Влияние параметров дуговой наплавки порошковых материалов на свойства поверхности инструмента

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА

Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Захаров Сергей Константинович, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Зотова Светлана Вячеславовна, ассистент, Россия, Тула, Тульский государственный университет.

Рассмотрено формирование толстых слоев при дуговой наплавке в аргоне экспериментальным образцом специальной наномодифицированной наплавочной порошковой проволоки нового поколения многофункциональных слоев из ультрамелкодисперсных и наномодифицированных композиций некоторых заготовок для изготовления штампов горячей штамповки. Проанализировано влияние силы тока, скорости подачи электродной проволоки и температуры подогрева подложки на формирование наплавочного валика, а также влияние длительности охлаждения на механические свойства стали 40ХН. Определены термические циклы на поверхности подложки при различных значениях температуры ее предварительного подогрева.

Ключевые слова: электродуговая наплавка, порошковая проволока, теплофизические свойства.

наплавка порошковый стальная подложка

Considered the formation of thick layers in arc welding in argon an experimental model nanomodification special hardfacing flux-cored wire is a new generation multi-layers of ultra-fine and nanomodified songs some blanks for the manufacture of dies for hot forming. The influence of the current, the feed rate of the electrode wire and the temperature of the heated substrate on the formation of the melt cushion and the influence of duration of cooling on the mechanical properties of steel 40ХН. Defined thermal cycles on the surface of the substrate at various values of temperature of preliminary heating.

Keywords: arc welding, flux-cored wire, thermo-physical properties.

Несмотря на широкое применение наплавки [1…2], технологические рекомендации по дуговой наплавке порошковых материалов на инструмент для горячей штамповки отсутствуют.

Так как экспериментальное определение параметров наплавки, при которых обеспечиваются заданные требования к свойствам наплавленного слоя, очень затратно, то эту задачу решали методами компьютерного инженерного анализа, основанного на физико-математическом моделировании процесса формирования наплавляемого слоя [3…7].

Исследование проведено методом компьютерного моделирования. Для анализа использованы модель процесса наплавки, а также результаты анализа эффективности некоторых способов наплавки и разработки метода дуговой наплавки в защитном газе износостойких многофункциональных слоев из ультрамелкодисперсных и наномодифицированных композиций на ответственные детали штампов горячей штамповки, изготовленные из инструментальных легированных сталей.

Заготовки для штампов горячей штамповки изготавливаются из сталей 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ, 4ХМФС, 5Х2СФ, 4ХСНМФЦР, 5Х2НМФС, ЗХ2В8Ф, ЗХ2М2Ф, ЗХВ4СФ 4Х4ВМФС и др. в форме фасонных поверхностей и пластин толщиной обычно 20…40 мм и с максимальным размером до нескольких сотен миллиметров.

В исследовании рассмотрено образование слоя упрочняющего сплава из ультрамелкодисперсных и наномодифицированных композиций толщиной до 2,5 мм.

Теплофизические свойства перечисленных сталей практически одинаковы [8].

Вышеуказанные размеры изделий допускают наплавку несколькими параллельными валиками с предварительным нагревом заготовок до температуры 300 С при скорости перемещения горелки, обеспечивающей минимальное проплавление.

На рис. 1 показана схема укладки валиков. При наплавке штампов требуется также минимизировать перемешивание материала порошковой проволоки с металлом заготовки.

Основным фактором перемешивания является давление дуги, которое деформирует поверхность наплавочной ванны, создавая кратер в расплаве. Давление дуги сильно зависит от силы тока, поэтому наплавку первого слоя необходимо осуществлять при минимальном токе, обеспечивающем нагревание поверхности заготовки до температуры плавления.

Рис. 1. Схема укладки валиков при наплавке штампов:

1…4 - номера валиков; b - смещение дуги; B - ширина наплавочной ванны; S - сечение наплавки; F - сечение переплава предшествующего валика; M -сечение расплава подложки; H - высота наплавки; h - глубина проплавления подложки

Моделированием установлено, что для указанных сталей минимальный ток дуги в аргоне, вызывающий плавление поверхности заготовок из указанных сталей, составляет 90…100 А (рис. 2).

Дуга плавящегося электрода в аргоне имеет длину 3…4 мм при напряжении 11…12 В.

При скорости перемещения 5 мм/с и токе дуги 100 А возникает наплавочная ванна шириной 5…6 мм.

При наплавке плавящимся электродом ток дуги в 100 А плавит порошковую проволоку с сердечником из тугоплавких металлов диаметром 1,6 мм со скоростью 16…18 мм/с.

Рис. 2. Влияние силы тока и скорости подачи электродной проволоки на формирование наплавочного валика и предельное распределение температуры (а) и распределением температуры по поверхности подложки (б)

Результаты моделирования формирования одиночного наплавочного валика при разной температуре подогрева показаны на рис. 3.

Рис. 3. Влияние температуры подогрева подложки на формирование наплавочного валика и предельное распределение температуры (а) и на распределение температуры в плоскости поверхности подложки (б)

Термические циклы на поверхности подложки в центре валика при разных температурах подогрева показаны на рис. 4.

Рис. 4. Термические циклы на поверхности подложки в центре основания наплавляемого валика при различных значениях температуры предварительного подогрева подложки

Было оценено влияние термических циклов наплавки на структуру и механические свойства стальной подложки [9…11].

Влияние длительности охлаждения в интервале температур полиморфного превращения t₈₅ на структуру и механические свойства стали 40ХН показано на рис. 5.

Полученные результаты показывают, что температура подогрева подложки при наплавке не может оказать существенного влияния на механические свойства стали 40ХН и подобных сталей этой группы, имеющих мартенситную структуру.

Но подогрев существенно улучшает формирование валика, увеличивая ширину валика с одновременным снижением его высоты (рис. 3).

Смещение электрода существенно влияет на распределение теплоты дуги между ранее наплавленным валиком и подложкой. Соответственно изменяется формирование валика и распределение предельных значений температуры, а также на распределение температуры на поверхности, полученной при наплавке предшествующего. Результаты показывают, что оптимально наплавку выполнять с небольшим смещением центра дуги на подложку. Что соответствует шагу между валиками, равному 0,35…0,4 их ширины.

Рис. 5. Влияние длительности охлаждения на структуру (а) и механические свойства стали 40ХН: М - содержание мартенсита;

П - содержание перлита; _т, - предел текучести; _в - предел прочности; - относительное удлинение; - относительное сужение; H_v - твёрдость по Виккерсу; kcu - ударная вязкость