Покращення структури і властивостей деталей електровозів, відновлених електрошлаковим наплавленням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Запорізький національний технічний університет

УДК 669.187.56

05. 02. 01 - Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Покращення структури і властивостей деталей електровозів, відновлених електрошлаковим наплавленням

Парахнєвич Євген Миколайович

Запоріжжя-2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович, Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри "Машини і технологія ливарного виробництва"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, Кусков Юрій Михайлович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук, доцент Білоник Ігор Методійович, Запорізький національний технічний університет, доцент кафедри "Обладнання та технології зварювального виробництва"

Захист відбудеться "26" жовтня 2010 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського,64.

Автореферат розіслано "23"вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, доцент О.А. Мітяєв

Анотації

Парахнєвич Є.М. Покращення структури і властивостей деталей електровозів, відновлених електрошлаковим наплавленням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - Матеріалознавство. - Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2010.

Дисертація присвячена актуальному питанню підвищення ресурсу роботи деталей електровозів, відновлених електрошлаковим наплавленням.

Як показали дослідження, в процесі відновлення деталей не завжди отримуємо якісну зону сплавлення. Присутність в них несприятливих крихких структур, плівкових неметалевих вкраплень, дефектів газового походження є одними з причин руйнування деталей в процесі експлуатації.

Основними положеннями роботи є обґрунтування процесів формування зон сплавлення при наплавленні сталей електрошлаковою технологією. електровіз руйнування термічний

Вивчено вплив мікроструктури, неметалевих вкраплень, вмісту сірки, режимів термічного оброблення, малоциклової утоми на якість зон сплавлення.

Визначено, що зі збільшенням кількості відновлень збільшується стійкість металу основи при малоцикловій утомі.

Запропоновані режими термічного оброблення для близьких за хімічним складом сталей дозволили проведення п'ятиразового наплавлення.

Ключові слова: хімічний склад, структура, неметалеві вкраплення, механічні властивості, зона сплавлення, малоциклова утома, десульфурація, дифузія, флюс.

Парахневич Е.Н. Улучшение структуры и свойств деталей электровозов, восстановленных электрошлаковой наплавкой. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. - Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2010.

Диссертация посвящена решению актуальной научно - технической задачи - повышению ресурса работы деталей электровозов, восстановленных электрошлаковой наплавкой.

Основными положениями работы являются обоснования процессов формирования зон сплавления при наплавке сталей при различных вариантах.

Изучено влияние следующих факторов на качество зоны сплавления при наплавке: макроструктуры, микроструктуры, неметаллических включений, режимов термической обработки, малоцикловой усталости и др. Для решения поставленных задач применяли современные приборы и технологии.

Разработана методика выявления зоны сплавления и даны рекомендации по определению механических свойств восстановленных деталей.

Проведен анализ вариантов наплавок однородных, близких и разнородных по химическому составу марок сталей, которые применяются при восстановлении деталей на ОАО "ЗЭРЗ".

Установлено влияние микроструктуры, неметаллических включений и термической обработки на свойства зоны сплавления. Определено, что неметаллические включения в зоне сплавления дисперсные (размером 0,5…5 мкм), имеют благоприятную глобулярную форму, равномерно распределены по объему металла, они не влияют на снижение механических свойств, так как их размер выходит за размер т. наз. "критических" включений. Установлено, что основными факторами, которые влияют на уровень механических свойств, являются начальный этап наплавки (разводка) и термическая обработка.

Определены режимы термической обработки при наплавке близких по химическому составу сталей, что приведет к повышению ресурса работы восстановленных деталей электровозов.

Исследован процесс десульфурации на примере наплавок сталей с большим содержанием серы. Показано, что даже при значительном количестве серы (0,06…0,08) % образуется качественная зона сплавления. Очищение металла основы от примесей серы является результатом прохождения диффузионных процессов по вакансионному механизму, что подтверждается данными рентгеноспектрального микроанализа.

Определено, что выбранный для близких по химическому составу сталей режим термической обработки (закалка при температуре 810 єС с охлаждением в масле и отпуском при температуре 600 єС с охлаждением на воздухе) позволил проведение пятиразовой наплавки с сохранением уровня механических свойств, предъявляемых к деталям электровозов.

Благодаря применению пятиразового восстановления деталей снижаются стоимость и сроки ремонта электровозов.

Определено, что с увеличением количества восстановлений одной и той же детали, металл основы подвергается действию "маятниковой" термической обработки, благодаря чему стойкость металла основы при малоцикловой усталости (МЦУ) повышается, что позволяет повысить ресурс работы восстановленных деталей.

Результаты исследования зон сплавления разных вариантов наплавки позволили прогнозировать со значительной вероятностью возможное место разрушения деталей электровозов. Это позволяет усовершенствовать конструкцию (геометрию) деталей электровозов с целью повышения ресурса их работы.

Ключевые слова: химический состав, структура, неметаллические включения, механические свойства, зона сплавления, малоцикловая усталость, десульфурация, диффузия, флюс.

Parahnevich E. N. Improvement of structure and properties of parts of electric locomotives restored by electroslag technology. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of Candidate of technical sciences on speciality 05.02.01 - Material Science. - Zaporizhzhye National Technical University, Zaporizhzhye, 2010.

The dissertation is devoted to the decision of actual problem of increase of service life of parts of electric locomotives restored by electroslag method.

The main provisions of the work involve substantiation of fusion zones' formation in restoration of steels by electroslag technology.

The influence of microstructure, non-metallic inclusions, sulfur content, mode of the heat treatment, and low-cycle fatigue on quality of the fusion zones has been studied.

It was determined, that with increase in amount of restorations the durability of metal matrix at low-cycle loading raises.

The proposed modes of the heat treatment for similar in chemical composition steels have allowed to carry out fivefold facing.

