Повышение трещиностойкости при высокоскоростной наплавке на низкой погонной энергии деталей металлургического оборудования

Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733

17. Kondratiev I.A. The structure and properties of metal, deposited with 25Cr5VMoSi and 30Cr4W2Mo2VSi cored wires / I.A. Kondratiev, V.G. Vasiliyev, V.A. Dovzhenko // Equipment and materials for overlaying. - Kiev : IES im. Ye.O. Patona, 1990. - P. 56-60.

18. Glerdon R. Wear abrasion unlubricated dissimilar metals. Review / R. Glerdon, I. Finni // Theoretical Foundations of engineering calculations. Proceedings of the American Society of Mechanical Engineers. - 1981. - № 4. - P. 82-93.

19. Bernstein M L. Strength of steels / M L. Bernstein. - М. : Metallurgiya. -1974. - 200 p.

20. Gulyaev A.P. About the mechanical properties of structural steels / A.P. Gulyaev // Metallurgy and heat treatment. - 1989. - № 7. - P. 6-8.

21. Panasyuk V.V. Fundamentals of fracture mechanics / V.V. Panasyuk, V.V. Andreikiv, V.Z. Par-ton. - Kiev : Naukova dumka, 1988. - 488 p. -

22. Utevskiy L.M. Reversible temper brittleness of steel and iron alloys / L.M. Utevskiy, Y.E. Glik-man, G.S. Karn. - М. : Metallurgiya, 1987. - 222 p.

23. Armstrong F.W. Weld cladding with wire electrodes / F.W. Armstrong // Weld and Metal Fabrication. - 1973. - 39. - № 3. - P. 87-89.

24. Ivanov V.P. Development of CAD-system for surfacing technology of details of metallurgical equipment : Phd. thesis : 05.03.06 / V.P. Ivanov; Priazovskyi state technical university. - Mariupol, 1996. - 26 p.

25. Dombrovsky F.S. Working capacity of surface rollers of stock continuous casting machines / F.S. Dombrovsky, L.K. Lechtchinski. - Kiev : IES im. Ye.O. Patona, 1995. - 198 p.

Рецензент: В.И. Щетинина

д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 24.09.2015

УДК 621.791.753.042

© Щетинин С.В.*

ПОВЫШЕНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ НАПЛАВКЕ НА НИЗКОЙ ПОГОННОЙ ЭНЕРГИИ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Установлены закономерности влияния формы электрода и погонной энергии на скорость охлаждения и кристаллизации жидкого металла сварочной ванны. Разработан способ высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии, обеспечивающий измельчение микроструктуры, снижение сварочных напряжений и повышение трещиностойкости деталей металлургического оборудования. Ключевые слова: скорость кристаллизации, измельчение микроструктуры, сварочные напряжения, высокоскоростная наплавка на низкой погонной энергии.

Щетинт С.В. Шдвищення mpiwtUHOcmiÛKOcmi при високошвидтсному наплав-лент на низьтй погоннш енерги деталей металургШного обладнання. Встанов-лем законом1рност1 впливу форми електроду i погонноï енергп на швидюсть крис-тал1зацИ'рiдкого металу зварювальног ванни. Розроблено споаб високошвидюсного наплавлення на низькт погоннШ енергп, який забезпечуе здрiбнення мтрострукту-ри, зниження зварювальних напруг i тдвищення трщиностiйкостi деталей металургШного обладнання.

Ключевi слова: швидюсть кристалiзацiï, здрiбнення мтроструктури, зварювальш напруги, високошвид^сне наплавлення на низькт погоннШ енергп.

канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г.Мариуполь, schetinin. sersey2012@yandex. иа

Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733

S. V. Shchetinin. The metallurgical equipment parts cracking resistance increase at highspeed deposition with low heat input. It has been stated that electrode shape and heat input relates to the arc motion, thermal cycles, the weld pool molten metal crystallization rate and deposited metal microstructure. Surfacing performed with perpendicular and longitudinal ribbon electrodes results in coarse-grained and non-uniform microstructure of the deposited metal. Surfacing made with wire and composite electrodes leads to the microstructure refinement, it becoming small-dispersed and uniform. The electrode shape is the main parameter determining the deposition process, since the arc moving along the butt end of the electrode gets concentrated when surfacing is made with wire and dissipates when surfacing is made with a ribbon electrode, according to its movement either along the longitudinal axis or transverse the weld pool. The arc movement determines heat input in the pool, heating and cooling rates of the molten metal and heat affected zone; surfacing regime being constant. This changes the crystallization conditions of the weld pool, diffusion processes, structural and phase transformations [1,2], and the deposited metal quality. However, the influence of the electrode shape on the deposited metal quality was not investigated properly. It has been proved both through experiments and calculations that when surfacing rate is high and heat input is low, heating and cooling rates increase, the number of crystallization centers grows too and they, lying in front of the growing crystals, slow down their further growth. Deposition rate increasing, the crystallization rate of the weld pool molten metal grows in proportion to it, microstructure gets reduced, welding stresses decrease, these processes resulting in the welded joints toughness increase as well as the cracking resistance of the deposited metal. The process of energy-saving high-speed deposition with low heat input, which provides increase in the heating, cooling and crystallization rates, microstructure reduction, welding stresses decrease and metallurgical equipment parts cracking resistance increase has been developed.

Reywords: crystallization rate, microstructure reduction, welding stresses, high-speed deposition with low heat input, cracking resistance.

Постановка проблемы. Основной деталью прокатных станов, непосредственно контактирующей с деформируемым металлом, являются валки, которые эксплуатируются при одновременном воздействии высоких температур, ударных нагрузок, развивающихся на входе заготовки в контакт с валками, переменных контактных и термических напряжений, абразивных и коррозионных сред. Поэтому валки изготавливаются из высокоуглеродистой стали, склонной к образованию трещин, и повышение трещиностойкости деталей металлургического оборудования является важной научно-технической проблемой.

Анализ последних исследований и публикаций. Эффективным способом повышения трещиностойкости является высокоскоростная электродуговая наплавка на низкой погонной энергии [1], при которой изменяются условия существования дуги, уменьшается тепловложе-ние, увеличивается скорость нагрева и охлаждения жидкого металла и околошовной зоны. Это приводит к изменению условий кристаллизации ванны [2, 3] и микроструктуры, деформации, сварочных напряжений и качества наплавленного металла. Данные влияния погонной энергии на трещиностойкость наплавленного металла противоречивы [1-10]. Закономерности воздействия формы электрода и погонной энергии на скорость нагрева, охлаждения, кристаллизации, микроструктуру и свойства наплавленного металла исследованы недостаточно.

Цель статьи - изучение механизма образования трещин и разработка энергосберегающего процесса высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии, обеспечивающего повышение трещиностойкости деталей металлургического оборудования.

Изложение основного материала. Форма электрода является основным параметром технологического процесса наплавки, так как дуга, двигаясь по торцу электрода, концентрируется при наплавке проволокой и расконцентрируется при наплавке лентой, в зависимости от расположения которой она движется вдоль продольной оси или поперек сварочной ванны. Движение дуги определяет тепловложение в ванне и при постоянном режиме наплавки скорость нагрева и охлаждения жидкого металла и околошовной зоны. Это изменяет условия кристаллизации ванны, диффузионные процессы, структурные и фазовые превращения [1, 2] и качество наплавленного металла. Однако влияние формы электрода на качество наплавленного

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2015р. Серiя: Техшчш науки Вип. 31

ISSN 2225-6733

металла исследовано недостаточно.

Кроме того, общеизвестно, что при уменьшении погонной энергии, вследствие увеличения скорости охлаждения повышается вероятность образования холодных трещин [1].

