РОЛИК ДЛЯ ПОДДЕРЖИВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГОРЯЧЕГО МАТЕРИАЛА, ИМЕЮЩИЙ НАПЛАВЛЕННЫЙ ПОСРЕДСТВОМ СВАРКИ МАТЕРИАЛ, ПРИСАДОЧНЫЙ СВАРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ, А ТАКЖЕ СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ НАПЛАВКИ СВАРКОЙ
ROLLER TO SUPPORT AND TRANSFER HOT MATERIAL WITH BUILT-UP FILLER WELDED THERETO AND WELDING WIRE FOR BUILDUP WELDING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ролику для поддержания и транспортировки горячего материала на рольганге или в установке непрерывной разливки, имеющему корпус ролика, который включает в себя оболочку ролика из основного материала и изнашиваемый слой, нанесенный путем наплавки сваркой присадочного сварочного материала на основной материал, который формирует поверхность оболочки ролика, причем основным материалом оболочки ролика является сталь.
Кроме того, настоящее изобретение относится к присадочному сварочному материалу для наплавки сваркой на поверхность детали (аналог см. например GB 2368849), а также к сварочной проволоке для проведения наплавки сваркой на поверхность детали.
Ролики такого типа в особенности пригодны для поддержки и транспортировки отлитых металлических заготовок, в частности, стальных заготовок, в направляющей проводке для заготовки для установки непрерывной разливки, непосредственно после кристаллизатора непрерывной разливки, и на последующих после литейной машины рольгангах. Опорные ролики в направляющей проводке, в особенности в установках непрерывной разливки слябов, подвергаются воздействию высоких механических нагрузок в высокотемпературной области. Это ведет к интенсивному износу поверхности оболочки роликов, к возникновению коррозии и механическим повреждениям. Далее, ролики этого типа в основном используют в металлургических установках, когда тяжелые и горячие материалы, такие как слябы, чушки, болванки, полосовой материал, прокат и подобное, транспортируют между отдельными устройствами дополнительной обработки, накопительными и штабелирующими устройствами, в особенности также в области прокатных станов.
Уровень техники
Из патентного документа DE 38 23 655 А1 уже известен опорный и/или транспортировочный валок для перемещения горячих металлических заготовок в установке непрерывной разливки, который состоит главным образом из вала-сердечника и гильзы вала, причем обе эти детали свинчены друг с другом. На гильзу вала наносят сваркой наплавленный материал, для чего выбирают параметр сварки так, чтобы при наплавке защитного покрытия на наружной рабочей поверхности гильзы вала одновременно производить сварку соединения между валом-сердечником и гильзой. Наплавленный материал формируют из тесно примыкающих друг к другу наплавленных валиков в осевом направлении опорного вальца, или в форме винтовой линии вдоль рабочей поверхности опорного вала. Тем самым создают износоустойчивую поверхность и обеспечивают прочное соединение между гильзой и валом-сердечником.
Из патентного документа DE 32 23 908 А1 известен ролик направляющей проводки для заготовки, корпус вала в котором снабжен наплавкой. Наплавленный материал включает множество тесно примыкающих друг к другу наплавленных валиков, которые волнообразно нанесены в окружном направлении корпуса вала. Наплавленный материал подвергают дополнительной обработке, чтобы сделать поверхность гладкой, цилиндрической и свободной от трещин. Данных о химическом составе основного материала и материала наплавленного изнашиваемого слоя в отношении оптимизации характеристик материала ролика направляющей проводки из этого патентного документа заимствовать нельзя.
Из патентного документа US 4532978 А известен транспортировочный ролик для горячих металлических деталей с наружным рабочим слоем, изготовленным путем наплавки сваркой, термического напыления или горячего прессового соединения, причем этот наружный рабочий слой сформирован из ферритной стали с содержанием менее 0,1% С, 10,0-14,0% Cr и 0,4-1,0% Nb, остальное железо и обусловленные производством загрязняющие примеси. Благодаря сочетанию легирующих добавок Cr и Nb достигнута улучшенная устойчивость поверхностного слоя транспортировочного ролика к коррозии, окислению и появлению трещин. Более подробных сведений касательно структуры и строения сформированного сваркой с наплавкой наружного оболочечного слоя из этого документа почерпнуть нельзя.
