Получение наплавочных электродов для восстановления узлов и деталей железнодорожного транспорта на основе минерального сырья Восточной Сибири Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 546.49:551.578 Матафонов Алексей Андреевич,

аспирант кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экологии» Иркутского государственного университета путей сообщения, тел.: 63-83-52, e-mail: [email protected] Бычинский Валерий Алексеевич, старший научный сотрудник, к. г.-м. н., Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН,

тел.: 42-70-56, e-mail: [email protected] Руш Елена Анатольевна,

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и экологии», ИрГУПС

тел.: 63-83-52, e-mail: [email protected]

ПОЛУЧЕНИЕ НАПЛАВОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

A.A. Matafonov, V.A. Bychinskiy, E.A. Rush

OPPORTUNITIES OF CREATING SPOT WELDING ELECTRODE FOR BRANCHING JUNCTION AND COMPONENT PARTS RESTORATION ON THE RAILWAY TRANSPORT (BASED ON THE EASTERN SIBERIA MINERAL RAW MATERIAL)

Аннотация. Рассматриваются возможности получения наплавочных электродов для восстановления узлов и деталей железнодорожного транспорта на основе минерального сырья Восточной Сибири. Предлагается метод построения физико-химической модели на основе использования программного комплекса «Селектор».

Ключевые слова: физико-химическое моделирование, сварочные электроды, минеральное сырье.

Abstract. Opportunities of creating spot welding electrode for branching junction and component parts restoration on the railway transport (based on the Eastern Siberia mineral row material) are considered. Method of physical-chemical model building by using programmed complex «Selector» is suggested.

Keywords: physical-chemical modeling, spot welding electrode, mineral raw material.

Большинство деталей железнодорожного транспорта и верхнего строения пути следует отнести к категории ответственных, а такие узлы и агрегаты, как колесные пары, тележки, автосцепки, рельсы, крестовины, - к высокоответственным, требующим при восстановлении специальных материалов. Однако в настоящее время в большинстве случаев для наплавки таких деталей используют выпускаемые в массовом объеме сварочные (не наплавочные) материалы, малопригод-

ные для обеспечения необходимых служебных свойств. Поэтому основной проблемой является разработка новых сварочных материалов. Мировой практикой доказано, что для каждой ответственной детали, работающей в тяжелых эксплуатационных условиях, требуются особые способы сварки и специальные сварочные материалы, обеспечивающие работу этой детали в конкретных парах трения [1].

За последние годы ОАО «ВНИИЖТ» совместно со специализированными организациями разработаны электроды марок АНП-13 и ЭЖТ, предназначенные преимущественно для восстановления узлов и деталей железнодорожного транспорта.

Заводы по изготовлению сварочных электродов в настоящее время находятся в странах СНГ и в Западном регионе РФ, что увеличивает их стоимость при доставке в Восточную Сибирь. В связи с этим появилась необходимость изучения регионального сырьевого комплекса как эффективного средства минимизации затрат на производство сварочных материалов. Многие продукты, заменяющие традиционные компоненты сварочных материалов, могут быть получены из минерального сырья Восточной Сибири [2].

В качестве объекта исследований выбран сварочный электрод марки АНП-13 (ТУ-1272-035-01124328-96), который состоит из стержня из низкоуглеродистой проволоки и покрытия, содержа-

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

ш

щего следующие компоненты в масс. %: мрамор 10,0-18,0, рутил 12,0-17,0, плавиковый шпат 4,08,0, полевой шпат 2,5-4,5, ферромарганец 5,5-7,5, ферросилиций 3,2-5,0, алюминиевомагниевый порошок 0,3-1,0, органические пластификаторы 1,01,9, феррохром углеродистый 0,6-1,1, феррованадий 0,05-0,15, железный порошок 50,0-60,0 [3].

При создании электродов марки АНП-13 в качестве шлаковой основы реализована система: CaCOз-TiO2-CaF2. Рутил широко применяют при изготовлении сварочных электродов, поскольку в сочетании с металлическими компонентами покрытия он повышает электропроводность, стабилизирует процесс наплавки, а также является шла-кообразующим. Повышение его содержания увеличивает вязкость шлака и влияет на качество формирования наплавляемого валика, увеличивая высоту и глубину проплавления. При его высоком содержании образуются оксиды, карбиды и нитриды титана, которые резко снижают вязкость и пластичность наплавленного металла.

