МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАПЛАВКИ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ШИХТОЙ ПОВЕРХНОСТИ РОЛИКОВ СИСТЕМЫ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ Российский патент 2017 года по МПК B23K35/36 B23K9/04 

Изобретение относится к металлургической отрасли и может быть использовано для наплавки и ремонта наплавкой роликов системы вторичного охлаждения установок непрерывной разливки сталей (УНРС), а также других интенсивно-изнашиваемых деталей металлургической и машиностроительной техники, работающих в условиях окисления и циклического термомеханического нагружения.

Конструкция зоны вторичного охлаждения УНРС состоит из системы роликов, поддерживающих и направляющих заготовку, и устройств, обеспечивающих охлаждение слитка в результате впрыскивания охлаждающей воды, расположенных между роликами.

Малый ресурс роликов УНРС обусловлен сочетанием следующих основных факторов: циклическое термомеханическое воздействие со стороны горячего слитка при температуре до 750°С, окислительное воздействие охлаждающей жидкости и абразивное действие окалины слитка. Эксплуатация в условиях циклического термомеханического воздействия и влияния охлаждающей паровоздушной среды приводит к появлению на рабочей поверхности роликов трещин термической усталости (трещины «разгара»), а также уменьшению роликов в диаметре вследствие механического изнашивания и окисления. Указанные дефекты приводят к преждевременному выходу роликов из строя, что влечет незапланированную остановку УНРС и последующий ее дорогостоящий ремонт. Поиск способов увеличения срока службы роликов и, как следствие, всей УНРС, является важной и исключительно актуальной задачей в современной металлургии. Одним из основных способов повышения качества поверхности роликов УНРС является наплавка. Различают изготовительную и восстановительную наплавку. Изготовительная наплавка позволяет увеличить срок службы роликов в результате нанесения на поверхность готового изделия специального слоя с особыми свойствами, отвечающими необходимым требованиям эксплуатации и, как правило, отличающимися от свойств основного металла. При восстановительной наплавке в качестве исходной заготовки используется изношенная деталь, на поверхность которой наносится слой металла со специальными свойствами с целью восстановления утраченного в процессе эксплуатации объема.

Однако до настоящего времени нет общепринятого мнения о пригодности используемых материалов для изготовительной и/или восстановительной наплавки роликов УНСР.

Известен материал для наплавки роликов машин непрерывного литья заготовок открытой или закрытой дугой [1]. Материал содержит, мас. %: углерод 0,01-0,07, марганец до 2,0, кремний до 1,0, хром 11-16, никель 3,0-5,0, молибден 1,0-2,5, ванадий 0,1-1,0, вольфрам 0,1-1,0, азот 0,05-0,2, кобальт до 2,0, ниобий 0,1-1,0, сера и фосфор 0,03 max, железо - остальное. Наплавка выполняется металлическим электродом под слоем флюса или порошковой проволокой. Однако применение для наплавки указанной композиции требует использование агломерированного нейтрального флюса, а также дополнительных материальных затрат, связанных с изготовлением металлических электродов, специальных приспособлений для удержания флюса в процессе наплавки закрытой дугой или производством порошковой проволоки при открытой дуге, объемным азотированием металлических наплавочных материалов с целью обеспечения повышенного содержания в них азота. Известный материал при наплавке также не гарантирует отсутствия в изделии горячих и холодных трещин, обусловленных неизбежными случайными колебаниями химического состава основного и электродного материалов. Это связано с тем, что для получения наплавленного слоя заданного состава невозможно оперативно изменить химический состав уже изготовленных в виде электродов или порошковой проволоки наплавочных материалов. Кроме того, в известный состав входят дорогостоящие и дефицитные элементы, такие как кобальт, вольфрам и ниобий, что увеличивает себестоимость получаемого изделия.

Известна также шихта для наплавки легированных сталей (прототип) [2], в состав которой входят, мас. %:

Углерод (С) 0-3 Ферротитан (FeTi) 5-15 Феррохром (FeCr) 1-20 Феррованадий (FeV) 0,5-25 Мрамор электродный (СаСо₃) 12-15 Плавиковый шпат (CaF₂) 12-15 Силикокальций (SiCa) 5-12 Порошок медный (Cu) 2-4 Железный порошок (Fe) остальное

Однако указанный состав шихты не позволяет обеспечить необходимые эксплуатационные свойства роликов системы вторичного охлаждения УНРС.

Экспериментальные исследования показали, что под действием высокой температуры, достигающей 750°С, циклического термомеханического нагружения, ударных нагрузок, трения об окалину слитка и агрессивной среды в роликах системы вторичного охлаждения УНРС возникают следующие виды дефектов:

- износ наружной поверхности (бочки) ролика;

- трещины «разгара» (сетка трещин на рабочей поверхности ролика).

