наплавка 110Г13


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
№ 4, 2012

-

ПРОБЛЕМИ ТЕХНІКИ
-



УДК 627. 791

К 63


ПРОБЛЕМЫ СВАРКИ ВЫСОКОМАРГАНЦОВИСТЫХ

АУСТ
ЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

И ТЕХНОЛОГИЯ ЗАВАРКИ ДЕФЕКТОВ ЛИТЬЯ


В.В
. Квасницкий
1
,
В.Ф. Квасницкий
2
,
П.Л. Петренко
3


Рассмотрены проблемы испарения
Mn

и образования тр
е-
щин в сварных соединениях и разработанная технология з
а-
варки дефе
к
тов отливок из стали 110Г13Л.

Ключ
евые слова:

дуговая сварка, испарение, трещины, д
е-
фе
к
ты отливок, технология заварки.


Постановка проблемы.

Высоколегированные аустенитные стали
широко используються в машиностроении, энергетике, транспорте, хим
и-
ческой, нефтехимической и других отраслях про
мышленности для изгото
в-
ления сварных конструкций, работающих в тяжелых условиях совместного
воздействия знакопеременных нагрузок и агрессивных сред или высоких
температур, ударного нагружения, интенсивного износа и т.д.

[1]. Объемы
их использования в мире
ежегодно растут. Для снижения стоимости этих
сталей никель заменяют марганцем, например, в сталях 110Г13Л,
03Х13АГ19, 10Х13Г18Д, 10Х14АГ15 и др.

Анализ последних работ
[2,3] показывает, что проблемы сварки
этих сталей изучены недостаточно. Известная с 1892

г. высокомарганцов
и-
стая аустенитная сталь Гадфильда обычно используется в виде отливок д
е-
талей, работающих на износ в условиях трения, удара, высоких давлений, в
частности крестовин и сердечников стрелочных переводов железнодоро
ж-
ных магистралей и трамвайн
ых путей, щек дробилок, траков гусенечных
машин, коронок землеройных машин и других изделий. Особенностью в
ы-
сокомарганцовистых сталей является интенсивое упрочнение при пласт
и-
ческом деформировании, что делает их твердыми и износостойкими, а

также основным

конструкционным материалом при изготовлении
перечисленных выше деталей. Упрочнение сталей обусловлено наклепом и
выделением так называемого деформационного мартенсита.

Изготавливаемая в настоящее время по ГОСТ 7370
-
98 сталь
110Г13Л имеет следующий химичес
кий состав (%, мас
.)
: (1,0…1,2) С;




1

©

Квасницкий В.
В
., д.т.н
.
, проф., Национальный университет кораблестроения
.

2

©

Квасницкий В.Ф., д.т.н
.
, проф., Национальный университет кораблестроения

3

©

Петренко П.Л., инж., ООО
Сервисный центр
„М
еталлург

.


-

ПРОБЛЕМИ ТЕХНІКИ
-

№ 4, 2012


(11,5...16,5
) Mn; (0,3…0,9) Si; до 0,09 Р, до 0, 02 S. В зависимости от и
с-
пользуемой шихты и технологии выплавки изменяются механические
свойства стали. В соответствии с этим ГОСТ 7370
-
98 выделяет 3 группы
качества отливо
к. В процессе изготовления деталей возникает ряд дефе
к-
тов, что существенно влияет на выход годного литья и стоимость деталей.
Во многих случаях эффективность литейной технологии производства д
е-
талей можно повысить путем заварки дефектов. Поэтому решение пр
облем
сварки при исправлении дефектов литья так же
актуально
, как и при сва
р-
ке листов стали 10Х13Г18Д в конструкциях изделий и аппаратов прод
о-
вольственного и торгового машиностроения, бытовой техники, вагон
о-
строения, теплообменников и так далее [2,4].

Цель

данной работы


исследование проблем сварки высокома
р-
ганцовистых аустенитных сталей и разработка

технологии исправления
дефектов литья из стали 110Г13Л.

Изложение основного материала.

Общей особенностью сталей
110Г13Л, 10Х13Г18Д, 10Х14АГ15, 03Х13АГ19 явля
ется обеспечение их
аустенитной структуры за счет марганца. Поскольку марганец, как ауст
е-
низатор, в два раза слабее никеля, то его вводят соответственно больше (13


19 %). Известно [4]
,

что марганец является летучим элементом и чем в
ы-
ше концентрация, тем
больше его упругость пара и потери за счет испар
е-
ния. Поэтому первой проблемой сварки высокомарганцовистых сталей я
в-
ляется обеспечение необходимой концентрации марганца в шве, а также
требуемых санитарно
-
гигиенических условий работы сварщика. Расчет
ожидае
мого состава расплавленного металла стали 110Г13Л в условиях
электродуговой сварки в аргоне (при открытой поверхности сварочной
ванны) проводили согласно работ [5,

