CC BY
29
УДК 620.178.15
П1ДВИЩЕННЯ НАД1ЙНОСТ1 НЕСУЧИХ ЗВАРНИХ КОНСТРУКЦ1Й 3 ЛИСТОВИХ СТАЛЕЙ В БУД1ВЕЛБНО-ДОРОЖН1Х МАШИНАХ ТА МАШИНАХ ДЛЯ ЗЕМЛЯНИХ РОБ1Т
I.B. Дощечкша, доц., к.т.н., Н.О. Лалазарова, доц., к. т.н., Д.С. Терещенко, студент, Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Показано можлив1сть тдвищення Hadirnocmi зеарних несучих конструкцш iз дво-фазних сталей тдвищеног M^uocmi шляхом мжролегуеання зварного шва impieM.
Ключов1 слова: наплаелення, покриття електрода, присадка impiw, структура, властивост1, зварт з' еднання.
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НЕСУЩИХ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ СТАЛЕЙ В СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНЫХ МАШИНАХ И МАШИНАХ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
И.В. Дощечкнна, доц., к.т.н., Н.А. Лалазарова, доц., к.т.н., Д.С. Терещенко, студент, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Показана возможность повышения надежности сварных несущих конструкций из двухфазных сталей повышенной прочности путем микролегирования сварного шва иттрием.
Ключевые слова: наплавка, покрытие электрода, присадка иттрия, структура, свойства, сварные соединения.
IMPROVING RELIABILITY OF BEARING WELDED SHEET STEEL STRUCTURES IN ROAD-CONSTRUCTION AND EARTH MOVING MACHINES
I. Doshchechkina, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), N. La^arova, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), D. Tereshchenko, St., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. Possibility to increase reliability of welded bearing structures of the two-phase high strength steels by microalloying of the welded joint by yttrium has been shown.
Key words: welding, electrode coating, yttrium additive, structure, properties, welded joints.
Вступ
Основш несуч1 конструкцп (тягов1, штовха-льш та опорш рами) буд1вельно-дорожшх машин (БДМ) 1 машин для земляних роб1т (МЗР) виготовляють з1 сталевого листового холоднокатаного прокату шляхом зварюван-ня. Останшм часом для таких навантажених конструкцш досить складно! конф1гурацп широко використовують листов! низьколего-ваш двофазш феритно-мартенситш стал1
(ДФМС) шдвищено! мщносп, що зумовлено прагненням до полшшення якосп та тдвищення працездатносп вироб1в, зменшення маси i зниження витрат пального.
При всезростаючому ускладненш як самих конструкцш машин i мехашзм1в, так i умов ix експлуатацп актуальними е питания надшно-CTi та довгов1чносп вщповщальних зварних з'еднань. Яюсть зварного з'еднання визначае працездатнють вузла i машини в цшому. У
зв'язку з цим забезпечення задовшьно! зварюваносп й отримання бшьш яюсного звар-ного з'еднання - необхщш умови застосу-вання ДФМС шдвищено! мщносп для зварних конструкцш, на яких монтують ро-боч1 органи, а також мехашзми 1 складальш одинищ машин, отже, вщ яких залежить ресурс машини в цшому.
Анал1з публжацш
Структура ДФМС, що мютить 20-25 % мартенситу, забезпечуе шдвищення мщносп при збереженш технолопчно! пластичносп, але при цьому попршуеться зварювашсть, а отже, I надшнють зварного з'еднання [1]. Дета-л1 з листових двофазних сталей отримують методами холодно! пластично! деформацп, що спричиняе наклеп. Отже, деформацшне змщнення ще додатково негативно познача-еться на зварюваносп.
Перспективним 1 актуальним напрямом шд-вищення працездатносп зварних з'еднань е мшролегування зварного шва рщюсноземе-льними металами (РЗМ), яю е модифшуючи-ми, рафшуючими та легувальними елемен-тами [2, 3].
Завдяки високш х1м1чнш активносп щодо шюдливих домшок РЗМ очищують метал, а також зменшують схильшсть до перегр1ву, забезпечують отримання др1бного однорщ-ного зерна, сприяють збшьшенню дисперс-носп та глобуляризацп неметалевих вклю-чень, очищению границь зерен. Зазначеш ефекти збшьшують стшкють зварних з'еднань до крихкого руйнування 1 роблять !х бшьш надшними. У роботах [3, 4] показано також покращення зварюваносп вуглецевих 1 середньолегованих сталей при мшродобавках РЗМ, шдвищення щшьносп зварного шва.
1з лпературних джерел [4, 5] 1 наших попе-редшх дослщженнь [6] вщомо, що серед РЗМ бшьш ефективний вплив на структуру 1 вла-стивосп металу мае прш (У). Але стосовно використання його для легування двофазних сталей шдвищено! мщносп, 1 тим бшьш для легування зварного шва при з'еднанш елеме-ш!в ¿з цих сталей, даних немае.
Мета 1 постановка завдання
Метою роботи е покращення експлуатацш-них властивостей зварних несучих конструк-
цш БДМ та МЗР, виготовлених ¿з двофазних низьколегованих сталей шдвищено! мщносп, шляхом мшролегування металу шва У.
