Электронно-лучевая наплавка в черной металлургии

Электронно-лучевая наплавка в черной металлургии

С.И. Белюк, В.П. Самарцев, Н.К. Гальченко, Б.В. Дампилон,

С.Ю. Раскошный, К.А. Колесникова

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

В ИФПМ СО РАН разработана технология электронно-лучевой наплавки композиционные порошковые материалов на детали металлургического производства. Технология позволяет формировать градиентные покрытия различного функционального назначения с использованием твердыгх тугоплавких соединений (карбиды, нитриды, бориды). Получаемые покрытия обладают высокими значениями твердости, износостойкости и имеют литую структуру.

Многолетний опыт развития электронно-лучевой наплавки в ИФПМ СО РАН позволил разработать и внедрить на ЗападноСибирском металлургическом комбинате (г. Новокузнецк) уникальную многоцелевую установку электронно-лучевой наплавки «ЛУНа-10» для упрочнения деталей металлургического оборудования.

Electron-beam surfacing in ferrous metallurgy

S.I. Belyuk, V.P. Samartsev, N.K. Galchenko, B.V Dampilon,

S.Yu. Raskoshny, and K.A. Kolesnikova

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

The Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS has developed a technology of electron-beam deposition of composite powder materials on parts of metallurgical equipment. The technology allows producing gradient coatings of various functional purposes with the use of refractory compounds (carbides, nitrides, borides). The deposited coatings have high hardness, wear resistance and cast structure.

Based on our long experience in electron-beam technology, we have developed a unique multipurpose setup LUNa-10 for electron-beam surfacing to strengthen parts of metallurgy equipment. The setup is introduced on the West-Siberian Metallurgical Combine (Novokuznetsk).

1. Введение

Дальнейший прогресс в новейших областях техники и современного машиностроения, в том числе в черной металлургии, связан с внедрением в практику все более современных методов получения материалов с заданными свойствами и всесторонним изучением их функциональных характеристик. В последние десятилетия возникла и бурно развивается новая область нетрадиционных технологий модификации металлических материалов, основанных на обработке поверхности изделий концентрированными потоками энергии. В качестве концентрированных потоков энергии используются лазерное излучение, мощные (сильноточные) ионные пучки, потоки высокотемпературной импульсной плазмы,

электронные пучки. При этом могут быть достигнуты экстремальные условия прохождения теплофизических и микрометаллургических процессов, приводящих к получению структурно-фазового состояния и свойств материалов, не достижимых традиционными способами их получения и обработки [1].

Так, например, одним из основных узлов машин непрерывного литья заготовок является кристаллизатор с медными стенками. Медь, имеющая высокую теплопроводность, обеспечивает быстрое формирование корочки металла на поверхности образующегося слитка. При движении металла через кристаллизатор в зоне взаимодействия поверхностей идет значительный абразивный износ меди, приводящий к изменению исходной

© Белюк С.И., Самарцев В.П., Гальченко Н.К., Дампилон Б.В., Раскошный С.Ю., Колесникова К.А., 2006

геометрии кристаллизатора. Пройдя 4-8 циклов использования после механической обработки, медные стенки утилизируются. В связи с дороговизной меди предпринимаются попытки сокращения ее удельного расхода в расчете на тонну выплавленной стали путем использования износостойких марок медных сплавов, упрочнения меди холодной деформацией, никелирования и хромирования поверхности медного кристаллизатора и т.д. Однако такие способы упрочнения дороги и трудоемки, а значительные температурные градиенты в кристаллизаторах, вызванные охлаждением в потоке воды, и механические нагрузки приводят к отслаиванию осажденных и напыленных покрытий.

Другой важнейшей проблемой в черной металлургии является недостаточная стойкость фурм доменных печей, подвергаемых высоким тепловым нагрузкам при производстве чугуна. Выход фурм из строя происходит преимущественно из-за интенсивного износа и прогара «рыльной» части. Многочисленные попытки нанесения упрочняющих покрытий методом плазменной металлизации, газопламенного напыления не привели к положительным результатам, т.к. после непродолжительной эксплуатации фурм покрытия отслаивались.

2. Особенности технологического процесса электронно-лучевой наплавки в вакууме

Одним из наиболее перспективных направлений повышения эксплутационной стойкости стальных изделий (прокатные валки, лопатки эксгаустеров и т.д.) и медных изделий металлургического оборудования (фурмы доменного производства, стенки кристаллизаторов для непрерывной разливки стали) является применение технологии электронно-лучевой наплавки (ЭЛН) в вакууме для нанесения упрочняющих покрытий на их поверхности. С помощью ЭЛН-технологии, в зависимости от режимов наплавки, можно реализовывать процессы как порошковой металлургии, так и микрометаллургии в электронном луче непосредственно на детали. Под действием электронного луча на упрочняемой поверхности возникает жидкометаллическая ванна, в которую

порошковым дозатором подается наплавочный материал. Большая скорость кристаллизации способствует формированию однородной мелкодисперсной структуры наплавленного слоя.

