книги из ГПНТБ / Никберг И.М. Оптимальная долговечность оборудования металлургических предприятий

Для увеличения связки покрытия с основным метал­ лом необходимо нанесение промежуточного подслоя. Ма­ териал подслоя должен обладать свойствами, близкими к материалу покрытия, и достаточной вязкостью, обеспе­ чивающей возможность внедрения частиц наносимого материала.

Плазменное напыление применяют для повышения стойкости фурм доменных печей и других видов сменно­ го оборудования и деталей, подвергающихся воздейст­ вию высоких температур и соприкасающихся с жидким металлом и шлаком. Оно может с успехом применяться для наплавки глиссажных труб нагревательных печей, мульд разливочных машин и т. д.

Для напыления используют установку УПУ-3 конст­ рукции НИАТ. Напыление производится вначале порош­ ком никеля (толщина покрытия 0,1 мм), а затем порош­ ком окиси алюминия (толщина покрытия 0,5 мм). Плаз­ менную дугу создают в аргоне с последующим перек­ лючением на азот.

Изготовление порошковой проволоки из сплавов, об­ ладающих высокой стойкостью против абразивного изно­ са в условиях высоких температур (сормайта № 1, бори1 дов хрома, карбидов хрома и вольфрама и др.), вызыва­ ет значительные трудности, поэтому их наплавка произ­ водится вручную штучными электродами, которые не обеспечивают получения наплавленного металла высоко­ го качества.

Наиболее широкие перспективы имеются для приме­ нения п л а з м е н н о й н а п л а в к и . Преимуществом наплавки по сравнению с напылением является возмож­ ность использования любых сплавов при введении в ду­ гу присадочного материала.

Например, на Коммунарском металлургическом заво­ де в содружестве с Институтом электросварки им. Е. О. Патона создана наплавочная установка и разработана технология плазменной наплавки деталей металлургиче­ ского оборудования. В состав установки входят: плазмен­ ная приставка А-1105 с аппаратурой управления, штанга аппарата А-384, тележка, манипулятор с качающимся столом и источник питания (преобразователи ПС-500).

На заводе уже освоена наплавка роликов проводкой арматуры сортопрокатного стана 600 и осваивается нап­ лавка вертикальных валков универсальной клети сорто­ прокатного стана 600. В качестве наплавочного материа­

131

ла для роликов применяется сфероидальный порошок сплава сормайт № 1.

До внедрения плазменной наплавки ролики проводковой арматуры изготовляли из стали 45Г и подвергали объемной закалке. Работая в контакте с прокатываемым металлом, нагретым до 1150°С, ролики были подверже­ ны совместному воздействию абразивного и термическо­ го износа. Поэтому срок службы этих деталей был не­ большой: цилиндрических роликов — не более 7—8 ч, ро­

порошком сплава сормайт № 1 при помощи плазменной дуги, работают 75—80 ч.

■С внедрением плазменной наплавки стойкость 'роли­ ков на заводе возросла с 3 до 30 тыс. т круглого прока­ та, т. е. в 10 раз. Общая сумма экономии, полученной в результате этого, составляет 23,4 тыс. руб. в год.

На этом же предприятии освоена плазменная нап­ лавка керновых губок стриттперных кранов мартеновско­ го цеха. До внедрения нового метода рабочие поверхно­ сти керновых губок наплавлялись вручную электродами сплава сормайт № 1, а расход губок в течение года со­ ставлял 960 шт. После внедрения плазменной наплавки расход губок сократился до 480 шт., т. е. их стойкость возросла в два раза.

Плазменная наплавка производится в нижнем поло­ жении деталей по кольцевой схеме с перемещением плаз­ менной дуги на ширину валика после каждого полного оборота детали. Плазменная головка совершает попереч­

2,5 мм. Твердость наплавленного слоя 50—54 HRC. На­ плавленный металл по химическому составу соответству­ ет сплаву сормайт № 1, свободен от трещин, пор и дру­ гих дефектов.

