CC BY
22
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003р. Вип. №13
УДК 621.791.927.5
Алистратов В.Н1., Чигарев В.В2., Ильенко В.В3.
РАЗРАБОТКА СОСТАВА ПОРОШКОВОЙ ЛЕНТЫ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ ДЛЯ НАПЛАВКИ БРОНЗЫ РАБОТАЮЩЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ИЗНОСА
Разработан экономнолегированный электродный материал для наплавки элек-
троэрозионностойкого сплава, обеспечивающий наплавку бронзы, имеющей электроэрозионную стойкость значительно выше, чем стойкость меди, при высоком
уровне электропроводности
Одним из приоритетных направлений развития черной металлургии Украины является расширение производства стали в электрических дуговых печах [1]. Повышение производительности сдерживается низкой долговечностью отдельных элементов электрических печей. Основным узлом, оказывающим значительное влияние на технико-экономические показатели работы, является электрододержатель. Объясняется это значительными потерями в нём электроэнергии (4-6 % от общей мощности) и малым сроком службы контактных элементов, определяющим затраты времени и средств на ремонт, а также расход дефицитных цветных материалов. В наиболее тяжелых условиях работают контактные щеки электрод од ержателя (срок службы составляет от 6 до 18 месяцев), причем наличие электроэрозионного износа на поверхности является одной из главных причин выхода их из строя [2, 3]. В целом, к материалу контактных щек предъявляются требования высокой электроэрозионной стойкости, электропроводности, жаропрочности и жаростойкости. Таким образом, задача повышения стойкости контактных щёк электропечи является весьма актуальной.
Решение этой проблемы возможно путём нанесения на поверхность контакной щеки электроэрозионностойкого покрытия. Для изготовления работающих в сходных условиях ко-роткозамыкателей и дугогасителей, в электротехнике широко применяются спеченные композиционные материалы систем: медь-вольфрам, медь-молибден, медь-карбид вольфрама, медь-карбид молибдена и, в последнее время, медь-хром. Связано это не только с присутствием тугоплавкой фазы, но и с особенностями поведения дуги на поверхности двухфазного материала, в значительной степени определяющими величину износа. Однако эти материалы являются дорогими и остродефицитными, а методы порошковой металлургии к нанесению покрытий на изделия такой формы и габаритов, как контактные щеки, представляются труднореализуемыми.
Эффективным способом решения проблемы является нанесение на поверхность контактной щеки электроэрозионностойкого слоя наплавкой. При восстановлении изношенных поверхностей контактных щек в промышленности используются электроды для ручной сварки «Комсомолец-100» и АНЦ-2. Однако наплавленный металл имеет недостаточную электропроводность и электроэрозионную стойкость. При этом процесс ручной наплавки медных деталей характеризуется тяжелыми условиями труда и невысокой производительностью. Эффективным способом восстановления медных деталей металлургического оборудования является наплавка порошковыми лентами под флюсом, характеризующаяся высокой производительностью и приемлемыми условиями труда. Однако влияние состава наплавленного металла на электроэрозионную стойкость изучено недостаточно.
Целью данной работы является разработка экономнолегированного состава порошкового электрода для механизированной наплавки, обеспечивающего значительное повышение электроэрозионной стойкости, по сравнению с медью, при высоком уровне электропроводности.
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2
ПГТУ, д-р техн. наук, проф
ПГТУ, магистр
Известно, что высокими значениями жаропрочности и электропроводности характеризуются медные сплавы, в которых легирующие элементы образуют тугоплавкие химические соединения, типа интерметаллида СгБе, равномерно распределённые в виде второй фазы, а повышение жаростойкости, как правило, достигается легированием магнием и алюминием [4].
При разработке наплавочного медного материала, упрочненного жаропрочной фазой СгБе учитывалось, что содержание хрома в ней, согласно диаграмме железо-хром [5], составляет 42-48 %. Однако, при введении 8 % никеля (из ряда аустенитостабилизаторов: углерод, марганец, никель, медь) содержание хрома в интерметаллиде составило 39-58 %. Таким образом, порошковый электрод в качестве легирующих компонентов должен содержать хром и железо в соотношении 1,5-2,0.
Для решения задачи предложено исследовать наплавленный металл, полученный с использованием порошковых электродов, содержащих хром и железо в виде следующих компонентов: порошок комплексно-легированной лигатуры ПГ-Л101 (ТУ 48-19-220-76), малоуглеродистого феррохрома ФХ015 (ГОСТ 4757-91), смеси порошков железного ПЖ1 (ГОСТ 9849-86) и хрома металлического XI (ГОСТ 5905-79); а также, с целью сравнения, электрода содержащего хром металлический XI, обеспечивающего наплавку бронзы Бр. XI.