Способы наплавки посредством сварки в общем характеризуются нанесением прочно сцепленного слоя на поверхность детали под действием расплава. Этот слой, наряду с получением износоустойчивой поверхности или ее восстановления после определенного срока эксплуатации, служит прежде всего для упрочнения (защиты от износа), для плакирования (защиты от коррозии) и в качестве буферного слоя (образования прослоек) поверхностей деталей.
При наплавке посредством сварки основная часть детали служит в качестве носителя с достаточными упругими свойствами, тогда как нанесенное покрытие в качестве функциональной поверхности должно защищать деталь от повреждений вследствие интенсивных нагрузок, к которым относится коррозия, износ и/или температура. Наплавка сваркой предоставляет совокупность таких преимуществ, как малая зависимость от геометрических форм детали, хорошее сцепление между несущим материалом и покрытием, плотные слои, а также хорошая теплопроводность наплавки в детали. Абразивным и эрозионным износом подобного рода деталей, в особенности рольгангов установки непрерывной разливки, в настоящее время обусловлены значительные народно-хозяйственные потери, которые проявляются в больших издержках на техническое обслуживание и поддержание в исправном состоянии.
Чтобы, к примеру, обеспечить необходимый ресурс роликов направляющей проводки для заготовки в отношении поверхностного износа, который в настоящее время составляет примерно 300000 тонн производимой металлической полосы во входной области проводки (в области выхода из кокиля) или, соответственно, 5,0 миллионов тонн в области выпуска из проводки, наплавленный материал (наплавка) согласно прототипу должен иметь следующие свойства:
- без ржавчины с мартенситной структурой,
- твердость 44-50 HRC (по шкале С Роквелла),
- высокая коррозионная устойчивость наваренного слоя благодаря легированию на уровне по меньшей мере 12,5% Cr,
- жаростойкость и устойчивость к трещинам пережога,
- по возможности незначительная доля дельта-феррита, максимально 10%. Идеальной была бы доля дельта-феррита 0% для обеспечения устойчивости к межкристаллитной коррозии. Из материально-технических соображений и по условиям сварки достигнуть этого затруднительно. Поэтому на практике приемлемой является доля дельта-феррита до 10%.
Эти свойства должны наличествовать на приповерхностной функциональной поверхности на достаточную глубину слоя выполненной наплавки, и тем самым поверхность после достижения допустимого предела износа вновь может быть дополнительно обработана полноценно и качественно, в особенности без того, чтобы повредить или ослабить оболочку ролика в области основного материала.
Формирование структуры и состояния этой приповерхностной функциональной поверхности, полученной наплавкой, зависит от состояния основного материала оболочки ролика, свойств присадочного сварочного материала и, по обстоятельствам, от самого процесса наплавки. В ходе сварочного процесса между наплавляемым основным материалом и присадочным сварочным материалом из расплавляемого сварочного электрода происходит смешивание обоих компонентов, которое называют разбавлением. Данный процесс разбавления присадочного сварочного материала основным материалом в значительной степени зависит от неизбежного на практике разброса параметров материалов и сварки. Правда, процесс разбавления в существенной мере определяется тем, соблюдены ли вышеуказанные требования к наплавке.
Как уже известно, например, из патентного документа JP 10-314938 А2, для получения достаточно толстых изнашиваемых слоев с постоянными характеристиками материала проводят нанесение многослойных наплавок. Решение характеризуется тем, что проблемы разбавления и связанных с этим различных свойств материалов сосредоточиваются исключительно в первом слое наплавки. Во втором и последующих наслоениях наплавки эти проблемы уже не проявляются. Правда, в зависимости от числа слоев наплавки заметно возрастают затраты рабочего времени на проведение наплавки и необходимый расход энергии сварочной установкой.
