Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

В области наплавки композиционных материалов (КМ) на основе твёрдых карбидных частиц имеется достаточное количество экспериментальных данных, разработанных авторами различных школ: СибГИУ [1–3], ВолгГТУ [4–6], ИС им. Е.О. Патона [7–9], так и зарубежных [10–12]. Однако практически отсутствуют работы, исследующие процесс нагрева и взаимодействие твёрдых частиц с металлом-связкой, приводящих к образованию сложнолегированных структур в процессе наплавки. Прочность при высоких температурах и износостойкость КМ, упрочнённых твёрдыми частицами, как указывают авторы монографий [13–15], напрямую зависит от физических факторов: температуры нагрева твёрдых частиц в шлаковой ванне; размера частиц и расстояния между ними; протяжённости зоны сплавления; теплофизических свойств сплава-связки (матрицы) и твёрдых частиц, а также объёмной доли упрочняющей фазы. Поэтому, учитывая повышенную прочность спечённых твёрдых сплавов ТН 20 на изгиб и на сжатое σ_изг = 1,15-1,60, σ_сж = 3,5-4,5 ГПа, высокую микротвердость Нμ = 18,5-22,0 ГПа, наибольшую вязкость среди спечённых твёрдых сплавов KCU = 0,9-1,2 МДж/м2, хорошую смачиваемость металлами группы железа (угол смачивания 0 град) и повышенную жаропрочность и жаростойкость, в работе были использованы в качестве износостойкой твёрдой фазы КМ при электрошлаковой наплавке (ЭШН) спечённые твёрдые сплавы на основе карбида титана типа ТН 20 [2, 8, 16].

Для математического моделирования теплометрических параметров ЭШН КМ, обеспечивающих повышенную высокотемпературную износостойкость наплавленных деталей, установлены следующие цели:

- измерение удельной электропроводности и плотности тока ЭШН с целью моделирования температурного поля шлаковой ванны [1, 16, 17];

– исследование температурного поля ЭШН с использованием взаимосвязанного численного описания электротеплового поля с помощью методики, основанной на способе численного сеточного моделирования [1, 18, 19];

- построение зон распределения температуры шлаковой ванны, нагрева и движения твёрдых частиц в шлаковом потоке, с помощью математического моделирования, основанном на параметрах ЭШН в каждом опыте [1, 19, 20];

- использование скоростной киносъёмки движения твёрдых частиц в шлаковой ванне, с целью определения траектории движения, нагрева и времени пребывания твёрдых частиц в высокотемпературной зоне ЭШН [3, 21, 22].

Для разработки перспективных способов ЭШН КМ на основе спечённого твёрдого сплава типа ТН 20 необходимо изучить влияние параметров ЭШН на температурные поля шлаковой ванны, с целью регулирования нагрева и взаимодействия твёрдых частиц в матрице КМ. Это позволит разработать рациональные способы подачи твёрдых частиц в зону наплавки, определить опорные значения режимов ЭШН, установить приёмы управления технологическими процессами, предотвращающие растворение твёрдых частиц в матрице и образование сложнолегированных структур в КМ [3, 7, 23].

Материалы и методы исследования

Температуру в каждой точке шлаковой ванны можно моделировать с помощью удельной электропроводности шлака (по известной температурной зависимости), измеряемой в этой точке разработанным устройством. Устройство включает в себя датчик, источник напряжения Г на 100 мВ частотой 5 кГц, ламповый вольтметр V с диапазоном измеряемых напряжений до 100 мВ, универсальный амперметр A с диапазоном измеряемых токов 0,03...300 мА, переключатель П [1, 18, 19].

Моделирование температурного поля шлаковой ванны проводили с использованием экспериментально найденных краевых условий. Взаимосвязанное численное описание электрического и теплового, иначе электротеплового поля шлаковой ванны можно осуществить с помощью методики, основанной на способе численного сеточного моделирования. Учитывая нестационарный характер тепловых процессов при электрошлаковой наплавке КМ по слою шихты, и особенно при дозированной подаче твёрдых частиц в шлаковую ванну, при описании температурных полей в каждом сечении шлаковой ванны в предположении изотропности пространства за основу было взято уравнение теплопроводности на основе оператора Лапласа ∇²T = ∂²T/∂y² + ∂²T/∂z² [1, 17, 18].