Для расширения спектра конструкционных применений с энергонапряженными условиями эксплуатации наиболее востребованы дисперсноупрочненные покрытия с металлической матрицей на основе тугоплавких износостойких соединений (карбиды, нитриды, карбо-нитриды, бориды). В этом случае ванна расплава с тугоплавкой составляющей, выходя из области воздействия электронного луча вследствие перемещения зоны оплавления, кристаллизуется с высокой скоростью из-за значительного отвода тепла из жидкометаллической ванны в объем наплавляемого изделия, а упрочняющая тугоплавкая составляющая, являясь одновременно центром кристаллизации, не успевает провзаимодействовать с расплавом. Таким образом, на поверхности изделия формируются износостойкие композиционные покрытия с высоким уровнем физико-механических характеристик.

3. Устройство установки электронно-лучевой наплавки «ЛУНа-10»

В ИФПМ СО РАН была разработана электроннолучевая технология, а в марте 2006 г. смонтирована на ОАО «ЗСМК» новая модификация электронно-лучевой установки «ЛУНа-10» (рис. 1), предназначенная для упрочнения поверхности узлов и механизмов металлургического оборудования, в том числе крупногабаритных изделий, таких как медные кристаллизаторы непрерывной разливки стали. Установка позволяет формировать одно- и многослойные покрытия различного назначения (упрочняющие, износостойкие, жаропрочные, жаростойкие и т.д.) на поверхности стальных, чугунных и медных изделий. На установке можно наносить покрытия на плоские поверхности изделий (длиной до 2100 мм, шириной 900 мм, толщиной 200 мм) и на тела вращения (диаметром до 600 мм и длиной 2 100 мм).

Рис. 1. Установка электронно-лучевой наплавки «ЛУНа-10»: вид сбоку

Установка представляет собой вакуумную электронно-лучевую автоматизированную систему с компьютерным управлением, оснащенную двумя электронными пушками, что позволяет одновременно осуществлять процесс нанесения покрытий на двух изделиях и повышать производительность процесса (рис. 2). Электронные пушки 2 находятся внутри вакуумной камеры 1 и могут перемещаться с помощью двухкоординатного манипулятора 5 над поверхностью наплавляемой детали 7 по требуемой траектории, задаваемой оператором. Наплавочный материал поступает в зону наплавки посредством дозатора 3, закрепленного на пушке. Установка также оборудована двумя съемными манипуляторами 8 для нанесения покрытий на воздушные фурмы.

Электронное оборудование установки представляет собой две независимые системы питания электронных пушек, системы управления манипуляторами и вакуумной станцией. Такое построение электронных систем позволяет обеспечить высокую надежность и ремонтопригодность установки без длительных остановок производства.

Управление установкой осуществляется от двух консолей оператора, представляющих собой панельные компьютеры. Программное обеспечение консолей оператора позволяет управлять в автоматическом режиме вакуумной системой, манипуляторами, электронными пушками и осуществлять автоматическую проверку элементов вакуумной системы, обеспечивая контроль аварийных ситуаций, таких как выключение напряжения сети, аварийную остановку насосов. Управление технологическим циклом нанесения покрытий и контроль режимов осуществляются на консоли оператора.

Для формирования электронного пучка на установке использованы источники с плазменным эмиттером. Источники не содержат нагретых электродов и деталей, что делает их менее чувствительным к химически активным и тугоплавким парам обрабатываемых материалов по сравнению с термокатодными источниками. Источники способны работать без применения специальных мер защиты эмиттера в широком диапазоне давлений, и в условиях интенсивных газовых выбросов из зоны расплава. В то же время, источники с плазменным эмиттером имеют высокий ресурс работы, а по общетех-

ническим характеристикам и геометрическим параметрам пучка не уступают термокатодным источникам.

4. ЭЛН-покрытия на воздушных фурмах доменного производства

Для нанесения покрытий на поверхность воздушных фурм использовали никельхромовые сплавы промышленного производства, а также композиционные порошки на их основе с карбидами титана и ниобия.

Наплавку композиционных порошков проводили при рабочем давлении P = 10-1 Па с предварительным подогревом фурмы электронным пучком до ~300 °С. Необходимая толщина покрытия (1.5...2 мм) формировалась за два прохода (количество проходов зависит от скорости перемещения подложки и от порций подаваемого порошка). По мере формирования покрытия температура фурмы достигала 500...600 °С. Микротвердость по глубине наплавленного слоя составляла Hц = 3 200...3 750 МПа, абразивная износостойкость K и = 6.7.

На основе полученных результатов Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН совместно с ОАО «ЗСМК» были проведены работы по упрочнению горловин доменных фурм методом электронно-лучевой наплавки, что привело к значительному снижению годовой потребности фурм: с 500 до 85 штук.

5. ЭЛН-покрытия на кристаллизаторах машин непрерывного литья заготовок

Принципиальные особенности нанесения покрытий на массивные (200 кг) «холодные» поверхности большой площади (0.5 м2) (кристаллизаторы для непрерывной разливки стали) потребовали серьезной доработки оборудования и выполнения дополнительных технологических исследований.