Keywords: chemical composition, structure, non-metallic inclusions, mechanical properties, fusion zone, low-cycle fatigue, desulfurization, diffusion, flux.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема вторинного використання деталей, що вийшли із ладу, стоїть досить гостро для машинобудівної галузі України. Однією з ефективних технологій відновлення зношених деталей є технологія, яка базується на електрошлаковому наплавленні (ЕШН). Використання цього методу особливо перспективне для відновлення деталей рухомого складу залізничного транспорту.

Під час експлуатації електровозів із ладу виходить лише частина деталі, маса якої складає (10…12) % від загальної маси деталі. Роботу відновлених деталей, їх робочий ресурс, експлуатаційну надійність в деяких випадках лімітує якість зони сплавлення та зон термічного впливу. Присутність в цих зонах несприятливої крихкої структури, плівкових неметалевих вкраплень, пор, дефектів газового походження викликає руйнування відновлених деталей по зоні сплавлення. Не висвітлені питання щодо впливу шкідливих домішок, зокрема сірки, на структуру, природу і морфологію неметалевих вкраплень в зонах сплавлення.

Актуальним залишається питання визначення впливу складових структури, неметалевих вкраплень, технологічних параметрів на рівень механічних властивостей зон сплавлення, отриманих електрошлаковим наплавленням.

Певну зацікавленість викликають дослідження стосовно вибору режиму термічного оброблення (ТО) для кожної відновленої деталі, можливість багаторазового наплавлення однієї й тієї ж деталі, та визначення впливу кількості відновлень на малоциклову утому (МЦУ).

Таким чином, вирішення основної задачі роботи з отримання металу електрошлакових наплавлень з підвищеними механічними властивостями забезпечить експлуатаційну надійність та високий ресурс роботи відновлених деталей рухомого складу залізничного транспорту. Це досягається вивченням процесів структуроутворення при наплавленні однорідних, близьких і різнорідних за хімічним складом сталей.

Отримані результати дозволять вибрати режими термічного оброблення відновлених деталей, одержати мінімальну ширину зони сплавлення з відсутністю в ній крихких структур, несприятливих форм неметалевих вкраплень, що забезпечить довготривалу стійкість відновлених деталей.

Зв'язок досліджень з науковими програмами, планами, темами. Основні етапи роботи виконані відповідно з тематичними планами кафедральних робіт Запорізького національного технічного університету за темами: "Розробка рекомендацій по технології і оснастці для отримання високоякісних виливків" ГД № 1126; "Підвищення якості матеріалів та виливків" ГД № 1116 (рішення НТР ФТІ № 11 від 31.05.2006 р.); "Розробка теоретичних та практичних основ формування високоякісних з'єднань металів та сплавів електрошлаковою технологією" ДБ № 01117, номер державної реєстрації №0107U000438; "Теоретичні та практичні аспекти отримання високоякісних біметалевих заготовок електрошлаковим наплавленням", ДБ № 01110, номер державної реєстрації №0110U00139.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є отримання якісних зон сплавлення з підвищеними механічними властивостями, не нижче ніж у основи і наплавленого металів.

Відповідно до мети були визначені наступні задачі досліджень:

1) вибрати варіанти експериментальних електрошлакових наплавлень для однорідних, близьких та різнорідних за хімічним складом сталей;

2) встановити закономірності формування структури і трансформації неметалевих вкраплень в зонах сплавлення за різними варіантами;

3) визначити вплив режимів термічного оброблення на механічні властивості металу електрошлакового наплавлення;

4) отримати залежності впливу багаторазового відновлення деталей на властивості металу зон сплавлення.

Об'єкти дослідження - метал деталей привода й підвіски електровозів ЧС - 2, ЧС - 4, ЧС - 8, відновлених електрошлаковим наплавленням.

Предмет дослідження - хімічний склад, структура, неметалеві вкраплення, феритне зерно, твердість, мікротвердість, межа текучості, тимчасовий опір, відносне подовження, відносне звуження, ударна в'язкість, малоциклова утома.

Методи дослідження: рентгеноспектральний мікроаналіз, рентгеноструктурний аналіз, фрактографічний аналіз, імпульсний луна - метод, метод пенетрацї, металографічний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Проведено комплексне дослідження і показано вплив хімічного складу, структури, природи неметалевих вкраплень, термічного оброблення на механічні властивості металу зони сплавлення, основного і наплавленого металів. Розробка відрізняється вивченням широкого спектру факторів впливу на якість металу електрошлакового наплавлення. Встановлено, що вирішальну роль на формування властивостей електрошлакового наплавлення відіграють термічне оброблення і неметалеві вкраплення.

2. Експериментально установлено вплив термічного оброблення на властивості металу електрошлакових наплавлень, що приводить до суттєвого зменшення розміру зерна (в середньому з 9 до 5 мкм) та подрібнення мікроструктури сталей в усіх варіантах відновлень (в середньому від 3 до 6 разів). Розробка відрізняється підбором режимів термічного оброблення відповідно до хімічного складу зони сплавлення, що надає можливість збільшити показники механічних властивостей відновлених деталей.

3. Визначено, що майже повна відсутність неметалевих вкраплень в зоні сплавлення сприяє отриманню підвищених механічних властивостей металу відновлених деталей (ут на 5…30 %, KCU на 10…58 %, д на 7…30 %, ш на 15…32 %). Установлено, що присутність незначної кількості вкраплень в зоні сплавлення розміром 0,5…1,5 мкм (так званого "критичного" розміру) не знижує рівня механічних властивостей відновлених деталей. Розробка відрізняється вивченням усіх розмірних груп вкраплень в зоні сплавлення і з'ясовано, що їх розмір не перевищує розміру так званих "критичних" вкраплень, які вже практично не впливають на зниження механічних властивостей. Це дає можливість прогнозувати експлуатаційну стійкість відновлених деталей.

