Формирование структуры и свойств при плазменной наплавке износостойких покрытий на медь и высокоуглеродистую, марганцовистую стали

Актуальность проблемы. Эффективным и экономичным путем повышения долговечности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, контактной усталости и истирания, является создание на их поверхностях прочных, долговечных и износостойких слоев. Упрочнение тонкого поверхностного слоя массивных деталей из обычных конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные материалы, повышать ресурс механизмов, успешно решать проблему восстановительного ремонта [1−4]. К таким деталям относятся элементы металлургического оборудования — стенки кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок и изделия железнодорожного транспорта — в частности крестовины стрелочных переводов.

Процессы наплавки занимают одно из важных мест в современной сварочной технике. С их помощью на рабочих поверхностях разнообразных изделий получают сплавы с необходимыми свойствами: кислотоупорные, коррозионностойкие, жаропрочные, износостойкие, антифрикционные и т. п. Такие изделия находят применение практически во всех отраслях промышленности. Широкое использование биметаллических конструкций, получаемых путем наплавки, определяется не только техническими, но и экономическими преимуществами.

В большинстве случаев металл рабочих поверхностей изделий по своим свойствам должен отличаться от металла самой детали (например, зубья ковшей экскаваторов, вкладыши подпятников крупных турбогенераторов, коллекторные уплотнительные поверхности задвижек и клапанов для воды и др.). Такие изделия изготовляют преимущественно методами наплавки.

Многие изделия из дорогостоящих и дефицитных металлов и сплавов (например, из цветных металлов, нержавеющих, жаропрочных, кислотостойких сталей и т. п.) изготовляют комбинированными: основа состоит из наиболее дешевых материалов (например, обычной малоуглеродистой стали), а на рабочие поверхности наплавляют сплавы со специальными свойствами. Вес металла наплавки в этих изделиях составляет всего несколько процентов от веса всего изделиям. Поэтому такие биметаллические конструкции, полученные наплавкой, во много раз дешевле конструкций, изготавливаемых целиком из металла с требуемыми свойствами. Кроме того, эти конструкции по мере износа могут заново восстанавливаться наплавкой, что во много раз уменьшает расход металла для изготовления запасных частей оборудования [5].

Свойства металла наплавки и его соединения с основным металлом в большой мере зависят от глубины проплавления основного металла, перемешивания основного металла с наплавляемым и перехода элементов основного металла в металл наплавки. При этом, как правило, чем больше глубина проплавления, степень перемешивания и переход элементов основного металла в металл наплавки, тем хуже свойства как металла наплавки, так и соединения в целом. Поэтому для изготовления ответственных биметаллических изделий следует применять такие способы наплавки, которые обеспечивают минимальное проплавление или растворение основного металла. Наиболее широко применяющиеся в промышленности способы наплавки, основанные на плавлении основного и присадочного металлов, практически исчерпали свои возможности в части уменьшения глубины проплавления основного металла и его перехода в металл наплавки [6].

Из новых уже применяемых в промышленности способов наплавки наиболее полно удовлетворяют требованию получения биметаллических изделий с минимальной глубиной проплавления основного металла способы плазменной наплавки [7−9].

Струя низкотемпературной плазмы как источник тепла находит все более широкое использование в металлургии и обработке материалов, в том числе и для целей наплавки [10]. Энергетические, тепловые и газодинамические параметры струи низкотемпературной плазмы сравнительно легко регулируются в широких пределах. Это позволяет получать наплавленные слои с заданными физико-химическими и механическими свойствами. Наряду с этим плазменные способы наплавки обеспечивают и высокую производительность процесса, не требуют сложного оборудования и специализированных источников питания, могут быть с успехом внедрены в любом цехе, на любом участке, в любой мастерской, где производится наплавка разнородных металлов.

В производстве непрерывного литья заготовок одной из проблем является непродолжительность срока службы медного кристаллизатора из-за интенсивного износа материала стенок. В связи с этим перед исследователями встает задача повышения износостойкости медных стенок кристаллизатора [11,12].

Наиболее перспективным направлением на пути к повышению долговечности стенок медных кристаллизаторов является нанесение покрытий. Нашли применение покрытия из хрома, никеля и сплавов на их основе, основным недостатком которых является их незначительная толщина (до 1 мм). Получение покрытий большей толщины сопряжено с опасностью снижения прочности сцепления покрытия с медной основой. Поэтому разработка новых технологий плазменных покрытий большей толщины являются важной практической задачей.