Как установлено, форма электрода и погонная энергия значительно влияют на движение дуги, термические циклы и скорость кристаллизации (рис. 1). Наплавку производили под керамическим флюсом ЖСН-5 на характерных для каждого способа оптимальных режимах: проволочным электродом - при токе I = 650-750 А, напряжении на дуге U=31-33 В и скорости наплавки VH=(0,56, 0,83 и 1,1)-10-2 м/с, продольной и перпендикулярной лентой - I = 450-550 A, U = 29 -31 B, Vh= (0,33, 0,5 и 0,67)-10-2 м/с, составным электродом - I = 1950-2050 A, U = 2931В, VH = (1,4, 2,1, 2,8)-10-2 м/с. Погонная энергия для каждого способа наплавки изменялась в пределах q^V = 1,8, 2,7 и 3,6 МДж/м.

ев" &

^

Е-

&

Е-

&

Т

1723 1623 1523 1423

Т

1723 1623 1523 1423

0

к а re^S \1

• и \ > \

1 А

i 2/ <  э/ 4/ /

3 4 5 В ремя, c ^ а

а/ \2 /

0 2 3 4 5 6 7 t

2

S

я

cd

£ 1

ч ч

cd

S 0 и

и

о

9

18

Длина ванны, 10- м

2

6

7

t

Рис. 1 - Закономерность действия формы электрода (а, в) на термический цикл (а) и скорость кристаллизации жидкого металла сварочной ванны (в): 1 - перпендикулярная лента; 2 - продольная лента; 3 - проволока; 4 - составной электрод, и погонной энергии (1 - 3,6; 2 - 2,7 и 3 -1,8 МДж/м) на термический цикл (б), составной электрод

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

При наплавке с одинаковой погонной энергией перпендикулярной лентой скорость нагрева, охлаждения и кристаллизации максимальны. При наплавке продольной лентой в результате движения дуги вдоль сварочной ванны увеличивается тепловложение в боковые кромки ванны и снижается скорость нагрева, охлаждения и кристаллизации металла. При наплавке проволочным электродом скорость нагрева, охлаждения и кристаллизации еще больше снижается вследствие концентрации и повышения эффективности тепловложения. Минимальная скорость нагрева, охлаждения и кристаллизации обеспечивается при наплавке составным электродом в результате движения дуги по прямолинейным участкам ленты в области боковых кромок ванны. При постоянной погонной энергии скорость охлаждения уменьшается от 300 0/с при наплавке перпендикулярной лентой до 60 0/с при наплавке составным электродом. С уменьшением погонной энергии скорость нагрева и охлаждения возрастают.

Как установлено, при повышении скорости нагрева и охлаждения возрастает дисперсность микроструктуры и трещиностойкость наплавленного металла. При наплавке продольной лентой микроструктура наплавленного металла крупнозернистая и неоднородная (рис. 2а). При наплавке перпендикулярной лентой микроструктура незначительно измельчается, оставаясь крупнозернистой (рис. 2б). Наплавка проволочным и составным электродом приводит к измельчению микроструктуры (рис. 2в, 2г), которая представляет собой ферритоцементитную смесь и является мелкодисперсной и однородной.

Аналогично измельчается микроструктура наплавленного металла и околошовной зоны при высокоскоростной наплавке, что является следствием повышения скорости нагрева и охлаждения и увеличения количества центров кристаллизации, которые, располагаясь перед фронтом растущих столбчатых кристаллитов, подавляют их дальнейший рост. В результате увеличения скорости нагрева зерна аустенита не успевают вырасти и устойчивость аустенита снижается. При охлаждении распад неустойчивого мелкозернистого аустенита происходит в верхнем субкритическом интервале температур с образованием сорбита и перлита, что предотвращает образование трещин. В результате минимальных микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений, плотности дислокаций и мелкодисперсной, однородной структуры повышается трещино-стойкость и сваренные на низкой погонной энергии составным электродом соединения обеспечивают высокую ударную вязкость и прочностные характеристики (табл.).

