CC BY
32
УДК 621.791.927.5.001.5
Алистратов В.Н., Чигарев В.В., Швец Т.Н.
ОЦЕНКА СВОЙСТВ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ИЗНОСА
Контактные щеки электрододержателей дуговых сталеплавильных печей работают в условиях комплексного воздействия высоких температур, агрессивной газовой среды, магнитного поля высокой напряженности и вибрации под воздействием электродинамических сил, приводящих к поломкам электродов и возникновению кратковременных дуг в контакте «электрод-контактная щека». Наличие электроэрозионного износа на поверхности контактной щеки электро-додержателя является одной из главных причин выхода их из строя. [1-3]
К материалу контактных щек предъявляются требования высокой электроэрозиойной стойкости, электропроводности, жаропрочности и жаростойкости. Повышенной электроэрозионной стойкостью и механическими свойствами по сравнению с медными характеризуются контактные щеки из диспер-сионно-твердеющей хромистой бронзы. Однако наиболее высокими значениями жаропрочности и электропроводности характеризуются медные сплавы в которых легирующие элементы образуют тугоплавкие химические соединения типа №281, ОТе, Сг3С2, а повышение жаростойкости, как правило, достигается легированием магнием и алюминием. [4]
Изготовление контактных щек цельнолитыми из бронзы приводит к заметному увеличению электросопротивления, в то время, как электрической эрозии подвергается поверхностный слой толщиной в несколько миллиметров.
В электротехнических устройствах в сходных условиях электроэрозионного износа работают короткозамыкатели и разъединители. Для их изготовления широко используются получаемые методами порошковой металлургии композиционные материалы систем: медь-вольфрам, медь-молибден; медь-карбид вольфрама, медь-карбид молибдена, а также в последнее время: медь-хром и медь-карбид хрома [5].
Использование методов порошковой металлургии для повышения стойкости контактных щек представляется трудно реализуемым в связи с большими габаритами и сложной формой поверхности изделия. Эффективным способом повышения стойкости является механизированная электродуговая наплавка электроэрозионностойкого сплава.
Целью настоящей работы была оценка эксплуатационных свойств наплавленного металла, а также сварочно-технологических характеристик порошковых лент, обеспечивающих получение в наплавленном металле бронзы, упрочненной интерметаллидами типа СгБе, композиционных сплавов на основе меди и карбидов хрома, молибдена и вольфрама.
Для наплавки сплава типа хромо-железной бронзы использовалась порошковая лента, состоящая из медной оболочки (медь марки М1) и сердечника. Лента содержала: комплексно-легированной хроможелезоникелемарганцевок-ремниевой лигатуры 2 %, мрамора 1 %, медного порошка 23 % (коэффициент заполнения 30 %). В состав сердечника вводили алюминиево-магниевый порошок в количестве 2 %, фторопласта 2%.
Составы порошковых лент для наплавки композиционных материалов обеспечивали получение в третьем наплавленном слое объемного содержания карбидной фазы не менее 20 %.
Для получения в наплавленном слое карбида хрома в медной матрице использовались ленты двух составов: лента, содержащая карбида хрома Сг3С2 -15,7 %, медного порошка - 23 %, остальное - оболочка (коэффициент заполнения - 40 %), а также лента, содержащая хрома - 13,6 %, графита - 4,2 %, медного порошка -12,2 %, остальное - оболочка (коэффициент заполнения - 30 %).
Лента для наплавки материала медь-карбид молибдена содержала: карбида молибдена Мо2С - 20,4 %, медного порошка - 8,4 % (коэффициент заполнения 40 %).
В состав сердечника порошковых электродов вводили алюминиево-магниевый порошок в количестве -1 %, фторопласта - 2 %.
Наплавка производилась на пластины из меди М1 размером 250x100x20 мм, при наплавке использовался флюс АН-20П. Режим наплавки: 1св=600-650 А, Цц=30-32 В, Усв=15 м/ч, вылет электрода - 70 мм, ток постоянный, полярность - обратная. Температура предварительного подогрева - 723" К. После наплавки каждого из двух слоев производилась выдержка в печи при температуре 723 К в течение 0,5 часа.
Проводилась оценка технологических характеристик наплавочных материалов, определение химического состава, металлографические исследования, а также рентгеноструктурный анализ на рентгеновском дифрактометре УРС-50КМ, замер электросопротивления на мостовой установке У309. Химический состав металла первого слоя представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав наплавленного металла
Маркировка сплава Химический состав наплавленного металла, %
Ре Мп № А1 Сг С Мо2С
1 0,4 1 0,0 9 0,0 8 0,131 0,2 0 0,1 8 0,63 0,0 8 — —
2.1 - - - 0,007 0,0 9 0,0 8 4,78 0,6 9 - -
2.2 - - - 0,312 0,0 9 0,0 8 5,2 0,9 — —
3 - - 0,079 0,0 9 0,0 8 - — 15,3 —
4 — - - 0,068 0,0 9 0,0 8 — — — 23,8 3
Наплавленный металл типа хромо-железной бронзы характеризуется хорошим формированием наплавленного металла и отделимостью шлаковой корки. Металлографичекими исследованиями установлено наличие равномерно-распределенных фаз. Рентгено-структурным анализом выявлено наличие следующих фаз:
ОТе, О - А13Си6М&, © - СиА12, у - А1„Си„ 5 -
При наплавке под флюсом с использованием порошковой ленты, содержащей карбид хрома СгС2, наблюдалась плохая отделяемость шлаковой корки, неудовлетворительное формирование наплавленного металла, наличие пор. Рентгеноструктурным анализом установлено наличие в медной матрице карбидов Сг3С2, Сг23Сб, углерода и хрома. Их чего следует, что значительная часть карбида Сг3С2 распадается, а из части продуктов распада образуется обедненный графитом карбид Сг23С6.
