Старый Оскол, Белгородская область, Россия
Старый Оскол, Белгородская область, Россия
Старый Оскол, Белгородская область, Россия
Старый Оскол, Белгородская область, Россия
ВАК 05.02.2013 Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 20.15 Организация информационной деятельности
ГРНТИ 20.17 Документальные источники информации
ГРНТИ 20.19 Аналитико-синтетическая переработка документальных источников информации
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.15 Литейное производство
ГРНТИ 55.16 Кузнечно-штамповочное производство
ГРНТИ 55.18 Сборочное производство
ГРНТИ 55.19 Резание материалов
ГРНТИ 55.20 Электрофизикохимическая обработка
ГРНТИ 55.21 Термическая и упрочняющая обработка
ГРНТИ 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий
ГРНТИ 55.23 Производство изделий из порошковых материалов
ГРНТИ 55.24 Производство неметаллических изделий
ГРНТИ 55.29 Станкостроение
ГРНТИ 55.30 Робототехника
ГРНТИ 55.31 Инструментальное производство
ГРНТИ 55.33 Горное машиностроение
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
ГРНТИ 55.37 Турбостроение
ГРНТИ 55.41 Локомотивостроение и вагоностроение
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.43 Автомобилестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 55.47 Авиастроение
ГРНТИ 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение
ГРНТИ 55.53 Строительное и дорожное машиностроение
ГРНТИ 55.55 Коммунальное машиностроение
ГРНТИ 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
ГРНТИ 55.69 Прочие отрасли машиностроения
ГРНТИ 73.01 Общие вопросы транспорта
ГРНТИ 73.29 Железнодорожный транспорт
ГРНТИ 73.31 Автомобильный транспорт
ГРНТИ 73.39 Трубопроводный транспорт
ГРНТИ 73.41 Промышленный транспорт
Приведены результаты исследований, направленных на изучение возможности применения наплавочного материала ASM 4603-SA, модифицированного тугоплавкими компонентами, для восстановления роликов машин непрерывного литья заготовок. Показано, что такой материал обладает высокой износостойкостью и стойкостью к образованию трещин в результате циклических высокотемпературных воздействий.
машины непрерывного литья заготовок, МНЛЗ, ролики, электродуговая наплавка, карбид вольфрама, нитрид бора гексагональный, износостойкость, теплостойкость
Введение
Для сталеплавильных производств важное значение имеют исследования и разработки, направленные на повышение производительности и стабильности процесса разливки стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), одним из уязвимых мест которых являются ролики [1]. В условиях роста доли разливки стали на МНЛЗ [2] проблема повышения стойкости роликов является актуальной.
В настоящее время на металлургических предприятиях восстановление изношенных поверхностей роликов МНЛЗ производится преимущественно с использованием технологии электродуговой наплавки материалами Св-20Х13, ПП-Нп-25Х5ФМС и др.
Известно, что за рубежом достигнута фактическая стойкость восстановленных наплавкой роликов, равная 3 000 000 т литой заготовки, а в отечественной металлургии – до 500 000 т. Различие связано с более высоким уровнем технологии наплавки, наплавочного материала и применяемого оборудования [3].
Увеличение стойкости восстановленных роликов МНЛЗ позволит сократить простои оборудования, прямые и косвенные затраты на ремонт.
Рабочая поверхность роликов МНЛЗ является объектом интенсивного механического и цикличного теплового воздействия в результате движения по ним литой заготовки. Абразивный и адгезионный износ в сочетании с высокотемпературным окислением, а также усталостный износ являются причиной разрушения рабочей поверхности роликов, что требует проведения работ по их восстановлению.
Стойкость роликов МНЛЗ зависит от многих факторов: применяемых материалов, технологии их изготовления, квалификации персонала, условий проведения термической обработки, оптимальности режимов эксплуатации, эффективности системы охлаждения, от конструкции как роликов, так и линий МНЛЗ, свойств рабочей поверхности.
На металлургических предприятиях изношенные ролики МНЛЗ восстанавливаются путем применения технологии наплавки. В большинстве случаев ролики МНЛЗ изготовлены из жаропрочных сталей (20Х13, 25Х1М1Ф и др.), а их восстановление осуществляется электродуговой наплавкой с применением проволок различных составов. Как правило, для восстановления роликов МНЛЗ, работающих при трении металла по металлу, используют низкоуглеродистые хромистые нержавеющие стали.
На сегодняшний день нет единого решения вопроса о выборе стали для изготовительной и восстановительной наплавки [4]. Условия реального производства часто индивидуальны и характерны для конкретного производителя.
