Способ ремонта деталей

 

Использование: изобретение относится к ремонту сваркой и может быть использовано при восстановлении деталей, работающих в условиях циклического термомеханического нагружения. Цель изобретения - повышение стойкости восстановленных деталей за счет повышения износостойкости. Способ заключается в том, что наплавленный участок по своей высоте состоит из двух слоев - внутреннего донорского, выполненного из высоколегированной стали, и наружного износостойкого, выполненного из легированной стали. Суммарное содержание легирующих элементов донорского слоя превышает суммарное содержание легирующих элементов износостойкого слоя в 1,97 - 16,70 раз, при этом толщина наружного износостойкого слоя составляет 0,3 - 4,3 внутреннего донорского слоя. 1 з. п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

Изобретение относится к ремонту сваркой и может быть использовано при восстановлении деталей, преимущественно металлургического производства.

Известен способ ремонта прокатных валков, включающий удаление дефектов, наплавку износостойкого слоя с последующей термической и механической обработками бочки валка [1] Основным недостатком известного способа является низкая стойкость восстановленного валка вследствие того, что наплавленные слои выполнены одним и тем же материалом по всей высоте (ПП-3Х2В8, ПП-15Х4В3Ф и др.).

Известен способ ремонта, включающий механическое удаление дефектов, электродуговую наплавку бандажа с применением легирующего флюса ЖСН-5 и низколегированных сварочных проволок Св-08А, Св-08ГА, Нп-30ХГСА с последующей термической и механической обработками бочки валка [2] В известном техническом решении поставлена цель с помощью сварки и последующей термической обработки валка повысить его долговечность. Причем подслой выполняется из Св-08А под обыкновенным флюсом (АН-348А), а последующие слои по высоте бандажа выполнены низколегированными проволоками под легирующим флюсом ЖСН-5.

Основным недостатком указанного технического решения являются низкая эксплуатационная долговечность валка из-за повышенного износа бандажа, что приводит к частым перевалкам, вынужденным простоям стана и снижению его производительности.

Известен способ восстановления прокатных валков, включающий механическое удаление дефектного слоя, многослойную наплавку и последующие термические и механические обработки [3] Указанный способ наиболее близок к предложенному по технической сущности и достигаемому результату. Недостатком известного способа является невысокая стойкость восстановленных по данной технологии деталей.

Цель изобретения состоит в повышении стойкости восстановленных деталей за счет повышения износостойкости.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе наплавленный участок по своей высоте состоит из двух слоев внутреннего донорского, выполненного из высоколегированной стали, и наружного износостойкого, выполненного из легированной стали, причем суммарное содержание легирующих элементов донорского слоя превышает суммарное содержание легирующих элементов износостойкого слоя в 1,97 16,70 раз. При этом толщина наружного износостойкого слоя составляет 0,3 4,3 внутреннего донорского слоя. Многие детали металлургического оборудования работают в условиях циклического термомеханического нагружения, например рабочие валки станов горячей прокатки, тянущие и формирующие ролики моталок, транспортирующие ролики рольгангов, ролики машин непрерывного литья заготовок и другие. В процессе работы поверхность этих деталей подвергается частным нагревам и охлаждениям, а также износу и быстро выходят из строя. Результаты многочисленных исследований поверхности валков и роликов позволило выявить влияние воздействия нагрузок и нагрева на изменение свойств поверхностных рабочих слоев детали.

На фиг. 1 представлены результаты исследований распределения микротвердости по глубине бандажа отработанного рабочего валка из стали 9ХФ (из графика видно, что на поверхности наблюдается незначительное повышение твердости вследствие воздействия нагрузок (наклеп), затем резкое падение микротвердости, которая выходит на исходное значение лишь на глубине 10 12 мм); на фиг. 2 результаты по исследованию содержания углерода и хрома в поверхностном слое бандажа из 9ХФ методом локального химического анализа, следовательно, в рабочем слое рабочего прокатного валка, поверхность которого нагревается до температуры 550 650^oC, происходит обезуглеративание, удаление легирующих элементов, в результате чего поверхностный слой размягчается, снижается твердость, протекает пластическая деформация, снижаются механические свойства, в результате чего наблюдается повышенный износ и увеличивается склонность к образованию разгарных трещин.

Основой классической физико-математической теории диффузии являются дифференциальные уравнения Фика, описывающие процессы диффузионного переноса вещества: , где I диффузный поток элементов вещества; N концентрация диффузионных частиц; D коэффициент диффузии.

Но уравнение Фика справедливо лишь в случае постоянства температуры и перенос элементов вещества определяется лишь градиентом концентрации и временем. В случае непостоянства температуры и большого градиента температур диффузия элементов усложняется и уравнения Фика не могут описать этого процесса. Однако известно, что, если на диффундирующее вещество действует в процессе диффузии какая-то "внешняя" сила, то на поток вещества (значение I, см. уравнение (1)) накладывается поток частиц, вызванный действием внешнего силового поля. Этот вынужденный поток равен I_V N · V (2), где V направленная скорость вещества, приобретаемая под влиянием поля.

В этом случае суммарный поток равен .

Одной из разновидностей вынужденной диффузии в поле внешних сил является термодиффузия диффузия элементов под действием градиента температур. При появлении градиента температур на атомы действует сила, пропорциональная градиенту , где L кинематический коэффициент Онгадера.

В связи с этим скорость дрейфа атомов возрастает на .

Подставляя (5) в (3), получают уравнение диффузии с учетом действия градиента температур .

