RU2514245C1 - Device for electroslag hard-facing - Google Patents
Device for electroslag hard-facing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2514245C1 RU2514245C1 RU2012156123/02A RU2012156123A RU2514245C1 RU 2514245 C1 RU2514245 C1 RU 2514245C1 RU 2012156123/02 A RU2012156123/02 A RU 2012156123/02A RU 2012156123 A RU2012156123 A RU 2012156123A RU 2514245 C1 RU2514245 C1 RU 2514245C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal
- mold
- section
- electromagnet
- designed
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Continuous Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при восстановлении деталей машин, изготовленных из высоколегированных сталей сваркой или наплавкой.The invention relates to welding production and can be used in the restoration of machine parts made of high alloy steels by welding or surfacing.
Известны способы восстановления деталей, изготовленных из высоколегированных сталей, путем их наплавки. Для деталей, имеющих большие габаритные размеры наиболее технологически простым и экономически эффективным способом восстановления является электрошлаковая наплавка.Known methods for the restoration of parts made of high alloy steels by surfacing. For parts with large overall dimensions, the most technologically simple and cost-effective method of recovery is electroslag surfacing.
Однако при осуществлении электрошлаковой наплавки высоколегированными наплавочными материалами возникают проблемы получения наплавленного слоя металла с заданными механическими характеристиками, такими как прочность и ударная вязкость.However, when electroslag surfacing is performed by highly alloyed surfacing materials, problems arise in producing a deposited metal layer with predetermined mechanical characteristics, such as strength and toughness.
Низкая прочность и ударная вязкость наплавляемого металла обусловлена как выдавливанием легирующих добавок в межкристаллитное пространство, так и образованием древовидной кристаллической структуры при кристаллизации наплавленного металла.The low strength and toughness of the weld metal is due to both the extrusion of alloying additives into the intergranular space and the formation of a tree-like crystalline structure during crystallization of the weld metal.
Для устранения этих недостатков используются устройства для электрошлаковой наплавки, в которых реализуются различные технологии воздействия на процесс электрошлаковой наплавки.To eliminate these drawbacks, devices for electroslag surfacing are used, in which various technologies for influencing the process of electroslag surfacing are implemented.
Известно устройство для электрошлаковой наплавки, принцип действия которого основан на воздействии электромагнитного поля на кристаллизатор [Пат.2271267 Российская Федерация, МПК В23К 25/00, В23Р 6/00. Способ электрошлаковой наплавки крупногабаритных торцов / Зорин И.В., Соколов Г.Н., Лысак В.И., Цурихин С.Н.; патентообладатель Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) - №2004119637/02; заявл. 28.06.2004; опубл. 10.03.06, Бюл. №8.: ил.].A device for electroslag surfacing, the principle of which is based on the action of an electromagnetic field on the mold [Pat.2271267 Russian Federation, IPC V23K 25/00,
Известное устройство для электрошлаковой наплавки содержит секционный кристаллизатор, предназначенный для формирования наплавляемого металла, систему полых неплавящихся электродов, предназначенных для подачи наплавочного легированного металла с различными легирующими добавками, имеющих разные температуры плавления, и два независимых источника электрического питания. Кристаллизатор представляет собой цилиндрическую емкость без дна, состоящую из двух соединенных цилиндрических секций токоподводящей и формирующей, которые электрически изолированы между собой горизонтальной прокладкой. Верхняя секция является токоподводящей и выполнена с вертикальной сквозной прорезью, в которой установлена вертикальная электроизолирующая прокладка. При этом токоподводящая секция у вертикальной прорези подключена к первому независимому источнику электрического питания.The known device for electroslag surfacing contains a sectional mold designed to form a weld metal, a system of hollow non-consumable electrodes designed to supply surfaced alloy metal with various alloying additives having different melting points, and two independent sources of electrical power. The mold is a cylindrical tank without a bottom, consisting of two connected cylindrical sections of the current supply and forming, which are electrically isolated between themselves by a horizontal gasket. The upper section is current-carrying and is made with a vertical through-slot, in which a vertical electrically insulating gasket is installed. In this case, the current-supplying section at the vertical slot is connected to the first independent electric power source.
Система полых неплавящихся электродов, например двух электродов, установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по окружности и связана со вторым независимым источником электрического питания.A system of hollow non-consumable electrodes, for example two electrodes, is mounted with the possibility of reciprocating movement around the circumference and is connected with a second independent source of electrical power.
Известное устройство для электрошлаковой наплавки работает следующим образом.A known device for electroslag surfacing works as follows.
В рабочем состоянии формирующая секция кристаллизатора своим основанием устанавливается на наплавляемую деталь, которая является дном кристаллизатора. Жидкий шлак заливается в кристаллизатор, причем верхний уровень шлаковой ванны располагается выше нижнего края токоподводящей секции.In working condition, the forming section of the mold with its base is installed on the deposited part, which is the bottom of the mold. Liquid slag is poured into the mold, and the upper level of the slag bath is located above the lower edge of the current-carrying section.
К токоподводящей секции и наплавляемой детали подается электрический ток от первого независимого источника электрического питания. Подача электрического тока от первого независимого источника электрического питания осуществляется в месте вертикальной прорези на токоподводящей секции, что приводит к созданию кругового магнитного поля только в зоне шлаковой ванны. В результате шлаковая ванна приводится во вращение в горизонтальной плоскости.An electric current is supplied to the current-carrying section and the deposited part from the first independent electric power source. Electric current is supplied from the first independent electric power source at the vertical slot in the current-supplying section, which leads to the creation of a circular magnetic field only in the area of the slag bath. As a result, the slag bath is rotated in a horizontal plane.
