CC BY
17
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. № 12
УЦК 621.791..927.5
Макаренко H.A.*
НАПЛАВКА ЧУГУННЫХ ПРЕСС-ФОРМ ДЛЯ ФОРМОВКИ СТЕКЛЯННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Разработан и исследован состав наплавочного материала для упрочнения чугунных пресс-форм, работающих в условиях термоциклических нагрузок. С целью повышения разгаростойкости рекомендуется наплавочный медно-никелевый сплав микролегиро-вать бериллием.
Важной проблемой повышения стойкости чугунных пресс-форм является ликвидация отбе-ла чугуна при наплавке термостойкого рабочего слоя на их поверхность. Наличие отбела приводит к отслаиванию наплавленного металла при его эксплуатации в условиях термоциклических нагру-зск. В связи с этим, в качестве наплавляемого металла применялся сплав Cu-Ni. Так как плазменная наплавка осуществляется в среде аргона, количество газошлакообразующих компонентов было сведено к минимуму [1,2].
Десульфурация и дефосфатация наплавленного металла в данном случае играет значительною роль. Чугун содержит значительное количество серы и фосфора (до 0,45 % Р идо 0,12 % S). В то же время переход этих элементов в наплавленный металл крайне нежелателен. Сера и фосфор снижают пластичность наплавленного металла, что в условиях термоциклических нагрузок приведет к ускоренному образованию и росту трещин сетки разгара [3-5].
Немаловажной задачей при наплавке пресс-форм является рафинирование наплавленного металла от вредных примесей О, Р, S, способных давать легкоплавкие эвтектики в соединении с металлами. С целью удаления S и Р при плазма-МИГ наплавке применяется комплексное воздей-сшк на жидкий металл Ва и Се [1]. Однако токсичность соединений Ва делает его применение нежелательным. В связи с этим проводились исследования по замене бария кальцием. Для введе-нит Ca применялся алюмокальций, Се вводился в виде ферроцерия.
Наплавка производилась на чугун СЧ 21-40, используемый для изготовления пресс-форм. Как следует из табл.1, наилучший эффект достигается при одновременном введении в состав порошковой проволоки кальция и церия.
Таблица 1 - Содержание S и Р в наплавленном металле, обработанном Ca и Се
Номер пробы Содержание, %
без обработки обработка Ca обработка Се обработка Ca и Се
S р S Р S Р S Р
7 0,014 0,017 0,014 0,017 0,001 0,012 0,007 0,008
19 0,016 0,021 0,012 0,015 0,012 0,011 0,009 0,011
24 0,021 0,024 0,017 0,017 0,013 0,014 0,011 0,011
27 0,017 0,022 0,012 0,016 0,013 0,013 0,009 0,01
32 0,013 0,018 0,011 0,013 0,009 0,01 0,007 0,008
Никелево-медные сплавы обладают достаточно высокой стойкостью к термоциклическим нагрузкам [1], однако высокая стоимость, а также отсутствие месторождений на территории Ук-
ПГТУ, канд. техн. наук, докторант
раины этих металлов, требуют рационального их использования. Поэтому проблема повышения стойкости пресс-форм, наплавленных этими сплавами, стоит очень остро. Анализ показал, что присутствие бора в сплавах №-Си играет двоякую роль. С одной стороны, бор способствует измельчению зерна наплавленного металла и улучшает его механические характеристики; повышает сварочно-технологические характеристики порошковой проволоки и стойкость наплавленного металла к термоциклическим нагрузкам. С другой стороны, он образует легкоплавкие эвтектики [6], что отрицательно влияет на стойкость металла при термоциклических нагрузках. Бор является типичным металлоидом, имеющим явно выраженные кислотные свойства, наличие бора в жвдком металле препятствует его десульфурации и дефосфатизации.
В табл. 2 приведены данные по содержанию серы и фосфора в наплавленном металле при его легировании Са и Се в зависимости от содержания В и 81. Следует отметить, что 81, который также является металлоидом, имеет кислотные свойства и применялся в ранее разработанных гю-рошковых проволоках [1]. Как следует из табл. 2, наименьшее количество серы и фосфора содержит металл, наплавленный порошковой проволокой, не содержащей В и 81. Таким образом, целесообразно исключить В и 81 из состава порошковой проволоки.
