CC BY
10
УДК 669.1
I. Е. СкщЫ, канд. техн. наук Л. Н. Сатареев, канд. техн. наук В. В. Ткач,
д-р техн. наук Ф. Т. КалЫЫ, Е. Н. Жбанова
ДВНЗ «Кривор1зький техшчний ушверситет», м. Кривий Р1г
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ МЕТАЛЕВОГО НАПОВНЮВАЧА ТЕРМ1ТНО1 ШИХТИ НА ЯК1СН1 ПОКАЗНИКИ СПЛАВУ, НАПЛАВЛЕНОГО МЕТОДОМ СВС
РозглянутI технолог1чн1 параметри процесу наплавлення на металеву основу шару стал! або чавуну, отриманого у результатI СВС. Проведено комплексне досл1дження впливу складу екзотерм1чно1 шихти й початково'1 температури поверхн! основи, на яку здшснюеться наплавлення, на яюсть термтного сплаву та з 'еднання шаргв.
Ключовi слова: литво, термтна сталь, синтез, алюмотермгя, наплавлення.
Постановка проблеми
Для наплавлення покриття на поверхню металевих виробiв зазвичай використовують зварювання. Цей процес е трудомктким, потребуе багато часу та не доз-воляе одночасно отримувати з' еднання по усш площинi виробу. Застосування саморозширювального високо-температурного синтезу (СВС) для отримання рiдкого термпного сплаву по усiй робочiй поверхт деталi може стати економiчно доцшьною альтернативою виробниц-тва плоск1нних бiметалевих виробiв.
Мета i завдання
Для обгрунтування технологiчних параметрiв процесу наплавлення на металеву основу шару сталi або чавуну, отриманого у результап СВС, товщиною понад 5 мм необхщно проведення комплексного дослщження впливу складу екзотермiчноl шихти й початково! температури поверхнi основи, на яку здшснюеться наплавлення, на яюсть з'еднання матерiалiв та властивост тер-мiтних сплавiв.
Вступ
Екзотермiчне наплавлення являе собою процес на-несення на поверхню металево! деталi рiдкого розп-лаву заданого хiмiчного складу та температури, одер-жуваних в результатi екзотермiчноl реакци металу-вiдновника з оксидом залiза. Як компоненти термпно! шихти можуть використовуватись вiдходи металургш-ного виробництва (знежирена окалина, просипи фе-росплавiв тощо) i порошки алюмiнiю та залiза.
В результат дослiджень [1] було встановлено теплотворна здатшсть термпно! сумiшi на основi Fe2O3 i на основi БеО. Розрахункова температура реакци в останнiй не перевищуе температуру фазових переходiв продушив.
Теплота, що видiлилася в результап екзотермiчноl реакци термпно! сумiшi на основi Бе2О3, витрачаеться на таю процеси: нагрiвання залiза i оксиду алюмiнiю до температури плавлення, !х нагрiвання в рiдкому сташ до температури кипiння, теплообмiн з навколишшм середовищем [2].
При тепловому ефектi терминов' реакци з Бе2О3 3996 кДж / кг (955 ккал / кг) шльюсть теплоти, що витрачаеться на випаровування залiза, становить 3996-3548 = 448 кДж / кг (107 ккал / кг).
Виходячи з вщомо! теплоти випаровування залiза, що дорiвнюе 6088 кДж / кг (1455 ккал / кг), стутнь переходу залiза в газоподiбний стан складе: 448/6088 / 0,5228= = 0,141 або 14 %. Отже, з кожного моля, утвореного в результап реакци залiза, 0,141 моль переходить в газо-подiбний стан.
Якщо надлишок тепла 448 кДж / кг витрачаеться тшьки на випаровування залiза, якого в продуктах реакци мютиться 52,28 % (в перерахунку на 1 кг затза ця ж юльюсть теплоти одно 448 / 0,5228 = 856,92 кДж / кг або 204 , 7 ккал / кг), то в початкову шихту може бути додано 856,92 / 2318,44 * 100 % = 36,9 % залiза вад маси залiза, отриманого тд час реакци, або 19,3 % ввд початково1 маси алюмшю i окалини.