По данным работы [6] наиболее эффективными раскислителями для меди являются: фосфор, кремний, углерод, бор, литий, алюминий и магний. Исходя из соображений эффективности раскисления, малой токсичности при наплавочных работах, а также с целью повышения жаростойкости и жаропрочности наплавленного металла, в шихту порошкового электрода вводился порошок алюминиево-магниевый ПАМ-4.
Предварительными исследованиями установлено, что суммарное содержание хрома и железа в наплавленном металле не должно превышать 1,2 %, а алюминия и магния - 0,3 %. Состав шихты электродов представлен в таблице 1, коэффициент заполнения во всех случаях составлял 30 %.
Таблица 1 - Состав шихты порошковой ленты, %
Маркировка сплава Состав шихты порошковой ленты, %
ПГ-Л 101 ФХ-015 XI ПЖ 1 ПАМ-4 Порошка ПМ
1 6 - - - 2 92
2 - 6 - - 2 92
3 - - 3,6 2,4 2 92
4 - - 3,3 - 2 94,7
Наплавка производилась на пластины из меди М1 размером 250x100x20 мм; при наплавке использовался флюс АН-20П. Режим наплавки: 1Св=600-650 А, 11д=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.
Исследование электроэрозионной стойкости проводилось на экспериментальной установке, имитирующей условия эксплуатации контактных щек, по методике, описанной в работе [7]. Для исследований использовался металл однослойной наплавки; после механической обработки толщина наплавленного слоя составляла 3 мм. В качестве критерия стойкости использовался показатель относительной электроэрозионной стойкости, представляющий отношение потери веса медного образца в процессе испытаний к потере веса наплавленного, при одинаковых условиях испытаний.
Замеры электрического сопротивления образцов проводили прибором УЗ 09, на образцах размером 6x3x200 мм. Длина измеряемой части образца составляла 150 мм. Результаты замеров представлены в виде электропроводности относительно электропроводности меди М1.
Проводилась оценка технологических характеристик наплавочных материалов, определение химического состава, металлографические исследования, а также рентгеноструктурный анализ на дифрактометре УРС-50КМ.
Наплавленный металл во всех случаях характеризуется хорошим формированием и отделимостью шлаковой корки. Химический состав металла первого слоя представлен в таблице 2, а служебные характеристики в таблице 3.
Таблица 2 - Химический состав наплавленного металла
Маркировка сплава Химический состав наплавленного металла, %
Бе Сг N1 8х А1 м§ Мп С
1 0,41 0,63 0,08 0,23 0,20 0,08 0,09 0,08
2 0,49 0,68 0,02 0,16 0,19 0,08 0,06 0,03
3 0,47 0,61 0,01 0,15 0,20 0,09 0,05 0,01
4 - 0,59 - 0,14 0,18 0,10 - 0,01
Таблица 3 - Характеристики наплавленного металла
Маркировка Твердость НВ, Электропроводность, Относительная элек-
сплава кгс/мм2 % (к меди) троэрозионная стой-
кость
1 60-68 71-74 1.74-1.76
65 73 1,75
2 60-66 75-77 1.73-1.78
64 76 1,76
3 60-67 75-78 1.72-1.77
64 76 1,75
4 54-57 72-77 1.49-1.53
56 75 1,51
й>
■■л
ч .
Л .
Л
1» г'
мг
Г)
I..
Рис. - Микроструктура наплавленного металла(х400)
Микроструктура наплавленного металла исследовалось как на оптическом, так и на растровом электронном микроскопе 18М-Т200. Структура в сплавах № 1-3 (рис.) характеризуется наличием включений ин-терметаллидов различной величины и формы в твердом растворе. Локальный спектральный анализ показал, что крупной и средней величины включения состоят из хрома, железа, меди и кремния. Рентгеност-руктурным анализом выявлено наличие следующих фаз: СгБе, ^-А13Си6М^6, 0-СиАЬ, у-А14Си9 и фазы N¿281 для сплава №1. Структура сплава № 4 является типичной для бронзы Бр.Х1. Таким образом, установлено, что разработанные составы порошковых электродов позволяют получить наплавленный металл в виде бронзы содержащей сигма-фазу (интерметаллид С г1 с).
