Особенности технологии дуговой наплавки упрочняющих слоев на стальную подложку

A thermodynamic simulation of samples investigated steel 25Х3М3НEЦА gas lines in the process of sliding friction with lubrication resource at a given pressure, temperature and composition of the gaseous medium. It has been shown that the compositions of layers on the sample surface almost depends on the initial composition of the layers, which is obtained after nikotrirovaniya, wherein the composition of the layers at a higher temperature promotes greater heat resistance of the samples, than the layers formed at low temperatures.

Key words: thermodynamic modeling, gas environment, the process of sliding friction with the resource lubrication, heat-resistant structural steel nikotrirovannaya, kinetic factors.

Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical science, docent, malen-ko@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Goncharov, Oleg Yurievich, candidate physics-math. science, senior research fellow, olaf@nm.ru, Russia, Izhevsk, Physical-technical Institute, Ural branch of RAS

УДК 621.7; 621.791; 621.715.2

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ УПРОЧНЯЮЩИХ СЛОЕВ НА СТАЛЬНУЮ ПОДЛОЖКУ

В. А. Ерофеев, С.К. Захаров, О.В. Кузнецов

При изготовлении валков для станов горячей прокатки и штампов горячей штамповки различных типоразмеров их поверхность упрочняют дуговой наплавкой порошковой проволокой. Определение способа и режима наплавки выполнено на основе компьютерной модели формирования слоя. Режим наплавки первого слоя определялся по минимальному расплавлению подложки, а второго - по условию неполного проплав-ления первого слоя. Дуговую наплавку относительно толстого (3-6мм) и широкого слоя целесообразно осуществлять плавящимся электродом ниточными проходами или широким слоем, получаемым при поперечных колебаниях наплавочной горелки. Дуговую наплавку относительно тонких (1-3мм) слоёв можно выполнять только неплавящим-ся электродом с подачей присадочной порошковой проволоки в факел дуги.

Ключевые слова: технология наплавки, дуговая наплавка, упрочнение, режим наплавки.

При изготовлении валков для станов горячей прокатки и штампов горячей штамповки различных типоразмеров их поверхность упрочняют.

Нанесение упрочняющих слоёв, содержащих мелкодисперсные порошки карбида вольфрама, молибдена, тантала и хрома выполняют дуговой наплавкой с использованием порошковой проволокой, оболочка которой выполнена из стали, а сердечник представляет собой порошок твёрдых

132

материалов.

Для анализа формирования наплавляемого слоя использовали компьютерную модель процесса наплавки [1-5].

Задача анализа состояла в оценке возможностей способов и выборе режимов наплавки заготовок штампов и рабочих валков прокатных станов, обеспечивающих формирование слоя разной толщины требуемого химического состава.

Заготовки для штампов горячей штамповки изготавливаются из сталей 5ХН - 4ХСНМФЦР, 4Х4ВМФС в форме пластин толщиной 2040 мм с максимальным размером до 200 мм.

Слой упрочняющего сплава обычно имеет толщину 3-5 мм (после удаления припуска на размерную обработку).

Теплофизические свойства указанных сталей практически одинаковы [6].

Ограниченный размер заготовок допускает наплавку несколькими параллельными валиками с предварительным нагревом заготовок до температуры 300 °С при небольшой скорости перемещения горелки.

При наплавке штампов требуется минимизировать перемешивание материала порошковой проволоки с металлом заготовки. На рис. 1 показана схема укладки валиков.

Рис. 1. Укладка валиков при наплавке штампов: 1...4 - номера валиков; Ь - смещение дуги; В - ширина наплавочной ванны; Б, Г, М - сечения наплавки; переплава предшествующего валика и расплава подложки; Н - высота наплавки;

Ъ - проплавление подложки

Основным фактором перемешивания является давление дуги, которое деформирует поверхность наплавочной ванны, создавая кратер в расплаве. Давление дуги сильно зависит от тока, поэтому наплавку первого слоя необходимо осуществлять при минимальном токе, обеспечивающем нагревание поверхности заготовки до температуры плавления.