Наплавочный легированный металл через совершающие механические колебания полые неплавящиеся электроды подается в шлаковую ванну, в которой он расплавляется под действием электрического тока от второго независимого источника электрического питания. Созданное этим током магнитное поле приводит расплавленный металл со шлаком в движение в вертикальной плоскости.Surfacing alloyed metal through mechanical vibrations hollow non-consumable electrodes is fed into a slag bath in which it is melted by an electric current from a second independent source of electrical power. The magnetic field created by this current causes the molten metal with slag to move in a vertical plane.
Воздействие двух магнитных полей и механических колебаний неплавящихся электродов приводит к образованию в шлаковой ванне торообразного вращающегося высокотемпературного потока шлака и легированного металла и равномерному перемешиванию расплавленных легирующих добавок и компонентов шлака.The influence of two magnetic fields and mechanical vibrations of non-consumable electrodes leads to the formation of a toroidal rotating high-temperature flow of slag and alloyed metal in the slag bath and uniform mixing of molten alloying additives and slag components.
Равномерно перемешанный расплавленный легированный металл оседает на наплавляемую деталь, где образуется расплавленная металлическая ванна, в которой при охлаждении металла происходит процесс его кристаллизации. Центрами кристаллизации являются твердые зерна наплавленного или основного металла восстанавливаемой детали. Кристаллы металла начинают расти на твердой поверхности зерен наплавленного металла в направлении максимального теплоотвода перпендикулярно касательной к фронту затвердевания, то есть к центру металлической ванны. При этом в процессе образования кристаллической решетки происходит ликвация легирующих добавок, так как легирующие добавки в жидком металле растворяются лучше, чем в твердом. Выделенные легирующие добавки из раствора скапливаются по границам кристаллов, образуя между кристаллами металла прослойки легирующих добавок.Evenly mixed molten alloyed metal settles on the deposited part, where a molten metal bath is formed, in which the metal crystallizes during metal cooling. The crystallization centers are hard grains of the deposited or base metal of the restored part. Metal crystals begin to grow on the solid surface of the grains of the deposited metal in the direction of the maximum heat sink perpendicular to the tangent to the solidification front, that is, to the center of the metal bath. Moreover, in the process of crystal lattice formation, segregation of dopants occurs, since dopants dissolve better in liquid metal than in solid metal. The isolated dopants from the solution accumulate along the boundaries of the crystals, forming interlayers of dopants between the metal crystals.
Наличие прослоек легирующих добавок между кристаллами металла приводит к переохлаждению расплава металла, что, в свою очередь, увеличивает скорость кристаллизации. При высокой скорости кристаллизации металл кристаллизуется в расплаве в виде игл, образуя стволы (по оси первого порядка). От них по осям второго порядка растут ветви, на которых могут быть новые ветви, растущие по осям третьего порядка, и т.д. В результате образуются древовидные кристаллиты.The presence of layers of alloying additives between the metal crystals leads to supercooling of the metal melt, which, in turn, increases the crystallization rate. At a high crystallization rate, the metal crystallizes in the melt in the form of needles, forming trunks (along the axis of the first order). Branches grow on them along the axes of the second order, on which there can be new branches growing along the axes of the third order, etc. As a result, tree crystallites form.
Закристаллизовавшийся металл образует на восстанавливаемой детали слой легированного металла. Наплавленный металл на восстанавливаемой детали имеет древовидную кристаллическую структуру с прослойками легирующих добавок между ними.Crystallized metal forms a layer of alloyed metal on the restored part. The deposited metal on the restored part has a tree-like crystalline structure with layers of alloying additives between them.
Процесс наплавки продолжается до полного восстановления детали.The surfacing process continues until the part is completely restored.
Использование известного устройства для электрошлаковой наплавки позволяет получить легированный металл с прочностью среднелегированной стали.The use of a known device for electroslag surfacing allows to obtain alloyed metal with the strength of medium alloy steel.
Недостатком является низкая ударная вязкость, обусловленные древовидной структурой кристаллитов и образованием в межкристаллитном пространстве металла прослоек легирующих добавок за счет высокой скорости процесса кристаллизации.The disadvantage is the low impact strength due to the tree-like structure of crystallites and the formation in the intergranular space of the metal layers of alloying additives due to the high speed of the crystallization process.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для электрошлаковой наплавки, принцип действия которого основан на воздействии электромагнитного поля на кристаллизатор и которое позволяет восстанавливать детали из легированной износоустойчивой стали [Пат. 2286229 РФ, МПК B22D 19/10, С22В 9/193, В21В 28/02. Способ электрошлаковой наплавки жидким металлом композитных валков и устройство для его осуществления / Скударь Г.М., Севостьянов С. В., Шабанов В.Б., Свиридов О.В, ВолковА.С, Стрельников Н.П., Нощенко Г.В, НовоселовС. В, Велик В.Н., Попырев А.В.; патентообладатель Закрытое акциомерное общество «Новокраматорский машиностроительный завод» (UA) - №2004119958/02; заявл. 17.05.2002; опубл. 27.10.2006, Бюл. №30].Closest to the claimed device is a device for electroslag surfacing, the principle of which is based on the action of an electromagnetic field on the mold and which allows you to restore parts from alloyed wear-resistant steel [Pat. 2286229 RF, IPC B22D 19/10, С22В 9/193, В21В 28/02. The method of electroslag surfacing with molten metal of composite rolls and a device for its implementation / Skudar G.M., Sevostyanov S.V., Shabanov VB, Sviridov O.V., Volkov A.S., Strelnikov N.P., Noshchenko G.V , Novoselov S. B, Velik V.N., Popyrev A.V .; patent holder Closed Joint-Stock Company Novokramatorsky Machine-Building Plant (UA) - No. 2004119958/02; declared 05/17/2002; publ. 10/27/2006, Bull. No. 30].