Карбонат кальция вводится для создания шлаковой, газовой защиты сварочной ванны от окисления и азотирования, но при избыточном содержании он диссоциирует с образованием СО, что приводит к образованию пор в процессе наплавки. Плавиковый шпат обеспечивает удаление водорода из металла со шлаком. Для раскисления и легирования в виде ферросплавов и порошков вводятся Al, Mn, V, Si. С целью повышения производительности наплавки добавляется железный порошок. Указанные выше параметры позволяют сформулировать основные требования, предъявляемые к разрабатываемым на основе местного сырья электродам.

Нестандартные электроды, полученные на основе минерального сырья Восточной Сибири (ВСЭ), должны удовлетворять техническим условиям (ТУ-1272-035-01124328-96) и обеспечивать:

• хорошую комбинированную газошлаковую защиту сварочной ванны от воздействия внешней среды;

• устойчивое горение сварочной дуги;

• необходимые условия для качественного формирования шва, легкого отделения шлаковой корки, минимального разбрызгивания металла на угар;

• свойства наплавленного металла, не ниже свойств, получаемых при наплавке электродами типа Э-10Г2СХ по ГОСТ 10052-75 и ТУ-1272-035-01124328-96. Механические свойства наплавленного металла электродов АНП-13.

В настоящее время сварочные электроды создаются на основе экспериментального поиска

оптимальной композиции, что требует много времени для того, чтобы получить сварочный материал с требуемыми свойствами. Поэтому интенсивно развиваются расчетные методы построения, электродных покрытий, которые позволяют сократить трудоемкость их разработки [4]. Одним из таких методов является компьютерное термодинамическое моделирование.

Анализ месторождений Восточной Сибири, потенциально пригодных для использования их сырья в качестве компонентов-заменителей в сварочных электродах, описан в работе [2]. В процессе разработки электродов на основе сырья месторождений Восточной Сибири (ВСЭ) использованы: магнезит - Савинское месторождение, мрамор - карьер «Перевал» г. Слюдянка, плавиковый шпат - Абагайтуйское месторождение, периклазо-вый концентрат - ОАО «Сибирские порошки», ферросилиций - ОАО «Братский завод ферросплавов», алюминиевый порошок - «Иркутский алюминиевый завод».

Получение электродов с качественными физико-химическими и механическими показателями реализовывалось с помощью компьютерного моделирования в программном комплексе «Селектор» по схеме, представленной на рис. 1.

Рабочий список потенциально возможных компонентов, характеризующих систему процесса плавления электродов АНП-13 в равновесии, включает 19 независимых компонентов Al-Si-Fe-Ca-Ti-Na-Cu-Mg-Mn-Cr-V-Zr-O-H-C-K-F-S-P; 75 компонентов газовой фазы, 193 компонента твердых фаз и 49 компонентов расплавленной фазы. Газовая фаза: ^ Щ, OH, H2O, ОТ, O, ТО, ТО2, P2O5, SO,SO2, SOз, Na2O, H2O. Шлаковая

фаза: авгит (CaAl2SiO6); альбит (Na2Al2SiO6); вол-ластонит (CaSiO3); вюстит (FeO); гематит (Fe2O3); герцинит (FeAl2O4); двуокись циркония ^Ю2); двухкальцевый феррит (CaFe2O4); дисиликат калия ильменит (FeTiO3); калиевый полевой шпат (K2Al2SiO6); калиофелит (K2FeSiO4); карбонат кальция (CaCO3); кварц ^Ю2); клиноэнстатит (MgSiO3); корунд манганозит (MnO); ма-

рокит (CaMn2O4); окись кальция (CaO); периклаз (MgO); перовскит (CaTiO3); пироксен (FeSiO3); плавиковый шпат (CaF2); ранкенит (Ca3Si2O7); родонит (MnSiO3); рутил ^Ю2); силикат натрия (Na2SiO3); сульфат кальция (CaSO4); сульфид железа сульфид кальция (CaS); сульфид марганца (MnS); сфен (CaTiSiO5); фосфат кальция (CaP2O6). Расплав: ^ Fe, V, Cr, М, Mg, Mn, Si, P, S, SiO2, FeO, Fe2SiO4, FeзC, FeS, VO, Al2Oз, MgO, Ca, CaO, CaF2, TiO2, Ti2Oз, TiзO5.

Подготовка исходных данных

1

Выбор оптимальных источников минерального сырья Восточной Сибири доступных технологически и научно обоснованных Изучение химического и минералогического состава металлических и шлаковых систем покрытия электрода

Отбор проб, проведение химических анализов Разработка не сырьевых компонентов шихты сварочного электрода на территории Восточной Сибири

и

Рис. 1. Последовательность процедур получения сварочных электродов на основе минерального сырья Восточной Сибири

В результате термодинамического моделирования установлено, что химический состав металла электрода АНП-13 удовлетворяет предъявляемым требованиям. Шлаковая фаза по химическому составу незначительно отличается от реальных шлаков. Газовая фаза представлена продуктами высокотемпературного преобразования карбонатов, рутила, калиево-натриевого стекла, плавикового шпата, главным образом СО, СО2, Н2, НБ, N20, К2О.

