Экзотермическая заварка поверхностных дефектов стального литья


Н. Н. Кувшинова, Ю. В. Казаков








            ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ЗАВАРКА
            ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ
            СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ





Монография









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.791
ББК 34.641
     К88




Рецензенты:
^1еревееенцев Борис Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры сварки, обработки металлов давлением и родственных процессов Тольяттинского государственного университета; ФилъченковДмитрий Иванович, кандидат технических наук, технический директор Тольяттинского представительства ПАО «Самараэнерго»




        Кувшинова, Н. Н.
К88 Экзотермическая заварка поверхностных дефектов стального литья : монография / Н. Н. Кувшинова, Ю. В. Казаков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 192 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0734-2

     Показана возможность экзотермической заварки малых дефектов стального литья. Разработан состав термитной шихты, предложена конструкция литейной формы для размещения шихты, дана методика расчёта этой формы. Исследовано влияние компонентов шихты, особенностей конструкции литейной формы и параметров режима наплавки на качество наплавленного металла. Описан вариант технологического процесса заварки дефектов, который может быть применён в массовом производстве. Предложенная технология по сравнению с дуговой наплавкой может в 1,5 раза снизить трудоёмкость процесса и уменьшает расход электроэнергии.
     Для работников сварочного и литейного производства. Издание может быть использовано в учебном процессе вузов при подготовке специалистов по сварочным и литейным направлениям.

УДК 621.791
ББК 34.641




ISBN 978-5-9729-0734-2

    © Кувшинова Н. Н., Казаков Ю. В., 2021
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ ............................................ 5
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ НАПЛАВКИ .... 9
   1.1. Сущность процесса экзотермической наплавки... 9
   1.2. Основныеспособыэкзотермической наплавки .... 12
   1.3. Параметры режима процесса экзотермической наплавки. 24
   1.4. Компоненты термитной шихты .................. 27
     1.4.1. Основные компоненты...................... 27
     1.4.2. Легирующие добавки в термитной шихте..... 31
     1.4.3. Металлический наполнитель ............... 33
     1.4.4. Технологические добавки ................. 35
     1.4.5. Связующие вещества...................... 41
   1.5.Оснастка для экзотермической наплавки ....... 43
   1.6. Задачи исследования......................... 46
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ТЕРМИТНОЙ ШИХТЫ
ДЛЯ ЗАВАРКИ МАЛЫХ ДЕФЕКТОВ ......................... 49
   2.1. Определение количества основных компонентов шихты . 49
   2.2. Грануляция компонентов термитной шихты...... 51
   2.3. Выборспособауплотнения термитной шихты ..... 56
   2.4. Исследование состава термитной стали ....... 70
   2.5. Исследование влияния технологических добавок к шихте на качество термитной стали ..................... 74
   Выводы .......................................... 90
ГЛАВА 3. УСЛОВИЯ КАЧЕСТВЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ
НАПЛАВЛЕННОГОМЕТАЛЛА................................ 91
   3.1. Предварительный подогрев зоны наплавки...... 91
   3.2. Определение условий качественного сплавления наплавленного металла с основным.................. 97
   3.3. Исследование условий снижения пористости наплавленного металла........................................... 111

3

   3.4 Структура и свойства металла в зоне наплавки . 132
   Выводы............................................ 142
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ НАПЛАВКИ .... 144
   4.1. Разработкатехнологической оснастки........... 144
   4.2. Обеспечение охраны труда при экзотермической заварке дефектов.......................................... 154
   4.3. Типовой технологический процесс заварки поверхностных дефектов стального литья.......................... 158
   4.4. Опытно-промышленное опробование разработанного технологическогопроцесса.......................... 167
   Выводы ........................................... 170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................... 172
   Общие выводы ..................................... 172
   Предложения ...................................... 174
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................ 176

4

    ВВЕДЕНИЕ


    Стальное литьё составляет значительную долю продукции машиностроительных предприятий [16; 30]. В 1999 году в России доля стальных отливок составляла 30 % [9], на Украине 24 % [78], в США 17,2 % [13], в других индустриальных странах 0,5.. .10 % от общего выпуска литых деталей [78].
    С помощью стального литья изготавливают детали различных размеров. Масса таких деталей может составлять от нескольких килограммов, например, зубчатая полумуфта, до нескольких тонн, например, чаша шлаковоза [16]. Стальные литые детали используют в труднейших условиях эксплуатации, при ударных и знакопеременных нагрузках, под давлением, при высокой температуре и т. п.
    Переплавка повреждённого изделия обходится сравнительно дорого, так как изготовить стальную отливку не просто: это энергоёмкое и материалоёмкое производство. Выпуск одной тонны отливок требует шихтовки и переплавки 1,5...1,7 тонны металлических материалов и ферросплавов, подготовки и переработки 3.5 тонн формовочных песков и глин, 30.35 кг литейных связующих и красок [10]. Сложность изготовления отливок усугубляется тем, что в процессе литья часто возникают внутренние и поверхностные дефекты. Внутренние дефекты предупреждают тщательным регулированием процесса литья, в том числе прогнозированием качества расчётными методами

