26 Сен

АНАЛИЗ ТРАДИЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ ЗАКАЛИВАЮЩИХСЯ ХРОМОВОЛЬФРАМОВЫХ СТАЛЕЙ И РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО УСТРАНЕНИЮ ЕЕ НЕДОСТАТКОВ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Наиболее полно требованиям, которыми должен обладать наплавленный металл для упрочнения деталей горно-металлургического оборудования, отвечают ставшие традиционными наплавочными материалами штамповые хромовольфрамовые теплостойкие и быстрорежущие стали, которые можно классифицировать как Fe–C–Cr–W стали. Другим признаком данной группы сталей является структура наплавленного металла, состоящая из мартенсита, остаточного аустенита и карбидов. В основном все многообразие составов наплавленного металла является дальнейшей разработкой и модификацией традиционных, хорошо изученных и широко применяемых инструментальных сталей типа 3Х2В8 и Р18.Основными легирующими элементами в данных наплавочных материалах являются углерод (0,2–1,5 %), хром (1–6 %) и вольфрам (1–18 %) [1,с.326, 2.с.29].

Электродные материалы на основе инструментальных сталей широко применяют при наплавке валков горячей прокатки, втулок и матриц  прессов, кернов клещевых кранов, вырубных штампов, ножей, ножниц, протяжек, разверток, резцов, роликов рольгангов, разнообразных валов и осей, моталок прокатных станов, деталей молотковых дробилок и других деталей [2.с.60, 4,с.737].

Цель работы — анализ традиционной технологии наплавки закаливающихся хромовольфрамовых сталей и разработка предложений по устранению ее недостатков.

Основной трудностью, возникающей при наплавке хромовольфрамовыми сталями, является образование холодных (закалочных) трещин в процессе и после наплавки. Образование трещин затрудняется при повышении температуры мартенситного превращения и замедлении скорости охлаждения. При этом уменьшается перепад продольных напряжений на границе околошовная зона – шов, смягчается напряженное состояние на участке наиболее вероятного зарождения трещин. Принято считать, что если ограничить перегрев и предупредить образование мартенсита или достаточно высоко сместить температурный интервал его образования, замедлить охлаждение в мартенситном интервале температур, то возникновения холодных трещин можно не опасаться. Наиболее простой и эффективный способ борьбы с трещинами заключается в регулировании термического цикла путем выбора соответствующих методов и режимов наплавки, а также использования в необходимых случаях предварительного подогрева. «Идеальный «термический цикл, обеспечивающий наивысшую стойкость против образования холодных трещин, приведен на рисунке 1. При таком термическом цикле перегрев не развивается вследствие быстрого нагрева и охлаждения металла при температурах выше точки А1. Замедленное охлаждение при температурах ниже точки А1 уменьшает вероятность образования закалочных структур, что повышает сопротивляемость стали замедленному разрушению и образованию холодных трещин, так как медленное охлаждение способствует развитию в наплавленном металле перлитного и промежуточного превращений переохлажденного аустенита и устраняет или смещает γ→α – мартенситное превращение в область высоких температур. Этому весьма активно способствует замедленное охлаждение наплавленной детали в интервале температур мартенситного превращения. В результате самоотпуска мартенсита при температуре ниже 350 °С упорядочивается кристаллическое строение металла в объемах, примыкающих к границам зерен, повышается пластичность металла в целом и затрудняется возникновение и развитие трещин. Реальные термические циклы, близкие к «идеальным», можно получить при электроннолучевой сварке с предварительным подогревом или при многослойной дуговой сварке толстого металла с предварительным подогревом. Таковы основные теоретические положения, которые лежат в основе традиционной технологии наплавки закаливающихся хромовольфрамовых сталей [2.с.60, 4,с.719].

Для получения наплавленного металла, свободного от трещин, и обеспечения нужной твердости и износостойкости при наплавке деталей горно-металлургического оборудования  уделяют серьезное внимание термическим условиям наплавки: температуре предварительного подогрева, тепловому состоянию детали в процессе наплавки и в процессе охлаждения после наплавки. Нагревать детали стараются более равномерно и небыстро, так как чрезмерно быстрый нагрев отдельных мест до 350–450 °С при холодных соседних участках может вызвать образование трещин.

Температура подогрева деталей под наплавку зависит от многих факторов: состава основного и наплавляемого металла, формы детали, режима наплавки и требуемых свойств наплавленного металла. Чем больше склонность наплавленного металла к образованию трещин, тем выше должна быть температура предварительного подогрева, так как считается, что предупредить образование трещин другим путем невозможно.

Рисунок 1. Сварочные термические циклы: а) «идеальный», обеспечивающий наивысшую сопротивляемость образованию холодных трещин;                                          б) при электродуговой сварке; в) при электронно-лучевой сварке [4. С.719]

Для предупреждения трещин, снижения внутренних напряжений и получения достаточно пластичной структуры наплавленного металла применяют обязательный предварительный подогрев деталей до температуры 350–400 °С при наплавке высоколегированной электродной проволокой ПП–3Х2В8 или цельнотянутой ЭИ–701. Для устранения трещин при наплавке быстрорежущих сталей  необходим предварительный и сопутствующий подогрев заготовок уже до температуры 500–700 °С.

Особое значение имеет скорость охлаждения после наплавки. Она определяет структуру наплавленного металла, а значит – твердость, износостойкость и другие свойства. Для получения более пластичных продуктов распада аустенита обеспечивают замедленное охлаждение в утепленном коробе, а для массивных деталей проводят отпуск при Тотп =520–540 С и охлаждение вместе с печью [2. с.68, 4, с.737] .

Структура наплавленного металла типа Р18 также определяется скоростью охлаждения. При умеренной скорости охлаждения (наплавка с подогревом до 500–600 С и последующее охлаждение с печью) из расплава сначала выделяются кристаллы d–феррита (содержащего в твердом растворе W и Cr) с пониженным содержанием углерода. Расплав обогащается углеродом; происходит перитектическая реакция, и d–феррит частично превращается в аустенит. В конце затвердевания выделяется ледебуритная эвтектика в виде сетки по границам дендритных кристаллов [1,с.133, 2, с.38] .

Наплавленные детали обычно подвергают механической обработке, которой предшествует отжиг. При наплавке сталью типа Р18 рекомендуют следующий довольно сложный режим обработки наплавленных заготовок [9]. Нагрев до 660 С и выдержка 4часа, нагрев до 880 °С и выдержка 9 часов, охлаждение с печью до 750 С в течение 3,5–4 часов и выдержка при 750 °С в течение 6 часов, охлаждение с печью до 400 С и выдача заготовок на воздух. После отжига твердость наплавленного металла составляет 220–270 НВ. Изотермический отжиг наплавленного металла типа 3Х2В8 осуществляется выдержкой при 750 С в течение 6 часов. Твердость после отжига 190–220 НВ.

Применение замедленных скоростей охлаждения наплавленного металла, рекомендуемое для предотвращения образования холодных трещин приводит к тому, что наплавленный слой имеет низкую твердость, а, следовательно, и износостойкость. Существующая технология наплавки закаливающихся хромовольфрамовых сталей не позволяет получить наплавленный металл без холодных трещин и с высокой твёрдостью сразу после наплавки. Для повышения служебных характеристик наплавленного металла производят закалку и отпуск биметаллического изделия. Для хромовольфрамовых сталей после закалки рекомендуется проведение термической обработки – 3-х – 4-х кратный часовой отпуск при 560–580 °С. После чего данные стали имеют оптимальную структуру и высокую твёрдость HRC 60–62 и красностойкость.

Таким образом, традиционная технология изготовления биметаллических изделий (наплавка с подогревом – отжиг – закалка – отпуск) неоправданно продолжительна и трудоёмка. Существенным недостатком технологии является обязательное применение высокотемпературного подогрева (Тподогрева=350–700оС), замедленного охлаждения и, как следствие, последующей закалки наплавленной детали, при этом высокие эксплуатационные свойства закаливающихся сталей используются не полностью. Применение высокотемпературного подогрева при наплавке инструментальных сталей значительно усложняет технологический процесс получения биметаллического наплавленного изделия. Увеличиваются затраты на наплавку за счёт необходимости нагрева и поддержания высокой температуры. Процесс наплавки за счет применения высокотемпературного предварительного и сопутствующего подогрева и замедленного охлаждения значительно удлиняется. Рекомендуемое для предотвращения холодных трещин замедленное охлаждение детали вызывает необходимость проведения последующей закалки биметаллического изделия, что само по себе, является сложной задачей из–за различных свойств наплавленного высоколегированного слоя и низколегированной сердцевины. Закалка некоторых крупногабаритных деталей практически не осуществима. Существующие технологические процессы наплавки инструментальных сталей не позволяют достаточно полно использовать свойства металла наплавленного слоя [2,c.68, 4,с.719].

Поэтому актуальной является задача разработки и создания новых способов наплавки закаливающихся сталей, позволяюших  полностью использовать высокую твердость и износостойкость, заложенные металлургами и металловедами при создании инструментальных сталей. Целесообразно процессы наплавки и закалки совместить, что позволяет получать наплавленный слой в состоянии, близкому к закаленному. Необходимо также исключить подогрев иди хотя бы снизить его температуру, применив новые способы борьбы с холодными трещинами.

Получить наплавленный металл, обладающий высокой стойкостью против образования холодных трещин и высокими механическими свойствами сразу же после окончания наплавки, можно путем регулирования термического цикла наплавки. Термический цикл для многослойной наплавки хромовольфрамовых закаливающихся сталей показан на рисунке 2 [2,с.124, 3].

Особенность предлагаемого термического цикла заключается в трех стадиях термического нагрева. Первая обеспечивает ограниченное время нагрева и повышенную скорость охлаждения в области высоких температур, что предотвращает рост зерна и распад аустенита с образованием равновесных низкопрочных структур.

