Введение. Прогресс в сталеплавильном производстве тесно связан с внедрением машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Планируется в 2020 году увеличить долю разливки стали на МНЛЗ до 98–99 % [1].Важными элементами криволинейных МНЛЗ являются роликовые проводки.Ролики МНЛЗ подвержены воздействию следующих основных факторов: термической усталости металла, вызванной высокотемпературным термоциклированием; механическому воздействию со стороны литой заготовки, обусловленному ее весом и нагрузкой от действия ферростатического давления; высокотемпературному окислению и коррозии.Для изготовления роликов МНЛЗ в отечественном машиностроении, как правило, используют стали жаропрочных марок, такие как 20Х13, 25Х1М1Ф, 40ХГНМ, 24ХМ1Ф [2, 3].В связи с чем, работы по увеличению стойкости роликов являются актуальными.Одним из эффективных направлений повышения стойкости роликов является применение восстановительной наплавки. Наиболее распространенной является метод электродуговой наплавки под флюсом.Для осуществления восстановительной наплавки роликов МНЛЗ применяются сплошные и порошковые проволоки (ленты), такие как Св-20Х13, ПП-Нп-25Х5ФМС, ASM 4603SA, Велтек Н470С и др. [4–10]. На сегодняшний день нет единого решения вопроса о выборе системы легирования проволок для восстановительной наплавки [11]. Условия производства, как правило, уникальны для каждого конкретного предприятия и определяются наличием того или иного оборудования в ремонтных цехах, условиями эксплуатации восстановленных изделий, опытом и квалификацией производственного персонала.Для металлургических предприятий актуальной задачей является не только восстановление геометрических параметров изношенных поверхностей роликов, но и создание таких эксплуатационных характеристик поверхностного слоя, которые позволят существенно повысить межремонтный интервал указанных деталей при сохранении экономической целесообразности их восстановления.В последние годы металлургическими предприятиями проводятся исследования возможности применения для восстановления роликов новых эффективных технологий и материалов, например, плазменно-порошковой наплавки, лазерной наплавки, высокоскоростного напыления, напыления с последующим оплавлением, опыт использования которых описан в работах [12–17].В 2014 г. компаниями Precitec и Laser Line совместно с Swansea University по заказу сталелитейной компании Tata Steel Strip Products UK были исследованы возможности лазерной наплавки для восстановления и упрочнения узлов металлургического и вспомогательного оборудования. Осуществленные комплексные исследования структуры, физико-механических и служебных свойств покрытий, а также результаты промышленных испытаний роликов МНЛЗ, восстановленных по технологии лазерной наплавки порошковым материалом, разработанным Swansea University, показали существенное увеличение их стойкости по сравнению с базовой технологией восстановления – электродуговой наплавкой под флюсом. Стойкость роликов, наплавленных под флюсом, составила 63000 т стали, в то время как для роликов, наплавленных лазером, она составила 118000…148000 т [18].НИТУ «МИСиС» совместно с компанией ООО «ВВСТ» был проведен комплекс исследований, направленных на изучение возможности восстановления роликов МНЛЗ (рис. 1), изготовленных из стали 20Х13 c лазерной наплавкой из экономнолегированного порошкового материала на основе железа. В настоящее время изношенные поверхности данных роликов восстанавливаются методом электродуговой наплавки проволокой ПП-Нп-25Х5ФМС. Перед авторами ставится задача повысить износостойкость наплавленных поверхностей ролика в два раза и более при сохранении экономической целесообразности.Рис. 1. Ролик третьей секции МНЛЗ №2 АО «Оскольский электрометаллургический комбинат»Целью данной работы являлось изучение структуры, состава и свойств слоев, полученных по технологиям лазерной и электродуговой наплавки, а также оценка эффективности лазерной наплавки. Материалы и методы. Лабораторные исследования проводились на образцах (подложках) для наплавки из стали 20Х13 в состоянии поставки. Размер образцов – Ø60×60 мм.Методом электродуговой наплавки в 3 слоя под флюсом марки АН-20С на образцы наплавляли порошковую проволоку ПП-Нп-25Х5ФМС. Наплавка производилась на установке УСН 60-550/1400 SAW. Отпуск образцов для снятия остаточных напряжений производился в муфельной электрической печи ЭКПС-10 при температуре 400 ℃ в течение 3 часов с последующим охлаждением вместе с печью.На образцы методом лазерной наплавки наносился порошок экономнолегированный (ПЭл1) на основе железа c системой легирования Fe-Co-Cr-Mo. Последующая термическая обработка не проводилась.