6]. Давление насыщенного пара эл
е-
ментов над раствором определяли с учетом коэффициентов их а
ктивности
в растворе железа. Так как в процессе испарения концентрация элементов в
сварочной ванне изменяется, то скорость испарения элементов за время
пребывания сварочной ванны в жидком состоянии также изменяется. П
о-
этому ее определяли методом численного

интегрирования уравнения Лэ
н-
гмюра. Для этого время пребывания металла в жидком состоянии разбив
а-
ли на малые промежутки времени, в которых изменение концентрации
элементов было незначительным. Рассчитав суммарные потери каждого
элемента при заданной площад
и и времени испарения, определяли конце
н-
трации элементов в закристаллизовавшемся металле. Поскольку дефекты
литья имеют различную площадь, то величину поверхности и время исп
а-
рения изменяли, приняв их максимальные значения соответственно 2,9 см
2

и 6 с.

Рас
четы показали, что наибольшее давление насыщенного пара над
расплавом стали 110Г13Л в интервале температур от 1540 до 2500 °С имеет
марганец, затем идут железо, кремний и намного меньшее


углерод. Ск
о-
№ 4, 2012

-

ПРОБЛЕМИ ТЕХНІКИ
-



рость испарения марганца выше чем железа в интервале 15
40…2250 °С,
при 2250° за счет уменьшения в расплаве концентрации марганца его ск
о-
рость испарения становится одинаковой со скоростью испарения железа.
Скорость испарения кремния и углерода во всем интервале температур
очень низкая по сравнению с марганцем и

железом. Следует отметить, что
концентрация марганца в парах близка к 99 % при температуре плавления
железа и медленно снижается до 94 % при 2250 °С. Расчетами и экспер
и-
ментально установлено, что в расплаве концентрация марганца резко пад
а-
ет в течение нес
кольких секунд как в головой, так и в хвостовой частях
ванны. Снижение концентрации тем больше, чем больше поверхность и
с-
парения и температура, а также меньше глубина сварочной ванны. Сварка
электродами показала, что слой шлака препятствует испарению марга
нца.
Например, при сварке стали 110Г13Л электродами НИИ
-
48Г содержание
марганца по площади шва находится в пределах (9,25…9,82) %.

Таким образом, по результатам исследований процессов испарения
видно, что электродуговая сварка в защитных газах при исправл
ении д
е-
фектов литья из стали 110Г13Л приводит к интенсивному испарению ма
р-
ганца, что ухудшает условия работы сварщика и существенно изменяет с
о-
став металла шва. С другой стороны этот способ исправления дефектов л
и-
тья обеспечивает хорошую видимость зоны сва
рки и формирования шва.
Кроме того, механизированная сварка плавящимся электродом имеет более
высокую производительность по сравнению со сваркой штучными эле
к-
тродами. Поэтому механизированная сварка представляется перспекти
в-
ной, но с использованием порошко
вых проволок, обеспечивающих шлак
о-
вое покрытие сварочной ванны, которое предотвращает испарение марга
н-
ца. Учитывая положительное влияние повышенной концентрации углерода
при сварке всех аустенитных сталей оболочка проволоки может содержать
(0,5…0,6) % угле
рода. Вероятно, предпочтительнее порошковые проволоки
рутил


органического типа.

В связи с отсутствием таких проволок для заварки дефектов литья
исследовали электроды НИИ
-
48Г с электродным стержнем 10Х20Н9Г6С,
03Л
-
6 со стержнем 10Х25Н13Г2 и 03Н
-
6 со стерж
нем 90Х4Г2С3Р.

По результатам предварительных исследований выбраны электроды
НИИ
-
48Г, обеспечивающие химический состав аустенитного металла н
а-
плавки более близкий к основному металлу по марганцу (8,5 %), а также
14,7 %
Cr

и 7,53 %

Ni

с твердостью НВ = 3200

МПа. Структура металла
шва показана на рис. 1.

Согласно диаграмме Шеффлера сталь 110Г13Л имеет однофазную
аустенитную структуру. Оновным металлургическим дефектом сварных
соединений стали являются горячие трещины, предотвращение которых


главная проблема

сварки и наплавки
[
7
]
. Горячие трещины образуются в
зоне термического влияния (рис. 2,
а
) и переходят в сварной шов (рис. 2,
б
).