Железнодорожные крестовины изготовленные из стали 110Г13 (сталь Гатфильда) являются главным элементом верхнего строения пути. Они подвержены вертикальным и боковым циклическим нагрузкам, которые могут быть достаточно большими в зависимости от интенсивности движения.

Срок службы крестовин определяется величиной износа, который зависит от работы под подвижной нагрузкой, качества материала и технологии изготовления и условий эксплуатации крестовин [13−16].

В последнее время усилилось внимание исследователей к вопросам восстановления изношенных крестовин и создания биметаллических крестовин на основе более простых марок сталей.

Восстановление работоспособности изношенных крестовин стрелочных переводов является важным резервом экономии в условиях недостаточного финансирования железных дорог и удорожания новых крестовин. К вопросу восстановления добавляется вопрос качества производимой наплавки, которая проводится вручную [17−20].

Одним из наиболее перспективных способов наплавки является плазменные методы с подачей порошка вместе с плазмообразующим газом. Однако, при разработке технологий нанесения покрытий (наплавки) существуют 2 основные проблемы:

• обеспечение максимальной прочности сцепления покрытия и металла основы;

• предотвращение остаточных напряжений и растрескивания в наплавленном слое.

Цель работы.

На основе исследования физико-технических характеристик плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток, и установления закономерностей формирования структуры, фазового состава и механических свойств наплавленного слоя разработать установку для плазменной наплавки металлов и технологию плазменной наплавки жароизносостойкого сплава на медь, рельсовую сталь и сталь 110Г13, из которой изготавливают железнодорожные крестовины, обеспечивающие надежное сцепление покрытия с металлом основы и предотвращающие ее растрескивание.

Основные задачи работы:

• провести исследования физико-технических характеристик и определить оптимальные конструктивные параметры плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток вместе с плазмообразующим газом;

• выявить закономерности формирования фазового состава, структуры, механических свойств и сопротивления разрушения жароизносостойкого 7 покрытия на медную основу и разработать технологию наплавки, обеспечивающую высокие прочность сцепления и износостойкость;

• установить механизм образования поперечных трещин в наплавленном металле при производстве наплавки на сталь 110Г13Л;

• разработать способ релаксационной обработки, предотвращающий растрескивание при производстве наплавки;

• исследовать закономерности формирования фазового состава, структуры, уровня остаточных напряжений, механических свойств и сопротивления разрушению наплавки порошкового сплава 65Х25ПЗНЗ на рельсовую сталь типа 76ГФ и высоколегированную сталь 110Г13;

• создать опытно-промышленную установку и технологию плазменной наплавки для восстановления железнодорожных крестовин из стали 110Г13Л, обеспечивающие увеличение в 2 раза эксплуатационного ресурса.

Научная новизна работы включает в себя: •закономерности формирования фазового состава, структуры, механических свойств и сопротивления разрушению жароизносостойкого покрытия на медную основу, обеспечивающие толщину покрытия 4−6 мм, надежное сцепление с основой и увеличение износостойкости в 4−5 раз, что позволяет ожидать увеличения эксплуатационной стойкости стенок медного кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок с покрытием данного типа до 500−1000 плавок;

• оптимальные конструктивные параметры плазмотрона с расширяющимся каналом сопла с внешним электродом и подачей порошка в разрядный промежуток вместе с плазмообразующим газом, обеспечивающие повышение КПД, надежности работы и эффективности наплавки, а также технологические параметры процесса наплавки;

•механизм образования поперечных трещин в наплавленном металлекак результат долома под действием остаточных напряжений не залеченных внутренних интеркристаллитных трещин возникающих при оплавлении границ зерен металла основы;

•способ релаксационной обработки, заключающийся в синхронном с процессом наплавки теплом ударном наклепе, приводящем к релаксации остаточных напряжений за счет фазового у—" а превращения и предотвращающем растрескивание при производстве наплавки;

•закономерности формирования фазового состава, структуры, уровня остаточных напряжений, механических свойств и сопротивления разрушению наплавки порошкового сплава 65Х25ПЗНЗ на рельс, подтвердившие принципиальную возможность создания биметаллической железнодорожной крестовины из низколегированной стали типа 76ГФ с наплавкой наиболее подверженных износу областей крестовины взамен высоколегированной стали 110Г13.