Несмотря на то что наплавляемый материал был оди­ наковым, стойкость наплавленного слоя при плазменной наплавке оказалась более высокой вследствие отсутствия в наплавленном слое дефектов, соответствия химическо­ го состава наплавленного металла сормайт № 1, а так­ же более износостойкой структурой «звездчатого» типа. Такая структура была получена в результате образова­ ния большого числа центров кристаллизации вместо

132

ранее получавшейся столбчатой структуры с вертикаль­ но расположенными-дедритами. .

Электрошлаковая наплавка прокатных валков электродом-трубой

Износостойкая наплавка под флюсом стальных вал­ ков горячей прокатки, разработанная в Институте элек­ тросварки им. Е. О- Патана, применяется в Советском Союзе почти на всех предприятиях, имеющих прокатные станы.

Однако стальные валки, которые подвергаются нап­ лавке, составляют только одну треть всего имеющегося парка валков. Большое количество чугунных валков и стальных валков холодной прокатки не восстанавливает­ ся. Освоение наплавки чу­ гунных валков и изготовле­ ния биметаллических валков со стальной сердцевиной и чугунным рабочим слоем позволило бы резко снизить расход. чугунных валков.

Идея создания биметалли­ ческих прокатных валков с вязкой сердцевиной и твер­ дым рабочим слоем положе­ на в основу созданной на­ плавочной установки У-305.

Первая в СССР установ­ ка по наплавке прокатных валков электрошлаковым методом,. спроектированная в Институте электросварки им. Е. О. Патона и изготов­ ленная совместно опытным заводом, была введена в

эксплуатацию в 1969 г. на Макеевском заводе им. С. М. Кирова.

Установка У-305 предназначена для электрошлаковой наплавки трубой-электродом из легированного чугуна (рис. 10) при восстановлении изношенных чугунных вал­ ков и изготовлении новых валков со стальной сердцеви­ ной и чугунным рабочим слоем.

133

На установке можно наплавлять валки следующих размеров:

Установка оборудована тельфером и индуктором для подогрева валков перед наплавкой, а также имеет ряд сменных деталей разных размеров, устанавливаемых в зависимости от типоразмеров наплавляемого валка. К таким деталям относятся кристаллизатор, сменные полу­ кольца в подставке индикатора, нижние и выходные кольца, сменные направляющие втулки и башмаки зажи­ ма электрода.

Наряду с наплавкой валков указанных размеров на установке У-305 проводятся научно-иссследовательские работы по освоению технологии наплавки и подбору хи­ мического состава труб-электродов для более широкого сортамента наплавляемых валков.

Сумма экономии в результате электрошлаковой нап­ лавки валков трех станов этого завода 250-1, 250-2 и 300 составляет 50 тыс. руб. в год.

Упрочнение методами термической обработки, электролиза и пластического деформирования

Новыми методами термической обработки деталей в целях их упрочнения являются газовое цианирование, изотермическая закалка, электролизное борирование и электромеханическая обработка.

Газовое цианирование (нитроцементация)

Одним из прогрессивных способов повышения стой­ кости деталей, применяемым в машиностроении, явля­ ется газовое цианирование.

Сущность его заключается в одновременном насыще­ нии поверхности деталей азотом и углеродом путем вы­ держки их при заданной температуре в газовой среде, представляющей собой смесь цементирующего газа и диссоциированного аммиака.

В качестве цементирующего газа применяют те же газы, что и при газовой цементации. Азотирующим газом служит аммиак, который при температуре газового цна-

1.34

нировання диссоциирует с выделением водорода и ато­ марного азота. Последний диффундирует в сталь, обра­ зуя нитриды железа и легирующих элементов.