Ранее [5] авторами проводились исследования по подбору оптимальных наплавочных материалов для восстановления роликов МНЛЗ с целью снижения износа функциональных поверхностей при эксплуатации и повышения их ресурса работы. В ходе лабораторных и промышленных испытаний было исследовано более 30 наплавочных материалов отечественного и импортного производства. По износостойкости, теплостойкости и экономической эффективности высокие результаты показал наплавочный материал ASM 4603-SA производства ООО «АСМ - Специальные наплавочные материалы» (г. Череповец) [5]. Наплавка материала производилась под слоем флюса ASM BM-21. Износостойкость роликов, восстановленных материалом ASM 4603-SA, оказалась в 1,48 раза выше износостойкости слоя, наплавленного проволокой ПП-Нп-25Х5ФМС, часто применяемой в ремонтных цехах металлургических предприятий.
Увеличение срока службы восстановленных роликов МНЛЗ в два и более раз является актуальной задачей, требующей использования более износостойких материалов, способных сопротивляться вышеуказанным видам воздействия в течение длительного времени при условии сохранения экономической целесообразности применения таких материалов.
Для решения этой задачи совместно с производителем был модифицирован состав порошковой проволоки ASM 4603-SA за счет введения в ее шихту тугоплавких компонентов - порошка карбида вольфрама WC в количестве 3% для увеличения износостойкости и нитрида бора BN гексагонального в количестве 0,2% в качестве твердой высокотемпературной смазки.
Целью данной работы являлось изучение возможности применения порошковой проволоки ASM 4603-SA, модифицированной тугоплавкими компонентами, для восстановления роликов МНЛЗ.
Методика исследований
В качестве материала подложек для наплавки применяли образцы из стали 20Х13, используемой для изготовления роликов МНЛЗ. На подложки в 2-3 слоя (в зависимости от толщины проволоки) наплавлялись материалы ПП-Нп-25Х5ФМС, ASM 4603-SA, модифицированный материал ASM 4603-SA с добавками 3% WC и 0,2% BN.
Для изготовления экспериментального состава проволоки ASM 4603-SA + 3%WC + 0,2% BN диаметром 2,4 мм для электродуговой наплавки применяли:
- порошок карбида вольфрама WC3 (производства компании «Вольфрам», FSSS = 2,53);
- порошок нитрида бора BN гексагонального марки А (производства ООО «Платина»);
- ASM 4603-SA (Fe - основа, C - 0,30%, Si - 0,7%, Mn - 1,8%, Cr - 5,0%, Ni - 0,1%, Mo - 1,4%, V - 0,7%, W - 1,1%).
Концентрат шихты получали путем механического смешивания порошков в планетарной мельнице Fritsch Pulverisette 5. Далее концентрат в условиях ООО «АСМ - Специальные наплавочные материалы» смешивали с остальной шихтой в необходимых пропорциях. Отношение массы шихты к массе оболочки - 30:70. Эффективное смешивание компонентов внутри чаши смесителя происходило за счет ее сложного пространственного движения. Отсутствие лопастей внутри чаши позволило избежать истирания и разрушения частиц во время смешивания.
Рентгеноструктурный фазовый анализ образцов с наплавленными слоями проводили на дифрактометре ДРОН-4 с использованием монохроматического Cо-Кα-излучения (длина волны 1,79021 Å) и Cu-Кα-излучения (длина волны 1,54178 Å). Съемка проводилась в режиме шагового сканирования в интервале углов 2Θ = 10…130°, шаг съемки составлял 0,1°, экспозиция -2…4 с.
Обработка спектров проводилась при помощи программ качественного (PHAN) и количественного анализа (PHAN%), разработанных в НИТУ «МИСиС».
Твердость образцов с наплавленными слоями измерялась согласно ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу» на твердомере ТР 5006.
Шлифы готовили на полировальной машине StruersRotoPol-21 в автоматическом режиме. При шлифовании применялись последовательно шлифовальные бумаги Struersс зернистостью карбида кремния SiC 120, 220,500, 800, 1200, 4000.
Полирование образцов проводили с помощью суспензии из коллоидного оксида кремния O-PS (размер зерна 0,04 мкм).
Микроструктура наплавленных слоев исследовалась на оптическом микроскопе Neophot-32 и сканирующем электронном микроскопе HitachiS-3400N, оснащенном рентгеновским энергодисперсионным спектрометром NORAN.
Трибологические свойства образцов с наплавленными слоями оценивали в соответствии с международными стандартами ASTMG 99-959 и DIN 50324 на высокотемпературной машине трения High-temperature Tribometer (CSM Instruments) по схеме pin-on-disk (рис. 1).