Кроме того, было установлено, что поры, шлаковые включения, горячие и холодные трещины, в случае из зарождения в наплавке на этапе изготовления и восстановления, резко снижают срок службы роликов, т.к. эти дефекты получают дальнейшее развитие под влиянием сложных условий эксплуатации.

В соответствии с этим, задачей изобретения является разработка доступных и относительно дешевых наплавочных материалов для изготовления и/или восстановления роликов системы вторичного охлаждения УНРС, позволяющих обеспечивать без дополнительной термообработки:

- работоспособность изделия в области высоких температур, достигающих 750°С;

- стойкость наплавки к высокотемпературной коррозии и сопротивление термической усталости;

- стойкость наплавленного слоя к абразивному износу (твердость поверхности роликов HRC 37-42) и ударной нагрузке;

- получение наплавки без пор, шлаковых включений, горячих и холодных трещин. Для этого в ферромагнитную шихту для наплавки поверхностей роликов, изготовленных из легированных сталей, для системы вторичного охлаждения УНРС, содержащую замешанные на жидком натриевом стекле феррохром, ферротитан, феррованадий, мрамор электродный, плавиковый шпат, железный порошок, дополнительно введены ферромолибден и порошок никеля при следующем соотношении компонентов, вес.%:

феррохром 29-32 порошок никеля 8-9 ферромолибден 3-5 ферротитан 3-5 феррованадий 2-4 мрамор электродный 10-12 плавиковый шпат 10-12 железный порошок остальное

Пример.

Осуществляли электродуговую наплавку ферромагнитной шихтой заявленного сотава поверхности роликов УНРС, изготовленных из стали типа 24ХМ1Ф.

Ферромагнитная шихта была получена из гранулированной спеченной смеси тонко помолотых порошковых материалов, предварительно замешанных на жидком стекле для слипания магнитных и немагнитных составляющих. В состав шихты входили следующие компоненты: 29-32 мас. % феррохрома марки ФХ100А (Cr=65%; C=1%; Si=2%; остальное - Fe; P; S); 8-9 мас. % порошка никеля марки ПНК-2K9 (Ni=99,70%; остальное - С; Fe; Si; Со; Cu; S); 3-5 мас. % ферромолибдена марки ФМо55 (Мо=55%; Si=1,5%; W=0,8%; С=0,1%; остальное - Fe; P; S); 3-5 мас. % ферротитана марки ФТи70С05 (Ti=70%; Al=5%; С=0,20%; Si=0,5%; остальное - Fe; V; Mo; Ρ; S); 2-4 мас. % феррованадия марки FeV40 (V=42%; Al=4%; Si=2%; C=0,3%; остальное - Fe; P; S); 10-12 мас. % мрамора электродного марки М-97П (СаСО₃=97%; остальное - MgO; SiO₂; Fe₂O₃+Al₂O₃; Р; S); 10-12 мас. % плавикового шпата марки ФФС-95 (CaF₂=95%; остальное - SiO₂; CaCO₃; S; Р); и остальное железный порошок марки ПЖРВ2.450.28 (Fe=99, 7%; остальное - Mn; Si; C; Ρ; S). Стекло натриевое жидкое добавлялось в сухую шихтовую смесь до получения влажной пастообразной массы. Наплавка ферромагнитной шихтой осуществлялась непрерывной электродной проволокой марок Св08, Св08А или Св08Г2С, на которую подавался порошок, который под действием магнитного поля сварочной цепи притягивается к ней, образуя покрытие, аналогичное электродному. Дополнительное, по отношению к сварочной проволоке, легирование наплавляемого слоя, а также защита дуги и сварочной ванны от влияния атмосферы, осуществляется материалами ферромагнитной шихты. В состав шихты вводились компоненты, используемые при производстве покрытых электродов. Варьируя процентное содержание этих компонентов в заданном диапазоне, изменяли свойства наплавки, приводя их в соответствие с требуемыми. Применение ферромагнитной шихты особенно актуально в тех случаях, когда не удается подобрать стандартные наплавочные материалы, обеспечивающие заданный химсостав наплавляемого слоя, а следовательно, и его эксплуатационные свойства. К преимуществам шихты следует также отнести и возможность точного дозирования легирующих элементов при ее изготовлении, что исключает перерасход наплавочных материалов, уменьшая тем самым себестоимость получаемого изделия, а также способствует обеспечению заданных эксплуатационных свойств даже в случае флуктуации химсостава основного и электродного металлов.