Известное устройство для электрошлаковой наплавки содержит секционный кристаллизатор, предназначенный для формирования наплавляемого металла, два независимых источника электрического питания и механизм подъема кристаллизатора относительно восстанавливаемой детали.The known device for electroslag surfacing contains a sectional mold designed to form a weld metal, two independent sources of electrical power and a mechanism for lifting the mold relative to the restored part.
Кристаллизатор представляет собой цилиндрическую емкость без дна, состоящую из трех соединенных цилиндрических секций - токоподводящей, промежуточной и формирующей, которые электрически изолированы между собой горизонтальными прокладками.The mold is a cylindrical tank without a bottom, consisting of three connected cylindrical sections - current-supplying, intermediate and forming, which are electrically isolated between themselves by horizontal gaskets.
Токоподводящая секция кристаллизатора предназначена для нагрева жидкого шлака и расплавления металла и подключена к первому независимому источнику электрического питания.The current-carrying section of the mold is designed to heat liquid slag and to melt the metal and is connected to the first independent source of electrical power.
Промежуточная секция кристаллизатора предназначена для вращения и нагрева жидкого шлака и выполнена со сквозными вертикальными прорезями, в которых установлены вертикальные электроизолирующие прокладки. Промежуточная секция подключена ко второму независимому источнику электрического питания для создания кругового магнитного поля.The intermediate section of the mold is designed to rotate and heat the liquid slag and is made with through vertical slots in which vertical insulating gaskets are installed. The intermediate section is connected to a second independent electric power source to create a circular magnetic field.
Формирующая секция кристаллизатора предназначена для формирования наплавленного слоя легированного металла.The forming section of the mold is designed to form a deposited layer of alloyed metal.
Кристаллизатор соединен с механизмом подъема.The mold is connected to a lifting mechanism.
Известное устройство для электрошлаковой наплавки работает следующим образом.A known device for electroslag surfacing works as follows.
В рабочем состоянии формирующая секция кристаллизатора своим основанием устанавливается на наплавляемую деталь, которая является дном кристаллизатора. В кристаллизатор до уровня, превышающего нижнее основание токоподводящей секции, заливается расплавленный легирующий шлак, который разогревается электрическим током первого независимого источника электрического питания. В разогретую шлаковую ванну токоподводящей секции заливается жидкий металл с легирующими добавками, в которой происходит перемешивание металла со шлаком.In working condition, the forming section of the mold with its base is installed on the deposited part, which is the bottom of the mold. Molten alloying slag is poured into the mold to a level exceeding the lower base of the current-supplying section, which is heated by electric current of the first independent electric power source. Liquid metal with alloying additives is poured into the heated slag bath of the current-carrying section, in which metal is mixed with slag.
На промежуточную секцию подается ток от второго независимого источника электрического питания. Подача электрического тока от второго независимого источника электрического питания приводит к созданию кругового магнитного поля в шлаковой ванне и равномерному перемешиванию компонентов расплавленного шлака с легированным металлом в шлаковой ванне в промежуточной секции.Current is supplied to the intermediate section from a second independent electric power source. The supply of electric current from a second independent source of electrical power leads to the creation of a circular magnetic field in the slag bath and uniform mixing of the components of the molten slag with the alloyed metal in the slag bath in the intermediate section.
Равномерно перемешанный расплавленный легированный металл оседает на наплавляемую деталь в формирующую секцию кристаллизатора, где образуется металлическая ванна. Вращение расплавленного шлака в промежуточной секции за счет сил трения приводит во вращение расплавленный металл в формирующей секции в зоне контакта шлаковой и металлических ванн.Evenly mixed molten alloyed metal settles on the deposited part in the forming section of the mold, where a metal bath is formed. The rotation of the molten slag in the intermediate section due to friction forces rotates the molten metal in the forming section in the contact zone of the slag and metal baths.
При этом в зоне контакта шлаковой и металлических ванн окислители в шлаке окисляют легирующие добавки расплавленного металла в оксиды, которые всплывают в шлаковую ванну. Процесс вывода легирующих добавок из расплавленного металла приводит к уменьшению их количества в наплавляемом металле, по сравнению с количеством легирующих добавок, находящихся в исходном металле.In this case, in the contact zone of the slag and metal baths, oxidizing agents in the slag oxidize the dopants of the molten metal into oxides, which float into the slag bath. The process of removing alloying additives from molten metal leads to a decrease in their amount in the weld metal, compared with the number of alloying additives in the starting metal.
Движение расплавленного металла в формирующей секции вовлекает в процесс окисления большее количество легирующих добавок, еще больше снижая количество легирующих добавок в наплавленном металле по сравнению с количеством легирующих добавок, находящихся в исходном легирующем металле.The movement of the molten metal in the forming section involves a greater amount of alloying additives in the oxidation process, further reducing the amount of alloying additives in the deposited metal compared to the amount of alloying additives in the initial alloying metal.
Процесс кристаллизации металла в металлической ванне начинается на твердой поверхности зерен основного или наплавленного металла. При этом в процессе образования кристаллической решетки металла происходит ликвация легирующих добавок, что объясняется лучшим растворением легирующих добавок в жидком металле, чем в твердом. Выдавленные из раствора легирующие добавки скапливаются по границам кристаллов, образуя между кристаллами металла прослойки легирующих элементов.The process of crystallization of a metal in a metal bath begins on the hard surface of the grains of the base or deposited metal. Moreover, in the process of formation of the crystal lattice of the metal, segregation of dopants occurs, which is explained by a better dissolution of dopants in liquid metal than in solid metal. The alloying additives squeezed out of the solution accumulate along the boundaries of the crystals, forming interlayers of alloying elements between the metal crystals.
