Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 90 Андрущенко М.И., Осипов М.Ю., Куликовский Р.А., Капустян А.Е., Магда Е.С. Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье, Украина E-mail: mosipov61@ukr.net МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНОЛОГИЯ И СПЕЦИАЛЬНАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШТАМПОВ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПОЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОГНЕУПОРОВ ЧАСТЬ 2. ОСОБЕННОСТИ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШТАМПОВ НАПЛАВКОЙ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ УДК 621.791.927.5:669.15 На основании результатов предварительных лабораторных испытаний наплавленного металла на сопротивляемость абразивному изнашиванию, представленных в первой части данной работы, а также с учетом производственного опыта выбраны семь типов электродных материалов для дуговой наплавки рабочих кромок штампов, применяемых при прессовании полых цилиндрических огнеупоров. Структура наплавленного металла в пределах выбранной группы изменялась от ферритной до заэвтектической с мартенсито-аустенитной основой и 40…50 % эвтектических и первичных карбидов. Выбраны оптимальные режимы наплавки наружной и внутренней кромок штампов и предложе- на специальная оснастка (водоохлаждаемые формирователи), обеспечивающая необходимую скорость охлаждения и заданную однородную структуру наплавленного металла. Проведены производственные испытания наплавленных штампов при изготовлении алюмосили- катных огнеупоров. Установлено, что относительно высокий потенциал металла заэвтектического соста- ва практически невозможно реализовать из-за скалывания фрагментов наплавленного слоя. Оптимальное сочетание надежности в работе и износостойкости достигается в наплавленном металле типа 65Х11Н3 с мартенситно-аустенитой структурой благодаря частичному превращению метастабильного аустенита в мартенсит деформации. Ключевые слова: штамп, структура, абразивное изнашивание, условия изнашивания, наплавленный ме- талл, скорость охлаждения, феррит, мартенсит, аустенит, износостойкость, микротвердость. Введение В первой части данной работы [1] представлены результаты анализа условий изнашивания штампов и предъявляемых к ним требований. Показано, что рациональным способом восстановления и упрочнения штампов является наплавка их рабочих кромок. Представлены результаты испытаний на со- противляемость абразивному изнашиванию предварительно выбранных стандартных электродных мате- риалов девятнадцати типов, которые условно разделены на семь структурных групп. Было установлено, что износостойкость в пределах ряда испытанных материалов отличается в 25 раз. Однако судить о приемлемости испытанных материалов только по результатам лабораторных ис- следований нельзя в связи с тем, что кроме износостойкости условия эксплуатации предъявляют и дру- гие требования. В частности должна отсутствовать склонность наплавленного металла к скалыванию ра- бочей кромки в процессе прессования; рабочая поверхность штампа должна обладать сопротивляемо- стью шаржированию частицами прессуемой массы. Также оптимальные режимы наплавки небольших образцов для испытаний в лабораторных условиях и натурных деталей, могут заметно отличаться. Цель работы Целью второй части работы было выбор режимов и техники наплавки кромок штампов, испыта- ние их на сопротивляемость изнашиванию в производственных условиях, оценка эксплуатационной на- дежности наплавленного металла и сопротивляемости шаржированию рабочей поверхности штампов ог- неупорного производства. Материалы, методика исследований и результаты испытаний Результаты лабораторных испытаний [1] позволили значительно сократить количество элек- тродных материалов, выбранных для исследований в производственных условиях, а также существенно Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 91 уменьшить объемы трудоемких и дорогостоящих испытаний натурных деталей на промышленных пред- приятиях. Для испытаний были отобраны электродные материалы, представляющие каждую из семи структурных групп материалов, испытанных ранее [1] (табл.). Очевидно, что восстановление кромок штампов электродами АНО-4 или ЦЛ-11 малоперспективно для обеспечения достаточной износостойко- сти. Однако их включили в перечень материалов для испытаний в производственных условиях, посколь- ку наплавленный ими металл обладает высокой эксплуатационной надежностью, исключающей риск скалывания кромки, и поэтому они часто применяются на предприятиях. После наплавки производилась механическая обработка наплавленных кромок. Таблица Марки электродных материалов, тип и структура наплавленного металла Электрод, группы [1] Марка материала Тип наплавлен- ного металла Структура наплавленного металла 1 АНО-4 сталь 10 Преимущественно ферритная 2 ЦЛ-11 08Х19Н10Г2Б Аустенитная ОМГ-Н 65Х11Н3 Аустенито-мартенситная 3 ПП-АН105 90Г13Н4 Аустенитная 4 ОЗН-400М 17Г4С1 Бейнитная 5 ЭН-60М 70ХЗСМТ Мартенситная 6 ПП-АН106 10Х14Т Мартенсито-ферритная 7 Т-590 330Х25Г2С2Р Мартенсито-аустенитная основа + 40…50 % эвтектических и первичных карбидов Одной из