Удосконалювання технології електродугової металізації деталей металургійного устаткування з метою покращення експлуатаційних властивостей покриттів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.06. - “Зварювання та споріднені технології”

Удосконалювання технології електродугової металізації деталей металургійного устаткування з метою покращення експлуатаційних властивостей покриттів

Захаров Сергій Валерійович

Маріуполь 2002

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі ''Устаткування і технологія зварювального виробництва Приазовського державного технічного університету (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор Серенко Олександр Микитович Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь)

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Петров Станіслав Володимирович Заст. директора науково-виробничого підприємства “ТОПАС” м. Київ.

кандидат технічних наук, доцент Пащенко Валерій Миколайович Національний технічний університет України ''Київський політехнічний інститут'' кафедра ''Відновлення і зміцнення деталей машин'' м. Київ.

Провідна установа - Запорізький національний технічний Університет Міністерства освіти і науки України (м. Запорожжя)

Захист відбудеться 4 жовтня 2002 року о 14 на засіданні Спеціалізованої вченої ради К 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, ПДТУ, вул. Університетська 7, м. Маріуполь Донецької області, Україна.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 87500, ПДТУ, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий 30.09.2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор В.О.Маслов

1. Загальна характеристика роботи

електродуговий металізація поршень конвертор

Дисертаційна робота присвячена оптимізації технології електродугової металізації деталей металургійного устаткування. На основі досліджень питань міцності зчеплення електрометалізаційних покрить і поля залишкових напруг запропоноване комплексне вирішення проблеми підвищення міцності зчеплення покриття з основою за рахунок застосування недефіцитних матеріалів з високою міцністю зчеплення у якості підшару, зниження рівня залишкових напруг і кількості оксидів у покритті, удосконалювання розпилювальної системи металізатора для регулювання окислювальної дії вихідного струменя.

Актуальність теми. На даний час електродугова металізація знаходить широке поширення при відновленні і зміцненні зношених і нових поверхонь деталей металургійного обладнання. Цей процес має високу продуктивність, добре регулюється, забезпечує одержання якісного покриття. Недоліком електродугової металізації є відносно низька міцність зчеплення покриття з підкладкою, що приводить у багатьох випадках до часткового або повного відриву покриття. Це пов'язано з низкою факторів, у тому числі і з виникненням поля залишкових напруг у покритті після його нанесення, тому вирішувалось завдання встановлення характеру розподілу поля залишкових напруг у покритті і розробки методів регулювання і зниження його величини. Крім того, для зниження кількості оксидів у покритті з міді, алюмінію та інших матеріалів, застосовуваних при відновленні деталей металургійного обладнання, необхідно забезпечити зниження парціального тиску кисню в зоні плавлення електродів. Таким чином, завдання підвищення міцності зчеплення електрометалізаційного покриття з основою доцільне і може вирішуватися методами оптимізації технології й удосконалювання розпилювальної системи.

На даний момент відсутня математична модель, яка дозволяє виявити розподіл залишкових напруг у нанесеному покритті для оцінки напруженості покрить з урахуванням уточнених величин модуля нормальної пружності для різних розпилювальних матеріалів.

Для вибору матеріалу підшару і реальної оцінки якості покриття необхідний надійний метод оцінки міцності зчеплення покриття з основою, який дозволяє імітувати реальну роботу покриття в напилених деталях, у яких спостерігається вплив на покриття зусиль відриву і зрізу одночасно.

Усе викладене дозволяє зробити висновок про актуальність проблеми підвищення міцності зчеплення покриття з основою шляхом зниження поля залишкових напруг і оптимізації властивостей перехідної зони.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

З тематики дисертації при особистій участі автора виконані науково-дослідні госпдоговірні і держбюджетні роботи (1997 - 2002 роки), у тому числі в рамках плану НДР Міністерства освіти і науки України з тематики “Фізичне формування структури, фазового складу і фізичних властивостей перспективних металевих матеріалів, покрить і тонких шарів” (державний реєстраційний № 0100U002590).

Мета і завдання дослідження. Мета даної роботи полягала у вирішенні частини крупної науково-технічної проблеми - збільшенні міцності зчеплення і працездатності електрометалізаційних покриттів деталей металургійного обладнання типу тіл обертання. Вивчення впливу поля залишкових напруг у перехідній зоні на міцність зчеплення і працездатність покриттів, а також методів регулювання їхньої пористості і кількості оксидів у покритті шляхом управління газодинамікою розпилювального струменя.