Матер1ал та методика дослщжень
Зварш з'еднання отримували з листово! стал1 09Г2С. Використовували електроди д1амет-ром 4 мм марки УО-1 типу Е50А ¿з додаван-ням у покриття У р1зно! концентраций вщсо-ток якого розраховувався вщносно ваги покриття електрода. Порошкопод1бний У в шихту покриття вносили в кшькостях 0,2...3,0 %.
Для х1м1чного анал1зу, дослщжень м1кро-структури 1 мехашчних властивостей використовували багатошарове наплавлення ви-сотою 25 мм на модельну сталь 10. Зварювання 1 наплавлення виконували на постшному струм1 зворотно! полярносп. Сила струму дор1внювала 200.210 А.
Дослщження проводилися за допомогою ме-талограф1чного й електронного мшроскотв («Ахюта!» 1 УЕМ-100К). Оцшку розм1ру зерен та обробку результата здшснювали за допомогою спещально! комп'ютерно! про-грами. Мехашчш властивосп визначали на стандартних розривних та ударних зразках. Випробування на ударний згин за вщ'емних температур проводилися в охолоджувальному середовищ1 (сумш вуглекислоти з1 спиртом).
Результати дослщжень та Тх обговорення
Х1м1чний анал1з показав практично однако-вий склад металу, наплавленого сершним електродом I електродами з У (табл. 1).
1стотно змшився лише вмют с1рки. Залишко-ва кшьюсть У в наплавленому метал1, залеж-но вщ вщсотка додавання його в шихту покриття електрода, наведена в табл. 2, з яко! видно, що стушнь засвоення У е дуже малим (1.7 %).
Табл. 1 свщчить, що в 3 рази зменшуеться кшьюсть с1рки в наплавленому метал1, який мютить всього 0,006 % У.
Металограф1чш дослщження зафшсували I бшьш р1вном1рний !! розподш. Зменшуеться в наплавленому метал1 й кшьюсть фосфору (на 60 %).
Таблиця 1 Хппчний склад наплавленого металу
Таблиця 2 Залишковий вмют У в наплавленому метал1
Щд впливом У змшюеться кшьюсть, характер 1 розташування ус1х неметалевих вклю-чень у наплавленому металл Додавання 0,2 % У в покриття електрода ще не вносить суттевих змш у мшроструктуру. Пюля присадки 0,3 % У загальна кшьюсть включень зменшуеться, вони подр1бнюються, зменшу-ються, набувають округло! форми I розподь ляються р1вном1рно по перер1зу. При добавках бшьше 1 % У спостер1гаеться подальше подр1бнення включень, але помггно збшьшу-еться 1х юльюсть. Таким чином, максималь-ний рафшуючий ефект фшсуеться шд час внесения в покриття електрода 0,3 % У.
Незважаючи на дуже малу залишкову юльюсть У в наплавленому метал!, вш дуже сут-тево впливае на розм1р зерна. В наплавленш електродом без У 40 % усього об'ему за-ймають зерна розм1ром 30 мкм. При 0,3 % У в покритп електрода р1зко зменшуеться р1з-нозернистють 1 56 % об'ему займають зерна
Однак значения ударно! в'язкост! для вс!х досл!джених вар!ант!в з У залишаються ви-щими, н!ж для сершного електрода за одна-кових температур. Додавання У в покриття
розм!ром 16 мкм, зменшеш майже в 2 рази пор!вняно з наплавленням сер!йним електродом. За збшьшення додавання У до 0,6 % те-нденц!я до подр!бнення зерна збер!гаеться -65 % зерен мають розм!р 10 мкм, але при цьому зб!льшуеться загальна забруднешсть металу неметалевими включениями. У раз! введения в покриття електрода бшьше 1 % У по границях зерен спостер!гаеться масивне вид!лення крихко! ново! фази, яка е складним карб!дом У.
Зазначен! зм!ни мшроструктури !стотно поз-начилися на р!вш механ!чних властивостей металу наплавлення. Присадки У в юлькос-тях 0,2-0,4 % забезпечують п!двищення характеристик мщносп (о0>2 зростае в!д 420 до 600 МПа), ! при цьому дещо зб!льшуеться пластичн!сть. Ударна в'язюсть в!д 15 Дж/см2 шдвищуеться до 34 Дж/см2. Однак з! збшь-шенням вм!сту !тр!ю понад 1 % зм!цнюючий ефект вщ зазначених вище структурних зм!н швелюеться негативним впливом крихко! !тр!ево! фази.
Важливим показником працездатност! наплавленого металу е значения ударно! в язкост1 за в1д емних температур експлуата-ц!!. Оск!льки У е активним розкислювачем, десульфуратором ! модиф!катором, то, безу-мовно, в!н повинен ефективно вплинути на оп!р динам!чним навантаженням за зниження температури. Як показали дослщження, най-б!льший ефект ф!ксуеться при додаванш 0,3 % У - ударна в'язюсть при -60 °С е в 2 рази вищою, шж у метал!, наплавленому сершним електродом, ! збер!гаеться на р!вш значень, отриманих для сер!йного електрода за юмнатно! температури. Зб!льшення вмюту У в покритт! до 0,6-2 % призводить до зниження показниюв ударно! в'язкост! у всьому температурному !нтервал!, що пов'язано !з забрудненням структури сполуками ! появою ново! крихко! !тр!ево! фази.