Образцы разрезали на многофункциональном отрезном станке LC-250. Резка осуществлялась отрезным диском из абразива Al2O3 марки Struers 50A30. Размер образцов для исследований 21×21×5 мм.Шлифы готовили на полировальной машине Struers Roto Pol-21 в автоматическом режиме. При шлифовании применялись последовательно шлифовальные бумаги Struers с зернистостью карбида кремния (SiC) 120, 220, 500, 800, 1200, 4000.Полирование образцов проводили с помощью суспензии из коллоидного оксида кремния O-PS для финишной полировки с размером зерна 0,04 мкм.Твердость образцов с наплавленными слоями измерялась согласно ГОСТ 9013-59 на твердомере ТР 5006.Микроструктура наплавленных слоев исследовалась на оптическом микроскопе Neophot-32 и сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N, оснащенном рентгеновским энергодисперсионным спектрометром NORAN.Рентгеноструктурный фазовый анализ образцов с наплавленными слоями проводился 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».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. 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.Температура трибологических испытаний составляет 500 ℃, что соответствует температуре на поверхности роликов МНЛЗ №2 АО «ОЭМК», измеренной тепловизором SDS Hot Find-DXT [2].Профиль дорожки износа исследовали на оптическом профилометре Veeco Wyco NT 1100.Скорость износа определяли по формуле: W = s·L/(Н·l)                     (1)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.Результаты и обсуждение. Установлено, что твердость наплавленных слоев составила 43 HRC при лазерной наплавке материала ПЭл1 и 50 HRC – при электродуговой наплавке под флюсом материала ПП-Нп-25Х5ФМС.Структура наплавленного слоя после лазерной наплавки приведена на рис. 2а, состав представлен в табл. 1.Рис. 2. Структура наплавленного слоя: микроренгенный спектральный анализ: а – лазерная наплавкаматериала ПЭл 1; б – электродуговая наплавка под флюсом ПП-Нп-25Х5ФМСТаблица 1 Элементный состав слоя наплавленного лазером слоя ПЭл1 (рис. 2а)ОбластьC-KO-KCr-KFe-KCo-KMo-L11,814,113,167,92,20,9 На рис. 2б приведена структура наплавленного слоя ПП-Нп-25Х5ФМС, а в табл. 2 приведен его элементный состав. Фазовый состав наплавленных слоев приведен в табл. 3. Выявлено, что наплавленные слои состоят из двух фаз, основной фазой в образцах α-Fe (мартенсит).Таблица 2Элементный состав слоя наплавленного ПП-Нп-25Х5ФМС (рис. 2б)ОбластьO-KCr-KMn-KFe-K127,80,90,570,7 Таблица 3Фазовый состав наплавленных слоевНаплавленный материалФазаСтруктурный типСимвол ПирсонаВесовая доля, %Периоды, ǺПЭл1α-Fetype A2 cI2/182a = 2.880γ-Fetype A1cF4/118a = 3.593ПП-Нп-25Х5ФМСα-Fetype A2cI298а= 2.872γ-Fetype A1cF42а= 3.587  Коэффициент трения Ктр в паре образец наплавленный лазером материал ПЭл1 – контртело после 500 м испытаний составляет 0,59 (рис. 3а), в паре образец 25Х5ФМС – контртело – 0,5 (рис. 3б), при этом для покрытия, наплавленного лазером, не наблюдается скачкообразных изменений коэффициента трения, фиксируемых для образца, полученного при помощи дуговой наплавки. Вероятно, больший коэффициент трения для покрытия, наплавленного лазером, обусловлен образованием на его поверхности более тонкой пленки оксидов хрома при повышенной температуре. В то же время, на поверхности покрытия, полученного при помощи дуговой наплавки, при повышенной температуре вероятнее всего образуется толстая пленка оксидов железа (вюстит, магнетит, гематит), что обусловлено различиями в системе легирования наплавляемых материалов. Толстые оксидные пленки могут выступать в роли твердой смазки и непосредственно влиять на величину коэффициента трения.Рис. 3. Зависимость коэффициента трения наплавленных слоев от длины пробега контртела:а – лазерная наплавка материала ПЭл1; б – электродуговая наплавка 25Х5ФМСПрофиль дорожки износа образца из ПЭл1 и ее трехмерное изображение приведены на рис. 4. Скорость износа образца составляет58,9·10-6 мм3∙Н–1∙м–1. Профиль дорожки износа образца образца 25Х5ФМС и ее трехмерное изображение приведены на рис. 5. Скорость износа образца с наплавленным слоем составляет292,5×10-6мм3∙Н–1·м-1.Как видно, образец с лазерной наплавкой материала ПЭл 1, характеризуются более низкой в 4,95 раза скоростью износа по сравнению с образцом с наплавленным слоем порошковой проволокой 25Х5ФМС.Рис. 4. Профиль дорожки износа образца образца с наплавленным слоем ПЭл1 (а) и ее трехмерное изображение (б)Вероятно, более низкая скорость износа покрытий обусловлена особенностями лазерной наплавки. Так, точная дозировка энергии лазерного излучения позволяет обеспечить степень перемешивания наплавляемого материала с основным не более 3…7 % при величине зоны термического влияния не более 500 мкм, а также обеспечить сверхвысокие скорости охлаждения и кристаллизации наплавляемого металла, более 103…104 ℃/с.