Поставлена мета досягалася вирішенням таких завдань:

1. Проведенням аналізу літературних джерел в області утворення газотермічного покриття, його працездатності й обґрунтування напрямків досліджень з підвищення міцності зчеплення з основою;

2. Розробкою математичної моделі формування поля залишкових напруг I-го роду в багатошаровому електрометалізаційному композитному покритті, яка дала можливість аналізувати характер розподілу напруг у покритті;

3. Дослідженням газодинаміки розпилювального потоку і удосконалюванням розпилювальної системи електродугового металізатора;

4. Вивченням існуючих і розробкою нового способу випробувань властивостей газотермічних покрить стосовно до реальних умов роботи нанесених покрить на деталі металургійного обладнання - тіла обертання;

5. Розробкою технологічної документації для промислового освоєння технології електродугової металізації деталей машин.

Об'єкт дослідження - фактори, що обумовлюють утворення газотермічних покрить, нанесених електродуговою металізацією на деталі металургійного обладнання (типу вал, поршень, шток - поршень, ролик і т.д.) з регульованою пористістю, окисленістю і полем залишкових напруг.

Предмет дослідження - міцність зчеплення газотермічних покрить з основою, поле залишкових напруг у покритті, параметри розпилювального струменя електродугового металізатора, процеси, які впливають на працездатність газотермічних покриттів стосовно до використання різних матеріалів при різних параметрах електродугової металізації.

Основними методами дослідження в представленій роботі були: хімічний аналіз, металографічний аналіз покрить при збільшенні (200…1000), метод вимірювання мікротвердості за Виккерсом, оцінки працездатності металу покриття з використанням спеціально розроблених методів і способів дослідження властивостей покрить на відрив і зріз, математичне моделювання формування полів залишкових напруг у покриттях, використання розрахунково-графічних програмних продуктів сучасних персональних комп'ютерів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблено математичну модель визначення одноосьових залишкових напруг I-го роду в покриттях, які наносять на деталі металургійного обладнання пошарово різними технологічними методами (газотермічним напилюванням, електролітично та ін.) при різних модулях пружності основи і покриття. Показано, що розподіл напруг у покритті має різко неоднорідний характер, який змінюється стрибкоподібно на межі переходу (стосовно до газотермічних зносостійких покрить).

2. Розроблено метод розрахунково-експериментального визначення модуля нормальної пружності (модуля Юнга) покрить, які наносять різними способами, за допомогою вимірювання подовження зразків у вихідному стані і з покриттям при розтягуванні із заданим рівнем навантаження.

Установлено, що зносостійкі і корозійностійкі покриття, використовувані для деталей металургійного обладнання (із дротів ПП-ММ-1, Бр.АМц-9, МНЖКТ, 06Х18Н9Т та ін.), отримані електродуговою металізацією, мають модуль пружності в 3...4 рази менший модуля пружності сталевої основи зі Ст3.

3. Отримано оптимальні технологічні режими електродугової металізації поршнів, штоків-поршнів і шийок роликів машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) для промислових умов, які забезпечують заданий комплекс фізико-механічних властивостей електрометалізаційного однорідного покриття зі стабільними відтвореними властивостями із заданою епюрою напруг. Зносостійкість цих покрить підвищується в 1,5…2 рази, при зниженні витрат на їхнє виготовлення в 2...2,5 рази.

4. Запропоновано новий метод формування розпилювального потоку. Розроблено нову розпилювальну систему електродугових металізаторів з осьовим завихренням. Установлено наявність у розпилювальному струмені зон підвищеного і зниженого тиску (розрядження й ущільнення), які впливають на властивості електрометалізаційного покриття.

5. Удосконалений метод визначення сил зчеплення газотермічного покриття з основою включає в себе регульований комплекс сил відриву і зрізу, які відповідають реальним умовам роботи покрить.

6. Запропоновано й обґрунтовано використання в якості підшару, що гаситься полем залишкових напруг і підвищує експлуатаційні характеристики електрометалізаційних покрить міді, корозійностійких і зносостійких покрить, бронзи Бр.АМц-9.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень:

- Розроблена нова методика й установка для оцінки міцності зчеплення газотермічних покрить з основою, найбільш наближена до реальних умов роботи електрометалізаційних покрить.

- На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень дані практичні рекомендації з удосконалювання технологічного процесу одержання металізаційних покрить дротами різного хімічного складу.

- Розроблена і впроваджена технологія виготовлення деталей металургійного і технологічного обладнання (зокрема поршнів і шток-поршнів машини відкривання і встановлення шиберних затворів кисневого конвертера, а також відновлення шийок роликів радіальної криволінійної і горизонтальної дільниць МБЛЗ) у ВАТ “МК”Азовсталь”, м. Маріуполь.

