СПОСОБ МНОГОСЛОЙНОЙ НАПЛАВКИ ТЕПЛОСТОЙКИМИ СТАЛЯМИ ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТИ В АЗОТСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЕ
METHOD OF MULTILAYER SURFACING WITH HIGH-HEAT STEELS OF HIGH HARDNESS IN NITROGEN-CONTAINING MEDIUM

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к способам многослойной наплавки теплостойкими сталями высокой твердости, претерпевающими фазовые превращения, и может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей горно-металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости.
Для упрочнения деталей горно-металлургического оборудования широко применяются наплавочные материалы, разработанные на базе хромовольфрамовых теплостойких быстрорежущих сталей. Основной трудностью, возникающей при наплавке хромовольфрамовыми сталями, является образование холодных (закалочных) трещин в процессе и после наплавки. Для устранения трещин при наплавке быстрорежущих сталей применяют предварительный, сопутствующий подогрев до температуры 500-700°С и замедленное охлаждение заготовок до комнатной температуры (Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / под ред. акад. Б.Е. Патона. - М.: Металлургия, 1974. - 768 с.)
Известен способ многослойной наплавки сталями, претерпевающими фазовые превращения, при котором наплавку осуществляют с предварительным и сопутствующим подогревом наплавляемой детали до температуры выше температуры начала возникновения аномальной пластичности, после наплавки двух слоев перед нанесением третьего и последующих слоев осуществляют кратковременный подогрев до температуры на 20-100°С ниже температуры начала возникновения аномальной пластичности и после выполнения наплавки всех слоев ее охлаждают до температуры окончания фазовых превращений (SU №627717 МПК B23K 9/04, B23K 28/00 опубл. 10.05.2013).
Недостатком известного способа является то, что при наплавке третьего и последующих слоев возникают трещины. Это объясняется тем, что при поддержании температуры подогрева наплавляемой детали до завершения наплавки выше температуры начала фазовых превращений наплавляемого металла происходит постоянное накопление временных тепловых напряжений, которые достигают предела прочности металла и вызывают появление трещин уже при наплавке первого слоя.
Известен, выбранный в качестве прототипа, способ многослойной наплавки теплостойкими сталями высокой твердости, включающий предварительный подогрев до определенной температуры, наплавку слоев, охлаждение наплавленного слоя перед нанесением последующего до температуры термической стабилизации аустенита, находящейся в интервале температур мартенситного превращения, выдержку после наложения каждого слоя наплавки в течение времени, необходимого для образования 10-30% мартенсита (SU №1478523, МПК B23K 9/04, опубл. 10.05.2013). Вероятность возникновения трещин снижается при релаксации накопленных напряжений в момент протекания мартенситного превращения.
Недостатками данного способа многослойной наплавки являются:
- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности, износостойкости и твердости, за счет недостаточного количества образующегося мартенсита после наплавки последнего слоя (10-30%);
- необходимость проведения последующей термообработки в виде 3-4-х кратного часового высокотемпературного отпуска для повышения твердости;
- возможность образования холодных трещин после окончания процесса многослойной наплавки во время вылеживания деталей перед термообработкой из-за изменений в зоне сплавления основного металла (низколегированная сталь) с наплавленным металлом (теплостойкая сталь высокой твердости);
- необходимость проведения дополнительных исследований для определения параметров термического цикла наплавки таких, как определенная температура и определенная структура наплавленного металла.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в предотвращении образования холодных трещин в процессе и после наплавки, повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, а также, повышение производительности процесса наплавки рабочих поверхностей деталей оборудования.
Для этого предлагается способ многослойной наплавки в азотсодержащей среде теплостойкими сталями высокой твердости, включающий предварительный подогрев наплавляемой заготовки до определенной температуры, наплавку слоев, охлаждение наплавленного слоя перед нанесением последующего, выдержку после наложения каждого слоя наплавки в течение времени, необходимого для образования 10-30% мартенсита, согласно изобретению, перед наплавкой первого и последующих слоев осуществляют подогрев наплавляемой заготовки до температуры выше температуры начала мартенситного превращения на 50-100°С, при этом выдержку после наложения каждого слоя наплавки осуществляют с одновременным снижением температуры подогрева наплавляемой заготовки на 20-100°С ниже температуры мартенситного превращения, а непосредственно после наплавки последнего слоя производят высокотемпературный отпуск на наплавочной установке с температурой, находящейся в интервале: температура рекристаллизации основного металла - температура отпуска наплавленного металла.
Технический результат, получаемый в результате использования изобретения, заключается:
- в предотвращении образования холодных трещин в процессе и после окончания многослойной наплавки и во время вылеживания деталей перед термообработкой за счет восстановления свойств в процессе рекристаллизации зоны сплавления основного металла (низколегированная сталь) с наплавленным металлом (теплостойкая сталь высокой твердости);
- в повышении механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет проведения высокотемпературного отпуска и эффекта дисперсионного твердения высоколегированного аустенита при отпуске;
- в повышении производительности процесса изготовления наплавленных деталей за счет исключения дополнительных исследований, так как необходимые параметры термического цикла можно определить по диаграммам изотермического распада аустенита для конкретного основного и наплавленного металла и исключения операции дополнительной термообработки в виде 3-4-х кратного часового высокотемпературного отпуска для увеличения твердости наплавленного металла.