Микротвердость КМ, в том числе отдельно матрицы и твёрдых частиц, измеряли в интервале температур 20–800 °С на установке ИМАШ-9-66, имеющей специальное устройство для такого измерения. Механические испытания на растяжение КМ проводили на установке ИМАШ-5С-69 «Киргизстан» для высокотемпературной металлографии и на установке Р-5, оборудованной печью с карборундовыми силитовыми нагревателями, что позволило проводить испытания в интервале температур 20–800 °С [23–25].

Результаты исследования и их обсуждение

При электрошлаковой наплавке (ЭШН) композиционных материалов (КМ) неплавящимся электродом используются в основном две основные схемы: по слою шихты и вертикальная наплавка [3, 9, 24]. В обоих случаях явление массопереноса в шлаковой ванне оказывает существенное влияние на температурное поле ЭШН и нагрев твёрдых частиц. Кроме того, при подаче твёрдых частиц типа ТН 20 через слой шлака массоперенос оказывает влияние на траекторию движения и нагрев частиц твёрдого сплава ТН 20 в высокотемпературной зоне, следовательно, вызывает интерес скорость движения частиц ТН 20 и расплава шлака как внутри, так и на свободной поверхности шлаковой ванны.

Теоретическое определение температуры квазистационарного теплового поля в каждой точке шлаковой ванны даже при неизменных параметрах ЭШН: объёме, удельной теплоёмкости, теплопроводности и массе шлака – задача весьма сложная. В процессе исследования температуру в каждом элементарном объёме шлаковой ванны измеряли параллельно двумя способами: прямым – посредством термопары, и косвенным – с использованием устройства для оценки удельной высокотемпературной электропроводности жидких сред. Установка датчика и подготовка к измерению при прямом и косвенном способах подобны, но имеются различия в конструкции измерительных устройств и в методике оценки температуры.

Рис. 1. Схема замера температур шлаковой ванны прямым способом при ЭШН: 1– неплавящийся графитовый электрод; 2 – графитовая заглушка; 3 – шлаковый гарнисаж; 4 – термопара в чехле; 5 – рабочий спай термопары; 6 – алундовая соломка

В первом случае основным датчиком служила вольфрам-рениевая термопара ВР-5/20, которая вставлялась в алундовый чехол с наружным диаметром 11 мм и толщиной стенки 3 мм. Датчик устанавливался горизонтально в подвижной графитовой заглушке толщиной 30 мм (рис. 1), причём рабочий конец термопары совмещался с центром изучаемого локального объёма шлаковой ванны, находившегося в её плоскости симметрии. Для повышения сохранности датчика в период выхода на заданные параметры ЭШН перед ним устанавливали дополнительный графитовый экран, который убирали в процессе стабилизации, и электрод возвращался в исходное положение. При этом в комплекте с термопарой использовали двухкоординатный потенциометр КСП-4 [1, 18, 20].

Температуру приграничных зон шлаковой ванны определяли прямым путём с помощью термопары ВР-5/20 и потенциометра КСП-4. Использование для этой цели косвенного способа часто невозможно, так как удельная электропроводность шлака при температурах приграничных слоёв ниже 1050 °С близка к нулю. При изучении приграничного с кристаллизатором слоя шлаковой ванны использовали кварцевый чехол с изогнутой под 45 град. концевой частью. Его опускали в ванну и в исследуемой точке утыкали концом в образующийся на стенке кристаллизатора гарнисаж. В детали сверлили сквозные отверстия, в которые снизу вставляли алундовые соломки с термопарами. Рабочие спаи термопар непосредственно контактировали с приграничным с деталью слоем шлака. При измерении температуры на границе шлак – воздух применяли кварцевый чехол, который вместе с термопарой погружали в шлак на 2...3 мм.