- Застосування розробок на ВАТ “МК”Азовсталь” забезпечило підвищення продуктивності праці, економію енергетичних, сировинних і трудових ресурсів, що дозволило одержати економічний ефект у розмірі 17633,52 грн.

Особистий внесок здобувача. Автором роботи:

- розроблена математична модель визначення поля залишкових напруг у нанесеному покритті і стержні на основі виміру прогину зразка при пошаровому нанесенні покриття, а також:

- розроблений спосіб і математична модель визначення модуля нормальної пружності газотермічних покрить, заснований на вимірюванні величини подовження вихідного і напиленого зразків при розтягуванні силою заданої величини. Установлено значення модуля пружності електрометалізаційних покрить для різних матеріалів;

- удосконалений метод визначення міцності зчеплення газотермічних покрить з основою. Основною особливістю випробування за запропонованою методикою є можливість реалізації одночасного впливу на перехідний шар напруг відриву і зрізу при заданому рівні їхнього співвідношення;

- розглянуті і проаналізовані існуючі матеріали, які пропонуються для нанесення як підшар для покрить і мають низьку адгезійну міцність. Запропонований новий матеріал - бронза Бр.АМц-9, нанесення якого у якості підшару дозволяє підвищити міцність зчеплення покрить і поліпшити експлуатаційні характеристики;

- розроблена нова розпилювальна голівка, яка створює область падіння тиску на виході із сопла в зоні розташування електричної дуги. У ній створюється знижений тиск і відбувається зниження парціального тиску кисню, завдяки чому знижується кількість окислів у покритті і відповідно поліпшується його якість;

- розроблені і впроваджені у виробництво на ВАТ ''МК''Азовсталь'' технології відновлення поршнів машини відкривання і встановлення шиберних затворів кисневого конвертора і відновлення зношених шийок роликів машини безперервного розливання заготовок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися й обговорювалися на:

- IV регіональній науково-технічній конференції (квітень1997р. м.Маріуполь, ПДТУ);

- V регіональній науково-технічній конференції (квітень 1998 р. м.Маріуполь, ПДТУ);

- I - Українській науково-технічній конференції (Київ, НТУ України “КПІ”, жовтень 1999 р.);

- науковому семінарі “Сучасні досягнення в області зварювання, наплавлення і споріднених технологій” (м. Маріуполь, ПДТУ, листопад 2000р.);

- VIII-ій регіональній науково-технічній конференції, присвяченій 10-річчю Незалежності України (м. Маріуполь, серпень 2001р.);

- міжнародній науково-методичній конференції ''Сучасні проблеми зварювання і споріднених технологій, удосконалення підготовки кадрів'' (м.Маріуполь, 10 - 14 вересня 2001 р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 13 друкованих працях, у тому числі: 4 статті в спеціалізованих виданнях ВАК України і 9 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 171 найменування, 9 додатків і містить 176 сторінок машинописного тексту, 51 рисунок і 4 таблиці.

2. Основний зміст роботи

У вступі висвітлені сутність і стан наукової проблеми, обґрунтована необхідність проведення досліджень і представлені методи вирішення поставлених завдань.

У першому розділі зроблений аналіз факторів, що впливають на адгезійну і когезійну міцність газотермічних покрить. Розглянуто загальні підходи до аналізу механізму зчеплення газотермічного покриття з основою і, зокрема, вплив залишкових напруг і окислювальної здатності розпилювального струменя електродугових металізаторів.

У процесі роботи електрометалізаційні покриття деталей, зокрема металургійного обладнання, піддаються тертю і зносу. Під час процесу тертя найчастіше відбувається викришування, відшарування і відкол усього покриття. Основною причиною цього є високий рівень залишкових напруг у покритті та недостатня міцність зчеплення газотермічного покриття з основою. Проблема міцності зчеплення часток з поверхнею деталі - одна з основних у теорії і практиці газотермічного нанесення покрить, у тому числі при електродуговій металізації.

