Разработка электродных материалов для наплавки изделии из меди

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип.№10

УДК 621. 791.92

БашмаковаТ.Н.Зареченскин A.B.2

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ НАПЛАВКИ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ МЕДИ

Обобщен опыт разработки электродных материалов для упрочнения и восстановления изделий из меди. Предложены порошковые .материалы для наплавки сплавов системы медь - хром - цирконий и железо - углерод - хром. Даны рекомендации по их практическому применению.

Повышение продолжительности работы оборудования и экономия цветных металлов за счет разработки новых комплекснолегированных материалов и технологии их нанесения при восстановлении и упрочнении изнашивающихся деталей является весьма важной и актуальной задачей. Изделия из меди широко используются во многих отраслях промышленности, в том числе при изготовлении металлургического оборудования (кристаллизаторы, фурмы, летки, токоподводы и др.) и работают в довольно сложных высокотемпературных условиях. В кристаллизаторе, например, происходит плавление электродного металла, принудительное охлаждение и кристаллизация расплавленного металла, а также формирование слитка. Величина плотности теплового потока на стенку кристаллизатора может достигать примерно миллиона килокалорий на квадратный метр поверхности в час и более.

Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к конструкциям медных деталей является обеспечение надежного отвода тепла. Однако, медь, являясь дефицитным и дорогостоящим сырьем, наряду с высокой теплопроводностью обладает низкой износостойкостью при повышенных температурах. Вопросы повышения стойкости медных деталей, упрощения их конструкции, удешевления изготовления и ремонта весьма важны. В настоящее время наибольшее распространение полумили сварочные методы упрочнения и восстановления, в частности, электро-дуговая наплавка, которая является одним из наиболее важных и широко распространенных технологических процессов. В этой связи, важной задачей является разработка новых наплавочных материалов, наиболее перспективными из которых являются порошковые материалы, позволяющие улучшить качество и производительность наплавочных работ, а также обеспечить необходимые эксплуатационные свойства наплавленного металла.

Упрочнение меди достигается легированием другими элементами, которые однако снижают ее теплопроводность. Среди рекомендуемых материалов наиболее перспективна группа низколегированных жаропрочных медных сплавов, причем наилучшим комплексом свойств обладают сплавы системы медь-хром-цирконий. Сплавы этой системы широко изучались в нашей стране и за рубежом [1,2]. Однако, до последнего времени не было единого мнения относительно оптимальных химических составов, диаграммы состояния системы, структуры и состава выделяющейся при старении фазы, причин более высоких свойств тройного сплава по сравнению с хромовой бронзой, механизма положительного влияния циркония. Исследования свойств сплавов системы Си - Сг - Ъх с различным соотношением легирующих компонентов при суммарном их содержании 0,4 % по массе показали, что одновременное введение хрома и циркония в сплав приводит к повышению электросопротивления в закаленном состоянии. Это объясняется увеличением растворимости в меди каждого из компонентов в присутствии другого, что находится в соответствии с диаграммой состояния системы [3], которую можно считать наиболее точной.

1 IUI У, канд.техн.наук,доц.

: ОАО «Азов», канд.техн.наук.

Микролегирование сплавов поверхностно-активными элементами, например бором, в небольших количествах резко повышает показатели пластичности и одновременно электропроводность [2]. Механизм положительного влияния бора на пластические свойства сплавов пока изучен недостаточно, однако можно предполагать, что атомы бора, имея небольшие размеры (атомный радиус бора ~ 0.9 А°), образуют на различных дефектах кристаллической решетки устойчивые атомные сегрегации, которые существенно изменяют кинетику старения сплавов и их способность к пластической деформации в температурном интервале провала пластичности. Повышение электропроводности сплавов при введении в них малых количеств бора объясняется по-видимому тем, что бор образует нерастворимые в меди бориды хрома и циркония и несколько обедняет твердый раствор этими легирующими элементами. Введение в состав сплава небольших добавок (не более сотых долей процента) третьего, четвертого и т.д. элемента позволяет повысить температуру кристаллизации сплава и затормозить диффузионные процессы в нем. Используя этот важнейший принцип легирования, определен оптимальный состав медного сплава [4], обладающего высокой износостойкостью и жаропрочностью при сохранении теплопроводности. При наплавке сплавов этой системы очень важен подбор компонентов электродного материала.

Анализ возможных для использования компонентов шихты и их влияния на процесс легирования при наплавке [5], позволил оптимизировать состав порошкового электродного материала [6]. В процессе наплавки порошковой лентой под плавлеными флюсами происходит неизбежное загрязнение химического состава наплавленного металла вредными примесями из флюса . В результате исследований процесса наплавки сплавов системы медь-хром-цирконий разработана технология наплавки под слоем флюса, обеспечивающая необходимую технологическую прочность наплавленного металла и минимальный переход кремния и марганца из флюса в металл шва, снижающих теплофизические свойства сплава. Разработанная технология и состав порошкового электродного материала на основе меди рекомендуется для восстановления изношенных стенок кристаллизаторов, изношенных контактных поверхностей фурм и токоподводов.

