Разработка технологических основ формирования рабочих поверхностей, структуры и свойств электрошлаковых наплавок-отливок инструментальных сталей

• Автор: Арсенкин, Валерий Тихонович
• Шифр специальности: 05.03.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 68 с. : ил.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В условиях зарождающихся в России рыночной экономики и малого бизнеса возрастает роль увеличения эффективности машиностроения, одной го основных задач которого является повышение надежности и качества деталей машин и срока службы металлообрабатывающего инструмента. Особо актуальной представляется проблема изготовления штампового и режущего инструмента с использованием энерго- и ресурсосберегающих технологий, среди которых весьма заметную роль выполняют электрошлаковые процессы переплава (Э1ШТ), наплавки (ЭШН) и отливки (ЭШО) сложно-профильных эдектро шлаковых заготовок инструмента, по форме и размерам близких к готовому штампов о му и металлорежущему инструменту.
Несмотря на явные технико-экономические преимущества элекг-рошлаковых технологий, разработанных в Институте электросварки им. Е.О.Патона АН Украины и опубликованных в многочисленных фундаментальных работах, монографхгях, пособиях и статьях Б.Е.Па-тона, Б.И.Медовара, Г.А.Бойко, Ю.В.Латаша, В.И.Махненко, Д.А.Дуд-ко, В.Л.Шевцова и других, остается малоизученным в теоретическом и практическом аспектах влияние электрошлаковых процессов на формирование сложно-фасонных рабочих поверхностей, макро- и микроструктуру и функциональные свойства и прежде всего износостойкость штампового и металлорежущего инструмента.
Одним из путей решения данной проблемы является разработка технологических основ формирования поверхности, структуры и свойств электрошлаковых наплавок-отливок инструментальных сталей на базе исследований основных характеристик, зависящих от режима элекгрошдакового процесса, схем подключения электродов и других параметров, таких как: распределение рабочего тока в кристаллизаторе при ЭШП, тепловой баланс в шлаковой ванне, локальная плотность тдплового потока через стенку кристаллизатора, электрическая прово- * ?сть шлаковой ванны, глубина проплавления при ЭШН, темпе-..„гура шлаковой и металлической ванны, толщина шлакового гарни-еажа и др.
Необходимость широкого внедрения электрошлаковых процессов г. производстве инструмента в условиях малого предпринимательства, а работки соответствующих кристаллизаторов, формирующих фасон-шектрошлаковые наплавки и отливки, и металлофлюсовых смесей втоматизации "старта” при получении сложно-профильных элект-

рошлаковых заготовок штампового и металлорежущего инструмента небольших сечений предопределяет актуальность задачи исследования и разработки рациональных режимов ЭШП, ЭШН, ЭШО, обеспечивающих высокое качество и производительность при минимальных эяерго- и ресурсозатратах.
Работа выполнена на кафедре “Оборудование и технология сварочного производства” и “Малый бизнес и сварочное производство” Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ) им. И.И.Ползунова в рамках программ, включенных на конкурсной основе: общесоюзная научно-техническая программа ГК СМ СССР по науке и технике 0,72.01 “Новые процессы сварки и сварные конструкции” (1977...1980 гг.), координационные планы работ по сварке ГКНТ СССР (1981... 1990 гг), ГНТП “Перспективные материалы” (1990, 91 гг.), Республиканская НТП “Перспектива” (1990 г.), Республиканская НТП “Исследование, разработка, освоение и выпуск мелкосерийной и малотоннажной наукоемкой продукции для народного хозяйства РФ” (1992 г.), Республиканская межвузовская НТП “Сварочное производство” (1992...1994 гг.), Республиканская НТП “Технические университеты России” (1993...1994 гг.), Региональные НТП “Сибирь” и “Нефть и газ Сибири” (1994...1997 гг.), Единый наряд-заказ Госкомвуза - Министерства общего и профессионального образования РФ (1990... 1997 гг.)
Цель работы. Разработка технологических основ формирования сложно-фасонной рабочей поверхности, макро- и микроструктуры и функциональных свойств элекгрошлаковых наплавок-отливок штампового и металлорежущего инструмента.
Для достижения этой цели в работе поставлены следу ющие научные и прикладные задачи:
- выполнить комплексные исследования электрошлакового процесса наплавки, отливки и переплава для получения заготовок инструмента, имеющего сложно-фасонный профиль рабочей поверхности с требуемыми физико-механическими свойствами;
- исследовать влияние параметров электрошлакового процесса и схемы подключения электродов на распределение тока в кристаллизаторах при ЭШП, оказывающего влияние на температуру шлаковой и металлической ванны, локальную плотность теплового потока через стенку кристаллизатора и формирование корочки шлакового гарниса-жа и сажевидного налета;
- разработать методику расчета функциональной связи важнейшего параметра ЭШП — электрической проводимости шлаковой ванны

Авторами [47] проведены широкие испытания нескольких видов кристаллизаторов конструкции АПИ с целью выяснения их соответствия различным требованиям, в том числе и с целью определения стойкости против прожогов и оплавления внутренней гильзы из материалов-заменителей меди.
Испытания показали непригодность при работе на флюсе АНФ-6 корковых и оболочковых неметаллических гильз, удовлетворительную стойкость алюминиевых цилиндрических гильз (рис.2.10, 2.11). Была подтверждена вполне достаточная стойкость медных гильз (рис.2.12а).
Некоторая универсальность кристаллизаторов конструкции АПИ достигается за счет легкости смены внутренней гильзы, формирующей элекгрошлаковую отливку - сложно-профильную заготовку инструмента.
Влияние конструкции кристаллизатора на толщину гарнисажа. В процессе электрошлаковой отливки-наплавки заготовок режущего (рис.2.126...2.156) и штампового (рис.2.16...2.20) инструмента между отливкой и внутренней сложно-рельефной фасонной стенкой формирующего устройства водоохлаждаемого кристаллизатора образуется корочка из закристаллизовавшегося шлака-гарнисажа. Толщина гарнисажа (5Г) определяется в основном соотношением между' количеством тепла (<35), подводимым от шлаковой ванны к зеркалу металлической ванны (рис. 1.6) и (Об) отводимым от цилиндрической части кристаллизующегося металла, которое с свою очередь зависит от распределения тока, влияния величины межэлекгродного промежутка (/?) и
отношения г/к (см.раздел-1, табл.1.1, рис.1.3, рис.1.4, рис.1.5). Чем толще образующийся гарнисаж, тем хуже формирование сложнофасонной отливки. Сложный внутренний профиль формирующего устройства (рис. 2.10) не обеспечивает одинаковых условий теплоотвода от различных поверхностей отливки. В местах сопряжения поверхностей отливаемого инструмента по внутреннему радиусу образуется более толстый гарнисаж (5Г), чем на плоских поверхностях и на поверхностях, сопрягаемых по наружному' радиусу. Особенно значительно увеличение толщины гарнисажа наблюдается в местах сопряжения боковых поверхностей под острым углом с малым внутренним радиусом сопряжения (вершины зубьев металлорежущего инструмента, либо гравюры штампового инструмента (рис.4.2), причем чем меньше внутренний радиус и угол сопряжения, тем толще образующийся в вершине утла гарнисаж, тем хуже формирование сложно-профильной рабочей поверхности элекгрошяаковых заготовок инструмента. Это приводит к уменьшению заполняемости металлом внутрен-