-

ПРОБЛЕМИ ТЕХНІКИ
-

№ 4, 2012




Рис. 1
.
Структура металла, наплавленн
о
го электродами НИИ
-
48Г;

х 60




а

б


Рис. 2


Горячие трещины в зоне термического

влияния (
а
, х500), а также переходящие
в металл шва (
б
, х250)
;
при печати уменьшено в
1,5

раза

Околошовные горячие трещины образуются на расстоянии одного
-
нескольких зерен от шва. Из рис. 2 видно, что трещины образуются по
подплавленным границам зерен. М
еханизм образования и средства предо
т-
вращения горячих трещин в чисто аустенитных сталях с пояснением роли
каждого из легирующих элементов рассмотрен в работе [7], в которой
№ 4, 2012

-

ПРОБЛЕМИ ТЕХНІКИ
-



предложены чисто сварочные средства, связанные с химическим составом
и пластичность
ю металла шва в температурном интервале хрупкости и
темпом нарастания в этом интервале растягивающих напряжений, а также
металлургические, связанные с чистотой основного металла по легкопла
в-
ким соединениям, газам, качеством металла по структуре, влиянием р
азн
о-
зернистости и сегрегаций.

В отличие от хромоникелевых стабильноаустенитных сталей, при
сварке аустенитных высокомарганцовистых сталей существует опасность
образования холодных трещин, обусловленная деформационным марте
н-
ситом.

Предложенные в работе [7]
средства использованы в данной работе,
начиная с подготовки шихты и обеспечения высокой степени дефосфор
а-
ции при выплавке. Это позволило получать к концу окислительного пери
о-
да металл с низким содержанием фосфора. Принимаются меры по сниж
е-
нию в металле кон
центраций азота и водорода, не допускается применение
в производстве пористых чугунов и ферросплавов и т.д. Регламентирова
н-
ный режим раскисления металла в ковше алюминием позв
о
ляет повысить
механические свойства металла на 8..10 %.

При исправлении дефектов

литья использовали также чисто сваро
ч-
ные средства предотвращения горячих трещин, которые включены в техн
о-
логию и позволили получить качественные соединения с применением
электродов НИИ
-
48Г. Их микроструктура показана на рис. 3.

При разработке технологии и
справления дефектов литья предвар
и-
тельно была проведена классификация дефектов. К разновидностям дефе
к-
тов отливок отнесены несоответствие по геометрии, дефекты поверхности,
несплошности в теле отливки, включения, несоответствия структуры. Сл
е-
дует отметить,

что на ряд ответственных отливок общего машиностроения
существуют специальные стандарты, устанавливающие допустимые нормы
по дефектности отливок. Анализ дефектов литья из стали 110Г13Л показал,
что наиболее распространенными являются раковины и трещины, р
еже
встречаются недоливы.

Технология исправления дефектов литья включает подготовку изд
е-
лий, начиная с выбивки отливок из опок, затем предварительная очистка от
формовочной смеси, стержней и стержневых каркасов, термическая обр
а-
ботка, удаление литников, пр
ибылей, заливов и контроль качества отливки
.



-

ПРОБЛЕМИ ТЕХНІКИ
-

№ 4, 2012




Рис. 3
.

Микроструктура металла в зоне сплавления стали 110Г13Л со швом при сварке
электродами НИИ
-
48Г
; х500


.

При термообработке отливки делятся на 3 группы: первая группа


отливки с толщиной стенки до 50
мм простой конфигурации, вторая группа


отливки с толщиной стенки до 50 мм сложной конфигурации и с толщ
и-
ной стенки до 100 мм простой конфигурации, третья группа


отливки
толщиной стенки более 100 мм, сложной конфигурации, с резкими перех
о-
дами сечений.

З
агрузка в печь отливок первой группы производится при темпер
а-
туре не выше 400 °С, а второй и третьей


не выше 300 °С с последующей
выдержкой при температуре загрузки 2 часа. Затем отливки нагреваются до
700°С с выдержкой 3 часа отливок первой и второй гру
пп и 4 часа отливок
третьей группы. Затем отливки нагреваются до 1050…1100 °С с выдержкой
3

часа отливок первой группы и 5 часов отливок второй и третьей групп.
После этого проводится закалка в холодной проточной воде до полного о
х-
лаждения. Продолжительнос
ть подачи отливок из печи в закалочный бак не
должна превышать 3 минуты во избежание подстуживания металла.


№ 4, 2012

-

ПРОБЛЕМИ ТЕХНІКИ
-



Режим термической обработки должен жестко контролироваться,
так как благоприятную аустенитную структуру, высокую пластичность и
ударную вязкость ст
аль имеет после резкой закалки в воде от температуры
1050…1100°С.

Удаление прибылей и литников, подготовка и заварка дефектов
о
т-
ливок
производятся только после термической обработки. Дефектные ме
с-
та разделывают до полного удаления и обеспечения провара. Уг
ол скоса
кромок при разделке дефектов не должен быть менее 15° на сторону, без
углов и заусенцев. Металл отливки вокруг разделанного дефекта очищают
от пригара, ржавчины и жировых загрязнений на ширину не менее 20мм.