Другим путем повышения срока эксплуатации этих изделий является упрочнение рабочих поверхностей при изготовлении. Наиболее перспективны в этом случае сплавы системы железо-углерод-хром, основными элементами которых являются карбиды и основа. Максимальная износостойкость высокохромоуглеродистых сплавов достигается образованием специальных карбидов Ме-гСд и МегзСб  Определено оптимальное значение отношения алгебраической суммы карбидо- и графитообразующих элементов к углероду т), равное одиннадцати. При таком значении г\, вероятнее всего, происходит перестройка карбидной фазы. Для нанесения сплава системы железо-углерод-хром разработан порошковый электродный материал Щ. Дополнительное легирование наплавленного металла обеспечивает высокий уровень эксплуатационных свойств, что определяется количеством, размерами, морфологией, микротвердостью карбидов и металлической основы [8].

Для соединения разнородных металлов обычно рекомендуется применять такие способы, которые обеспечивают минимальное проплавление металла, незначительное перемешивание основного и наплавляемого металла и минимальный переход элементов основного металла в наплавленный. Ни одним из существующих способов дуговой наплавки (сварки) плавящимся электродом не удается получить наплавленный металл без перемешивания с основным. Исследования процесса наплавки показали, что увеличение глубины проплавлення и доли участия основного металла позволяют объединить свойства наплавляемого металла и основного и получить при этом повышение пластичности, теплопроводности, а также сопротивляемости развитию дефектов в наплавляемом сплаве. Разработанная технология и состав порошкового электродного материала рекомендуется для упрочнения при изготовлении медных деталей.

Для заварки мелких дефектов сварных швов и ремонта разработаны покрытые электроды для ручной дуговой сварки и наплавки. Покрытые электроды обеспечивают высокое качество наплавленного металла и высокие механические свойства, а также обладают удовлетворительными сварочно-технологическими характеристиками. Сравнение свойств известных электродов для сварки меди, показывают, что разработанные электроды не уступают известным, а по пределу прочности превосходят [9].

Разработанные материалы и технология упрочнения и восстановления медных деталей металлургического оборудования опробованы в промышленных условиях, что позволило повысить срок эксплуатации изделий не менее чем в 1,5 - 2,0 раза.

Выводы

1. При восстановлении изношенных поверхностей медных деталей, работающих при повышенных температурах, оптимальными являются электродные материалы для наплавки сплавов системы медь-хром-цирконий.

2. При изготовлении изделий из меди целесообразно использовать технологию упрочнения путем наплавки сплавов оистемы железо-углерод-хром.

3. Для ремонта и заварки отдельных дефектов можно использовать ручную дуговую наплавку разработанными покрытыми электродами.

Перечень ссылок

1. Тихонов Б.С. Многокомпонентные низколегированные медные сплавы, обрабатываемые давлением (зарубежная практика). - М.: Цветметинформация, 1975. - 68 с.

2. Захаров М.В., Захаров A.M. Жаропрочные сплавы. - М.: Металлургия, 1972. - 384 с.

3. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди. Справочник / М.Е. Дриц, Н.Р. Бочвар Л.С. Гузеи и др. - М.: Наука, 1979. - 248 с.

4. A.C. 1140478 СССР, МКИ С22С 9/00.Сплав на основе меди / Т.Н. Баишакова, П.Ф.Лаврик,

A. В. Васильев и др.

5. Баишакова Т.Н. Особенности легирования при наплавке медных сплавов // Вестник При-азов. гос. техн. ун-та.: Сб. науч. тр. - Мариуполь . 1999,-Вып. 8. - С. 160 - 162.

6. АС. 1125879 СССР, МКИ В23К 35/368.Состав порошковой проволоки / Т.Н. Баишакова,

B. А. Муратов, П.Ф. Лаврик и др.

7. A.C. 1249807 СССР, МКИ В23К 35/36. Шихта для наплавки / Т.Н. Баишакова, В.П.Полухин, A.B. Васильев и др.

8. Баишакова Т.Н. Влияние легирования на образование карбидной фазы, структуру и свойства наплавленного металла системы Fe-C-Cr // Автоматическая сварка . -1998,- № 12. - С. 39 - 42.

9. Баишакова Т.Н. Электроды для сварки меди //Вестник Приазов. гос. техн. ун-та.: Сб. науч. тр. - Мариуполь , 1998. - Вып. 6. - С. 251 - 253.

Башмакова Татьяна Николаевна. Канд. техн. наук, доцент кафедры металлургии сварки, окончила Мариупольский металлургический институт в 1978 году. Основные направления научных исследований - разработка материалов и технологии наплавки износостойких жаропрочных сплавов, получение материалов сварочными методами.

Зареченский Анатолий Васильевич. Канд. техн. наук, зам. директора по сварочному производству ОАО "Азов", закончил Мариупольский металлургический институт в 1963 году. Основные направления научных исследований - разработка электродных материалов и технологии износостойкой наплавки.