Технология и методология получения сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

----------------------------- © В.М. Макиенко, А.Д. Верхотуров,

И.О. Романов, Д.В. Строителев, 2009

УДК 621.791.042

В.М. Макиенко, А.Д. Верхотуров, И. О. Романов,

Д.В. Строителев

ТЕХНОЛОГИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА

Дальневосточный регион обладает большими запасами минерального сырья, в состав которых входят тугоплавкие металлы (цирконий, вольфрам, титан, бор и др.), представляющие интерес при создании сварочных материалов с целью получения износостойких, жаростойких легированных сплавов и покрытий.

Исследованию проблем комплексного использования минерального сырья и формированию наплавленных слоев с высокими физико-механическими свойствами уделяется недостаточно внимания, что значительно повышает стоимость сварочнонаплавочных материалов, сдерживает рост их производства и истощает запасы минерального сырья. Сложность данного вопроса заключается в том, что использование рудного сырья требует разработки новой методологии выбора компонентов, состава шихты и технологии создания материалов.

Необходимо учитывать, что при создании новых сварочных материалов с использованием многокомпонентного минерального сырья существует ряд методологических проблем:

- при электродуговом процессе в сварочной ванне имеют место сложные металлургические превращения, связанные с высокой степенью неравновесности жидкого металла и шлака, а также их многокомпонентный состав;

- значительное влияние на процесс сварки оказывают высокие температуры, технологические факторы, внешняя среда и др.;

- особую роль при сварке играет шлак, состав которого определяет стабильность технологического процесса, качество наплавленной поверхности, химический состав и структура металла шва.

Одной из самых сложных задач создания материалов является подбор компонентов и расчет шихты. Анализ литературных источников показал, что основой данных расчетов является физикохимические методы, учитывающие формулу констант равновесия реакций, концентрации и активности легирующих элементов, коэффициент усвоения, данные кинетики и термодинамики. Однако, из-за большого числа применяемых допущений, недостаточности данных для расчетов и невозможности достижений термодинамического равновесия в сложных шлаковых системах при реальных скоростях охлаждения, не позволяют быстро и качественно решать задачи по разработке сварочных материалов.

В данной работе эта проблема решается путем разработки методологии создания материалов, основанной на использовании модельных экспериментов с предварительным анализом минерального сырья, воздействием на него концентрированных потоков энергии (электрической дугой, плазмой, электронным лучом и т.д.), в данном случае дугового разряда (рис. 1).

На первом этапе выбирается минеральное сырье, определяющееся тремя основными мероприятиями:

1) Использование местного минерального сырья взамен привозных газообразующих, стабилизирующих, раскисляющих и прочих составляющих шихты;

2) Возможностью повышения уровня свойств наплавляемого и свариваемого материала за счет введения минерального сырья, содержащего элементы, способные образовывать износостойкие, прочные, жаростойкие соединения (карбиды, бориды, нитриды);

3) Комплексным использованием минерального сырья.

В этом случае предлагается метод «копирования»» - подбор по заданному химическому и фазовому составу (известному химическому веществу) местного минерального сырья, имеющего сходный химический и фазовый состав и свойства. При этом известные химические вещества, рекомендованные нормативными документами (названные «эталоном») взамен эталонных, подбираются отдельно для каждого элемента шихты - газообразующие, раскисляющие, стабилизирующие и др.

Далее воздействием дугового разряда на минеральное сырье (модельный эксперимент) решается задача, предусматривающая два подхода, рис. 2:

1) восстановление минерального сырья в условиях воздействия дугового разряда.

2) восстановление минерального сырья в условиях теплового воздействия с углеродным и рядом других восстановителей (алюминий, кремний, титан и др.);

Восстановление минерального сырья углетермическим воздействием - известный процесс, используемый неоднократно при исследовании образования карбидов, боридов, нитридов, при обработке шеелитового, датолитового и других концентратов. Это направление, как наиболее изученное, использовалось в качестве модельного исследования для анализа и возможностей восстановления сырья при действии дугового разряда. Однако в литературе не имеется данных по возможности восстановления с использованием только действия дугового разряда без восстановления. В этом случае также проводился модельный эксперимент.