Практические исследования и теоретические расчеты показали, что при электронно-лучевой наплавке порошка ПГ-12Н-01 на кристаллизатор в зоне взаимодействия электронного пучка с поверхностью кристаллизатора образуется область с избыточным давлением порядка 3...5 атм., которое не позволяет использовать классическую схему наплавки по технологии электронно-лучевой наплавки. В этом случае часть наплавляе-

мого порошка не попадает в ванну расплава и отбрасывается в сторону потоком частиц меди, испаряющихся с поверхности ванны расплава, снижая коэффициент использования наплавляемого материала, что было показано ранее в работе. Чтобы этого избежать, для нанесения покрытия была разработана комплексная технология, включающая в себя газопламенное напыление покрытия с последующим оплавлением электронным пучком. Газопламенным методом на упрочняемую поверхность напыляли Ni-Cr-покрытие толщиной 0.8 ±0.2 мм, после чего проводилось его оплавление электронным лучом. В результате применения комплексной технологии сформировалось качественное покрытие без дефектов и пор твердостью H ^ = 4 100 МПа. При этом не произошло деформирования медной основы и растрескивания самого покрытия, что, вероятно, связано с относительно небольшой толщиной сформированного упрочненного слоя и низкими термическими (структурными) напряжениями в системе «подложка -покрытие».

6. Композиционные боридные покрытия для лопаток эксгаустера

В ИФПМ СО РАН были освоены технологические процессы восстановления изношенных и упрочнения новых стальных деталей машин и механизмов широкой номенклатуры (лопатки эксгаустеров, торцевые уплотнения, прокатные валки).

Так, упрочнение лопаток эксгаустера, подвергающихся интенсивному воздействию эрозионного, абразивного и ударного характера, могло быть реализовано путем создания на их поверхности композиционных покрытий на основе диборидов (боридов) титана, синтезируемых в процессе электронно-лучевой наплавки из термореагирующих порошков. При этом дополнительное количество тепла, выделяемое в зоне оплавления за счет экзотермической реакции между компонентами смеси, способствовало формированию покрытий с более однородной структурой по глубине слоя без увеличения мощности электронного луча [2, 3].

Исследования показали, что в процессе наплавки сформировалась градиентная структура покрытия, приповерхностная зона которого состоит преимущественно из мелкодисперсных частиц боридов титана с твердостью Н = 22...34 ГПа. Триботехнические испытания упрочненных материалов показали, что как при абразивном изнашивании, так и при износе в парах трения износостойкость корреллирует с агрегатной твердостью структурных составляющих и зависит от обьемной доли тугоплавких соединений в поверхностной зоне покрытия, их морфологии и свойств металлической матрицы. При этом коэффициент износостойкости составил K и =

= 6, а интенсивность изнашивания находилась в пределах 1.61...3.3 мкм/км.

7. ЭЛН-покрытия на основе карбонитридов титана для упрочнения прокатных валков и торцевых уплотнений

В ИФПМ СО РАН для повышения эксплутационной стойкости прокатного оборудования в металлургии, а также для рабочих узлов горнодобывающей техники были разработаны новые наплавочные композиционные материалы на основе карбонитридов титана (TiC0 5N0 5 ) с матрицами из азотсодержащей хромомарганцевой стали аустенитного класса Х20АГ20 и быстрорежущей стали Р6М5. Композиционные порошки были получены методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

В процессе отработки технологии электронно-лучевой наплавки была проведена оптимизация технологических режимов и составов покрытий. Установлено оптимальное содержание карбонитридов титана в связке, при котором покрытия имеют минимальные коэффициенты трения и интенсивности изнашивания.

Полученные результаты исследования были использованы при упрочнении зубьев ковшей экскаваторов, прокатных валков, торцевых уплотнений, срок службы которых увеличился в 3-4 раза [4].

8. Заключение

Использование электронно-лучевой и комплексной технологии (газотермическое напыление - оплавление электронным лучом), а также разработка новых композиционных порошковых материалов является перспективным направлением в области восстановления и создания износостойких и жаропрочных покрытий на поверхности деталей, узлов и механизмов металлургического оборудования, что позволяет значительно увеличить их срок службы и качество выпускаемой продукции.

Литература

1. Якушин В.Л., Калин Б.А. Модификация материалов при воздейст-

вии концентрированных потоков энергии и ионной имплантации. Часть 1. Физико-химические основы и аппаратура. - М.: МИФИ, 1998. - 88 с.

2. Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., Ремпе Н.Г.

Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. -

№2.- С. 34-38.

3. Гальченко Н.К., Белюк С.И., Колесникова К.А., Панин В.Е., Лепако-

ва О.К. Структура и триботехнические свойства боридных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой // Физ. мезомех. -2005. - Т. 8. - Спец. выпуск. - С. 133-136.

4. Гальченко Н.К., Дампилон Б.В., СамарцевВ.П., Белюк С.И. Форми-

рование структуры и свойств композиционных литых покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой в вакууме // Литейщик России. - 2002. - № 2. - С. 38-41.