Согласно результатам моделирования, электроды ВСЭ по сравнению с АНП-13 характеризуется более низким содержанием СО2 и увеличением содержания закиси железа в шлаковой фазе. Это подтвердило предположение о неудовлетворительном качестве мраморов с месторождения «Перевал», поэтому в состав покрытия дополнительно был введен магнезит.

Оптимальное соотношение мрамора и магнезита было определено за счет введения в модель, автоматически изменяющегося соотношения мрамора и магнезита в интервале от 0,1 часть мрамора - 0,9 частей магнезита и 0,9 частей мра-

мора - 0,1 частей магнезита, с шагом 0,1. В результате было определено оптимальное соотношение «мрамор - магнезит» 0,4-0,6 частей соответственно.

Для доказательства полученных результатов были изготовлены электроды ВСЭ, образцам присвоены номера - ВСЭ-1 (исходный) и ВСЭ-2 (откорректированный состав). Наплавку производили на образцы из стали Ст.3 в один слой.

Визуальным осмотром установлено, что на поверхности образцов ВСЭ-1 присутствуют незначительные скопления пор и шлаковых включений. У образцов ВСЭ-2 дефектов не обнаружено, отмечена хорошая отделимость шлаковой корки. Таким образом, корректировка состава покрытия, выполненная за счет введения добавки магнезита в шихту, позволила добиться образования газов более качественного состава, что позволяет оптимально вести процесс сварки с помощью электрода ВСЭ-2.

Исследование экспериментальных электродов ВСЭ-1 и ВСЭ-2 из минерального сырья Восточной Сибири показали:

- Микроструктура металла 3 наплавленных образцов электрода марки ВСЭ-1 (рис. 2) имеет столбчатое строение и состоит из перлита. Феррит располагается по междендритным прослойкам. Наплавленный металл плотный. Несплавлений и микротрещин не обнаружено. В одном из трех исследованных образцов обнаружены шлаковое включение и пора, заполненная шлаком размером менее 0,1 мм (рис. 3). Твердость наплавленного металла 188-201;

Рис. 2. Микроструктура наплавленного металла электродов ВСЭ-1

- Микроструктура наплавленного металла ВСЭ-2 (рис. 4) мелкодисперсная, имеет столбчатое строение и состоит из перлита и феррита. Наплавленный металл плотный, несплавлений, шлаковых включений, микротрещин и пор в наплавленном металле исследуемых образцов не обнаружено. Твердость наплавленного металла ИУ\0 233-252.

х 100

х 500

Рис. 4. Микроструктура наплавленного металла электродами ВСЭ-2 Химический анализ шлаков выполнен на рент-генофлуоресцентном спектрометре S4 Pioneer (Bruker AXS, Германия) с рентгенооптической схемой по Соллеру. Для возбуждения флюоресценции использована рентгеновская трубка с анодом из Rh. Рентгеновское излучение регистрируют сцинтилляционный и проточно-пропорциональный счетчики. Результаты аналитических исследований приведены на рис. 5-7. В целом состав фаз, образовавшихся в процессе сварки электрода ВСЭ-1, хорошо соответствует составу фаз, образующихся при использовании электрода АНП-13. Сравнение результатов термодинамического моделирования и химического анализа состава шлаков и наплавленного металла представлено в таблицах 1 и 2.

Рис. 3. Микропора и шлаковое включение в наплавленном металле электродами ВСЭ-1, *100

Рис. 5. Аналитические линии элементов сварочного шлака электрода АНП-13

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

имп/с 600500400300-

V

А1 Мд

Рис. 6. Аналитические линии элементов сварочного шлака электрода ВСЭ-1

имп/с 600500400300-

302010

1 -0

и

и

N»1

ц|

Согласно данным термодинамического моделирования плавления шлаковых систем АНП-13 и ВСЭ в интервале температур 1800-2500 °С (рис. 8) установлены следующие закономерности. При температуре 1800 °С происходит полное расплавление электрода. В интервале температур от 1800 до 2000 °С содержание окислов железа в шлаковой фазе незначительно снижается или остается практически без изменения. Расплавление введенных в состав покрытия интерметалли-дов ферромарганца и ферросилиция в интервалах температур 2200-2300 °С существенно снижает их содержание. Таким образом, при увеличении температуры происходит интенсивный переход железа из металла в шлак. Следовательно, при качественной газошлаковой защите и введении достаточного количества раскислителей процесс снижения содержания окислов железа в наплавленном металле можно оптимизировать. Это подтверждается как экспериментальными исследованиями, так и результатами термодинамического моделирования.

