Дуговая наплавка стали

метки: Металл, Наплавка, Сварка, Материал, Температура, Элемент, Дуговой, Плоский

Одной из важных отраслей современной сварочной техники является наплавка — нанесение расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный металл связан с основным металлом весьма прочно и образует одно целое с изделием.

Толщина слоя от 0,5 до 10 мм и более. Это один из наиболее распространенных способов повышения износостойкости и восстановления деталей и конструкций. Путем наплавки на рабочей поверхности изделия получаем сплав, обладающий комплексом свойств — износостойкостью, кислотоупорностью, жаростойкостью и т.д. Масса наплавленного металла не превышает нескольких процентов от массы изделия. При ремонте восстанавливаются первоначальные размеры и свойства поверхности деталей.

Процессы наплавки применяются при ремонте и восстановлении первоначальных размеров и свойств изделий, изготовлении новых изделий с целью обеспечения надлежащих свойств конкретных поверхностей. При восстановлении наплавку обычно выполняют тем же металлом, из которого изготовлено изделие, однако это не всегда целесообразно.

Специальные свойства наплавленного металла достигаются за счет легирования, то есть, за счет введения в его состав соответствующих элементов в необходимом количестве. Наиболее распространенным является легирование наплавленного металла за счет введения в зону дуги металлов, сплавов и неметалловидных соединений в виде различных карбидов и интерметаллов.

При дуговой наплавке применение в качестве плавящегося электрода ленты, весьма целесообразно. Меньшее число слоев позволяет получить желаемый состав, ослабляется влияние режима наплавки на относительную массу переплавляемого шлака, достигается более ровная наплавленная поверхность. В качестве наплавочных применяют обычно холоднокатаные ленты толщиной 0,4.10 мм и шириной 20 .100 мм, а также ленты, получаемые прокаткой залитого в охлаждаемые валки жидкого металла (например, чугуна) и спрессованные холодной прокаткой из порошков и дополнительно спеченные — металлокерамические

В данной работе рассматривается дуговая наплавка стали 30 порошковой лентой ПЛ — АН 111.

1. Общая характеристика наплавляемых и наплавленных материалов

1.1 Химический состав и свойства наплавляемого металла

Сталь 30 — конструкционная, углеродистая, качественная, в основном используется в машиностроении при изготовлении сильно нагруженных деталей машин — эта марка обладает высокой износостойкостью и еще более устойчива к коррозии. В некоторых случаях в ней повышают содержание марганца, тогда в обозначении марки появляется буква Г, например 65Г. Эта сталь высокоуглеродистая ее применяют для изготовления высокопрочных деталей: рессоры, пружины, направляющие.

Разработка технологии восстановления эксплуатационных свойств ...

... технологического процесса; незначительную чувствительность к ржавчине и другим загрязнителям основного металла. Целью дипломной работы задачи дипломной работы: Анализ современных технологий восстановления эксплуатационных свойств детали с применением автоматической наплавки ... станин, зубья ковшей землеройных орудий, желоба валков канатно-подъемных устройств и др.). Условия работы могут усложняться ...

Свойства стали 30:

• высокая прочность, вязкость и пластичность;
• отличная обрабатываемость резанием, давлением;
• высокие показатели свариваемости;
• отсутствие снижения содержания углерода при термической обработке ;

• минимальная склонность к деформации и растрескиванию;
• максимальная износостойкость.