Как видно из результатов, приведенных в таблицах, сплавы, содержащие хром и железо в виде химического соединения СгБе, не уступают по величине электропроводности дисперси-онно-твердеющей бронзе типа Бр.Х1, а твердость и электроэрозионную стойкость имеют значительно выше. Среди сплавов № 1-3, сплав № 1 имеет более низкое значение электропроводности в связи с тем, что в ПГ-Л101 содержится кремний (до 10 %), марганец (до 3 %), никель (до 7 %), что превышает количество, необходимое для раскисления и приводит к снижению электропроводности. Сплавы № 2 и № 3 обеспечивают практически одинаковый уровень свойств.
Исходя из соображений экономической целесообразности, дальнейшие исследования проводились с использованием порошковых электродов, содержащих феррохром ФХ-015.
В наибольшей степени снижает электропроводность меди кремний, в том числе переходящий в сварочную ванну из флюса. С целью повышения электропроводности наплавленного металла исследовалось влияние добавок мрамора на торможение кремнийвосстановительного процесса из флюса. Была разработана серия порошковых лент, в шихте которых дополнительно содержался мрамор от 1 до 8 %. Установлено, что введение в шихту порошковой ленты 3- 4 % мрамора позволяет за счёт повышения основности шлака на стадии капли практически подавить кремнийвосстановительный процесс и снизить содержание кремния с 0,16 до
0,06 %. Это приводит к увеличению электропроводности наплавленного металла до 82 % от электропроводности меди. Увеличение содержания мрамора до 5 - 8 % приводит к ухудшению формирования наплавленного металла, отделяемость шлаковой корки удовлетворительная. При содержании мрамора более 6 % , в наплавленном металле появляются мелкие единичные поры.
Выводы
1. Разработанный состав порошкового электрода на медной основе с использованием в качестве легирующего компонента феррохрома ФХ-015 (содержание хрома и железа в соотношении 1,5 - 1,7) в сердечнике порошкового электрода, позволяет получить наплавленный металл в виде бронзы, содержащей интерметаллид CrFe.
2. Введение в шихту порошковой ленты (состав: малоуглеродистого феррохрома ФХ 015 -6 %, порошка алюминиево-магниевого ПАМ- 4-2 % , порошок медный ПМ - остальное , при коэффициенте заполнения 30 %) мрамора - 3 — 4 % позволяет за счет повышения основности шлака на стадии капли практически подавить кремнийвосстанови-тельный процесс и снизить содержание кремния с 0,16 до 0,06 %, что приводит к увеличению электропроводности наплавленного металла до 82 % от электропроводности меди М1. Разработанный состав ленты обеспечивает получение наплавленного слоя с электроэрозионной стойкостью в 1,7 раза превышающей стойкость меди, твердостью не менее НВ=64 кгс/мм2, электропроводностью 82 % от электропроводности меди М1.
3. В дальнейшем представляет интерес исследование сплавов системы медь-карбид хрома, которые могут иметь высокие значения электропроводности, электроэрозионной стойкости, жаропрочности и применятся для сходных условий работы.
Перечень ссылок
1. Казачков Е.А. Перспективные направления развития электросталеплавильного производства / Е.А Казачков, А.Д. Чепурной //Вестник Приазов. гос. тех. университета: Сб. науч. тр. - 1997.-№3.-С.50-53.
2. Сапко А. И. Исследование динамики электрододержателей высокомощных дуговых печей / А .И. Сапко, Н.В. Коваль // Высокомощные электропечи и новая технология производства стали.-М.: 1981.-С.119-26.
3. Алистратов В.Н. Выбор способа повышения стойкости контактных щёк электрододержателей дуговых сталеплавильных печей / В.Н. Алистратов, В.В. Чигарёв, И.В. Сагиров. // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2000. - Вып.5,- С.266-270.
4. Захаров М.В. Жаропрочные сплавы / М.В. Захаров, А.М. Захарова. - М.: Металлургия, 1973.- 348с.
5. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков / Л. С. Лившиц. - М.: Машиностроение, 1979.-253 с.
6. Илюшенко В.М. Влияние некоторых раскислителей на взаимодействие кислорода с жидкой медью и повышение качества сварных соединений / В.М. Илюшенко, В.А. Аношин, В.М. Михайловская II Сварка цветных металлов. - К., 1989.-С. 151-154.
7. Алистратов В.Н. Методика оценки электроэрозионной стойкости наплавленного металла /В.Н. Алистратов, В.В. Чигарёв, И.В. Сагиров II Автомат, сварка. - 1998. -№ 9,- С.35-38.
Статья поступила 17.03.2003