Наличие прослоек легирующих элементов между кристаллами металла приводит к переохлаждению расплава металла, что, в свою очередь, увеличивает скорость кристаллизации. Металл при высокой скорости кристаллизации стремится кристаллизоваться в расплаве в виде игл с образованием стволов. Однако поступающие из промежуточной секции новые вращающиеся порции расплавленного металла разрушают игольчатые структуры металла в формирующей секции, создавая в наплавленном металле кристаллиты ячеистой структуры.The presence of layers of alloying elements between the metal crystals leads to supercooling of the metal melt, which, in turn, increases the crystallization rate. The metal at a high crystallization rate tends to crystallize in the melt in the form of needles with the formation of trunks. However, new rotating portions of molten metal coming from the intermediate section destroy the needle-like structures of the metal in the forming section, creating crystallites of a cellular structure in the deposited metal.
Закристаллизовавшийся металл образует на восстанавливаемой детали слой легированного металла. Наплавленный металл на восстанавливаемой детали имеет ячеистую структуру с прослойками легирующих добавок между ними.Crystallized metal forms a layer of alloyed metal on the restored part. The deposited metal on the restored part has a cellular structure with layers of alloying additives between them.
По мере образования слоя наплавленного металла кристаллизатор поднимается. Процесс наплавки продолжается до полного восстановления детали.As the deposited metal layer forms, the mold rises. The surfacing process continues until the part is completely restored.
Использование известного устройства для электрошлаковой наплавки позволяет получить легированный металл с прочностью среднелегированной конструкционной стали.The use of a known device for electroslag surfacing allows to obtain alloyed metal with the strength of medium alloy structural steel.
Недостатком является низкая ударная вязкость наплавленного металла, обусловленная наличием прослоек легирующих добавок в его межкристаллитном пространстве, и недостаточная прочность металла, соответствующая среднелегированной стали, что обусловлено уменьшением количества легирующих добавок в наплавленном металле по сравнению с количеством легирующих добавок, находящихся в исходном легирующем металле.The disadvantage is the low toughness of the deposited metal, due to the presence of layers of alloying additives in its intercrystalline space, and the insufficient strength of the metal corresponding to medium alloyed steel, which is caused by a decrease in the number of alloying additives in the deposited metal compared to the number of alloying additives in the initial alloying metal.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для электрошлаковой наплавки, позволяющее повысить ударную вязкость наплавленного металла за счет введения легирующих добавок из межкристаллитного пространства в кристаллическую решетку металла при одновременном повышении прочности металла до высоколегированной высокопрочной стали за счет переноса всех исходных легирующих добавок в наплавленный металл.The problem solved by the invention is to develop a device for electroslag surfacing, which allows to increase the toughness of the weld metal by introducing alloying additives from intercrystalline space into the crystal lattice of the metal while increasing the strength of the metal to high alloy high-strength steel by transferring all the original alloying additives to the weld metal .
Для решения поставленной задачи в устройство для электрошлаковой наплавки, содержащее секционный кристаллизатор, предназначенный для формирования наплавляемого металла, включающий расположенные по высоте и изолированные друг от друга токоподводящую, промежуточную и формирующую секции и выполненный с возможностью перемещения относительно наплавляемой детали, а также первый и второй независимые источники электрического питания, при этом первый независимый источник электрического питания, предназначенный для нагрева сварочной ванны, подключен к токоподводящей секции, второй независимый источник электрического питания, предназначенный для создания кругового магнитного поля, подключен к промежуточной секции, а промежуточная секция выполнена со сквозными прорезями, в него введен кольцевой разомкнутый электромагнит, предназначенный для воздействия магнитным полем на жидкий наплавляемый металл, при этом кристаллизатор установлен в зазоре кольцевого разомкнутого электромагнита, который прикреплен у основания формирующей секции кристаллизатора и подключен к третьему независимому источнику электрического питания, причем высота стенки электромагнита и высота стенки формирующей секции кристаллизатора относятся как 1:2-1:3.To solve this problem, an apparatus for electroslag surfacing containing a sectional mold designed to form a weld metal, including current-supplying, intermediate and forming sections located in height and isolated from each other and made with the possibility of movement relative to the weld part, as well as the first and second independent electric power sources, the first independent electric power source for heating the weld pool s, connected to the current-conducting section, the second independent source of electrical power, designed to create a circular magnetic field, is connected to the intermediate section, and the intermediate section is made with through slots, a ring open electromagnet is introduced into it, designed to influence the magnetic weld metal by the magnetic field, the mold is installed in the gap of the annular open electromagnet, which is attached at the base of the forming section of the mold and connected to a third an independent electric power source, the wall height of the electromagnet and the wall height of the forming section of the mold are 1: 2-1: 3.
Заявляемое решение охарактеризовано по сравнению с прототипом новой совокупностью существенных признаков и отличается от него введением в устройство для электрошлаковой наплавки новых конструктивных элементов: кольцевого разомкнутого электромагнита с высотой стенок соотнесенной с высотой стенок формирующей секции кристаллизатора как 1:2-1:3, и третьего независимого источника электрического питания и новым взаимным расположением элементов в устройстве.The claimed solution is characterized in comparison with the prototype by a new set of essential features and differs from it by the introduction of new structural elements into the device for electroslag surfacing: an annular open electromagnet with a wall height correlated with the wall height of the mold section of the mold as 1: 2-1: 3, and a third independent electric power source and a new relative arrangement of elements in the device.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».The presence of significant distinguishing features indicates the conformity of the proposed solution to the patentability criterion of the invention of "novelty."