Окремі дослідники розглядають спосіб підвищення міцності зчеплення і зниження внутрішніх напруг покрить, який полягає у нанесенні легкоплавких підшарів, що дозволяють поряд з необхідним узгодженням властивостей знизити температуру початку дифузійної взаємодії компонентів і забезпечити релаксацію напруг у мікрообсягах при напилюванні більш тугоплавкого зовнішнього шару. Застосування легкоплавких металів і сплавів як підшарів виправдано в тому випадку, коли вони добре змочують матеріал основи і верхнього шару покриття, хоча б частково мають властивість відновлювати оксиди металу основи і покриття, що накладається на них, мають низький модуль пружності і достатню міцність, які забезпечують оптимальні пружнопластичні і міцнісні властивості перехідної зони. На підставі цього в роботі проведені дослідження нового матеріалу підшару - бронзи Бр.АМц-9, що є недефіцитною для підприємства ВАТ ''МК''Азовсталь'', замість дорогих і дефіцитних: кадмію, молібдену і евтектичного сплаву Sn (61%) - Pb (39%). Підвищена міцність зчеплення нанесених на неї міді МНЖКТ-5-01-02-02, алюмінію АНВ, корозійностійких сталей, сталей типу 65Г, Ст 45 та ін. досягається за рахунок зниження інтенсивності залишкових напруг у перехідній зоні.

Даний напрямок підвищення міцності зчеплення покрить і зниження внутрішніх напружень є перспективним, але мало вивченим. У літературі відсутні практичні рекомендації з поєднання матеріалів підшару з основними напилювальними матеріалами.

Одним зі шляхів підвищення адгезійної і когезійної міцності газотермічних і, зокрема, електрометалізаційних покрить, розглянутих у літературі, є можливість регулювання окислювальної здатності газоповітряного розпилювального струменя.

На даний час розроблено велику кількість варіантів розпилювальних голівок до більшості електродугових металізаторів, що випускаються промисловістю. Однак існуючі розпилювальні голівки для нанесення покрить рідко знаходять застосування через складність виготовлення окремих деталей і специфічності їхніх матеріалів, а прості за конструкцією - не відповідають високим вимогам до створення двофазного розпилювального струменя. У роботі запропоновано використання вихрового сопла для поліпшення властивостей двофазного розпилювального струменя.

У другому розділі розглянуті розроблені методики визначення залишкових напруг у газотермічному покритті з уточненим значенням модуля пружності металу напиленого шару. Запропоновано методику, що дозволяє визначити рівень міцності зчеплення в умовах близьких до реальних умов роботи покрить деталей металургійного обладнання. Розроблені методики дозволяють визначити величину і характер залишкових напруг у газотермічному покритті і більш всебічно дати оцінку міцності перехідного шару.

Техніка визначення модуля пружності складається з двох етапів. На першому етапі визначається модуль пружності основного металу (підкладки) Е2 шляхом розтягування зразка без напилювання заданою силою Рз.

(1)

де l0 - довжина робочої частини зразка на який виміряється подовження Дl2;

F2 - площа поперечного перерізу зразка.

Ця сила сприймається як зразком (P2), так і напиленим шаром (P1), тобто

. (2)

Під дією сили Рз зразок разом з напиленим шаром одержить подовження Дl1. Тоді складові сили Рз знайдемо за залежностями:

; , (3)

де - модуль пружності металу покриття, МПа;

- загальна площа поперечного перерізу напилених шарів, см2.

Підставляючи (3) у (2), виражаючи Рз із (1), отримаємо вираз для :

. (4)

Дана методика дозволяє визначити модуль пружності практично для всіх матеріалів, які наносять газотермічними, електролітичними, гальванічними й іншими методами. У таблиці 1 наведені результати визначення модуля пружності для деяких матеріалів покриття.

Таблиця 1 Значення модулів пружності покрить

Тип електродного дроту	Модуль пружності напиленого металу, Е1, МПа
ПП-ММ-1	0,559 105	3,712
06Х18Н9Т	0,559 105	4,125
08М2С	0,559 105	3,087
Бр.АМц-9	0,559 105	3,980

Примітка. Модуль пружності основного металу (підкладки) дорівнює: Е2 = 2,074 105 МПа.

Автором розроблений досить простий метод визначення одноосьових напруг у покриттях, які наносять різними технологічними прийомами (газотермічним напилюванням, електролітично та ін.) на призматичні стержні. В основу покладений відомий підхід про заміну залишкових напруг у шарі, що видаляється, зворотними залишковими напругами, що викликають деформації і переміщення іншої частини стержня. Запропонований і досліджений варіант визначення залишкових напруг при нарощуванні шарів на призматичний стержень з наступним виміром прогину зразка, причому модуль пружності покриття може відрізнятися від модуля пружності стержня.

У третьому розділі розглянуте питання формування напруженого стану в покритті і міцності зчеплення його з основою при різних технологічних варіантах напилювання.

Використовуючи відомий метод визначення залишкових напруг Біргера-Давиденкова отримали розрахункові залежності, що зв'язують величину залишкових напруг у нанесеному шарі з вимірюваними деформаціями ( ) або переміщеннями (f- прогин) стержня.