Из патентного документа JP 11-000747 А2 известен опорный ролик с однослойной наплавкой, с которого в последующем процессе обработки сошлифовывают только вершинки наплавленных валиков, в результате чего создают цилиндрическую поверхность оболочки, которая, однако, имеет пригодную для транспортирования горячего изделия функциональную поверхность только в отдельных местах. Необработанная поверхность наплавленных валиков повышает риск образования трещин вследствие неравномерного распределения нагрузки и неоднородной теплопередачи от горячего транспортируемого изделия в опорный ролик. Сведения о качестве наплавки, в особенности об однородности свойств материала в наплавке и составе присадочного сварочного материала, в патентном документе JP 11-000747 А2 отсутствуют.
Сущность изобретения
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить недостатки известного уровня техники и предложить ролик для поддержки и транспортировки горячего материала, а также присадочный сварочный материал и сварочную проволоку и, соответственно, сварочный электрод для получения изнашиваемого слоя на соответствующей поверхности детали или ролике, причем увеличивается срок службы изнашиваемого слоя, улучшается износоустойчивость и снижаются затраты на наплавку.
Эта задача, исходя из ролика описанного в начале типа, решена тем, что предложен ролик для поддержки и транспортировки горячего материала, в особенности полученной непрерывной разливкой стальной заготовки, на рольганге или в установке непрерывной разливки, содержащий корпус ролика, состоящий из оболочки оболочку ролика из основного материала из стали и изнашиваемого слоя, нанесенного на основной материал с помощью однопроходной наплавки сваркой с использованием присадочного сварочного материала, который заключает в себя поверхность оболочки ролика, причем основной материал оболочки ролика представляет собой сталь и содержит до 0,45% С. Ролик отличается тем, что изнашиваемый слой, по меньшей мере в наружной, заключающей в себя поверхность оболочки ролика области, содержит от 12,5 до 14,0% Cr, причем изнашиваемый слой, по меньшей мере в наружной, включающей поверхность оболочки ролика области, имеет следующий состав, в масс.%:
от 12,5 до 14,0% Cr
от 0,10 до 0,18% Nb
от 3,4 до 4,5% Ni
от 0, 6 до 1,0% Мо
0,12% N
0,7% Si
от 0,6 до 1,2% Mn
от 0,06 до 0,14% С
не более 0,025% S
не более 0,025% Р,
остальное Fe и обусловленные производственным процессом загрязняющие примеси, причем диапазон разброса значений содержания каждого легирующего элемента составляет +/-5%.
Все данные о легирующих добавках в этом документе выражены в массовых процентах.
Путем выбора основного материала для оболочки ролика, который представляет собой сталь с высоким содержанием углерода, в принципе повышают прочность оболочки ролика. Кроме того, стали с высоким содержанием углерода при наплавке проявляют более высокую чувствительность к постоянству структурного состава. Применением специально приспособленного к основному материалу присадочного сварочного материала при нанесении наплавки сваркой, которое проводят как однопроходную операцию, можно получить стабильный изнашиваемый слой на основном материале, который в наружной, чрезвычайно толстой области имеет однородный структурный состав. Этот изнашиваемый слой после проведения необходимой механической поверхностной обработки также имеет в области, включающей поверхность оболочки ролика, постоянный структурный состав с содержанием от 12,5 до 14,0% Cr. Влияние естественного рассеяния веществ, вводимых во время процесса наплавки, а конкретно разбавление, может быть регулируемым образом уменьшено особым согласованием основного материала и присадочного сварочного материала, даже при нанесении сваркой одного наваренного слоя, так что для специального варианта применения остается достаточный слой с неизменными свойствами материала. Тем самым можно сэкономить на необходимом до сих пор в практике буферном слое для ограничения разбавления.
Свойства материала изнашиваемого слоя еще больше улучшаются, когда изнашиваемый, по меньшей мере в наружной, включающей поверхность оболочки ролика, области имеет от 0,10 до 0,18% ниобия (Nb). При добавлении ниобия (Nb) в присадочный сварочный материал способ нанесения однослойной наплавки является надежно применимым также для высокоуглеродистого материала ролика с содержанием углерода до 0,45%. Ниобий в особенности связывает углерод в высокоуглеродистом основном материале и тем самым обеспечивает свариваемость. В низкоуглеродистых основных материалах присутствие ниобия не является недостатком, так что при добавлении ниобия в предлагаемом диапазоне при использовании одного и того же присадочного сварочного материала могут быть подвергнуты наплавке все общеупотребительные основные материалы роликов.