Рис. 1. Схема проведения эксперимента
В качестве контртела применяли шарик из Al2O3 диаметром 6 мм. Линейная скорость скольжения образцов выбрана равной 10 см/с, нагрузка - 5 Н. Зависимость коэффициента трения трущейся пары от длины пробега контртела, равной 500 м, строилась на компьютере с помощью программного обеспечения InstrumX.
Профиль дорожки износа исследовали на оптическом профилометре VeecoWycoNT1100.
Скорость износа определялась по формуле
W = sL/(Нl),
где W - скорость износа, мм3∙Н–1·м–1; L - длина окружности, мм; s - площадь сечения износа канавки, мм2; Н - нагрузка, Н; l - путь трения, м.
Трибологические испытания проводились при температуре 700 °С. Выбор температуры эксперимента был обусловлен результатами замеров температуры роликов тянуще-правильной МНЛЗ №2 АО «Оскольский электрометаллургический комбинат» (рис. 2) [5].
Рис. 2. Результаты измерения температуры
ролика тянуще правильной машины МНЛЗ
в момент контакта с литой заготовкой
Измерения проводились тепловизором SDS HotFind-DXT. Результаты измерений показали, что температура поверхности ролика, контактирующего с литой заготовкой, составляет до 462ºС (точка P02 на рис. 2). Таким образом, испытания проводились в более жестких температурных условиях, чем производственные.
Ролики МНЛЗ в процессе своей работы испытывают термоциклические нагрузки. Как видно из рис. 2, температура поверхности вращающихся с частотой 0,4 об/мин роликов меняется от 462 ºС (точка P02) до 282 ºС (точка P01). Наплавочные материалы ASM 4603-SA и ПП-Нп-25Х5ФМС в производственных условиях показывают высокую стойкость к таким перепадам температур. С целью проверки способности модифицированного наплавочного материала сопротивляться термоциклическим нагрузкам были проведены испытания образцов на термостойкость.
Испытания на термостойкость проводились в муфельной лабораторной печи марки ЭКПС-10. Образцы с наплавленными слоями размерами 20×20×20 мм выдерживались в течение 30 минут в печи при температуре 900 °С, после чего охлаждались в воде, имеющей температуру 20 °С, в течение 30 секунд. Количество циклов «нагрев - охлаждение» равнялось 30.
Критерием термостойкости образцов с наплавленными слоями являлось наличие трещин после охлаждения.
Обсуждение результатов исследований
Фазовый состав наплавленных слоев представлен в табл. 1.
Таблица 1
Фазовый состав наплавленных слоев
|
Наплавленный материал |
Фаза |
Структурный тип |
Символ Пирсона |
Весовая доля, % |
Периоды, Å |
|
ПП-Нп-25Х5МФС |
α-Fe |
typeA2 |
cI2 |
98 |
а = 2.872 |
|
γ-Fe |
typeA1 |
cF4 |
2 |
а = 3.587 |
|
|
ASM 4603-SA
|
γ-(Fe-Cr-C) |
type A1 |
cF4 |
12 |
а = 3.601 |
|
α-(Fe-Cr) |
type A2 |
cI2 |
88 |
а = 2.880 |
Установлено, что основной фазой в образцах, наплавленных материалами ПП-Нп-25Х5ФМС и ASM 4603-SA, является α-Fe (мартенсит) - 98 и 88% соответственно. В слое, наплавленном проволокой ASM 4603-SA, содержится 12% аустенита (γ-Fe), в образце, наплавленном ПП-Нп-25Х5ФМС, - 2%.
Структура слоя, наплавленного порошковой проволокой ASM 4603-SA+3%WC +0,2%BN, приведена на рис. 3. Граница между подложкой и наплавленным слоем характеризуется отсутствием дефектов (рис. 3а). На рис. 3б видно, что в наплавленном слое имеются включения, которые представляют собой сульфид марганца MnS.
Рис. 3. Структура наплавленного слоя ASM 4603-SA + 3%WC + 0,2%BN
На рис. 4а приведен фрагмент наплавленного слоя, на рис. 4б - его дифрактограмма, а в табл. 2 - химический состав. Видно, что содержание вольфрама составляет 2,3%.
а) б)
Рис. 4. Фрагмент наплавленного слоя ASM 4603-SA + 3%WC + 0,2%BN (а) и его дифрактограмма (б)
Таблица 2
Химический состав наплавленного слоя ASM 4603-SA + 3%WC + 0,2%BN, %
|
Область на рис. 4а |
Si-K |
V-K |
Cr-K |
Mn-K |
Fe-K |
Mo-L |
W-M |
|
1 |
0,4 |
1,1 |
4,4 |
2,2 |
88,6 |
1,1 |
2,2 |
Результаты трибологических исследований (коэффициент трения Ктр, скорость износа W) и измерений твердости наплавленных слоев приведены в табл. 3.
