Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

3. Перспективным в ремонтной практике подвижного состава является

внедрение прогрессивных технологий, позволяющих с использованием флюсов на основе многокомпонентных минеральных ассоциаций формировать высококачественные покрытия.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является решение задач повышения работоспособности деталей подвижного состава, восстанавливаемых электрической наплавкой под флюсом с комплексным использованием минерального сырья Дальневосточного региона.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- разработка флюсов для автоматической наплавки на основе комплексного использования минерального сырья Дальневосточного региона;

- экспериментальная проверка технологичности опытных флюсов;

исследование состава, структуры и свойств металла, наплавленного под опытными флюсами.

3МЕТОДИКА, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

1. 3.1Методика создания легирующих покрытий

При всех способах электрической сварки и наплавки плавящимся электродом (кроме сварки в среде защитных газов) образуется шлаковая ванна, которая обеспечивает защиту жидкого металла от внешней среды, поддерживает на необходимом уровне технологические характеристики сварки, во многом предопределяет внешние параметры наплавленного металла, формирует состав, структуру и свойства сформированной поверхности, позволяет легировать электродный материал, что является одним из определяющих факторов при получении новых сплавов и покрытий.

Многофункциональность шлаковой системы обеспечивает ее многокомпонентный состав и многовариантность взаимодействия как между ее составляющими, так и элементами электродного и основного материала.

Как показано в [11] в общем виде систему "технология – сварочная ванна" можно описать как S={Ρ, V, Q}, где P ­ способ (технология); V - сварочная ванна; Q - их взаимосвязи.

В свою очередь, совокупность структурных составляющих можно представить: Р={Э‚ М}, V={K, U, R, L}, где Э, М – электрические и механические параметры способа; К – капля электродного материала; U - расплавленная металлическая ванна; R - шлаковая ванна; L - газовая среда.

Ведущая роль в системе отводится жидкому шлаку и расплавленным основному и электродному металлам с определенным набором химических элементов (а₁, а₂,…а_п), активность которых зависит от температуры и времени протекания реакций (Т, τ).

Усложняют процесс формирования швов и покрытий высокая активность химических элементов в условиях больших температур, постоянно меняющийся состав сварочной ванны, наличие обратимых реакций и т.д. Поэтому качественно решить вопрос получения необходимых свойств формируемых поверхностей с использованием сложного, многокомпонентного минерального сырья существующими в настоящее время методами, основанными на анализе квазиравновесных физико-химических процессов, практически невозможно. Поэтому задача решалась по методологии, приведенной в [9], где сварочная ванна представляет собой множество элементов, находящихся между собой и окружающей средой в тесной взаимосвязи, т.е. влияние сварочной ванны на состав, структуру и свойства наплавляемого металла изучается комплексно экспериментально-статистическими методами.

В отличие от принятой практики, когда прогнозирование ведется по одному-двум "чистым" легирующим элементам, использование экспериментально-статистических методов позволяет при неполном знании механизмов явлений, происходящих в сложной сварочной ванне, строить и анализировать математические модели, связывающие свойства со всеми теми переменными, от которых эти свойства зависят, а по результатам анализа прогнозировать параметры создаваемого материала.

В упрощенном виде предполагаемая методология рассматривает аналитическую цепь "технология – сырье – сплавы (покрытия)" и включает пять основных этапов:

1) постановку задачи;

2) выбор минерального сырья для создания флюсов;

3) разработку, на основе выбранного сырья, опытных составов флюсов;

4) разработку и оптимизацию математических моделей систем "состав сырья – свойства сплавов (покрытий)". Формирование рациональных составов флюсов);

5) получение легированных сплавов и покрытий с заданными эксплуатационными свойствами.

Начальный этап предусматривает постановку и анализ задачи с позиций ее актуальности, возможности удовлетворения потребностей в материалах с заданными эксплуатационными свойствами.

На втором этапе проводится выбор минерального сырья для создания флюсов. Решение задачи предлагается базировать на следующих принципах:

• принцип основного легирующего элемента;

• принцип совместимости технологии и сырья;

• принцип комплексности использования минерального сырья.

Согласно первому принципу, основной легирующий элемент должен иметь с основой легируемого сплава равный или максимально приближенный по абсолютной величине изобарно-изотермический потенциал; находиться в сырье в количестве, достаточном для легирования электродного материала; обладать универсальностью; иметь способность восстанавливаться из оксидов в шлаковой ванне при условиях технологического процесса (температура, длительность контакта шлака и электродного материала в жидком состоянии, объем шлаковой ванны и др.); образовывать с электродным материалом фазы, максимально повышающие физико-химические и эксплуатационные свойства получаемых сплавов и покрытий, обеспечивать формирование мелкодисперсной структуры и т.д.

Принцип совместимости технологии и сырья предусматривает возможность использования концентрированных потоков энергии для разложения минеральных ассоциаций, содержащих оксиды легирующих элементов, за счет образования защитной среды и определенного соотношения температур плавления (испарения) ассоциаций и сварочной ванны.

Принцип комплексности заключается в полном безотходном использовании составляющих, входящих в состав минерального сырья, не только для легирования, но и для защиты от вредного влияния внешней

среды, а также металлургической обработки расплавленного металла.

Возможность реализации вышесказанных принципов исследуется по результатам феноменологического анализа системы "технология-сырье", проводимого на основе априорной информации по способам и технологиям, а также данных по минеральному сырью.