Введение в устройство для электрошлаковой наплавки кольцевого разомкнутого электромагнита с определенными параметрами и третьего независимого источника электрического питания приводит к переходу легирующих добавок из межкристаллитного пространства в кристаллическую решетку металла и полному переносу всех исходных легирующих добавок в наплавленный металл и, как следствие, к повышению ударной вязкости и прочности металла до высоколегированной стали. Это обусловлено сообщением дополнительной энергии магнитного поля кольцевого разомкнутого электромагнита кристаллизирующемуся металлу только в наиболее охлаждаемой нижней части формирующей секции, приводящем к замедлению образования кристалла основного металла и удержанию в нем атомов легирующих добавок при одновременном сохранении в наплавленном металле количества легирующих добавок, сопоставимого с количеством легирующих добавок в исходном металле, за счет исключения возможности активного окисления легирующих добавок в металле с компонентами шлака в зоне их контакта.The introduction into the device for electroslag surfacing of an annular open electromagnet with certain parameters and a third independent source of electrical power leads to the transition of alloying additives from the intergranular space to the metal crystal lattice and the complete transfer of all the initial alloying additives to the weld metal and, as a result, to increase the impact strength and strength of metal to high alloy steel. This is due to the additional energy of the magnetic field of the annular open electromagnet being reported to the crystallizing metal only in the most cooled lower part of the forming section, which leads to a slowdown in the formation of the base metal crystal and the retention of dopant atoms in it while maintaining the amount of dopant in the deposited metal comparable with the amount of dopant in the starting metal, by eliminating the possibility of active oxidation of dopants in meta lle with components of slag in the zone of their contact.
Новая совокупность существенных признаков, приводящая к проявлению нового результата, не обнаружена в уровне техники, явным образом не следует из него, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».A new set of essential features, leading to the manifestation of a new result, is not found in the prior art, does not explicitly follow from it, which indicates that the proposed solution meets the patentability criterion of the invention “inventive step”.
На чертеже представлен вертикальный разрез устройства для электрошлаковой наплавки, иллюстрирующий заявляемое устройство и подтверждающий его работоспособность и промышленную применимость.The drawing shows a vertical section of a device for electroslag surfacing, illustrating the inventive device and confirming its performance and industrial applicability.
Устройство для электрошлаковой наплавки содержит секционный кристаллизатор 1, предназначенный для формирования наплавляемого металла, кольцевой разомкнутый электромагнит 2, предназначенный для воздействия магнитным полем на жидкий наплавляемый металл, три независимых источника электрического питания (не показаны) и механизм подъема 3 кристаллизатора 1 относительно восстанавливаемой детали.The device for electroslag surfacing contains a
Кристаллизатор 1 представляет собой цилиндрическую емкость без дна, состоящую из трех соединенных цилиндрических секций - токоподводящей 4, промежуточной 5 и формирующей 6, которые электрически изолированы между собой горизонтальными прокладками 7.The
Токоподводящая секция 4 кристаллизатора 1 предназначена для нагрева жидкого шлака и расплавления металла и подключена к первому независимому источнику электрического питания.The current-carrying
Промежуточная секция 5 кристаллизатора 1 предназначена для вращения и нагрева жидкого шлака и выполнена со сквозной вертикальной прорезью, в которой установлена вертикальная электроизолирующая прокладка 8. Промежуточная секция 5 в зоне вертикальной электроизолирующей прокладки 8 подключена ко второму независимому источнику электрического питания для создания кругового магнитного поля.The
Формирующая секция 6 кристаллизатора 1 предназначена для формирования наплавленного слоя легированного металла.The forming
Кристаллизатор 1 установлен в зазоре кольцевого разомкнутого электромагнита 2. При этом кольцевой разомкнутый электромагнит 2 прикреплен к формирующей секции 6 у основания кристаллизатора 1 и подключен к третьему независимому источнику электрического питания. Высота стенки электромагнита 2 и высота стенки формирующей секции 6 кристаллизатора 1 относятся как 1:2-1:3. Основания кольцевого разомкнутого электромагнита 2 и формирующей секции 6 кристаллизатора 1 установлены на одном уровне.The
Кристаллизатор 1 соединен с механизмом подъема 3.The
Устройство для электрошлаковой наплавки работает следующим образом.A device for electroslag surfacing works as follows.