5

[16; 30; 31]. Внешние дефекты литья заваривают [16; 27; 30; 114].
    Один из основных поверхностных дефектов литья - усадочные и газовые раковины. Их суммарный объём может составлять до 7 % объёма отливки [16, 17]. Дефекты, образующиеся в процессе эксплуатации изделий - это трещины, надрывы, вмятины, задиры и т. д. [27].
    Наиболее часто встречаются дефекты небольшого объёма, для заварки которых требуется всего 0,1. ..0,3 кг наплавленного металла. Их количество может превышать 60 % всех дефектов стального литья. Поверхностные дефекты являются концентраторами напряжений при эксплуатации изделий и могут существенно понизить прочность литых деталей. Кроме того, поверхностные дефекты ухудшают товарный вид изделий. Поэтому их обычно заваривают ручной дуговой или газопламенной сваркой [27; 114] с последующей механической обработкой. При этом дефект предварительно разделывают до чистого металла. Для качественного формирования наплавленного слоя разделку дефекта выполняют корытообразной или чашеобразной формы [114]. После механической обработки производят местный подогрев, и дефект заваривают вручную с помощью сварочной дуги или газокислородного пламени. Производительность такой наплавки сравнительно невелика. Чтобы нанести 0,1.0,3 кг наплавленного металла на соответствующий дефект ручной дуговой наплавкой требуется 3.5 минут. Расхо

6

дуются дорогостоящие электроды или газы, операция заварки требует наличия сварочного оборудования и высокой квалификация сварщика. Так, например, в ремонтно-литейном цехе АО «АвтоВАЗ» на заварке литейных дефектов работают два сварщика 5-го разряда. Всё это увеличивает затраты на осуществление процесса заварки поверхностных дефектов литья.
    Более экономичным процессом является экзотермическая (термитная) наплавка, которая представляет собой заливку полости дефекта жидким металлом, полученным в результате экзотермической реакции между оксидом восстанавливаемого металла и металлом - восстановителем. Термитная наплавка не требует применения специального источника нагрева, она осуществляется за счёт тепла, выделяющегося при экзотермической реакции восстановителя с оксидом восстанавливаемого металла [23; 52; 64; 71; 79; 84; 103; 106; 107; 115; 121]. При термитной наплавке не нужна предварительная чистовая механической обработки дефекта [20], не требуются электроэнергия, горючие газы, электроды и сварочное оборудование. В качестве ингредиентов термитной шихты используются отходы металлургического производства и дешёвые порошки первичного алюминия. Резко снижаются требования к квалификации рабочих. Обеспечивается высокая производительность процесса [4; 84].
    Однако процесс экзотермической наплавки изучен и освоен лишь для устранения крупных дефектов или восстановления крупных частей машин и механизмов, для которых требуется

7

более трёх килограмм термитной шихты (~1,5 кг наплавляемого металла). Сведения о технологии наплавки малыми порциями шихты, с выходом наплавляемого металла менее 0,3 кг, в литературе отсутствуют. Это связано с трудностями зажигания и обеспечения горения малых порций шихты: процесс горения не успевает установиться, сплошной слиток металла массой менее 0,3 кг по известным технологиям экзотермической наплавки получить практически невозможно. Особенности процесса наплавки в этих условиях не исследованы.
     Это обуславливает актуальность темы монографии.
     Поэтому целью монографии следует считать снижение затрат на заварку поверхностных дефектов стальных деталей посредством разработки технологии экзотермической наплавки с использованием небольших объёмов термитной шихты.

8

    ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ НАПЛАВКИ
    1.1. Сущность процесса экзотермической наплавки

    Экзотермическая наплавка представляет собой процесс нанесения на поверхность металлической детали жидкого металла заданного химического состава, получаемого в результате экзотермической реакции металла-восстановителя с окислом металла. Образующийся при этом оксид металла-восстановителя уходит в шлак и служит защитой восстановленного металла от атмосферного воздействия.
    Стандартная экзотермическая реакция протекает с большим выделением тепла и выглядит следующим образом [121]:
MeO + R = Me + RO - Q,
где МеО - оксид металла;
R - металл-восстановитель;
Ме - восстановленный из оксида металл;
RO - окисленный металл-восстановитель;
Q - тепловая энергия, выделяющаяся при реакции.
    Алюминий имеет большее сродство к кислороду, чем большинство других металлов. Поэтому ему отдается предпочтение как металлу-восстановителю (реакцию называют еще и алюмотермитной), причем алюминий относительно дешев и имеется в достаточном количестве.