Рис. 7. Аналитические линии элементов сварочного шлака электрода ВСЭ-2

Мп

Т

00

К.

0

3

4

5

Мп

к

100

Сг

3

20°

4

5

Таблица 1

Сопоставление результатов химического анализа шлаков с результатами __термодинамического моделирования (%) ____

Марка электрода ТЮ2 БЮ2 СаО МпО МяО Ре2Оэ М2О3 №2О К2О СГ2О3 8Оэ

АНП-131 26,33 24,65 22,07 9,77 0.43 4,22 5,56 4,04 2.68 0,26 0,04

АНП-132 27,27 28,04 21,20 5,90 1.06 5,30 2,40 2,10 1.42 0,20 0,04

ВСЭ-11 29,04 21,29 16,43 13,71 4.78 5,97 2,92 1.93 3.48 0,45 0,06

ВСЭ-12 29,46 21,78 16,24 14,20 4.86 5,86 2,86 1.78 3.41 0,30 0,04

ВСЭ-21 29,31 21,63 12,68 12,10 11.18 4,04 3,31 1.92 3.38 0,47 0,10

ВСЭ-22 29,48 21,39 13,14 12,56 11.46 3,94 3,11 1.82 3.26 0,30 0,04

Примечание: 1 - экспериментальные данные, 2 - результаты термодинамического моделирования.

Таблица 2

Сопоставление результатов термодинамического моделирования и химического состава металла, наплавленного __электродами марки АНП-13_

Марка электрода Массовая доля элементов,%

С Мп Сг V 8 Р

АНП-131 < 0,15 0,50-0,90 1,8-2,5 0,4-0,6 < 0,08 <0,030 <0,030

АНП-132 0,08 0,85 2,56 0,84 0,07 0,019 0,024

ВСЭ-11 0,11 0,72 1,86 0,44 0,06 <0,030 <0,030

ВСЭ-12 0,08 0,68 2,12 0,84 0,07 0,019 0,024

ВСЭ-21 0,11 0,78 2,34 0,46 0,06 <0,030 <0,030

ВСЭ-22 0,08 0,68 3,01 0,84 0,07 0,019 0,024

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

ш

2 О3

МдО

1800 2000 2200 2400

Распределение CaO-MnO-MgO-AlЮз в интервале температур 1800^2500 °С

Сформированная модель на примере элек-ангм3 трода АНП-13 с высокой точностью на качественном и количественном уровне описывает процессы плавления. Достоверность расчетов подтверждена экспериментально. Показано, что термодинамическое моделирование сварочных процессов, протекающих в высокотемпературных интервалах, методом минимизации термодинамических потенциалов в отличие от других расчетных методов, основанных на константах равновесия химических реакций, позволяет определять направление протекания процессов в сварочной ванне, с высокой точностью оценивать равновесный состав гетеро-

Т,°С 2600

I I Т, С

1800 2000 2200 2400 2600

Распределение БЮгТЮ^вОСаО в интервале температур 1800^2500 °С

Рис. 8. Результаты термодинамического моделирования шлаковых систем электродов АНП-13 и ВСЭ

Таким образом, результаты термодинамического моделирования имеют высокую сходимость с экспериментальными данными. С помощью термодинамической модели показано, что оптимальный состав шихты электродов ВСЭ обеспечивается за счет замены 0,4 части мрамора на магнезит. За счет этого обеспечивается необходимая шлаковая и газовая защита наплавляемого металла.

- генной системы «газ - шлак - металл».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Березин М. М., Лозинский В. Н. Современное состояние сварочных технологий на железнодорожном транспорте // Вестн. ВНИИЖТ. -2003. - № 3.

2. Матафонов А. А, Бычинский В. А., Руш Е. А.. Оптимизация состава сварочных электродов на основе физико-химического моделирования. // Вестн. ИрГТУ. - 2010. - № 4.

3. Павлов Н. В., Лозинский В. Н., Кирьяков В. М., Клапатюк А. В. Электрод для ручной дуговой наплавки сталей средней твердости // Патент России № 2104140. 1998.

4. Мойсов Л. П., Бурылев Б. П. Физико-химические основы создания новых сварочных материалов. Ростов н/Д. : Изд-во Рост. ун-та, 1993. - 80 с.

%

15

0

5

0

% 30 —

15