Заявляемый температурный интервал высокотемпературного отпуска: температура рекристаллизации основного металла - температура отпуска наплавленного металла, подобран эмпирическим путем, исходя из качества, получаемого при наплавке металла, стабильности процесса наплавки, предотвращения образования холодных трещин и требуемых механических свойств (твердости и износостойкости) и составляет 450-580°С.
Нижняя граница предлагаемого температурного интервала высокотемпературного отпуска ограничена температурой начала рекристаллизации основного металла. Известно, что температура рекристаллизации металлов составляет 0,4 от температуры плавления, то есть, составляет 450-500°С. Процессы рекристаллизации протекают тем быстрее, чем выше температура нагрева.
В процессе изготовления деталей с основой из низколегированной стали с наплавкой рабочего поверхностного слоя высоколегированными быстрорежущими сталями значительно изменяется структура и свойства зоны сплавления наплавленного металла с основным металлом. Применение высокотемпературного отпуска приводит металл зоны сплавления в более устойчивое структурное состояние, причем за счет явления рекристаллизации полностью восстанавливаются структура и свойства металла зоны сплавления основного металла с наплавленным металлом.
Поэтому, температуру отпуска для восстановления структуры и свойств, целесообразнее выбирать как можно выше, но не ниже, чем температура рекристаллизации, так как низкая температура нагрева и происходящий при ней возврат лишь несколько повышают пластичность и частично восстанавливают структуру и свойства, но только рекристаллизация полностью восстанавливает исходную пластичность и свойства металла зоны сплавления..
Проведение высокотемпературного отпуска наплавленного теплостойкими сталями высокой твердости рабочего слоя в указанном температурном интервале вызывает повышение твердости за счет эффекта дисперсионного твердения высоколегированного аустенита. При этом отпадает необходимость проведения дополнительной термообработки для повышения твердости, что в свою очередь повышает производительность процесса, так как детали можно ставить в эксплуатацию без термообработки. Увеличение температуры отпуска выше температуры отпуска наплавленного металла приводит к снижению твердости наплавленного теплостойкими сталями поверхностного слоя. Твердость снижается вследствие распада мартенсита и коагуляции карбидов. Снижение твердости наплавленного слоя в свою очередь отрицательно сказывается на износостойкости наплавленных деталей.
Пример. Порошковой проволокой с шихтой, обеспечивающей получение наплавленного металла типа стали Р18 производилась плазменная наплавка заготовок рабочих валков с диаметром рабочей части 150 мм, длиной 425 мм. Наплавка производилась в азотсодержащей защитно-легирующей среде на следующих режимах:
Сварочный ток
160-180 А
Напряжение дуги
50-60 В
Скорость наплавки
11 м/час
Скорость подачи порошковой проволоки
47 м/час
Длина дуги
20 мм
Смещение с зенита
20 мм
Защитный газ
азот
Плазмообразующий газ
аргон
В процессе наплавки проводилась экспертная оценка стабильности горения дуги, качества формирования наплавленного металла. Наличие трещин в процессе наплавки оценивали визуально, после наплавки наличие трещин, пор и неметаллических включений оценивали ультразвуковым и магнитопорошковым методами, а также на металлографических шлифах.
Наплавка осуществлялась в шесть слоев по винтовой линии в одном направлении. Продолжительность наплавки одного слоя 30 мин. Перед наплавкой первого и последующих слоев осуществляли подогрев наплавляемой заготовки до температуры выше температуры начала мартенситного превращения на 50-100°С, что составляло 225°С (при допустимом интервале 200-250°С), при этом выдержку после наложения каждого слоя наплавки осуществляли с одновременным снижением температуры подогрева наплавляемой заготовки на 20-100°С ниже температуры мартенситного превращения, которая достигала 90° (при допустимом интервале 50-130°С). Температура начала мартенситного превращения для наплавляемого сплава составляет 150°С.
Длительность выдержки устанавливалась по разности времени между началами наплавки каждого слоя. Согласно диаграмме распада переохлажденного аустенита стали Р18 для образования 10-30% мартенсита при указанных температурах продолжительность выдержки не должна превышать 60 мин и должна находиться в пределах 30-60 мин. После наплавки последнего слоя проводился высокотемпературный отпуск при температуре 570°С в течение 1 часа согласно известным рекомендациям для режимов отпуска быстрорежущих сталей.
Наличие трещин в процессе наплавки, после ее окончания и вылеживания наплавленных деталей на складе в течение суток определялось визуально и методом ультразвуковой дефектоскопии.
Твердость наплавленного металла после наплавки по термическому циклу, выбранному в качестве прототипа составляла 52-56 HRC, после наплавки по заявляемому способу с часовым отпуском при 570°С возрастала до 59-60 HRC. Дефекты (трещины, поры и неметаллические включения) после наплавки по заявляемому способу и после вылеживания в течение суток не обнаружены.
Производительность и технологичность процесса наплавки, оценивались в сравнении с соответствующими показателями способа наплавки, принятого в качестве прототипа.
Предлагаемый способ по сравнению с прототипом, предотвращает образование трещин в процессе наплавки, обеспечивает повышение производительности процесса наплавки за счет отказа от дополнительной термообработки, увеличивает твердость наплавленного металла до 59-60 HRC.