Підвищення зносостійкості деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлення самозахисним порошковим дротом

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 "Матеріалознавство" (13 – Механічна інженерія). – Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ; Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Об’єктом дослідження є процес зміцнення та відновлення деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлення самозахисним порошковим дротом з екзотермічною добавкою. Предметом дослідження є зміцнюючий сплав та зварювально технологічні властивості самозахисного порошкового дроту з екзотермічною добавкою у складі наповнювача, що забезпечує підвищення експлуатаційної стійкості наплавленого металу до абразивного та корозійного зношування. Велика кількість деталей машин переробки твердих корисних копалин працює в умовах абразивного та гідроабразивного зношування, що призводить до втрати їх експлуатаційних характеристик. Найбільш розповсюдженою технологією відновлення таких деталей є електродугове наплавлення. На теперішній час підвищуються вимоги до наплавлених деталей, що експлуатуються в зазначених умовах. В зв’язку з цим виникає необхідність вдосконалення електродних матеріалів для наплавлення, що забезпечує підвищення надійності роботи і ресурс обладнання для переробки твердих корисних копалин. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми, а саме розробці зносостійкого сплаву для зміцнення та відновлення робочих поверхонь деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлювання самозахисного порошкового дроту (СПД) з екзотермічною добавкою CuO – Al у складі наповнювача, що працюють в умовах абразивного та корозійного зношування. В літературних джерелах відсутні дані або недостатньо досліджено вплив екзотермічної добавки CuO – Al, що входить до складу наповнювача порошкового дроту та характер легування наплавленого металу міддю, на вміст та морфологію неметалевих включень, розмір зерна, механічні властивості, фазовий склад, мікроструктуру та трибологічні властивості зміцнюючого шару системи легування Fe C Cr B Ti. Це може стати суттєвим резервом для підвищення терміну експлуатації деталей, що піддаються зношуванню. У першому розділі виконаний аналітичний огляд стану питання й обґрунтовано вибір напряму досліджень. Проведений аналіз сучасного погляду на вимоги, стосовно показників, які характеризують наплавлений метал. Наведено огляд сучасної літератури відносно систем легування металу, що застосовуються для умов експлуатації при абразивному, гідроабразивному та корозійному зношуванні. Використання сталі 110Г13Л пояснюється зміцненням аустеніту при пластичній деформації в процесі роботи. При абразивному зношувані, коли частки металу зрізуються з поверхні, ця сталь поводиться незадовільно, а зносостійкість визначається відношенням твердості зносостійкого сплаву до твердості абразиву та опором мікрорізанню. Для захисту від абразивного зношування доцільно використовувати сплави з високим вмістом зміцнюючих фаз (карбідів, боридів, карбоборидів тощо). Зносостійкість матеріалів для наплавлення суттєво залежить від типу і кількості зміцнюючої фази в сплавах, розміру зерна, фазового складу, мікроструктури вмісту та морфології неметалевих включень. Обґрунтовано, що подальше підвищення зварювально-технологічних властивостей СПД та трибологічних властивостей наплавленого металу можливе за рахунок екзотермічної добавки CuO – Al, яка входить до композиції наповнювача СПД. Другий розділ «Вибір напрямків, методик та обладнання досліджень» присвячено вивченню штатних і оригінальних методик випробувань, що гарантували б достовірність отриманих результатів, та забезпечували відтворюваність отриманих результатів іншими дослідниками. Запропоновані нові методики досліджень, що дозволяють оцінити тепловий вклад екзотермічних добавок ев плавлення СПД та визначити температуру протікання можливої екзотермічної реакції у наповнювачі СПД. Третій розділ "Головні напрямки оптимізації складу самозахисного порошкового дроту" присвячений термодинамічним дослідженням оцінки протікання реакцій у композиції наповнювача порошкового дроту та термодинамічним розрахункам складу фаз за допомогою програмного продукту Thermo. Визначено композицію наповнювача СПД та вміст її легуючих компонентів. Встановлено, що частку екзотермічної добавки СuO Al у складі наповнювача СПД необхідно відповідно обмежувати через її значний вплив на зварювально технологічні характеристики дроту. Вперше проведені комплексні дослідження впливу окремих параметрів режимів наплавлення (швидкість подачі дроту, виліт дроту та напруга на дузі) та кількості екзотермічної добавки (CuO – Al) в осерді наповнювача СПД на показники плавлення, геометрію наплавленого валика, зварювальний струм та ефективну теплову потужність. На підставі аналізу з використанням методики Тагучи та дисперсійного аналізу (ANOVA) обрані оптимальні значення параметрів наплавлення та обґрунтовані межі додавання екзотермічної добавки CuO Al. Четвертий розділ "Дослідження впливу екзотермічної добавки на тепловий стан вилиту самозахисного порошкового дроту" присвячений дослідженню впливу композиції наповнювача СПД на показники плавлення та коефіцієнти засвоєння легуючих елементів. Досліджено