Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием
The paper presents the design of the tool and materials, hard tungsten-containing alloys of VK type, for manufacture of the work tool for the process of friction stir welding (FSW).
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2010
|
| Series: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/23477 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием / В.И. Зеленин, М.А. Полещук, Е.В. Зеленин, П.М. Кавуненко, И.М. Попович, А.Л. Майстренко, В.А. Лукаш, Н.М. Прокопив, О.В. Харченко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 476-479. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-23477 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-234772011-07-30T12:08:16Z Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием Зеленин, В.И. Полещук, М.А. Зеленин, Е.В. Кавуненко, П.М. Попович, И.М. Майстренко, А.Л. Лукаш, В.А. Прокопив, Н.М. Харченко, О.В. Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности The paper presents the design of the tool and materials, hard tungsten-containing alloys of VK type, for manufacture of the work tool for the process of friction stir welding (FSW). 2010 Article Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием / В.И. Зеленин, М.А. Полещук, Е.В. Зеленин, П.М. Кавуненко, И.М. Попович, А.Л. Майстренко, В.А. Лукаш, Н.М. Прокопив, О.В. Харченко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 476-479. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. XXXX-0065 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/23477 621.793 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности |
| spellingShingle |
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Зеленин, В.И. Полещук, М.А. Зеленин, Е.В. Кавуненко, П.М. Попович, И.М. Майстренко, А.Л. Лукаш, В.А. Прокопив, Н.М. Харченко, О.В. Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description |
The paper presents the design of the tool and materials, hard tungsten-containing alloys of
VK type, for manufacture of the work tool for the process of friction stir welding (FSW). |
| format |
Article |
| author |
Зеленин, В.И. Полещук, М.А. Зеленин, Е.В. Кавуненко, П.М. Попович, И.М. Майстренко, А.Л. Лукаш, В.А. Прокопив, Н.М. Харченко, О.В. |
| author_facet |
Зеленин, В.И. Полещук, М.А. Зеленин, Е.В. Кавуненко, П.М. Попович, И.М. Майстренко, А.Л. Лукаш, В.А. Прокопив, Н.М. Харченко, О.В. |
| author_sort |
Зеленин, В.И. |
| title |
Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием |
| title_short |
Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием |
| title_full |
Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием |
| title_fullStr |
Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием |
| title_full_unstemmed |
Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием |
| title_sort |
восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/23477 |
| citation_txt |
Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием / В.И. Зеленин, М.А. Полещук, Е.В. Зеленин, П.М. Кавуненко, И.М. Попович, А.Л. Майстренко, В.А. Лукаш, Н.М. Прокопив, О.В. Харченко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 476-479. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| work_keys_str_mv |
AT zeleninvi vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT poleŝukma vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT zeleninev vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT kavunenkopm vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT popovičim vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT majstrenkoal vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT lukašva vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT prokopivnm vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT harčenkoov vosstanovlenieplitmednyhkristallizatorovnepreryvnojrazlivkistalimetodomnaplavkitreniemsperemešivaniem |
| first_indexed |
2025-07-03T01:20:43Z |
| last_indexed |
2025-07-03T01:20:43Z |
| _version_ |
1836586781598810112 |
| fulltext |
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
476
ного зерна в композиционной капсуле толщиной ≥ 50 мкм в целях создания высокопрочных
металло-алмазных гетерогенных структур инструментального назначения.
Литература
1. Дуда Т. М. Металлизированные никелем, медью и титаном алмазные и кубонитовые
шлиф- и микропорошки // Інструмент. світ. – 1999. – № 4–5. – С. 28–29.
2. Дуда Т. М. Эффективные покрытия для порошков алмаза и КНБ, их структурные осо-
бенности и области промышленного применения // Синтез, спекание и свойства
сверхтвердых материалов: Сб.науч.тр. – К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Ук-
раины, 2005.– С.86–95.
3. Ткач С. В. Особливості використання растрової електронної мікроскопії при
дослідженні композитних надтвердих матеріалів та багатошарових плівкових
покриттів // Сверхтвердые материалы. – 2001. – № 3. – С. 54–61.
4. Васько А. Т. Электрохимия молибдена и вольфрама. – К.: Наук. думка, 1977. – 172 с.
5. Кришталик М. И. Электродные реакции. Механизм элементарного акта. – М.: Наука,
1979. – 224 с.
6. Васько В. Т. Электрохимия тугоплавких металлов. – К.: Тэхника, 1983. – 160 с.
7. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник: В 2-х т. / Под ред. М. А.
Шлугера, Л. Д. Тока. – М.: Машиностроение, 1985. – Т. 2. – 248 с.