Основополагающая гипотеза заключается в том, что руды и концентраты, содержащие тугоплавкие металлы в процессе воздействия дугового разряда будут восстанавливаться и образовывать износостойкие, жаростойкие карбиды, бориды, нитриды и др., повышая свойства наплавляемого материала. К таким концентратам относятся:

- шеелитовый, содержащий вольфрам с возможностью образования карбида вольфрама WC;

- бадделитовый, содержащий цирконий с возможностью образования 2гС, 2Ш, обладающих высокой твердостью, износостойкостью, жаростойкостью.

Названные концентраты были взяты для дальнейших исследований по проверке приведенной гипотезы.

Для исследований воздействия дугового разряда на приведенные концентраты была разработана и изготовлена опытная установка, позволяющая получать спеки минерального сырья после воздействия дуговых разрядов на минеральное сырье (рис. 3). В дальнейшем спеки подвергались исследованию состава, структуры и свойств по известным методикам .

В табл. 1 приведены химический и фазовый составы концентратов до и после обработки. Видно, что после обработки наблюдается изменение фазового и химического состава концентратов. При этом увеличивается содержание карбидообразующих металлов, что является подтверждением предложенной гипотезы.

Рис. 1. Схема методологии получения сварочных материалов с использованием минерального сырья

Рис. 2. Схема методологии модельного эксперимента по воздействию дугового разряда на минеральное сырье

3 2

Рис. 3. Установка для исследования влияния дуговых разрядов на минеральное сырье: 1 - газоанализатор, 2 - вольфрамовый электрод, 3 - пирометр, 4 - каретка, 5 - переплавляемый материал, 6 - кристаллизатор

Пробные эксперименты показывают перспективность предварительной обработки концентратов перед приготовлением шихты. Кроме того использование дугового разряда представляет интерес как дополнительный метод обогащения руд и концентратов.

На основе разработанной методологии были проведены исследования по созданию шлаковой системы порошковой проволоки для наплавки легированных (высокомарганцевых сталей).

В качестве основы шлаковой системы (50-60%) выбран циркониевый концентрат, являющийся хорошим шлакообразующим компонентом. Кроме того при восстановлении циркония из двуокиси обеспечивается нитридообразование, легирование, раскисление и рафинирование наплавленного металла.

139

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований до и после обработки

№ экс Химический состав, % Фазовый состав

Ш W-47,4; Са-17,2; Si-1,93; Fe-2,89; Р-2,03 CaWO4

Ш-1.1 W-22,6; Са-6,71; Fe-0,7 CaWO4; W

Ш-1.2 W-16,3; Са-7,1; Fe-0,7 CaWO4; CaзWO6; W

Ш-1.3 W-6,6; Са-8,3; Fe-0,7 CaWO4; CaзWO6; W

Ш-1.4 W-10,0; Са-8,1; Fe-0,3 CaWO4; W2C; W; WC

Б 7г-33,27; Si-14,56; А1-1,27 ZrO2; SiO2; WOз

Ц-1.1 7г-28,4; Si-13,10; А1-2,80; W-2,2 ZrO2; SiO2; CaWO4; ZrSiO4

Ц-1.2 7г-33,30; Si-16,30; А1-2,90; W-2,0 ZrO2; SiO2; CaWO4; ZrSiO4

Ц-1.3 7г-35,20; Si-19,70; А1-0,90; W-2,0 ZrO2; SiO2; ZrSiO4

Ц-1.4 7г-19,70; Si-9,80; А1-0,90; W-1,8 ZrO2; ZrO; SiO2

20, град

Рис. 4. Фазовый состав циркониевого концентрата

Таблица 3

Химический состав циркониевого концентрата, %.

Наимено- вание SiO2 ZrO2 WOз Fe2Oз Сульфатные остатки О Другие компо- ненты

Состав 54 43 2,0 0.16 0,08 0,06 0,7

При этом наиболее активным восстановителем является углерод, который одновременно может быть использован в качестве газообразующего, легирующего и раскисляющего компонентов. Для раскисления, легирования и рафинирования металла в шихту добавляется ферромарганец.

Исследования фазового и химического составов циркониевого концентрата (рис. 4, табл. 2) показали, что цирконий присутствует в виде двуокиси, а его содержание равно 43%.

Для определения основной фракции был проведен гранулометрический анализ (рис. 5).