Розглянемо призматичний стержень висотою з модулем пружності Е2, на який нанесено покриття а з модулем пружності Е1. Припустимо, що осьові залишкові напруги постійні по довжині стержня l (за винятком зони крайового ефекту по кінцях стержня

.

Після нанесення елементарного шару товщиною da напруги, що виникають у ньому , викликають стискування і вигин стержня елементарною силою

,

під дією якої у крайньому нижньому волокні стержня виникнуть напруги стискуання:

, (5)

і напруги вигину:

, (6)

де , - жорсткість біметалічного стержня на стиск і вигин відповідна;

- відстань від нижньої грані стержня до наведеного центру ваги перетину після нанесення шару товщиною.

Твердість стержня на стискування визначиться із співвідношення:

. (7)

Після інтегрування і деяких перетворень вираз (7) можна представити в такому вигляді:

, (8)

де ; .

Жорсткість перетину стержня на вигин визначиться зі співвідношення:

. (9)

Проінтегрувавши (9) і зробивши деякі перетворення, отримаємо:

, (10)

де .

Відстань визначається з умови:

. (11)

Після інтегрування і деяких перетворень отримаємо:

, (12)

Деформація у крайньому нижньому волокні стержня від дії елементарної сили :

, (13)

Після підстановки у (13) вираів (8), (10), (12) і перетворень будемо мати:

, (14)

де: .

З виразу (14): . (15)

Нанесення наступних (після шару а) шарів покриття до остаточної його товщини приведе до виникнення у шарі а додаткових напруг , які спільно з напругами (15) дозволять визначити повні залишкові напруги у розглянутому шарі:

. (16)

Для визначення величини потрібно розглянути, що відбудеться, якщо нанести додатковий шар . У цьому випадку на стержень починають діяти зусилля

і момент

, які створюють у шарі а напруги:

. (17)

Якщо врахувати, що додаткові напруги у шарі , які виникають при його нанесенні, визначаються формулою (15), при заміні а на , то після інтегрування отримаємо:

, (18)

Величини , , , - визначаються з формул (8), (10), (12), (14) заміною а на .

Зі співвідношень (15), (16) і (18) випливає основна розрахункова формула для визначення залишкових напруг у біметалічних стержнях прямокутного перетину методом виміру повздовжньої деформації:

. (19)

У деяких випадках більш прийнятним є метод виміру прогину зразка при пошаровому нарощуванні товщини покриття.

Після нанесення елементарного шару товщиною da сила d, що виникає в ньому, викликає вигин стержня моментом , що приводить до зростання прогину стержня на величину:

, (20)

Звідки: . (21)

Додаткові напруги в розглянутому шарі а при виконанні наступних шарів будуть визначатися за аналогією з формулами (17) і (18), з яких з урахуванням залежності (16), випливає основна розрахункова формула для визначення залишкових напруг у покриттях методом виміру прогину стержня:

(22)

Одержавши в результаті експерименту залежність величини деформації крайнього волокна (перший метод) або величини прогину середини зразка (другий метод) від товщини нанесеного покриття можна за виразами (19) і (22) розрахувати величину залишкових напруг у будь-якій точці по товщині напиленого шару. Необхідні для цих розрахунків значення похідних і можна визначити параболічною апроксимацією будь-яким іншим способом. Наближене значення інтеграла обчислюється будь-яким чисельним методом.

Прогин вважається позитивним, якщо він спрямований у сторону від виконуваного шару. Якщо при розрахунку по виразами (19) чи (22) величина виявляється позитивною, то залишкові напруги розтягувальні.

У деяких випадках напилювання деталей необхідна товщина покриття досягається за одне проходження. Тому визначення величини і характеру розподілу залишкових напруг у ньому можна визначити, використовуючи пошарове видалення покриття шляхом механічної обробки, наприклад, шліфуванням. Такий прийом використаний рядом авторів.

У роботі викладена процедура визначення залишкових напруг у напиленому стержні на основі розробленого алгоритму і Mathcad - програми, яка дозволяє виконати розрахунки на ПЭОМ IBM PC у діалоговому режимі. Ілюстрація отриманих результатів наведена.

З представленого графіка розподілу напруг у напиленому стержні видно, що залишкові напруги в перехідній області (а = 0) змінюються від напруг розтягування в покритті до напруг стискування у верхніх шарах основи. Такий різкий перепад викликає “стрибок” напруг, величину якого можна знайти за залежністю (з урахуванням знака)

(23)

Відповідно, чим більший “стрибок”, тим більша ймовірність відколу покрить.

