CC BY
11УДК 621.9.048.7
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-763-9-54-57
В.В. ГРАНЕВ1, д-р техн. наук (cniipz@cniipz.ru), А.Н. МАМИН1, д-р техн. наук (otozs@yandex.ru), Э.Н. КОДЫШ1, д-р техн. наук (otks@yandex.ru); К.И. ЕРЕМИН2, д-р техн. наук; М.Н. ЕРШОВ3, канд. техн. наук; Г.Р. ШНЕЙДЕРОВ4, канд. техн. наук
1 ОАО «ЦНИИпромзданий» (127238, г. Москва, Дмитровское ш., 46-2)
2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
3 ООО «Производственно-строительное предприятие «Качество и Надежность» (ООО «ПСП «КиН») (121096, г. Москва, ул. Василисы Кожиной, 14, к. 6)
4 ЗАО «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций им. Н.П. Мельникова» (ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова») (117393, г. Москва, ул. Архитектора Власова, 49)
При восстановлении металлических конструкций, являющихся памятниками культурного наследия, необходимо максимально сохранить первоначальную конструктивную схему и существующие элементы. Как правило, такие конструкции подвержены щелевой коррозии, приводящей к локальному уменьшению сечений. В статье представлено обоснование и экспериментальное подтверждение возможности применения лазерной наплавки порошкового металла для восстановления поврежденных коррозией стальных элементов строительных конструкций с воссозданием первоначального облика. Отражены преимущества лазерной наплавки по сравнению с другими способами наращивания металлических сечений. Приведены результаты исследований микроструктуры и механических параметров опытных образцов. Отмечено заметное влияние скорости и интенсивности нанесения наплавляемого слоя на качество получаемых изделий. При неудачно подобранном технологическом режиме процесса лазерной наплавки в образцах возникали значительные остаточные температурные деформации. Указано, что метод лазерной наплавки рекомендуется использовать в процессе восстановления поврежденных строительных конструкций при реконструкции и реставрации зданий и сооружений; качество сплавления материалов достаточно для обеспечения совместной работы основного и наплавляемого материалов; перед лазерной наплавкой необходимо подобрать режим (направление, скорость и интенсивность) наплавки или использовать специальные струбцины, предотвращающие возможную деформацию восстанавливаемого элемента; экспериментальным путем необходимо выполнить тщательный подбор материала напыления, который имеет деформативность, аналогичную основному металлу. При этом для наиболее нагруженных элементов следует экспериментально определить степень восстановления несущей способности.
Ключевые слова: порошковый металл, лазерная наплавка, восстановление строительных конструкций, исследование микроструктуры, щелевая коррозия, механические испытания образцов, башня Шухова.
Для цитирования: Гранев В.В., Мамин А.Н., Кодыш Э.Н., Еремин К.И., Ершов М.Н., Шнейдеров Г.Р. Некоторые свойства порошкового металла при его лазерном напылении для восстановления сечений стальных строительных конструкций // Строительные материалы. 2018. № 9. С. 54-57. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-763-9-54-57
V.V. GRANEV1, Doctor of Sciences (Engineering), (cniipz@cniipz.ru), A.N. MAMIN1, Doctor of Sciences (Engineering), (otozs@yandex.ru), E.N. KODYSH1, Doctor of Sciences (Engineering), (otks@yandex.ru); K.I. EREMIN2, Doctor of Sciences (Engineering); M.N. ERSHOV3, Candidate of Sciences (Engineering); G.R. SHNEJDEROV4, Candidate of Sciences (Engineering)
1 OAO "TSNIIPromzdany" (46-2 Dmitrovskoye Shosse, 127238, Moscow, Russian Federation)
2 Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation)
3 OOO "Production-Construction Enterprise "Quality and Reliability" (OOO "PSP "KiN") (14, bldg. 6, Vasilisy Kozhinoy Street, Moscow, 121096, Russian Federation)
4 ZAO "Melnikov Central Research and Design Institute of Steel Structures" (ZAO "TSNIIPSK named after Melnikov) (49, Architect Vlasov Street, Moscow, 117393, Russian Federation)
Some Properties of Powder Metal during its Laser Deposition to Restore the Cross Sections of Steel Building Structures
When restoring metal structures, which are monuments of cultural heritage, it is necessary to maximally preserve the initial structural scheme and existing elements. As a rule, such structures are subjected to crevice corrosion which leads to local reduction of cross sections. The article presents the justification and experimental confirmation of the possibility to use laser cladding of powder metal for the restoration of corrosion-damaged steel elements of building structures with the reconstruction of the original appearance. When manufacturing prototypes, a noticeable effect of the speed and intensity of deposition of the cladded layer on the quality of the products was revealed. At poorly-chosen technological mode of process of laser cladding, there were significant residual thermal strains in the samples. The advantages of laser cladding in comparison with other methods of metal cross-section expansion are reflected. The results of studies of the microstructure and mechanical parameters of prototypes are presented. It is confirmed that the method of laser cladding is recommended to use in the process of restoration of damaged building structures when reconstructing and restoring buildings and structures; the quality of fusion of materials is sufficient to provide the joint operation of the main and melting materials; before laser cladding, it is necessary to select the mode (direction, speed and intensity) of surfacing or use special clamps to prevent possible deformations of the element under restoration; experimentally, it is necessary to perform a careful selection of the spraying material, which has a deformability similar to the base metal. In this case, for the most loaded elements, the degree of recovery of the bearing capacity should be experimentally determined.
Keywords: powder metal, laser cladding, restoration of building structures, study of micro-structure, crevice corrosion, mechanical tests of samples, Shukhov Tower.
For citation: Granev V.V., Mamin A.N., Kodysh E.N., Eremin K.I., Ershov M.N., Shnejderov G.R. Some properties of powder metal during its laser deposition to restore the cross sections of steel building structures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 9, pp. 54-57. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-763-9-54-57 (In Russian).
Некоторые свойства порошкового металла при его лазерном напылении для восстановления сечений стальных строительных конструкций
54
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2018
®
Рис. 1. Примеры проявления щелевой коррозии металлических конструкций: а - Радиобашня В.Г. Шухова (ул. Шаболовка, г. Москва) [1-3]; б - водонапорная башня, г. Выкса (Нижегородская обл.); в - листопрокатный цех, г. Выкса (Нижегородская обл.)
V Ï.S Ш
б ' - * ■ . .
[; 'S
и. ... ■. •;>)• • . .у >v.
I fi^lh' ' ;<t s-4.- ' AJ - , . •• ; • ' N W . • . Г' > *
Рис. 2. Структура исследованных образцов (увеличение Х500): а - зона 1, наплавленный металл; б - зона 2, переходной участок; в - зона 3, основной металл
Обследования металлических элементов московской Радиобашни В.Г. Шухова и других аналогичных объектов показали, что самыми массовыми и опасными для конструкций подобных сооружений являются коррозионные повреждения, вызванные прежде всего щелевой коррозией, возникающей и развивающейся между металлическими деталями в заклепочных соединениях [1—3]. На рис. 1 показаны характерные коррозионные повреждения стальных конструкций на примере сооружений В.Г. Шухова, являющихся памятниками культурного наследия (по результатом технических обследований, проведенных АО «ЦНИИПромзданий», ПСП «Кин» и ООО «Асгард» в 2011-2018 гг). При восстановлении и реставрации подобных объектов необходимо сохранить их внешний облик и исходные материалы, поэтому применение традиционных способов восстановления, таких как усиление дополнительными элементами, недопустимо, а полная или частичная замена поврежденных элементов должна быть сведена к минимуму [4-7].
В ходе научно-технического сопровождения проекта реставрации московской Радиобашни на Шаболовке [8] перед авторами была поставлена задача разработать конструктивные решения, направленные на максимальное сохранение существующих элементов башни с обеспечением необходимой механической безопасности сооружения.
В большинстве основных несущих конструкций Радиобашни зафиксирована потеря площади сечений от щелевой коррозии, которая образовалась в узловых сопряжениях на ограниченных по длине участках элементов. Вследствие плохой свариваемости стали [2] такие локальные участки не подлежат замене, поэтому при значительных повреждениях без принятия специальных мер пришлось бы заменять весь элемент.
Предложено наращивание поврежденных участков сечений с восстановлением их первоначальной геоме-
трии методом лазерной наплавки порошкового металла, что позволит сохранить большинство несущих элементов. Лазерная наплавка —это нанесение покрытия на поверхность заготовки путем сплавления тонкого слоя основы с присадочным материалом, в качестве которого применяют металлический порошок или проволоку.
Подобная технология сегодня достаточно широко применяется в машиностроении для восстановления поврежденных деталей, поскольку имеет ряд преимуществ перед другими способами наращивания металлических сечений, среди которых [9]:
— дозируемая энергия;
— возможность локальной обработки поверхности;
— минимизация зоны термического влияния;
— возможность обработки деталей больших габаритов благодаря высокой производительности наплавки;
— быстрый нагрев и остывание наплавляемого материала;
— образуемая ультрадисперсная структура покрытия эффективно противостоит процессам коррозии и эрозии;
— возможность обработки на нужную глубину;
— минимальное перемешивание основного и наплавляемого материала.
Для предварительного экспериментального подтверждения возможности применения данного метода восстановления сечений по разработанной в АО «ЦНИИПромзданий» методике были изготовлены, исследованы и испытаны опытные образцы.
На заготовки размером 93х38х8 мм из металла, аналогичного примененному при строительстве Радиобашни В.Г. Шухова, на предприятии АО «Плакарт» лазерным напылением было нанесено 3 мм порошкового металла.
Исследования двух образцов (пластины № 1 и 2) с наплавленным металлом проведены в Испытательном центре «ЦНИИПСК-ТЕСТ».
¡ТРОГГЕЛЬНЫгЕ научно-технический и производственный журнал ] ® сентябрь 2018
Га
Ш '
Т.
■.ЪЛ
г^г г
б - Мщ
Ж* ' ой
..• ••.,/'••, уV Й - •ь—.V-
Результаты измерения микротвердости
б
I \ М!
У/-
Рис. 3. Неметаллические включения (увеличение : ленном металле; б - на переходном участке
200): а - в наплав-
В ходе исследований выполнено:
— определение химического состава основного металла и покрытия;
— металлографический анализ образца с наплавкой;
— измерение твердости по сечению металла с наплавкой;
— испытание при сдвиге не до разрушения металла с покрытием (две пластины: № 1 и № 2);
— испытание при изгибе до разрушения металла с покрытием (пластина № 2);
— испытание при сжатии до разрушения по ГОСТ 25.503—97 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие» (пластина № 1).
Химический анализ металла проведен методом атомно-эмиссионного спектрального анализа по ГОСТ Р 54153—2010 «Сталь. Метод атомно-эмиссион-ного спектрального анализа»; ГОСТ 18895—97 «Сталь. Метод фотоэлектрического спектрального анализа» на эмиссионном спектрометре АРГОН. Определено, что по химическому составу основной металл соответствует стали СтЗсп по ГОСТ 380—2005 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки (с Изменением № 1)»; металл наплавки — железному порошку марки ПЖВ1 по ГОСТ 9849—86 «Порошок железный. Технические условия (с Изменениями № 1, 2)».
Металлографический анализ проведен на оптическом микроскопе НЕОФОТ 32. Шлифы изготавливали в плоскости поперечного сечения пластины с наплавкой.
Микроструктуру исследовали в трех зонах шлифа: зона 1 — наплавленный металл; зона 2 — переходный слой; зона 3 — основной металл.
Выявлено, что структура наплавленного металла состоит из ферритных зерен (балл — 7 по ГОСТ 5639—82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна (с Изменением № 1)» и частиц карбидов, расположенных в виде прослоек по границам зерен (рис. 2, а). В переходной зоне толщиной 0,3 мм на линии сплавления структура представляет собой эвтекто-ид (рис. 2, б). Структура основного металла — ферритно-перлитная (рис. 2, в). Размер ферритного зерна соответствует баллу 8,5 по ГОСТ 5639—82.
№ отпечатка Зона измерения Длина диагонали отпечатка, мм Значение твердости,
С1 С2 Сср. * кг/мм2
1 Основной металл 6 6 30 206
2 Переходной слой 6 7 32,5 186,5
3 6,5 6 31,25 196
4 5 5 25 297
5 6 7 32,5 186,5
6 9 9 45 91,6
7 7 8 37,5 138,5
8 7 8 37,5 138,5
9 7 8 37,5 138,5
10 Металл 7 8 37,5 138,5
11 наплавки 6 7 32,5 186,5
12 7 6 32,5 186,5
13 7 8 37,5 138,5
14 7 7 35 151
15 7 7 35 151
16 7 7 35 151
17 7 7 35 151
* С учетом увеличения.
В наплавленном металле наблюдаются неметаллические включения, расположенные как во внутренних объемах наплавленного металла (рис. 3, а), так и на границе сплавления с металлом основы (рис. 3, б).
Измерения твердости для трех точек основного и трех точек наплавленного металла проводили методом Виккерса в соответствии с ГОСТ 2999—75 «Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу (с Изменениями № 1, 2)» на твердомере ИТ 5010-01. Результаты измерений — твердость наплавленного металла (83—122 НУ) ниже, чем основного металла (155 НУ).
Измерение микротвердости проводили в соответствии с ГОСТ 9450-76 (СТ СЭВ 1195-78) «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников (с Изменениями № 1, 2)» на твердомере ПМТ-3М с нагрузкой 0,05 кг. Результаты измерений представлены в таблице.
Механические испытания образцов, изготовленных из пластин с покрытием, проведены на машине испытательной универсальной ЦД-40.
Испытание на изгиб проводили на двух образцах в соответствии с ГОСТ 14019-2003 (ИСО 7438:1985) «Материалы металлические. Метод испытания на изгиб» для определения способности металлических материалов выдерживать пластическую деформацию при изгибе.
Образцы при испытании располагали основным металлом в растянутой зоне (образец № 1) и наплавленным металлом в растянутой зоне (образец № 2). При испытании на изгиб до появления трещин на образце с основным металлом в растягивающей зоне угол изгиба составил 44о; на образце с наплавленным металлом в растягивающей зоне — 11о. В обоих образцах первые трещины образовались в наплавленном металле.
Испытания на сдвиг производили при воздействии на пластину с наплавленным металлом нагрузки, параллельной плоскости сплавления. Площадь участка сдвигаемого наплавленного металла составляла 48 мм2, уси-
научно-технический и производственный журнал
56
сентябрь 2018
] ®
лие сдвига около 980 Н. Разрушающее напряжение при сдвиге наплавленного металла составило 20,4 Н/мм2.
Испытание на сжатие проводили на образце прямоугольной формы с размерами 10x10x20 мм (шири-нахдлинахвысота). Образец устанавливали на траверсу испытательной машины, нагрузку задавали через оправку диаметром 8 мм на плоскость образца размером 10x10 мм. При нагрузке 24990 Н (2550 кгс) в образце со стороны наплавленного металла появились трещины и произошла потеря первоначальной (прямоугольной) формы. Исследование микроструктуры образцов после испытаний показало, что разрушение образцов с наплавленным металлом произошло без расслоения слоев на границе основного и наплавляемого металлов.
При изготовлении опытных образцов было выявлено заметное влияние скорости и интенсивности нанесения наплавляемого слоя на качество получаемых изделий. При неудачно подобранном технологическом режиме процесса лазерной наплавки в образцах возникали значительные остаточные температурные деформации.
По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:
— метод лазерной наплавки рекомендуется использовать в процессе восстановления поврежденных строительных конструкций при реконструкции и реставрации зданий и сооружений;
— качество сплавления материалов достаточно для обеспечения совместной работы основного и наплавляемого материалов. Расслоение основного и наплавляемого материалов при деформациях сжимаемых образцов не зафиксировано;
— перед лазерной наплавкой необходимо подобрать режим (направление, скорость и интенсивность) наплавки или использовать специальные струбцины, предотвращающие возможную деформацию восстанавливаемого элемента;
— в испытанных образцах при принятом наплавляемом металле отмечено возникновение трещин как при растяжении, так и при сжатии, что приводит к ухудшению механических параметров;
— для восстановления сечения элементов Радиобашни В.Г. Шухова и других подобных объектов экспериментальным путем необходимо выполнить тщательный подбор материала напыления с деформативностью, аналогичной основному металлу. При этом для наиболее нагруженных элементов следует экспериментально определить степень восстановления несущей способности. При подборе состава наплавляемого металла необходимо исключить возможность возникновения электрохимической коррозии. Перед выполнением лазерной наплавки следует очистить поверхность основного металла от продуктов коррозии.
Список литературы
1. Гранёв В.В., Кодыш Э.Н., Мамин А.Н. К 160-летию со дня рождения В.Г. Шухова // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 2. С. 73—76.
2. Мамин А.Н., Кодыш Э.Н., Ершов М.Н. Обследование строительных конструкций радиобашни В.Г. Шухова на Шаболовке. Международный конгресс «Гений В.Г. Шухова и современная эпоха». М.: МВТУ им. Баумана, 2015. С. 122—131.
3. Кодыш Э.Н., Мамин А.Н., Бобров В.В., Рэуцу А.В., Кузнеченко С.А. Результаты обследования Радио-
башни В.Г. Шухова // Строительство и реконструкция. 2017. № 6. С. 43-48.
4. Прядко И.П. Шуховская радиобашня: реставрация шедевра // Научное обозрение. 2017. № 6. С. 16-20.
5. Ершов М.Н., Мамин А.Н., Корчуков А.С. Спасение Шуховской башни // O-journal. Очистка. Окраска. Сентябрь-октябрь 2012. С. 60-61.
6. Ершов М.Н., Корчуков А.С. Реконструкция-реставрация Шуховской радиобашни в г. Москве. Социально-правовые проблемы реставрации технически сложных памятников истории и культуры // Технология и организация строительного производства. 2014. № 2. С. 17-22.
7. Гранёв В.В., Мамин А.Н., Кодыш Э.Н., Кузнеченко С.А., Ершов М.Н. Техническое состояние несущих конструкций Радиобашни В.Г. Шухова // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 12. С. 90-92.
8. Гранёв В.В., Мамин А.Н., Кодыш Э.Н., Бобров В.В., Ершов М.Н., Матвеюшкин С.А. Сохраним радиобашню В.Г. Шухова // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 6. С. 14-19.
9. John C. Ion. Laser processing of engineering materials. Elsevier, 2005. 587 с.
References
1. Granev V.V., Kodysh E.N., Mamin A.N. To the 160th anniversary of the birth of V. G. Shukhov. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo. 2013, No. 2, pp. 73—76. (In Russian).
2. Mamin A.N., Kodysh E.N., Ershov M.N. Inspection of building structures of the radio tower VG Shukhov on Shabolovka. International Congress "The Genius of V.G. Shukhov and the modern era". М.: MVTU them. Bauman. 2015, pp. 122-131. (In Russian).
3. Kodysh E.N., Mamin A.N., Bobrov V.V., Reutsu A.V., Kuznechenko S.A. The results of the survey of the radio tower by V.G. Shukhov. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. 2017. No. 6, pр. 43—48. (In Russian).
4. Pryadko I.P. Shukhov radio tower: restoration of the masterpiece. Nauchnoe obozrenie. 2017. No. 6, pp. 1620. (In Russian).
5. Ershov M.N., Mamin A.N., Kotukov A.S. Rescue of the Shukhov tower. O-journal. Ochistka. Okraska. September-October 2012, pp. 60-61. (In Russian).
6. Ershov M.N., Korchukov A.S., the Reconstruction-restoration of Shukhov radio tower in Moscow. Social and legal problems of restoration of technically complex monuments of history and culture. Tekhnologiya i organi-zatsiya stroitel'nogoproizvodstva. 2014. No. 2, pp. 17-22. (In Russian).
7. Granev V.V., Mamin A.N., Kodysh E.N., Kuznechen-ko S.A., Ershov M.N. Technical condition of bearing constructions of radio Tower by V. Shukhov. Promyshlennoe igrazhdanskoe stroitel'stvo. 2012. No. 12, pp. 90-92. (In Russian).
8. Granev V.V., Mamin A.N., Kodysh E.N., Bobrov V.V., Ershov M.N., Matveyushkin S.A. Sokhranim ra-diobashnyu V.G. Shukhova. Promyshlennoye i grazh-danskoye stroitel'stvo. 2016. No. 6, рp. 14-19. (In Russian).
9. John C. Ion. Laser processing of engineering materials. Elsevier, 2005. 587 р.
Посетите новый сайт журнала «Строительные материалы»®
journal-cm.ru
¡TPfJ>ITE/]brlblE научно-технический и производственный журнал J ® сентябрь 2018
