К вопросу применения керамических флюсов на основе минеральных концентратов для восстановления деталей подвижного состава Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.75

Э. Г. Бабенко, Е. Н. Кузьмичев, Я. А. Новачук

К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФЛЮСОВ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Представлены результаты экспериментальных исследований по созданию легирующих вольфрамсодер-жащих керамических флюсов для автоматической наплавки углеродистых и низколегированных сталей на основе многокомпонентного минерального сырья Дальнего Востока. Созданы флюсы, при использовании которых содержание вольфрама в наплавленном металле составляет 0,3 - 6,9 мае. % и можно формировать покрытия с широким диапазоном эксплуатационных свойств.

Инвентарный парк тепловозов ОАО «РЖД» составляет 20,3 тыс. единиц, из них 9,8 тыс. электровозов и 10,5 тыс. тепловозов, около 33 % приходится на локомотивы со сроком службы от 20 до 25 лет. Фактический износ локомотивов на 2011 г. достиг 78,7 %, при этом по электровозам он составляет 75,2 %, а по тепловозам - 82,2 [1].

Для обеспечения надежной и экономичной работы локомотивов предпринимаются попытки их модернизации с заменой основных узлов на новые при производстве капитального ремонта. Одновременно идет обновление парка за счет поставки новых локомотивов. Однако огромные затраты труда и капитала приходятся на долю текущих и средних ремонтов, которые выполняются в базовых локомотивных депо по планово-предупредительной системе ремонта.

При выполнении текущих видов ремонта успешно применяют современные технологии восстановления узлов и деталей, которые обеспечивают долговечность отремонтированных узлов. Важное значение в этой связи приобретают и сварочно-наплавочные технологии восстановления изношенных деталей.

До 80 % деталей, выбраковываемых при ремонте, после восстановления пригодны к дальнейшей эксплуатации. Опыт показывает, что себестоимость такого ремонта, как правило, не превышает 65 - 70 % стоимости новых изделий, а расход материалов в 15 - 20 раз меньше, чем на их изготовление [2]. Известно, что большинство выбракованных по износу деталей теряют не более 2 % исходной массы, при этом прочность практически остается на прежнем уровне. По целому ряду наименований наиболее металлоемких и дорогостоящих изделий их вторичное использование значительно больше, чем потребление новых запасных частей. Отмеченное особенно характерно для железнодорожного подвижного состава.

В настоящее время в ремонтной практике подвижного состава широкое применение находят сварочно-наплавочные технологии, причем предпочтение отдается механизированной электрической наплавке под флюсом, которая позволяет наносить слои большой толщины, имеет высокую производительность, дает более широкие возможности при формировании наплавленных покрытий.

В конструкциях подвижного состава основным материалом являются стали в виде отливок или проката различного профиля. В связи с тяжелыми условиями эксплуатации (большие динамические, знакопеременные и ударные нагрузки) применяемые стали должны характеризоваться высокими физико-механическими свойствами, быть ремонтопригодными, иметь хорошую свариваемость и в то же время быть относительно недорогими. Данным требованиям наиболее полно удовлетворяют конструкционные и низколегированные стали, которые и превалируют в металлоемких узлах подвижного состава. Основными легирующими элементами этих сталей являются кремний и марганец в пределах 0,05 - 0,5 и 0,25 - 1,8 мае. % соответственно. В незначительных количествах присутствуют хром и никель. Аналогичные свойства имеют и низколегированные стали, в частности содержащие вольфрам в пределах 0,5 - 1,5 мае. %. [3]

При восстановлении изношенных поверхностей особое внимание следует уделять тому,

2 ИЗВЕСТИЯI Транссиба №, 3Ц1

чтобы наплавленный металл (особенно работающий в тяжелых условиях эксплуатации) характеризовался высокими физико-механическими свойствами, которые достигаются введением в формируемые покрытия легирующих элементов. Основные способы легирования покрытий при автоматической наплавке под флюсом заключаются в использовании легирующего электродного (присадочного материала) и нелегирующего флюса и в применении нелегирующего электродного материала и легирующего флюса.

