СТЕНКА КРИСТАЛЛИЗАТОРА МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

Техническое решение относится к области металлургии и может быть использовано в оборудовании кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Материал стенки кристаллизатора МНЛЗ должен обладать достаточно высокой теплопроводностью, износостойкостью, низкой химической активностью при повышенных температурах. Для обеспечения этих свойств в качестве основы материала стенки обычно используют медь или ее сплавы, а на нее наносят износостойкое покрытие.
5
Известна стенка из медного сплава, отличающегося достаточно высокой теплопроводностью, на рабочую поверхности которой нанесено покрытие из материалов, более износоустойчивых, термостойких и не оказывающих вредных воздействий на поверхность стальной заготовки [А.с. 1646130 СССР МКИ B22D 11/04. Кристаллизатор для непрерывного литья слябовых заготовок. / Тютюнник В.В., Кузнецов Б.Г., Обвинцев В.Л. и др. - Опубл. 1991, бюл. №16]. Имеющиеся виды покрытий: гальванические, газотермические, термодиффузионные и другие - обеспечивают необходимые рабочие характеристики поверхности стенки, что может качественно повысить срок службы стенки в сравнении со стенкой из цельномедного сплава. Однако остается проблема обеспечения прочности сцепления покрытия с основой при одновременном выполнении других требований к покрытиям. Тепловые расчеты показали, что, вследствие перепада температур между расплавленным металлом и охлаждаемой стенкой, уровень остаточных напряжений в покрытии толщиной 2…5 мм составляет 80…100 МПа, что сопоставимо с пределом прочности нагартованных медных сплавов, используемых в качестве основы стенки. Для обеспечения надежности стенки с напыленным покрытием адгезионная прочность должна превышать этот уровень. Обеспечение такой высокой адгезионной прочности требует наличия развитого диффузионного и/или химического взаимодействия на границе покрытие-основа.
Гальваническое покрытие имеет прочность сцепления с основой указанного уровня вследствие их электрохимического взаимодействия. Оно обеспечивает повышение срока службы стенки в 5…7 раз. Однако из-за низкой производительности гальванического процесса такая стенка отличается высокой стоимостью получения покрытия, которая составляет 100…120% от стоимости самой стенки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является медная стенка кристаллизатора с покрытием, которое выполнено из сплава на основе никеля с твердостью HRC≥50, включающего хром, бор и кремний, добавки оксидов, например оксида алюминия, добавки карбидов, например карбида хрома (Патент России на полезную модель №53193 МПК7 B22D 11/10 Кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок / Балдаев Л.Х, Быков А.В., Лавриненко В.Д. и др. Опубл. 10.05.2006. Бюл. №13). Указанное значение твердости покрытия достаточно для обеспечения необходимой износостойкости, однако введение указанных легирующих элементов и добавок приводит к снижению стойкости покрытия против отслоения вследствие большой разности коэффициентов термического расширения покрытия и основы.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение прочности сцепления покрытия с основой при одновременном выполнении других требований к покрытиям: стойкости к износу, тепловому и химическому воздействию.
Для решения указанной задачи в известном устройстве стенки кристаллизатора МНЛЗ, содержащей основу из медного сплава и покрытие на рабочей поверхности, согласно техническому решению, покрытие отличается тем, что состоит не менее чем из двух слоев, у первого слоя, прилегающего к основе, содержание никеля составляет 80…100 массовых процентов, твердость 100…200 HV, у второго слоя содержание никеля составляет 50…75 массовых процентов, твердость 400…800 HV, а толщина первого слоя меньше, чем толщина второго в 15…600 раз.
Проведенный поиск в источниках научно-технической и патентной информации не выявил технических решений, совпадающих с заявляемой совокупностью отличительных признаков. Это, в сочетании с получением ожидаемого положительного результата, позволяет сделать вывод о соответствии предполагаемого технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Содержание никеля в слоях выбрано из следующих соображений.
Слой, прилегающий к медной основе, призван обеспечить высокую прочность сцепления покрытия с основой. Для этого в его составе содержание никеля составляет 80…100 массовых процентов. У никеля параметр кристаллической решетки близок к меди (а=0,35238 нм у никеля, а=0,36150 нм у меди) и одинаковый тип решетки (кубическая гранецентрированная). Это дает возможность обеспечить развитое диффузионное взаимодействие в переходной зоне между первым слоем и основой.
У легирующих компонентов в составе слоя, прилегающего к медной основе, следующие функции:
- дальнейшее сближение параметров кристаллической решетки основы и слоя, что улучшает их взаимную диффузию и приводит к повышению адгезионной прочности слоя. К этому приводит, например, добавление в материал слоя меди;
- дополнительное выделение тепла при высокотемпературном взаимодействии никеля и легирующего компонента в процессе получения покрытия, что вызывает повышение адгезионной и когезионной прочности слоя. Например, при добавлении алюминия в материал для получения слоя будет проходить экзотермическая реакция его взаимодействия с никелем.
Слой, прилегающий к первому слою, призван обеспечить высокую износостойкость и низкую химическую активность при повышенных температурах. С одной стороны, массовая доля легирующих компонентов согласно предлагаемому техническому решению достаточна для введения компонентов, которые обеспечат указанные свойства, например, бор, кремний, молибден, хром [Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали - М.: Металлургия, 1967, 801 с.]. С другой стороны, содержание никеля в этом слое достаточно для его совместимости с первым слое по коэффициенту термического расширения, параметру кристаллической решетки. Такая совместимость обеспечит необходимую когезионную прочность между слоями.
В качестве критерия износостойкости материала принимают его твердость. Нижняя граница интервала твердости принята на основании опыта, который показывает, что достаточная износостойкость обеспечивается при твердости поверхности стенки выше 400 HV [Макрушин А.А. и др. Радиальный слябовый кристаллизатор с щелевыми каналами и никелевым покрытием стенок // Металлург. - 2005. - №2. - С.39-41]. При достижении верхней границы интервала твердости, 800 HV, чрезмерно возрастает хрупкость материала, что вызывает снижение его работоспособности.
Соотношение толщин слоев выбрано из следующих соображений. Исходя из заявленных интервалов твердости, у первого слоя предел прочности примерно в 3 раза ниже относительно второго и он представляет собой мягкую прослойку. Поэтому работоспособность системы "слой 1 - слой 2" определяется пределом выносливости слоя мягкой прослойки, который, как известно, зависит от соотношения
χ=h/d,
где h - толщина прослойки, d - толщина основного слоя.
Предел выносливости мягкой прослойки повышается до уровня 95…98% предела выносливости основного слоя при уменьшении значения % ниже 0,02 [Клыков H.А. Расчет характеристик сопротивления усталости сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1984. - 158 с.]. Наши опыты показали, что величина зоны диффузионного взаимодействия, которая обеспечивает адгезионную прочность сцепления на уровне предела прочности основы, составляет 10 мкм. При общей толщине покрытия 1…6 мм, характерной для применения в стенках кристаллизаторов, это соответствует интервалу соотношения толщин слоев 1:50…600. Исходя из технологичности получения покрытия, для ряда способов необходимо увеличение минимальной толщины покрытия до 60…100 мкм, что соответствует уменьшению предела выносливости мягкой прослойки до уровня 90…95% предела выносливости основного слоя и нижнему пределу интервала соотношения толщин слоев 1:15. По указанным критериям заявленный интервал соотношения толщин слоев принят 1:15…600.
Применение предлагаемой конструкции позволяет обеспечить высокую надежность стенки кристаллизатора МНЛЗ при снижении затрат на ее изготовление.