Таблица 1.1 — Химический состав стали 30, в % [1]

Элемент	Si	Мn	Cu	As	Ni	S	С	Р	Cr
Содержание %	0.17-0.37	0.5-0.8	До 0.25	До 0.8	До 0.25	До 0,04	0,27 — 0,35	До 0,035	До 0.25

Таблица 1.2 — Физические свойства стали 30 , [1]

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	200	196	191	185			164
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	78	77	76	73	69	66	59
Плотность, pn, кг/см3	7850
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)	52	51	49	46	43	39	36	32
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20- 300	20- 400	20- 500	20- 600	20- 700	20- 800	20- 900	20- 1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	12.1	12.9	13.6	14.2	14.7	15.0	15.2
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг °С))	470	483	546	563	764

1.2 Химический состав и свойства наплавочной ленты ПЛ — АН 111

Лента порошковая марки ПЛ-АН-111 (500Х40Н40С2ГРЦ-Б-С ) предназначена для механизированной наплавки открытой дугой никелькарбидохромового сплава на поверхность деталей, работающих в условиях абразивного и газоабразивного видов изнашивания при нормальных и повышенных температурах.

Применение : наплавка контактных поверхностей конусов и чаш доменных печей, работающих на форсирующих режимах, колосников, засыпных аппаратов доменных печей.

Химический состав наплавленного металла, % :

• C 4.4-6.0;
• Cr 32-46;
• Ni 32-46;
• Si 1.5-3.5;
• Mn до 1.4;
• B 0.1-0.54 Zr 0.2-1.0.

Сечение ленты: 10х3 мм.

Твердость наплавленного металла 50-60 HRC. Относительный расход порошковой ленты должен быть не более 1,2 кг на 1 кг наплавленного металла.

Свойства наплавленного металла: износостойкость очень высокая в условиях истирания абразивными материалами при повышенных температурах, сопротивление ударом — пониженное. Наплпвленные детали обрабатываются только шлифованием.

Наплавка массивных деталей производится с предварительным подогревом деталей до 250-260 °С.

Режимы наплавки :

сварочный ток, А — 650-750

напряжение дуги, В — 28-31

размах электрода, мм — 200

вылет электрода, мм — 40-60

шаг наплавки, мм — 9-11

1.3 Проблемы наплавки данного наплавляемого материала

Необходимые свойства металла наплавленного слоя зависят от его химического состава, который, в свою очередь, определяется составом основного и дополнительного металлов и долями их участия в образовании шва. Влияние разбавления слоев основным металлом тем меньше, чем меньше доля основного металла в формировании слоя. В связи с этим для случаев (а их большинство), когда желательно иметь в наплавленном слое состав, максимально приближающийся к составу наплавляемого металла, необходимо стремиться к минимальному проплавлению основного металла, т.е. к уменьшению доли основного металла в металле шва . Доля участия основного металла в формировании наплавленного металла зависит как от принятого способа, так и от режима наплавки.

Рассредоточение тепловложения в основной металл, например при ленточном электроде, когда дуга перемещается по торцу ленты от одного конца к другому и иногда возникает одновременно в нескольких местах, может заметно снизить долю расплавляемого основного металла. Поэтому в нашем случае мы применяем порошковую ленту ПЛ — АН 111

Естественно, что на долю основного металла в наплавленном слое влияет и интенсивность теплоотвода в наплавляемом изделии, который зависит от теплофизических свойств металла этого изделия, его геометрических размеров (в частности, толщины металла вблизи наплавляемой поверхности).

материал окисление наплавка металл

2. Процессы окисления при дуговой наплавке

Одним из важных металлургических процессов является окисление металла в зоне плавления. Источником окисления металла шва при наплавке могут быть:

• окислы на поверхности наплавляемого изделия или торце порошковой ленты;
• химически — активные шлаки, отдающие кислород металлу по средствам окислительно-востановительных реакций:
• влага находящаяся на поверхности изделия и торце ленты.

При наплавке металлов, растворяющих кислород, сварочная ванна может окисляться за счет окислов, покрывающих поверхность наплавляемого металла, за счет окалины и ржавчины по реакциям:

Fe3O4 + Fe = 4FeО (2.1)

Fe2O3 + Fe = 3FeO (2.2)

Реакции идут достаточно плохо, хотя по-видимому и не до конца. По этому в расплаве окислов железа, контактирующих с металлической сварочной ванной, остается некоторая доля трехвалентного металла, уменьшающаяся с повышением температуры.