Моделированием установлено, что для указанных сталей минимальный ток дуги в аргоне, вызывающий плавление поверхности заготовок

Ь

В

Р м

из указанных сталей, составляет 90-100 А.

Дуга плавящегося электрода в аргоне имеет длину 3-4 мм при напряжении 11-12 В.

При скорости перемещения 5 мм/с и токе дуги 100 А возникает наплавочная ванна шириной 5-6 мм. При наплавке плавящимся электродом ток дуги в 100 А плавит порошковую проволоку с сердечником из тугоплавких металлов диаметром 1,6 мм со скоростью 16-18 мм/с. Одиночный валик при такой подаче формируется выпуклой формы с максимальной высотой 2,2 мм (средней 1,35 мм) и площадью поперечного сечения 6 мм2. Максимальное проплавление металла заготовки составляет 0,5-0,7 мм. Коэффициент участия металла заготовки в наплавленном металле составляет 22-27 %. Последующие валики наплавляются параллельно со смещением 3 мм. При этом ранее наплавленный валик частично переплавляется. Второй и последующие валики формируются с максимальной высотой 2,7 мм (средней 2,2 мм), а коэффициент участия металла заготовки в валике уменьшается до 12-14 %. Глубина впадины между валиками составляет 0,50,8 мм.

Второй слой можно наплавлять при более значительных значениях тока дуги до 200-250 А, при которых нет опасности сквозного проплавле-ния первого слоя. Ширина наплавочной ванны при токе 200 А составляет 7-8 мм, а скорость плавления порошковой проволоки - 40-42 мм/с. Длина дуги 3-4 мм, напряжение дуги 12 В. Валики укладываются с шагом 4 мм при скорости 5 мм/с. Высота валиков составляет: средняя 3,9 мм, максимальная 4,5 мм. Глубина впадин между валиками не превышает 0,8 мм. Так как металл первого слоя частично переплавляется (составляет 20-25 % площади сечения), во втором слое имеется небольшая примесь металла заготовки, оцениваемая значением в 2,5-3 %.

Суммарная средняя толщина наплавленных слоёв составляет 6 мм, но она имеет выпуклости и впадины и непостоянна по сечению, колеблясь в пределах 5,4-6,6 мм. Для получения заданного размера (5 мм) требуется удаления верхнего слоя наплавленного сплава толщиной 0,4-1,6 мм, т. е. около 20 % наплавленного сплава.

Кованые рабочие валки для станов горячей прокатки изготавливаются из сталей 50ХН, 45Х5МФА, 90ХФ(9ХФ) с диаметром валка 200650 мм и длиной - 2500-4000 мм. Требуется получить слой упрочняющего сплава толщиной 4-7 мм (после удаления припуска на размерную обработку). На рис. 2. показана схема выполнения наплавки слоя с поперечными колебаниями наплавочной горелки.

Ввиду больших размеров заготовок наплавка с их подогревом затруднительна. Учитывая большую площадь наплавки целесообразно использование широкополосной наплавки с поперечными колебаниями наплавочной горелки.

Для минимизации перемешивания наплавляемого сплава с метал-

лом заготовки первый слой наплавляется при малом токе дуги 100-110 А, напряжении дуги 12 В, длине дуги 3-4 мм. Ширина наплавочной ванны и формирующегося поперечного валика составляет 5-6 мм, поэтому для получения перекрытия поперечных валиков шаг смещения не должен превышать ширины валика за период поперечных колебаний. Это смещение в данном случае принято 4 мм при амплитуде колебаний ±10 мм. Скорость наплавки выбрана 1 мм/с. Ток дуги 100 А плавит порошковую проволоку диаметром 1,6 мм со скоростью 16-18 мм/с, с которой производится её подача в наплавочную горелку. Период поперечных колебаний составляет 4 с. Для получения равномерного формирования наплавленного слоя длительность остановки в крайних положениях выбрали равной 0,2 с. Скорость поперечного перемещения горелки составила 12 мм/с. При указанных параметрах формируется слой шириной 24-26 мм и средней высотой 1,3-1,4 мм.

