CC BY
30
- © H.H. Малушин, Д.В. Валуев, 2012
УДК 621.791.04 (088.8)
Н.Н. Малушин, Д.В. Валуев
ПЛАЗМЕННАЯ НАПЛАВКА И АЗОТИРОВАНИЕ НАПЛАВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ГОРНОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Рассмотрено комплексное использование процессов плазменной наплавки и азотирования для повышения износостойкости и коррозионной стойкости роликов линии правки предназначенного для производства деталей горно-металлургического комплекса.
Ключевые слова: горно-металлургический комплекс, плазменная наплавка, износостойкость и коррозионная стойкость.
Определенный интерес среди способов упрочнения поверхностного рабочего слоя представляет собой комплексное упрочнение наплавкой и последующей химико- термической обработкой. Процесс азотирования достаточно широко применяется в различных отраслях промышленности и имеет определенные преимущества перед другими способами упрочнения тонкого поверхностного слоя. Обычно глубина азотированного слоя с микротвердостью 900—1200 НУ не превышает величину 0,4-0,6 мм. Для азотирования наиболее широко применяют низколегированные стали типа стали 38ХМЮА. Основными легирующими элементами, определяющими свойства слоя после азотирования (твердость и глубину), являются вольфрам, молибден, хром, титан, ванадий и алюминий [1]. Изготовление деталей целиком из легированных сталей экономически нецелесообразно, т.к. максимальная глубина азотируемого слоя не превышает 1мм, и даже при многократном азотировании используется только часть поверхностного слоя (порядка 5-10 мм). В то же время для восстановле-
ния размеров и придания специальных свойств рабочему поверхностному слою широко используется плазменная наплавка. Сочетание процессов плазменной наплавки и азотирования открывает широкие возможности для экономии азотируемых сталей и увеличения стойкости азотированных наплавленных деталей.
В результате проведенных исследований разработана комплексная технология упрочнения деталей металлургического оборудования, состоящая из плазменной наплавки активного поверхностного слоя и последующего его азотирования. В качестве способа наплавки применена плазменная наплавка нетоковедущей порошковой проволокой в азотсодержащей защитно-легирующей среде на обратной полярности. Для наплавки разработана порошковая проволока, обеспечивающая химический состав наплавленного металла близкий к составу стали 38ХМЮА и подлежащий последующему азотированию. Выбор состава шихты порошковой проволоки, содержащей высокое содержание титана и алюминия, объясняется следующими соображениями.
Существенным недостатком процесса азотирования является его длительность. Повышение температуры насыщения интенсифицирует процесс. Метод высокотемпературного азотирования можно применять для сталей, легирующие элементы которых образуют твердые и устойчивые против коагуляции нитриды. Введение в состав шихты порошковой проволоки титана позволяет повысить температуру азотирования до 600°С, что без снижения твердости диффузионного слоя и прочности основы сокращает длительность процесса. Азотированный слой титаносодержа-щих сталей обладает высокой коррозионной стойкостью в воде. Это обстоятельство также играет существенную роль в работоспособности многих деталей металлургического оборудования.
Введение повышенного количества в состав шихты порошковой проволоки алюминия объясняется необходимостью повышения твердости азотированного слоя и ускорения процесса азотирования. Термически стойкие нитриды Д1Ы позволяют получить высокую твердость азотированного слоя. Легирование алюминием также способствует ускорению процесса азотирования. Наиболее быстрое образование и рост нитридов при 600°С протекает в системе Ре - Д1, что объясняется различной, диффузионной подвижностью легирующих элементов. Коэффициент диффузии при температуре азотирования алюминия выше, чем, например, у хрома и молибдена [1]. Выплавка стали с высоким содержанием алюминия имеет значительные трудности. Для такой стали свойственны дефекты металлургического характера, столбчатый излом, загрязненность неметаллическими включениями,
образование мелких трещин и волосовин в прокатке и т.д. При наплавке в азотсодержащих смесях удается ввести в состав наплавленного металла повышенное содержание алюминия и получить плотный металл и хорошее формирование при содержании алюминия в шихте порошковой проволоки до 24 %.
Выбор соотношения содержания алюминия и титана в шихте порошковой проволоки производили с учетом получения качественного наплавленного металла (хорошее формирование, плотный металл без пор, раковин и трещин), обеспечения необходимой глубины азотированного слоя и сокращения длительности операции азотирования при рациональном содержании компонентов шихты.
