Совершенствование технологии наплавки деталей металлургического оборудования

УДК 621.791



Совершенствование технологии наплавки деталей металлургического оборудования



Чурсин М.А., Лебедев С.В. Неверов В.В.

Липецкий государственный технический университет

Ключевые слова:

Плазменная порошковая наплавка, аустенитная сталь, быстрорежущая сталь.

Key words:

Plasma-powder surfacing, austenitic steel, high-speed steel.



Рассматривается возможность замены наплавочного материала для упрочнения рабочей поверхности деталей металлургического оборудования с целью увеличения срока эксплуатации и снижения стоимости изделия.



Для нанесения износостойких и коррозионностойких сплавов на детали и узлы металлургического оборудования в ОАО «НЛМК» используют метод плазменной порошковой наплавки. К этим деталям относятся футеровочные плиты распределительных лотков засыпных аппаратов доменных печей (рис.1), которые подвергаются ударно-абразивному изнашиванию с термоциклическим воздействием от контакта с падающей шихтой (агломерат и окатыши) и восходящих доменных газов, а также воздействию высоких температур (около 600 оС).



Рисунок 1. Распределительный лоток засыпных аппаратов ДП

Восходящие доменные газы имеют следующий состав: CO2 – 11 %; CO – 30 %; CH4 – 0,20 %; H2 – 3,5 %; O2+N2 – 55 % [4].

Для данного метода используют порошок марки НХ17СР4 химический состав которого приведены в таблице 1. Применяется он для упрочнения покрытий на деталях машин и оборудовании горячих цехов металлургических заводов, нефтяных погружных и грунтовых насосов, газоперекачивающих установок, горно-добывающей, дорожной и с/х техники. Упрочнение шнеков экструдеров полимерных материалов и др. Данный материал обладает теплостойкостью до 500?550 оС, коррозионной стойкостью, твердость его составляет 55-60 HRC. [3]

Таб. 1. 

Химический состав порошка НХ17СР4, % [1]

Марка

Ni

C

Cr

Si

B

Fe

НХ17СР4

Основа

1,0

17,0

4,1

3,6

<5,0



Микроструктура наплавленного слоя представляет собой аустенит с карбидами и при повышенном содержании железа (более 5 %) образуется хрупкая ?-фаза (рис. 2), снижающая показатели механических свойств. 

В процессе эксплуатации на футеровочной плите возникают дефекты в виде сквозных отверстий вследствие отколов наплавленного слоя (рис.2). Это можно объяснить возникновением в слое участков с высоким уровнем внутренних напряжений и соответственно возникновению микротрещин. Следовательно, увеличение срока службы распределительных лотков возможно при улучшении качества наплавленного слоя. Даже при снижении коррозионной стойкости наплавляемого материала при отсутствии дефектов работоспособность всей детали увеличится и снизится вероятность её аварийного выхода из эксплуатации вследствие равномерного и прогнозируемого износа. Такой результат достижим при замене порошка НХ17СР4 на другой с более высокими механическими и физическими свойствами и изменении методики наплавки, а также разработке режима термической обработки.



Рисунок 2. Футеровочная плита распределительного лотка доменной печи с отверстиями, появившимися в процессе эксплуатации в результате трещин в наплавленном металле с последующим его отколом.



Подобными сплаву НХ17СР4 характеристиками обладает материал ПР-65Х25Г13Н3 за счет высокая стойкости к абразивному и эрозионному износу, коррозии в пресной и морской воде, солевых растворах, нефтесодержащих средах, устойчивость против окисления на воздухе до 650–700 °С. Этот материал в 2,5 раза дешевле. Химический состав приведен в таблице 2. [1]

Таб. 2. 

Химический состав порошка 65Х25Г13Н3, %

Марка

Fe

C

Cr

Si

Ni

65Х25Г17Н3

Осн-ова

0,65

25

0,5

3





Наплавку данного материала проводили на установке УПН-303 в три прохода, на постоянном токе обратной полярности, по опытному режиму, представленному в таблице 3. Дисперсность частиц порошка 80-160 мкм. В качестве плазмообразующего и транспортирующего газа применялся аргон ГОСТ 10157 сорт высший, первый. Для обеспечения стабильного и устойчивого протекания процесса наплавки в плазмотроне используется медный водоохлаждаемый электрод с вольфрамовой вставкой ? 5мм марки ЭВЛ ГОСТ 23949. В качестве абразивного материала для дробеструйной обработки заготовок деталей перед плазменной наплавкой используется дробь ДЧК зернистостью 0,5-1,5 мкм ГОСТ 11964.



Таб. 3. 

Режимы наплавки порошка 65Х25Г17Н3

Сварочный ток,

А

Напряжение,

В

Скорость наплавки,

м/ч

Расход

газа,

л/мин

Частота

колебаний,

1/мин

Амплитуда

колебаний, мм

мм

240-260

55-70

2-2,3

10-12

48-50

50-55



Основой данного сплава является железо, микроструктура представляет собой аустенит и карбиды хрома (рис.3). Термическая обработка не проводилась. 





х200

Рис. 3. Микроструктура наплавленного слоя материала ПР-65Х25Г13Н3.