Образующиеся в результате реакции (2.1) и (2.2) закись железа будет распределяться между металлом и шлаком в соответствии с константой распределения.

При относительно низкой концентрации окисла в металле и относительно высокой в шлаке, возможен переход окисла из шлака в металл. Переход FeO в металл шва при наплавке при наплавке порошковой лентой, содержащей закись железа, сопровождается окислением более активных элементов. С увеличением содержания FeO, в сварочной ванне наиболее интенсивно окисляются кремний и марганец, в меньшей степени хром.

Возможны три основных вида окисления составляющих металла и шлака:

• прямое окисление;
• окисление низших оксидов до высших;
• окисление на основе обменных реакций.

Прямое окисление в общем виде может быть представлено реакцией:

Ме + 1/2О ₂ = МеО (2.3)

Здесь происходит непосредственное окисление элемента свободным кислородом с образованием соответствующего оксида. Такие процессы сопровождаются выделением тепла, т.е. они экзотермичны.

Поставщиками свободного кислорода в зону сварки, помимо воздушной атмосферы, могут быть двуокись углерода, пары воды, карбонаты, высшие оксиды, диссоциирующие при нагреве и выделяющие свободный кислород.

Окисление на основе обменных реакций представляет собой в общем виде следующее:

Ме1 + Ме2О = Ме1О + Ме2 (2.4)

где, Ме1 и Ме2 — различные металлы.

На направление реакции (2.4) помимо внешних условий существенно будут влиять концентрация реагирующих веществ и сродство элементов к кислороду.

2.1 Расчетная часть

Владимировым Л.П. разработана методика определения равновесия химических реакций и фазовых превращений, которая облегчает вычисление характеристик и ускоряет получение конечного результата при использовании специально разработанных таблиц. Пользуясь этими таблицами нет необходимости проводить предварительные расчеты энтальпии, энтропии, коэффициентов для теплоемкостей исследуемой реакции, уменьшается объем различных вычислений.

lgKp = / (2.5)

G _т 4,575 TlgKp [кал/моль] (2.6)

где, Kp — константа равновесия;

G _т — энергия Гиббса.

По этому методу для каждой реакции необходимо определить и . Для этого из таблицы 1.1 [12] выписываются значения вспомогательных функций М и N для всех участников реакции и алгебраически суммируются. При этом сохраняется следующее правило знаков: коэффициенты М и N исходных веществ берутся с противоположным знаком указанному в таблице, а для продуктов реакции — со знаком указанным в таблице. Если стехиометрические коэффициенты реакции не равны единице, то они учитываются путем умножения на них М и N. Функция М и N для простых веществ в стандартном состоянии равно 0.

Произведем расчет равновесия и оценку вероятности протекания химической реакции при температурах 1200 К и 1600 К.

FeO + Mn = MnО + Fe (2.7)

Таблица 2.1 — Результаты расчетов и

Реагенты	Т1 = 1200	Т2 = 1600
	М*10 -3	N	М*10 -3	N
— FeO	— 14.0547	3.8514	0	0
-Mn	0	0	1.0186	— 0.732
MnО	20. 1094	— 3.8929	20. 1094	— 3.8929
Fe	0	0	0	0
? (, )	0.00605	0.0415	0.02113	— 4.6249

lgKp ₁₂₀₀ = 0.00605/1200 + 0.0415 = 0.04151

G ₁₂₀₀ = — 4.575•1200•1.35991 = -7465.9

lgKp ₁₆₀₀ = 0.02113/1600 + (-4.6249) = — 4.62489

G ₁₆₀₀ = — 4.575•1600

• (-4.6249) = 33854.19

По результатам расчетов строим график зависимости G _т от температуры (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — График зависимости G _т от температуры.