Задачей третьего этапа является создание опытных ("базовых") составов флюсов. Решение задачи осуществляется с привлечением методов подобия. Завершается этап проведением "головного" (предварительного) эксперимента для проверки стабильности функционирования системы "технология-сырье", определения технологичности созданного наплавочного материала и его соответствия нормативной документации.

Четвертый этап предусматривает получение легированных швов и покрытий на основе "базовых" наплавочных материалов. Для возможности формирования заданных свойств разрабатывается и оптимизируется математическая модель системы "состав шихты - свойства сплавов и покрытий".

На пятом этапе предусматривается получение сплавов и покрытий с использованием разработанных сварочно-наплавочных материалов.

Нахождение зависимостей между составляющими системы "состав шихты – свойства сплава" проводится по результатам анализа системы сварочной ванны, где основную роль играет жидкий шлак, содержащий легирующие элементы. Сварочная ванна представляется в виде «черного ящика» с входными независимыми переменными факторами х₁, х₂,…х_п и выходными переменными (откликами) у₁, у₂,…у_п. Последние являются объектами оптимизации. Задача сводится к минимально возможному числу экспериментов, во время которых фиксируются выходы, анализируются математические уравнения, связывающие отклики с входными параметрами. Эти уравнения в многомерном пространстве факторов имеют определенный геометрический критерий – "поверхность откликов", получив который можно оптимизировать рассматриваемую систему.

Установление входных и выходных параметров, выбор их краевых условий ведутся по результатам головного или дополнительного эксперимента в зависимости от требований, предъявляемых к создаваемому материалу.

Минеральное сырье, содержащее оксиды легирующих элементов, в зависимости от состава и назначения, может быть одновременно шлакообразующим и легирующим, или только легирующим. В первом случае, оно является основой покрытий электродов, во втором – легирующей добавкой в шлаковой системе, т.е. входной переменной "черного ящика". Выходные параметры (параметры оптимизации) относятся к технико-экономической группе – твердость, вязкость, износостойкость, относительное удлинение и др. Они должны соответствовать таким требованиям, как универсальность, возможность выражаться одним числом, обладать физическим смыслом, существовать для различных состояний системы и оценивать ее действия в целом, а не отдельных ее подсистем.

При постановке головного эксперимента по исследованию системы "состав сырья – свойства функционального материала" выдвигается предположение о ее соответствии одной из математических моделей. Выбранная модель должна быть простой и адекватной, т.е. предсказывать результаты эксперимента в некоторой области с достаточно большой точностью.

В зависимости от постановки задачи могут применяться различные виды моделей: полиномиальные, неполиномиальные, модели дисперсионного анализа и др. При решении задачи прогнозирования и оптимизации свойств получаемого сплава, наиболее приемлемой является модель включающая все компоненты системы. Задача построения такой модели была решена Шеффе [17] введением канонической формы полиномизма.

После констатации функции модели у=f(х₁,х₂…х_п) и вывода уравнения в установленной области факторного пространства планируется и проводится эксперимент для фиксации и оценки численных значений констант уравнения. Для достижения цели применяется симплекс-решетчатое планирование. Как отмечается в [14], при использовании этого метода рост числа факторов не усложняет процедуры принятия решений. Более того, с ростом числа факторов эффективность повышается. Метод достаточно прост и в условиях производства дает возможность управлять процессом либо при помощи ЭВМ, либо персоналом невысокой квалификации. Не затрудняет решение задачи наличие каких-либо ограничений, накладываемых на факторы. Существенным достоинством является возможность на любом этапе исследования дополнить число факторов на единицу путем введения в текущий симплекс всего одной экспериментальной точки.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при решении задач по созданию новых покрытий электродов с использованием минерального сырья Дальневосточного региона шлаковые системы наиболее полно описываются приведенным полиномом третьего порядка, который получается из обычного полинома этой же степени для q переменных введением соотношения ∑х_і═1:

(3.1)

Для оценки коэффициентов полинома используется план предложенный в [14], который обеспечивает равномерный разброс экспериментальных точек по (g-1) – мерному симплексу. Точками такого плана являются узлы {g, n} - симплексных решеток. В связи с тем, что симплекс-решетчатые планы являются насыщенными, т.е. число экспериментальных точек равно числу коэффициентов искомого полинома, для оценки последних используются упрощенные формулы:

β₁=y₁; β₂=y₂; β₃=y₃; y₁₂=2,25(3y₁₁₂-3y₁₂₂-y₁+y₂);

β₁₂=2,25(y₁₁₂+y₁₂₂-y₁ -y₂); y₁₃=2,25(3y₁₁₃-y₁₃₃-y₁₊y₃);

β₁₃=2,25(y₁₁₃+y₁₃₃-y₁-y₃); y₂₃=2,25(3y₂₂₃-3y₂₃₃-y₂+y₃); (3.2)

β₂₃=2,25(y₂₂₃+y₂₃₃-y₂-y₃);

β₁₂₃=27y₁₂₃-6,75(y₁₁₂+y₁₂₂+y₁₃₃+y₂₂₃+y₂₃₃)+4,5(y₁ +y₂+y₃).

Для проверки адекватности полученной модели в проверочной точке реализуется два параллельных опыта. Данные опытов и соответствующие этим условиям математические ожидания выходов используются для определения t- критерия:

t_r= |y_и–y |√ґ ⁄ σ{y}√1+Ψ, (u=1,2...l), (3.3)

Характеристики

Список файлов ВКР