При повышении скорости нагрева и охлаждения микроструктура измельчается (рис. 2), увеличивается площадь контакта и межатомные силы связи, трещиностойкость наплавленного металла возрастает. При наплавке перпендикулярной и продольной лентами микроструктура наплавленного металла крупнозернистая и неоднородная. Наплавка проволочным и составным электродом приводит к измельчению микроструктуры, которая является мелкодисперсной и однородной.

Аналогично измельчается микроструктура наплавленного металла и околошовной зоны при высокоскоростной наплавке на низкой погонной энергии, вследствие повышения скорости нагрева, охлаждения и кристаллизации, которая прямо пропорциональна скорости наплавки

Ук=УсвСояа.

Измерения ударной вязкости производили для сварных соединений из стали 09Г2С. Стали 90ХФ и 09Г2С различны по химическому составу и склонности к образованию закалочных структур. Однако, как при наплавке высокоуглеродистых сталей 90ХФ трудно обеспечить отсутствие трещин, так и при сварке стали 09Г2С трудно обеспечить ударную вязкость при низких температурах, качественно характеризующую трещиностойкость.

При увеличении скорости сварки до 0,021 м/с и снижении погонной энергии до 2,7 МДж/м ударная вязкость резко возрастает, а затем остается почти неизменной (рис. 3). Увеличение ударной вязкости при повышении скорости сварки является результатом измельчения микроструктуры и уменьшения микроискажений кристаллической решетки, микронапряжений и плотности дислокаций, с которыми связывают зарождение трещин [11].

Аналогично ударной вязкости изменяются при повышении скорости сварки предел прочности, относительное удлинение и сужение. При этом высокие значения ударной вязкости, относительного удлинения и сужения, свидетельствуют о повышенной трещиностойкости наплавленного металла.

Временное сопротивление разрыву при повышении скорости сварки и уменьшении погонной энергии возрастает. При этом высокие значения временного сопротивления разрыву,

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2015р. Серiя: Техшчш науки Вип. 31

ISSN 2225-6733

ударной вязкости и относительного удлинения достигаются при погонной энергии 2,7 МДж/м и ниже, что подтверждает достоверность экспериментальных данных.

Погонная энергия

3,6 МДж/м

2,7 МДж/м

1,8 МДж/м

шШжттШШ б

а

3,6 МДж/м

2,7 МДж/м

1,8 МДж/м

>Л

Рис. 2 - Микроструктура металла, наплавленного продольной (а), перпендикулярной (б) лентами, проволочным (в) и составным (г) электродами, х300

в

г

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

Таблица

Механические свойства сварных соединений при сварке составным электродом

Марка стали Временное сопротивление, 9,8 МПа Предел текучести, 9,8 МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % Изгиб в холодном состоянии, Рад Ударная вязкость, 9,8 КДж/м2

Температура испытаний, К кси кси кси

10Г2С1 55 29 32 - - 233 113 108 86

09Г2С 52 30 33 - - 203 92 88 76

ВСтЗсп 50 28 28 62 3,2 293 132 172 146

Рис. 3 - Механические свойства сварных соединений при односторонней высокоскоростной сварке составным электродом: 1 - временное сопротивление; 2 - ударная вязкость; 3 - относительное сужение; 4 - относительное удлинение

На основании установленных закономерностей разработан способ высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии, который обеспечивает снижение тепловложения, повышение скорости нагрева, охлаждения и кристаллизации, измельчение микроструктуры, снижение сварочных напряжений, повышение ударной вязкости сварных соединений и трещиностойко-сти наплавленного металла.

Выводы

1. Форма электрода и погонная энергия значительно влияют на движение дуги, термические циклы, скорость кристаллизации жидкого металла сварочной ванны и микроструктуру наплавленного металла. При наплавке перпендикулярной и продольной лентами микроструктура наплавленного металла крупнозернистая и неоднородная. Наплавка проволочным и составным электродом приводит к измельчению микроструктуры, которая является мелкодисперсной и однородной.