Рис. 2. Схема выполнения широкослойной наплавки: а - осевое сечение; б - вид сверху; в - поперечное сечение слоя; В - ширина слоя; С - шаг смещения; Б, Г, М - сечения наплавки переплава предшествующего валика и расплава подложки; Н- высота наплавки; Ъ - проплавление подложки

Последующие широкие валики укладываются со смещением 22 мм, что обеспечивает отсутствие впадины между ними.

Второй слой наплавляется при токе дуги 240-260 А, напряжении

дуги 15 В, длине дуги 3-4 мм. При этих параметрах дуги формируется наплавочная ванна и поперечный валик с шириной 7-8 мм, что позволяет выбрать смещение при поперечных колебаниях 5 мм. Электродная проволока диаметром 1,6 мм при указанном токе плавится со скоростью 50 мм/с. При скорости наплавки 1 мм/с и амплитуде поперечных колебаний ±10 мм, период колебаний составляет 5 с, длительность остановки в крайних положениях 0,25 с, скорость поперечного перемещения горелки 9 мм/с.

Формируется слой шириной 27 мм со средней высотой 3,7 мм.

Широкие валики второго слоя укладываются со смещением 23 мм, что обеспечивает заполнение пространства между ними. Средняя толщина второго слоя 3,8-3,9 мм.

Общая толщина двух слоев 5,1-5,3 мм, следовательно, при последующей размерной обработке требуется удалить 0,1-0,3 мм.

Наплавка тонких слоёв. В случаях, когда необходимо получить очень тонкий слой упрочняющегося сплава и нежелательно удаление большого количества наплавленного металла при последующей размерной обработке, использование дуговой наплавки плавящимся электродом невозможно. В рассмотренных примерах ток дуги, обеспечивающий нагревание стальной заготовки до температуры плавления, что необходимо для формирования наплавочной ванны, количество металла плавящейся проволоки формирует слой значительной толщины, не менее 1,2 мм.

Слои толщиной менее 1 мм следует использовать аргонодуговую наплавку вольфрамовым электродом с подачей порошковой проволоки в факел дуги в голову наплавочной ванны.

Например, при наплавке слоя толщиной 0,8 мм при скорости наплавки 5 мм/с ток дуги, достаточный для формирования наплавочной ванны шириной 5 мм ток дуги должен составлять 90-110 А при её длине 45 мм и напряжении 13-15 В. Скорость подачи порошковой проволоки диаметром 1,6 мм должна составлять при смещении параллельных валиков на 3 мм должна составлять 6 мм/с.

Выводы:

1. Для наплавке упрочняющего слоя необходимо минимизировать перемешивание материала порошковой проволоки с металлом заготовки, что определяет способ и режим наплавки. Это обеспечивается выполнением наплавки в два слоя, режим первого из которых выбирается по условиям минимального расплавления подложки, а второго - по условию неполного проплавления первого слоя.

2. Дуговую наплавку относительно толстого (3-6 мм) и широкого слоя можно осуществлять плавящимся электродом как ниточными проходами, как и широким слоем, получаемым при поперечных колебаниях наплавочной горелки.

3. Дуговую наплавку относительно тонких (1-3 мм) слоёв можно

136

осуществлять только неплавящимся электродом с подачей присадочной порошковой проволоки в факел дуги.

Работа представлена на 3-й Международной Интернет - конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ 1 мая - 30 июня 2014 г.

Список литературы

1. Судник В.А.,. Ерофеев В.А, Радаи Д., Бек М., Керн М. Компьютерное моделирование лазерного нанесения порошковых покрытий. //«Лазерные технологии и средства их реализации». С.-Петербург, 2000.