4. Доведено, що процес десульфурації найбільш інтенсивно проходить в зоні сплавлення. Показано, що навіть при значній кількості сірки (0,06…0,08)% в металі основи та електрода, вона практично відсутня в металі зони сплавлення із-за великої поверхні реагування шлак-метал та активності флюсу. Розробка відрізняється визначенням процесів, за якими проходить десульфурація при електрошлаковому наплавленні. Це дозволяє зробити висновок, що навіть при високому вмісті сірки утворюється чиста за неметалевими вкрапленнями зона сплавлення.

5. Уперше встановлено, що метал у зоні сплавлення має такі ж показники малоциклової утоми як і метал основи. Малоциклова утома металу основи зростає зі збільшенням кількості наплавлень із-за "маятникового" термічного оброблення металу основи. Розробка відрізняється вивченням малоциклової утоми при різних ступенях деформації основного, зони сплавлення і наплавленого металів. Зростання показників малоциклової утоми пояснюється тим, що в процесі відновлень деталей метал основи зазнає дію "маятникового" термічного оброблення.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблена технологія п'ятиразового відновлення однієї й тієї ж деталі електрошлаковим наплавленням близьких за хімічним складом сталей.

2. Показано, що якість металу деталей, відновлених кілька разів, відповідає вимогам технічних умов для деталей електровозів. Механічні властивості металу відновлених деталей знаходяться на рівні одноразового відновлення.

3. Максимальна кількість відновлень однієї деталі не повинна перевищувати п'яти разів.

4. Це дозволяє підвищити експлуатаційні властивості деталей, і, як наслідок, збільшити ресурс роботи електровозів, терміни служби деталей, що підтверджено актом по вдосконаленню технології відновлення деталей з ВАТ "Запорізький електровозоремонтний завод (ЗЕРЗ).

Особистий внесок здобувача. Здобувачем проведено основні теоретичні та експериментальні дослідження по вивченню технологічних чинників і показано вплив хімічного складу, структури, природи неметалевих вкраплень, термічного оброблення на механічні властивості металу зони сплавлення, основного і наплавленого металів. Основні наукові й теоретичні положення дисертації розроблені автором особисто. Здобувач брав участь у проведенні експериментів і дослідженнях. Автор особисто виконав розрахунки, аналіз, обробку, інтерпретацію експериментальних даних та узагальнення отриманих результатів. Автором сформульовано всі основні положення та висновки. У публікаціях, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному:

- аналіз технології відновлення деталей [1, 8];

- представлено особливості будови кристалізатору, вплив складу флюсу і температури на якість сплавлення [2, 10];

- дослідження впливу кількості наплавлень на механічні властивості металу перехідної зони при сплавленні близьких за хімічним складом сталей [3];

- визначення природи неметалевих вкраплень в зоні сплавлення [4, 13];

- розроблення методики визначення зони сплавлення [5, 11];

- дослідження трансформації структури і неметалевих вкраплень в зоні сплавлення [6];

- узагальнення більшості розробок, винаходів у електрошлаковому процесі, які виконані співробітниками кафедри "Машини і технологія ливарного виробництва" [7];

- дослідження впливу кількості наплавлень близьких за хімічним складом металів на мікротвердість перехідної зони [1, 9];

- проведення підрахунку неметалевих вкраплень в зоні сплавлення в зливках з великим (0,06…0,08) % вмістом сірки [14].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на Міжнародних науково - технічних конференціях "Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах" (2000, 2006, 2009 рр., м. Запоріжжя), "Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів" (2005 р., м. Запоріжжя), "Титан 2008: производство и применение" (2008 г., г. Запорожье), а також науково - технічних конференціях і семінарах професорсько - викладацького складу ЗНТУ (2000 - 2009 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 14 друкованих роботах, з них 7 - у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 159 сторінок машинописного тексту, включаючи 27 таблиць, 95 рисунків, список використаних джерел з 113 найменувань на 11 сторінках, 2 додатки на 9 сторінках.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету, задачі, об'єкт, предмет і методи дослідження, наведено інформацію про особистий внесок здобувача, апробацію дисертаційної роботи і публікації.

Перший розділ має оглядовий характер і присвячений галузям застосування електрошлакового наплавлення (ЕШН) при ремонті механізмів, виробництві виливків і заготовок. Проаналізовано вплив електрошлакового переплавлення (ЕШП) на хімічний склад і структуру металу, детально розглянута морфологія й розподіл неметалевих вкраплень в електрошлаковому металі. Наведено дані щодо поліпшення механічних властивостей металу після ЕШП і дані зі зміни складових структури металу зони сплавлення відносно металу основи і наплавленого металу. Зроблено висновок, що метал зони сплавлення як за своєю будовою, так і за хімічним складом, відрізняється від металу основи і наплавленого металу і має змішаний склад. Виконано аналіз марок флюсів, які застосовуються при електрошлаковому переплавленні, та розглянуто вплив марок флюсу на ступінь рафінування металу і на властивості наплавленого металу і зони сплавлення.

Аналіз літературних джерел дозволив виявити цілий ряд питань, які недостатньо досліджені або обсяг публікацій за якими обмежений. Проведений аналіз публікацій дозволив сформулювати мету й задачі дослідження.

У другому розділі містяться методичні розробки, які необхідні для експериментального дослідження металу при відновленні деталей електровозів.

Розглянута технологія електрошлакового відновлення деталей. Експериментальні плавки проводили в лабораторних умовах на базі кафедри М і ТЛВ ЗНТУ.

Хімічний склад металу основи і наплавленого металу визначали з використанням оптичного спектрометру "SPEKTROMAS" (фірми "SPEKTRO ANALYTICAL INSTRUMENTS", Німеччина), призначеного для контролю металів і сплавів. На установках рентгеноспектрального мікроаналізу "САМЕСА" і растровому електронному мікроскопі "SUPRA 40 WDS" (виробництва Carl Zeiss, Німеччина) досліджували хімічний склад металу основи, наплавленого металу, зони сплавлення з великим вмістом сірки, а також хіміко-мінералогічний склад неметалевих вкраплень.