В рабочем состоянии формирующая секция 6 кристаллизатора 1 своим основанием устанавливается на наплавляемую деталь, которая является дном кристаллизатора 1.In working condition, the forming
В кристаллизатор 1 до уровня. превышающего нижнее основание токоподводящей секции 4, заливается расплавленный легирующий шлак, который разогревается электрическим током первого независимого источника электрического питания. В разогретую шлаковую ванну токоподводящей секции 4 засыпается металлическая стружка легированного металла, в которой происходит расплавление металла и его перемешивание со шлаком.In
В промежуточной секции 5 кристаллизатора 1 на шлаковую ванну воздействует круговое магнитное поле, созданное вторым независимым источником электрического питания, которое повышает температуру шлаковой ванны и приводит ее во вращение в горизонтальной плоскости. В результате в шлаковой ванне происходит интенсивное равномерное перемешивание компонентов легирующего шлака с расплавленным металлом при высокой температуре и восстановление легирующих добавок из их оксидов, входящих в состав шлака, с образованием свободных атомов легирующих добавок, которые растворяются в расплавленном металле.In the
Расплавленный металл с растворенными в них легирующими добавками оседает на дно формирующей секции 6 кристаллизатора 1, образуя в ней металлическую ванну расплавленного легированного металла, в которой происходит процесс кристаллизации металла под действием магнитного поля электромагнита 2.The molten metal with alloying substances dissolved in them settles to the bottom of the forming
С началом кристаллизации в металлической ванне формирующей секции 6 образуется два слоя металла, находящихся в разных агрегатных состояниях: в жидком и в кристаллизующимся, причем высота кристаллизующегося слоя составляет 1:2-1:3 высоты металлической ванны формирующей секции 6. Электромагнитное поле электромагнита 2 действует в металлической ванне только на слой кристаллизующегося металла и не действует на жидкий металл, находящийся в верхней части металлической ванны формирующей секции 6.With the beginning of crystallization in a metal bath of forming
Легирующие добавки в жидком металле, контактирующем со шлаком, и не подверженном действию внешних сил, окисляются окислителями из шлака. Оксиды этих добавок переходят из металла в шлак в зоне их контакта только за счет естественного теплового движения, не затрагивая глубинные слои жидкого металла. Это приводит к сохранению в жидком металле исходного количества легирующих добавок. Следовательно, легирующие добавки остаются в жидком металле и переходят в твердую фазу при кристаллизации.Alloying additives in liquid metal in contact with slag and not subject to external forces are oxidized by oxidizing agents from slag. The oxides of these additives pass from metal to slag in the zone of their contact only due to natural thermal motion, without affecting the deep layers of the liquid metal. This leads to the preservation of the initial amount of alloying additives in the liquid metal. Therefore, dopants remain in the liquid metal and pass into the solid phase during crystallization.
Кристаллы легированного металла начинают расти на твердой поверхности зерен основного металла восстанавливаемой детали. При этом в процессе образования кристаллической решетки происходит ликвация легирующих добавок, так как легирующие добавки лучше растворяются в жидком металле, чем в твердом. Выдавленные из раствора легирующие добавки скапливаются по границам кристаллов, образуя между кристаллами металла прослойки легирующих элементов.Doped metal crystals begin to grow on the hard surface of the grains of the base metal of the restored part. Moreover, in the process of formation of the crystal lattice, segregation of alloying additives occurs, since alloying additives dissolve better in liquid metal than in solid metal. The alloying additives squeezed out of the solution accumulate along the boundaries of the crystals, forming interlayers of alloying elements between the metal crystals.
Наличие прослоек легирующих элементов между кристаллами металла приводит к переохлаждению расплава металла, что, в свою очередь, увеличивает скорость кристаллизации. Металл при высокой скорости кристаллизации стремится кристаллизоваться в расплаве в виде игл с образованием стволов.The presence of layers of alloying elements between the metal crystals leads to supercooling of the metal melt, which, in turn, increases the crystallization rate. The metal at a high crystallization rate tends to crystallize in the melt in the form of needles with the formation of trunks.
Новые порции расплавленного жидкого металла, поступившие в слой кристаллизующего металла, под действием сил электромагнитного поля электромагнита 2 приходят в направленное движение, разрушая игольчатые структуры металла, создавая в наплавленном металле кристаллиты ячеистой структуры.New portions of molten liquid metal entering the crystallizing metal layer, under the action of the electromagnetic field of
Кроме того, энергия магнитного поля электромагнита 2 сообщает кристаллизующемуся металлу дополнительную энергию, повышая его температуру, что приводит к замедлению образования кристалла основного металла и удержанию в кристалле основного металла атомов легирующих добавок. Легирующие добавки структурируются в кристаллите основного металла без образования прослоек легирующих добавок в межкристаллитном пространстве, что уменьшает процесс их ликвации.In addition, the energy of the magnetic field of
В результате закристаллизовавшийся металл образует на восстанавливаемой детали слой легированного металла, имеющего мелкозернистую ячеистую структуру с легирующими добавками в количестве, сопоставимом с количеством легирующих добавок в исходном металле, равномерно распределенными в кристаллической решетке металла без прослоек легирующих добавок в межкристаллитном пространстве.As a result, the crystallized metal forms a layer of a doped metal on the reconditioned part having a fine-grained cellular structure with dopants in an amount comparable to the amount of dopants in the initial metal uniformly distributed in the metal lattice without interlayers of dopants in the intergranular space.
По мере образования слоя наплавленного металла кристаллизатор 1 механизмом подъема 3 поднимается относительно восстанавливаемой детали. При этом магнитное поле электромагнита 2 всегда воздействует только на кристаллизирующуюся часть металла в формирующей секции 6.As a layer of deposited metal is formed, the
Процесс наплавки продолжается до полного восстановления детали.The surfacing process continues until the part is completely restored.
При выборе высоты стенок электромагнита 2 меньше 1:3 высоты формирующей секции 6 магнитное поле электромагнита 2 воздействует не на всю зону кристаллизующегося металла. В результате при кристаллизации в наплавленном металле, создаются кристаллиты древовидной структуры и сохраняются процессы ликвации, создающие прослойки легирующих добавок в межкристаллитном пространстве.When choosing the height of the walls of
При выборе высоты стенок электромагнита 2 больше 1:2 высоты формирующей секции 6 магнитное поле электромагнита 2 воздействует на всю зону металлической ванны. В результате в движение приходит расплавленный металл в верхней части металлической ванны, вовлекает в процесс окисления большее количество легирующих добавок, тем самым снижая количество легирующих добавок в наплавленном металле по сравнению с количеством легирующих добавок, находящихся в исходном легирующем металле.When choosing the height of the walls of
В условиях учебных мастерских кафедры «Технология металлов» ДВГУПС проведены опытные наплавки электрошлаковым способом на заявляемом устройстве и устройстве-прототипе, металлографические исследования и механические испытания образцов наплавленного металла.Experimental surfacing by the electroslag method on the inventive device and prototype device, metallographic studies and mechanical tests of deposited metal samples were carried out in the conditions of the training workshops of the Department of Metal Technology of the Far Eastern Federal University of Railway Transport.