Как следует из уравнения (6) общий поток диффузирующих элементов зависит от разности концентрации диффузирующих элементов и градиента температур.

Причем поток диффузионных частиц, вызванный градиентом температуры, направлен навстречу тепловому потоку, если температура плавления диффундирующего элемента выше температуры плавления растворителя.

Таким образом, в предлагаемом способе ремонта из подслоя, содержащего повышенное количество легирующих элементов, они будут перемещаться в наружный рабочий слой вследствие действия закона Фика, а также навстречу тепловому потоку под действием градиента температур, причем оба диффундирующих потока накладываются и взаимно усиливают друг друга. Следовательно, по мере того, как в поверхностном активном слое происходит обезуглераживание, окисление и удаление легирующих элементов, идет их компенсация за счет внутреннего донорского слоя, что повышает стойкость отремонтированного изделия.

При снижении суммарного содержания легирующих элементов донорского слоя по сравнению с наружным износостойким менее чем в 1,97 раза резко снижается диффузия легирующих элементов и снижается износостойкость наплавленной детали, а при превышении указанного соотношения более чем в 16,70 раза заметного повышения стойкости не наблюдается и значительно возрастает стоимость отремонтированной детали из-за того, что приходится применять стали с очень высоким содержанием легирующих элементов.

При наплавке наружного износостойкого слоя толщиной менее чем 0,3 от донорского слоя стоимость восстановленной детали невелика, т. к. износостойкий слой тонкий, быстро изнашивается и обнажается мягкий донорский слой, стойкость которого тоже невелика. При толщине износостойкого слоя по сравнению с донорским более чем в 4,3 раза диффузия замедляется из-за большой толщины наружного слоя и удаленности от поверхности.

В результате снижается стойкость восстановленной детали.

Пример 1. Выбрали партию изношенных валков из стали 9ХФ клети до непрерывного широкополосного стана 2000. Произвели токарную обработку для удаления ржавчины и трещин разгара. Установили на наплавочный стенок, разогрели до температуры 400^oC и произвели наплавку по всей бочке донорского слоя толщиной 3 мм на сторону, а на него износостойкого слоя толщиной 6 мм на сторону. Марки применяемых наплавочных материалов приведены в табл. 1. Режим наплавки: ток 500 А; напряжение 32 В; скорость наплавки 36 м/ч. После наплавки производилась термическая обработка: нагрев до температуры 450^oC, выдержка в течение 2 ч и замедленное охлаждение со скоростью 30^oC/ч. После полного охлаждения производилась токарная обработка бочки валка и завалка в клеть.

По аналогичной технологии наплавлялись валки по всей высоте только износостойким и только донорским слоем.

Условия работы всех валков сохранялись одинаковыми. Результаты эксплуатационных данных приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1 оптимальным соотношением суммарного содержания легирующих элементов донорского и износостойкого слоев является 1,97 16,70 (см. NN 2 4). При увеличении или уменьшении указанных значений снижается стойкость отремонтированной детали (см. NN 1, 5). При наплавке по всей высоте бандажа только износостойким слоем (см. N 6) или донорским (см. N 7), стойкость этих валков, а также стойкость нового валка (см. N 8) низкая по сравнению с отремонтированными предлагаемым способом.

Пример 2. Производился ремонт прокатных валков по технологии, описанной в примере 1 материалами Св-12Х13 и нп20ХГСА (см. N 3, табл. 1). Отличие состоит в том, что изменялось соотношение толщин донорского и износостойкого слоя. Результаты эксплуатационных данных приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, оптимальным отношением толщины износостойкого слоя к донорскому является 0,3 4,3 (см. NN 2 4, табл. 2).

Пример 3. Производилось восстановление роликов машин непрерывного литья заготовок диаметром 280 мм из стали 25Х1МФ по следующей технологии: токарная обработка поверхности на глубину 2 мм для удаления разгарных трещин, наплавка донорского слоя из стали Св-10Х11НВМФ толщиной 4 мм, наплавка износостойкого слоя проволокой Нп-30ХГСА толщиной 10 мм (режим: ток 400 А; напряжение 30 В; скорость 30 м/ч), термообработка при температуре 500^oC в течение 2 ч и последующая токарная обработка бочки ролика.

По аналогичной технологии наплавлялись ролики по всей высоте только Нп-30ХГСА и Св-10Х11нВМФ. Результаты испытаний представлены в табл. 3.

Как видно из табл.3, выгодность ролика МНЛЗ, восстановленного предлагаемым способом (см. N 1), выше нового в 2,1 раза (см. N 4) и выше отремонтированных без донорского слоя в 1,5 и 2,0 раза (см. NN 3 и 4).

Использование предлагаемого способа ремонта деталей позволяет значительно повысить стойкость металлургического оборудования, работающего в условиях термического и термоциклического нагружения, уменьшаются простои прокатных станов, машин непрерывного литья заготовок и другого оборудования.

Формула изобретения

1. Способ ремонта деталей, включающий механическое удаление дефектов, многослойную наплавку и последующие термическую и механическую обработки, отличающийся тем, что наплавку осуществляют двумя слоями внутренним донорским из высоколегированной стали и наружным износостойким из легированной стали, причем суммарное содержание легирующих элементов донорского слоя превышает суммарное содержание легирующих элементов износостойкого слоя в 1,97 16,7 раза.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщину наружного износостойкого слоя выбирают равной 0,3 4,3 толщины внутреннего донорского слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3