Указанный состав шихты для наплавки позволяет получить (с учетом коэффициентов перехода элементов при дуговой наплавке) химический состав наплавленного слоя, обеспечивающий необходимые эксплуатационные требования, предъявляемые к поверхностям роликов УНСР.

В составе наплавленного слоя полученное содержание никеля (8-9)% повышает жаропрочность и устойчивость против действия ударных нагрузок, обеспечивая при этом относительно низкую стоимость наплавочных материалов, - хрома в количестве 14-16% повышает коррозионную стойкость вследствие образования тугоплавких оксидов и обеспечивает износостойкость наплавки в результате образования карбидов хрома. При содержании хрома менее 12% не обеспечивается износо- и термоциклическая стойкость наплавленного металла в условиях действия высоких температур и пара охлаждающей жидкости (примерно от 500 до 800°С). Если содержание хрома в наплавленном слое выше 17%, возможно образование при наплавке холодных трещин, связанных с ростом зерна, а также повышается вероятность образования хрупкой σ-фазы при длительной работе в области температур от 450 до 980°С, что снижает жаропрочность наплавленного металла.

Для снижения чувствительности наплавки к межкристаллитной коррозии, связанной с обеднением границ зерен хромом вследствие образования избыточных карбидов хрома, в наплавку вводятся более энергичные, чем хром, карбидообразующие элементы - титан, ванадий, молибден. Кроме того, эти элементы обеспечивают повышение прочности и износостойкости наплавленного металла вследствие карбидного (образование термостойких карбидов) и интерметаллидного (образование интерметаллидов) упрочнения. Легирование титаном Ti=(0,70-1,0)%, ванадием V=(0,30-0,70)%, молибденом Mo=(1,30-2,20)% способствует также измельчению зерна наплавленного металла, что повышает стойкость наплавки против образования горячих и холодных трещин. Содержание титана, ванадия и молибдена ниже указанных пределов не обеспечивает необходимых эксплуатационных свойств наплавки. При содержании этих элементов в наплавке выше верхнего предела возможно образование холодных и горячих трещин, а также выкрашивание наплавленного слоя в процессе эксплуатации вследствие охрупчивания металла, вызванного образованием избыточных карбидных фаз.

Легирование наплавки молибденом (1,30-2,20)% позволяет получить аустенитно-мартенситную матрицу с количеством карбидной фазы 25-30%, что обеспечивает необходимую ударостойкость и износостойкость наплавленного слоя без выкрашивания избыточной хрупкой карбидной фазы в процессе эксплуатации роликов УНСР. Кроме того, данная композиция обеспечивает получение структуры наплавки с минимальным содержанием феррита (до 2%), что способствует повышению стойкости наплавки к межкристаллитной коррозии, а также уменьшает вероятность образования σ-фазы, снижающей жаропрочность металла в области температур (450-980)°С.

Указанное соотношение компонентов шихты обеспечивает содержание кремния в наплавленном металле Si=(0,20-0,30) мас. %. С понижением количества кремния менее 0,10 мас. % возможно появление пор при наплавке. Превышение концентрации Si>0,40 мас. % ухудшает свариваемость из-за повышения жидкотекучести стали, образования тугоплавких окислов кремния и возможности появления горячих трещин.

Алюминий раскисляет расплавленный металл. Кроме того, алюминий при его содержании в наплавке Al=(0,05-0,09)% повышает жаростойкость и окалиностойкость при высоких температурах, а также способствует измельчению зерна. При низком содержании алюминия Al<0,03% возможно образование пор и не полностью обеспечиваются требуемые свойства наплавленного металла. Повышенная концентрация Al>0,10% приводит к ухудшению высокотемпературной прочности.

Мрамор электродный (СаСО₃) и плавиковый шпат (CaF₂+СаСО₃), являясь шлакообразующими компонентами, обеспечивают защиту расплавленного металла от вредного влияния атмосферы, снижая вероятность порообразования, окисления и насыщения расплавленного металла кислородом, азотом и водородом. Кроме того, применение фтористо-кальциевых компонентов способствует связыванию и удалению в шлак ответственных за трещинообразование серы, фосфора и водорода, а также обеспечивает измельчение структуры наплавленного слоя, что в совокупности повышает стойкость наплавки против образования горячих и холодных трещин.

Жидкое натриевое стекло выполняет функцию связующего компонента при изготовлении шихты и способствует слипанию магнитных (порошок железа, феррохром) и немагнитных материалов. Кроме того, жидкое натриевое стекло обеспечивает стабильное горение дуги на малых токах в процессе наплавки.

Применение разработанного наплавочного материала в условия электродуговой наплавки обеспечивает получение бездефектных изделий, отвечающих необходимым эксплуатационным требованиям без дополнительной термообработки.