Проведенные гранулометрический и химический анализы показывают, что максимальное содержание двуокиси циркония наблюдается во фракции менее 125 мкм. Поэтому для исследований использовалась именно эта фракция.

Далее устанавливалось содержание циркония в наплавленном металле в зависимости от массовых долей циркониевого концентрата и графита в составе шихты (рис. 6).

Результаты исследования показали, что переход циркония носит немонотонный характер, а его максимальное содержание (0,37 мас. %) соответствует точке, отвечающей весовым долям 85 мас. % графита и 15 мас. % циркониевого концентрата.

Проведенный рентгенофазовый и микроструктурный анализ показали, что структура слоя состоит из перлита и цементита (рис.

7).

Сканирование в отраженных электронах данных структурных составляющих указывает на неоднородность сплава (рис. 8). Исследование химического состава с помощью электронно-зондового микроанализатора показало, что матрица сплава содержит включения. В точке 1 содержится циркония 67,31 мас. %, железа 23,74 мас. % и 3,89 мас.% азота, что, вероятно, соответствует дисперсному комплексному нитриду FexZryNz. Точки 3, 4 соответствуют ферриту, а точка 2 комплексному сульфату Fe хОу • ZrzSк . Распределение в структуре таких элементов, как кремний, вольфрам, медь, марганец - равномерное, ликвационных аномалий не выявлено. Наличие циркония в наплавленном металле подтверждается исследованиями качественного распределения (рис. 9).

Наличие в структуре мелкодисперсных нитридов доказывает, что восстановленный цирконий осуществляет защиту расплавленного металла от воздействия азота.

Массовая доля графита в шихте , %

100 97 94 91 88 85 82 79 76 73 70

Массовая доля циркониевого концентрата в шихте , %

Рис. 6. Результаты исследования перехода циркония в наплавленный металл в зависимости от содержания графита и циркониевого концентрата

Содержание углерода в наплавленном металле, %

Рис. 7. Микроструктура металла содержащего 0,37 % циркония 80);

Рис. 8. Микроструктура наплавленно- Рис. 9. Картина качественного рас-го металла в отраженных электро- пределения циркония в наплавленном нах (х 700) металле

Таблица 3

Химический состав слоя наплавленного слоя

Номер

Количество элементов в наплавленном слое, %

состава шихты C Zr Mn 81 W Си 8 р

1 1,0 0,37 0,23 0,3 0,04 0,09 0,0061 0,0093

Таким образом, проведенные исследования доказывают возможность использования циркониевого концентрата в качестве нитридообразующего компонента шихты в кислом типе сердечника. В процессе наплавки происходит восстановление других легирующих элементов, что способствует получению легированного наплавленного слоя (табл. 3). Предложенный состав шихты не только выполняет функцию шлакообразующей системы, но и является легирующей добавкой.

На следующем этапе исследовался коэффициент перехода марганца при введении ферромарганца в систему «графит - циркониевый концентрат». В этой системе существенно возрастает эффективность газовой и шлаковой защиты, происходит очистка межзеренных границ, что устраняет интеркристаллитное разрушение.

Рентгеноструктурный анализ (рис. 10) показывает наличие аусте-нитной структуры с микротвердостью Н = 195-240 НУ (рис. 11).

I, имп/ с

200 п 180 160 -140 120 -100 80 60 -40 20 -0

у - Ре

у- Ре у_ Ре

20

30

40

50

60

70

90

2іиеіа,

град.

Рис. 10. Рентгендифракционный спектр наплавленного металла

Рис. 11. Микроструктура наплавленного слоя и

микротвердость

аустенита (х800)

Рис. 12. Наплавленный зуб ковша экскаватора

Таким образом, доказано, что порошковые проволоки предложенного типа обеспечивают возможность получения легированного (высокомарганцевого) покрытия.

Разработанной порошковой проволокой проведена наплавка зубьев ковшей экскаватора рис. 12 и проведены эксплуатационные испытания.

В результате испытаний установлено, что наплавленный металл имеет высокие технологические свойства, пгсге

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Макиенко В.М. - кандидат технических наук, доцент,

Верхотуров А.Д. - доктор технических наук, профессор,

Романов И. О. - кандидат технических наук, доцент,

Строителев Д.В. - кандидат технических наук, доцент, Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск.

E-mail: mvm_tm@festu.khv.ru