•Преимущества газового цианирования по сравнению с газовой цементацией следующие:

более высокие износоустойчивость и скорость про­ цесса насыщения слоя (при одинаковой температуре) из-за активизирующего действия азота;

меньшая степень деформации деталей при закалке и замедленный рост зерна из-за меньшей продолжительно­ сти и более низкой температуре процесса;

■повышенные прокаливаемость и сопротивление изно­ су планированного слоя по сравнению с цементирован­ ным;

более высокие пределы выносливости и стойкости против коррозии, а также износоустойчивости при повы­ шении температуры в месте контакта деталей, работаю­ щих на трение.

Ниже приведены результаты исследований и произ­ водственных испытаний по внедрению газового высоко­ температурного и низкотемпературного цианирования, «мягкого азотирования» деталей из конструкционной стали, проводившихся на одном из предприятий черной металлургии. Цианирование производилось в электри­ ческой шахтной печи Ц-75 с одновременной подачей в печь керосина и аммиака. В баллон с аммиаком был вмонтирован железный игольчатый вентиль. Подача ке­ росина из бачка производилась специально приспособ­ ленной для этой цели капельницей

В ы с о к о т е м п е р а т у р н а я н и т р о ц е м е н т а ­ ция. Целью проведенных исследований был выбор оп­ тимального режима высокотемпературной газовой нитро­ цементации деталей металлургического оборудования, изготовленных из углеродистой стали марок Ст.З и Ст.5. Высокотемпературной нитроцементации были подверг­ нуты четыре партии деталей и образцов.

Первая партия состояла из втулок, изготовленных из стали Ст. 5. Втулки и образцы после нитроцементации непосредственно из печи были подвергнуты закалке с температуры 850°С в воду. Твердость деталей и образ­ цов после нитроцементации и закалки 64—65 HRC. Ис­ следование микроструктуры показало, что нитроцементированный слой удовлетворительно насыщен углеродом и азотом. Глубина нитроцементированного слоя 0,35 мм.

135

Микроструктура нитроцемеитированного слоя состояла из азотистого мартенсита и мартенсита. Структура серд­ цевины — феррит и сорбитообразный перлит.

Вторая партия состояла из гильз опор валков прокат­ ных станов и деталей зубчатых муфт, изготовленных из стали Ст. 3.

В состав третьей партии входили также гильзы про­ катных валков и детали муфт зубчатой передачи, изго­ товленные из стали Ст. 3.

Четвертая партия деталей состояла из 20 шт. втулок

(D — 60 мм, /=80 мм, 6= 10 мм).

Результаты исследований микроструктуры и твердо­ сти деталей показали, что оптимальный режим высоко­ температурной нитроцементации для деталей из стали марок Ст. 3 и Ст. 5 должен быть следующий: отжиг при 870°С; время выдержки с момента пуска аммиака 4—5 ч; скорость подачи керосина 100—110 капель в минуту; ам­ миака 2,5 л в минуту; закалка непосредственно из печи

сохлаждением после нитроцементации до 820—830°С; отпуск при 200—220°С в течение 2,0—3,0 ч. Сокращение времени выдержки, а также более низкие температуры процесса нитроцементации не обеспечивали получения слоя достаточной глубины, твердости и микроструктуры стали этих марок. Более длительная выдержка способст­ вовала появлению в микроструктуре цементированного слоя остаточного аустенита, что снижало качество слоя и его работоспособность. Результаты производственных испытаний показали, что стойкость деталей, подвергну­ тых высокотемпературному цианированию, по сравнению

сцементированными и закаленными деталями увеличи­ вается в трех — пятикратном размерах.

Н и з к о т е м п е р а т у р н о е ц и а н и р о в а н и е («мягкое» азотирование) применяют за рубежом с целью повышения износостойкости и пределах выносливости деталей, работающих на трение в условиях абразивного износа с высокими контактными напряжениями. Этот' способ используют для обработки коленчатых и кулачко­ вых валов, различных шестерен, поршневых колец, осей, втулок, толкателей клапанов, блока цилиндров автомо­ бильных двигателей, частей регуляторов и т. д. В процес­ се мягкого азотирования на поверхности деталей образу­ ется карбонитридный слой, который создает высокую из­ носоустойчивость их рабочей поверхности. Процесс сле­ дует вести при температуре 600°С и времени выдержки

136

6—10 ч. По данным зарубежных исследований, повыше­ ние предела выносливости в результате мягкого азотиро­ вания составляет для деталей из делегированной стали 30—60%, а из легированной стали 20—40%.

