CC BY
22
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. №13
2003 р.
ЗВАРЮВАЛЬНЕ ВИРОБНИЦТВО
УДК 621.793 : 621.81
Захаров C.B.1, Роянов В.А.2, Серенко А.Н.3
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ НАПЫЛЕНИЕМ
Предложен новый способ восстановления размеров изношенных поверхностей деталей металлургического оборудования, основанный на последних достижениях процесса газотермического нанесения металлопокрытий. Дано технико-эконо-мическое обоснование использованию подслоя сглаживающего уровень остаточных напряжений и повышающего работоспособность покрытия.
Анализ современных технологий восстановления изношенных поверхностей показывает, что на практике имеет место необходимость восстанавливать поверхности, изношенные на толщину до 2 мм с приданием им износостойких свойств при трении с использованием масел.
Основной проблемой при этом, является выбор метода ремонта, сочетающего в себе минимальные затраты с высоким эффектом работоспособности восстановленной поверхности.
Существует ряд современных технологий и методов восстановления изношенных размеров трущихся поверхностей, требующих специального оборудования, высокой квалификации персонала и как правило дорогостоящих материалов. Наряду с этим выгодно отличается процесс электродугового напыления, включающий в себя комплект практичного недорогого оборудования, относительно дешевые напыляемые материалы и не требующий высокой квалификации обслуживающего персонала при высокой износостойкости покрытий.
Практически единственным недостатком покрытий нанесенных электродуговым напылением является низкая прочность сцепления с основой, особенно при нанесении покрытий толщиной свыше 3 мм. Одним из вариантов увеличения прочности сцепления в литературе рассматривается нанесение промежуточного пластичного слоя (подслоя), сглаживающего напряженное состояние переходного слоя основа-покрытие. Отсутствие универсального подслоя приводит к тому, что необходимо разрабатывать и подбирать состав промежуточного слоя индивидуально под каждую группу напыляемых покрытий.
Целью данной работы является совершенствование технологии электродугового напыления подбором составов покрытия и промежуточного слоя для деталей металлургического оборудования работающих при трении металла о металл в условиях ОАО «МК «Азовсталь» г. Мариуполь.
Известно [1-3], что основным недостатком покрытий, нанесенных электродуговым напылением есть относительно низкая прочность сцепления покрытия с основой, что является следствием высоких внутренних остаточных напряжений, различных модулей упругости, коэффициентов линейного расширения и других физико-химических свойств металла основы и покрытия.
Нарушение прочности сцепления покрытия с основой может происходить вследствие достижения предельного напряженного состояния слоев на межфазной границе под воздействием не только внешних (эксплуатационных) силовых факторов, но и вследствие возникновения остаточных нормальных и касательных напряжений.
С учетом сказанного условие появления разрушения (отслаивания) покрытия можно представить в следующем виде:
1 ОАО «МК«Азовсталь», инж., канд.техн.наук.
2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ПГТУ, канд.техн.наук., проф.
где СУ, т - нормальные и касательные напряжения в переходном слое от действия внешних сил;
& ост -> ^ост " нормальные и касательные остаточные напряжения в переходном слое; О в, Тв-прочность переходной зоны при отрыве и чистом срезе; оэ - эквивалентные напряжения.
Эквивалентные напряжения будут определяться в соответствии с энергетической гипотезой прочности по зависимости [4]:
Механизм формирования соединения покрытия с основой при напылении весьма сложен и к настоящему времени еще не изучен полностью. Поэтому весьма важно установить хотя бы общие закономерности этого процесса путем экспериментальной оценки влияния отдельных факторов на прочность сцепления.
Достоверность оценки прочности сцепления покрытий, при прочих равных условиях, зависит от выбранного способа силового воздействия на соединение, размеров и формы образца, технологических параметров процесса напыления детали и т.д.
Известен ряд методов [5] определения прочности сцепления с основой, использующих отрыв, либо срез покрытия, что не отражает в полной мере реальное напряженное состояние переходного слоя, следовательно, его реальную прочность.
Таким образом, для более объективной оценки прочности сцепления с основой необходима такая методика, при которой имеется возможность реализации условия (1). Разработана методика испытания газотермических покрытий на прочность сцепления с подложкой, основанная на использовании цилиндрических штифтов.
