СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РОЛИКОВ Российский патент 2007 года по МПК B23P6/02 B23K9/04 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к ремонту металлургического оборудования, и может быть использовано для восстановления роликов машин непрерывного литья заготовок.

Ролики машин непрерывного литья заготовок работают в условиях циклического термомеханического воздействия со стороны слитка, окислительного воздействия охлаждающей жидкости и абразивного действия окалины слитка. В результате ролики быстро выходят из строя вследствие износа и образования трещин термической усталости.

Известен способ восстановления роликов машин непрерывного литья заготовок, включающий подогрев и наплавку роликов электродом из стали Х12М1Ф (Лещинский Л.К. Повышение ресурса наплавленных роликовых направляющих машин непрерывного литья заготовок // Сварочное производство. - 1991. - №1. С.9-11).

Недостатком известного способа является низкая стойкость наплавленных роликов вследствие образования трещин и выкрошки в наплавленном слое.

Известен также способ восстановления роликов наплавкой, при котором в качестве наплавочных материалов используют проволоки из стали Св-08, Св-08А, Нп-30ХГСА диаметром 3-4 мм, а наплавку ведут после предварительного подогрева ролика до 300°С при токе 300...400 А под флюсом АН-348А (Гребеник В.М., Гордиенко А.В., Цапко В.К. Повышение надежности металлургического оборудования. М.: Металлургия, 1988, с.478-479).

Недостатком известного технического решения является низкая стойкость наплавленных роликов.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению (прототип) является способ восстановления роликов (патент РФ №2123413). Согласно этому изобретению ролики нагревают под наплавку до температуры не ниже 150°С. Наплавку стальным электродом осуществляют при отношении силы электрического тока к скорости наплавки не более 17,5. Последующую термическую обработку проводят путем нагрева до температуры 470...500°С со скоростью не более 80°С/ч. Выдержка роликов при температуре нагрева составляет 7...8 ч. Затем ролики охлаждают со скоростью не более 80°С/ч до температуры 120°С и далее на воздухе.

Недостатком известного способа является низкая стойкость роликов из-за недостаточной термоциклической стойкости наплавленного слоя.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в увеличении стойкости роликов, а следовательно, в снижении расхода роликов.

Указанная задача решается тем, что в известном способе восстановления роликов, включающем предварительный нагрев роликов, наплавку стальным электродом и термическую обработку наплавленного слоя роликов, согласно предложению предварительный нагрев роликов производят до температуры 200...250°С, наплавку ведут со скоростью 20...30 м/ч при плотности электрического тока 35...45 А/мм², а термообработку производят путем нагрева ролика до температуры 500...550°С и выдержки в течение 2...4 ч.

Возможен вариант реализации способа, по которому наплавку производят стальным электродом следующего состава, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 12,0...15,0; железо - остальное.

Верхний предел температуры нагрева 250°С выбран экспериментально. Температура нагрева выше 250°С приводит к перегреву бочки ролика и снижению твердости наплавленного слоя. При снижении температуры нагрева ниже 200°С в зоне термического влияния наплавленного ролика наблюдаются закалочные структуры и трещины. Это приводит к выкрошкам наплавленного слоя, т.е. к уменьшению стойкости роликов.

Экспериментально установлено, что снижение скорости наплавки менее 20 м/ч приводит к удлинению процесса, перегреву бочек роликов и снижению твердости наплавленного слоя. При увеличении скорости наплавки более 30 м/ч возрастает количество несплошностей в металле, что ухудшает качество наплавки и ведет к уменьшению стойкости роликов.

При плотности электрического тока менее 35 А/мм² из-за недостаточного проплавления качество наплавки ухудшается. Увеличение плотности электрического тока более 45 А/мм² приводит к перегреву бочек роликов и снижению твердости наплавленного слоя.

После наплавки бочки роликов имеют остаточные сварочные напряжения, поэтому ролики подвергают термической обработке.

Экспериментально установлено, что если температура термообработки будет превышать 550°С, произойдет разупрочнение наплавленного слоя бочек роликов. При температуре термообработки ниже 500°С в наплавленном слое роликов сохранятся сварочные напряжения, которые в дальнейшем приведут к образованию трещин.

Увеличение времени выдержки более 4 ч приведет к перегреву бочек роликов и потери твердости. Сокращение времени выдержки менее 2 ч не обеспечивает полного снятия сварочных напряжений, что приведет к образованию трещин и уменьшению срока службы роликов.

В процессе эксплуатации ролики подвержены фрикционному износу от трения со стороны проходящего сляба, окислительного воздействия охлаждающей жидкости и термоциклического влияния температуры. Поэтому оптимальным вариантом является наплавка износостойкой хромосодержащей сталью, которая имеет наряду с высокой твердостью еще и высокую износо- и термоциклическую стойкость. Поэтому для наплавки рекомендуется в качестве материала применять электрод из стали следующего химического состава, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 12,0...15,0; железо - остальное.

Углерод обеспечивает матричное упрочнение наплавленного металла и усиливает способность образовывать твердый и прочный рабочий слой роликов. При содержании углерода менее 0,20% наплавленный слой упрочнен недостаточно. При содержании углерода выше 0,40% наплавленный металл подвержен растрескиванию при кристаллизации, что уменьшает стойкость роликов.

