ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР НАПЛАВОЧНОГО ЭЛЕКТРОДА С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ СТАЛИ 110Г13Л

АННОТАЦИЯ

В статье обоснована электроды для наплавки деталей из стали 110Г13Л и различных конструкционных сталей разработаны и промышленно испытаны электроды ОЗН-7М, обладающие экологическими свойствами на уровне мировых стандартов, а также приведены анализ классификации сварочных электродов для восстановления изношенных деталей машин из стали марки 110Г13Л. Произведена сравнительная оценка широко применяющихся при наплавке деталей из стали 110Г13Л электродов ОЗН-7 и новых опытных электродов ОЗН-7М с пониженным содержанием марганцовистых составляющих в обмазке.

ABSTRACT

The article substantiates electrodes for surfacing parts made of steel 110Г13Л and various structural steels; ОЗН-7М electrodes, which have environmental properties at the level of world standards, have been developed and industrially tested, and also provides an analysis of the classification of welding electrodes for restoring worn machine parts made of steel 110Г13Л. A comparative assessment of ОЗН-7 electrodes, widely used for surfacing parts made of steel 110Г13Л, and new experimental ОЗН-7М electrodes with a reduced content of manganese components in the coating was made.

Ключевые слова: сталь 110Г13Л, восстановление, электрод ОЗН-7, износостойкость.

Keywords: steel 110Г13Л, reset, ОЗН-7 electrode, wear resistance.

Детали из высокомарганцовистой стали 110Г13Л с упрочняющей наплавкой широко применяют для изготовления рабочих органов строительных машин (бульдозеров, экскаваторов, автогрейдеров и др), работающих в условиях абразивного изнашивания и ударных нагрузок. При упрочнении деталей из марганцовистых сталей износостойкой наплавкой сохраняется их низкая ударостойкая сердцевина, а режущая кромка предохраняется от быстрого изнашивания, что повышает срок их службы в 2-4 раза. Кроме того, высокомарганцовистая сталь претерпевает фазовый наклёп в процессе эксплуатации, в результате чего существенно повышается её прочность и возрастает сопротивляемость изнашиванию ненаплавленных участков деталей машин [1].

Для восстановления деталей из стали марки 110Г13Л успешно применяют электроды ОЗН-7. Однако эти электроды содержат значительное количество ферросплавов (хрома и марганца) в покрытии электродов, что приводит к содержанию значительного количества их оксидов в аэрозоле, а санитарно-гигиенические характеристики выше предельно допустимых концентраций (ПДК) [5].

Вопросы экологии при сварке и наплавке марганцовистых сталей особенно важны, так как при расплавлении данных сталей некоторое количество оксидов марганца переходит в окружающую среду из основного металла. С целью создания электродов типа ОЗН-7 с санитарно-гигиеническими свойствами на уровне ПДК в аэрозоле изменены компоненты покрытия и за счёт их соотношения понижено содержание оксидов хрома и марганца. Наличие марганца в покрытии за счёт его низкой температуры испарения приводит к высокому содержанию его оксидов в аэрозоле.

Выбор сочетания материалов в покрытии их пропорции и количества обеспечивают наименьшие потери хрома на окисление и приводят к минимуму его содержания в парах аэрозоля, что и позволяет отказаться от использования в качестве раскислителя токсичного марганца и улучшить санитарно-гигиенические характеристики электродного покрытия.

Для улучшения санитарно-гигиенических показателей рациональна замена марганца никелем [2]. Легирование наплавленного металла никелем способствует увеличению остаточного аустенита в наплавленном сплаве, что значительно повышает пластические свойства сплава и сопротивляемость ударам высокой степени динамичности, и следовательно, стойкость при эксплуатации [3].

Материалы и методы.