Экономически выгодные масштабы внедрения в ремонтное производство первого способа существенно ограничиваются в первую очередь сложностью производства и высокой стоимостью легированной проволоки. Так, например, цена таких элементов (добавляемых в углеродистую сталь при ее легировании), как марганец, хром, титан, вольфрам, молибден, превышает цену железа в 10, 20, 25, 90, 120, 170 раз соответственно. Кроме того, легированная проволока существенно усложняет технологический процесс наплавки, сокращает сроки эксплуатации сварочного оборудования.

Следует также отметить, что легирующие элементы, поступающие в сварочную ванну с проволокой и присадочным материалом, подвергаются большим потерям (окислению), вызывают в сварочном шве и в зоне термического влияния значительные внутренние напряжения, усложняют металлургические процессы. Все это не дает возможности точно подобрать необходимый присадочный материал (ввиду его ограниченной номенклатуры) для формирования в наплавленном металле свойств, равнозначных свойствам основного металла.

Отмеченное дает основание считать более целесообразным при восстановлении деталей использование второго варианта, т. е. формирование покрытий с необходимыми свойствами за счет использования легирующих флюсов. При этом в качестве электродного материала следует применять сравнительно дешевую низкоуглеродистую сварочную проволоку.

Результаты исследований [3 - 6] показывают, что минеральные концентраты, минуя стадию глубокой технологической переработки и извлечения чистого вольфрама, могут быть использованы в шихте флюсов для легирования низкоуглеродистой сварочной проволоки. В связи с этим при восстановлении деталей локомотивов и вагонов предлагается использовать керамические легирующие флюсы в сочетании с недорогой низкоуглеродистой сварочной проволокой.

Для решения поставленной задачи на начальном этапе в качестве основы шихты флюсов использовался шеелитовый концентрат, содержащий до 30 % CaWO4, флюоритовый концентрат (CaF2) и графит. По химическому составу разработанные флюсы согласно рекомендациям Международного института сварки (МИСа) относятся к группе фторидно-основных (FB). Экспериментальная проверка возможности использования флюса проводилась на ряде опытных наплавок с использованием низкоуглеродистой сварочной проволоки Св-08А на подложке из низкоуглеродистой стали марки Ст3.

В результате проведения опытных наплавок с флюсами установлено, что они не имеют технологических свойств, необходимых при автоматической сварке под флюсом.

Возбуждение дуги происходит не в зоне сварочной ванны, а между электродной проволокой и поверхностным слоем сухого флюса и приводит к ее отгоранию через интервал 10 - 15 мм без образования на подложке сварочной ванны. Такая особенность процесса вызвана, по нашему мнению, наличием в шихте флюса токопроводящего графита.

Для исследования влияния графита на технологические свойства флюсов при автоматической сварке была проведена серия опытных наплавок с различным содержанием углерода в составе шихты флюса. Установлено, что наиболее технологичными являются флюсы с содержанием графита в шихте не более 3 %. При сварке с помощью этих флюсов происходит качественное формирование шва, они обеспечивают защиту сварочной ванны от воздействия окружающей атмосферы, хорошую отделимость шлаковой корки. Однако такого количества графита оказалось недостаточно для полного восстановления вольфрама, что было подтверждено химическим анализом металла швов и шлака (таблица 1).

Как показали результаты опытов, использовать углерод в качестве восстановителя

N;n3!l1) ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 3

вольфрама нецелесообразно, так как в этом случае не обеспечивается полный переход вольфрама из шлаковой ванны в металл шва. Поэтому следующий этап исследований предусматривает выбор других восстановителей, обеспечивающих требуемую технологичность флюса и максимальный переход легирующего элемента в переплавляемую электродную сталь.