Заданная реакция протекает в интервале температур от 1600 К до температуры 1500 К и при этом выделяется энергия. При 1500 К — реакция достигает состояния равновесия. В интервале температур от 1500 К до 1200 К реакция самопроизвольно протекать не может (необходимо изменить исходные условия).

3. Общие положения металлургии раскисления металла

Раскисление — это процесс удаления из жидкого металла кислорода элементы, которые обладают повышенным сродством к кислороду и в определенных условиях способны энергично связывать кислород, освобождая металл из оксида.

Раскисление с получением конденсированных продуктов реакции. Сопровождается образованием конденсированных оксидов, нерастворимых в металле и всплывающий в шлак.

К числу раскислителей, образующих такие оксиды, относятся Ti, Si, Mn. Al и другие. В общем виде реакция раскисления железа представляет собой:

M[Fe] + n[Pa] = [Pa _n O_m ] + m [Fe] (3.1)

где, Ра- раскислитель

Наиболее важные раскислители этой группы:

1. Кремний

Кремний может попасть в ванну тремя путями:

• а).из основного металла;
• б) из электродной или присадочной проволоки;
• в) из флюса в результате взаимодействия его с жидким металлом.

Восстановление или окисление кремния при взаимодействии металла и флюса происходит главным образом по реакции

SiO ₂ + 2Fe_яет = 2FeO+ Si (3.2)

При сварке под кислыми флюсами в зоне высоких температур близ дуги кремний восстанавливается из шлака и ‘переходит в металл. Образующаяся при этом закись железа значительной своей частью переходит в шлак. Небольшая часть закиси железа остается в ванне, так как при высоких температурах растворимость FeO в железе довольно велика.

В задней части ванны, где вследствие понижения температуры уменьшается растворимость FeO, происходит окисление кремния. Закись железа восстанавливается, а образующийся в результате реакции кремнезем стремится удалиться из ванны и перейти в шлак.

Для определения температур можно установить зависимость между концентрацией свободной закиси железа.

3.1 Расчетная часть

Рассчитываем реакцию раскисления по методике Владимирова Л.П. (раздел 2.1).

Si + 2FeO = SiO ₂ + 2Fe

Таблица 3.1 — Результаты расчетов и

Реагенты	Т1 = 1200	Т2 = 1600
	М*10 -3	N	М*10 -3	N
— Si	0	0	0	0
-2FeO	-14.0547	3.8514	0	0
SiO 2	44.2625	-9.2459	44.2625	-9.2459
2Fe	0	0	0	0
? (, )	0.03021	-5.3945	0.04426	-9.2459

lgKp ₁₂₀₀ = 0.03021/1200 + (-5.3945) = -5.39447

G ₁₂₀₀ = — 4.575•1200•(-5.3945) = 29615.6

lgKp ₁₆₀₀ = 0.04426/1600 + (-9.2459) = -9.24587

G ₁₆₀₀ = — 4.575•1600

• (-9.2459) = 67679.8

По результатам расчетов строим график зависимости G _т от температуры (Рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — График зависимости G _т от температуры.

Можно сделать вывод, что Si является прекрасным раскислителем т. к.

А _max = -G_т , то есть при пониженных температурах раскислительные свойства кремния повышаются.

4. Процесс легирования металла

Легирование (нем. legieren — сплавлять, от лат. ligo — связываю, соединяю) — введение в расплав или шихту дополнительных элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала.

Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

Влияние легирующих элементов:

— для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.).

Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства. Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности.

Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля).

Главное назначение легирования:

• повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов;
• повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенит и тем самым увеличения прокаливаемости;
• придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования., особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость.

Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды, давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. В зависимости от этого, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку, нормализацию и отжиг или отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Легирование осуществляется с соблюдением двух важных требований :

• в качестве раскислителей следует применять элементы , сродство которых к кислороду больше, чем сродство легирующего элемента;
• наряду с легирующим элементом целесообразно вносить в зону сварки и его оксид, наличие которого сохраняет легирующий элемент от выгорания;
• Принципиально возможно легирование металла как через металлическую, так и через шлаковую фазу. Легирование через газовую фазу также возможно, но этот процесс еще мало изучен;

— Легирование через металлическую фазу осуществляется введением легирующего элемента в электродный стержень или присадочную проволоку, а также за счет проплавления легированного основного металла и перехода соответствующих элементов в сварочную ванну.

Легирование через шлаковую фазу предполагает введение легирующих элементов в электродное покрытие или флюсы. Первый путь легирования (через металлическую фазу) — более действен, так как при этом потери легирующего элемента незначительны и коэффициент перехода в металл шва оказывается достаточно высоким.

Процесс легирования может происходить как в результате прямого растворения элемента в металле, так и на основе обменных реакций. При этом, естественно, большую роль играет отношение взаимодействующих между собой масс металла и шлака, т. е. коэффициент в.

коэффициент -з перехода или усвоения элемента

Большим недостатком показателя з является то, что он по существу — величина формальная, так как учитывает только начальное и конечное состояния системы и совершенно не отражает разнообразных, и часто весьма сложных, металлургических процессов, протекающих в реакционной сварочной зоне.

Легирование металла происходит во всех участках зоны сварки, однако энергичнее и полнее — в процессе каплеобразования.

Для оценки степени перехода того или иного элемента в металл шва служит коэффициент перехода легирующего элемента — отношение прироста данного легирующего элемента в составе металла шва к количеству этого элемента введенного в зону сварки. Пользуясь коэффициентами перехода следует помнить, что их значения чрезвычайно зависят от условий, в которых они определены. Применять их можно только для грубых ориентировочных подсчетов.

Большим недостатком показателя перехода является то, что он не существует — величина формальная, т.к. учитывает только начальное и конечное состояние системы и совершенно не отражает разнообразных, и часто весьма сложных, металлургических процессов, протекающих в реакционной сварочной зоне.

5. Процесс рафинирования металла

Третья важная металлургическая операция, протекающая одновременно с раскислением и легированием металла— рафинирование, т. е. очищение от вредных примесей (серы и фосфора).

Условия взаимодействия металла и шлака для рафинирования металла шва по сере при электродуговой сварке в общем более благоприятны, чем в сталеплавильном производстве.

Сера и ее удаление из металла шва.

Содержание серы в металле в количестве, превышающем допустимые нормы, отрицательно сказывается на его механических свойствах, служит причиной красноломкости металла и появления в нем кристаллизационных трещин.

Сера образует с железом сульфид железа FeS, температура плавления которого 1195 °С. Сульфид железа почти не растворяется в твердом железе и выделяется в нем или в виде эвтектики, или в виде отдельных включений разного вида и формы. Эвтектики могут быть двойные либо тройные, например: FeS + Fе(Т _пл = 985 °С);

2FeO * SiO2, + FeS; (4.1)

FeS + Fe + MnS (T _ПЛ = 980 °С) (4.2)

Рисунок 5.1-Схема возникновения кристаллизационных трещин в металле шва.

В процессе кристаллизации металла, протекающем в интервале температур Т _л — Г_с (ликвидус — солидус), эти сернистые эвтектики оттесняются растущими кристаллами металла шва к границам между ними и к месту стыка кристаллов в центральную часть сварочной ванны (на рис. 5.1, а — в затушеванную зону) и становятся частью так называемых межкристаллитных прослоек. К моменту окончания кристаллизации металла шва такие межкристаллитные прослойки могут быть еще в жидком состоянии (Т₃ — температура затвердевания сернистых эвтектик; Т₃ < Тс).

Тогда возникновение заметных по величине растягивающих напряжений в шве (показаны стрелками на рис.4.1, а) может вызвать появление на этих участках кристаллизационных, или горячих, трещин. Одновременное наличие в металле углерода и кремния увеличивает склонность швов к кристаллизационным трещинам.