Была произведена сравнительная оценка широко применяющихся электродов ОЗН-7 при наплавке деталей из стали 110Г13Л и опытных ОЗН-7М электродов с пониженным содержанием марганцовистых составляющих в обмазке, импортных немецких электродов ИТР-69, стандартных УОНИ-13/55. Для сравнения были выбраны электроды УОНИ-13/55, так как они дают нелегированный наплавленный слой и, следовательно минимальное выделение газов. Исследовали пять марок электродов различных производителей, в качестве контрольного образца использовали электроды фирмы торговой марки «СпецЭлектрод» (РФ), выпускаемые в РФ под российским брендом – ОЗН-7.

Для изготовления сварных образцов использовали сталь марки 110Г13Л, толщина стандартных образцов для механических испытания составляла 6 мм. Перед сваркой электроды прокаливали при температуре 350-400◦С в течение 1,5 часов. В качестве источника сварочного тока использовали инверторный сварочный аппарат KEMPPI MASTER MLS-3500. Постоянный сварочный ток – 100 А, полярность – обратная. Положение сварки – нижнее. Оценку сварочных свойств электродов проводили по пятибалльной системе. Химический  состав металла сварных швов, полученных с использованием различных экспериментальных электродов и электрода фирмы «СпецЭлектрод» под условными номерами представлены в таблице 1.

Выделение пыли в процессе сварки оценивали в зависимости от числа наплавленных слоев (табл.1) и толщины обмазки (табл.2).

Таблица 1

Число наплавленных слоев

Таблица 2

Толщина обмазки

Испытания проводили согласно действующим в РФ стандартам. Твердость металла сварного соединения контролировали методом Роквелла с использованием прибор для измерения твердости ТР 5014 по ГОСТ 9013-59. Ударную вязкость сварных образцов при отрицательных температурах определяли по ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре ИО 5003-0,3-1 в криокамере модели ККМ-1М. Предел текучести и предел прочности сварных соединений измеряли на универсальной испытательной машине Zwick Z250. Структуру, морфологию и элементный состав наплавленного металла изучали с использованием инвертированного микроскопа Axiovert 40 MAT, оснащенного устройством для определения химического состава металла-оптико-эмиссионного спектрометра EXQUIS T4. Интенсивность выделения пыли определяли двумя способами: количество выделенной пыли в граммах, отнесённое к количеству (в килограммах) сожженных при этом электродов количество пыли (в граммах), отнесённое к единице времени (в минутах). Как видим, выделение пыли, определённое и по отношению к массе сожжённых электродов, и по отношению ко времени, на первом слое заметно ниже, чем на последующих [4].

При наплавке легированного металла (электроды ОЗН-7, ОЗН-7М, UТР-65) интенсивность выделения пыли с увеличением числа слоёв возрастает. При использовании электродов УОНИ-13/55 (низколегированный металл) она практически не изменяется. Это, очевидно, вызвано увеличением легирования во втором и третьем слоях наплавленного металла. Коэффициент распределения легирующих элементов между газовой фазой и твёрдым металлом практически не изменяется, а содержание шлакообразующих растёт.

Таким образом установлено, что пылевыделение, кроме состава покрытия, зависит от числа слоев при наплавке. При этом общий уровень количества пыли на всех слоях у наплавочных электродов значительно выше, чем у сварочных электродов типа УОНИ-13/55, и только новые электроды ОЗН-7М по уровню пылевыделения сопоставимы с электродами УОНИ-13/55.

Исследовали влияние изменения толщины покрытия электродов опытных, ОЗН-7 и УОНИ-13/55 на количество выделяемой пыли в процессе сварки и наплавки (см. табл.2). Для изготовления опытных электродов применяли втулки стандартного диаметра (6,1мм) и меньшего (5,9 и 5,7мм).

Изменение толщины покрытия электродов также влияет на количество выделяемой пыли в процессе наплавки и сварки. Чем больше толщина покрытия, тем меньше выделение пыли в атмосферу. Это связано с тем, что при увеличении диаметра втулки для того, чтобы сохранить уровень легирования в наплавленном металле, производят перешихтовку в сторону увеличения количества компонентов шлаковой защиты. Количество компонентов шихты, ответственных за легирование сплава, не изменяется.