Поступила 07.07.10
УДК 621.793
В. И. Зеленин
1
, канд. техн. наук; М. А. Полещук
1
, Е. В. Зеленин
1
, П. М. Кавуненко
1
,
И. М. Попович
1
, А. Л. Майстренко
2
, д-р техн. наук; В. А. Лукаш
2
, Н. М. Прокопив
2
, кан-
дидаты технических наук; О. В. Харченко
2
1
Институт электросварки им. Е .О. Патона НАН Украины, г. Киев
2
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПЛИТ МЕДНЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ НЕПРЕРЫВНОЙ
РАЗЛИВКИ СТАЛИ МЕТОДОМ НАПЛАВКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
The paper presents the design of the tool and materials, hard tungsten-containing alloys of
VK type, for manufacture of the work tool for the process of friction stir welding (FSW).
В сталеплавильном производстве при непрерывной разливке стали используют кри-
сталлизаторы из меди, имеющей высокую теплопроводность и обеспечивающей быстрое
образование корки металла на поверхности слитка. При движении слитка через кристаллиза-
тор в зоне взаимодействия его поверхности со стенкой из меди, наблюдается значительный
абразивный износ меди. Это приводит к нарушению начальной геометрии кристаллизатора,
выходу его из строя и значительным материальным потерям. В этой связи требуется их час-
тое восстановление. Однако обычными методами сварки и наплавки плавлением восстано-
вить кристаллизаторы трудно, вследствие снижения их теплопроводности и коробления. С
этой целью исследовали возможность использования нового процесса сварки в твердой фазе
методом трения с перемешиванием (СТП) [1;2].
Этот процесс (разработанный Британским институтом сварки в 1991 году), представляет
собой сварку в твердой фазе и выгодно отличается от традиционных методов сварки. В этой свя-
зи области его применения постоянно расширяются. Только в Японии разрабатываются техно-
логии СТП для таких отраслей, как вагоно-, автомобиле-, авиа- и судостроение.
РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
477
В Украине технология сварки трением с перемешиванием активно разрабатывается в
Институте электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины для сварки алюминия, меди, титана.
Инструмент для реализации этой технологии разрабатывается в Институте сверхтвердых
материалов им. В. Н. Бакуля (ИСМ) НАН Украины.
Этот же процесс (сварки в твердой фазе) используют для наплавки, в частности, вос-
становления медных плит кристаллизаторов непрерывной разливки стали.
Применение для этих целей наплавки трением с перемешиванием позволяет восстанав-
ливать медные плиты кристаллизаторов без изменения их теплофизических характеристик.
Большинство исследователей [3;4] указывают следующие преимущества СТП и НТП
по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений: сохранение боль-
шинства свойств основного металла в зоне сварки по сравнению со способами сварки плав-
лением; отсутствие вредных испарений и ультрафиолетового излучения в процессе сварки;
возможность получения бездефектных швов на сплавах, которые при сварке плавлением
склонны к образованию горячих трещин и пористости в металле швов; отсутствие необхо-
димости применения присадочного материала и защитного газа, удаления поверхностных
оксидов на кромках перед сваркой, а также шлака и брызг после сварки.
Одной из главных проблем при сварке металлов методом трения с перемешиванием
является стойкость вращающегося инструмента, который подвергается воздействию значи-
тельных нагрузок и высоких температур.
При сварке либо наплавке вращающийся инструмент погружается в свариваемый мате-
риал. Свариваемый материал за счет теплоты, выделяемой при вращении и трении инструмента,
опластичивается и при поступательном движении вдоль обрабатываемого изделия перетекает в
свободную зону за инструмент, образуя сварочный шов. При этом материал инструмента под-
вергается значительным знакопеременным термомеханическим нагрузкам.
Как показывают результаты простых расчетов, для успешного опластичивания и пе-
ремешивания металла сплава необходима температура на 50–100 °С превышающая темпера-
туру начала рекристаллизации наплавляемого металла, что при наплавке меди составляет
650-750 °С. Это подтверждается практическими замерами при наплавке меди. Таким обра-
зом, инструмент для наплавки под действием высокой температуры, должен обеспечивать
технологический цикл при различных скоростях, являясь фактором управления микрострук-
турой и, следовательно, качеством сварки.
Применение опытных образцов инструмента, изготовленных из различных марок жаро-
прочных и труднообрабатываемых сталей, показало их непригодность для этих целей. Исполь-
зуя опыт создания высокоэффективных твердосплавных инструментов вращающегося типа для
породоразушающего инструмента, ИСМ НАН Украины использовали подобный тип инстру-
мента для наплавки меди методом трения с перемешиванием.
Для выяснения возможности применения твердого сплава для такого инструмента пред-
варительно из стандартной смеси ВК8 производства КЗТС (Россия) исследовали образцы, спе-
ченные в метано-водородной среде и вакууме. Полученные физико-механические и структурные
характеристики этих образцов приведены соответственно в табл.1 и 2.