Таблица 2 - Содержание серы и фосфора в наплавленном металле, раскисленном Са и Се в зависимости от содержания В и
Номер пробы Содержание, %
В 81 . в Р
52 1,43 2,12 0,015 0,019
58 0,81 2,18 0,014 0,02
63 - 0,53 2,04 0,012 0,017
64 - 2,23 0,013 0,018
74 0,61 - 0,011 0,015
76 0,53 0,44 0,009 0,011
79 - - 0,007 0,009
Известно, что ряд элементов способен улучшить служебные характеристики металлов при их малом (тысячные доли) содержании в металле. Ранее проведенные исследования показали, что на стойкость сталей для горячей штамповки положительно влияет введение в них незначительного содержания бериллия (0,02-0,04 %) . В связи с этим были проведены исследования по методике, описанной в [1], по влиянию бериллия на стойкость наплавленного металла к термоциклическим нагрузкам (табл. 3).
Таблица 3 -Стойкость наплавленного металла к термоциклическим нагрузкам в зависимости от содержания бериллия_
№ п/п Ве, % Число циклов до образования первой трещины разгара, шт.
1 0 360
2 0,011 374
3 0,016 382
4 0,021 410
5 0,028 418
6 0,032 426
7 0,038 428
8 0,041 429
9 0,045 428
10 0,052 430
И 0,063 429
Бериллий является металлом и (в отличии от бора и серы) его кислотные свойства выраже-ш слабо. К тому же, содержание Ве в наплавленном металле крайне незначительно, вследствие кто Ве не может влиять на процессы десульфурации и дефосфорации металла.
За основу наплавленного металла был принят сплав 20Н50Д35СР, который имеет высокую лшкость к появлению трещин термической усталости [ 1 ]. Сплав экономно легирован никелем и |го сравнению с другими сплавами, содержащими значительно большее количество никеля), шеет практически такую же стойкость к термоциклическим нагрузкам (табл. 4).
Таблица 4 - Стойкость сплавов на основе никеля к термоциклическим нагрузкам
№ п/п Тип металла Число циклов до первой трещины
1 40Н75Х10СЗР2 350
2 8Н90СЗХЗР2 370
3 20Н50Д35СР 340
Как следует из табл.4, выбор наплавленного металла 20Н50Д35СР в качестве основы вполне оправдан.
Из табл.3 видно, что микролегирование этого металла бериллием при одновременном исключении из его состава бора и кремния резко повышает его разгаростойкость. Максимальная раз-гаросгойкосгь достигается при содержании бериллия в количестве 0,038 %. Дальнейшее увеличе-не его содержания не приводит к повышению разгаростойкости наплавленного металла.
Бериллий является весьма активным и токсичным (в состоянии порошка) металлом, поэтому вводить его в состав шихты порошковой проволоки необходимо в виде медно-бериллиевой ли-гауры, применяемой в промышленности для производства бериллиевой бронзы.
Бериллий образует с №-Си сплавом растворы внедрения с искаженной кристаллической решеткой, что способствует улучшению свойств наплавленного металла [4].
Известно аналогичное влияние бериллия на стали [7-12], позволяющие повысить их прочностные свойства при повышенных температурах.
Оптимизация состава порошковой проволоки позволила выйти на следующий состав шихты медно-бериллиевая лигатура (с содержанием Ве - 3 %)- 0,2-0,25 %; ферроцерий- 3,1-3,4 %; апюмокапьций- 4,2-4,8 %; хлорная медь (СиС12)- 0,8 - 1,3 %; бура плавленая- 1,2 - 1,5 %; графит -05 - 0,7 %; медный порошок - до 100 %. Оболочка проволоки изготавливалась из никелевой ленты НП-2 шириной 18 мм и толщиной 0,6 мм. Коэффициент заполнения составил - 42 %, диаметр проволоки 2,8 мм.
Наплавка производилась на следующих режимах: ток плазменной дуги -140 А; напряжение на плазменной дуге - 26 В; ток дуги плавящегося электрода - 480 А; напряжение на дуге плавящегося электрода- 17 В; расход плазмообразующего газа (аргона) - 8 л/мин; расход защитного газа (аргона) - 18 л/мин; скорость наплавки - 42 м/ч.