Марганцевый аустенит имеет высокую способность к упрочнению в процессе холодной пластической деформации. Пластическая деформация (статическое и динамическое обжатие) на 60-70% повышают твёрдость в 2…2,5 раза. Деформация в марганцевом аустените осуществляется путём скольжения дислокаций, а также за счёт двойникования и возможного образование около 1% мартенсита деформации [3].. Поэтому во время эксплуатации распределительного лотка наплавленный слой будет упрочняться. Также данный материал обладает коррозионной стойкостью, теплостойкостью свыше 600 оС и стоит в 2,5 раза меньше, чем НХ17СР4. 

Целесообразно ПР-65Х25Г13Н3 наплавлять в места воздействия ударных нагрузок. К таким местам распределительного лотка относятся зубья, на которые поступает шихта и за счет которых она удерживается, не соскальзывая с поверхности.

Плиты, расположенные в носовой части лотка, не испытывают высоких ударных нагрузок, но работают при условии сильного истирания и при высокой температуре. В данных условиях необходимы и соответствующие подходы к выбору структурно фазового состава матрицы. Это касается ее способности к значительному растворению карбидообразующих элементов при высокой температуре, высокой пластичности в малых по размеру межкарбидных прослойках в условиях эксплуатации. Данные требования может одновременно удовлетворить только аустенитно мартенситная матрица, аустенит которой находится в метастабильном состоянии. В условиях внешнего воздействия данный аустенит будет эффективно удерживать карбидные частицы от преждевременного выкрашивания, а за счет частичного фазового превращения упрочняться, внося тем самым вклад в общее упрочнение покрытия. Соответственно для этой части лотка, для нанесения покрытия подходит порошок 10Р6М5 обладающий высокой твердостью и прочностью после наплавки, а также красностойкостью и жаропрочностью. Согласно исследованиям [2] размер зерна быстрорежущей стали, наплавленной плазменно-порошковым методом на 20 % меньше, чем размер зерна литой быстрорежущей стали, а уровень твердости наплавленного металла на 10…20 % превышает уровень твердости стали Р6М5 после отжига. Перечисленные преимущества такого наплавочного материала делают его применение актуальным. Химический состав данного материала приведен в таблице 4.



Таб. 4. 

Номинальный химический состав порошка 10Р6М5 [1]

Марка

C

V

Cr

W

Mo

Пр-10Р6М5

1

2

4

6,5

5



Плазменная наплавка данного материала осуществлялась также на установке УПН-303 в три прохода, опытный режим представлен в таблице 5. Дисперсность порошка 100-200 мкм. 

Таб. 5. 

Опытный режим наплавки порошка 10Р6М5 [2]



Сварочный ток,

А

Напряжение,

В

Скорость наплавки,

м/ч

Расход

газа,

л/мин

Частота

колебаний,

1/мин

Амплитуда

колебаний, мм

мм

200-220

55-70

2-2,3

10-16

48-50

50-55



Термическая обработка после наплавки проводится для релаксации внутренних напряжений и частичного превращения аустенита остаточного в мартенсит и заключается в нагреве со скоростью не более 50 ?С/час до Т=560 ?С; выдержка при этой температуре 3 часа; охлаждение вместе с печью со скоростью не более 50 ?С/час до Т=100 ?С, далее на воздухе.

Микроструктура слоя представляет собой мартенсит и аустенит остаточный, а также карбиды эвтектические и вторичные рис.4. Травление в HNO3 на спирту, время травления 35 секунд.



                                                                        х500  

Рис. 4. Микроструктура наплавленного слоя материала ПР-10Р6М5, увеличение х500

Твердость данного слоя составляет 63-64 HRC, предел прочности 3300-3400 МПа, теплостойкость 620 оС.

Выводы

1. В результате исследования условий эксплуатации металлургического оборудования установлено что для плазменной наплавки зубьев засыпного лотка доменной печи целесообразно использовать порошок на основе железа 65Х25Г13Н3.

2. Для плазменной наплавки футеровочных плит, расположенных в носовой части лотка, использовать порошок 10Р6М5.

3. Для снятия внутренних напряжений после наплавки футеровочных плит необходимо провести отпуск при температуре 560 оС.



Список литературы

1. ОАО «Полема». Каталог наплавочных металлических порошков. Тула, 2015, ? 48 с.

2. Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменно-порошковая наплавка режущего инструмента // Сварочное производство. – 2008. – №11. – С. 28–31.

3. Соколов Г.Н. Наплавка износостойких сплавов напрессовые штампы иинструмент для горячего деформирования сталей. – Волгоград: Политехник, 2005. – 284с.

4. Товаровский И. Г. Доменная плавка. 2-е издание.- Днепропетровск: «Пороги», 2009. – 768с.

5. Еланский Г. Н., Линчевский Б. В., Кальменев А. А. Основы производства и обработки металлов. Москва 2005

6. Соснин Н.А., С.А. Ермаков С.А., Тополянский П.А.. Плазменные технологии. Руководство для инженеров. Изд-во Санкт-Петербургского политехнического университета. СПб. 2008. – 406с.

7. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. СПб: Химиздат, 2007. – 783с........................