Как показали результаты исследований, этот способ может дать значительный эффект в повышении долговеч­ ности деталей металлургического оборудования.

В качестве объектов для исследований были взяты Че­ тыре партии различных деталей. Две партии состояли из гильз опор валков прокатных станов, изготовленных из

Проведенные в производственных условиях испыта­ ния гильз и шпальт, подвергнутых мягкому азотирова­ нию, показали двукратное увеличение их стойкости.

Примерный перечень деталей металлургического обо­ рудования, подлежащих упрочнению -методом нитроце­ ментации, следующий:

валики, втулки, планки, накладки цепей элеваторов, скребковых и муфельных транспортеров, шлепперов, кон­ вейеров;

детали зубчатых зацеплений (шестерни, валы-шестер­ ни, втулки и полумуфты зубчатых муфт) общего назна^- чения, изготовляемые из углеродистой стали;

ответственные детали зубчатых зацеплений, изготов­ ляемые из легированной стали с заменой материала де­ талей на низколегированную сталь, например на сталь марки 38Х взамен 20ХНМА и др.;

гильзы валковых опор, кантующие ролики и ролики валковой арматуры рабочих клетей прокатных станов;

пальцы моторных муфт рабочих клетей и проводки проволочных станов;

•пластины пневматических муфт прнзода ножниц мел­ косортных станов;

тянущие ролики травильных агрегатов станов холод­ ной прокатки;

направляющие роликовых проводок привода диско­ вых ножниц агрегата травления;

кольца зажима труб трубоотрезных станов трубоэлек­ тросварочных станов;

оси патронов трубопроточных станков.

Результаты исследований и производственных испы­

таний по внедрению высокотемпературной нитроцемента­ ции показали, что этот способ освоения позволит:

увеличить производительность труда при термообра^ ботке в 2—3 раза;

снизить стоимость обработки деталей в 1,5—4 раза; получить более износоустойчивый слой деталей и ин­

струментов; отказаться в ряде случаев от применения дорогих и

дефицитных марок легированной конструкционной стали при изготовлении деталей с заменой их малоуглероди­ стой конструкционной сталью;

отказаться от шлифовки деталей после газового циа­ нирования и закалки, так как цианированный и последо­ вательно закаленный слой имеет достаточно чистую по­ верхность. Поэтому для получения поверхности высокого класса чистоты цианпрованных и закаленных деталей до­ статочно произвести их полировку.

Изотермическая закалка

Изотермическая закалка — весьма эффектный метод повышения ударной вязкости, конструктивной прочности и износостойкости стальных деталей, а также режущего инструм шта.

На металлургических и машиностроительных пред­ приятиях широко применяются ножи для резки холодно­ го металла, которые испытывают значительные дина­ мические нагрузки при ударах по малопластичному ме­ таллу и имеют пониженную стойкость.

В зависимости от условий работы и марки разрезае­ мой стали стойкость ножей колеблется в пределах от 1 до 1,5 суток, что вызывает необходимость в их частой замене.

Опыты наплавки ножей различными износостойкими сплавами до настоящего времени не дали положитель­ ных результатов.

По существующей технологии ножи холодной резки металла изготовляются в основном из штамповых сталей 5ХВ2С и 6ХВ2-С, которые подвергают термической обра­ ботке на мартенсит при непрерывном охлаждении в мас­ ле с последующим отпуском на твердость 52—54 HRC. Недостатки такого способа термической обработки сле­ дующие:

низкие режущие свойства и недостаточно высокие ме-

138

ханичеокие свойства ножей вследствие повышенной хруп­ кости и неблагоприятного распределения напряжений в металле. В результате получается брак из-за трещин, об­ разующихся как при изготовлении, так и при эксплуата­ ции изделий;

повышенное коробление, приводящее к появлению трещин в полотнах ножей. В ряде случаев оно настолько значительно, что ручная правка ножей не достигает цели и их приходитгя подвергать повторной термической об­ работке или отбраковке.