Таблица 3
Свойства наплавленных слоев
|
Наплавленный слой |
Твердость HRC |
Коэффициент трения Ктр |
Скорость износа W, ×10-6 мм3∙Н–1·м–1 |
|
ПП-Нп-25Х5ФМС |
50,04±1,05 |
0,54 |
44,6 |
|
ASM 4603-SA |
52,45±1,77 |
0,56 |
31,7 |
|
ASM 4603-SA +3%WC +0,2%BN |
57,37±0,64 |
0,52 |
21,5 |
На рис. 5 приведены зависимости коэффициента трения образцов с наплавленными слоями от длины пробега контртела, на рис. 6 - профили дорожек износа образцов и их 3D-изображения.
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения образцов Ктр от длины пробега контртелаl:
1 – образец, наплавленный проволокой ASM 4603-SA; 2 – образец, наплавленный проволокой ПП-Нп-25Х5МФС; 3 – образец, наплавленный модифицированной проволокой ASM 4603-SA+3%WC+0,2%BN
|
|
|
а) б)
|
|
|
в) г)
|
|
|
д) е)
Рис. 6. Профили дорожек износа образцов (а, в, д) и их 3D-изображения (б, г, е):
а, б – образец, наплавленный проволокой ПП-Нп-25Х5ФМС; в, г – образец, наплавленный проволокой ASM 4603-SA; д, е – образец, наплавленный модифицированной проволокой ASM 4603-SA +3%WC +0,2%BN
Образцы с наплавленными слоями из материалов ASM 4603-SA характеризуются более низкой скоростью износа (в 1,48 раза) по сравнению с образцом, наплавленным порошковой проволокой ПП-Нп-25Х5ФМ.
Скорость износа модифицированной проволоки ASM 4603-SA + 3%WC + 0,2%BN составляет 21,5·10–6 мм3∙Н–1·м–1, что в 1,5 раза ниже, чем у материла ASM 4603-SA, и в 2 раза ниже, чем у материала ПП-Нп-25Х5ФМС.
В результате испытаний наплавленного материала ASM 4603-SA + 3%WC + 0,2%BN установлено, что после 30 циклов «нагрев - охлаждение» трещин на поверхностях образцов не наблюдалось (рис. 7).
Рис. 7. Состояние поверхности исследуемых
образцов после 30 циклов
нагрев-охлаждение
Таким образом, модифицирование тугоплавкими компонентами наплавочной проволоки ASM 4603-SA позволило снизить коэффициент трения и повысить ее износостойкость.
Заключение
Установлено, что применение порошковой проволоки ASM 4603-SA с добавками тугоплавких компонентов перспективно для восстановления наплавкой роликов МНЛЗ. В результате электродуговой наплавки данного материала на поверхности роликов МНЛЗ формируется износостойкий слой с твердостью до 57 HRC, стойкий к образованию трещин и сетки разгара в результате циклических высокотемпературных воздействий, характеризующийся пониженным коэффициентом трения по сравнению со слоем, наплавленным базовым материалом.
1. Марукович, Е.И. Состояние и перспектива развития мировой металлургии / Е.И. Марукович // Литье и металлургия. - 2008. - № 3 (47). - С. 56-64.
2. Стратегия развития черной металлургии России на 2014-2020 годы и на перспективу до 2030 года: утв. приказом М-ва промышленности и торговли РФ от 5 мая 2014 г. № 839.
3. Красильников, С.Г. Применение порошковой проволоки ООО «ТМ ВЕЛТЕК» в производстве металлоконструкций ЗАО «НКМЗ» / С.Г.Красильников, Ю.В. Окунев, В.А. Пантелеймонов, К.П. Шаповалов, Л.Н. Орлов, А.А. Голякевич // Сварщик. - 2007. - № 1 (53). - С. 6-9.
4. Якушин, Б.Ф. Особенности технологии дуговой наплавки роликов для установок непрерывной разливки сталей / Б.Ф. Якушин, П.А. Цирков // Сварка и диагностика. - 2009. - № 5. - С. 35-40.
5. Репников, Н.И. Определение перспективных наплавочных материалов для восстановления роликов вторичного охлаждения МНЛЗ с использованием структурных и трибологических методов исследований / Н.И. Репников, А.В. Макаров, А.Е. Кудряшов, П.Ф. Бойко, В.А. Мамкин // Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство: материалы 13-й всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - 2016. - С. 280-284.