Из всего сказанного нетрудно сделать вывод, что для более полного удаления серы из металла и благоприятного распределения оставшейся ее части в сварочную ванну нужно вводить такие элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо. Образующиеся сульфиды должны обладать высокой температурой плавления и не создавать эвтектик. По степени возрастания прочности образующихся сульфидов их можно расположить в ряд, где наибольшим сродством к сере обладают Al, Ca, Na, Mg. Однако использование их для связывания серы неудобно, так как все они имеют более высокое сродство к кислороду и связываются им в оксиды. Из числа элементов наибольший интерес представляет Мn по таким причинам:

• он имеет сравнительно высокое сродство к сере;
• как правило, всегда присутствует в стали в сравнительно больших количествах;
• образует тугоплавкий сульфид, равномерно распределяющийся по всему объему металла;
• при концентрациях в стали более 0,5—0,6% способствует переходу серы в шлак.

Марганец полезен главным образом как элемент, переводящий серу в более благоприятную форму существования в стали, тогда как его десульфурирующая способность относительно мала.

В сварочной практике связывают и удаляют серу чаще всего двумя способами: с помощью Мn и МnО, а также СаО.

Сера образует с марганцем относительно прочный сульфид MnS с температурой плавления ~1620 °С. Сульфид марганца слабо растворим в металле и хорошо — в шлаке, поэтому он в значительном количестве переходит в шлак. Оставшийся в металле МnO распределяется в мелкодисперсном виде достаточно равномерно и не образует легкоплавких эвтектик.

Основной реакцией связывания серы марганцем является

[FeS] + [Mn] =(MnS) + [Fe] (4.3)

Однако эффективность связывания серы в сульфид марганца по такой реакции мала, так как направо она заметно развивается лишь при пониженных температурах, когда скорости протекающих процессов весьма замедляются. В итоге в металле шва оказываются значительные количества FeS. Поэтому реакция дополняется второй:

[FeS] + (MnO)=(MnS) + [FeO], (4.4)

Можно отметить, что превращению FeS в MnS способствуют:

• лучшая раскисленность металла;
• увеличение содержания марганца в металле;
• высокая концентрация (МnО) в шлаке.

Обычно принимают отношение в металле равным 20—25 что позволяет избежать кристаллизационных трещин.

Своеобразным поведением как десульфуратор отличается Са. Поданным современных работ газообразный Са активно реагирует одновременно с серой и кислородом расплавленной стали, образуя свойственные только ему специфические соединения — оксисульфиды. Даже при весьма низкой концентрации в металле (< 0,0001 %), кальций вследствие своей поверхностной активности оказывает заметное влияние на процесс рафинирования, особенно при совместном введении Са и присадок редкоземельных элементов — церия и лантана.

Связывание серы известью основано на образовании весьма прочного сульфида кальция, практически нерастворимого в металле. Процесс протекает в соответствии с реакцией

[FeS] (CaO)=(CaS) + [FeO] (4.5)

Константа равновесия реакции растет с увеличением температуры, т. е. при этом процесс интенсивнее развивается вправо, в сторону образования (CaS).

Лучшее раскисление металла и введение в шлак окиси кальция будет способствовать уменьшению содержания [FeS] в металле. Увеличение содержания (СаО) в шлаке приводит к росту константы распределения, что обеспечивает более полный переход серы из металла в шлак.

Наряду с отмеченным установлено, что наличие кремния и алюминия в металле значительно ускоряет процесс его десульфурации , причем сера удаляется одновременно с кислородом.

5.1 Расчетная часть

Рассчитываем реакцию рафинирования по методике Владимирова Л.П. (раздел 2.1).