Пример 1.Example 1
Для наплавки использован цилиндрический кристаллизатор внутренним диаметром 150,0 мм, состоящий из трех секций, высота нижней формирующей секции составляла 25,0 мм. Кольцевой разомкнутый электромагнит изготовлен с высотой стенки в зазоре 12,5 мм. В качестве наплавочного металла применена мелкая стружка из стали с содержанием вольфрама 22%. В качестве шлака использован расплавленный флюс АН-8, содержащий SiO2 в пределах 33,0-39,0%, MnO -21,0-26,0%, CaF2 - 3,5-8,4%, CaO - 4,0-7,0%, MgO - 5,0-7,5%, Аl2О3 - 11,0-15,0%, CaF2- 13,0-19,0%, Fe2O3- 1,5-3,5%.For surfacing, a cylindrical mold with an inner diameter of 150.0 mm, consisting of three sections, was used, the height of the lower forming section was 25.0 mm. An annular open electromagnet is made with a wall height in the gap of 12.5 mm. As surfacing metal, small steel shavings with a tungsten content of 22% were used. The molten flux AN-8 containing SiO 2 in the range of 33.0-39.0%, MnO -21.0-26.0%, CaF 2 - 3.5-8.4%, CaO - 4 was used as slag. , 0-7.0%, MgO - 5.0-7.5%, Al 2 O 3 - 11.0-15.0%, CaF 2 - 13.0-19.0%, Fe 2 O 3 - 1.5-3.5%.
Высота наплавленного металла составляла 50,0 мм.The height of the deposited metal was 50.0 mm.
Пример 2. Наплавка осуществлялась, как в примере 1. Для наплавки использован кольцевой разомкнутый электромагнит с высотой стенки в зазоре 8,5 мм.Example 2. Surfacing was carried out, as in example 1. For surfacing, an annular open electromagnet with a wall height in the gap of 8.5 mm was used.
Пример 3. Наплавка осуществлялась, как в примере 1. Для наплавки использован кольцевой разомкнутый электромагнит с высотой стенки в зазоре 15,0 мм.Example 3. Surfacing was carried out, as in example 1. For surfacing, an annular open electromagnet with a wall height in the gap of 15.0 mm was used.
Пример 4. Наплавка осуществлялась, как в примере 1. Для наплавки использован кольцевой разомкнутый электромагнит с высотой стенки в зазоре 7,0 мм.Example 4. Surfacing was carried out, as in example 1. For surfacing, an annular open electromagnet with a wall height in the gap of 7.0 mm was used.
Пример 5. Наплавка осуществлялась, как в примере 1. Для наплавки использован кристаллизатор по прототипу.Example 5. Surfacing was carried out, as in example 1. For the deposition, a mold according to the prototype was used.
Исследование твердости образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 9012-59 по методу Бринелля. Испытания на ударную вязкость проводились в соответствии с ГОСТ 9454-78. Испытания на прочность при разрыве проводились в соответствии с ГОСТ 1497-84.The study of the hardness of the samples was carried out in accordance with GOST 9012-59 according to the Brinell method. Impact tests were carried out in accordance with GOST 9454-78. Tensile strength tests were carried out in accordance with GOST 1497-84.
Исследование структуры полученных сплавов при микроскопическом анализе проводилось с помощью металлографического микроскопа ЕС МЕТАМ РВ-21 при увеличении до ×1000 и программно-аппаратного комплекса металлографического анализа «СпектрМет-5.6». Микротвердость определялась на приборе ПМТ-3 с учетом рекомендаций по выбору нагрузки и времени нагружения. Особенности строения полученных материалов изучались на растровом электронно-зондовом микроскопе JXA-8100 (IEOL, Япония) с приставкой электронно-зондового микроанализатора - рентгеновского спектрометра EDS (Великобритания) с волновой дисперсией. Элементный состав полученных материалов изучался с помощью рентгеновского спектрометра "Спектроскан MAKC-GV". Фазовый состав исследовали на рентгеновском дифрактометре "ДРОН-7".A study of the structure of the obtained alloys during microscopic analysis was carried out using an EC METAM RV-21 metallographic microscope with a magnification of up to × 1000 and the SpectrMet-5.6 software and hardware complex for metallographic analysis. Microhardness was determined on a PMT-3 device taking into account recommendations for choosing the load and loading time. The structural features of the obtained materials were studied using a JXA-8100 scanning electron probe microscope (IEOL, Japan) with an attachment of an electron probe microanalyzer - an EDS X-ray spectrometer (Great Britain) with wave dispersion. The elemental composition of the obtained materials was studied using a Spectroscan MAKC-GV X-ray spectrometer. The phase composition was studied on a DRON-7 X-ray diffractometer.
Результаты механических испытаний, химического и фазового анализа наплавленного металла приведены в таблице.The results of mechanical tests, chemical and phase analysis of the weld metal are shown in the table.