У роботі досліджений вплив основних технологічних параметрів на величину “стрибка” напруг для декількох типів матеріалів, які напилюються. Визначено міцність зчеплення покриття з основою за новою методикою і показаний зв'язок між величиною “стрибка” напруг і опором відриву.

Одержавши в результаті розрахунку величину “стрибка” напруг для різних матеріалів, запропоновано для використання підшару бронзу Бр.АМц-9, що гасить поле напруг і підвищує міцність зчеплення покриття. З мікроструктури видно незначне (недостатнє) зчеплення Ст 3 і міді МНЖКТ, наявність прошарку окислів на межі зчеплення.

У четвертому розділі представлене вирішення питання поліпшення якості і працездатності металопокриттів, а також збільшення міцності зчеплення покрить з основою на деталях металургійного обладнання способом перетворення повітряного розпилювального струменя металізатора.

Запропоновано нову конструкцію розпилювальної голівки, за допомогою якої стало можливим регулювати окислювальну здатність газоповітряного розпилювального струменя. Представлено результати досліджень, а також методика дослідження газодинамічних властивостей розпилювального потоку, який виходить з вихрового сопла металізатора.

Дотепер відомі роботи, в яких проводилися дослідження на установках, які імітують розпилювальні системи металізаторів без запаленої дуги, отже, не розглядався вплив дуги на формування розпилювального струменя, а це не відображає реальні процеси, які відбуваються у струмені.

У даній роботі вперше виконані дослідження з оцінки сумарного тиску газового потоку при проходженні його через дуговий проміжок. Установлено, що з внесенням у повітряний потік електродів із запаленою дугою значно збільшується тиск і змінюється характер потоку в області горіння дуги. Збільшення тиску відбувається внаслідок термічного розширення миттєво нагрітого дугою газу. Слід зазначити, що підвищення тиску відбувається від рівня, одержуваного в цій області завихреного потоку, тобто потоку з низьким локальним тиском.

У п'ятому розділі наведені результати вибору і промислового випробування оптимальних режимів електродугової металізації деталей металургійного обладнання, що проводилося в умовах ВАТ “МК“Азовсталь” при відновленні шийок роликів машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) різних діаметрів 215…380 мм із діаметром зношених шийок 80...140 мм, а також різних поршнів і шток-поршнів машин навішування і відкривання шиберних затворів кисневого конвертора.

Згідно з результатами проведених досліджень і рекомендацій із застосування електрометалізаційних покрить запропонований до впровадження технологічний процес відновлення різних деталей механічного і металургійного обладнання типу тіл обертання (поршень, вал, кільце, вісь, ролик та ін.), які мають підвищені вимоги до робочої поверхні, а також високі витрати на їхнє відновлення і ремонт звичайним способом.

Економія матеріальних ресурсів від впровадження у виробництво теоретичних і практичних розробок, представлених у дисертаційній роботі в цілому, складає 17632,42 грн./рік.

Загальні висновки

1. У дисертаційній роботі вирішена проблема підвищення технологічних властивостей металізаційних покрить, які наносять на деталі машин металургійного обладнання шляхом підвищення міцності зчеплення покрить за рахунок обґрунтованого застосування недефіцитного й ефективного підшару, зниження оксидної складової покриття завдяки застосуванню нової розпилювальної системи, в основу якої покладений принцип вихрового витікання газового потоку.

2. Розроблено математичну модель визначення одноосьових залишкових напруг I-го роду в покриттях, які наносять пошарово різними технологічними методами (газотермічним напилюванням, електролітично та ін.) при різних модулях пружності основи і покриття.

Показано, що розподіл напруг у покритті має різко неоднорідний характер, що змінюється стрибкоподібно на межі переходу (стосовно до газотермічних зносостійких покрить).

3. Розроблено метод розрахунково-експериментального визначення модуля нормальної пружності (модуля Юнга) покрить, які наносять різними способами за допомогою вимірювання подовження зразків у вихідному стані і з покриттям при розтягуванні з заданим рівнем навантаження.

Установлено, що зносостійкі і корозійностійкі покриття, використовувані для деталей металургійного обладнання (із дротів ПП-ММ-1, Бр.АМц-9, МНЖКТ, 06Х18Н9Т та ін.), отримані електродуговою металізацією, мають модуль пружності в 3...4 рази менший модуля пружності сталевої основи зі Ст3.

4. Отримано оптимальні технологічні режими електродугової металізації поршнів, шток-поршнів і шийок роликів машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) для промислових умов, що забезпечують заданий комплекс фізико-механічних властивостей електрометалізаційного однорідного покриття зі стабільними відтвореними властивостями із заданою епюрою напруг. Зносостійкість цих покрить підвищується в 1,5 - 2 рази при зниженні витрат на їхнє виготовлення в 2...2,5 рази.