Таблица 1 - Химический состав опытного сплава и шлака после переплава

Флюс Материал Содержание компонентов, мае. %

С W 81 Мп Т1 А1 Са Мв

ОФА1 Металл 0,02 0,1 0,03 0,20 0,03 0,02 - 0,01

Шлак - 6,6 2,2 0,32 0,09 2,0 >11 0,02

ОФА2 Металл 0,03 0,7 0,04 0,30 0,05 0,02 - 0,01

Шлак - 5,8 2,1 0,35 0,06 2,1 >9 0,03

ОФА3 Металл 0,06 1,4 0,02 0,30 0,08 0,03 - 0,01

Шлак - 4,7 2,4 0,40 0,07 2,0 >8 0,02

Согласно термодинамическим расчетам наиболее близкими к свойствам графита являются кремний и алюминий, что и подтверждается температурной зависимостью потенциала Гибб-са АО, (кДж/моль), полученной согласно расчетам (таблица 2) по предполагаемым реакциям:

ГГОЭ] + 1,5 [С] = + 1,5 [С02 (газ)]; (1)

^03] + 2 [А1] = + [А1203]; (2)

[ГО3] + 1,5 [81] = + 1,5 [8Ю2]. (3)

Таблица 2 - Потенциал Гиббса АО, кДж/моль

Температура, К Восстановитель

С А1 81

200 34,68 -194,29 -124,25

400 22,121 -191,62 -123,57

600 9,904 -188,75 -122,79

800 -2,038 -185,38 -122,03

1000 -13,691 -181,11 -121,14

1200 -25,142 -176,72 -120,17

1400 -36,457 -172,33 -119,22

1600 -47,046 -167,31 -116,36

1800 -55,966 -160,74 -113,67

В качестве активных раскислителей при формировании шихты флюса были использованы флюорит, порошок алюминия и ферросилиций, а для увеличения степени неравновесности шлаковой ванны, улучшения условий формирования необходимых параметров шва и облегчения шлакоотделения добавлялся гранит в количестве 10 мае. % (таблица 3).

Таблица 3 - Состав опытных флюсов

Флюс Состав, мае. % Основность, В

шеелит флюорит гранит А1 Бе81

ОФА1.2 70 20 10 - - 3,41

ОФА2.2 60 15 10 15 - 3,37

ОФА2.3 60 15 10 - 15 3,49

Проверка сварочно-технологических свойств созданных флюсов показала их пригодность для практического использования: дуга устойчива, формирование шва и шлакоотделе-ние хорошие, газопроницаемость удовлетворительная, коэффициент формы шва колеблется от 1,47 до 1,73, что практически исключает подрезы и залегания протяженных шлаковых включений.

Несмотря на практически одинаковое количество шеелита во всех рассматриваемых сис-

= 1

ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^

темах разница содержания вольфрама в наплавленных покрытиях отличается на значительную величину (таблица 4), что объясняется различной степенью активности раскислителей. Так, при использовании во флюсе только флюорита количество перешедшего вольфрама составляет 1,83 мае. %. Добавление в шихту порошка алюминия (флюс ОФА2.2) и ферросилиция (флюс ОФА2.3) увеличивает содержание вольфрама до 3,22 и 6,9 мае. % соответственно. Таким образом, экспериментальная проверка показывает, что из созданных флюсов наиболее рациональный состав шихты имеет флюс ОФА2.3, мае. %: шеелитовый концентрат - 60; гранит - 10; флюорит - 15; ферросилиций - 15.

Таблица 4 - Химический состав покрытий, наплавленных под опытными флюсами

Флюс Состав покрытий, мае. %

С W Мп 81 8 Р

ОФА2.1 ОФА2.2 ОФА2.3 0,060 0,055 0,056 1,83 3,22 6,90 0,87 0,70 0,75 0,34 0,83 0,51 0,035 0,038 0,036 0,028 0,023 0,024

Наиболее распространенным в ремонтной практике подвижного состава в настоящее время является флюс марки АН-348 [7, 8]. В связи с этим был проведен сравнительный анализ физико-механических свойств металла, наплавленного с помощью опытного флюса, и металла, наплавленного с помощью флюса АН-348. Наплавка велась низкоуглеродистой сварочной проволокой Св-08А, в качестве подложки использовалась низкоуглеродистая сталь обычного качества марки Ст3. В результате проведенных исследований установлено, что покрытия, наплавленные с помощью разработанных керамических легирующих флюсов, по сравнению с покрытиями, полученными с использованием плавленого флюса АН-348, имеют больший предел прочности, превышают значения твердости и ударную вязкость (таблица 5).