Основной особенностью испытания по предложенной методике является возможность реализации одновременного воздействия на переходный слой напряжений отрыва О" и среза X , зависящие от угла а [6]:
Необходимо, однако, отметить, что в данной методике (как и в других известных) влияние остаточных напряжений на сопротивление разрушению переходного слоя не может быть оценено в силу особенностей их распределения в зоне отрыва штифта. В работах [7,8] показано, что остаточные напряжения в рассматриваемой области будут близки к нулю. Таким образом, все существующие на сегодняшний день методики измерения прочности сцепления покрытия с подложкой позволяют оценить лишь ее адгезионную составляющую.
По разработанной методике исследовалась прочность сцепления для различных условий напыления и используемых материалов. На рис. 1 приведены графики изменения прочности на чистый отрыв {ос =0) для некоторых материалов.
Видно, что наименьшей прочностью обладают покрытия из коррозионностойкой стали, что указывает на слабую адгезионную связь между металлом покрытия и подложки.
Для снижения уровня напряженности покрытия и повышения адгезионной прочности покрытий сделан выбор пластичного и легкоплавкого (по отношению к ПП-ММ2) материала подслоя, который является недефицитным для комбината "Азовсталь" - бронзовая проволока Бр.АМц-9. Нанесение подслоя толщиной 0,1...0,2 мм позволило повысить работоспособность нанесенного рабочего слоя в 1,5...2 раза. Режимы электродугового напыления шеек роликов МНЛЗ (Рис.2) с использованием промышленного металлизатора ЭМ-17 и некоторые сравнительные данные покрытия представлены в таблице 1.
(2)
(3)
где <Уср — Р/ /','„„, - средние напряжения в штифте диметром с1.
СТо, МПа
50
40 30 20 10
Ь=120 мм
1 о—
-и
о—
СТо, МПа 50
40
30
20
10
Ун = 46 мм/с
N V1
2 '
0 15 30 45 60 75 У,шм/с 50 100 150 200 250 Ь,мм
Рис.1- Прочность сцепления напыленного покрытия на отрыв для некоторых материалов. 1 - ПП-ММ-2, 2- 06X18Н9Т
Таблица 1 - Характеристика процесса напыления шеек ролика МНЛЗ.
Тип покрытия, марка распыляемой проволоки Ток дуги, А Напряжение на дуге, В Дистанция напыления. мм Пористость, % Прочность сцепления, МПа
подслой покрытие подслой покрытие
Износостойкое, ПП-ММ2 02,4 мм, подслой Бр.АМц-9 0 2,0 мм 180 200 34 40 120 14,0 45,0
Рис. 2 - Шейки роликов МНЛЗ подготовленные под напыление (а) и после нанесения покрытия (б).
Наибольший эффект от внедрения напыления получен на поршнях машины открывания и навешивания шиберных затворов кислородного конвертера. Согласно технических условий рабочие кольца поршней выполняются из меди МНЖКТ-5-01-02-02, корпус изготовлен из СтЗ. Низкий уровень прочности сцепления меди со сталью обусловлен слоем окислов на границе покрытие-основа (см. рис.3.а).
Увеличить прочность сцепления и работоспособность покрытий из меди и других материалов возможно путем нанесения промежуточных слоев. Применение широко распространенных в качестве подслоя материалов типа Мо, N1 дает хорошие результаты, но учитывая их высокую стоимость и дефицитность, делает весь процесс восстановления шеек экономически не
а б в
Рис.3 - Микроструктура напыленных покрытий меди МНЖКТ на СтЗ (а), меди на СтЗ с подслоем бронзы Бр.АМц-9 (б) х200 и бронзы Бр.АМц-9 с медью МНЖКТ х 1000.
выгодным. Применяя подслой из бронзы Бр.АМц-9, имеющую хорошую адгезионную прочность со СтЗ (рис.3.б) и хорошую сцепляемость с медью (рис.3.в), удалось повысить работоспособность и качество металлопокрытий из меди.