Рисунок 2. Схема термического цикла при  наплавке теплостойкими сталями

Первая стадия термического цикла обеспечивается применением высококонцентрированных источников нагрева (сжатой или плазменной дугой) и сопутствующего охлаждения наплавляемой детали. Вторая стадия термического цикла обеспечивает нахождение наплавленного металла в аустенитном состоянии при выполнении всех слоев в процессе наплавки. Это достигается путем применения предварительного подогрева на 50–100 °С выше температуры возникновения аномальной пластичности. Охлаждение наплавленной детали на третьей стадии термического цикла после окончания наплавки вызывает протекание фазовых превращений в хромовольфрамовом наплавленном металле, сопровождающихся возникновением аномальной пластичности (сверхпластичности). При этом внутренние временные напряжения в наплавленном изделии частично релаксируются, что позволяет получить наплавленный металл с низким уровнем остаточных напряжений, а, следовательно, с низкой склонностью к образованию холодных трещин.

Охлаждение наплавленного металла после завершения процесса приводит к образованию мартенсита. При этом отпадает необходимость проведения закалки наплавленной детали для увеличения прочности, твердости и износостойкости. Исключается необходимость проведения последующей сложной термической обработки наплавленной детали (отжиг – закалка – отпуск). В предлагаемом способе для увеличения твердости и износостойкости необходимо произвести только одну дополнительную операцию – отпуск .

Для получения наплавленного металла с низкой склонностью к образованию трещин нами предлагается регулировать уровень временных напряжений в процессе наплавки. Такое регулирование можно осуществить временным снижением температуры подогрева на 20–100 °С ниже температуры начала фазовых превращений. Это позволяет снизить уровень временных напряжений за счет их частичной релаксации при фазовых превращениях, сопровождающихся возникновением аномальной пластичности. Величина уменьшения температуры подогрева зависит от необходимого уровня снижения временных напряжений, получения структуры наплавленного металла с определенным количеством аустенита и мартенсита и интервала фазовых превращений. Желательно образование в структуре незначительного количества мартенсита. После частичной релаксации временных напряжений  температуру подогрева необходимо повысить. После завершения процесса наплавки деталь необходимо охладить до температуры окончания фазовых превращений (по третьей стадии термического цикла).

Предложенный способ эффективен при наплавке быстрорежущих хромовольфрамовых сталей, обладающих низко расположенными температурами начала фазовых превращений (Мн=180° – 380 °С). Это позволяет значительно понизить температуру предварительного подогрева для стали Р18 с 500–600 °С до 230–280 °С и даже до 80–160 °С в предлагаемом способе, что уже само по себе упрощает технологию наплавки хромовольфрамовых закаливающихся сталей. Предложенный способ наплавки закаливающихся сталей  обеспечивает высокую стойкость наплавленного металла против образования закалочных трещин и получение высокой твёрдости и износостойкости закаленного в процессе наплавки слоя. Твёрдость металла после наплавки по данному способу приближается к твёрдости закаленных сталей (HRC 52–58). За счёт высокого отпуска твёрдость можно повысить до HRC 62–66. Наплавка по предложенному способу позволяет  полностью использовать  свойства наплавленного металла.

Выводы.

  1. Традиционная технология наплавки хромовольфрамовых сталей с высокотемпературным подогревом и замедленным охлаждением трудоемка и недостаточно эффективна и не позволяет полностью использовать высокие эксплуатационные свойства наплавленного металла.
  2. Получить наплавленный металл в закаленном состоянии без трещин и с низким уровнем остаточных напряжений, можно используя новые способы наплавки по термическому циклу наплавки, особенность которого заключается в трех стадиях термического нагрева и применение низкотемпературного подогрева.
  3. Регулирование напряженного состояния в наплавленных деталях в процессе их изготовления предложено производить за счет использования эффекта кинетической пластичности путем кратковременного снижения температуры подогрева и определенной по времени выдержке при этой температуре.

Список литературы:

  1. Геллер Ю. А. Инструментальные стали / Геллер Ю.А. – М.: Металлургия, 1975. – 584с.
  2. Малушин Н.Н. Обеспечение качества деталей металлургического оборудования на всех этапах их жизненного цикла путем применения плазменной наплавки теплостойкими сталями / Н.Н. Малушин, Д.В. Валуев — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 358 с.
  3. Малушин Н.Н., Вострецова Т.Г. Регулируемый термический цикл для плазменной наплавки прокатных валков теплостойкими сталями//Заготовительные производства в машиностроении. 2014. №3. С.14 – 16.
  4. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением/ под ред. Акад. Б.Е. Патона. – М.: Машиностроение, 1974. – 768 с.
    АНАЛИЗ ТРАДИЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ ЗАКАЛИВАЮЩИХСЯ ХРОМОВОЛЬФРАМОВЫХ СТАЛЕЙ И РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО УСТРАНЕНИЮ ЕЕ НЕДОСТАТКОВ
    С целью выявления недостатков традиционной технологии наплавки хромовольфрамовыми сталями проведен ее анализ, выявивший, что основными являются высокотемпературный подогрев и неполное использование свойств высоколегированного металла. Для устранения недостатков разработаны способы наплавки, позволяющие получать наплавленный металл в состоянии близкому к закаленному без трещин.
    Written by: Малушин Николай Николаевич, Ковалев Андрей Петрович, Смагин Дмитрий Александрович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 02/02/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)
    Available in: Ebook