Хімічний аналіз проводили за ГОСТ 22536.0 - 87 - ГОСТ 22536.12 - 87, спектральний аналіз за ГОСТ 22536.13 - 87. Для дослідження макроструктури з металу дослідних наплавлень вирізали темплети за всією їхньою висотою.

Для вивчення мікроструктури та одержання результатів з ударної в'язкості вирізали зразки таким чином, щоб зона сплавлення була в центрі зразка. Зі зразків на розтяг до механічних випробувань і після них виготовляли шліфи з метою виявлення в зразках найслабшої частини.

Режими термічного оброблення підбирали з урахуванням хімічного складу сталей кожного з варіантів наплавлення. Зони сплавлення виявляли за допомогою хімічного, теплового травлення, методом переполірування шліфа для кожного конкретного варіанта наплавлення (табл. 1).

Таблиця 1 - Режими термічного оброблення дослідних наплавлень

Варіант наплавлення	Температура нагрівання, С	Час витримки, годин	Охолоджувальне середовище	Температура відпуску, С	Охолоджувальне середовище
сталь 20ХН 3А на сталь Ст 3	860	1	олива	400	олива
сталь 12Х 13 на сталь Ст 3	960	1	повітря	540	повітря
сталь 20ХН 3А на сталь 45ХН	810	1	олива	600	олива
сталь 20ХН 3А на сталь 30ХН 3А	810	1	олива	600	олива
сталь 45 на сталь 45	850	1	повітря	550	повітря
сталь 12ХН 3А на сталь 30ХН 3А	810	1	олива	600	повітря

Оцінку забрудненості сталі неметалевими вкрапленнями, їх форму, розмір, характер розподілу проводили на металографічних мікроскопах МИМ - 7 і МИМ - 8 при збільшеннях 100…950 разів. Вимірювання розмірів і кількості неметалевих вкраплень проводили на програмно - апаратному комплексі (ПАК) "ВидеоТесТ - Структура 5.0" на базі оптичного інвертованого мікроскопа відбитого світла Axiovert 40 MAT (виробництва Carl Zeiss, Німеччина) і персональному комп'ютері зі спеціальним програмним забезпеченням "ВидеоТесТ - Структура 5.0" (виробництва ООО "ВидеоТесТ", Росія).

Вивчення макрофрактограм проводили світловою фрактографією.

За допомогою неруйнівного імпульсного луна - методу вивчали якість наплавлень на дефектоскопі ДУК - 66 ПМ.

Для вивчення механічних властивостей наплавлень проводили випробування зразків металу на розтяг, ударну в'язкість, твердість, мікротвердість, малоциклову утому.

Третій розділ присвячений дослідженню сплавлень однорідних, різнорідних і близьких за хімічним складом сталей. Для основи вибрали марки сталей, з яких виготовляються деталі електровозів, а для наплавлення - марки сталей, якими проводять відновлення деталей за технологією, існуючою на ВАТ "ЗЕРЗ".

В табл. 2 представлена номенклатура деталей електровозів, які підлягають ремонту методом ЕШН.

Таблиця 2 - Деталі електровозів, які відновлюють електрошлаковим наплавленням

Назва деталі	Марка сталі	Маса деталі, кг	Максимальний габаритний розмір, мм	Частина електровозу
Карданний вал	30ХН 3А	45,0	790	Ходова частина
Поводок карданного валу	30ХН 3А	18,5	365	Ходова частина
Шестерня	45ХН	145,5	552	Ходова частина
Поводок шестерні	38Х 2Н 2МА	20,1	365	Ходова частина
Поперечний вал зрівняльної муфти	Ст 3	36,0	350	Міжвізкове з'єднання
Хрестовина	12ХН 3А	17,0	320	Ходова частина
Серга	сталь 45	8,7	250	Ресорна підвіска
Підвіс	40Х	24,9	1040	Ресорна підвіска

Наплавлення сталі 45 на сталь 45. Дослідження металу наплавлень сталі 45 на сталь 45 (деталь "серга") показали, що хімічний склад металу основи, наплавленого і металу зони сплавлення знаходиться в межах хімічного складу марок сталей. У зоні сплавлення дослідних наплавлень відсутні залишки шлаку, пори, порожнини й інші дефекти.

Мікроструктура металу наплавлення ферито - перлітна з феритною оторочкою по межах зерен, різнозеренна, у той час як після термічного оброблення (нагрівання до температури 860 єС з охолодженням в оливі і відпуском при температурі 400 єС з охолодженням в оливі) - рівномірна дрібнодисперсна ферито - перлітна.

Характерним для зони сплавлення є відсутність грубих вкраплень, а знов утворені вкраплення мають округлу або еліпсоїдну форму і їх кількість незначна.

Механічні властивості наплавлень значно кращі вимог ГОСТ 977 - 88. Це пов'язано з тим, що метал ЕШП значно перевищує за якістю, щільністю і ізотропністю литий метал. Це підтверджується і їх рельєфом - в'язкий злам у вигляді сходинок.

При дослідженні шліфів зі зразків на розтяг після випробувань виявили, що зразки розривалися по наплавленому металу. Це свідчить про більш низькі механічні властивості наплавленого металу відносно металу основи і зони сплавлення. Спостерігається також зниження мікротвердості в наплавленому металі.

Наплавлення сталі 20ХН 3А на Ст 3. Зона сплавлення при наплавленні однорідних марок сталей виявляється не чітко, що не дає повної картини природи її утворення, провели дослідні наплавлення різнорідних за хімічним складом сплавів. За метал основи взяли сталь Ст 3. На неї наплавляли сталь 20ХН 3А. Вибір цих марок сталей відповідає технічним умовам заводу при відновленні деталі електровозу "поперечний вал зрівняльної муфти".