Способ разделки дефектов выбирают в зав
исимости от места расп
о-
ложения и характера дефекта. При использовании тепловых методов п
о-
верхность обработки зачищают с помощью абразивного инструмента. Ко
н-
цы трещины рассверливают на всю глубину сверлом диаметром 5…8 мм, а
затем разделывают трещину по дли
не, превышающей длину трещины на
30…40 мм с обоих концов.

Сталь 110Г13Л очень чувствительна к температуре нагрева и скор
о-
сти охлаждения. При нагреве до 300…400°С она значительно теряет пл
а-
стичность. При нагреве до 650 °С и выше, а также при замедленном охл
а
ж-
дении от высоких температур по границам аустенитных зерен выделяются
железомарганцевые карбиды, а обедненный углеродом аустенит частично
переходит в мартенсит, что приводит к еще большей потере металлом вя
з-
кости и пластичности. Поэтому наплавку следует п
роизводить при малой
погонной энергии. Поперечное сечение валиков наплавки не должно пр
е-
вышать 0,25 см
2
. Наплавку проводят с перерывами для охлаждения стали.
Лучше при наплавке деталь погружать в проточную водяную ванну, оста
в-
ляя на поверхности только напл
авляемую часть детали. Наилучшие резул
ь-
таты дают последующий нагрев и закалка детали в воде от температуры
1000…1050 °С.

Количество слоев наплавки определяется глубиной дефекта. При
многослойной наплавке проводят проковку в горячем состоянии каждого
валика
, кроме последнего. Наплавка раковин глубиной до 5 мм произв
о-
диться в один слой при ширине валика не более 10 мм. Во избежание пер
е-
грева наплавку выполняют с разбивкой поверхности раковины на участки.
Наплавку раковин глубиной свыше 5 мм производят в два с
лоя, свыше

10 мм


в два этапа: первый этап


наплавка ванным способом подслоя, в
ы-
сота которого зависит от глубины дефекта; второй этап


износостойкая
наплавка в два слоя, причем второй слой выполняется перпендикулярно
предыдущему. Для заварки
дефектов применяются только электроды

НИИ
-
48Г.


-

ПРОБЛЕМИ ТЕХНІКИ
-

№ 4, 2012


Наплавка недоливов, торцов отливки, деталей сложной формы во
избежание стекания наплавленного металла необходима соответствующая
формовка.

Разработанная технология исправления дефектов поз
воляет сущес
т-
венно повысить эффективность литейного производства.


Выводы


1.

Проблемы сварки высокомарганцовистых аустенитных сталей
связаны с высокой летучестью марганца и о
б
разованием трещин
в сварном соединении. Ра
з
работка технологии заварки дефектов
лить
я с применением электродов НИИ
-
48Г позволила решить
указанные проблемы.

2.

Одним из путей совершенствования техн
о
логии и повышения
производительности сварки является создание порошковых пр
о-
волок, например, рутил
-
органического типа, с оболочкой, с
о-
держащей 0,5
...0,6 % угл
е
рода.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.

Лебедев В.К., Кучук
-
Яценко С.И., Квасницкий В.Ф. и др. Маш
и-
ностроение. Энциклопедия. Т. ІІI
-
IV. Технология сварки, пайки и резки /
Под ред. Б.Е. Пат
о
на.


М.: Машиностроение, 2006.


768 с.

2.

Гедрович

А.И., Ткаченко А.Н., Ткаченко С.А. и др. Особенности
формирования структуры и свойств зоны сплавления стали 10Х13Г18Д //
Автоматическая сварка.


2007.


№ 4.


С. 23


27.

3.

Гедрович А.И., Ткаченко С.А., Каленская А.В. Выбор проволоки
для дуговой механ
изированной сварки однородных и разнородных соед
и-
нений стали 10Х13Г18Д // Автоматическая сварка.


2008


№ 1.


С. 37


39.

4.

Гедрович А.И., Гальцов И.А., Житков А.Б., Ткаченко А.Н. Сварка
аустенитной стали 10Х13Г18ДУ при изготовлении ди
зель
-

и электропое
з-
дов на ХК „Лугансктепловоз” // Сварщик.


2002.


№ 6.


С. 10


11.

5.

Кох Б.А. Основы термодинамики металлургических процессов
сварки.


Л.: Судостроение, 1975.


240 с.

6.

Квасницкий В.Ф., Дорошенко М.Н., Костин А.М. Расчеты на ЭВМ
ф
изико
-
металлургических процессов сварки.


Никол
а
ев: НКИ, 1991.


44 с.

7. Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов.


М.: Машиностроение, 1968.


430 с.


Рукопись поступила в редакцию
19
.
10
.20
12

г
.



Приложенные файлы

  • pdf 9508659
    Размер файла: 836 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий