Разработка порошковой проволоки для наплавки запорной арматуры Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.92.042 Е. Н. ЕРЕМИН

Л. Е. ЕРЕМИН Ю. О. ФИЛИППОВ Л. С. ЛОСЕВ Л. Е. МЛТЛЛЛСОВЛ

Омский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ НАПЛАВКИ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ

Исследована износостойкость металла, наплавленного проволоками 2X13, 13Х25Т, 11X11Н2В2МФ, 2Х14М2Б. Установлены параметры нагружения, определяющие работоспособность этих сталей в условиях работы пары трения с возвратно-поступательным движением при различных значениях удельного давления. Приведены результаты металлографических исследований наплавленного металла.

Ключевые слова: запорная арматура, наплавка уплотнительных поверхностей, высоколегированная проволока, твердость, структура.

Основная причина выхода из строя трубопроводной арматуры — повреждение уплотнительных поверхностей в результате появления задиров на трущихся со значительным удельным давлением и с малой скоростью поверхностях. Для повышения эксплуатационной надежности запорной арматуры в практике используют различные методы упрочнения поверхностей, основным из которых является наплавка.

В качестве отечественных наплавочных материалов для арматуры, изготавливаемой из углеродистых сталей, используют проволоки типа Х18Н10Т, 2X13, 13Х25Т, прутки кобальтового сплава В3К (стеллит) и другие материалы [1].

Практика использования этих сплавов показала, что наиболее работоспособным материалом является кобальтовый стеллит, который применяется для упрочнения арматуры даже в тех случаях, когда не требуется ни высокая коррозионная стойкость, ни жаростойкость. В то же время наплавка стеллитом требует предварительного и сопутствующего подогрева наплавляемого изделия до 700 °С, что значительно ухудшает условия труда рабочих и затрудняет изготовление крупногабаритных деталей с массой наплавляемого металла в несколько десятков килограммов. Кроме того, стеллит является дорогостоящим материалом, содержащим дефицитные элементы — кобальт и вольфрам.

В соответствии с условиями работы наплавленный металл уплотнительных поверхностей задвижек должен иметь твердость в пределах 40 — 55 HRC и обладать достаточной коррозионной стойкостью.

В связи с этим проведена работа по изысканию новых наплавочных материалов для упрочнения контактных поверхностей трубопроводной арматуры на основе высокохромистой стали. Для сравнительных испытаний на стойкость против образования задиров были выбраны стали 2Х13, 13Х25Т, 11Х11Н2В2МФ, полученные стандартными проволоками [2], и сплав, полученный наплавкой, разработанной порошковой проволокой ПП-2Х14М2Б [3]. Наплавка выбранными проволоками осуществлялась

автоматом АДГ-502 на продольные и кольцевые образцы из стали 20. Ток постоянный обратной полярности. В качестве защитной среды использован аргон. После наплавки образцы разрезались вулканитом на темплеты, которые затем проходили фрезеровку и шлифовку. На части подготовленных таким образом темплетов исследовалось распределение твердости по высоте наплавленного валика. Другая часть темплетов прошла металлографические исследования и химический анализ.

Химический состав и твердость наплавленного металла, полученного исследуемыми материалами, приведены в табл. 1.

Испытания на износостойкость проводили на стенде, имитирующем условия работы пары трения задвижки. При этом использовали кольцевые образцы, имитирующие детали задвижки, диаметром 50 мм. Один из образцов (верхний) с уплотнительным пояском шириной 5 мм и высотой 6 мм совершал по поверхности нижнего образца, закрепленного неподвижно, возвратно-вращательное движение с амплитудой 10 мм и скоростью 0,005 м/с. Испытания проводили в воздушной среде при комнатной температуре и осевой нагрузке на образец до 500 кг/см2, создаваемой гидроцилиндром испытательного пресса и измеряемой монометром.

Оценка стойкости наплавленного металла против задиров проводилась с помощью микроскопа МИС-11. Критерием стойкости являлось предельно допустимое давление на трущихся поверхностях образцов, при минимальной глубине задира.

Испытания стали 2Х13 показали, что задиры на трущихся поверхностях появляются при удельном давлении 200 кг/см2 в течение 300 — 400 циклов трения, а при давлении 500 кг/см2 — уже за 10— 15 циклов (табл. 2).

Образцы из стали 13Х25Т имели глубокие задиры после первых же циклов трения уже при удельном давлении 200 кг/см2, причем при работе в паре с более твердым металлом на его поверхности очень быстро образуются наросты.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

Химический состав (в %) и твердость наплавленного металла

С Мп Si Сг Ті М W Мо V МЪ Твердость НИ.С

проволока Св-20Х13

0,14 0,56 0,38 12,18 - - - - - - 40-42

проволока Св- 13Х25Т

0,11 0,71 0,54 21,49 0,21 - - - - - 22-28

проволока Св-11Х11Н2В2МФ

0,12 0,58 0,36 11,15 - 1,34 1,6 0,39 0,16 - 41-43

проволока ПП-2Х14М2Б

0,26 - - 14,2 - - - 1,86 - 1,2 54-56

Таблица 2

Результаты испытаний наплавленного металла

Марка проволоки Удельное давление, кг/см2 Количество циклов испытания Глуби на задира, мкм

Св - 2Х13 200 300-400 50

500 10- 15 80

Св- 13Х25Т 200 5 1 8 140

Св - 11Х11Н2В2МФ 200 400 —

500 100 20

ПП-2Х14М2Б 500 600 —

500 800 5

а) б)

Рис. 1. Микроструктура наплавленного металла проволокой 2Х14М2Б (х200): а — шов; б — переходная зона

Рис. 2. Тонкая структура наплавленного металла

Образцы, наплавленные сталью 11Х11Н2В2МФ, в процессе испытаний при удельном давлении до 200 кг/см2 не имели задиров вплоть до 400 циклов. Однако испытания при давлении 500 кг/см2 показали, что образцы имеют задиры уже после 100 циклов.

Образцы, наплавленные порошковой проволокой ПП-2Х14М2Б, показали хорошую стойкость против задирания. При испытании до 600 циклов при удельном давлении 500 кг/см2 задиров на образцах не было. Дальнейшие испытания привели к появлению очень мелких рисок глубиной 3 — 6 мкм, число которых постепенно увеличивалось. В связи с этим были проведены дополнительные исследования этого материала. Испытывали образцы с различным структурным состоянием с твердостью HRC 48 — 50, 54 — 56 и 58 — 60 при удельном давлении до 700 кг/см2.

Испытания показали, что при удельном давлении 600 кг/см2 на поверхности образцов не появились задиры до 300 — 400 циклов. Повышение нагрузки привело к резкому снижению стойкости стали. Так, при давлении 700 кг/см2 задиры появились через 50 — 60 циклов независимо от твердости наплавленной поверхности. Однако отмечено, что роль твердости наплавленного металла возрастает после начала схватывания трущихся поверхностей, появления задиров и перехода от режима скольжения к режиму царапания наростами, образовавшимися из вырванного с поверхности металла. Образцы с твердостью 58 — 60 HRC оказывают большее сопротивление царапанию, чем образцы с твердостью 48 — 50 HRC. Глубина зади-ров через 30 циклов после их появления при удельном давлении 600 кг/см2 составила соответственно 0,2 и 0,4 мм.

Металлографические исследования показывают, что такой металл имеет мартенситную структуру (рис. 1).

Введение в состав новой порошковой проволоки феррониобия обеспечивает получение карбидов ниобия в процессе расплавления и кристаллизации наплавленного металла. Карбиды ниобия, равномерно распределенные в матрице нового типа наплавленного металла, обеспечивают ему высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания и восприятия статического давления с большими контактными нагрузками. Кроме того, ниобий обеспечивает стойкость наплавленного металла к межкристаллит-ной коррозии в послесварочном состоянии.

Молибден введен для повышения твердости и прочности, поскольку основной упрочняющей фазой для данного металла, наряду с карбидами является фаза Лавеса типа Fe2Mo. Молибден также является поверхностно-активным элементом по отношению к железу, препятствует выделению карбидов и ин-терметаллидов по границам зерен, что, в свою очередь, повышает прочность и пластичность наплавленного металла. Кроме того, молибден предупреждает рост зерна при кристаллизации и повышает технологическую прочность (стойкость к горячим трещинам) наплавленного металла.

Предложенная порошковая проволока обеспечивает комплексное упрочнение наплавленного металла за счет образования в мартенситной структуре как карбидов хрома, ниобия и молибдена Сг23С6; (Сг^Ь)С2; NbC; (Мо23С6 + Мо2С), так и интерметал-лидных фаз типа Fe2Mo (рис. 2).

Прослойка между наплавленным металлом и основным металлом практически отсутствует, что существенно снижает вероятность появления трещин в зоне сплавления. Твердость практически одинаково распределяется по высоте наплавленного валика, ее значения стабильны и находятся в пределах 54 — 58 HRC, что вполне удовлетворяет требованиям к твердости наплавленного металла уплотнительных поверхностей.

Результаты производственных испытаний показали, что ресурс работы запорной арматуры, наплавленной проволокой ПП-2Х14М2Б, по сравнению с ранее использовавшейся проволокой 2Х13 повышается в 1,8 — 2,2 раза.

Библиографический список

1. Степин, В. С. Современные наплавочные материалы для уплотнительных поверхностей арматуры АЭС и ТЭС /

B. С. Степин [и др.] // Арматуростроение. — 2006. — № 2. —

C. 55-56.

2. Еремин А. Е. Структура и свойства высокохромистого металла запорной арматуры, наплавленного серийно выпускаемыми сварочными проволоками / А. Е. Еремин, Е. Н. Еремин, Ю. О. Филиппов [и др.] // Омский научный вестник. — 2014. — № 1 (127). — С. 55-58.

3. Пат. 2356715 Российская Федерация, МПК7 Н 04 В 1/38, Н 04 3 13/00. Порошковая проволока / Еремин Е. Н., Еремин А. Е., Филиппов Ю. О., Лосев А. С. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. тех. ун-т. — № 2000108705/28; заявл. 07.04.00 ; опубл. 27.05.09, Бюл. № 15. — 3 с.

ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), декан машиностроительного института, заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение».

ЕРЕМИН Андрей Евгеньевич, аспирант кафедры «Машиностроение и материаловедение». ФИЛИППОВ Юрий Олегович, доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».

ЛОСЕВ Александр Сергеевич, старший преподаватель кафедры «Машиностроение и материаловедение».

МАТАЛАСОВА Арина Евгеньевна, студентка группы С-113, специальность 151701.65 «Проектирование технологических машин и комплексов».

Адрес для переписки: weld_techn@mail.ru

Статья поступила в редакцию 26.03.2014 г.

© Е. Н. Еремин, А. Е. Еремин, Ю. О. Филиппов, А. С. Лосев, А. Е. Маталасова

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