При даному варіанті наплавлення спостерігається плавна, без різких коливань зміна вмісту хрому й нікелю в металі зони сплавлення, що видно з рентгенограми на рис. 1. ЕШН значно покращує чистоту металу зони сплавлення. В наплавленому металі присутні переважно оксиди розміром 1…4 мкм, в зоні сплавлення ці вкраплення відсутні, але зустрічаються аморфні вкраплення округлої форми розміром 1…2 мкм, тоді як в металі основи (сталь Ст 3) присутні стрічки оксидів, сульфідів і оксисульфідів.

Механічні властивості за показниками ударної в'язкості, межі текучості й тимчасового опору задовольняють вимогам ГОСТ 533 - 88. Відносне подовження й відносне звуження нижчі за дані ГОСТ 533 - 88. Твердість не змінилася, мікротвердість плавно підвищується від зони сплавлення до наплавленого металу.

Макрофрактограми зламів представлені на рис. 2, з яких видно, що після термічного оброблення злами матові, без кристалічного блиску зі слідами значної пластичної деформації. Це свідчить про більш високий рівень механічних властивостей металу наплавлень відносно металу до термічного оброблення.

Рис. 1. Спектри характеристичного рентгенівського випромінення.



а

б

Рис. 2. Макрофрактограми зламів ударних зразків наплавлення сталі 20ХН 3А на сталь Ст 3, Ч5: а - до термічного оброблення; б - після термічного оброблення.

Наплавлення 12Х 13 на Ст 3. Для більш повного вивчення закономірностей процесу утворення зони сплавлення при наплавленні різнорідних марок сталей був запропонований наступний варіант: сталь 12Х 13 наплавляли на сталь Ст 3. Сталь 12Х 13 вибрали за декількома причинами. По - перше, ця сталь широко розповсюджена при виробництві машинобудівних деталей, а по - друге, на її прикладі визначали вплив легувальних елементів (хрому) на процес утворення зони сплавлення.

При дослідженні зони сплавлення рентгеноспектральним методом установлено, що вміст хрому в зоні сплавлення плавно змінюється від сталі Ст 3 до сталі 12Х 13 по зоні шириною близько 100 мкм. Встановлено, що мікроструктура зони сплавлення змішана і складається з фериту і мартенситу; метал основи має ферито - перлітну структуру, наплавлений метал - ферито - мартенситну структуру. Термічне оброблення покращує мікроструктуру, при чому в металі основи (біля зони сплавлення) вона блочна з невеликими ділянками перліту і поступово переходить у дрібнозеренну ферито - перлітну структуру. Спектральний аналіз показав, що неметалеві вкраплення в сталі Ст 3 мають склад системи (Mn, Fe)S, тобто сульфіди.

Метал наплавлення за показниками міцності відповідає ГОСТ 533 - 88, але ударна в'язкість і відносне подовження нижчі за вимоги ГОСТ 533 - 88. Показники мікротвердості до термічного оброблення мають велику розбіжність саме в зоні сплавлення. Після термічного оброблення вона дещо зменшується.

Дослідження зламів ударних зразків дозволило встановити, що термічне оброблення (див. табл. 1) при даному варіанті наплавлення підвищує механічні властивості. На зламах присутні сліди утяжки, тобто злам в'язкий.

Дослідження різнорідних за хімічним складом сталей дозволило виявити, що зміна вмісту легувальних елементів в металі наплавлень поступова, без різких коливань. Термічне оброблення (див. табл. 1) подрібнює мікроструктуру: якщо до термічного оброблення вона крупнозеренна, після термічного оброблення - дрібнозеренна й однорідна. Виявлено, що неметалеві вкраплення в зоні сплавлення практично відсутні. З металу основи (сталь Ст 3) в початковий період наплавлення (температура шлакової ванни близько 2000 єC) неметалеві вкраплення завдяки процесам дифузії переходять із рідко - твердого металу (сталь Ст 3) до рідкого (наплавленого) металу й видаляються з металу за допомогою флюсу. Чиста зона сплавлення утворилася завдяки перегріву в початковий період наплавлення, тоді як після "розводки" плавку проводять на нижчій потужності й відповідно з меншою температурою (біля 1700 єC) шлакової ванни.

На ВАТ "ЗЕРЗ" деталі відновлюють близькими за хімічним складом сталями, тому для експериментальних досліджень вибрали два варіанта наплавлення: на сталь 45ХН наплавляли сталь 20ХН 3А і на сталь 30ХН 3А наплавляли сталь 20ХН 3А.

При дослідженні хімічного складу металу наплавлень виявлено, що він плавно змінюється по зоні сплавлення без різких коливань легувальних елементів.

Макроструктура аналогічна попереднім наплавленням, тобто вона не залежить від хімічного складу сталей. Термічне оброблення покращує мікроструктуру: до термічного оброблення вона характеризується як ферито - перлітна голчасто-пластинчаста, після термічного оброблення мікроструктура дисперсна голчаста.

Неметалеві вкраплення в металі основи обох варіантів представлені сульфідами, оксидами й оксисульфідами розміром від 10 до 30…50 мкм. Оксиди зустрічаються у вигляді окремих скупчень, стрічок. Зона сплавлення майже чиста за неметалевими вкрапленнями, а поодинокі вкраплення мають глобулярну форму й аморфну мікроструктуру. Це свідчить про інтенсивне очищення металу від неметалевих вкраплень в початковий період наплавлення.

Показники механічних властивостей за обома варіантами наступні: для варіанта наплавлення сталі 20ХН 3А на сталь 30ХН 3А вони цілком відповідають ГОСТ 4543 - 71; при наплавленні сталі 20ХН 3А на сталь 45ХН дещо знижуються показники ударної в'язкості (табл. 3).

Таблиця 3 - Механічні властивості наплавлення сталі 20ХН 3А на сталь 45ХН

Марка сталі, ГОСТ	Механічні властивості
	В, МПа	0.2, МПа	д, %	Ш, %	KCU, МДж/м 2	НВ
45ХН ГОСТ 4543 - 71	717	-	11.0	52,9	0,565	197
20ХН 3А ГОСТ 4543 - 71	950	750	12	55	1,1	-
Метал ЕШН без термічного оброблення	798	-	8,0	28	0,2
Метал ЕШН після термічного оброблення	849	-	9,0	43	0,42

* - чисельник - метал основи, знаменник - наплавлений метал.