Косвенный способ измерения температуры в элементарном объёме шлаковой ванны основан на известной зависимости удельной электропроводности большинства расплавленных флюсов для ЭШН от температуры. Для каждого флюса соответствующая зависимость была получена разработанным датчиком в процессе эксперимента. Температуру в каждой точке шлаковой ванны можно косвенно оценивать по удельной электропроводности шлака, измеряемой в этой точке разработанным датчиком. Устройство включает в себя датчик, источник напряжения Г на 100 мВ частотой 5 кГц, ламповый вольтметр V с диапазоном измеряемых напряжений до 100 мВ, универсальный амперметр A с диапазоном измеряемых токов 0,03...300 мА, переключатель П. Датчик содержит 8 электродов из вольфрамовой проволоки диаметром 0,5 мм, которые введены в алундовые трубки с наружным диаметром 3,4 мм. Трубки помещены в кварцевый цилиндр, пространство между трубками и цилиндром заполнено спечённым алундовым порошком. На рабочем конце датчика электроды выступают из алундовых трубок на 1 мм, которые непосредственно контактируют с расплавом шлака. Один конец измерительной цепи (рис. 2) через переключатель П соединяется с вспомогательными (контрольными) электродами 3...8 датчика, размещёнными радиально вокруг основного (токового) электрода 1, который подсоединён ко второму концу токовой цепи. Под токовыми электродами 1 и 2 понимаются электроды, через которые протекает ток от источника питания устройства по цепи: источник > токовый электрод 1 > шлаковая ванна > токовый электрод 2 > амперметр А > выключатель В > источник.

Датчик погружали в шлаковую ванну так, чтобы выступающий из трубки рабочий конец токового электрода 1 совпадал с центром изучаемой локальной области. В момент измерения ток наплавки отключали, а тумблер устройства В включали. Последовательно измеряли падения напряжения U3...U8 между первым токовым электродом 1 и каждым из контрольных электродов 3...8. Дополнительно измеряли ток, протекающий через электроды 1–2. В промежутках между опытами включали повышенный ток наплавки для прогрева ванны до рабочих температур, чтобы режим наплавки соответствовал базовому: Iш = 350 А, Uш = 40 В. При достижении в форсированном режиме тока Iф.ш источник питания отключали и проводили новое параллельное измерение. Общее время всех замеров одним датчиком не превышало 3 мин.

Рис. 2. Датчик и принципиальная схема для косвенного измерения температуры: П – переключатель; Р – потенциометр КСП-4; 1 – первый токовый электрод; 2 – второй токовый электрод; 3 – спечённый алундовый порошок; 4 – кварцевая трубка

После статистической обработки данных параллельных измерений удельную электропроводность локального объёма шлаковой ванны оценивали по формуле (1) [1, 18, 19]:

[Ом-1, м-1] (1)

где K – константа устройства; I – ток, усреднённый по результатам параллельных опытов,

– средние (по данным параллельных опытов) падения напряжения на участке ванны между первым токовым и соответственно одним из контрольных электродов 3...5, В.

Константу K предварительно определяли по данным контрольных измерений. Относительная погрешность косвенного способа измерения температуры, посредством замера удельной электропроводности разработанным датчиком при рабочих температурах до 1700 °С, составляет менее 5 %. Целесообразность комплексного измерения обусловливается наличием случайных помех, влияющих на оценки температуры. Для повышения достоверности результатов оценки, полученные прямым и косвенным способами, усредняли.

Математическое моделирование температурного поля шлаковой ванны проводили с использованием экспериментально найденных краевых условий. Взаимосвязанное численное описание теплового поля шлаковой ванны осуществляли с помощью методики, основанной на способе численного сеточного моделирования [1, 18, 19]. При моделировании начало координат располагается в центре дна прямоугольной шлаковой ванны с наплавленным слоем. Ось абсцисс X направлена по ходу движения, ось ординат У – поперёк детали, ось аппликат Z – вертикально вверх. Предполагается, что краевые условия задачи моделирования температурных полей шлаковой ванны соответствуют симметрии температуры относительно оси аппликат. Учитывая нестационарный характер тепловых процессов при наплавке КМ по слою шихты, и особенно при дозированной подаче твёрдых частиц в шлаковую ванну, при описании температурных полей в каждом сечении ванны в предположении изотропности пространства за основу было взято уравнение теплопроводности (2) [1, 17, 18]:

(2)

где T = f (X, У, Z, t) – температура в точке шлаковой ванны с координатами, X-const, У, Z в момент времени τ; α = λ/(cρ) - средняя температуропроводность; λ и с – средние теплопроводность и удельная теплоёмкость; ρ - средняя плотность шлака в описываемом диапазоне температур; qv – плотность теплового потока в элементарном объёме; ∇²T = ∂²T/∂y² + ∂²T/∂z²– оператор Лапласа, записанный для двумерной области в декартовой системе координат.

Поскольку основные параметры ЭШН ток и напряжение (Iн и Uн) становятся постоянными только при установившемся процессе, следовательно, их нельзя использовать как независимые, с этой целью был реализован план полнофакторного эксперимента 2³ (табл. 1) с тремя независимыми параметрами: диаметр электрода Dэ, межэлектродный промежуток (расстоянием между электродом и наплавляемым слоем) Нм и сопротивление балластных реостатов R_б.

По результатам замеров при пятикратном дублировании опытов изучали распределение температур шлаковой ванны и наплавленного металла. Поиск значений коэффициентов Тr и Kr для каждого опыта осуществляли методом наименьших квадратов. Коэффициенты полученных уравнений рассматривались в качестве откликов эксперимента. В результате статистической обработки данных эксперимента найдены регрессионные зависимости, связывающие коэффициенты степенных уравнений с параметрами ЭШН [1, 18, 19]:

Т = Тг (3)

где r – радиальная координата, 0 < r < Bш.в.

Т_r = 1238,2 – 18,5Н′мэ + 121,6Д_э′ – 7,7R_б′ – 41,4Н′мэ·Дэ′ – 73,3H′_мэ·R_б′ + 23,3Д_э′·R_б′ + 47,3Н′_мэ·R_б′·Д_э′; (4)

K_r = 2,1·10^-4 + 0,03·10^-4 Н_мэ′ + 0,085·10^-4 Дэ′ +0,055·10^-4 R_б′ + 0,2·10^-4 H_мэ′·Дэ′;

Д_э′ = (Д_э – 3,0)/0,5; Н_мэ′ = (Н_мэ – 1,1)/0,3;

R_б′ = (R_б – 0,115)/0,025. (5)

Подставляя параметры ЭШН в уравнения 3–5, можно оценить температуру шлаковой ванны и наплавленного КМ. Рассчитанные на ЭВМ кривые распределения температур на поверхности наплавленного КМ хорошо согласуются с экспериментальными данными, приведёнными на рис. 3. На основе этих данных температурное поле шлаковой ванны было описано рядом изотерм. Для нахождения параметров в промежуточных точках шлакового объёма между экспериментальными точками использовалась линейная интерполяция. По результатам математического моделирования строили распределение температуры шлаковой ванны в каждом опыте и в центре плана эксперимента. Наибольший интерес с точки зрения качества наплавленного слоя представляет анализ температур в хвостовой области шлаковой ванны, пройденной электродом. Пример построения температурного поля по продольному сечению шлаковой ванны показан на рис. 3. Характер распределений температуры является общим для всех построений: расширение области нагрева сразу за электродом с её последующим сужением и поднятием к поверхности ванны, вследствие охлаждения.

