CC BY
11КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРНОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ В КАЧЕСТВЕ БАЗОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ
Малушин Н.Н.
ОАО ЕВРАЗ Западно-Сибирский металлургический комбинат, г. Новокузнецк
Стариков И.И.
ОАО «Кузбассразрезуголь» «Калтанский угольный разрез» г. Калтан
Гизатулин Р.А.
Юргинский технологический институт филиал Томского политехнического университета, г.
Юрга Ковалев А.П.
(ОАО ЕВРАЗ Западно-Сибирский металлургический комбинат, г. Новокузнецк)
THE COMPLEX TECHNOLOGY OF STRENGTHENING OF PARTS OF METALLURGICAL EQUIPMENT WITH THE USE AS A BASIC TECHNOLOGY OF PLASMA WELDING
Malushin N. N.
JSC EVRAZ West Siberian metallurgical plant, Novokuznetsk
Starikov, 1.1.
OJSC Kuzbassrazrezugol "kaltanskogo coal mine" G. Kaltan
Gizatulin R. A.
Yurga technological Institute branch of Tomsk Polytechnic University, Yurga
Kovalev A. P.
OAO EVRAZ West Siberian metallurgical plant, Novokuznetsk
Аннотация
В работе рассмотрены комплексные технологии упрочнения деталей горно-металлургического оборудования с применением в качестве базовой технологии плазменной наплавки. Abstract
In work complex technologies of hardening of details of the metallurgical equipment with application as basetechnology plasma welding are considered.
Ключевые слова: комплексные технологии упрочнения, плазменная наплавка, наплавленные валки, качество, долговечность, теплостойкие стали.
Keywords: complex technologies of hardening, plasma welding, weld rolls, quality, durability, heat-resistant steel.
Для создания прочных и долговечных деталей, кроме наплавки, все шире в технике находят применение и другие способы повышения прочности поверхностных слоев деталей: наклеп, термическая и термоциклическая обработка, диффузионные и гальванические покрытия, металлизация, напыление, поверхностное легирование и др. Наиболее перспективен, на наш взгляд, комплексное использование различных способов и процессов упрочнения, позволяющее в полной степени удовлетворять запросы практики.
Целью работы является исследование и разработка комплексных технологий упрочнения деталей горно-металлургического оборудования с применением в качестве базовой технологии плазменной наплавки.
В последние годы повышенный интерес среди способов упрочнения вызывает плазменная наплавка. Резкое расширение объема и областей применения плазменной наплавки за последние
годы обусловлено повышением качества упрочненных деталей и их высокой эксплуатационной стойкостью. Именно плазменная наплавка может стать основой применения комплексных упрочняющих технологий при изготовлении различных деталей машин и механизмов металлургического оборудования. В зависимости от условий эксплуатации поверхностного рабочего слоя его можно наносить плазменной наплавкой материалом практически любого химического состава, требуемой толщины и свойств. Затем, можно улучшить служебные характеристики наплавленного металла, применяя для этого дополнительно другие упрочняющие технологии. Сочетание процессов плазменной наплавки и других способов упрочнения открывает широкие возможности для повышения стойкости и работоспособности наплавленных деталей металлургического оборудования.
Выбор плазменной наплавки как базового способа нанесения износостойких покрытий с целью изготовления новых и восстановления изношенных
деталей объясняется рядом преимуществ перед другими способами наплавки: такими, как, высокая производительность, широкая возможность легирования наплавленного металла, возможность применения различных наплавочных металлов. Особенностью сжатой дуги, как источника тепла, является то, что ее тепловые и газодинамические характеристики могут легко регулироваться в широких пределах. Использование сжатой дуги обратной полярности позволяет устранить трудоемкие, усложняющие технологический процесс наплавки операции по предварительной очистке поверхности изделия. Очистка наплавляемой поверхности от загрязнений происходит в этом случае непосредственно в процессе наплавки за счет эффекта катодного распыления, чем обеспечиваются необходимые условия смачиваемости поверхности изделия наплавляемым металлом и бездефектное формирование наплавленного слоя. При плазменной наплавке на обратной полярности достигается также меньшее разбавление наплавляемого металла основным. Наиболее эффективно для решения ряда технологических задач при наплавке тел вращения (роликов, прокатных валков, валов) применение процесса плазменной наплавки на обратной полярности в защитно-легирующей среде азота с нетоковедущей присадочной порошковой проволокой. Использование азота в качестве защитного газа по сравнению с аргоном позволяет не только снизить затраты на наплавку, но и эффективно легировать наплавленный металл азотом из газовой
фазы непосредственно в процессе наплавки, что существенно повышает его твердость и износостойкость. Предотвращение образования пор в наплавленном металле достигается введением в порошковую проволоку элементов, имеющих большее сродство к азоту и связывающих его в стойкие нитриды [1].
Отмеченные нами особенности формирования наплавленного металла в защитно-легирующей среде азота привели к разработке комплексной технологии упрочнения плазменной наплавкой и последующей химико-термической обработкой. Процесс азотирования достаточно широко применяется в различных отраслях промышленности и имеет определенные преимущества перед другими способами упрочнения тонкого поверхностного слоя, однако глубина азотированного слоя с микротвердостью 900-1200 HV обычно не превышает величину 0,4-0,6 мм.
В результате проведенных исследований разработана комплексная технология упрочнения деталей металлургического оборудования, состоящая из плазменной наплавки активного поверхностного слоя и последующего его азотирования (рисунок 1) [2]. Для наплавки разработана порошковая проволока, обеспечивающая химический состав наплавленного металла близкий к составу стали 38ХМЮАТ. Комплексное легирование наплавленного металла хромом, молибденом, ванадием и повышенным содержанием титана и алюминия позволило увеличить глубину и микротвердость азотированного слоя.
Эксплуатация Повторное Механическая обработка Утилизация
азотирование изношенного слоя
-► - основные операции
____- дополнительные операции
Рис.1. Комплексная технология изготовительной плазменной наплавки с последующим азотированием
После азотирования наплавленного металла, получаемого разработанной порошковой проволокой, глубина азотированного слоя составила 0,6-0,8 мм при твердости Н 200 = 1500-1200 МПа против соответственно Н 200 = 1250-1100 МПа и 0,3-0,4 мм у стали 38ХМЮА, обычно применяемой для азотирования, а также повысить износостойкость и коррозионную стойкость поверхностного слоя. Наплавленные и азотированные детали (ролики линии правки) при промышленных испытаниях показали высокую работоспособность (увеличение произошло до 1,5 раз), что указывает на эффективность комплексного применения плазменной наплавки с последующим азотированием.
Теоретические подходы и результаты экспериментальных исследований по применению более сложного варианта комплексных технологий упрочнения были реализованы нами при разработке нового технологического процесса изготовления наплавленных рабочих валков холодной прокатки. Рабочие валки холодной прокатки в процессе эксплуатации подвергаются значительным статическим и динамическим нагрузкам. Материал рабочих валков и технология их изготовления должны обеспечивать соответствие требованиям ГОСТ 3541-74: твердость бочек 95-102 HSD и шеек 30-55 HSD; глубина активного слоя должна составлять не менее 5% радиуса бочки;
валки должны иметь высокую износостойкость; высокое качество поверхности после обработки (валки перед эксплуатацией полируют, поэтому на поверхности недопустимы любые дефекты -мелкие трещины и единичные поры); оптимальное распределение и минимальную величину остаточных напряжений по всему сечению валка. Высокие требования, предъявляемые к качеству и твердости поверхностного слоя, вызывают необходимость применения, кроме плазменной наплавки, дополнительных упрочняющих технологий. Схема технологического процесса изготовления наплавленных рабочих валков холодной прокатки с использованием комплексных технологий представлена на рисунке 2. Основными операциями предлагаемого технологического процесса являются: изготовление заготовки
под наплавку из низколегированной стали типа стали 30ХГСА; плазменная наплавка активного рабочего слоя теплостойкими сталями высокой твердости; термическая обработка наплавленных деталей в виде 3-4-х кратного отпуска при температуре 560-580 оС; окончательная механическая обработка; контроль качества; эксплуатация и при необходимости дополнительная термообработка для восстановления усталостной прочности в процессе эксплуатации; удаление изношенного слоя и при возможности повторная наплавка; утилизация при невозможности повторной наплавки. Для повышения твердости предлагается проводить дополнительно ультразвуковую упрочняющую обработку наплавленного слоя.
Ультразвуковая упрочняющая обработка
Изготовление заготовки
I
Утилизация
-^ - основные операции
----► - дополнительные операции
Рис.2. Комплексная технология изготовительной плазменной наплавки рабочих валков холодной
прокатки
Как видно из технологической схемы, базовой технологией является плазменная наплавка теплостойкими сталями высокой твердости (типа Р18, Р6М5, Р2М8) , для реализации которой были разработаны новые способы наплавки, позволяющие получать наплавленный металл без трещин и в закаленном состоянии. Теплостойкие стали типа Р18, Р6М5, Р9, Р2М8, 3Х2В8 и др. обладают наряду с высокими служебными свойствами неудовлетворительной свариваемостью. Обычно для предотвращения образования холодных трещин традиционная технология наплавки предусматривает обязательное применение высокотемпературного предварительного и сопутствующего подогрева (Тпод = 400-700 0С) и замедленного охлаждения изделия. При этом происходит образование пластичных продуктов распада аустенита, обладающих низкой твердостью и износостойкостью, что в свою
очередь вызывает необходимость в проведении сложной термической обработки (отжиг + закалка + отпуск). В процессе термообработки биметаллического изделия не всегда удается полностью использовать свойства высоколегированного металла и обеспечить его максимальную твердость.
В разработанных в Сибирском государственном индустриальном университете способах наплавки теплостойких сталей высокой твердости для предотвращения образования холодных трещин предложено использовать эффект кинетической пластичности («сверхпластичности») [1]. Особенностью предложенных способов наплавки является применение низкотемпературного предварительного и сопутствующего подогрева (Тпод = 230 -280 0 С). Для получения наплавленного металла с низкой склонностью к образованию трещин регу-
лируется уровень временных напряжений в процессе наплавки путем их частичной релаксации за счет проявления эффекта кинетической пластичности в момент протекания мартенситного или бей-нитного превращений. Особенность предлагаемого термического цикла наплавки заключается в трех его стадиях [1, 3, 4]. Первая обеспечивает ограниченное время нагрева и повышенную скорость охлаждения в области высоких температур, предотвращает рост зерна и распад аустенита с образованием равновесных низкопрочных структур. Она может быть реализована применением высококонцентрированных источников нагрева (например, сжатой дугой) и сопутствующего охлаждения. Вторая стадия термического цикла обеспечивает нахождение наплавленного металла в аустенитном состоянии при выполнении всех слоев в процессе наплавки. Это достигается применением подогрева с Тпод = Мн + (50 - 100 оС). Для получения наплавленного металла с низкой склонностью к образованию трещин регулируется уровень временных напряжений в процессе наплавки на третьей стадии термического цикла путем временного снижения Тпод ниже температуры Мн. При этом временные напряжения снижаются за счет частичной релаксации в момент протекания мартенситного или бей-нитного превращений. Рекомендуемый термический цикл для плазменной наплавки деталей металлургического оборудования изображен на рисунке 3. Такой термический цикл позволяет
получить наплавленный металл в закаленном состоянии с низким уровнем остаточных напряжений и обеспечивает высокую твердость наплавленного металла при относительно несложной технологии наплавки. Наплавка заготовки осуществлялась на установке для плазменной наплавки тел вращения [1]. Валки наплавляли плазменной дугой с подачей в сварочную ванну нетоковедущей присадочной порошковой проволоки ПП-Р18Ю и 1111-Р18Н. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон, защитного - азот. Плазменная наплавка осуществлялась по термическому циклу, представленному на рисунке 3. Заготовка с припусками под наплавку 10-12 мм на сторону устанавливалась в центрах наплавочной установки, производился предварительный подогрев до температуры 230 °С, включалось охлаждение шеек валка с расходом холодной воды до 2 л/мин. После завершения подготовительных операций производилась 56-ти слойная наплавка. Режим наплавки рабочих валков диаметром 100 мм и длиной бочки 315 мм: сварочный ток 1св=150...160 А, напряжение дуги ид=50...55 В, скорость наплавки ин=18 м/ч, скорость подачи порошковой проволоки иппр. =60 м/ч, смещение с зенита 10.12 мм, длина дуги 1д=20 мм, расход защитного газа азота Рзащ. N=20.22 л/мин, расход плазмообразующего газа аргона Ршшзм.лг=6...8 л/мин., диаметр проволоки 3, 7 мм. После окончания наплавки валок охлаждался на воздухе.
Врелгя, .мг/н
Рис. 3. Схема термического цикла при плазменной наплавке
Дефекты наплавки при визуальном осмотре валков и ультразвуковом контроле не обнаружены. Качество наплавленной поверхности
удовлетворительное. Твердость наплавленного металла после наплавки составляет НЯС 54-58. Для увеличения твердости и износостойкости проводился 4-х кратный часовой отпуск при 580 °С. Твердость наплавленных валков после высокотемпературного отпуска соответствует требованиям, предъявляемым к поверхностному слою рабочих валков холодной прокатки. После отпуска проводилась окончательная механическая обработка.
Улучшить свойства наплавленного высоколегированного металла, а также обеспечить благопри-
ятное напряженное состояние позволяет применение дополнительно после наплавки высокотемпературного отпуска. Положительно на увеличении твердости наплавленного металла сказывается применение в качестве защитно-легирующей среды в процессе плазменной наплавки азота и введение в шихту порошковой проволоки алюминия в определенных пределах. В процессе наплавки происходит легирование наплавленного металла азотом непосредственно из газовой фазы, что позволяет дополнительно повысить твердость рабочего слоя изделия. Алюминий вводят в состав шихты порошковой проволоки для устранения пористости за счет связывания избыточного азота в нерастворимые в жид-
ком металле соединения, способные дополнительно упрочнять металл за счет образования мелкодисперсных частиц нитридов.
Твердость металла после наплавки порошковыми проволоками ПП-Р18Ю и ПП-Р18ЮН составляет ИЯС 52-57. Структура наплавленного металла при этом близка по своему составу к структуре быстрорежущей стали типа Р18 в закаленном состоянии и состоит из мартенсита (25- 30%), карбо-нитридов (до 10%) и остаточного аустенита (60 -65%).Получение такой структуры наплавленного металла обеспечивается плазменной наплавкой с низкотемпературным подогревом. Сохранению в наплавленном металле большого количества остаточного аустенита способствует кратковременная выдержка в процессе наплавки при температуре вблизи температуры начала мартенситного превращения Мн, что связано с эффектом стабилизации переохлажденного аустенита.
3-4-х кратный высокотемпературный отпуск при температуре 580 оС увеличивает твердость наплавленного металла до ИЯС 62-64 ,что соответствует 95-102 ИБО. Увеличение твердости объясняется превращением остаточного аустенита в мартенсит и эффектом дисперсионного твердения. Анализ фазового состава наплавленного металла, проведенный нами, показал, что основным карбидом является МбС. Доля карбида МС не более 3-4% от общего количества карбидной фазы. Твердость карбида МбС составляет ИУ1200-1300; в его присутствии и, особенно, в присутствии карбида МС значительно возрастает износостойкость металла. Увеличение числа отпусков, изменение режимов отпуска не приводит к дальнейшему увеличению твердости наплавленного металла. Это свидетельствует, на наш взгляд, о том, что резервы термообработки в повышении твердости до твердости ИЯС 62-64 и выше исчерпаны.
Дальнейшее увеличение твердости связано с усложнением технологии. Применив дополнительно после наплавки ультразвуковую поверхностную упрочняющую обработку, можно повысить твердость до ИЯС 64-66. Исследования влияния акустических параметров обработки (амплитуда колебаний А, нормального усилия на инструмент Рн, скорости обработки V) на твердость наплавленного слоя проводились на ультразвуковом станке модели 4Д772. В качестве инструмента применялся составной концентратор с экспоненциальным переходным участком (коэф -фициент усиления 10) из стали 35 с наконечником из стали ШХ15 диаметром 8 мм.
Установлено [5], что воздействие ультразвука неоднозначно изменяет твердость обрабатываемого металла в зависимости от режима обработки, что связано с преобладанием одного из процессов — акустического упрочнения или акустического разупрочнения. При оптимальных параметрах процесса (А = 20 мкм^ =20 м/мин, Рн= 10 Н) при базовой твердости наплавленного металла ИЯС 64 возможно ее увеличение на ИЯС
1—2, что является резервом повышения эксплуатационных характеристик валков холодной прокатки.
Резервы повышения качества деталей, наплавленных теплостойкими сталями высокой твердости, заложены также в процессе их эксплуатации путем применения дополнительного высокотемпературного отпуска. Применение высокотемпературного отпуска в процессе эксплуатации наплавленных валков холодной прокатки приводит пластически деформированный металл в более устойчивое структурное состояние, к тому же за счет явления рекристаллизации полностью снимается наклеп зоны сплавления основного металла с наплавленным и восстанавливается его усталостная прочность до первоначальных значений. При этом стойкость валков возрастает. Дополнительный отпуск в процессе эксплуатации проводят в температурном интервале: температура начала рекристаллизации основного металла (450оС) - температура отпуска наплавленного металла (580оС), после прокатки 80-90 % нормы металла, которая устанавливается экспериментально.
По предложенной схеме реализована и прошла промышленные испытания технология изготовления рабочих валков холодной прокатки с применением плазменной наплавки и дополнительных упрочняющих процессов: высокотемпературного отпуска наплавленного металла, ультразвуковой упрочняющей обработки и высокотемпературного отпуска в процессе эксплуатации. Опытно-промышленные партии наплавленных валков при испытаниях показали повышенную (до 2.0 раз) износостойкость. Повышение износостойкости наплавленных валков можно объяснить наличием в структуре мелкодисперсных карбидов М6С, МС и сжимающих напряжений поверхностном слое.
Выводы и предложения. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований был разработан ряд комплексных упрочняющих технологий для деталей горно-металлургического оборудования, состоящий из базовой технологии - плазменной наплавки, термообработки, азотирования, ультразвуковой упрочняющей обработки, термообработки в процессе эксплуатации. Опытно - промышленные испытания наплавленных деталей, изготовленных с применением комплексных технологий, показали повышенную износостойкость, что свидетельствует об их перспективности.
Список использованной литературы
1. Малушин Н.Н. Обеспечение качества деталей металлургического оборудования на всех этапах их жизненного цикла путем применения плазменной наплавки теплостойкими сталями / Н.Н. Малушин, Д.В. Валуев - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. -358 с.
2. Малушин Н.Н. Повышение качества и коррозионной стойкости деталей металлургического
SCIENCES OF EUROPE # 16 (16), 2017 | TECHNICAL SCIENCES_83
оборудования плазменной наплавкой и последую- 4. Малушин Н.Н. Наплавка с низкотемпера-
щим азотированием/ Н.Н.Малушин, О.Е. Козы- турным подогревом теплостойкими сталями дета-
рева//Вестник горно- металлургической секции лей металлургического оборудования/Н.Н. Малу-
РАЕН: сборник научных трудов. Вып.28 - Москва- шин, В.Л. Осетковский, И.В. Осетковский//Загото-Новокузнецк: ГОУ ВПО «СибГИУ»,2011. - С.137- вительные производства в машиностроении,
142. 2014,№10,С.6-10.
3. Малушин Н.Н. Регулируемый термический 5. Рудаков С.Г. О возможности ультразвуко-
цикл для плазменной наплавки прокатных валков вого упрочнения наплавленного быстрорежущего
теплостойкими сталями/Н.Н. Малушин, Т.Г. Вост- металла/С.Г. Рудаков, Н.Н. Малушин, Г.И Глухов //
рецова// Заготовительные производства в машино- Изв. Вузов. Черная металлургия.- 1984.- №12.-
строении, 2014,№13,С.14-17. С.133-134.
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Гузанов Б.Н.
Доктор технических наук, профессор, Российский государственный профессионально- педагогический университет
Обабков Н.В.
Доктор технических наук, профессор, Уральский Федеральный университет Мигачева Г.Н.
Кандидат технических наук,доцент, Российский государственный профессионально- педагогический университет
г.Екатеринбург, Россия
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF MULTI-LAYER COMPOSITE COATINGS HIGH TEMPERATURE
Guzanov B.N.
Doctor of engineerings sciences, professor, Russian state professional'no-pedagogical university
Obabkov N.V.
Doctor of engineerings sciences, professor, Ural Federal University Migacheva G.N.
Candidate of engineerings sciences, associate professor, Russian state professional'no- pedagogical university
Ekaterinburg, Russia
АННОТАЦИЯ
С целью сохранения расчетной долговечности деталей высокотемпературного назначения в статье предлагается использовать защитные многослойные комбинированные покрытия , наносимые на контактную поверхность с использованием метода термодиффузии и плазменного напыления. Весьма позитивен финишный лазерный переплав двухслойного покрытия, обеспечивающий формирование плотного беспористого защитного слоя с однородной мелкодисперсной структурой.
ABSTRACT
With the aim of preserving the design life of the parts with high temperature applications, the article proposes to use a protective multi-layer combination coating deposited on the contact surface using the method of diffusion and plasma spray. A very positive finish laser remelting of a two-layer coating that ensures the formation of dense pore-free protective layer with a homogeneous fine-dispersed structure.
Ключевые слова: покрытия высокотемпературного назначения, локальное легирование, микротвердость поверхностного слоя, плазменное напыление, лазерный переплав.
Keywords: coating with high temperature applications, local alloying, microhardness of the surface layer, plasma spraying, laser remelting.
Работоспособность и долговечность в составе изделия ответственных деталей газотурбинных
установок, испытывающих в процессе эксплуатации комплексное воздействие высоких температур и агрессивных газовых сред, во многих случаях