На указанных режимах производительность наплавки составила 27 кг/ч; толщина наплав-гтенного валика - 3,4 мм; ширина наплавленного валика - 26 мм.
Наблюдалось хорошее формирование наплавленного валика, надежное сплавление наплавленного металла с основным металлом - чугуном СЧ 21-40. Для снятия внутренних напряжений применялся отжиг при Т = 1100 К в течение 3-х часов с последующим охлаждением 20 град/ч до 473К после чего наплавленные пресс-формы остывали с печью.
Наплавленный металла имел твердость 290-330 НВ и хорошо обрабатывался твердосплав-н>ьм резцами ВК-8 на пониженных режимах резания. В наплавленном металле отсутствовали поры шлаковые включения и трещины. Шлифовка и полировка наплавленной поверхности не вызывай затруднений. Процесс наплавки сопровождался весьма незначительным разбрызгиванием.
Выводы
1. При плазма-МИГ наплавке в среде аргона чугунных пресс-форм для формовки изделий из стекла с целью повышения их разгаростойкости целесообразно применять медно-никелевые сплавы с введением в состав наплавочного материала минимального количества газошлакообра-зующих компонентов.
2. Присутствие бора в медно-никелевых сплавах препятствует десульфурации и дефосфа-тизации жидкого металла вследствие образования им легкоплавких эвтектик, что приводит к снижению стойкости наплавленного металла к термоциклическим нагрузкам.
3. Оптимальным наплавочным материалом для упрочнения чугунных пресс-форм является металл типа 20Н50Д35СР. Микролегирование этого металла бериллием при одновременном исключении из его состава бора и кремния резко повышает его разгаростойкость. Максимальная раз-гаростойкость достигается при содержании бериллия в количестве 0,038 %. Дальнейшее увеличение его содержания не приводит к повышению разгаростойкости наплавленного металла.
Перечень ссылок
1. Макаренко H.A. Разработка плазменого процесса с аксиальной подачей порошковой проволоки для наплавки пресс-форм: Дис.канд.техн.наук 05.03.06. - Мариуполь, 1999 . - 215 с.
2. Чигарев В.В., Кондратов К.А, Макаренко H.A. Повышение стойкости наплавленного слоя к термоциклическим нагрузкам при plasma-MIG наплавке // Вюник Приазов.держ.техн.ун-ту: 36.наук.пр. - Mapiymwib, 2000. - Вил. №10. - С.190-191.
3. Есенберлин P.E. Пайка и термическая обработка деталей в газовой среде и в вакууме. - JL: Машиностроение, 1972. - 192 с.
4. Свойства элементов. Справочник в 2-х ч. / Под ред. Самсонова Г.В.- М.: Металлургия, 1976 -598 с.
5. Уикс К.Е., блокФ.Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их оксидов, галогенидов, карбидов, и нитридов. - М.: Металлургия, 1965. - 240 с.
6. Гуревнч СМ. Справочник по сварке цветных металлов. - М.: Машиностроение, 1974. - 238 с.
7. Некрасов Б.В. Курс общей химии. - М.: Госхимиздат, 1955. - 971 с.
8. Хасуй А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985. - 239 с.
9. Гладкий П.В., Данильченко Б.В. Современный уровень и перспективы развития наплавки СССР // Наплавка. Опыт и эффективность применения. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1985. С. 3-9.
10. Данильченко Б.В., Макаренко H.A. Плазменно-дуговая наплавка с аксиальной подачей плавя щейся порошковой проволоки // Прогресивна техшка i технолопя машинобудування, приладе будування i зварювального виробництва: Тез. докл. Международной научно-технической кси ференции. - Киев: 1998. - С. 322-325.
11. Ольшанский H.A. Сварка в машиностроении: Справочник. - М.: Машиностроение, 1978. -Т.1. • 501 с.
12. Плазменная наплавка металлов/ Вайнерман А.Е., ШоршоровМ.Х., Веселков В.Д, Hoeocadoe В.С - JI.: Машиностроение, 1969. - 190 с.
Макаренко Наталья Алексеевна. Канд.техн.наук, докторант кафедры МиТСП (ПГТУ), окончил; Краматорский индустриальный институт в 1983. Основные направления научных исследований-плазменная наплавка с аксиальной подачей порошковой проволоки и разработка порошковых гро волок.
Статья поступила 20.03.2002