Таблица 5 - Механические свойства покрытий, наплавленных с использованием плавленых флюсов и разработанных керамических флюсов

Свойства покрытий Флюс

АН-348А ОФА2.1 ОФА2.2 ОФА2.3

ав, кгс/мм2 42 47 46 45

ан, кгс-м/см2 18,3 18,4 18,5 18,7

ан45, кгс-м/см2Т= -60°С 4,2 5,6 5,5 5,3

НВ 185...205 179...192 228...245 246...262

Коэффициент формы шва 1,48...1,54 1,47...1,52 1,58.1,61 1,71.1,73

Угол загиба, град 180 180 180 180

В отличие от покрытий, сформированных с помощью флюса АН-348, ударная вязкость металла, наплавленного с помощью разработанных керамических флюсов, сохраняет свои значения при воздействии низкой температуры.

Коэффициент износостойкости покрытий, наплавленных с помощью керамических легирующих флюсов, составляет от 1,04 до 1,35, в то время как покрытия, наплавленные под флюсом АН348, имеют коэффициент износостойкости 0,87 (рисунок).

Покрытия, сформированные с использованием керамических легирующих флюсов на основе комплексного использования шеелитового концентрата, показывают высокую работоспособность в условиях ударных нагрузок, вибраций, имеют высокую износостойкость, что соответствует условиям эксплуатации деталей подвижного состава.

Результаты опытной проверки показывают, что при восстановлении деталей подвижного состава с использованием разработанных авторами керамических легирующих флюсов мож-но получать вольфрамсодержащие покрытия, формируемые в широком диапазоне физико-механических свойств. Разработанная методика позволяет подбирать состав компонентов флюса в зависимости от требуемых эксплуатационных свойств восстанавливаемой детали.

Результаты исследований показывают, что опытный флюс марки ОФА 2.1 может быть использован при восстановлении деталей, изготовленных из углеродистых сталей марок Ст3 - Ст5, таких как шейки валов вертикальной передачи и изношенные места в эластичных муф-

м;п3!11) ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 5

тах приводов. Опытный флюс ОФА 2.3 можно рекомендовать для наплавочных работ деталей, изготовленных из сталей марок 20, 45, 60Г и т. п., например, поверхностей трения балансиров, деталей пружинного опорно-осевого подвешивания тяговых электродвигателей, рессорных подвесок и опор рессор, т. е. тех деталей, где требуется повышенная износостойкость восстанавливаемых поверхностей. Флюс ОФА 2.2 можно использовать для восстановления наплавкой стаканов, втулок, стоек пружинных гнезд экипажной части локомотивов, изношенных частей шкворневых и надрессорных балок и подпятников вагонов, изготовленных из сталей марок 35ЛН, 25ФЛ, 20ГЛ и т. п.

250

А 3

10-3

150

100

Аш

50

0

Коэффициент износостойкости -

Потери массы покрытий относительно закаленной стали 40ХН: покрытие, нанесенное с флюсом АН-348 (1), с флюсом ОФА2.1 (2), с флюсом ОФА2.2 (3) и с флюсом ОФА2.3 (4)

Технология производства предлагаемых флюсов достаточно проста, не требует больших затрат на сложное оборудование и поэтому может быть организована в местах добычи минерального сырья, которое без первичной технологической переработки и извлечения чистых элементов используется для производства сварочно-наплавочных материалов.

Таким образом, концентрируя изношенные детали подвижного состава на специализированных предприятиях или участках ремонта, можно организовать восстановление этих деталей с формированием необходимых эксплуатационных свойств.

Список литературы

1. Воротилкин, А. В. Локомотивному комплексу - устойчивое развитие [Текст] / А. В. Во-ротилкин. Локомотив. - 2012. - №1 - С. 2 - 4.