вплив композиції наповнювача, а саме кількості екзотермічної добавки (ЕД) до складу наповнювача, співвідношення компонентів СuO/Al та CuO/C на показники плавлення (продуктивність наплавлення, коефіцієнт продуктивності наплавлення, коефіцієнт загальних втрат, коефіцієнт втрат на розбризкування та інше), коефіцієнту відновлення легуючого елементу та коефіцієнт засвоєння легуючих елементів. Експериментально та розрахунками підтверджено легування наплавленого металу міддю, за рахунок протікання екзотермічної реакції шляхом відновлення її з оксиду. На підставі отриманих експериментальних даних побудовані математичні залежності впливу зазначених чинників та обрані їх оптимальні значення, що склали: ЕД = 33..39%, СuO/Al = 3,75…4, СuO/C = 5…5,25. П’ятий розділ «Дослідження механічних та трибологічних властивостей вдосконаленого самозахисного порошкового дроту» присвячений дослідженню і порівнянню порошкового дроту марки СПД 200Х15С1ГРТ, що застосовується при відновленні деталей машин для переробки твердих корисних копалин, з експериментальним порошковим дротом з екзотермічною добавкою СuO – Al в складі наповнювача. Проведені експериментальні дослідження показали, що введення екзотермічної добавки CuО Al до складу наповнювача порошкового дроту знижує розмір зерна наплавленого металу та позитивно впливає на розмір і морфологіє неметалевих включень в наплавленому металі. За рахунок відновлення міді при протіканні екзотермічної реакції відбувається легування наплавленого металу, що чинить позитивний вплив на структуру та механічні властивості. Крім того, легування міддю підвищує опірність до утворення тріщин у верхніх шарах наплавленого металу при багатошаровому наплавлені. Порівняльні трибологічні випробування засвідчили підвищення стійкості до абразивного зношування закріпленим та незакріпленим абразивом у 1,52 та 1,63 разів відповідно, що підтверджується проведеними промисловими випробуваннями в умовах філії "Вільногірський гірничо-металургійний комбінат" (м. Вільногірськ). Зафіксовано підвищення стійкості зубів ковша видубовної машини в 1,5…2 рази. У дисертації наведено нові науково обґрунтовані розробки в області технології, матеріалів для відновного наплавлення зубів крокуючих та кар’єрних екскаваторів, які забезпечують підвищену стійкість до абразивного зношування та якість наплавленого металу, підвищення продуктивності відновлення та економію матеріальних ресурсів за рахунок ведення екзотермічної добавки до складу наповнювача СПД, спрямованих на вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення надійності роботи і терміну експлуатації деталей для переробки твердих корисних копалин.The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of philosophy on a specialty 132 "Materials science" (13 - Mechanical engineering). - DSEA of Ukraine, Kramatorsk, 2021. The object of the study is the process of hardening and renovation of parts of solid mineral processing machines by hardfacing with self-shielded flux-cored wire with an exothermic addition. The subject of the study is the hardfacing alloy and hardfacing technological properties of self-shielded flux-cored wire with an exothermic addition in the core filler, which increase the operational resistance of the deposited metal to abrasive and corrosion wear. A large number of machine parts operate in conditions of abrasive and abrasive corrosive wear, leading to the loss of their performance characteristics. Hardfacing is the most widely-used technology for such parts renovation. At present, the requirements to welded parts operating in these conditions are increasing. Therefore, there is a need in the electrode materials improvement for hardfacing. The dissertation aim is to solve the actual scientific and technical problem, as follows: development of the self-shielded flux-cored wire electrode (FCAW-S) with an exothermic addition CuO – Al in the core filler for hardening and renovation of working surfaces of machines parts for processing of solid minerals working in the conditions of abrasive and corrosive wear. There is a lack of data and studies in literature sources concerning CuO – Al exothermic addition influence to the core filler and alloying of deposited metal by copper, content and morphology of non-metallic inclusions, grain size, mechanical properties, phase composition, microstructure and tribological properties of reinforcing layer of alloy system Fe C Cr B Ti. This is expected to be a significant margin to increase the service life of the parts subject to wear. The first section represented an analytical review of the issue and grounding of the research line choice. Modern view at the requirements to be met were analized, as well as the deposited metal characteristics. A review of modern literature on metal alloying systems used in abrasive and abrasive-corrosive wear operating conditions is presented. The reason of 110Г13Л steel implementation is the austenite strengthening during plastic deformation at work. During an abrasive wear, when metal particles are separated from the surface, this steel behaves unsatisfactorily. It happens because the wear resistance is characterized by the hardness and resistance to tearing-off. It makes sense to use