При исследовании микроструктур выявлена неравномерность распределения карбидной фазы между слоями, во втором валике наблюдается скопление карбидов.
Металл, наплавленный порошковой лентой, содержащей механическую смесь хрома и углерода, характеризуется удовлетворительным отделением шлаковой корки, хорошим формированием наплавленного металла, отсутствием пор. Рентгеноструктурным анализом в наплавленном металле выявлены карбиды хрома Сг3С2, а также свободный хром и углерод. При исследовании микроструктур установлено равномерное распределение карбидной фазы, представляющей собой округлые включения неправильной формы.
Так как порошковый электрод, содержащий механическую смесь хрома и углерода, обладает лучшими технологическими свойствами при наплавке и позволяет получить равномерно распределенный карбид хрома в медной матрице, то дальнейшие исследования проводились с его использованием.
Наплавленный металл систем медь-карбид молибдена и медь-карбид вольфрама характеризуется удовлетворительным формированием наплавленного металла и отделимостью шлаковой корки, Микроструктуры представляют собой равномерно распределенные карбиды в медной матрице.
Исследование электроэрозионной стойкости проводилось на экспериментальной установке, имитирующей условия эксплуатации контактных щек. Дуговой процесс возбуждался периодическими размыканиями короткозамкну-тых цилиндрического медного образца с наплавкой и графитовой пластины. Параметры испытаний: образец диаметром 16 мм, ток переменный, величина тока короткого замыкания - 300 А, время испытаний - 300 с, частота коротких замыканий 1,7 Гц, амплитуда колебаний - 5 мм.
Для исследований использовался металл однослойной наплавки, после механической обработки толщина наплавленного слоя составляла 3 мм. В качестве критерия дугостойкости, для материалов с различным удельным весом, использовался показатель относительной дугостойкости, представляющие отношение потери объема медного образца в процессе испытаний к потере объема наплавленного, при одинаковых условиях испытаний.
Замеры электросопротивления образцов проводили методом косвенных измерений на мостовой установке У309 по схеме двойного моста. Использовались образцы размером 6 х 3 х 200 мм. Длина измеряемой части образца составляла 150 мм. Результаты замеров представлены в виде электропроводности относительно электропроводности меди Ml. Результаты исследования представлены на рисунке 1.
■ - электроэрозионная стойкость О - электропроводность
Рис. 1. Диаграмма относительной электроэрозионной стойкости и относительной электропроводности материалов 1 - бронза хромо-железная; 2 - сплав Си - СГ3С2; 3 - сплав Си - МогС; 4 - сплав Си - \¥С.
У исследованных композиционных сплавов на основе меди электроэрозионная стойкость растет в ряду медь-карбид хрома, карбид молибдена, карбид вольфрама. Рост дугогасящих свойств в ряду объясняется увеличением температуры плавления и кипения, различным влиянием продуктов эрозии на дуговой процесс, а также изменением характера взаимодействия активных пятен с двухфазными материалами.
Достаточной стойкостью обладает хромо-железная бронза, что в сочетании с высокой электропроводностью (после термообработки более 75 % от электропроводности меди) делает их перспективными наплавочным материалом.
Эксплуатация контактных щек электрододержателей дуговых сталеплавильных печей ДСП-25 концерна "Азовмаш" наплавленных материалом типа хромо-железной бронзы показала увеличение стойкости в 1,6-2,0 раза по сравнению с медными.
Выводы
1. Электродный материал содержащий механическую смесь хрома с углеродом, по сравнению с электродом содержащим готовый карбид, имеют лучшие сва-рочно-технологические свойства.
2. Показатель относительной электроэрозионной стойкости растет в ряду медь-карбид хрома, медь-карбид молибдена, медь-карбид вольфрама.
3. Наплавленный металл типа хромо-железной бронзы характеризуется значительной электроэрозионной стойкостью и хорошими сварочно-технологическими свойствами.
Перечень ссылок
1. Окороков Н.В. Дуговые сталеплавильные печи,- М.: Металлургия, 1971-344 с.
2. Тимм К, Фабер X., Купце Г.Г. и др. Колебания электродов и электрододержателей дуговой электропечи // Черные металлы .- 1978 - № 14 - С. 5-10.
3. Сапко А.И., Коваль Н.В. Исследование динамики электрододержателей высокомощных дуговых печей // Высокомощные электропечи и новая технология производства стали,-М.: 1981-С. 19-26.
4. Захаров М.В., Захаров A.M. Жаропрочные сплавы - М.: Металлургия, 1973-384 с.
5. Спеченные материалы для электротехники и электроники. Справочник. Под ред. ГнесинаГ.Г.-М.: Металлургия, 1981,- 344 с.