Практическая ценность и реализация результатов работы: Использование полученных результатов позволяет снизить расходы на эксплуатацию и ремонт стенок медных кристаллизаторов MHJI3 и железнодорожных крестовин стрелочных переводов. Создана опытно-промышленная установка, разработана и освоена технология плазменной наплавки для восстановления железнодорожных крестовин из стали 110Г13Л, обеспечивающая увеличение эксплуатационного ресурса в 2 раза. Разработаны и согласованы с МПС РФ технические условия (см. Приложение).

Надежность и достоверность результатов обеспечена использованием современных научно-исследовательских приборов и методов исследования, автоматизированных технологических средств нанесения покрытий, всестороннего и тщательного проведения экспериментов, комплексным анализом результатов исследований, а также подтверждается отсутствием аварийных разрушений восстановленных железнодорожных крестовин при эксплуатации.

выводы.

1. На основе исследованных физико-технических характеристик плазмотрона и закономерностей образования структуры, фазового состава, механических свойств наплавленного металла, переходной зоны и основного металла разработаны технологии плазменной наплавки износостойкого материала на медь, железнодорожный рельс и железнодорожную крестовину из стали Гатфильда.

2. Разработана конструкция плазмотрона с внешним электродом, с расширяющимся каналом сопла и расплавлением порошка в канале выходного электрода для плазменной наплавки порошковых материалов, обладающего повышенными надежностью и ресурсом работы.

3. Проведено комплексное исследование химического и фазового составов, микроструктуры и механических свойств жаростойкого хромоникелевого покрытия на медную основу. Установлено, что твердость покрытия в 4 раза, а износостойкость в 4−5 раз выше, чем твердость и износостойкость медной основы, что позволяет ожидать увеличения эксплуатационной стойкости стенок медного кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок с покрытием данного типа до 500−1000 плавок.

4. Прочность сцепления покрытия с медной основой при испытании на срез на 20% выше, чем прочность на срез меди, и на 35% ниже таковой для металла покрытия. Показано, что высокая прочность сцепления хромоникелевого покрытия с медной основой является следствием формирования при наплавке плавной переходной зоны с мелкодисперсной структурой, образовавшейся в результате конвективных и диффузионных процессов массопереноса в жидком наплавленном слое.

5. Предложен механизм образования трещин на поверхности в области окончания процесса наплавки и перехода к металлу основы, заключающийся в образовании внутренней оплавленной интеркристаллитной трещины в металле основы, не залеченной жидким расплавом наплавки в результате «закупорки» её русла на поверхности остатками окалины, и хрупком доломе тонкого наплавленного слоя под воздействием остаточных термических напряжений.

6. Разработан и внедрен эффективный способ релаксационной обработки наплавки из стали 65Х25ПЗНЗ на рельсы из стали 76ГФ и литую железнодорожную крестовину из стали 110Г13Л, включающий теплый ударный наклеп наплавленного слоя синхронно следующий за наплавкой, обеспечивающий снижение уровня остаточных напряжений и склонности к трещинообразованию.

7. Установлено, что эффект релаксации остаточных микронапряжений в результате ударной обработки наплавленного слоя из сплава 65Х25ПЗНЗ является следствием более полного протекания фазового превращения (у->а) в наплавленном металле и развития процессов микропластической деформации в результате воздействия ударной нагрузки.

8. Исследование влияния исходного состояния (термическое упрочнение и отжиг) рельсовой стали на структурное состояние, уровень остаточных микронапряжений и механических свойств наплавленного металла и переходной области показало, что наиболее предпочтительной является наплавка на отожженную рельсовую сталь с последующей релаксационной обработкой, приводящей к однородному распределению свойств и остаточных микронапряжений.

9. На основе установленных закономерностей формирования фазового состава, структуры, уровня остаточных напряжений, механических свойств и сопротивления разрушению наплавки порошкового сплава 65Х25ПЗНЗ на рельс, показана принципиальная возможность создания биметаллической железнодорожной крестовины из низколегированной стали типа 76ГФ с наплавкой наиболее подверженных износу областей крестовины взамен высоколегированной стали 110Г13.