Комплексное легирование наплавленного металла хромом, молибденом, ванадием, титаном и алюминием позволило повысить температуру газового азотирования до 600°С, что без снижения твердости диффузионного слоя и прочности основы значительно (1,5-2,0 раза) сокращает длительность процесса. Введение в состав шихты порошковой проволоки указанных элементов позволило получить глубину азотированного слоя порядка 0,6-0,8 мм с микротвердостью Н 200 = 1500-1200 МПа. Как показали результаты исследований, у наплавленного металла максимальная микротвердость азотированного слоя практически не изменяется при увеличении продолжительности процесса в отличие от стали 38ХМЮА, у которой при 550°С наблюдается снижение твердости уже при выдержках свыше 10 часов [1]. Для литой структуры наплавленного металла характерна не только более высокая твердость, но и повышенная ус-
Таблица 1
Влияние содержания алюминия н титана в составе шихты порошковой проволоки на твердость, глубину и коррозионную стойкость азотированного слоя
Содержание алюминия и титана в шихте порошковой проволоки, % Микротвердость азотированного слоя, Н 200 Глубина азотированного слоя, мм Сравнительная коррозионная стойкость
8,0 2.0 1500—1200 0,6 2
16,0 5,0 1500—1200 0,7 2,2
24,0 8,0 1500—1200 0,8 2,4
тойчивость слоя против коагуляции нитридных фаз.
Порошковая проволока для плазменной наплавки и последующего азотирования изготавливалась из стальной оболочки холоднокатаной ленты 0,8 КП размером 15 х0,8 мм. Коэффициент заполнения порошковой проволоки шихтой приведенного выше состава составлял 30-35 %. Порошковая проволока обеспечивала получение наплавленного металла типа 38ХМЮАТ.
Режим плазменной наплавки роликов линии правки: ток основной дуги - 240А; ток дополнительной дуги -100А; напряжение дуги - 60В; скорость наплавки - 16 м/ч; скорость подачи порошковой проволоки - 66 м/ч; длина дуги - 20 мм; шаг наплавки - 9 мм; расход плазмообразующего газа азота - 20-25 л/мин; расход защитного газа аргона 6-8 л/мин. Величина наплавленного слоя составляла 6-8 мм, что обеспечивало получение промежуточного демпфирующего слоя между твердым поверхностным азотированным слоем и прочной основой стали 30ХГСА. Наплавка производилась без предварительного подогрева. Трещины при этом отсутствовали. Формирование наплавленного металла хорошее. После наплавки детали имели твердость 25ННС и хо-
рошо обтачивались резцом. Контроль качества формирования наплавленного слоя проводился визуально в течение всего процесса наплавки, а также по темплетам, вырезанные из наплавленного металла. Образцы из наплавленного металла подвергались газовому азотированию. После азотирования производилось определение микротвердости и глубины азотированного слоя на приборе ПМТ-3, а также исследовалась коррозионная стойкость азотированного металла. Испытания на коррозионную стойкость производились путем определения изменения массы эталонных образцов из азотированной стали 38ХМЮА и исследуемых образцов наплавленного металла типа 38ХМЮАТ после пребывания их 1000 ч в морской воде и приведены в табл. 1. Износостойкость наплавленного и азотированного металла оценивали на лабораторной установке по величине износа, которая определялась по потере массы (АО) и изменению геометрических размеров образцов (диаметра) в процессе работы (А<<). Проведенные испытания показали, что образцы с наплавленным и азотированным слоем показали увеличение стойкости в 1,25-1,50 раза по сравнению с дисками, вырезанными из азотированной стали 38ХМЮА без наплавки.
Выводы
На основе проведенных исследований и полученных данных рекомендуются следующие режимы газового азотирования для наплавленного металла типа 38ХМЮАТ: температура нагрева Т нагрева = 560 - 580°С, время выдержки т = 20-30 часов. Газовое азотирование в промышленных условиях проводилось в атмосфере газообразного аммиака в шахтной печи типа США 5,7,5/6Л1. Степень диссоциации поддерживалась 35-45 %.
После азотирования наплавленного металла, получаемого указанной
порошковой проволокой, глубина азотированного слоя составила 0,6-0,8 мм при твердости Н 200 = 1500-1200 МПа против Н 200 = 1250-1100 МПа и 0,30,4 мм у стали 38ХМЮА соответственно, а также повысить износостойкость и коррозионную стойкость поверхностного слоя. Наплавленные и азотированные детали (ролики линии правки) при промышленных испытаниях показали высокие износостойкость и коррозионную стойкость (до 1,5 раз), что указывает на эффективность комплексного применения плазменной наплавки с последующим азотированием.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лахтин Ю.М. Азотирование стали /Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган. — М.: Машиностроение, 1976. — 256 с. ГДТТГГ^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Малушин Николай Николаевич — кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный индустриальный университет. [email protected],
Валуев Денис Викторович — кандидат технических наук, доцент, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета. [email protected].
А
- ОТ РЕДАКЦИИ
В Горном информационно-аналитическом бюллетене № 11, 2012 г., на с. 46—49 в статье «Лабораторное тестирование технических средств системы геотомографического мониторинга газоносных угольных пластов» в связи с некорректностью предоставленных материалов был пропущен автор. Следует читать:
• с. 46 — А.П. Аверин, Д.И. Блохин, Н.Е. Титов;
• с. 49 — Аверин Андрей Петрович — кандидат технических наук, главный инженер ООО «Инситу», е-таП: [email protected],
Блохин Дмитрий Иванович — кандидат технических наук, доцент, е^аН: [email protected]. Московский государственный горный университет,
Титов Николай Евгеньевич — генеральный директор ООО «Инситу», [email protected].