Наповнювач мае являти собою залiзний порошок з розмiрами часток, порiвнянними з частинками оксиду залiза i алюмiнiю, що дозволяе !м розплавлятися безпо-середньо тд час реакци.
Для збшьшення виходу придатнох термiтно! сталi в шихту необидно внести максимально можливу кшьюсть мета-левого наповнювача з урахуванням температури редкого термпного сплаву на поверхт основи i часом його взаемо-ди з нею. Пдцрв шихтових матерiалiв тдвишуе юльюсть теплоти без присутносп в терминш сумiшi пiдiгрiвально! добавки (натрiевоl або калiево! селiтри), i дозволяе шдви-щити вмiст металевого наповнювача в шихти [3].
© И. Е. СидН Л. Н. Са1тгареев, В. В. Ткач, Ф. Т. КалУн, О. Н. Жбанова, 2017 66
ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
След зазначити, що горiння екзотермiчно! сумiшi вiдбуваeться у дек1лька еташв. Початкова стадiя почи-наеться з моменту и займання, це дуже бурхлива стадiя горiння, яка супроводжуеться пiроефекгом у виглядi iнтенсивного розбризкування. У середнш стадл процес стае бшьш стабiльним, к1льк1сть бризок зменшуеться, утворюваний розплав осаджуеться на основу, розплав-ляючи 11 поверхню. Юнцева стадiя е найбiльш стабшь-ною i характеризуеться виходом газiв та шлакових вклю-чень на поверхню терминого розплаву, а також фор-муванням бiльш глибоко! перехедно! зони сплавлення.
Результати дослiджень та Ух обговорення
Оск1льки з' еднання мiж матерiалами утворюеться в рiдкiй фазi, необхедно, щоб температура поверхнi осно-ви була вище температури 11 плавления i забезпечува-лося iнтенсивне протшання дифузiйних процесiв двох розплавiв на глибит вед поверхнi основи, це значно пе-ревищуе товщину окисного шару [4]. У цьому разi час контакту розплаву i основи мае складати вiд 0,1 с до десятшв секунд. У робот1 проведено розрахунки змiни температурного поля пластинки i температури сере-довища iз змiною часу.
Розглянемо основу на приклащ пластинки, на частит яко! треба отримати наплавлення. Для цього ми на пластинщ закрiплюемо трубу яку ми футеруемо. В отриману форму засипаемо першим бшьшим шаром сумiш iз термiту i шихти (металчно! основи), а другим меншим шаром засипаемо тiльки термiчну сумш. Схема форми представлена рис. 1.
В результат подпалу термiчно! сумiшi вiдбуваеться процес горiния термiчно! сумiшi при високих температурах (2861 °С) [5], що призводить до плавлення мета-лчно! основи. Процес горшня i наплавлення ведбуваеть-ся дуже швидко, за дешлька секунд, у результатi чого отримуемо наплавлення iз заданим хiмiчним складом на пластинщ. Для прискорення процесу i кращого наплавлення форму про^вають.
Нам необхiдно розрахувати температурне поле само1 пластинки, як змiнюеться температура рiдкого металу iз часом, чи привариться наплавлювальний шар на поверхню пластинки. Для цього скористаемося тео-
рiею i формулами теплопровiдностi i теплопередачi для нестацiонарного процесу, бо в нас змiнюеться як температура середовища (рiдкого металу), так i температура пластинки iз часом. Осюльки для поставлено1 задачi щ розрахунки дуже складнi, то для !х спрощення пред-ставимо, що весь редкий метал одразу ж надшшов до пластинки i мав температуру 2861 °С по всш И площинi, а розрахунок будемо вести для едеально! моделi, тобто тшьки для пластинки, будемо вважати, що тепловедда-чею форми (труби i футерування) можна знехтувати. Представимо, що модель процесу буде така: через нео-бмежену пластинку товщиною 5 мм, буде ведбуватися тепловiддача тепла по всш И площ^ одна частина яко1 буде знаходитися в середовищi редкого металу, а iнша в середовищ1 повiтря. Необхедно розрахувати температурне поле пластинки i температуру середовища, яке змiнюеться з часом. Для цього скористаемося методом числового штегрування для розрахунку температурного поля пластинки i формулами теплопередачi для плоско! стшки. Оск1льки процес горшня i наплавлення ведбу-ваеться дуже швидко, то розрахунок будемо вести, представивши, що за 1 с температура середовища (редкого металу) не змшюеться. I для кожно! секунди будемо роз-раховувати як температурне поле само! пластинки, так i температуру середовища (редкого металу).