10. Наплавка с релаксационной обработкой порошкового сплава 65Х25ПЗНЗ на сталь Гатфильда увеличивает твердость и износостойкость, однако снижает пластичностьснижение пластичности тем больше, чем ближе к границе между наплавкой и основным металлом, что является следствием неоднородности фазового состава (увеличения а-фазы в результате образования мартенсита деформации) и влияния дефектов на границе раздела.

11. Разработана и опробована автоматизированная опытно-промышленная установка и технология восстановления плазменной наплавкой изношенных крестовин. Ресурсные испытания железнодорожных крестовин, проведенные на Московской железной дороге показали, что эксплуатационная стойкость восстановленных по разработанной технологии крестовин в два раза выше, чем исходных, новых крестовин из стали Гатфильда.

Заключение

: mm mm тштш млн. т. брутто в год тонн силы, от 17.11.00.

Скорость движения км/час,.

Дата укладки ЯВЯН г ¦ <>ата изъятая ЩЩ®г., Тоннаж изъятия ?¦ ' ¦ млн. т брутто.

Причина изъятая, .. .. , Нанесена маркировка «ОПЫТ НП», Порядковый № 22.

Измерения выполнены прибором Линейка Янковского. Обнаружена дефектность При входном контроле: Сильный i и".

Высота сердечника и литых усовиков мм |.

Бил контр. Входной Перед напл. После напл. Наплавлено.

Дата 17.11.00 1! 02.01.

Горло, а -2 -2. +2 б -4,5 46 0 гТ 7 +0″, 5 7 5 .1 д 45 -4,5 +55' 8 j.

250 мм, а -0.S -0.5 «О «б -2.5 If -2 г -6 -15 0 15 д -4 +3 10.

МЦК, а +1 +1 +5 4.

Ь -2,5 -2,5 +2,5 5 г -5,5. «Г! +2,5 15!5 «.

Д -2 -5,6 +4,5 10.

Сеч. а +3,5 +3,5 +6,5 3 .

12 мм 6 -1.5 -1,5 +3,5 6 в -11 -25 -5 20 j гГ -11 +3,5 14,5.

Д -1,5 -4 +6 10.

Сеч. а +Ь +0,5 +6 5,5.

20 мм б -3 -5 +4 в в -11,5 -23 -1 п г -7 -10 +3,5 13,5.

Д 0 -У +5 7.

Сеч. а +2 +3,5 4.5.

30 мм б i-e, 5 -6,5 +1,5 8 в -10,5 -16 -1 15 г -6,5 -10 +1 11.

L -, г. д +2 -3 +2,5 5,5 Сеч. а +1,5 -1 -1,6.

40 мм б -3 -3,5 -3 в -8 -12 -1 г -5 -5 -3 д +1 0 0.

60 мм в -3,5 -3,5 -1 2.5.

80 мм в ¦2 -2 -1.

100 мм в -1 -1 -1.

Представитель ОТК.

I Начальник участка.

2001 г.

Рис. 6.7. Протокол обмеров крестовины.

После этого было принято решение провести испытания на путях Московской железной дороги. Две крестовины типа Р65, восстановленные плазменной наплавкой по разработанной нами технологии, были направлены на Московскую железную дорогу.

Одна из крестовин пропустила 115 млн. т./брутто и вторая крестовина пропустила 174 млн.т./брутто (см. Приложение) по причине предельного износа были изъяты из эксплуатации (следует отметить, что средний ресурс новой крестовины составляет примерно 60 млн.т. брутто груза).

После чего было принято решение о плазменной наплавке 30 железнодорожных крестовин, которые были переданы для эксплуатации на Московской железной дороге.

Разработанная технология принята МПС РФ, и выпущены Технические условия ТУ-СПТ-4−2001 «Крестовины железнодорожные из высокомарганцовистой стали, восстановленные плазменной наплавкой» (см. Приложение).

Полученные результаты позволяют разработать новую биметаллическую крестовину с основой из обычной углеродистой стали и рабочей зоной из наплавленного износостойкого покрытия. Преимуществами такой крестовины являются: уменьшение затрат дефицитного и дорогостоящего марганца, лучшая ремонтопригодность (металл литых крестовин из стали Гатфильда имеет много дефектов). Также является целесообразным создание передвижных установок для плазменного восстановления крестовин без их изъятия из железнодорожных путей.

Износ, мм 1 —¦— Износ усовика —¦— Износ сердечника ;

0 10 20 30 40.

Тонная^ млн.т.бр.

Рис. 6.8. Кривая износа крестовины НП-2.