Таблица 1

План полнофакторного эксперимента параметров ЭШН

Для определения характера и численных значений скоростей движения расплава шлака и твёрдых частиц, вносимых в шлаковую ванну, широкое распространение получила киносъёмка [3, 21, 22]. Ввиду труднодоступности исследуемых зон, высокой температуры и агрессивности шлака, применение других средств измерения скоростей движения твёрдых частиц в жидкой шлаковой ванне затруднительно. В настоящей работе киносъёмка проводилась в видимых лучах при установившемся процессе ЭШН кинокамерой «Красногорск-2» со скоростью 24 кадра в секунду через нейтральный фильтр (рис. 4). Для визуализации движения твёрдых частиц в расплаве шлаковой ванны во время киносъёмки на определённую поверхность шлаковой ванны подавали частицы твёрдого сплава различной фракции 0,60-2,8 мм. На кинограмме (рис. 4) движения расплава шлака на свободной поверхности шлаковой ванны видно, что электрод в области сухого вылета нагрет меньше, чем шлак, и хорошо контрастирует с ним. Таким образом, определение места вхождения электрода в шлак не представляет трудностей. В течение всего времени движения по линии АА твёрдые частицы ТН 20 остаются достаточно холодными и на изображении фиксируются в виде темных точек на яркой поверхности шлаковой ванны. В каждом опыте киносъёмку движения твёрдых частиц производили восемь раз. При обработке результатов эксперимента расстояние от электрода до кристаллизатора по линии АА разбивали на три равных участка со скоростями соответственно v1, v2, v3. Замер скоростей производили на монтажном столике с учётом масштаба изображения по величине перемещения твёрдых частиц от кадра к кадру. Интервал времени между кадрами известен и составляет 1/24 с.

После проведения эксперимента с помощью полнофакторного эксперимента построены регрессионные уравнения, связывающие средние скорости v1, v2, v3 с параметрами ЭШН получения КМ (6) [3, 18, 20]:

v1 = 0,15 + 0,008 D`э – 0,006 D`э.Н`м.э – 0,009 D`э.R`б;

v2 = 0,164 – 0,009 D`э.H`м.э – 0,007 D`э.R`_б;

v3 = 0,115 + 0,0073 H`м.э – 0,004 D`э .H`м.э – 0,004 D`э.R`б. (6)

где D`э = (Dэ – 30)/5; Н`_м.э = (Н _м.э – 11)/3; R`_б = (R_б – 0,115)/0,025.

В табл. 2 даётся анализ качества моделирования скорости движения твёрдых частиц в расплаве шлака. Наблюдается систематическая абсолютная ошибка моделирования скорости, которая в направлении от электрода в начале отрицательна, затем меняет знак и продолжает расти. В качестве возможных причин этого явления можно указать раздельный аддитивный характер учёта в модели конвективных и электромагнитных сил, а поскольку модель построена для квазистационарных условий, не учитывающих зависимость жидкотекучести шлака от температуры, что, естественно, улавливают натурные измерения.

Рис. 3. Температурное поле шлаковой ванны (поперечное и продольное), рассчитанное методом моделирования (сплошные линии) и замеренное термопарами (пунктирные линии)

Для контроля проведено измерение скорости движения потока шлака механическим устройством (графитовой вертушкой на оси), как на свободной поверхности, так и во внутренних объёмах шлаковой ванны с помощью киносъёмки через кварцевое стекло. Плавное изменение тока наплавки Iн и межэлектродного промежутка Нм.э на 20-30 % слабо сказывается на скорости движения твёрдых частиц и расплава шлака, меняющихся при этом на 10-15 %. Это обуславливает близость результатов измерения скорости движения частиц механическим устройством (вертушкой) и киносъёмкой, полученных для несколько отличных условий [1, 19, 22].

Как показывают результаты исследований в широком рабочем диапазоне изменения параметров ЭШН КМ неплавящимся электродом, направление движения потока расплава жидкого шлака и траектория движения твёрдых частиц на свободной поверхности шлаковой ванны всегда постоянно: от электрода к кристаллизатору. Это способствует траектории движения твёрдых частиц по сравнительно низкотемпературным участкам жидкого шлака, в которых твёрдые частицы нагреваются не выше температуры шлака 1150...1250 °С и, попадая в расплав сплава-связки, хорошо им смачиваются. Такой температурный режим предохраняет твёрдые частицы от чрезмерного разогрева, а следовательно, исключает интенсивное растворение ТН 20 в жидкой матрице КМ [26–28].

Рис. 4. Скоростная киносъёмка движения твёрдых частиц в шлаковой ванне