Таблица 1. Физико-механические характеристики сплава ВК 8
Режим спе-
кания
Средний
диаметр
зерна
dср, мкм
Коэрцитивная
сила Н, кА/м
Плотность
γ,г/см
3
Твердость
НRа
Предел прочно-
сти при изгибе
Rbm, МПа
стандартный 1,60-2,20 9,0-9,5 14, 5–14,8 88,0 170
метано-
водородный
1,96 9,0 14,72 88,5 185
вакуумый 1,69 9,3 14,77 89,6 205
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
478
Таблица 2. Структурные характеристики сплава ВК 8
Режим спе-
кания
Объѐмная
доля пор,
%
Количество
пор > 50
мкм,
Размер ко-
бальтовой
фазы, L, мкм
Содержание
свободного
углерода, %
Размер отдель-
ных крупных
зерен или их
скоплений,мкм
стандартнй Д1-В2 – 0,1-0,5 >0,2 15-20
метано
водородный
Д1 0,01 55, 73 0,1-0,5 ≈0,2 15-20
вакуумный В1 0,01 – 0,1-0,2 – 10-15
Результаты анализа приведенных данных показывают, что спекание в вакууме обеспе-
чивает более высокие по сравнению со спеканием в метано-водородной среде. физико-
механические свойства. Кроме того, структура сплава имеет меньшую пористость, меньший
средний размер карбидных зерен и кобальтовых прослоек. Характерная структура образца ва-
куумного спекания и структура с включением отдельных крупных зерен показаны на рис 1.
а б
Рис. 1. Структуры сплава ВК 8 после вакуумного спекания, х1600:
а – характерная; б- с включением отдельных крупных зерен
С учетом полученных данных из сплава ВК8 изготовили опытную партию образцов
инструмента, общий вид которых показан на рис. 2.
Рис.2. Общий вид инструментов для наплавки методом трения с перемешиванием
В качестве оборудования для восстановления кристаллизаторов непрерывной разлив-
ки стали использовали специально сконструированную установку для наплавки медных плит
методом НТП. Технические характеристики этой установки следующие:
- мощность головного привода, кВт 30
- толщина наплавляемого слоя меди, мм, не более 10
РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
479
- частота вращения инструмента, мин
-1
500-3500
- усилие, воспринимаемое шпинделем, кг:
осевое
5000
радиальное 2000
- скорость перемещения инструмента при наплавке
листа толщиной 5 мм
200
- широта захвата при наплавке листа толщиной 5 мм,
мм, не более
10
Фото, иллюстрирующие процесс наплавки экспериментальной установкой методом
НТП на медную плиту М 1 размером 800х200х25 медного листа М-1 толщиной 4 мм показа-
ны на рис. 3. На площади, составляющей ⅔ плиты, наплавку произвели в течение 30 мин.
При этом внешний осмотр и экспресс исследование дефектов не выявили.
Рис. 3. Фото: а – процесса наплавки; б – плиты кристаллизатора после частичной
наплавки и порезки.
Выводы
1. Созданный из сверхтвердых материалов инструмент позволяет методом трения с пе-
ремешиванием проводить наплавку и сварку меди и ее сплавов в производственных условиях.
2. Производственные испытания показали, что наиболее рациональным для использо-
вания в процессе НТП твердый сплав ВК8 вакуумного спекания.
3. Результаты анализа и изучения фрагмента наплавленной плиты показали, что обра-
зуемый в процессе НТП шов ровный и гладкий, коробления медной плиты и трещин в ней не
обнаружено. Это свидетельствует о том, что в данном случае тепловложение в плиту значи-
тельно меньшее по сравнению с тепловложением в плиту в процессах сварки и наплавки
плавлением. При этом резко снижаются остаточные напряжения, что позволяет производить
наплавку больших площадей.
4. Применение метода НТП для восстановления наплавкой медных плит МНЛЗ по-
зволит значительно сэкономить материальные ресурсы, благодаря многократному их ис-
пользованию.
Литература
1. Ларс Седерквист. Сварка на тысячелетия // Светсарен, – 2005 – № 2. – С. 31–32.
2. Штрикман М. М. Состояние и развитие процесса сварки трением линейных соедине-
ний (обзор) // Свароч. производство. – 2007. – № 10 – С. 25–32.
3. Pat. GB 2306366A, UK, B 23 K 20/12. Fricshion stir welding / T. W. Morris, E. D. Nicho-
las, J. C. Needham et al.; Опубл. 1997.
4. Tool technology. The heart of FSW W. M. Thomas, P. Threadgill, D. Nicholas et al. // Con-
nect. – 2000. – P. 3.
Поступила 07.07.10
|