Це пояснюється виділенням зі сталі 45ХН вуглецю у вигляді стрічок карбідів у металі основи поблизу зони сплавлення.

Аналіз мікротвердості дослідних варіантів наплавлень показав: метал основи, зони сплавлення та наплавлений метал до термічного оброблення мають більшу мікротвердість, ніж після термічного оброблення. Це добре видно з макрофрактограм в металі обох варіантів: до термічного оброблення злами крихкі, а після термічного оброблення дрібнокристалічні зі слідами виривів, що відповідає в'язкому характеру руйнування (рис. 3).

Рис. 3. Макрофрактограми зламів ударних зразків, Ч 5: а - до термічного оброблення; б - після термічного оброблення.

Четвертий розділ присвячений вивченню процесу десульфурації при електрошлаковому наплавленні.

Для визначення процесу десульфурації провели наплавлення сталей з великим вмістом сірки. У сталь 20 і сталь 12Х 13 при їх переплавленні в індукційній печі додавали сірчане залізо. Вміст сірки в сталі 20 склав 0,08%, в сталі 12Х 13-0,06%. Наплавлення проводили за наступною схемою: на сталь 20 наплавляли сталь 20, на сталь 20 - сталь 12Х 13, на сталь 12Х 13 - сталь 12Х 13 і на сталь 12Х 13 - сталь 20. При наплавлені застосовували фторидний флюс АНФ-6-1 (70% CaF2, 25% Al2O3 і 5% CaO).

Для виявлення розподілу сірки за перетином зливків застосували метод відбитків за Бауманом. Аналіз відбитків показав, що в процесі наплавлення відбувається інтенсивне рафінування металу основи і навіть при великому вмісті сірки в вихідному металі також утворюється зона, в якій практично відсутні неметалеві вкраплення. В наплавленому металі також не спостерігається сегрегації і скупчень лікватів в центральній частині зливків.

Значне видалення сірки з металу при електрошлаковому наплавленні обумовлено вилученням сірки зі шлаку в атмосферу. За таким механізмом відбувається видалення сірки з наплавленого металу. З металу основи сірка видаляється завдяки процесу дифузії.

Виявлено, що перехід неметалевих вкраплень в рідкий перегрітий шлак відбувається саме із - за дифузії. Метал очищується рівно на таку глибину, на якій він знаходиться в рідко - твердому стані в інтервалі температур ліквідус-солідус. В дослідних наплавленнях глибина знаходження металу в рідко - твердому стані дорівнює 8…12 мм.

Дослідженнями хімічного складу неметалевих вкраплень та їх кількості виявлено, що в металі основи присутні грубі оксисульфіди і сульфіди розміром 50…75 мкм. При наближенні до зони сплавлення (близько 11 мм) вони вже мають глобулярну форму і розмір близько 5…18 мкм. У вкрапленнях також присутні марганець і алюміній, а в матриці є лише їх залишки. В зоні сплавлення неметалеві вкраплення суттєво подрібнюються (розмір близько 1…5 мкм) і мають склад, в якому присутні такі елементи як O, Al, Si, S, Ca, Cr, Mn.

Оскільки в зоні сплавлення кількість неметалевих вкраплень незначна, тому для більшої достовірності їх підрахували по 10 одиниць полях зору. Схема розташування стрічок підрахунку неметалевих вкраплень представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема підрахунку неметалевих вкраплень.

Поблизу зони сплавлення в наплавленому металі вкраплення мають розмір 1…14 мкм. Переважно це сульфіди хрому й марганцю. В наплавленому металі також присутні сульфіди хрому і марганцю розміром 5…18 мкм. На рис. 5 представлено графік розподілу неметалевих вкраплень по стрічкам і їх розмірам.

Для відображення чистоти сталі за неметалевими вкрапленнями підрахували об'ємний відсоток, який розраховується як відношення суми площі вкраплень в стрічці до площі всієї стрічки.



Рис. 5. Графік розподілу неметалевих вкраплень по стрічкам та за їх розмірами: 1 - зона сплавлення; 2 - сталь 12Х 13; 3 - Сталь 20.

Рис. 6. Об'ємний відсоток неметалевих вкраплень.

Отримані дані дозволяють зробити наступні висновки:

1. Виявлено, що кількість сірки в металі при наплавленні не впливає на чистоту зони сплавлення за неметалевими вкрапленнями.

2. Видалення сірки з металу основи проходить, головним чином, за дифузійним механізмом. Інтенсивне очищення зони сплавлення і перших порцій наплавленого металу відбувається завдяки великій поверхні реагування з високоактивним рідким фторидним флюсом і високій температурі шлакової ванни. В результаті протікання цих процесів неметалеві вкраплення подрібнюються, зменшується їх кількість і вони рівномірно розподіляються в об'ємі металу.

3. Неметалеві вкраплення в зоні сплавлення мають сприятливу глобулярну форму, дрібні за розміром і рівномірно розподілені в об'ємі металу, що сприяє збільшенню рівня механічних властивостей сталей, тому що їх розмір не перевищує розміру так званих "критичних" вкраплень.

П'ятий розділ присвячений дослідженню багаторазового відновлення деталі "карданний вал". Багаторазове наплавлення є перспективним напрямком з точки зору економії металу, тому що за звичайною технологією деталь відновлюється не більше трьох разів, а потім зношена деталь йде в металобрухт. З метою визначення впливу багаторазового наплавлення на механічні властивості відновлених деталей провели серію експериментальних наплавлень. В якості основи було вибрано сталь 30ХН 3А, а для наплавлення сталь 12ХН 3А. Були проведені серії одно -, трьох - і п'ятиразових наплавлень.