Результати розрахунку змши температури поверхш основи i наплавлювального сплаву з вмiстом металево-го наповнювача 20 % без про^вання шихти (рис. 1) показали, що впродовж усього перiоду контакту розплаву з пластиною остання не розплавляеться, отже, наплавлення не ведбуваеться, крт того, отриманий терм-iтний розплав кристалiзуеться вже на першш секундi.
Нагрiв матерiалiв до 473 К забезпечуе розплавлення поверхнi основи (рис. 2). Температура основи значно перевищуе температуру !! плавлення, що сприяе збiльшению тривалосп взаемодi! двох розплавiв, а отже, й покращенню якостi з'еднання. Але, унаследок дуже бурхливого процесу горшня термино! сумiшi, наплав-лений шар утворюеться не по всш площиш основи, а локально. Крiм того, у наплавленому шарi у великш кiлькостi присутнi газовi та шлаковi включення, як1 зу-мовленi ведсуттстю достатньо! юлькосп редкого металу.
Рис. 1. Схема форми для отримання на пластинщ наплавлення методом СВС
Рис. 2. Змша температури поверхш пластинки i сплаву без прогрiвання шихти
Рис. 3. Змша температур пластинки i середовища з про^ванням до 473К
Отже, обгрунтована необхщшсть збшьшення мета-левого наповнювача у термггнш сушш1 та прогр1вання матер1ал1в.
У табл. 1 наведеш результати термодинам1чних роз-рахунк1в впливу температури прогр1вання основи та шихти на вм1ст додаткового затза у нш.
Нагр1вання до б1льш високих температур недоцшьне у зв'язку 1з швидким зношенням технолопчного осна-щення та можливютю самозаймання термите»! сум1ш1.
Як видно з даних таблицi, нагр1в матер1атв забезпе-чуе можливють введения у шихту додаткового зал1за, яке б забезпечило температуру середовища близькою до температури китння затза.
Вплив температури нагр1ву матер1ал1в та кшькосп затзного порошку у терттнш шихт! на кшьюст та яюст показники наплавленого шару показаний на рис. 4-7.
Збшьшення Т^ час горшня екзотерм1чно1 сум1ш1 знижуеться з 6,5-6,8 до 5,7-6,2 с. при Т - 473 К i 873 К вщповщно.
В усiх температурних дiапазонах пвд^ву шихти зi збiльшення кiлькостi металевого наповнювача в екзо-термiчнiй сумiшi вихiд термiтноï сталi збiльшуеться на 4,2-6,9 %.
Дослщження якiсних показникiв наплавленого тер-мiтного сплаву при рiзних температурах пiдiгрiву та вмгсп металевого наповнювача у шихтi вш 20 до 40 % показало, що зi збiльшенням цих параметрiв густина сплаву ( за ГОСТ 20018-74) збтшуеться з 5,3-5,5 г/см3 при Т^ = 473 К до 5,6-7,05 г/см3 при Т^ = 873 К. При цьому пористiсть сплаву зменшуеться з 24,5 до 7,2 %.
