CC BY
12
УДК 621.791.753.042.5.001/043.3/
Щетинина В. И., Степнов К. К., Заварика Н. Г., Щетинин С. В., Рагозин М.В., Дубинский Б. Е., Голи-Оглу В. С.
УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ БАНДАЖИРОВАННЫХ ОПОРНЫХ
ВАЛКОВ СТАНА 3000
Бандажированные опорные валки стана 3000, состоящие из оси и посаженного с натягом бандажа из стали 9ХФ, массой 120 тонн работают в условиях высоких удельных нагрузок. Они характеризуются высокой материалоемкостью, энергоемкостью и трудоемкостью изготовления. Одним из путей увеличения срока службы бандажированных опорных валков является наплавка, при которой возникают сварочные напряжения. Суммируясь с напряжениями, возникающими при посадке бандажа на ось, они могут привести к поломке бандажа Поэтому в мировой практике наплавка бандажированных опорных валков на производилась.
Задачей исследований является увеличение срока службы бандажированных опорных валков путем восстановления высокопроизводительными методами наплавки.
Возникающие при наплавке напряжения, являются результатом тепловложения, которое зависит от формы электрода и погонной энергии. Для снижения сварочных напряжений и повышения производительности предложен способ наплавки комбинированным электродом (рис. 1), состоящим из проволоки и охватывающей ее и-образиой ленты, прямолинейные участки которой располагаются впереди проволоки по направлению наплавки [1]. Форма электрода - основной параметр технологического процесса, так как дуга, перемещаясь по торцу электрода, концентрируется при наплавке проволокой и рас-концентрируется при наплавке лентой, в зависимости от расположения которой она двигается вдоль продольной оси сварочной ванны или поперек. Перемещение дуги определяет тепловложение в ванне и при постоянном режиме наплавки - скорость нагрева и охлаждения жидкого металла и зоны термического влияния. Это приводит к изменению условий кристаллизации ванны, диффузионных процессов, структурных и фазовых превращений [2, 3] и, следовательно, напряжений.
Для исследования производили пятислойную наплаву на пластины размером 30x300x400 мм проволокой диаметром 4 мм, лентой размером 0,5x45 мм, расположенной в продольном и перпен-дикулярном направлении, и комбинированным электродом. Наплавку выполняли на оптимальных для каждого способа режимах: в первом случае ток 650-750 А, напряжение 31-33 В, скорость 20, 30 и 40 м/ч; во втором случае соответственно Рис. 1 - Комбинированный элек- 450.550 д 29-31 В, 12, 18 и 24 м/ч; в третьем трод: 1 - проволока; 2 - лента. ¡950-2050 А, 29-31 В, 50, 75 и 100 м/ч. Качество наплавленного металла определяли путем измерения микроискажений кристаллической решетки, микроструктуры и микротвердости.
Форма электрода и погонная энергия оказывают значительное влияние на перемещение дуги, термические циклы (рис. 2) и скорость кристаллизации металла на линии сплавления (рис. 3). При наплавке комбинированным электродом обеспечиваются минимальная скорость нагрева, охлаждения и кристаллизации, в результате перемещения дуги
по прямолинейным участкам ленты в области боковых кромок ванны. С уменьшением погонной энергии скорости нагрева и охлаждения возрастают.
Т 1723
623
<1523
»
1423
(
Т
.1723
<
и
•. > 3 2' / 4'
3 4 Время, с
£1623 ¡1523 1423
1
-2
О 1 2 3 4 5 6 Время, с 6
Рис. 2 - Зависимость термического цикла от формы электрода (а) и погонной энергии (б): 1 - перпендикулярная лента размером 0,5x45 мм, 2 - проволока диаметром 4 мм; 3 - продольная лента размером 0,5x45 мм; 4 - комбинированный электрод, состоящий из проволоки диаметром 4 мм и ленты размером 0,5x45 мм (а)
1-3 - погонная энергия 3, 6; 2, 7; и 1, 8 МДж/м соответственно, комбинированный электрод I = 2100 А, и= 32 В (б).
3,2
о
| 2,4
3 ьб
Й 0,8 I
О
Г 1 4
1 » 4 к
Г 2\ 1 /3
/ 1 / к
Л
9 18 27 Ь»
-2
Длина ванны, 10 м
Рис. 3 - Влияние формы электрода на скорость кристаллизации жидкого металла сварочной ванны.
