CC BY
31
Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical sciences, professor, va_erofeev@mail. ru , Russia, Tula, Tula State University,
Piankov Igor Borisovich, Chief Designer, piankov. i. b@, mail. ru, Russia, Moscow, Science & Technology Center «System Dynamics»,
Arseneva Alina Alekseevna, postgraduate, Silabykv@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.791.927.5
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ
ИНСТРУМЕНТА
В. А. Ерофеев, С.К. Захаров, С.В. Зотова
Рассмотрено формирование толстых слоев при дуговой наплавке в аргоне экспериментальным образцом специальной наномодифицированной наплавочной порошковой проволоки нового поколения многофункциональных слоев из ультрамелкодисперсных и наномодифицированных композиций некоторых заготовок для изготовления штампов горячей штамповки. Проанализировано влияние силы тока, скорости подачи электродной проволоки и температуры подогрева подложки на формирование наплавочного валика, а также влияние длительности охлаждения на механические свойства стали 40ХН. Определены термические циклы на поверхности подложки при различных значениях температуры ее предварительного подогрева.
Ключевые слова: электродуговая наплавка, порошковая проволока, теплофизи-ческие свойства.
Несмотря на широкое применение наплавки [1 - 2], технологические рекомендации по дуговой наплавке порошковых материалов на инструмент для горячей штамповки отсутствуют.
Так как экспериментальное определение параметров наплавки, при которых обеспечиваются заданные требования к свойствам наплавленного слоя, очень затратно, то эту задачу решали методами компьютерного инженерного анализа, основанного на физико-математическом моделировании процесса формирования наплавляемого слоя [3 - 7].
Исследование проведено методом компьютерного моделирования. Для анализа использованы модель процесса наплавки, а также результаты анализа эффективности некоторых способов наплавки и разработки метода дуговой наплавки в защитном газе износостойких многофункциональных слоев из ультрамелкодисперсных и наномодифицированных композиций на ответственные детали штампов горячей штамповки, изготовленные из инструментальных легированных сталей.
Заготовки для штампов горячей штамповки изготавливаются из сталей 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ, 4ХМФС, 5Х2СФ, 4ХСНМФЦР, 5Х2НМФС, ЗХ2В8Ф, ЗХ2М2Ф, ЗХВ4СФ 4Х4ВМФС и др. в форме фасонных поверхностей и пластин толщиной обычно 20...40 мм и с максимальным размером до нескольких сотен миллиметров.
В исследовании рассмотрено образование слоя упрочняющего сплава из ультрамелкодисперсных и наномодифицированных композиций толщиной до 2,5 мм.
Теплофизические свойства перечисленных сталей практически одинаковы [8].
Вышеуказанные размеры изделий допускают наплавку несколькими параллельными валиками с предварительным нагревом заготовок до температуры 300 °С при скорости перемещения горелки, обеспечивающей минимальное проплавление.
На рис. 1 показана схема укладки валиков. При наплавке штампов требуется также минимизировать перемешивание материала порошковой проволоки с металлом заготовки.
Основным фактором перемешивания является давление дуги, которое деформирует поверхность наплавочной ванны, создавая кратер в расплаве. Давление дуги сильно зависит от силы тока, поэтому наплавку первого слоя необходимо осуществлять при минимальном токе, обеспечивающем нагревание поверхности заготовки до температуры плавления.
Рис. 1. Схема укладки валиков при наплавке штампов: 1 - 4 - номера валиков; Ь - смещение дуги; В - ширина наплавочной ванны; £ - сечение наплавки; ¥ - сечение переплава предшествующего валика; М - сечение расплава подложки; Н - высота наплавки;
Н - глубина проплавления подложки
Моделированием установлено, что для указанных сталей минимальный ток дуги в аргоне, вызывающий плавление поверхности заготовок из указанных сталей, составляет 90.100 А (рис. 2).
Дуга плавящегося электрода в аргоне имеет длину 3.4 мм при напряжении 11.12 В.
При скорости перемещения 5 мм/с и токе дуги 100 А возникает наплавочная ванна шириной 5.. .6 мм.
При наплавке плавящимся электродом ток дуги в 100 А плавит порошковую проволоку с сердечником из тугоплавких металлов диаметром 1,6 мм со скоростью 16.18 мм/с.
Рис. 2. Влияние силы тока и скорости подачи электродной проволоки на формирование наплавочного валика и предельное распределение температуры (а) и распределением температуры по поверхности
подложки (б)
Результаты моделирования формирования одиночного наплавочного валика при разной температуре подогрева показаны на рис. 3.
Рис. 3. Влияние температуры подогрева подложки на формирование наплавочного валика, предельное распределение температуры (а) и на распределение температуры в плоскости поверхности подложки (б)
Термические циклы на поверхности подложки в центре валика при разных температурах подогрева показаны на рис. 4.