Внедрение разработанной технологии электродугового напыления позволило снизить затраты и время на восстановление шеек. Выбор наносимого материала был остановлен на порошковой проволоке ПП-ММ2, анализ технологичности которой дан рядом авторов [1] для случая износа покрытия при трении металлических пар.
Нанесенные газотермические покрытия на детали металлургического оборудования в виду свойственной им пористости показывают повышенную работоспособность по отношению к поверхностям сплошного сечения, получаемых электродуговой наплавкой, чем способствуют снижению времени простоя оборудования. Работая в условиях смазки, пропитываясь по всей толщине и удерживая смазочный материал, газотермические покрытия снижают износ металлической пары. В таблице 2 представлены сравнительные характеристики работы газотермических покрытий и наплавленного слоя, работающих в условиях смазки материалом УНИОЛ, в качестве рабочих поршневых колец машины открывания и навешивания шиберных затворов кислородного конвертера (рис.4).
Таблица 2 - Характеристики работоспособности покрытий
Покрытие, слой Прочность сцепления, МПа Пористость. % Отработано до выхода из строя, ч
Эл.дуговая наплавка под флюсом АН-60 проволокой НП-30ХГСА сплавление — 240
Эл.дуговая наплавка под флюсом АН-26п проволокой НП-12X13 сплавление — 290
Напыленное МНЖКТ-5-01-02-02 24 12 230
Напыленное МНЖКТ-5-01-02-02 с подслоем бронзы Бр.АМц-9 45 12 380
Поршни, представленные на рис.4, прошли промышленные испытания, показав повышение работоспособности в 1,5 раза по сравнению с поршнями, рабочие кольца которых выполнялись электродуговой наплавкой.
а б
Рис.4 - Поршни гидроцилиндров открывания и навешивания шиберных затворов кислородного конвертера - левый (а) и правый (б).
Выводы
На ОАО "МК"Азовсталь" внедрена в производство технология восстановления изношенных деталей металлургического оборудования, таких как шейки роликов MHJ13, поршня гидроцилиндров и д.р. методом электродугового напыления. Напыленные покрытия, в виду свойственной им пористости и способности удерживать смазочный материал, показали повышение эксплуатационных характеристик, что снизило простои ремонтируемого оборудования и дало экономию материальных ресурсов.
Исследования, начатые в работе, могут найти свое продолжение для восстановления различных деталей металлургического и механического оборудования с широким спектром специфичных характеристик, таких, как коррозионная стойкость, повышение фрикционных свойств поверхностей и т.д.
Перечень ссылок
1. Процессы плавления и распыления материала при электродуговой металлизации / В.А. Ва-халин, С.Б. Масленников, В.В. Кудинов, и др. II Физика и химия обработки материалов. -1981,-№3,-С. 58- 63.
2. Верстак A.A. Адгезия и контактное взаимодействие расплавов / А,А Верстак, М.Н Короткий а, И.Л. Куприянов - К.: Наукова думка, 1988. - 250с.
3. Урюков Б.А. Теоретические и экспериментальные проблемы взаимодействия частиц с поверхностью /Б.А. Урюков - Киев: Ин-т сверх твердых матер. HAH Украины, 1988. - с. 180
4. Перегудин Б. П. Методы измерения прочности сцепления газотермических покрытий (обзор) IБ.П. Перегудин II Сварочное производство.- 1988.-№9,- С.41-42.
5. Петров C.B. Плазма продуктов сгорания в инженерии поверхности / С.В.Петров, А.Г.Сааков. - Киев: ТОПАС, 2000. - 220 с.
6. Захаров C.B. Остаточные напряжения и прочность сцепления покрытий при газотермическом напылении / С.В.Захаров, А.Н.Серенко, В.А.Роянов II Сварочное производство - 2002. -№3. С.76 - 81.
7. Навроцкий Д.И. Расчет сварных соединений с учетом концентрации напряжений / Д.И. Навроцкий - Л.: Машиностроение, 1968,- 170 с.
8. Негода E.H. Исследование напряженно-деформированного состояния осесимметричных сварных изделий из разнородных материалов. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Негода E.H. - Л., 1980,- 19 с.
Статья поступила 21.02.2003