2. Numerische Modellierung des Laserbeschichtens mit Pulver und experimentelle Verifizierung / W. Sudnik, W. Erofeew, D. Radaj, M. Beck, M. Kern, R. Heigl // Simulation der Fügetechniken - Potentiale und Grenzen: Beiträge zum DaimlerChrysler-Technologiekolloquium. Düsseldoef: DVS-Verl., 2001. B. 214. S.108-117.

3. Курьянинова Е.И., Ерофеев В.А.Оптимизация технологических параметров лазерно-порошковой наплавки на основе математического моделирования // Сварочное производство. 2007. №4. с.21-27.

4. Страхова Е.А., Ерофеев В. А., Судник В.А. Моделирование процесса наплавки с поперечными колебаниями плазмотрона // Сварка и диагностика. 2009. №2. с.12-15

5. Ерофеев В. А., Страхова Е.А. Компьютерный инженерный анализ процесса плазменно-дуговой наплавки слоя цветного сплава на стальные тела вращения // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. № 12. с. 12-18.

6. Столович Н.Н., Миницкая Н.С. Температурные зависимости теп-лофизических свойств некоторых металлов. Минск: Наука и техника, 1975. 160 с.

Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, доц., va erofeev@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Захаров Сергей Константинович, канд. техн. наук, доц., zzzsk1971 @yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Кузнецов Олег Вячеславович, канд. техн. наук, инженер, kosgor@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

FEATURES OF TECHNOLOGY OF ARC SURFACING REINFORCING LA YERS ON THE STEEL SUBSTRA TE

У.А. Erofeev, S.К. Zakharov, O.V. Kuznetsov

At manufacturing of rolls for hot rolling mills and stamps hot stamping of various sizes strengthen their surface arc surfacing with powder wire. The definition and mode of surfacing is made on the basis of a computer model of the formation of the layer. The mode of surfacing of the first layer was determined by the minimum melting of the substrate, and the second condition incomplete penetration of the first layer. Arc surfacing of relatively thick (3 -6 mm) and wide layer is reasonable to carry out consumable electrode thread passes or wide layer obtained by transverse oscillations of a welding torch. Arc surfacing of a relatively thin (1-3 mm) layers can be performed only by non-consumable electrode with feeding of the filler powder wire in the arc torch.

Key words: technology of surfacing, arc surfacing, surfacing, surfacing mode.

Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, va erofeev@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Zakharov Sergey Konstantinovich, candidate of technical science, docent, zzzsk1971 @yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kuznetsov Oleg Viacheslavovich, candidate of technical science, engineer, kos-gor@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 669.715; 669.018.28; 669.7.017

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ ЗОН ГИНЬЕ-ПРЕСТОНА НА УПРОЧНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

Ю.В. Чапкова

Получены оценки размеров зон Гиньн-Престона (ЗГП) в алюминиевых сплавах. Выполнен расчет напряженного состояния в окрестности ЗГП. Показано, что корреляция размеров ЗГП с упрочнением алюминиевых сплавов отсутствует. Вклад в упрочнение вносит не размер ЗГП, а величина напряженного состояния в окрестности ЗГП. Показано, что напряженное состояние в окрестности ЗГП зависит от разности плотностей между ЗГП и матрицей алюминиевого сплава.

Ключевые слова: Зона Гинье-Престона, плотность включения, матрица алюминиевого сплава, радиальное напряжение.

В настоящее время можно найти много информации о термическом дисперсионном упрочнении (механизме структурных изменений, происходящих при распаде пересыщенного твердого раствора) алюминиевого сплава, которое зависит от температуры и продолжительности старения.

Возможен и дисперсионное упрочнение (химический механизм упрочнения), в результате чего повышается напряжение, необходимое для движения дислокации в решетке, искаженной вокруг когерентных

138