Согласно предпочтительному варианту осуществления ролика изнашиваемый слой, по меньшей мере в наружной, включающей поверхность оболочки ролика, области имеет следующий состав:
от 12,5 до 14,0% Cr
от 0,10 до 0,18% Nb
от 3,4 до 4,5% Ni
от 0,6 до 1,0% Мо
0,12% N
0,7% Si
от 0,6 до 1,2% Mn
от 0,06 до 0,14% С
не более 0,025% S
не более 0,025% Р,
остальное Fe и обусловленные производственным процессом загрязняющие примеси, причем диапазон разброса содержания отдельных легирующих добавок составляет +/-5%.
При однопроходной наплавке стараются, чтобы доля дельта-феррита в изнашиваемом слое, по меньшей мере в наружной, включающей поверхность оболочки ролика, области, составляла менее 10%, предпочтительно менее 5%. Чем меньше доля дельта-феррита в изнашиваемом слое, тем выше устойчивость к межкристаллитной коррозии в этой области. Доля дельта-феррита возрастает с повышением содержания хрома (Cr), так что содержание хрома >14,0% ведет к нежелательно высокому содержанию дельта-феррита.
Существенное преимущество соответствующего изобретению ролика состоит в том, что область изнашиваемого слоя, включающая поверхность оболочки ролика, в интервале толщины по меньшей мере 1,5 мм, предпочтительно в интервале толщины по меньшей мере 2,5 мм, имеет неизменный химический состав.
Во втором аспекте изобретения предлагается присадочный сварочный материал для наплавки сваркой на поверхность детали, предпочтительно на оболочку ролика для поддержки и транспортировки горячего материала, в особенности полученной непрерывной разливкой стальной заготовки на рольганге или в установке непрерывной разливки, причем поверхность детали или оболочки ролика представляет собой сталь и содержит до 0,45% С, при этом присадочный сварочный материал на основе железа содержит от 16,5 до 19,0% Cr. Предложенный присадочный сварочный материал имеет следующий химический состав, в масс.%:
от 16,5 до 19,0% Cr
от 0,15 до 0,20% Nb
от 4,0 до 4,5% Ni
1,0% Mo
0,12% N
0,7% Si
1,2% Mn
0,03% С
не более 0,025% S
не более 0,025% Р,
остальное Fe и обусловленные процессом производства загрязняющие примеси, причем диапазон разброса значений содержания каждого легирующего элемента составляет +/-5%.
Присадочный сварочный материал с этим химическим составом обеспечивает незначительное разбавление при однопроходной наплавке и особенно стабильную структуру изнашиваемого слоя.
Предпочтительные изнашиваемые слои, применимые для нанесения на ролики, которые на максимально возможную глубину имеют однородный химический состав, получают, когда для наплавки сваркой используют присадочный сварочный материал со следующим химическим составом:
от 16,5 до 17,0% Cr
от 0,15 до 0,20% Nb
4,0% Ni
1,0% Mo
0,12% N
0,7% Si
1,2% Mn
0,03% С
не более 0,025% S
не более 0,025% Р,
остальное Fe и обусловленные процессом производства загрязняющие примеси,
причем диапазон разброса значений содержания каждого легирующего элемента составляет +/-5%.
При использовании присадочного сварочного материала с этим химическим составом разбавление при однопроходной наплавке может быть отрегулировано на уровне от 25 до 30%.
Изнашиваемые слои, также в особенности применимые для нанесения на ролики, которые на максимально возможную глубину имеют однородный химический состав, получают, когда для наплавки сваркой используют присадочный сварочный материал со следующим химическим составом:
от 18,5 до 19,0% Cr
от 0,15 до 0,20% Nb
4,5% Ni
1,0% Mo
0,12% N
0,7% Si
1,2% Mn
0,03% С
не более 0,025% S
не более 0,025% Р,
остальное Fe и обусловленные процессом производства загрязняющие примеси,
причем диапазон разброса значений содержания отдельных легирующих добавок составляет +/-5%.
При использовании присадочного сварочного материала с этим химическим составом разбавление при однопроходной наплавке может быть отрегулировано на уровне от 30 до 35%.