9

     Основу алюмотермии заложил выдающийся русский ученый - химик Н. Н. Бекетов в 1865 году, сформулировав принцип получения трудно восстанавливаемых металлов из их окислов. Он установил, что алюминий обладает очень высокой активностью, соединяясь с кислородом, и что при определенных условиях легко восстанавливает из оксидов другие металлы, стоящие правее его в таблице напряжений химических элементов [71].
     В качестве оксида металла чаще всего применяют содержащую оксиды железа железную окалину или железную руду. Окалина включает в себя несколько оксидов железа: FeO (закись железа) - содержит 22,2 % кислорода, Fe₃O₄ (закись-окись железа) - 27,58 % кислорода, Fe₂O₃ (окись железа) - 30,0 % кислорода. Во время наплавки протекают экзотермические реакции, соответствующие уравнениям:
2А1 + 3FeO = 3Fe + A1₂O₃ - 0,835 ■ 10⁶ Дж / кг смеси;
8А1 + 3Fe₃O₄ = 9Fe + 4A1₂O₃ - 3,239 ■ 10⁶ Дж / кг смеси;
2А1 + Fe₂O₃ = 2Fe + A1₂O₃ - 0,830 ■ 10⁶ Дж / кг смеси [121].
     Продуктами реакции являются железо, восстанавливаемое из оксидов (термитная сталь) и оксид алюминия (термитный шлак). Обычно получают 50 % железа и50 % шлака [83; 119].
     Железо содержит в себе частички шлака и загрязнения, указывающие на то, что участвовавший в реакции материал был использован не полностью и слабо легирован. Полученное алюминотермитным способом железо характеризуется малой проч

10

ностью (пв — 300 Н/мм²) и высокой твердостью (НВ —1000) и не годится для наплавки [121]. Поэтому его необходимо очищать и легировать.
    К облагораживанию термитной стали относится:
       1. Очищение от серы, фосфора, кислорода, азота, водорода и др.
       2. Легирование углеродом, марганцем, кремнием, титаном, хромом, никелем, ванадием, молибденом и др. [121].
    Облагораживание происходит через добавку легирующих компонентов к порции наплавляемого материала. Добавляемое количество этих компонентов зависит от желаемого содержания легирующих компонентов, от состава и величины порции наплавочного материла.
    Термитный шлак состоит из A1₂O₃ и небольшого количества FeO, МпО и SiO₂. Особых требований к нему не предъявляют [121].
    Для начала экзотермической реакции в любой точке термитной шихты необходимо создать температурный толчок, нагрев эту точку до температуры не ниже 1350 °C [52; 64; 71; 79; 84; 103; 106; 107; 115; 121].
    В процессе термитной реакции, длительность которой составляет 4...20 секунд, часть тепла расходуется на нагревание стенок тигля или ограждения, лучеиспускание и т. п. Однако

11

выделяющегося тепла достаточно, чтобы расплавить шихту и перегреть продукты реакции (жидкий металл и шлак) до 2600...2700 °C [71]. Температура металла после алюмотермит-ной реакции лежит в пределах от 2500 до 3100 °C [52; 64; 71; 79; 84; 102; 105; 106; 114; 120].
    В настоящее время экзотермическая (алюмотермитная) наплавка применяется при восстановлении различных дефектов металлических деталей. Большим преимуществом экзотермической наплавки является возможность проведения процесса без дополнительного источника энергии. Поэтому такую наплавку успешно используют при монтажных работах и в полевых условиях.

    1.2. Основные способы экзотермической наплавки

    Чаще всего для экзотермической наплавки применяют два способа: наплавку плавлением и наплавку литьём расплавленного металла [52; 71; 79; 84; 115; 121].
    При наплавке плавлением поверхность дефекта тщательно зачищают от загрязнений, устанавливают форму-ограждение, конфигурация которого должна соответствовать форме дефекта, и производят предварительный подогрев зоны наплавки, если он необходим. Затем на подготовленную поверхность детали в зоне наплавки насыпают термитную шихту и возбуждают экзотермическую реакцию, нагревая шихту, например, пламенем газовой горелки. Температура зажигания термитной смеси лежит между

12