В усіх варіантах електрошлакового наплавлення знижується вміст кремнію. Вміст всіх інших елементів не змінюється, тобто кількість наплавлень не впливає на хімічний склад зони сплавлення і наплавленого металу. В металі основи вигар елементів незначний.

В усіх варіантах наплавлень зона сплавлення має форму "хвилі" (рис. 7), що свідчить про нерівномірний розподіл тепла. Кількість зон сплавлення відповідає кількості наплавлень.



Рис. 7. Макроструктури дослідних наплавлень сталі 12ХН 3А на сталь 30ХН 3А, Ч 5:

а - одноразове наплавлення; б - трьохразове наплавлення; в - п'ятиразове наплавлення.

При порівнянні мікроструктур одно -, трьох - і п'ятиразового наплавлень після термічного оброблення (нагрівання до температури 810 єС з охолодженням в оливі і відпуском при температурі 600 єС з охолодженням на повітрі) не було виявлено розбіжностей в залежності від кількості наплавлень. До термічного оброблення метал з більшою кількістю наплавлень мав більш грубу мікроструктуру, тоді як структура металу після термічного оброблення для всіх наплавлень залишається на рівні структури одноразового наплавлення.

Визначено, що кількість наплавлень не впливає на кількість і морфологію неметалевих вкраплень. В металі основи (сталь 30ХН 3А) вони представлені грубими сульфідами, оксидами, оксисульфідами, стрічковими вкрапленнями довжиною 100…500 мкм. В зоні термічного впливу такі вкраплення відсутні, присутня лише незначна їх кількість розміром не більше 10 мкм.

Виявлено, що кількість, розмір і розподіл неметалевих вкраплень не залежать від кількості відновлень: в наплавленому металі їх природа не змінюється, в металі основи (біля зони сплавлення) вони подрібнюються, рівномірно розподіляються по об'єму, зменшується їх кількість. В зоні сплавлення утворюються вкраплення так званого "критичного" розміру, які не впливають на зниження механічних властивостей металу. Це сприяє збільшенню рівня механічних властивостей металу наплавлень.

При порівнянні механічних властивостей металу наплавлень виявлено, що вони знаходяться в межах технічних вимог до деталей (рис. 8).

Незначне зниження рівня механічних властивостей відповідно до кількості наплавлень обумовлено тим, що структура зон сплавлення змішана і хімічний склад в них коливається в залежності від марок сталей. Відбувається й перерозподіл легувальних елементів, що також впливає на механічні властивості. Встановлено, що незалежно від кількості наплавлень, зразки металу наплавлень розривалися по металу з меншим рівнем механічних властивостей, тобто по сталі 12ХН 3А. Метал зони сплавлення, який набагато чистіший за неметалевими вкрапленнями, має вищі механічні властивості за наплавлений метал і метал основи. Мікротвердість плавно знижується по зоні сплавлення.

Вивченням макрофрактограм зламів виявлено, що вони не відрізняються один від одного зі збільшенням кількості наплавлень. Злами одно -, трьох - і п'ятиразових наплавлень до термічного оброблення крихкі. Після термічного оброблення злами в'язкі у вигляді сходинок зі слідами значної утяжки.

Виявлено, що кількість відновлень деталей не впливає на розмір феритного зерна в процесі багаторазового наплавлення.

Результати випробувань на малоциклову утому (МЦУ) показали, що зі збільшенням кількості відновлень відбувається підвищення стійкості металу основи. Такий ефект пов'язаний з тим, що в процесі відновлення метал основи піддається впливу високих температур і відбувається так зване "маятникове" термічне оброблення, що сприяє підвищенню МЦУ металу основи. Тому зі збільшенням кількості відновлень метал основи буде мати більший рівень МЦУ.

Рис. 8. Порівняльні графіки механічних властивостей багаторазових наплавлень:

1 - ГОСТ 4543 - 71 для сталі 30ХН 3А; 2 - ГОСТ 4543 - 71 для сталі 12ХН 3А; 3 - деталь;

4 - одноразове ЕШН до ТО; 5 - одноразове ЕШН після ТО; 6 - трьохразове ЕШН до ТО;

7 - трьохразове ЕШН після ТО; 8 - п'ятиразове ЕШН до ТО; 9 - п'ятиразове ЕШН після ТО.

Визначено, що рівень показників МЦУ наплавленого металу і металу зони сплавлення практично однаковий і не залежить від кількості відновлень. Це пояснюється тим, що метал цих зон зрізується і не піддається впливу "маятникового" термічного оброблення.

За результатами проведених досліджень можна зробити висновок, що навіть після п'ятиразового відновлення механічні властивості деталей задовольняють їх технологічним вимогам. Режими термічного оброблення необхідно підбирати з урахуванням хімічного складу сталей для кожного з варіантів наплавлень.

Висновки

1. За результатами проведених досліджень визначено, що утворення зон сплавлення при відновленні деталей електрошлаковим наплавленням супроводжується проходженням цілого ряду фізико - хімічних процесів в зонах нагріву, до яких, в першу чергу, відносяться перерозподіл хімічних елементів, переформування складових структури, трансформація неметалевих вкраплень.

2. Проведено аналіз варіантів наплавлень однорідних, близьких і різнорідних за хімічним складом сталей, марки яких застосовують при відновленні деталей залізничного транспорту в промислових умовах на ВАТ "ЗЕРЗ".

3. Розроблена методика виявлення зони сплавлення і надано рекомендації по визначенню механічних властивостей відновлених деталей.

4. Встановлено вплив мікроструктури, неметалевих вкраплень і термічного оброблення на властивості зони сплавлення. Визначено, що неметалеві вкраплення в зоні сплавлення дисперсні (розміром 0,5…5 мкм), мають сприятливу глобулярну форму, рівномірно розподілені в об'ємі металу і не впливають на зниження механічних властивостей, тому що їх розмір не перевищує розміру так званих "критичних" вкраплень. Встановлено, що основними факторами впливу на рівень механічних властивостей має початковий етап наплавлення (розводка) і термічне оброблення.