5. Розроблено нову розпилювальну систему електродугових металізаторів з осьовим завихренням, яка дозволяє одержати в розпилювальному струмені зони підвищеного і зниженого тисків (розрядження й ущільнення), які впливають на властивість покрить. Експериментальним шляхом підтверджена наявність розрядження в зоні горіння дуги. Застосування нової розпилювальної системи дозволило знизити кількість оксидної фази в покритті на 14 % і підвищити міцність зчеплення з основою в середньому на 10 %.

6. Вперше використаний новий метод визначення сил зчеплення газотермічного покриття з основою, що включає в себе регульований комплекс сил відриву і зрізу, які відповідають реальним умовам роботи покрить.

7. Запропоновано й обґрунтовано використання підшару бронзи, який гасить поле залишкових напруг і підвищує експлуатаційні характеристики електрометалізаційних покрить міді, корозійностійких і зносостійких покрить.

8. Розроблено технологічний процес і комплекс обладнання для електродугової металізації різних деталей типу тіл обертання на ВАТ “МК “Азовсталь” дротами ПП-ММ-1 і МНЖКТ-5-01-02-02 з нанесенням підшару бронзи, які дозволили досягти підвищення терміну служби деталей (ролики, поршні, шток-поршні та ін.) на 7 - 15 % за рахунок особливих властивостей покриття (пористість, наявність твердих включень та ін.). Економічний ефект від впровадження складає 17633,52 грн.

Основний зміст дисертації опубліковано у таких роботах

1. Серенко А.Н., Роянов В.А., Захаров С.В. Определение остаточных напряжений в покрытиях при разных модулях упругости стержня и покрытия // Вестник Приазовского гостехуниверситета: Сб. науч. трудов.-Мариуполь, 1998.- № 6.- С. 170-174.

2. Серенко А.Н., Роянов В.А., Захаров С.В. Модуль упругости металла покрытия // Вестник Приазовского гостехуниверситета: Сб. науч. трудов.-Мариуполь, 1999.- № 8.- С.

3. Роянов В.А., Серенко А.Н., Захаров С.В. Пути повышения прочности сцепления газотермических покрытий // Вісник Приазовського держтехуніверситету: Сб. науч. трудов.- Мариуполь, 2000.- № 10.- С.138-141.

4. Захаров С.В., Серенко А.Н., Роянов В.А. Остаточные напряжения и прочность сцепления покрытий при газотермическом напылении // Сварочное производство. 2002. № 3.

5. Роянов В.А., Серенко А.Н., Захаров С.В. Исследование свойств распыляющего потока и характера распределения давления между торцами электродов при дуговой металлизации порошковыми проволоками. Тезисы докладов I-Украинская научно-техническая конференция г. Киев НТУУ ''КПИ'' октябрь 1999 г.

6. Серенко А.Н., Роянов В.А., Захаров С.В. Новая методика оценки прочности сцепления покрытия с подложкой. Тезисы докладов научного семинара “Современные достижения в области сварки, наплавки и родственных технологий” г. Мариуполь ПГТУ ноябрь 2000г.

7. Серенко А.Н., Роянов В.А., Захаров С.В. Влияние технологических параметров напыления на прочность сцепления слоя с подложкой. Тезисы докладов VIII-ой региональной научно технической конференции, посвящ. 10-летию независимости Украины. г. Мариуполь ПГТУ 2001г.

8. Серенко А.Н., Роянов В.А., Захаров С.В. Прочность сцепления покрытий при газотермическом напылении. Тезисы докладов международной научно-методической конференции ''Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров'' 10 - 14 сентября 2001г., г. Мариуполь.

Аннотация

Захаров С.В. Совершенствование технологии электродуговой металлизации деталей металлургического оборудования с целью улучшения эксплуатационных свойств покрытий - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.06.03 - “Сварка и родственные технологии”. - Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2002 г.

Диссертационная работа посвящена совершенствованию технологии электродуговой металлизации деталей металлургического оборудования в частности шеек роликов машины непрерывного литья заготовок, различных поршней и шток-поршней машины навешивания и открывания шиберных затворов кислородного конвертора металлургического комбината “Азовсталь” (г.Мариуполь) с целью улучшения эксплуатационных свойств покрытий.