2. Восстановление деталей машин: технология и оборудование [Текст] / В. Е. Конарчук, А. Д. Чигринец и др. - М.: Транспорт, 1995. - 303 с.

3. Терещенко, Н. А. Конструкционные стали. Неорганическое материаловедение в СССР[Текст] / Н. А. Терещенко. - Киев. - Наукова думка, 1983. С. 42 - 96.

4. Бабенко, Э. Г. Основные аспекты транспортного минералогического материаловедения [Текст] / Э. Г. Бабенко, А. Д. Верхотуров, В. Г. Григоренко. - Владивосток: Дальнаука, 2004. - 224 с.

5. Бабенко, Э. Г. Разработка и исследование легированных сталей, полученных электрошлаковым переплавом низкоуглеродистой стали с использованием минеральных ассоциаций [Текст] / Э. Г. Бабенко, А. Д. Верхотуров, Е. Н. Кузьмичев // Перспективные материалы. -№ 1. - 2003. - С. 67 - 72.

6. Каллиников, В. Т. Перспективы использования минерально-сырьевой базы Карело-Кольского региона для производства сварочных материалов - электродов и флюсов [Текст] /

6 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба №203111)

В. Т. Каллиников, А. И. Николаев, Ю. Д. Брусницын // Вопросы материаловедения. - 2006. -№ 1 (45). - С. 201 - 219.

7. Инструкция по сварочным и наплавочным работам при ремонте тепловозов, электровозов, электропоездов и дизель-поездов [Текст]. - М., 1996. - 236 с.

8. Инструкция по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов [Текст]. - М.: Транспорт - Трансинфо, 1999. - 255 с.

УДК 629.424.3:621.436

Д. В. Балагин

ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ

В статье выполнен анализ отказов и эффективности средств диагностирования технического состояния топливной аппаратуры дизелей вусловиях эксплуатации.

Система впрыска топлива является одной из важнейших систем дизеля, она предназначена для обеспечения нормального питания дизеля топливом при различных режимах его работы. От степени совершенства топливной системы и ее технического состояния в процессе эксплуатации в значительной степени зависят показатели рабочего процесса дизеля, его надежность и долговечность, атакже эксплуатационные характеристики [1].

В связи с этим к топливным системам дизелей предъявляются высокие требования, связанные с эффективностью их работы, надежностью, долговечностью, простотой обслуживания и ремонта и др.

К топливной аппаратуре (ТА) тепловозов предъявляются следующие основные требования:

- стабильность показателей рабочего процесса в течение всего периода эксплуатации дизеля;

- удобство обслуживания отдельных узлов и регулирования, возможность монтажа и демонтажа форсунок и насосов, разборки и замены отдельных изношенных деталей;

- надежная работа всех узлов в течение установленного срока службы;

- обеспечение необходимых скоростных и нагрузочных характеристик подачи топлива;

- возможность изменения угла опережения подачи в зависимости от режимных условий работы дизеля;

- устойчивая работа дизеля на малых скоростных и нагрузочных режимах без пропусков подач топлива отдельными форсунками;

- возможность прокачки объемов с целью удаления из них воздуха и отвода паров топлива из подводящей магистрали [5].

Условия работы тягового подвижного состава в значительной степени влияют на выполнение перечисленных требований к качеству работы топливной аппаратуры тепловозов.

Анализ результатов диагностирования топливной аппаратуры показывает, что основными неисправностями топливных форсунок и насосов высокого давления являются следующие: малый подъем и «подклинивание» иглы; закоксовывание сопловых наконечников; излом или «просадка» пружины форсунки; малая плотность плунжерных пар; нестабильность цикловой подачи и нестабильность впрыска топлива; потеря упругости пружин плунжера и нагнетательного клапана; потеря герметичности нагнетательного клапана по запирающему конусу.

Основные и часто возникающие причины неисправностей топливной аппаратуры высо-кого давления тепловозных дизелей можно свести к следующим: несвоевременное и неква-

I

м: 31121) ИЗВЕСТИЯ Транссиба