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

2. Расчетно-экспериментальным путем установлено, что при высокоскоростной наплавке на низкой погонной энергии повышается скорость нагрева и охлаждения, увеличивается количество центров кристаллизации, которые, располагаясь перед растущими кристаллами, замедляют их дальнейший рост.

3. С повышением скорости наплавки пропорционально увеличивается скорость кристаллизации жидкого металла сварочной ванны, измельчается микроструктура и снижаются сварочные напряжения, что обеспечивает повышение ударной вязкости сварных соединений, которая характеризует трещиностойкость наплавленного металла.

4. Разработан энергосберегающий процесс высокоскоростной наплавки на низкой погонной энергии, который обеспечивает увеличение скорости нагрева, охлаждения и кристаллизации, измельчение микроструктуры, снижение сварочных напряжений и повышение трещино-стойкости деталей металлургического оборудования.

Список использованных источников:

1. Прохоров Н.Н. Физические процессы в металле при сварке / Н.Н. Прохоров. - Т. II. - М.: Металлургия, 1976. - 600 с.

2. Шоршоров М.Х. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке / М.Х. Шор-шоров, В.В. Белов. - М.: Наука, 1972. - 228 с.

3. Влияние погонной энергии на образование отколов при наплавке высокоуглеродистой стали аустенитными проволоками / В.К. Каленский, Я.П. Черняк, В.Г. Васильев, Т.Г. Соло-мийчук // Автоматическая сварка. - 2001. - № 11. - С. 11-14.

4. Волобуев Ю.В. Оценка влияния параметров термического цикла сварки на размер аусте-нитного зерна в зоне термического влияния сталей типа 12ХН4МА / Ю.В. Волобуев, В.Г. Федоров, Г.Б. Кулигин // Сварочное производство. - 1983. - №12. - С. 6-8.

5. Стеклов О.И. Использование плазменного способа наплавки для нанесения коррозионно-стойкого слоя газонефтехимической аппаратуры, работающей в водородсодержащих средах / О.И. Стеклов, А.В. Алексеев, О.А. Александров // Сварочное производство. - 1989. -№ 5. - С. 1-3.

6. Суслова Е.А. Влияние технологических факторов на склонность к образованию трещин / Е.А. Суслова, В.А. Игнатов, А.С. Зубченко // Сварочное производство. - 1990. - № 5. - С. 35-36.

7. Влияние погонной энергии на коррозионную стойкость сварных соединений аустенитно-ферритной стали типа 10Х21Н5Т / Ю.Н. Савонов, А.Г. Александров, В.И. Рубан, В.П. Локтионов // Сварочное производство. - 1987. - № 7. - С. 9-11.

8. Влияние термического цикла сварки на структуру и свойства экономнолегированных хро-момарганцевоникелевых сталей / М.А. Хубрих [и др.] //Сварочное производство. - 1988. -№ 10. - С. 19-21.

9. Иванова Н.В. Хладостойкость металла ЗТВ сварных соединений резервуарных конструкций / Н.В. Иванова, В.Н. Дикун, В.А. Винокуров // Сварочное производство. - 1985. -№ 11. - С. 15-17.

10. Новая проволока для автоматической сварки под флюсом стали 09Г2С без скоса кромок / А.Ф. Батакшев [и др.] // Сварочное производство. - 1988. - № 1. - С. 23-24.

11. Финкель В.М. Физика разрушения / В.М. Финкель. - М.: Металлургия, 1970. - 376 с.

Bibliography:

1 Prokhorov N.N. Physical processes in the metal during welding / N.N. Prokhorov. - Vol. II. - M.: Metallurgy, 1976. - 600 p.

2. Shorshorov M.H. Phase transformations and changes in properties of the steel during welding / M.H. Shorshorov, V.V. Belov. - M .: Nauka, 1972 - 228 p.

3. Effect of heat input on the formation of splits in high steel deposition austenitic wires / V.K. Kalensky, J.P. Chernyak, V.G. Vasilyev, T.G. Solomiychuk // Automatic welding. - 2001. -№ 11. - P. 11-14.