119
Рис. 4. Термические циклы на поверхности подложки в центре основания наплавляемого валика при различных значениях температуры предварительного подогрева подложки
Было оценено влияние термических циклов наплавки на структуру и механические свойства стальной подложки [9 - 11].
Влияние длительности охлаждения в интервале температур полиморфного превращения на структуру и механические свойства стали 40ХН показано на рис. 5.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что температура подогрева подложки при наплавке не может оказать существенного влияния на механические свойства стали 40ХН и подобных сталей этой группы, имеющих мартенситную структуру.
Но подогрев существенно улучшает формирование валика, увеличивая ширину валика с одновременным снижением его высоты (см. рис. 3).
Смещение электрода существенно влияет на распределение теплоты дуги между ранее наплавленным валиком и подложкой. Соответственно изменяется формирование валика и распределение предельных значений температуры, а также распределение температуры на поверхности, полученной при наплавке предшествующего. Результаты показывают, что оптимально наплавку следует выполнять с небольшим смещением центра дуги на подложку, что соответствует шагу между валиками, равному 0,35.0,4 их ширины.
Одиночный валик при скорости подачи проволоки 15.25 мм/с формируется выпуклой формы с максимальной высотой 2,2 мм (средней 1,35 мм) и площадью поперечного сечения 6 мм . Максимальное проплав-ление металла заготовки составляет 0,5.0,7 мм. Коэффициент участия металла заготовки в наплавленном металле составляет 22.27 %. Последую-
120
щие валики наплавляются параллельно со смещением 3 мм. При этом ранее наплавленный валик частично переплавляется. Второй и последующие валики формируются со средней высотой 2,2 мм, а коэффициент участия металла заготовки в валике уменьшается до 12.14 %. Глубина впадины между валиками составляет 0,5. 0,8 мм.
м, п, %
\ \ \ \ \ м\ С таг ч 1Ь 40Х н
\ \ \ \ \
V / /
/ у у / /
1 0 2 0 3 а 4 а 5 а
Г85,С
500
400
200
100
Рис. 5. Влияние длительности охлаждения на структуру (а) и механические свойства стали 40ХН (б): М - содержание мартенсита;
П - содержание перлита; от, - предел текучести; ов - предел прочности; е- относительное удлинение;
у- относительное сужение; Ну - твёрдость по Виккерсу;
кои - ударная вязкость
Так как металл первого слоя частично переплавляется при укладке второго слоя на величину 20.25 % площади сечения, во втором слое имеется небольшая примесь металла заготовки, оцениваемая значением в 2,5.3 %.
Полученные результаты показывают следующее.
1. При наплавке требуется уменьшить перемешивание наплавляемого сплава с металлом подложки. Основным фактором перемешивания является давление дуги, которое деформирует поверхность наплавочной ванны, создавая кратер в расплаве. Давление дуги сильно зависит от тока, поэтому наплавку первого слоя необходимо осуществлять током не более
121
100.120 А. Такой ток дуги в аргоне при скоростях перемещения 2.10 мм/с создаёт на поверхности среднелегированных сталей наплавочную ванну шириной 5.6 мм. Последующие слои можно наплавлять при больших значениях тока дуги 200.250 А, при которых глубина проплав-ления не превышает половины толщины наплавки предшествующего слоя, а ширина наплавочной ванны возрастает до 7.9 мм.
2. При наплавке стали, содержащей тугоплавкие металлы, на стали, используемые для изготовления инструмента для обработки металлов давлением, необходимо избежать формирования закалочных структур и возникновения трещин. Это требует обеспечения при наплавке достаточно медленного охлаждения металла, это можно достигнуть, используя подогрев подложки до 300.350 °С или выполняя наплавку при малой скорости перемещения наплавочной горелки в направлении формирования слоя.
3. При наплавке ниточными валиками смещение наплавочной горелки при переходе к следующему валику должно составлять 0,5.0,6 ширины валика,
Полученные результаты являются технологическими рекомендациями по выполнению наплавки порошковой проволокой слоя, содержащего мелкодисперсные порошки карбида вольфрама, молибдена, тантала и хрома, на поверхности стального инструмента для обработки давлением.
Выводы
1. Выполнен анализ дуговой наплавки порошковой проволокой на стальную подложку, основанный на физико-математическом моделировании формирования наплавочной ванны.
2. Определены параметры процесса наплавки, при которых минимизируется перемешивание наплавляемого сплава с металлом подложки, а также формирование закалочных структур и возникновение трещин без предварительного подогрева подложки.
Список литературы
1. Плазменная наплавка металлов / А.Е. Вайнерман, М.Х. Шоршо-ров, В.Д. Веселков, В.С. Новосадов. М.: Машиностроение, 1969. 192 с.
2. Красулин Ю.Л., Кулагин И. Д. Регулирование температуры сварочной ванны при наплавке плазменной струей // Автоматическая сварка. 1966. № 9. С. 11-15.
3. Numerische Modellierung des Laserbeschichtens mit Pulver und experimentelle Verifizierung / W. Sudnik, W. Erofeew, D. Radaj, M. Beck, M. Kern, R. Heigl // Simulation der Fügetechniken - Potentiale und Grenzen: Beiträge zum DaimlerChrysler-Technologiekolloquium. Düsseldorf: DVS-Verl., 2001. B. 214. S. 108-117.
4. Курьянинова Е.И., Ерофеев В.А. Оптимизация технологических параметров лазерно-порошковой наплавки на основе математического моделирования // Сварочное производство. 2007. №4. С. 21-27.
5. Страхова Е.А., Ерофеев В.А., Судник В.А. Физико-математическое моделирование процесса наплавки с поперечными колебаниями плазмотрона // Сварка и диагностика. 2009. №3. С. 32 - 38.
6. Ерофеев В. А., Страхова Е.А. Компьютерный инженерный анализ процесса плазменно-дуговой наплавки слоя цветного сплава на стальные тела вращения // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. № 12.С. 12-18.
7. Столович Н.Н., Миницкая Н.С. Температурные зависимости теп-лофизических свойств некоторых металлов. Минск: Наука и техника, 1975. 160 с.
8. Ерофеев В.А., Захаров С.К., Кузнецов О.В. Особенности технологии дуговой наплавки упрочняющих слоев на стальную подложку // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 132-138.
9. Зайффарт П., Касаткин О.Г. Расчетные модели для оценки вязкости разрушения низко- и средне легированного металла шва в зависимости от его состава и структуры // Сварочное производство. 1995. №6.
10. Касаткин О.Г., Зайффарт П. Интерполяционные модели для оценки фазового состава зоны термического влияния при дуговой сварке низколегированных сталей // Автоматическая сварка: ежемесячный научно-технический журнал. Киев: Наукова думка, 1984. №1 (370), январь. 81 с.
11. Касаткин О.Г., Зайффарт П. Влияние химического и фазового состава зоны термического влияния на ее механические свойства при дуговой сварке низколегированных сталей // Автоматическая сварка, ежемесячный научно-технический журнал. 1984. Киев: Наукова думка, 1984. №2 (371), февраль. 79 с.
Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Захаров Сергей Константинович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зотова Светлана Вячеславовна, ассист., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFLUENCE OF PARAMETERS OF ARC WELDING OF POWDER MATERIALS ON THE SURFACE PROPERTIES OF A TOOL
V.А. Erofeev, S.К. Zakharov, S.V. Zotova 123
The formation of thick layers in arc welding in argon an experimental model nano-modification special hardfacing flux-cored wire is a new generation multi-layers of ultra-fine and nanomodified songs some blanks for the manufacture of dies for hot forming is considered. The influence of the current, the feed rate of the electrode wire and the temperature of the heated substrate on the formation of the melt cushion and the influence of duration of cooling on the mechanical properties of steel 40ХН is analyzed. Defined thermal cycles on the surface of the substrate at various values of temperature of preliminary heating.
Key words: arc welding, flux-cored wire, thermo-physicalproperties.
Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, va erofeevamail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zakharov Sergey Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, zzzsk19 7l ayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zotova Svetlana Vyacheslavovna, assistant, zsvzot'a yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.785.533; 539.219.3; 548.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УВЕЛИЧЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ АТОМОВ В ВАКАНСИОННОМ МЕХАНИЗМЕ
ДИФФУЗИИ
П.И. Маленко, С.В. Ильичев, К. Д. Релмасира, А.Ю. Леонов
На основе моделирования методом молекулярной динамики приводится количественная оценка процесса температурного увеличения диффузионной активности атомов. Предлагаемая оценка основана на выявленном в процессе моделирования образовании пустот (дилатонов) и сгущений. В результате в бездефектном кристаллите будет возникать кооперативный механизм диффузии, в то время как в кристаллите с вакансиями будет иметь место сочетание вакансионного и кооперативного механизмов.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, дилатон, сгущение, коэффициент перегрузки, вакансионный механизм, кооперативный механизм диффузии.
Термин «увеличение диффузионной подвижности атомов» является общепринятым в металловедении и качественно объясняет предрасположенность к диффузии, например, при увеличении температуры. Однако для количественной его оценки требуются иные методы, в частности, метод молекулярной динамики (ММД).
124