При диапазоне разброса величин +/-5% допустимое значение для содержания кремния (Si) на уровне 0,7% сообразно этому варьирует между 0,665% и 0,735% Si.
Сварочная проволока для проведения наплавки сваркой на поверхности детали, предпочтительно на оболочке ролика для поддержки и транспортировки горячего материала, в частности, полученной непрерывной разливкой стальной заготовки на рольганге или в установке непрерывной разливки, характеризуется тем, что сварочная проволока включает присадочный сварочный материал с химическим составом согласно одному из пунктов 4-6 формулы изобретения. При этом сварочную проволоку формируют таким образом, что она пригодна для применения в установке для исполнения способа наплавки сваркой открытой дугой, способа дуговой сварки с наплавкой под флюсом или способа сварки в среде защитного газа.
Краткое описание чертежей
Дополнительные преимущества и признаки настоящего изобретения следуют из нижеприведенного описания неограничивающих примеров исполнения, с привлечением сопроводительных фигур, которые показывают следующее:
Фиг.1 представляет геометрические взаимосвязи при изготовлении изнашиваемого слоя путем однопроходной наварки на ролик для поддержки и транспортировки горячего материала,
Фиг.2 представляет ход нанесения наплавленных валиков на поверхность оболочки ролика для поддерживания и транспортирования горячего материала,
Фиг.3 представляет поверхность наплавки на поверхность детали или ролика,
Фиг.4 представляет изображение шлифа сварного соединения,
Фиг.5 представляет геометрические взаимосвязи при изготовлении изнашиваемого слоя путем однопроходной наварки при восстановлении ролика для поддерживания и транспортирования горячего материала,
Фиг.6 представляет геометрические взаимосвязи при изготовлении изнашиваемого слоя путем однопроходной наварки на конструкционный слой при восстановлении ролика для поддержки и транспортировки горячего материала.
Осуществление изобретения
Поверхность детали или оболочки ролика для поддержки и транспортировки горячего материала, в особенности продуктов в виде отлитой заготовки, имеет сталь в качестве основного материала. Поверхности деталей или оболочек роликов для соответствующей изобретению наплавки преимущественно состоят из стали 42СrМо4 или 16CrMoV511 согласно стандарту DIN 10083 и подвергнуты улучшению термической обработкой. Дополнительным благоприятным основным материалом для такого применения является сталь St52-3 согласно стандарту DIN 10025.
Пример:
При однопроходной наплавке на оболочку ролика из стали 42СrМо4 с использованием присадочного сварочного материала, который имеет состав 0,03% С, 0,7% Si, 17,5% Cr, 4,0% Ni, 1,2% Mn, 1,0% Mo, 0,17% Nb и 0,12% N, после стачивания слоя наплавки на замкнутой однородной поверхности оболочки ролика остается изнашиваемый слой с однородным химическим анализом по толщине слоя 3,0 мм. В таком случае этот изнашиваемый слой имеет следующий химический состав: 13,87% Cr; 0,15% Nb; 4,0% Ni; 0,61% Mo; 0,10% N; 0,54% Si; 0,96% Mn; 0,06% С; 0,001% S; 0,043% P; остальное железо и обусловленные процессом производства загрязняющие примеси. Наплавку производят по способу сварки открытой дугой на предварительно нагретые до температуры 100°С поверхности оболочек роликов с использованием сварочной проволоки с диаметром проволоки 2,4 мм с скоростью подачи сварочной проволоки 6,0 м/мин. Наплавку выполняют при частоте качания сварочной горелки 35 циклов/мин и амплитуде качания 25 мм при перекрывании наваренных валиков на 5 мм. Всегда применяют одиночную сварочную проволоку. В Фиг.1 и 2 более наглядно показаны геометрические взаимосвязи.
vor
sch
Einbrand
Фиг.1 показывает частичный разрез изготовленной из основного материала (St52-3) оболочки 2 ролика 1 направляющей проводки для заготовки с поверхностью 3 оболочки ролика, подготовленной до размера D предварительной проточкой. На ней проводят однопроходную наплавку 4, как описано выше, с формированием спирально обегающего наваренного валика 5, причем диаметр ролика возрастает до диаметра D наварки с толщиной нанесенного слоя 3,5 мм. Одновременно образуется провар с глубиной 1,5 мм до величины диаметра провара D. После стачивания наплавки на величину 2 мм до номинального диаметра Dnen ролика остается изнашиваемый слой 6 с толщиной слоя 3 мм, по существу с однородным 'химическим составом и одинаковыми свойствами материала. Амплитуда качаний составляет 25 мм.