5. Визначено режими термічного оброблення при наплавленні близьких за хімічним складом сталей, що призводить до підвищення ресурсу роботи відновлених деталей електровозів.

6. Досліджено процес десульфурації на прикладі наплавлень сталей з великим вмістом сірки. Показано, що навіть при значній кількості сірки (0,06…0,08) % утворюється якісна зона сплавлення. Очищення основного металу від сірки є результатом проходження дифузійних процесів, що підтверджується даними рентгеноспектрального мікроаналізу.

7. Визначено, що розроблений для близьких за хімічним складом сталей режим термічного оброблення (нагрівання до температури 810 єС з охолодженням в оливі і відпуском при температурі 600 єС з охолодженням на повітрі) дозволив проведення п'ятиразового наплавлення зі збереженням рівня механічних властивостей, які відповідають вимогам ГОСТ 4543 - 71.

8. Визначено, що зі збільшенням кількості відновлень деталі метал основи піддається дії "маятникового" термічного оброблення, завдяки чому стійкість металу основи при МЦУ підвищується і, як наслідок, збільшується ресурс роботи відновлених деталей.

9. Завдяки застосуванню багаторазового відновлення деяких деталей (наприклад, "карданного вала", "підвісу") можна знизити вартість і терміни ремонту електровозів.

10. Результати дослідження зон сплавлення за різними варіантами наплавлення дозволили прогнозувати зі значною вірогідністю можливе місце руйнування деталей електровозів. Це дозволяє вдосконалювати конструкцію (геометрію) деталей з метою підвищення ресурсу їх роботи.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Парахнєвич Є.М. Відновлення деталей електрошлаковим методом / Є.М. Парахнєвич, Б.С. Сперанський, Ю.П. Петруша // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2000. - №2. - C. 49 - 51.

2. Парахнєвич Є.М. Особливості технології відновлення деталей електрошлаковим методом / Є.М. Парахнєвич, Ю.П. Петруша, В.В. Луньов // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2003. - №1. - C. 60 - 62.

3. Парахнєвич Є.М. Зміни механічних властивостей металу при багаторазовому наплавленні електрошлаковим методом / Є.М. Парахнєвич, Ю.П. Петруша, В.В. Луньов // Нові матеріали і технології в металургії і машинобудуванні. - 2005. - №1. - C. 114 - 116.

4. О трансформации неметаллических включений в процессе электрошлаковой наплавки / Ю.П. Петруша, В.В. Лунев, В.П. Пирожкова, Е.Н. Парахневич // Теория и практика металлургии. - 2007. - №2-3. - С. 19 - 24.

5. Методика выявления зоны сплавления при электрошлаковой наплавке / Е.Н. Парахневич, Ю.П. Петруша, В.В. Лунев [и др.] // Восточно - Европейский журнал передовых технологий. -2007. - №5. - С. 66 - 68.

6. Трансформация микроструктуры и неметаллических включений в металле, наплавленном электрошлаковым методом / В.П. Пирожкова, Н.М. Бурова, Л.К. Чеботарь, В.В. Лунев, Е.Н. Парахневич // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2009. - № 2. - С. 45 - 49.

7. Електрошлаковий процес, обладнання, технологія: [зб. наук. праць] / В.В. Луньов, Є.М. Парахнєвич, Ю.П. Петруша, Б.С. Сперанський. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. - 56 с.

8. Якісні показники властивостей металу деталей, відновлених електрошлаковим методом / Є.М .Парахнєвич, Б.С .Сперанський, Ю.П. Петруша. - зб. наук. праць за матеріалами ІХ міжнар. наук.-техн. конф., 18-22 вересня 2000 р., / відп. ред. Луньов В.В. - Запоріжжя: ЗДТУ, 2000.- С. 35 - 36.

9. Вплив кількості електрошлакових наплавлень на мікротвердість перехідної зони / Є.М. Парахнєвич, Ю.П. Петруша, В.В. Луньов.- зб. наук. праць за матеріалами Х міжнар. наук.-техн. конф., 20-22 вересня 2005 р., / відп. ред. Коваль А.Д.-Запоріжжя: ЗДТУ, 2005. -С. 142 - 144.

10. Применение электрошлаковой наплавки для ремонта в машиностроении / Е.Н. Парахневич, Ю.П. Петруша, В.В Лунев. - труды III междун. научн.- практ. конф.- выставки, 16-18 марта 2005 г., Запорожье / отв. ред. В.И. Шамилов.- Запорожье: Торгово-промышленная палата, 2005. - С. 42 - 43.

11. Методика выявления зоны сплавления при соединении металлов и сплавов электрошлаковым методом / Е.Н. Парахневич, Ю.П. Петруша, В.В. Лунев, В.П. Пирожкова. -праці ХІ міжнар. наук.-техн. конф., 19 - 22 вересня 2006р., Запоріжжя / відп. ред. В.В. Луньов. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. - С. 59 - 61.

12. Парахневич Е.Н. Определение загрязненности металла по Бауману / Е.Н. Парахневич // Титан - 2008: производство и применение: I междунар. науч.-техн. конф., 1 - 2 октября 2008 г.: тезисы докл. - Запорожье, 2008. - С. 115.

13. Розподіл неметалевих вкраплень при електрошлаковому наплавленні однорідних сталей / Є.М .Парахнєвич, В.В. Луньов, Ю.П. Петруша. - зб. наук. праць за матеріалами ХІ міжнар. наук.-техн. конф., 8 - 10 жовтня 2008 р., / відп. ред. Коваль А.Д. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2008. - С. 96 - 97.

14. Определение объемного процента неметаллических включений в зоне сплавления / Е.Н. Парахневич. - зб. наук. праць за матеріалами ХII міжнар. наук.- техн. конф., 22 - 25 вересня 2009 р., / відп. ред. Луньов В.В. - Запоріжжя: ЗДТУ, 2009. - С. 67 - 69.

Размещено на Allbest.ru

...