В работе предложена новая распыляющая головка электродугового металлизатора, создающая падение давления на срезе сопла, снизившая количество окислов в покрытии на 14 % и дисперсность на 5…15 % . За счет этого произошло повышение адгезионной прочности в среднем на 8…12 %. При использовании данной головки стало возможным регулировать окислительную способность распыляющей струи металлизатора, что позволило приблизить химический состав напыленного покрытия к исходному (хим.состав распыляемых проволок) в случае напыления материалов с высокой степенью окисления, таких как медь, алюминий и пр.

С помощью усовершенствованной методики исследований свойств распыляющего потока, позволяющей измерять Р? при наличии дуги между электродами, подтвердили влияние наличия электродов на форму и свойства распыляющей струи, которые показали наличие скачка давления в зоне горения дуги и теневой эффект падения давления при обтекании электродов газовым потоком.

В работе разработан достаточно точный и надежный способ оценки величины модуля нормальной упругости (модуль Юнга) покрытий, наносимых послойно (газотермических, гальванических и т.д.). В основу метода положено измерение величины удлинения исходного и напыленного образцов при растяжении силой по установленному закону.

Разработана новая математическая модель определения остаточных напряжений в нанесенном покрытии, позволяющая определить величину напряженного состояния покрытия с учетом уточненного модуля нормальной упругости, позволившая дать обоснование выбору материала подслоя, обладающего низкой напряженностью, т.е. имеет минимальные скалывающие напряжения в зоне сцепления.

Предложено использовать в качестве подслоя бронзу марки БрАМц-9, которая обеспечивает высокий уровень адгезионной прочности напыляемых материалов типа: медь (МНЖКТ), алюминий, коррозионностойкая сталь 06Х18Н9Т и др. на детали металлургического оборудования. При использовании бронзового подслоя получена прочность сцепления меди, алюминия и других материалов, имеющих низкую сцепляемость со сталью, на уровне 50…55 МПа, что соответствует уровню специализированных порошковых проволок.

Промышленное опробование оптимальных режимов электродуговой металлизации деталей металлургического оборудования проводилось в условиях ОАО “МК“Азовсталь” при восстановлении шеек роликов машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) различных диаметров 215…380 мм с диаметром изношенных шеек 80…140 мм, а также различных поршней и шток-поршней машин навешивания и открывания шиберных затворов кислородного конвертора.

Ключевые слова: электродуговая металлизация, поле остаточных напряжений, прочность сцепления, напыленное покрытие, математическое моделирование, оптимизация режима металлизации.

Анотація

Захаров С.В. Удосконалювання технології електродугової металізації деталей металургійного обладнання з метою поліпшення експлуатаційних властивостей покриттів - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.06.03 - “Зварювання і споріднені технології”. - Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2002 р.

Дисертаційна робота присвячена удосконалюванню технології електродугової металізації деталей металургійного обладнання зокрема шийок роликів машини безперервного лиття заготовок, різних поршнів і шток-поршнів машини навішування і відкривання шиберних затворів кисневого конвертора металургійного комбінату “Азовсталь” (м. Маріуполь) з метою поліпшення експлуатаційних властивостей покриттів.

Промислове випробування оптимальних режимів електродугової металізації деталей металургійного обладнання проводилося в умовах ВАТ “МК“Азовсталь” при відновленні шийок роликів машини безперервного лиття заготовок (МНЛЗ) різних діаметрів 215…380 мм із діаметром зношених шийок 80…140 мм, а також різних поршнів і шток-поршнів машин навішуваня і відкривання шиберних затворів кисневого конвертора.

Ключові слова: електродугова металізація, поле залишкових напруг, міцність зчеплення, напилене покриття, математичне моделювання, оптимізація режиму металізації.

Summary

Zakharov S.V. The perfection of technology electroarc metallization of metallurgical equipment parts for the purpose of operational coatings properties improvement - Manuscript.

Thesis for a Candidates of engineering sciences degree in 05.03.06 Welding and related technologies speciality.- Priazovskiy Technical University, Mariupol, 2002.

The thesis is devoted to the perfection of technology of electroarc metallization of metallurgical equipment parts in particular roll necks of continuous - casting machine, different kinds of pistons suspending and opening shibere locks machine of metallurgical works Azovsteel oxygen converter (in Mariupol) for the purpose of operational coatings properties improvement.

The industrial testing of optimum rates of electroarc metallization of metallurgical equipment parts were carried out in the conditions of Open joint stock company Azovsteel under the restoration roll necks of continuous casting machine of different diameters 215…380 mm with the diameter of worn-aut necks 80…140 mm and with different kinds of suspending and opening shiber lock machine of oxygen converter.

Key words electroarc metallization, field of residual tension, adhesion firmness, metal spraying coating (metallization), mathematical modeling, optimization of metallization rates.

Размещено на Allbest.ru

...