раNo. Note
ra
лю, НВBrinell hardness
Liu, HB
Результаты испытаний показывают, что механические показатели металла, наплавленного с помощью заявляемого устройства, значительно превосходят показатели металла, наплавленного с помощью устройства-прототипа. Это объясняется тем, что при применении заявляемого устройства из исходного металла в наплавляемый переходит большее количество вольфрама, и большая часть его находится в виде твердого раствора в кристаллической решетки железа.The test results show that the mechanical properties of the metal deposited using the inventive device significantly exceed the performance of the metal deposited using the prototype device. This is due to the fact that when using the inventive device, a larger amount of tungsten passes from the source metal to the deposited metal, and most of it is in the form of a solid solution in the crystal lattice of iron.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012156123/02A RU2514245C1 (en) | 2012-12-24 | 2012-12-24 | Device for electroslag hard-facing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012156123/02A RU2514245C1 (en) | 2012-12-24 | 2012-12-24 | Device for electroslag hard-facing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2514245C1 true RU2514245C1 (en) | 2014-04-27 |
Family
ID=50515587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012156123/02A RU2514245C1 (en) | 2012-12-24 | 2012-12-24 | Device for electroslag hard-facing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2514245C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1500327A (en) * | 1976-08-18 | 1978-02-08 | Ass Elect Ind | Production of tubular ingots |
| US6283198B1 (en) * | 1997-03-18 | 2001-09-04 | Zakrytoe Aktsionernoe Obschestvo “Elmet-Rol-Guppa Medovara” | Electroslag facing process |
| RU2174153C1 (en) * | 2000-08-15 | 2001-09-27 | Открытое акционерное общество "Новолипецкий металлургический комбинат" | Method of electroslag facing of rolls |
| RU2271267C1 (en) * | 2004-06-28 | 2006-03-10 | Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Large-size end faces electroslag surfacing method |
| RU2286229C2 (en) * | 2002-03-05 | 2006-10-27 | Закрытое акционерное общество "Новокраматорский машиностроительный завод" | Method of electro-slag hard-facing of composite rolls with liquid metal and device for realization of this method |
-
2012
- 2012-12-24 RU RU2012156123/02A patent/RU2514245C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1500327A (en) * | 1976-08-18 | 1978-02-08 | Ass Elect Ind | Production of tubular ingots |
| US6283198B1 (en) * | 1997-03-18 | 2001-09-04 | Zakrytoe Aktsionernoe Obschestvo “Elmet-Rol-Guppa Medovara” | Electroslag facing process |
| RU2174153C1 (en) * | 2000-08-15 | 2001-09-27 | Открытое акционерное общество "Новолипецкий металлургический комбинат" | Method of electroslag facing of rolls |
| RU2286229C2 (en) * | 2002-03-05 | 2006-10-27 | Закрытое акционерное общество "Новокраматорский машиностроительный завод" | Method of electro-slag hard-facing of composite rolls with liquid metal and device for realization of this method |
| RU2271267C1 (en) * | 2004-06-28 | 2006-03-10 | Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Large-size end faces electroslag surfacing method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | In-situ wire-feed additive manufacturing of Cu-Al alloy by addition of silicon | |
| Nguejio et al. | Comparison of microstructure features and mechanical properties for additive manufactured and wrought nickel alloys 625 | |
| Li et al. | Laser cladding in-situ NbC particle reinforced Fe-based composite coatings with rare earth oxide addition | |
| Wang et al. | The exceptional strong face-centered cubic phase and semi-coherent phase boundary in a eutectic dual-phase high entropy alloy AlCoCrFeNi | |
| Ding et al. | Electron microscopy study of direct laser deposited IN718 | |
| Ma et al. | Control of the precipitation of TiN inclusions in gear steels | |
| Nahmany et al. | Al x CrFeCoNi high-entropy alloys: Surface modification by electron beam bead-on-plate melting | |
| KR20100036973A (en) | Forging and crankshaft manufactured from the same | |
| JP5589516B2 (en) | Steel for thick plate | |
| Dong et al. | Microstructure and properties of Cu-Cr powder metallurgical alloy induced by high-current pulsed electron beam | |
| Li et al. | Effect of Secondary Aerosol Cooling on the Characteristics of Carbides in M42 High‐Speed Steel Produced by the Electroslag Remelting Withdrawal Process | |
| Sajadifar et al. | On the Friction Stir Processing of Additive‐Manufactured 316L Stainless Steel | |
| Ma et al. | Cleanliness improvement and microstructure refinement of H13 die steel by laboratory magnetic-controlled electroslag remelting | |
| RU2514245C1 (en) | Device for electroslag hard-facing | |
| JPWO2014125770A1 (en) | Lead free cutting steel | |
| Islam et al. | Investigations of Microstructure and Mechanical Properties in Wire+ Arc Additively Manufactured Niobium–Zirconium Alloy | |
| Mitelea et al. | Enhancement of cavitation erosion resistance of cast iron with TIG remelted surface | |
| Chen et al. | Microstructure and wear resistance of Fe-based coatings formed by plasma jet surface metallurgy | |
| Shi et al. | Effect of mold rotation on the bifilar electroslag remelting process | |
| Nakazawa et al. | Friction stir welding of steels using a tool made of iridium-containing nickel base superalloy | |
| Qi et al. | Multi‐Stage Enhanced Removal of Inclusions During Electroslag Remelting Process by a Static Magnetic Field | |
| Youn et al. | Effect of sonotrode material on grain refining of Mg–3Al and Mg–9Al alloys by ultrasonic melt treatment | |
| Li et al. | The effect of continuous electron beam scanning process on the microstructure and geometry of U-5.5 wt% Nb alloy | |
| Xiang et al. | Microstructure and mechanical properties of a new type of austempered boron alloyed high silicon cast steel. | |
| Zhuo et al. | Effects of trace boron addition and different arc types on microstructure and mechanical properties of TC11/TC17 dual alloy fabricated by wire arc additive manufacturing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171225 |