alloys with a high content of hardening phase (carbides, borides, carboborides, etc.) for protection against abrasive wear. The wear resistance of materials used for hardfacing significantly depends on the type and amount of hardening phase in the alloys, grain size, phase composition, microstructure content and non-metallic inclusions morphology. It is substantiated that further improvement of welding and technological properties of FCAW S and tribological properties of deposited metal is possible due to exothermic addition CuO Al, which is included in the composition of the core filler of flux-cored wire electrode. The second section "Choice of lines, methods and equipment of the researches" described the study of standard and original test methods which canprovide avalidity of the received results and reproducibility of the results by other researchers. New research methods are proposed to estimate the of exothermic addition introduction in to the core filler during melting of self-shielded flux-cored wire electrode and to determine the temperature of a possible exothermic reaction in the core filler. The third section "Main directions of the self-shielded flux-cored wire composition optimization" described the thermodynamic studies of evaluation of reactions behaviour in the flux-cored wire core filler, and thermodynamic calculations of phase composition using the software Thermo. The flux-cored wire filler composition and the alloying components content are determined. It was concluded that the proportion of exothermic addition CuO Al in the filler core for the self-shielded flux-cored wire electrode should be limited due to its significant influence to the welding and technological characteristics of hardfacing process. For the first time, multi-method researches of influence of some hardfacing mode parameters (wire feed speed, contact tip to work distance and arc voltage) and the amount of exothermic addition (CuO - Al) in the core filler during FCAW S on melting parameters, geometry of the weld bead, weld flow and heat input were conducted. Based on the analysis using Taguchi method and variance analysis (ANOVA), the optimal values of the hardfacing parameters were selected. The limits for exothermic addition CuO – Al addition were grounded. The fourth section "Investigation of exothermic addition influence on the thermal state of self shielded flux-cored wire electrode" presented the study of the influence of the self shielded flux-cored wire filler composition (FCAW S) on melting indicators and recovery rate of alloying element. An influence of the core filler composition, namely the amount of exothermic addition to the composition of the core filler, the ratio of CuO / Al and CuO / C components on the melting indicators (deposition rate, deposition rate factor, total loss factor, spattering factor, etc.), alloy recovery efficiency and alloy transfer efficiency of alloying elements was investigated. An alloying of deposited metal by copper was confirmed experimentally and based on calculations, due to the exothermic reaction by reduction it from the oxide. Mathematical relationships of specified factors influence were built and their optimal values were chosenbased on the received experimental data, as follows: ЕД = 33..39%, CuO / Al = 3,75…4, CuO/C = 5…5,25. The fifth section "Investigation of mechanical and tribological properties of advanced self shielded flux-cored wire electrode" presented the study and comparison of FCAW S 200Cr15Si1MnBTi used during revamping of machine parts for processing of solid minerals with experimental flux-cored wire electrode with the introduction of exothermic addition CuO - Al in the core filler. Experimental studies have shown the following: the introduction of exothermic addition CuO Al to the core filler reduced the grain size of deposited metal and had a positive effect on the size and morphology of non-metallic inclusions in the deposited metal. Due to the reduction of copper during the exothermic reaction, the deposited metal was subject to alloying. It had a positive effect on the structure and mechanical properties. In addition, copper alloying improves the resistance to cracking in the upper layers of the deposited metal during multilayer hardfacing. Comparative tribological tests showed an increase in resistance to abrasive wear by two-body and three-body abrasive wear test in 1.52 and 1.63 times correspondingly. The obtained results of tribological tests are confirmed by the conducted industrial tests in the conditions of the Branch "Vilnohirsk Mining and Metallurgical Plant" (Vilnohirsk). The teeth strength increasing is 1.5… 2 times. The dissertation presented new scientifically grounded developments in the field of technology, materials and restorative hardfacing of teeth of walking and mine draglines, providing increased resistance to abrasive wear and improvement of deposited metal quality, hardfacing efficiency increasing and material resources saving due to the introduction of exothermic additions in the core filler at FCAW S, aimed at important scientific and technical problem solving - an increasing of the service life of the parts for solid minerals processing.