4. Volobuev Yu.V. Assessing the impact of the thermal cycle parameters of welding on the size of the austenitic grains in the HAZ steels 12HN4MA / Yu.V. Volobuev, V.G. Fedorov, G.B. Kuligin // Welding production. - 1983. - № 12. - P. 6-8.

5. Steklov O.I. Using a plasma deposition method for applying corrosion-resistant layer Gas and

Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733

petrochemical equipment operating in hydrogen environments / O.I. Steklov, A.V. Alekseev, O.A. Alexandrov // Welding production. - 1989. - № 5. - P. 1-3.

6. Suslova E.A. Influence of technological factors on the crack susceptibility / E.A. Suslova, V.A. Ignatov, A.S. Zubchenko // Welding production. - 1990. - № 5. - P. 35-36.

7. Effect of heat input on the corrosion resistance of welded joints of austenitic-ferritic steel type 10H21N5T / Yu.N. Savonov, AG. Alexandrov, V.I. Ruban, V.P. Loktionov // Welding production. - 1987. - № 7. - P. 9-11.

8. Welding thermal cycle effect on the structure and properties of economically alloyed steels chro-momargantsevonikelevyh / M.A. Khubrikh [et al.] // Welding production. - 1988. - № 10. - P. 19-21.

9. Ivanova N.V. Cold resistance of HAZ metal of tank constructions welded joints / N.V. Ivanova, V.N. Dykun, V.A. Vinokourov // Welding production. - 1985. - № 11. - P. 15-17.

10. The new wire for automatic submerged arc welding steel 09G2S without bevel / A.F. Batakshev [et al.] // Welding production. - 1988. - № 1. - P. 23-24.

11. Finkel V.M. Destruction Physics / V.M. Finkel. - M.: Metallurgy, 1970. - 376 p.

Рецензент: С.С. Самотугин

д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 17.11.2015

УДК 621.791.92:669.018.25

© Патюпкш А.В.*

ВПЛИВ МОДИФ1КУВАННЯ ITPieM НА ФОРМУ I К1ЛЬК1СТЬ НЕМЕТАЛЕВИХ ВКРАПЛЕНЬ В АУСТЕШТНШ ВИСОКОЛЕГОВАНШ СТАЛ1

Вивчено вплив Шрт на форму i ктъюстъ неметалевих вкраплень в стал1 06Х23Н18М5. Встановлено, що impiü зв'язуе кисенъ та iншi елементи в гетерогенш з'еднання, що призводитъ до переходу домшок в пасивний стан. Переважно в структурi маютъ мiсто оксидш включення, глобулi i сулъфiднi включення, ят утворюютъся в резулътатi реакцт комnонентiв сталi з розчиненими в металi киснем, аркою i азотом. Встановлено, що рафiнуючи i модифiкуючи аустентну сталъ домшками iтрiю, можна корегувати службовi властивостi наплавленого шару.

Ключовi слова: шкiдливi домшки, аустентна високолегована сталъ, службовi властивостi, неметалевi вкраплення, форма i розмiри вкрапленъ, Шрт, рафтуван-ня, модифтування, форма i розмири неметалевих вкрапленъ.

Патюпкин А.В. Влияние модифицирования иттрием на форму и количество неметаллических включений в аустенитной высоколегированной стали. Изучено влияние иттрия на форму и количество неметаллических включений в стали 06Х23Н18М5. Установлено, что иттрий связывает кислород и другие элементы в гетерогенные соединения, а также приводит к переходу примесей в пассивное состояние. Преимущественно в структуре обнаружены оксидные включения, глобу-ли и сулъфидные включения, образующиеся в резулътате реакций компонентов стали с растворенными в металле кислородом, серой и азотом. Установлено, что рафинирование и модифицирование аустенитной стали примесями иттрия способствует корректировке служебных свойств наплавленного слоя.

* канд. техн. наук, доцент, Запор1зъкий нащональний техшчний ушверситет, м. Запор1жжя, apatupkin@gmail. com