Необходимо было подобрать такой режим термиче­ ской обработки, который устранил бы недостатки суще­ ствующей технологии и обеспечил необходимые для но­ жей холодной резки свойства, а именно:

1)высокие режущие свойства и износоустойчивость;

2)повышение механических свойств (прочности, вяз­ кости, пласти п-юсти) и способности противостоять удар­ ным, а также знакопеременным нагрузкам;

3)минимальные деформации при термической обра­

ботке;

4)способность сохранять все эти свойства как в про­ цессе эксплуатации, так и при заточке. Для изыскания оптимального режима термической обработки ножей хо­ лодной резки потребовалось проведение длительных ла­

бораторных исследований и производственных испыта­ ний1.

Проведенные на Горьковском металлургическом заво­ де лабораторные исследования и практические испыта­ ния показали, что механические свойства штамповой ста­ ли повышенной вязкости типа 5ХВ2С и 6ХВ2С можно повысить путем применения способа изотермической за­ калки.

Лабораторные исследования проводили с целью вы­ бора оптимальной температуры нагрева под закалку ста­ ли 5ХВ2С и определения влияния температуры, изотер­ мической среды на прокаливание, закаливаемость и ме­ ханические свойства стали 6ХВ2С. Микроструктура об­ разцов, закаленных с температуры 970°С в изотермиче­ ской среде с температурой 280°С на твердость 48—50 HRC, представляла собой однородную бейнитную массу. Заметная разница наблюдалась в изломах образцов. После изотермической закалки получался волокнистый излом, что можно объяснить значительной пластической

1 Работы проводились под руководством автора.

6* З а к , 555

139

деформацией стали перед разрушением. Ударная вяз­ кость образцов, прошедших изотермическую закалку, по сравнению с образцами, закаленными в масле и имевши­ ми кристаллические изломы, оказалась более высокой. Испытания на разрыв также показали преимущество изотермического способа закалки ножей. На основании лабораторных исследований можно сделать вывод, что однородная бейнитная структура в сочетании с высокими значениями ударной вязкости и полная прокаливаемость на твердость 48—60 H R C получается в образцах сечени­ ями 10ХЮ, 20X20 и 40X40 мм при закалке с темпера­ тур 870 и 920°С в изотермической среде с температурой

280°С.

При проведении производственных испытаний в каче­ стве опытной партии ножей были выбраны ножи холод­ ной резки ножниц.Q= 200 т для порезки металла диа­ метром 50 мм из стали 40Х и стали 45. Термической об­ работке подвергали 11 ножей. Нагрев под закалку про­ водили в электрической соляной ванне С-100, закалку в щелочи 50% NaOH+50% КОН. Первая партия ножей в количестве 3 шт. была обработана по следующему режи­ му: температура нагрева под закалку 970°С, время вы­ держки 40 мин, температура изотермической среды 280—290°С, время выдержки 20—25 мин, дальнейшее ох­ лаждение на воздухе. Охлажденные ножи промывали в воде. Результаты металлографического исследования но­ жей первой партии следующие:

твердость поверхности ножа 48—50 HRC, сердцевина

Ножи № 1 и 2 этой партии были подвергнуты произ­ водственным испытаниям при порезке заготовок шатуна из стали 40Х и распределительного вала из стали 45.

Результаты производственных испытаний показали, что нож № 1 сделал 60000 резов с четырьмя переточками при максимальной стойкости между ними 19390 резов. Нож № 2 сделал 62350 резов с четырьмя переточками при максимальной стойкости между ними 20000 резов. Вид деформации после испытаний —смятие рабочей стали.

Вторая партия но?крй из стади 5ХВ2С в количестве

140