Марганец упрочняет металлическую матрицу и значительно улучшает пластичность металла при кристаллизации. Минимальная концентрация Mn, необходимая для достижения требуемой прочности, равна 0,30%. Подобно углероду Mn в избытке ухудшает вязкость металла и также вызывает появление трещин при наплавке, поэтому его верхний предел равен 0,50%.

Кремний введен в наплавочный электрод в качестве раскислителя в количестве 0,30...0,50%. С понижением количества кремния менее 0,30% возможно появление пор при наплавке. Взятый в избытке кремний отрицательно влияет на вязкость наплавленного металла в зоне термического влияния (ЗТВ), которая при его концентрациях более 0,50% снижается, что уменьшает стойкость роликов.

Хром повышает износо- и термоциклическую стойкость наплавленного металла. При содержании хрома менее 12,0% не обеспечивается износо- и термоциклическая стойкость наплавленного металла и уменьшается стойкость роликов. При содержании в наплавленном слое хрома свыше 15,0% образуются сварочные трещины, что приводит к выкрошкам наплавленного металла и уменьшению срока эксплуатации роликов.

Примеры реализации способа

Были изготовлены пять вариантов стальных электродов различного состава (таблица 1).

Наплавленный металл состава 1 имеет соотношение композитов меньше заявленных пределов. В составах II-IV соотношение компонентов соответствует заявленным пределам. В составе V соотношение компонентов превышает заявленные пределы.

Таблица 1СоставСодержание компонентов, мас.%СMnSiCrI0,100,200,2011,0II0,200,300,3012,0III0,300,400,4013,5IV0,400,500,5015,0V0,500,600,6016,0

Ролик машины непрерывного литья заготовок устанавливают на наплавочный станок и приводят во вращение. Ролик нагревают индуктором до температуры Т_наг=225°С. Электродуговую наплавку ведут под слоем флюса марки АН-60 электродной проволокой диаметром 4,0 мм из стали состава III (табл. 1). Скорость наплавки составляет V_св=25 м/ч, плотность электрического тока при наплавке J=40 А/мм². Наплавку ведут до восстановления номинального размера бочки ролика с припуском на механическую обработку. После наплавки ролик подвергают термообработке путем нагрева индуктором до температуры Т_отп=525°С. Ролик выдерживают при этой температуре в течение времени τ=3 ч.

Указанные технологические режимы обеспечивают получение бездефектной наплавленной бочки восстановленного ролика. После завершения наплавки ролик устанавливают на токарный станок и обрабатывают наплавленную бочку до номинального диаметра.

Восстановленный ролик собирают с подшипниками и устанавливают в секцию машины непрерывного литья заготовок.

Варианты реализации предложенного способа и показатель стойкости роликов (удельный расход роликов на тонну литья) приведены в таблице 2.

Таблица 2№ вариантаНомер составаТемпература нагрева ролика Т_наг, °ССкорость наплавки V_св, м/чПлотность электрического тока J, А/мм²Температура термообработки T_обр, °СВремя выдержки τ, ч.Удельный расход роликов, кг/т1I19019344901,80,0272II200203550020,0223III225254052530,0204IV250304555040,0215V26031465604,20,0296 (прототип)12Х1325030354807,00,030

Как следует из данных, приведенных в таблице 2, при реализации предложенного способа (варианты 2-4) достигается снижение расхода восстановленных роликов (удельный расход роликов минимален). В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты 1 и 5) расход восстановленных роликов увеличивается. Также более высокий расход имеют ролики, восстановленные по способу-прототипу (вариант 6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что регламентированные параметры восстановления роликов обеспечивают получение высокой твердости, термоциклической стойкости и износостойкости. Этим достигается увеличение стойкости, а следовательно, уменьшение расхода восстановленных роликов.

В качестве базового объекта принят способ-прототип. Применение предложенного способа позволит повысить рентабельность восстановления роликов на 20-30%.

Изобретение может быть использовано для восстановления роликов машин непрерывного литья заготовок. Предварительный нагрев бочки роликов проводят до температуры 200...250°С. Наплавку ведут со скоростью 20...30 м/ч при плотности электрического тока 35...45 А/мм². Термообработку роликов осуществляют при температуре 500...550°С с выдержкой в течение 2...4 ч. В качестве материала для наплавки рекомендуется применять стальной электрод следующего химического состава, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 12,0...15,0; железо - остальное. Способ позволяет снизить расход роликов за счет увеличения их стойкости. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ восстановления роликов, включающий предварительный нагрев, наплавку стальным электродом и термическую обработку наплавленного слоя, отличающийся тем, что предварительный нагрев ролика производят до температуры 200-250°С, наплавку ведут со скоростью 20-30 м/ч при плотности электрического тока 35-45 А/мм², а термообработку проводят путем нагрева ролика до температуры 500-550°С и выдержки в течение 2-4 ч.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку производят стальным электродом следующего состава, мас.%:

Углерод0,20-0,40Марганец0,30-0,50Кремний0,30-0,50Хром12,0-15,0ЖелезоОстальное