ери Чебоксарського агрегатного заводу, шо виплавляе сталь 110Г13Л для виготовлення траюв гусениць трак-торiв. Хiмiчний склад використаних пус'ер (% за масою): перекис марганцю - 36,4, оксид залiза - 19,9, оксид кальцш - 5,4, iншi невщновш сполуки - решта. Необхщний домшок алюмiнiевоi стружки (чистотою 93-95% за металiчним алюмiнiем) визначався за схемами реакцп (1) та (2):
3Мп02 + А1 ^ 3Мп + 2А1203 + 0. (2)
Вiдомо, шо вихiд термiтного залiза (сталi) зi стандартного залiзоалюмiнiевого термiту складае приблизно 50 %. Тодi, шоб провести навуглецьовування сталi, необхiдно ввести 1,2 % С ^з врахуванням випалу вуглецю у виглядi графиту - 7 %). Таким чином, отримуе-мо склад металотермiчноi шихти (у % за масою): зал-
КОНСТРУКЦ1ЙН1 I ФУНКЦЮНАЛЬН! МАТЕР1АЛИ
iзоалюмiнiевий термiт - 72,5, пус'ери - 23,4, алюмш-iева стружка - 3,5, порошок вуглецю - 0,6.
У ливарнш лабораторп Чебоксарського заводу про-мислових тракторiв була проведена термина плавка на основi шихти вказаного вище розрахункового складу. Отриманий виливок високомарганцево1 сталi ма-сою 1,5 кг був тдданий хiмiчному аналiзу, який дав результати (показаш у табл. 2) у межах, регламентова-них стандартом.
Таблиця 2 - Хiмiчний аналiз виливка з високомар-ганцево1 сталi
Елементи С Mn Si P S
Вмют, % 1,20 13,1 0,38 0,09 0,035
За аналогiчною методикою проведено було плавления i зварювання двох сталевих заготовок зi сталi 110Г12Л за допомогою термпного зварювання з от-риманням задовшьних результатiв.
Висновки
Проведена робота дозволили зробити так висновки: 1. Термпним способом вперше отримано високо-марганцеву термiтну сталь, а у склащ екзотермiчноl шихти для И синтезу застосовано пус' ери - вщходи ли-варного виробництва. Використання кожно1 тонни пус'ер дозволяе повернути у виробництво бiля 230 кг марганцю. 2. Дослвджено властивосл термино1 сталi110Г12л. Ударна в'язк1сть термитах високомар-ганцево1 сталi на 14-17 % вища, нiж у сталi звичайно1 плавки. 3. Запропонована технологiя дозволяе прово-дити зварювання високолегованих сталевих заготовок iз отриманням мiцного зварного шва, крiм цього вона придатна i для синтезу високолегованих сталей термь тним способом при отриманш виливк1в.
Перелiк посилань
1. Золковер М.З., Гридунов А.С., Быльницкий-Бируля С.О. и др. Фасонное литье из термитной стали .- М.: Дориз-дат, 1950. - 48 с.
2. Zhiguts Yu.Yu. Thermit Smelting of Cooper Alloys/Acta metallurgica Slovaca/ Kosice Roanik 5. - №.2. - 1999. -p. 419-421.
3. Жигуц Ю.Ю. О некоторых особенностях легированных термитных сталей /Строительство, материаловедение, машиностроение // Сб. науч. трудов. Вып. 10. - Дн-ск: GAUDEAMUS, 2000. - С. 134-138.
4. Жигуц Ю.Ю. Ресорно-пружинш терм^ш сталi /АЛ^в: Машинознавство, 2002. - №10. - С. 50-52.
5. Жигуц Ю.Ю. Екзотермiчна сумш для живлення ви-ливюв з високолегованих марганцевих сталей // Вюник СумДУ, Суми, 2003, №3(49). - С. 176-179.
6. Жигуц Ю.Ю. Сiрi i бiлi спещальш термiтнi чавуни // Вiсник нацюнального унiверситету "Львiвська полтех-шка". "Оптимiзацiя виробничих процесiв i технiчний контроль у машинобудуванш та приладобудуванш". Львiв: "Львiвська полтехнжа", 2003. - № 480. - С. 148153.
7. Жигуц Ю.Ю. Використання порошкових матерiалiв для синтезу високохромованих неiржавiючих сталей // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобуцуваннi. -Запортжжя, ЗНТУ, 2005. - №2. - С. 26-29.
8. Жигуц Ю.Ю. Використання термггних легованих ча-вушв для живлення прокатних валюв // Вiсник СумДУ, Суми, 2004. - №2(61). - С.134-140.
9. Жигуц Ю.Ю. Патент №2001106813. Екзотермiчна сумш для живлення виливюв з високолегованих сталей. - Бюл. №9. - 2002.
10. Жигуц Ю.Ю., Скиба Ю.Ю., Похмурський В.1., Край-няй I.I. Патент Украши на корисну модель. № u 2005 03319 А МПК: 7В22С9/08. Металотермiчний реактор. Опубл. 17.10.2005. - Бюл. №10.
11. Жигуц Ю., Широков В. Методика розрахунку складу ек-зотермiчних шихт на основi термохiмiчного аналiзу // Львiв: Машинознавство, 2005. - №4. - С. 48-50.
Одержано 11.04.2007
В работе описывается синтез высоколегированных термитных сталей на основе порошковых материалов. Рассмотрено влияние порошковых ингредиентов шихты на свойства синтезированных материалов и особенности их химического состава. Компоновка металлотермической шихты позволила синтезировать высокохромистые стали типа Х17Т, Х25Т и Х28. Полученные результаты исследования способа синтеза, а также механические свойства синтезированных материалов позволяют определить возможные области их использования.
The synthesis of highly alloyed termit steels on the basis ofpowered materials is shown. The influence ofpowered ingredients over synthesized materials properties and peculiarities of their chemical composition are considered. The composition of metal thermal charge made it possible to synthesize highchromium alloys of X17T, X28 type. The results of synthesis method investigation and mechanical properties of synthesized materials give possibilities to determine the ways of their application.
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металургй та машинобудувант №1, 2007
81