Рис. 5. Профиль дорожки износа образца образца с наплавленным слоем ПП-Нп-25Х5ФМС (а) и ее трехмерное изображение (б)Скорость кристаллизации наплавляемого металла определяет его фазовый и структурный состав, а, следовательно, и стойкость к износу, как структурно-чувствительную характеристику. В частности, более высокие скорости кристаллизации обуславливают повышение дисперсности образующихся упрочняющих фаз, определяющих износостойкость покрытий. Локальное поле напряжений, существующее вокруг частиц упрочняющих фаз, затрудняет движение дислокаций при пластической деформации, предшествующей разрушению металлической матрицы твердого раствора, тем самым затрудняя ее изнашивание [19]. Предположительно, более высокая дисперсность упрочняющих фаз, образующихся при лазерной наплавке покрытий, позволяет им лучше выполнять функции барьеров и противостоять износу.Кроме того, для разработанного экономнолегированного порошка на основе железа реализован эффект, полученный в работе [20] для дорогостоящих порошков на основе никеля. В частности, за счет легирования порошка кобальтом увеличена стойкость получаемых покрытий к высоко-температурному износу и механизм износа изменен с абразивного, наблюдаемого для образца, наплавленного под флюсом, на адгезионный для образца наплавленного лазером (см. профиль дорожки износа образца на рис. 5 и 6 соответственно).По результатам лабораторных исследований было принято решение восстановить опытную партию роликов третьей секции МНЛЗ №2 АО «ОЭМК» методом лазерной наплавки материала ПЭл1 на оборудовании и по технологии, разработанной ООО «ВВСТ».При помощи лазерной наплавки с использованием волоконного лазера и шестиосевого промышленного робота в автоматизированном режиме были получены покрытия толщиной ~3,5 мм (рис. 6), последующая термическая обработка не проводилась. Вследствие малой шероховатости покрытия припуск на обработку составил 0,5 мм (при наплавке под флюсом 3…6 мм), шероховатость поверхности после механической обработки Ra = 3,2 мкм, трещин и отслоений не обнаружено. За счет снижения времени на термическую и механическую обработку технология лазерной наплавки позволяет, в сравнении с базовым вариантом наплавки под флюсом, снизить затраты на ремонт роликов МНЛЗ примерно на 50 % при возможности выполнения многократного ремонта.В настоящее время ролики МНЛЗ восстановленные методом лазерной наплавки материала ПЭл1 готовятся к промышленным испытаниям на третьей секции МНЛЗ №2 АО «Оскольский электрометаллургический комбинат».Рис. 6. Ролик третьей секции МНЛЗ №2 АО «ОЭМК», восстановленные методом лазерной наплавки материала ПЭл1: а – после наплавки, б – после механической обработки Выводы.Установлено, что образцы покрытий, полученные при помощи дуговой и лазерной наплавки, имеют различные коэффициенты трения при повышенной температуре (500 ℃) и сопоставимых нагрузках (5 Н) и скоростях скольжения (10 см/с) – 0,5 и 0,59 соответственно. Вероятно, это обусловлено различиями в системе легирования наплавляемых материалов. Толстые оксидные пленки железа, образующиеся на поверхности покрытия, наплавленного дугой и порошковой проволокой 25Х5ФМС, могут выступать в роли твердой смазки и непосредственно влиять на величину коэффициента трения, в то время как более тонкие оксидные пленки хрома, образующиеся на поверхности покрытия, наплавленного лазером из порошка ПЭл1 (Fe-Co-Cr-Mo) – нет.Образец с лазерной наплавкой из материала ПЭл1, характеризуется более низкой в 4,95 раза скоростью износа по сравнению с образцом с наплавленным порошковой проволокой 25Х5ФМС покрытием. По-видимому, это обусловлено сверхвысокими скоростями охлаждения и кристаллизации металла, наплавляемого лазером и повышением дисперсности образующихся упрочняющих фаз, определяющих износостойкость покрытий.За счет легирования порошка кобальтом увеличена стойкость получаемых покрытий к высокотемпературному износу и механизм износа изменен с абразивного, наблюдаемого для образца, наплавленного под флюсом, на адгезионный для образца, наплавленного лазером, о чем свидетельствует профиль дорожки износа образцов.При помощи волоконного лазера и 6-осевого промышленного робота в автоматизированном режиме были получены покрытия толщиной ~3,5 мм на сторону без последующей термической обработки. Вследствие малой шероховатости покрытия припуск на обработку составил 0,5 мм (при наплавке под флюсом 3…6 мм), шероховатость поверхности после механической обработки Ra = 3,2 мкм. Было установлено, что за счет снижения времени на термическую и механическую обработку технология лазерной наплавки позволяет, в сравнении с базовым вариантом наплавки под флюсом, существенно сократить затраты на ремонт роликов МНЛЗ при возможности выполнения многократного ремонта.