Раздел 2 Повышение прочностных характеристик сердечника порошковой ленты
Принято считать, что благодаря интенсивной конвекции в ванне металл шва
однороден по всему сечению. Лишь вблизи линии сплавления при сварке разнородных
сплавов и наплавке сплавов, отличающихся по составу от основного металла,
образуется слой переменного состава. Тем не менее, известно [69], что при
легировании через электродное покрытие, сердечники порошковых электродов
(проволок и лент), керамические флюсы и стержни, неподвижную присадку и
присадочные порошки кроме слоя переменного состава у линии сплавления возможно
проявление химической неоднородности по длине и высоте валика.
Этому вопросу посвящены работы Фрумина И.И., Юзвенко Ю.А., Ерохина А.А.,
Пацкевича И.Р. и др. Указывается, что при легировании через сердечник
порошковых электродов химическая макронеоднородность наплавленного металла
может быть следствием просыпания шихты сердечника в ванну, минуя стадию капли,
и неравномерного распределения легирующих элементов по сечению электродного
материала [3, 9, 16 и др.].
2.1 Структурно-механические свойства сердечника порошковой ленты
Технологическим процессом изготовления порошковых лент для наплавки
предусматривается операция уплотнения сердечника в оболочке путем прокатки в
двухвалковой клети. При этом сердечник представляет собой совокупность
мелкодисперсных частиц, связанных в точках механических контактов и создающих в
силу этого материал, воспринимающий и распределяющий внешнюю нагрузку. Наиболее
приближенной к реальной структуре является в данном случае система, в которой
весь объем дисперсного материала предполагается заполненным одинаковыми
жесткими сферическими частицами, т.е. истинную шихтовую структуру сердечника
для анализа удобно заменить моделью фиктивной композиции. Максимальная
плотность упаковки частиц достигается при их укладке в сфероидальное тело (рис.
2.1), при этом угол ромбоэдра составляет 90°.
Иной крайний случай расположения частиц фиктивной композиции – когда угол
ромбоэдра составляет 60°. В этом случае получаемая схема рыхлой упаковки
демонстрирует максимально неустойчивую систему с наименьшей плотностью частиц.
Геометрический анализ [71] приводит к следующему выражению для величины
пористости:
, (2.1)
где m – пористость в долях единицы;
q - угол ромбоэдра.
Из (2.1) следует, что пористость фиктивной композиции определяется не размером
частиц, а исключительно способом раскладки шаров. Крайние значения пористости
фиктивной композиции составляют: при q=90°, m=0,476; при q=60°, m=259.
Реальная шихтовая композиция отличается от фиктивной следующим:
ее зерна не являются точно сферическими и не имеют строго одинаковых размеров.
Экспериментально это было подтверждено опытами [55] по исследованию среднего
размера частиц, оцениваемого отношением их объема к поверхности, и коэффициента
формы частиц, оцениваемого по методике [72] отклонением от шаровидной формы,
ряда сырьевых компонентов сварочных флюсов;
контакт между ними осуществляется не в точках, а на некоторых площадках;
в пределах одного макроскопического объема реальной композиции с той или иной
степенью уплотнения различные элементарные ячейки имеют несколько различную
укладку и несколько различные углы ромбоэдра. В работе [73] путем взвешивания
сплошного и порошкового электрода
одинакового состава и диаметра установлено, что до 15% объема сердечника
занимают поры.
Анализируя кинетику уплотнения шихты порошковой ленты на стадии изготовления,
представляющий собой совокупность мелкодисперсных частиц, связанных в точках
механических контактов и создающих в силу этого материал, воспринимающий и
распределяющий внешнюю нагрузку, нетрудно убедиться, что уплотнение происходит
за счет структурной компоненты деформации – движения частиц друг относительно
друга до устойчивого состояния с максимально возможным числом контактов.
Графически динамику процесса можно представить, согласно [74] следующим образом
(рис. 2.2).
Рисунок 2.2 – График динамики процесса прессования
В результате создается зернистая дискретная структура, отличающаяся по
свойствам от континуальной. Поведение такой системы игнорирует индивидуальность
каждой отдельной взятой частицы, а учитывает лишь то общее, что влияет на
свойства среды в целом – невозможность достижения структурно-механических
характеристик, свойственных монолитной массе.
При выполнении сварочно-наплавочных операций часть шихты попадает в сварочную
ванну, минуя стадию капли. Неравномерный характер поступления легирующих,
раскисляющих и других компонентов шихты обуславливает возникновение химической
макронеоднородности металла шва, приводит к флуктуациям механических свойств и
снижению его технологических свойств и эксплуатационных характеристик.
Таким образом, уменьшение просыпания шихты позволяет улучшить качество
порошковой ленты, ее сварочно-технологические свойства и повысить качество
наплавленного металла.
Одним из рациональных методов повышения структурно-механических свойств с
подобной организацией частиц является введение в состав шихтовой композиции
связующего, идея применения которого заключается в переводе дискретных частиц
сердечника в монолитную массу.
При этом сердечник необходимо рассматривать как статистический комплекс
элементарный областей, в которых частицы взаимосвязаны с совершенно различными
химическими, механическими и термическими свойствами. Каждая такая область –
это сложный составной материал.
В качестве связующих при производстве электродов, флюсов, покрытий для защиты
поверхности от налипания брызг расплавленного металла использую