Таблиця 1 - Показники про^вання основи та шихти
^^Цагртв форми Т, Надлишок тепла, кДж/кг Юльюсть додаткового залiза вщ маси терм1ту, %
298 448 19,3
473 559,08 24,4
673 686 29,6
873 813 35,1
ТЕХНОЛОГИ' ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
Рис. 4. Вдаошення густини металу ввд Т i вiд вмсту Ее _в сумшп_
Рис. 5. Вщношення пористостi вщ Т прогргвання
_[ кшькост! Ее в сумшп_
'3 б,
473 673 873
Температура прогр1вання суп/пин Т,К... — 40% Ре —■— 30%Ре 20%Ре
473 673 873
Температура прогр1вання сумЫ Т,К.. ►_20%Ре —■— 30%Ре —* 40%Ре
Рис. 6. Вiдношеиия часу горшня вщ Т прогргвання i вмiсту Ее в сумiшi
Рис. 7. Залежтсть виходу термино! стат Чтер ст..вщ температури про^гвання i вмiсту Ее _в термтшй сумiшi_
При вмiстi у шихп понад 40 % наповнювача, неза-лежно вiд температури тда^ву, спостерiгаеться зни-ження температури розплаву, що приводить до його значно! пористостi, а також наявносп у зонi з'еднання непроплавлених окислених дiлянок (рис. 8б).
Висновки
Отже, оптимальним вмiстом наповнювача у прогртй до 873 К термгтнш сумiшi для наплавлення е
40 %. При цьому вихвд термгтно! сталi збiльшуеться на 6,94 % (до 71,9 % абс.) та покращуються и яюсш показ-ники: густина збiльшуеться на 33 %; пориспсть змен-шуеться на 17,3 %. Зниження температури пвд^ву рiзко зменшуе як1сть сплавлення наплавлюваного металу з металевою основою. Крiм того, погiршуються умови утворення чисто! термгтно! сталi: термiтний метал не роздметься зi шлаком i виднеться в окремi кулястi утворення.
а - зразки наплавки при 40 % металевого наповнювача в термлшй шихт!
б - зразки наплавки понад 40 % металевого наповнювача в термлшй шихт!
Рис. 8. Розр1зи зразюв 61металевого виробу при прогр1ванш основи та шихти до 873К
Список лттератури
1. Яценко В. В. Горение гранулированной железоалюми-ниевой термитной смеси при получении железа и его композита с карбидом титана : автореф. дисс. на соискание научн. степени канд. техн. наук : спец. 01.04.17 / В. В. Яценко. - Самара, 2011. - 187 с.
2. Малкин Б. В. Термитная сварка / Малкин Б. В., Воробьев А. А. - М. : Издательство коммунального хозяйства РСФСР, 1963. - 105 с.
3. Неронов В. А. Бориды алюминия / Неронов В. А., Прихна Т. А. - К. : Наукова думка, 1990. - 190 с.
4. Науменко В. С. Термитная сварка рельсов / Наумен-ко В. С. - М. : Стройиздат, 1969. - 184 с.
5. Нойман А. Сварка, пайка, склейка и резка металлов и пластмасс : Справочник / Нойман А., Рихтер Е. - М. : Металлургия, 1980. - С. 24-27.
Одержано 18.11.2017
Скидин И.Э., Саитгареев Л.Н., Ткач В.В., Калинин Ф.Т., Жбанова Е.Н. Исследование влияния металлического наполнителя термитной шихты на качественные показатели сплава, наплавленного методом СВС
Рассмотрены технологические параметры процесса наплавки на металлическую основу слоя стали или чугуна, полученного в результате СВС. Проведено комплексное исследование влияния состава экзотермической шихты и начальной температуры поверхности основы, на которую осуществляется наплавки, на качество термитной сплава и соединения слоев.
Ключевые слова: литье, термитная сталь, синтез, алюмотермия, наплавки.
Skidin I., Saithareyev L., Tkach V., Kalinin F., Zhbanova O. Study of the influence of metallic termal mixture burners on quality indicators of alloy concrete with the SWISS method
The technological parameters of the surfacing process on the metallic base of a steel or cast iron produced by the HVS are considered. The complex does not study the influence of the composition of the exothermic charge and the initial temperature of the surface of the base on which the surfacing is carried out, on the quality of the termite alloy and the connection of the layers.
Key words: casting, termite steel, synthesis, aluminometry, surfacing.