електрод!в значно покращуе зварювально-
технолог!чн! характеристики: шдвищуеться
стабшьнють гор!ння дуги, зменшуеться розбризкування металу.
Кшьюсть елеменпв, %
Елемент Сершний Електрод з 0,3
електрод % ирш
С 0,08 0,08
Si 0,6 0,05
Мп 1,0 1,1
Сг < 0,1 < 0,1
№ < 0,1 < 0,1
S 0,03 < 0,01
Додавання ирш в покриття, % Вм1ст ирш в наплавленому метал!, %
0,2 0,005
0,3 0,006
0,6 0,0075
1,0 0,008
3,0 0,009
Таблиця 3 Мехатчт властивост! зварних з'еднань з! стал! 09Г2С, виконаних сер!йним
! дослщним електродами з ггр!ем
Сталь Електрод 00,2, 8, КСи, МДж/м2
МПа МПа % % 20° 0° -20° -40° -60° -70°
9Г2С Сершний 550 400 29 72 1,9 1,7 1,7 1,2 0,9 0,7
Дослщний 40 60 30 71 2,5 2,3 2,2 1,7 1,3 1,0
Утворена шлакова юрка добре захищае метал 1 легко вщдшяеться при охолодженш.
Анал1з змш мшроструктури, мехашчних властивостей металу й технолопчних показ-ниюв процесу зварювання свщчить, що оп-тимальиим е додаваиия в покриття електрода 0,3 % У.
Осюльки електроди з 0,3-0,4 % У показали висою мехашчш властивосп як за юмнатно!, так 1 за знижених температур, !х було засто-соваио для зварювання конструкцш ¿з дво-фазно! стал! 09Г2С. Зварювання проводили електродом д1аметром 4 мм за сили струму 160-180 А 1 напруги на дуз1 26-28 В. Резуль-тати мехашчних випробувань зварних з'еднань наведен! в табл. 3.
1з таблиц! видно, що характеристики мщ-ност! зварних з'еднань, виконаних електро-дами з У, вищ! пор!вняно !з сер!йним електродом. Пластичн!сть при цьому збер!гаеться практично на тому ж р!вш, тод! як ударна в'язюсть, особливо за низьких температур, зростае.
Пол!пшення зварюваност!, п!двищення запасу пластичносп та ударно! в'язкосп за юм-натно! ! низько! температур зб!льшують оп!р зварних конструкцш крихкому руйнуванню ! над!йн!сть машини в ц!лому.
Висновки
П!двищення мщносп без зниження пластич-ност!, а також покращення холодостшкосп зварних навантажених конструкц!й !з листо-во! двофазно! стал! 09Г2С можна досягти шляхом використання зварювальних ма-тер!ал!в (електрод!в, проволоки) !з присадкою прда.
Оптимальна добавка !тр!ю 0,3 % покращуе технолог!чн! параметри процесу зварювання, забезпечуе отримання як!сного щ!льного зварного шва ! зменшуе ймов!рн!сть руй-нування.
Електроди i3 присадкою ггрда можуть бути ycnimHO використан! при виготовленш несучих рам та шших навантажених зварних з'еднань i3 листових двофазних сталей в конструкц!ях ДБМ та МЗР.
Лггература
1. Ряхин В. А. Долговечность и устойчивость
сварных конструкций строительных и дорожных машин / В. А. Ряхин, Г.Н. Мошкарев. - М. : Машиностроение, 1984. - 232 с.
2. Голованенко С. А. Двухфазные низколеги-
рованные стали / С.А. Голованенко, Н.М. Фонштейн. - М. : Металлургия, 1986. - 206 с.
3. Ефименко Н.Г. Металловедение и терми-
ческая обработка сварных соединений / Н.Г. Ефименко, H.A. Радзивилова. -Харьков, 2003. - 488 с.
4. Александров А.Г. Влияние РЗМ на струк-
туру и механические свойства шва при сварке чугуна, стали и сплавов / А.Г. Александров, П.П. Лабезнов // Автоматическая сварка. - 1982. - №12. -С.34-37.
5. Ефименко Н.Г. Комплексная оценка влия-
ния иттрия на свойства сварных швов сталей / Н.Г. Ефименко // Автоматическая сварка. - 2003. - № 8. - С. 18-24.
6. Тарасюк А.И. Влияние иттрия на механи-
ческие свойства трубной стали / А.И. Тарасюк, В.В. Морнева // Вюник Приазовського державного техшчного ушверситету. - 2012. - Вип. 24. -С.37-43.
7. Дощечкина И.В. Повышение срока службы
деталей ходовой части трактора / И.В. Дощечкина, С.С. Дьяченко, И.С. Та-таркина // Вюник Харювського нацю-нального техшчного ушверситету сшь-ського господарства. - 2008. - Вип. 68. -С.70-74.
Рецензент: G.C. Венцель, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 22 березня 2016 р.
