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.