FeS +Mn = MnS + Fe (4.6)

Таблица 4.1 — Результаты расчетов и

Реагенты	Т1 = 1200	Т2 = 1600
	М*10-3	N	М*10-3	N
-FeS	0	0	3.1432	1.933
-Mn	0	0	1.0186	0.732
MnS	10.7104	0.7585	10.7104	0.7585
Fe	0	0	1.047	0.655
? (, )	0. 01071	0.7585	0.01592	4.0785

lgKp ₁₂₀₀ = 0. 01071 /1200 + 0.7585= 0.75851

G ₁₂₀₀ = — 4.575•1200•0.75851 = -4164.4

lgKp ₁₆₀₀ = 0.01592/1600 + 4.0785= 4.07851

G ₁₆₀₀ = — 4.575•1600

• 4.0785= — 29854.6

По результатам расчетов строим график зависимости G _т от температуры (Рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 — График зависимости G _т от температуры.

Можно сделать вывод, что при низких температурах процесс рафинирования проходит хорошо: А _max = -G_т .

6. Процесс насыщения металла шва газами

В металл сварных (наплавленных) швов может попадать определенное количество газов и прежде всего кислорода, который выделяется при металлургических реакциях. Его растворимость резко снижается при затвердевании сварного(наплавочного) шва. Растворимость кислорода понижается при температуре 1520 °С с 0.18% в б-железе. Выделившейся кислород реагирует с легирующими элементами и железом, в следствии чего образуются окислы. Количество растворенного кислорода влияет на ударную вязкость сварного (наплавленного) шва не только в состоянии после сварки, но и после отжига. В зависимости от температуры отжига и времени выдержки могут возникать соединения типа шпинели, а содержания кислорода в L — железе увеличивается. Вследствие этого понижается величина ударной вязкости.

Азот и водород попадает в сварные швы в основном из окружающей атмосферы. Если содержание азота зависит в первую очередь от технологических факторов (длина дуги, полярность, окружающая атмосфера), то содержание водорода зависит в основном от флюса и его влажности. Поглощение водорода способствует поглощению азота. Так же как для кислорода, для азота и водорода в области температур затвердевания заметно снижается их растворимость. В результате этого снижение, при затвердевании шва выделяются газы. Кроме влияния затвердевающих газов на растрескивание сварных швов после остывания, они могут способствовать возникновению пористости сварных швов.

Кроме водорода и азота пора может быть заполнена другими газами, например СО ₂ , СО, NH₃ или СН₄ . Некоторые из этих газов не растворяются в твердом железе и образуются вследствие металлургических реакций. Наиболее частой причиной образования пор является водород, который выделяется при кристаллизации металла сварного (наплавленного) шва. Диффузия водорода в шлак, должна обеспечиваться соответствующей скоростью сварки. Скорость сварки должна увеличить лишь при одновременном устранении источников водорода (влажности).

Водород может вызывать поры косвенно, восстанавливая имеющиеся окислы железа в соответствии с уравнением (6.1):

FeO + H = H ₂ O + Fe (6.1)

Или взаимодействуя с серой по реакции (6.2):

H ₂ + S = H₂ S (6.2)

Либо обезуглероживая сталь (6.3):

Fe ₃ C + 2H₂ = CH₄ + 3Fe (6.3)

Содержание азота в металле сварных швов не превышает нескольких сотых процента. Слишком высокое содержание азота, который может попасть в сварной шов, например, при удлинении сварочной дуги, может вызывать пористость металла сварного шва.

7. Технологическая прочность металла шва и околошовной зоны

При высоких температурах, в металле шва и зоне термического влияния (ЗТВ), возникают горячие трещины. Поверхность излома горячей трещины имеет матово-желтый цвет, а при попадании в трещину воздуха — коричнево-синий.

