CC BY
37
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип № 12
УДК 621.791.927.5
Размышляев А.Д.,1 Матвиенко В.Н.,2 Иванов В.П.,3 Сидоренко С.М.4
ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
Показано, что при дуговой наплавке проволокой Нп-ЗОХГСА под флюсом с использованием управляющего продольного магнитного поля частотой 50 Гц наблюдается измельчение структуры наплавленного металла и улучшение его свойств.
Литой структуре металла шва при сварке (наплавке) плавлением присуща анизотропия механических свойств, что проявляется, например, в существовании в пределах шва зоны минимального сопротивления разрушению. Свойства этой зоны в значительной степени зависят от характера структурной неоднородности, сформировавшейся в процессе кристаллизации сварочной ванны. Поэтому из возможных технологических приемов, направленных на повышение однородности структуры, наиболее целесообразными являются те, которые реализуются в температурном интервале затвердевания. Особенности кристаллизации металла шва предопределяют многие технологические и эксплуатационные свойства сварных соединений.
Положительное влияние магнитного поля на структуру и свойства соединений наблюдается при сварке многих сталей и сплавов. Как показано в работе [1], при дуговой сварке воздействие управляющих импульсов продольного магнитного поля на металл сварочной ванны позволяет улучшить структуру и механические свойства швов. При этом также значительно улучшается формирование швов.
При наплавке под флюсом использование управляющего продольного магнитного поля существенно уменьшает глубину и площадь зоны проплавления, долю участия основного металла в наплавленном [2]. Представляет определенный интерес исследование влияния управляющего продольного магнитного поля (ПРМП) на структуру и свойства упрочняющих слоев наплавленного слоя металла.
Для проведения исследований выбрана стандартная наплавочная проволока сплошного сечения марки Нп-ЗОХГСА диаметром 5 мм и высоко кремнистый марганцевый флюс марки АН-60. Как известно [3, 4], для восстановления некоторых типов валков горячей прокатки, крановых колес, шпинделей, роликов, муфт и др. наплавляют слой легированной стали 30ХГСА, обеспечивающей высокую твердость наплавленного металла (до 300 НВ) в сочетании с хорошей вязкостью и износостойкостью.
В процессе наплавки образцов использовали ПРМП частотой 50 Гц при величине индукции в зоне дуги - 70 мТл. Наплавку выполняли в 4 слоя на пластины из Ст.З размерами 100x400x30 мм. Параметры режима (постоянный ток обратной полярности): ток наплавки 650-680 А, напряжение на дуге 34-35 В, скорость наплавки 20 м/ч.
При наплавке проволокой без воздействия магнитного поля доля основного металла в первом слое достигает 50 %, а при наплавке с использованием магнитного поля - снижается до 20 %. Третий и последующие слои металла имеют состав, близкий к составу электродного металла (табл.1). В соответствии с изменением химсостава металла наблюдается распределение микротвердости по высоте наплавленного слоя (рис.1).
Структура наплавленного металла в 4-м слое показана на рис. 2. При наплавке без магнитного поля (рис. 2, а) кристаллизация идет с образованием ярко выраженной столбчатой дендритной структуры. Дендриты, образующиеся при этом, вытянуты в длину, границы между
1 ГТГТУ, д -р. техн. наук, профессор
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
3 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
4 ПГТУ, аспирант.
ними почти прямые. В центральной части валика формируется небольшая зона равноосных кристаллов. В нижних слоях первичная структура несколько мельче, междендритные прослойки уже и центральная зона равноосных кристаллов несколько шире.
Таблица 1 - Результаты послойного химического анализа наплавленных образцов
Наплавленный- Слой Химический состав, %
образец С Мп 81 Сг
без 1 0,15 0,72 0,79 0,62
магнитного 2 0,18 0,87 0,85 0,66
поля 3 0,21 1,10 0,98 0,72
4 0,24 1,22 1,10 0,75
с магнитным 1 0,17 0,86 0,84 0,63
полем 2 0,22 0,98 0,97 0,69
3 0,26 1,23 1,11 0,74
4 0,28 1,26 1,12 0,76
При наплавке с магнитным полем столбчатая форма кристаллитов в верхнем слое в полной мере не подавляется (рис. 2, б), однако в первом слое кристаллизация протекает с образованием мелкой разориентированной и равномерной структуры по всему сечению валика, межкристаллитные прослойки тоньше и границы сильно развиты.
Микроструктура наплавленного металла ЗОХГСА, как при наплавке без магнитного поля (рис. 2, а), так и при наплавке с магнитным полем (рис. 2, б), состоит из тонкопластинчатого перлита и доэвтектоидного феррита, выделившегося в виде сетки по границам зерен. Вместе с тем, в случае наплавки без магнитного поля сетка феррита вокруг зерен перлита имеет почти сплошной каркас (рис. 2, а), а в случае наплавки с магнитным полем - зерна феррита в основном равномерно распределены между зернами перлита (рис. 2, б).
210 2001 ¡2 190 |<м 180' 2" | 170 Е о 160 | 12 150 | 140 130 120
^ 1 1 Т-. 1
/
к
Н
1
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Расстояние от поверхности, мм
Рис.1 - Распределение микротвердости по высоте металла, наплавленного с применением магнитного поля (1) и без магнитного поля (2)
Неоднородность литой структуры металла и свойств наплавленного металла особенно резко проявляются в зонах перекрытия смежных валиков. Структурные изменения, происходящие в зоне термического влияния предыдущего валика при наложении последующего, приво-
дят к появлению "провалов" механических свойств, снижению работы зарождения трещины [5,
6].
Как показали исследования (рис.3), при наплавке смежных валиков на режимах, приведенных выше, в указанных зонах при воздействии ПРМП распределение микротвердости более равномерно, чем при наплавке без воздействия ПРМП.
Рис. 2 - Микроструктура верхнего слоя наплавленного металла: а - без магнитного поля, б - с магнитным полем; х320.
По результатам испытаний образцов наплавленного металла стандартных размеров 10x10x55 мм с У-образным надрезом установлено, что при наплавке без магнитного поля ударная вязкость составляет КСУ=0,16 МДж/м2, а с магнитным полем - КСУ=0,20 МДж/лС. Повышение ударной вязкости наплавленного металла вызвано указанным выше благоприятным влиянием магнитного поля на структуру наплавленного металла.
Проведены механические испытания образцов наплавленного металла на растяжение и определены такие его показатели: предел прочности ств, предел текучести сг. относительное удлинение б5 и относительное сужение площади поперечного сечения образцов при растяжении.
шаг наплавки
' *
б
4 6 8 10 12 14 16 18
Расстояние, мм
Рис.3 - Зона перекрытия смежных валиков (а) и распределение микротвердости в указанной зоне (б): 1,2-наплавленные валики;
3- основной металл;
4- микротвердость при наплавке с применением ПРМП;
5- то же без ПРМП.
Таблица 2 - Механические свойства наплавленного металла
Образец св, МПа ст, МПа 55, % И'- %
без магнитного поля 1100 950 10 45
с магнитным полем 1220 1130 22 56
Данные испытаний образцов показали, что прочностные и пластические свойства металла при наплавке с воздействием ПРМП выше, чем наплавленных без его воздействия (табл. 2).
Выводы
1. Использование управляющего магнитного поля частотой 50 Гц при дуговой наплавке благоприятно влияет на структуру наплавленного металла и его механические свойства.
2. Целесообразно выполнение дальнейших исследований по установлению степени влияния ПРМП, используемого при восстановительной и упрочняющей дуговой наплавке, на служебные характеристики наплавленных деталей прокатного и металлургического оборудования.
Перечень ссылок
1. Сварка с электромагнитным перемешиванием. /В.П.Черныш, В.Д.Кузнецов и др. - К.: Техника, 1983.- 127 с.
2. Размышляев АД. Магнитное управление формированием швов при дуговой сварке. - Мариуполь: Изд-во ПГТУ, 2001. - 245 с.
3. Фрумин И.И. Современные методы механизированной наплавки. //Сварка и специальная электрометаллургия. - К.: Наук, думка, 1984. - С. 130-138.
4. Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавленный металл. /Ред. кол.: И.И.Фрумин (пред.) и др. - К.: Наук, думка, 1977. - 176с.
5. Влияние неоднородности свойств наплавленного металла на характер износа валков листопрокатных станов. /С.В.Гулаков и др. //Автоматическая сварка. - 1985. - № 7. - С.46-49.
6. Домбровский Ф.С., Лещинский Л. К. Работоспособность наплавленных роликов машин непрерывного литья заготовок. - К.: ИЭС им. Е.О.Патона, 1995. - 198 с.
Размышляев Александр Денисович. Д-р техн. наук, проф. кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", окончил Ждановский металлургический институт в 1964 г. Основные направления научных исследований - разработка научных основ и средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке.
Матвиенко Владимир Николаевич. Канд. техн. наук, доцент кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", научный руководитель ОНИЛ наплавки, окончил Ждановский металлургический институт в 1977г. Основные направления научных исследований - развитие теоретических и технологических основ создания материалов и оборудования для наплавки; совершенствование технологии и повышения качества широкослойной наплавки.
Иванов Виталий Петрович. Канд. техн. наук, доцент кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", старший научный сотрудник ОНИЛ наплавки, окончил Ждановский металлургический институт в 1986г. Основные направления научных исследований - разработка материалов и технологии для наплавки деталей прокатного и металлургического оборудования, создание программного обеспечения в области сварки и наплавки.
Сидоренко Сергей Михайлович. Аспирант кафедры "Оборудование и технология сварочного производства", окончил Приазовский государственный технический университет в 1999г. Основные направления научных исследований - разработка средств управления формированием сварных швов и валиков при дуговой сварке и наплавке.
Статья поступила 25.01.2002