Анализ полученных результатов показал, что для получения наплавочных электродов на уровне ПДК в аэрозоле, рационально уменьшить содержание марганца. Компоненты в покрытии, заменив его небольшим количеством никелевого порошка для аустенизации наплавленного металла. Изменять экологические свойства не следует за счет уменьшения диаметра втулки и, соответственно, диаметра электродов, чтобы не ухудшить газошлаковую защиту. Испытания проводили с разной энергией единичного удара (табл.3). Как видно из полученных данных, износостойкость наплавки новыми электродами ОЗН-7М немного выше, чем электродами ОЗН-7. Очевидно, это вызвано большей стойкостью никелевого аустенита по сравнению с мартенситным. Если сравнить эти две марки электродов по износостойкости с известными электродами Т-590, то их стойкость выше в 2,5-3,5 раза при работе в условиях абразивно-ударного изнашивания. Таким образом, разработаны и серийно изготовляются электроды высокой износостойкости ОЗН-7М, по экологии на уровне ПДК в аэрозоле.

Электроды ОЗН-7 и ОЗН-7М успешно применяют для упрочнения и восстановления наконечников рыхлителей импортных экскаваторов, буровых шнеков и долот, ковшей экскаваторов, черпаков драг, деталей изготовленных из стали 110Г13Л. Твердость во втором слое 50÷55 HRC, износостойкость при разработке мёрзлых грунтов 4 и 5 категории выше в 2,5÷4 раза по сравнению со сталью 110Г13Л и в 2,5 раза по сравнению с известными электродами Т-590 при абразивно-ударном изнашивании.

Типичная твердость наплавленного металла ОЗН-7

Таблица 3

Значения

Итак, оптимальным вариантом являются новые электроды ОЗН-7М диаметром 5мм. По цене они на уровне промышленных электродов ОЗН-7 и не уступают им по технологическим свойствам. Микроструктура наплавленного металла, состоящая из боридно-карбидной эвтектики и аустенитной матрицы, обеспечивает высокие прочностные характеристики и по ПДК в аэрозоле соответствует санитарно-гигиеническим требованиям. Электроды ОЗН-7М перспективны для широкого применения во многих областях промышленности.

Выводы:

1. Для наплавки деталей из стали 110Г13Л и различных конструкционных сталей разработаны и промышленные испытания на технологической базе ДП Андижанский механический завод УП "O'ZTEMIRYO'LMASHTA'MIR" (г. Андижан) сварочно-технологических свойств, сваренных образцов экспериментальными электродами и электродами, которые массово применяются в машиностроении показали, что электроды ОЗН-7М, обладающие экологическими свойствами на уровне мировых стандартов.

2. Высокие экологические свойства обеспечиваются уменьшением содержанием оксидов Cr и Mn в аэрозоле благодаря оптимальному количественному и качественному соотношению компонентов в составе покрытия.

3. Состав покрытия предлагаемых электродов выбран с учетом толщины обмазки электродов.

4. Металл наплавленный предлагаемыми электродами, обладает высокой стойкостью в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Их успешно применяют для упрочнения рабочих органов строительных машин.

Список литературы:

1. Лившиц, Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. Маш. 1989. -336с.
2. Соколов Г.Н. Трошков А.С. и др.Влияние нанодисперсных карбидов WC и никеля на структуру и свойства наплавленного металла. Сварка. Диагностика  2011, №3, с 36-38.
3. С.О. Гордон, А.Н. Смирнов, В.Л. Князков. “Состав электродного покрытия для износостойкой наплавки”. Сварочное производство. 1996, №5, с 30-32.
4. Рецептура электродов для электродуговой сварки и наплавки. Основные паспортные данные. Киев ИЭС им. Е.О.Патона 1996.
5. https://cyberleninka.ru/article/n/obrabotka-stali-110g13l-bariy-strontsievymi-karbonatami/viewer
6. Лившиц Л. С. Металловедение и термическая обработка сварных соединений / Л. С. Лившиц, А. Н. Хакимов –М. : Машиностроение. – 1989. – 336 с.