Исследования материала наплавки выполнялись в соответствии с методикой, приведенной в [3]. Образец-свидетель (проба) изготавливался из стали 24ХМ1Ф в виде уменьшенной копии ролика УНРС. Проба представляла собой снабженную кольцевыми пазами толстостенную трубу диаметром ∅100 мм и толщиной стенки 30 мм. Для сравнительной оценки работоспособности наплавленного металла в условиях эксплуатации роликов выполнялась наплавка пазов пробы ферромагнитной шихтой заявленного состава и стандартной проволокой Св-12X13, применяемой в реальном производстве при наплавке поверхности роликов под флюсом АН-20С. Замеры твердости наплавленных слоев, являющейся показателем износостойкости материала, показали следующие результаты: твердость слоя, наплавленного под флюсом АН-20С проволокой марки Св-12Х13 - HRC 40-45, наплавленного ферромагнитной шихтой - HRC 38-42, что соответствует требованиям, предъявляемым к твердости поверхности роликов системы вторичного охлаждения УНРС.

После наплавки образец-свидетель испытывался на стойкость против образования трещин в условиях воздействия агрессивной среды и циклического термомеханического нагружения. Испытания заключались в периодическом нагреве пробы в печи до температуры 800°С, с последующим резким его охлаждением в 20% водно-соляном растворе. С целью ускорения процесса исследований условия испытаний ужесточались по сравнению с реальными условиями эксплуатации изделия. Для этого температура нагрева образца в процессе испытаний принималась выше максимальной температуры нагрева ролика при эксплуатации, а погружение в водно-соляной раствор обеспечивал более жесткие режимы охлаждения в условиях испытаний по сравнению с режимами охлаждения ролика при его работе в составе УНРС. Через каждые десять циклов «нагрев-охлаждение» образец подвергался контролю с целью выявления зародившихся трещин. Число циклов, приводящее к возникновению трещин, считалось количественным показателем стойкости наплавленного материала против трещинообразования. Испытания показали, что при отсутствии наплавочных дефектов в обеих наплавках, металл, наплавленный ферромагнитной шихтой, обладает большей стойкостью против образования технологических и эксплуатационных трещин при работе роликов УНРС, чем металл, наплавленный под флюсом АН-20С проволокой Св-12X13.

Литература

1. Вечеринин О.П., Пател Р.Б. Материал для наплавки роликов машин непрерывного литья заготовок открытой или закрытой дугой. Патент на изобретение РФ 2378096, 2008 г.

2. Макаров Э.Л., Вялков В.Г., Глазунов C.H., Коновалов А.В., Апраксин Д.В. Ферромагнитная шихта для дуговой наплавки деталей машин, изготовленных из железоуглеродистых сплавов. Патент на изобретение №2448823, 2012 г.

3. Цирков П.Α., Якушин Б.Ф. Экспресс-методика процесса разрушения наплавленного металла при термоциклическом нагружении // Сварка и Диагностика. 2009. №6. Стр. 13-17.

Изобретение может быть использовано для изготовления или восстановения наплавкой деталей металлургической и машиностроительной техники, работающих в условиях окисления и циклического термомеханического нагружения, в частности, для системы вторичного охлаждения установок непрерывной разливки сталей. Ферромагнитная шихта содержит компоненты в следующем соотношении, вес. %: феррохром 29-32, порошок никеля 8-9, ферромолибден 3-5, ферротитан 3-5, феррованадий 2-4, мрамор электродный 10-12, плавиковый шпат 10-12, железный порошок - остальное. Порошок ферромагнитной шихты предварительно замешан на жидком стекле для слипания магнитных и немагнитных составляющих. Наплавка осуществляется непрерывной электродной проволокой марки Св08А диаметром 1,6 мм, на которую подается шихта и под действием магнитного поля сварочной цепи притягивается к ней, образуя покрытие, аналогичное электродному. Применение наплавочного материала в условиях электродуговой наплавки обеспечивает получение бездефектных изделий, отвечающих необходимым эксплуатационным требованиям без дополнительной термообработки.

Ферромагнитная шихта для наплавки поверхности ролика, изготовленного из легированной стали, для системы вторичного охлаждения УНРС, содержащая феррохром, ферротитан, феррованадий, мрамор электродный, плавиковый шпат и железный порошок, отличающийся тем, что она содержит дополнительно ферромолибден и порошок никеля при следующем соотношении компонентов, вес.%:

феррохром 29-32 порошок никеля 8-9 ферромолибден 3-5 ферротитан 3-5 феррованадий 2-4 мрамор электродный 10-12 плавиковый шпат 10-12 железный порошок остальное