Главной причиной образования горячих трещин является потеря способности металла к деформации. В процессе сварки кристаллизующийся металл шва находится под воздействием растягивающих напряжений, которые возникают и развиваются в сварном соединении, вследствие несвободной усадки шва и охлаждаемых участков неравномерно нагретого металла. Под действием этих напряжений металл шва деформируется, а при недостаточной деформационной способности — разрушается. Хрупкое разрушение происходит в том случае, если напряжения при охлаждении растут интенсивнее, чем межкристаллическая прочность металла шва. При менее интенсивном росте, сварные швы не разрушаются.

Изменение прочности и пластичности металла при кристаллизации и последующем охлаждении происходит в определенном температурном интервале. Минимальные значения этих показателей соответствуют температурному интервалу хрупкости (ТИХ).

Наименьшая пластичность металла, в этом интервале температур, обычно приходится на завершающую стадию кристаллизации. Разность между наименьшей пластичностью и линейной усадкой сплава в ТИХ характеризует запас пластичности, или запас его деформационной способности.

При сварке деформация металла шва в процессе кристаллизации определяется не только его усадкой, но и усадкой прилегающих к нему участков основного металла. В зависимости от формы, размеров, жесткости сварного соединения, режимов и технологии сварки, деформация металла шва к концу кристаллизации может оказаться меньше, равно, или больше чем наименьшая пластичность. В последних двух случаях, образование горячих трещин неизбежно.

Таким образом, образование горячих трещин, зависит от трёх факторов: ТИХ, пластичности металла в этом интервале и темп нарастания деформации.

Чем меньше температурный интервал хрупкости, чем больше минимальная пластичность, чем меньше скорость деформации, тем выше запас деформационной способности сварного соединения, и соответственно, вероятность появления горячих трещин тоже выше.

Холодные трещины образуются в сварных соединениях при охлаждении до невысоких температур (как правило, ниже 200 ^о С).

К тому моменту, металл шва и околошовной зоны приобретает высокие упругие свойства, которые присущи ему при нормальных температурах. Холодные трещины являются типичным дефектом сварных соединений из среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Значительно реже они возникают в соединениях из низколегированных ферритно-перлитных сталей, и высоколегированных сталей аустенитного класса.

Наиболее часто, холодные трещины поражают околошовную зону, и крайне редко сам металл шва.

Поскольку наша сталь (Ст 30) является высокоуглеродистой, то образование в наплавленном металле горячих трещин маловероятно, однако большую вероятность имеют место холодные трещины.

Заключение

В ходе данной курсовой работы, были проанализированы и более подробно изучены металлургические процессы, которые проходят в процессе сварки или наплавки металла. Производился расчет возможных окислительных и раскислительных реакций, которые могут происходить при наплавлении слоя металла на данное изделие. Более подробно были изучены вопросы, посвященные образованию пористости, кристаллизационных и холодных трещин, которые могут возникать из-за влажности основного металла или сварных материалов (электрод, проволока, покрытие электродов, флюсы), а так же, были предложены способы борьбы с пористостью.

Поскольку наплавка осуществляется на изделие из высокоуглеродистой стали, образование горячих трещин маловероятно, но надо уделить должное внимание образования холодных трещин, поскольку данный процесс имеет довольно высокую вероятность.

Рассмотрели процессы рафинирования, а так же избавления стали от таких вредных примесей как сера и фосфор, повышенное содержание которых приводит к повышению хрупкости, красно- и синеломкости металла шва, что является нежелательным явлением в условиях работы седла.

Список используемой литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/naplavka/

1. Справочник по сварке. / Под ред. И.А. Акулова — М.: Машиностроение, 1971 — Т.4 — 415с.

2. Багрянский К.В. «Теория сварочных процессов», Киев 1976г., 425 стр.

3. Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу «Теория сварочных процессов» (для студентов специальности 6.092300) / Сост. А.А. Косенко, В.В. Чигарев. — Мариуполь: ПГТУ, 2005. — 28 с.

4. Кулишенко Б.А., Кочева Г.Н., Миличенко С.Я., Ильин В.П. Наплавка металлов. — М.: Машиностроение, 1964.- 132 с.