1 - перпендикулярная лента 0,5x45 мм; 2 - продольная лента 0,5x45 мм; 3 - проволока диаметром 4 мм; 4-комбинированный электрод.
При элекгродуговой наплавке под действием теплового возбуждения в наплавленном металле возникают вакансии [2], вследствие чего нарушается статическое равновесие сил межатомного взаимодействия, обуславливающее смещение соседних атомов из равновесных положений, и микроискажение кристаллической решетки.
В результате воздействия на тепловложение форма электрода и погонная энергия оказывают значительное влияние на микроискажение кристаллической решетки (рис. 4 а). Минимальные микроискажения кристаллической решетки обеспечиваются при наплавке комбинированным электродом с минимальной скоростью охлаждения.
«I
I
и
¿а
31
о 28
я .
•В* В
I
о
25
22
19
1
'Ч /
4_ Г^з
А _
36
1
1 \
2 Д А
3
А 4
17 22 . 27 32 яи/У Погоню д энергия, 102 кДж/м
а)
17 22 27 32 яи/У Погонная энергия, 10 2 кДж/м б)
2
«О
о
р
8,8
£ 8,0 8
а 7,2
£ о
е 6,4
о В
С
5,6
---<
\
4 -.—- —2
А """" \ ¡N1
Рис. 4 - Зависимость микроискажений кристаллической решетки (а), микронапряжений (б) и плотности дислокаций (в) от формы электрода и погонной энергии:
1 - перпендикулярная лента 0,5x45 мм;
2 - продольная лента 0,5x45 мм;
3 - проволока д иаметром 4 мм;
4 - комбинированный электрод.
17
1 1 27 32 (ца/\
Погонная энергия, 10 кДж/м ■)
Изменения погонной энергии при наплавке лентой, расположенной перпендикулярно и вдоль вектора скорости наплавки, не влияют на микроискажения кристаллической решетки вследствие перенасыщения металла вакансиями. Повышение скорости влияет на ее микроискажения при наплавке проволочным и комбинированным электродом. С увеличением скорости и уменьшением погонной энергии они уменьшаются, что является результатом снижения тепло-вложения и .возникновения вакансий Шоттки [2,3].
В процессе наплавки металл подвергается воздействию термодеформационного цикла, для определения которого измеряли наблюдаемые деформации и термический цикл нагрева точки, расположенной между охлаждаемыми ножками тензометра Собственные деформации основного металла, расположенного на расстоянии 5 мм от зоны сплавления, определял и дифференциальным способом [4]. Наплавку производили на ребро пластины размером 30x125x400 мм комбинированным электродом. Деформации фиксировали в направлении наплавки. В результате измерения термодеформационных циклов (рис. 5) установлено, что вначале происходит сжатие, затем растяжение и опять сжатие основного металла Как при нагреве, так и при охлаждении мгновенные значения наблюдаемых и
свободных деформаций значительно отличаются, что приводит к развитию собственных деформаций и микронапряжений в металле.
§ ?
3 Л а О
0
1 -1,1
-2,2
> л
Г70
¿нгч 680 2 510 340
™ Ч^-з
Рис. 5 - Термодеформационный цикл зоны термического влияния по направлению сварки на расстоянии 5 мм от линии сплавления при наплавке комбинированным электродом, погонная энергия 3,6 МДж/м:
1 - свободные деформации; 2 - наблюдаемые деформации; 3 - собственные деформации.
Микронапряжения в наплавленном металле определяются микроискажениями кристаллической решетки [5]:
да
а = Е
а
где
Е - модуль упругости, 19,68-10"4 МПа; Да/а - микроискажения кристаллической решетки.
При наплавке лентой, расположенной перпендикулярно направлению наплавки, микронапряжения максимальны (рис. 46) и значительно снижаются при применении комбинированного электрода на низких погонных энергиях.
Микронапряжения приводят к интенсивному образованию трещин, механизм зарождения которых связывают с наличием, дислокаций [6]. Влияние формы электрода и погонной энергии на плотность дислокаций изучали по уширению рентгеновских линий [7]. При использовании проволочного и, особенно, комбинированного электродов на малых погонных энергиях плотность дислокаций снижается, так как источником последних является совокупность вакансий.
Форма электрода и погонная энергия влияют на трещиностойкость наплавленного металла. Это соответствует воздействию формы электрода на микроструктуру наплавленного металла, которая при наплавке комбинированным электродом является наиболее мелкодисперсной и однородной. Аналогично Измельчается структура наплавленного металла и околошовной зоны при повышении скорости наплавки, что является следствием увеличения скорости нагрева и охлаждения, а также количества центров кристаллизации, которые, располагаясь перед фронтом растущих столбчатых кристаллитов, подавляют их дальнейший рост. Кроме того, в результате увеличения скорости нагрева и охлаждения зерна аустенита не успевают вырасти, его устойчивость снижается и предотвращается образование горячих трещин.
При минимальных микроискажениях кристаллической решетки, микронапряжениях и плотности дислокаций, а также мелкодисперсной структуре сварные соединения, выполненные комбинированным электродом на низкой погонной энергии, обеспечивают высокую ударную вязкость, которая характеризует трещиностойкость и прочность (таблица).
Механические свойства сварных соединений, выполненных комбинированным
электродом
№ пп Марка стали Времен- Предел Отно-ситель Отно-ситель Изгиб Ударная вязкость, 9,8 КДж/м
ное • сопротивление, 9,8 МПа текучести 9,8 МПа ное удлинение % ное сужение % в холодном состоянии, Рад Температура испытаний КСУ КСУ КСУ
1. 10Г2С 55 29 32 - 233 11,3 10,8 8,5
2. 09Г2С 52 30 33 - - 203 9,2 8,8 7,6
3. ВСтЗСп 50 28 28 62 3,2 293 13,3 17,2 14,6
С повышением скорости наплавки вследствие увеличения скорости охлаждения и дисперсности структуры микротвердость наплавленного металла возрастает, а в зоне термического влияния - снижается (рис. 6). Размер зоны отпуска зависит от формы электрода и погонной энергии. Применение комбинированного электрода уменьшает размер зоны отпуска по сравнению с проволочным электродом в 2 раза, что является результатом увеличения скорости наплавки. Уменьшение зоны отпуска повышает трещиностойкость и износостойкость валков.
Н
ев
к
2 42
>4
| 38
а/
х
о 34
30
---2
чг
, 0 1,0 2,0 3,0 4,0 Б
У * 3
Околошовная зона, 10" м
Рис. 6 - Микротвердость металла, наплавленного комбинированным электродом: 1-погонная энергия 3,6 МДж/м, 2- 2,7 МДж/м, 3 - 1,8 МДж/м. .
Высокопроизводительная наплавка обеспечивает увеличение срока службы банда-жированных опорных валков в 1,3-1,5 раза.
Выводы
1. Установлены пути повышения ударной вязкости и трещиностойкости наплавленного металла за счет снижения микроискажений кристаллической решетки, и микронапряжений, низкой плотности дислокаций, мелкодисперсной однородной структуры на-
плавленного металла и малой зоны отпуска.
2. Предложен высокопроизводительный способ наплавки бандажированных опорных валков комбинированным электродом, обеспечивающий минимальные сварочные напряжения, высолю трещиностойкость иувеличение срока службы валков в 1,3-1,5 раза
Перечень ссылок
1. А. с. 502721 СССР, МКИВ 23 К 9/00. Способ электродуговой сварки двумя электродами/ТС Б. Багрянений, В. П. Ермолов, В. И. Щетинина.
2 Прохоров Н. Н. Физические процессы в металле при сварке. - М.: Металлургия, 1976. -600 с.
3. Шоршоров М. X., Белов В. В. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке. -М: Наука, 1972. -228 с.
4. Винокуров В. А., Григоръянц А. Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. -М: Машиностроение, 1984. - 280 с.
5. Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., СкаковЮ. А. Рентгеноструктурный и электроннооп-тический анализ. -М: Металлургия, 1970. - 378 с.
6. Финкелъ В. М. Физика разрушения. - М: Металлургия, 1970. - 376 с.
7. Сравнительное определение плотности дислокаций в поликристаллах по ширине рентгеновских линий и электронномикроскопически / А. Н. Иванов и др. // Заводская лаборатория. -1987. - № 2. - С. 43-48.