Фиг.2 разъясняет строение наваренных валиков на поверхности оболочки ролика с обегающим оболочку ролика наваренным валиком при перекрывании примерно на 5 мм и шагом смещения в продольном направлении примерно от 40 до 50 мм, измеренными по окружности ролика.
sch
Фиг.3 показывает фотографическое изображение поверхности наплавки с перекрывающимися последовательными наваренными валиками соответственно диаметру наварки D по Фиг.1. Фиг.4 на примере изображения шлифа разъясняет качество наплавки и высококачественное связывание присадочного сварочного материала с основным материалом в зоне провара.
Фиг.5 и 6 на двух примерах исполнения показывают возможности применения способа для восстановления изношенного в процессе эксплуатации на установке для непрерывной разливки ролика для поддержки и транспортировки горячей металлической заготовки.
nen
Einbrand
Verschieiβ
vor neu
sch neu
Einbrand neu
nen neu
В левой половине изображения на Фиг.5 представлен ролик направляющей проводки с изнашиваемым слоем, изготовленным однопроходной наплавкой. Изнашиваемый слой ограничен номинальным диаметром D ролика и диаметром провара D в их радиальном протяжении. Дополнительно показан диаметр D износа, который представляет диаметр ролика по истечении срока эксплуатации ролика. В этом состоянии ролик подвергают восстановлению, результат которого разъяснен в правой половине изображения. Ролик обтачивают до диаметра D предварительной проточки, который находится внутри основного материала корпуса ролика. На эту подготовленную поверхность оболочки ролика наносят спирально обегающий наваренный валик из присадочного сварочного материала, причем диаметр ролика прирастает до диаметра D наварки. Одновременно в основном материале корпуса ролика образуется новая зона провара, которая ограничивается диаметром D провара. Наконец, проводят обтачивание поверхности наплавленного валика до нового диаметра D ролика, который, правда, является меньшим, чем диаметр ролика для применения способа восстановления.
vor
vor neu
nen neu
nen
Aufbaulage
vor
nen neu
nen
В Фиг.6 разъясняется расширенный способ восстановления использованного ролика, в котором может быть вновь достигнут первоначальный номинальный диаметр ролика направляющей проводки заготовки, также после применения способа восстановления путем нанесения конструкционного слоя. В левой половине изображения представлено исходное положение аналогично Фиг.5, причем диаметр D предварительной проточки приведен для однократно проведенной наплавки. Согласно изображению в правой половине фигуры ролик протачивают до диаметра D предварительной проточки, который находится внутри основного материала корпуса ролика. На этой подготовленной поверхности оболочки ролика за один или более проходов сварки формируют конструкционный слой 7 из присадочного сварочного материала, который соответствует химическому составу основного материала корпуса ролика. Например, на корпус ролика из стали St52-3 наносят конструкционный слой тоже из стали St52-3 в качестве присадочного сварочного материала. Толщину этого конструкционного слоя подбирают соответственно желательному номинальному диаметру D ролика, который должен совпадать с первоначальным номинальным диаметром D. Соответственно этому с помощью наплавки сваркой конструкционный слой наваривают до диаметра D конструкционного слоя, при необходимости с учетом дополнительной поверхностной обработки, который соответствует диаметру D предварительной проточки при впервые сформированной однопроходной наплавке. Тем самым для однопроходной наплавки, образующей изнашиваемый слой, создают такие же исходные условия, каковые имели место при первой однопроходной наплавке. После проведения однопроходной наплавки с использованием соответствующего изобретению присадочного сварочного материала в заключение проводят обточку до нового номинального диаметра D, который совпадает с первоначальным номинальным диаметром D.
До тех пор, пока корпус ролика или оболочка ролика имеет достаточную толщину слоя основного материала, этот способ восстановления изношенного ролика может быть повторен многократно.