технологических проблем процесса наплавки является низкая скорость охлаждения наплавленного металла. Во-первых, это затрудняет получение заданной структуры, особенно если речь идет о необходимости получить метастабильный остаточный аустенит [2]. Во-вторых, если восстанавли- ваются цементованные детали, то в околошовной зоне из-за термического влияния процесса наплавки, происходит снижение сопротивляемости шаржированию рабочей поверхности зернами абразивной мас- сы. В-третьих, на кромке штампа сложно сформировать наплавленный валик необходимой геометриче- ской формы, что увеличивает расходы на материалы и механическую обработку. В связи с этим для наплавки наружной и внутренней рабочих кромок цилиндрических штампов предлагается использовать специальные приспособления (водоохлаждаемые формирователи). Приспо- собления для наплавки наружной кромки верхнего штампа (рис. 1, а) и нижнего (рис. 1, б) представляют собой медный диск, собранный герметично по общей схеме (рис. 2) со стальным корпусом, в котором предусмотрен канал для проточной воды. а б Рис. 1 – Общий вид рабочих поверхностей приспособления для наплавки наружной кромки штампов Существенной особенностью рабочей поверхности кристаллизатора, является наличие на ней выступа высотой 0,8...1,2 мм, что гарантирует зазор между наплавляемой кромкой, и поверхностью кри- сталлизатора. Это обеспечивает формирование наплавленного валика с оптимальным припуском на ме- ханическую обработку (рис. 3). Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 92 Рис. 2 – Общая схема приспособления для наплавки наружной кромки верхнего и нижнего штампов пресс-форм: 1 – стальной корпус; 2 – медный кристаллизатор; 3 – фланец; 4 – штуцер; 5 – фиксатор гибкого шланга Рис. 3 – Форма наплавленного валика на кромке штампа при наплавке: 1 – без формирователя; 2 – с формирователем Приспособление для наплавки внутренней кромки представляет собой пуансоноподобный полый цилиндр (рис. 4) в верхней части которого на резьбе крепится сменный медный кристаллизатор, охлаж- даемый проточной водой. а б Рис. 4 – Схема (а) и общий вид (б) приспособления для наплавки внутренней кромки штампов: 1 – кольцо из резины; 2 – корпус; 3 – медный кристаллизатор; 4 – трубка; 5 – штуцер Для возможности установки кристаллизаторов в удобное положение и для обеспечения их вра- щения с необходимой скоростью при наплавке предлагается специальная установка (рис. 5). Она вклю- чает в себя: вращатель-манипулятор с электроприводом (двигатель постоянного тока) 12 и двухступен- чатый червячный редуктор 2, опоры скольжения 3 с валами 5 для крепления сменных кристаллизаторов 1 и 4. Вращатель смонтирован на поворотном столе 6, что позволяет устанавливать ось вращения в любое положении от горизонтального до вертикального. На валах 5 установлены скользящие токосъем- ники 7, с помощью которых подается напряжение от источника питания к детали, которая наплавляется. Чтобы избежать передачи сварочного напряжения через вращающиеся детали редуктора и их «подгора- ния», опоры и вал токосъемника изолированы от редуктора. Стол вращателя смонтирован на механизме вертикального подъема 8, который может переме- щаться по колонне 9 на расстояние до 600 мм для установки кристаллизаторов в необходимое для на- плавки положение. На колонне расположен кронштейн 10 для крепления держателя полуавтомата при наплавке в автоматическом режиме. Колонна закреплена на платформе 11. Электродвигатель постоянного тока (0,1 кВт), позволяет осуществлять вращение кристаллизато- ров со штампами в диапазоне 0,5…5 мин-1, что обеспечивает возможность изменения скорости наплавки круглых штампов в достаточно широком диапазоне. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 93 Рис. 5 – Установка для наплавки цилиндрических штампов В процессе разработки технологии упрочнения и восстановления штампов изучалось влияние способов и режимов наплавки, угла наклона кромки штампа, скорости наплавки на форму и качество на- плавленного валика. При выборе режимов наплавки исходили из следующих общепринятых требований к технологи- ческим процессам наплавочных работ [3]: - режимы не должны выходить за пределы диапазона, при которых состав наплавленного метал- ла отклоняется более чем на 10 % от номинального; - режимы должны обеспечивать минимально возможное участие основного металла в наплав- ленном валике; - должно быть обеспечено устойчивое горение дуги; - должна быть обеспечена высокая производительность при соблюдении вышеприведенных тре- бований. Диапазон режимов, рекомендуемых в литературе достаточно широк. Исследования технологического процесса наплавки штампов в производственных условиях по- казали, что параметры режима при наплавке электродами диаметром 4 мм должны находиться в сле- дующих пределах: - напряжение дуги – 28…32 В; - сила тока – 160…180 А; - скорость наплавки находится в пределах 0,5…0,9 м/мин, в зависимости от необходимых разме- ров наплавленного валика; - род тока и полярность выбираются в зависимости от типа электродного покрытия. Наплавка порошковыми проволоками проводилась в соответствии с рекомендуемыми режима- ми [4]. Наплавка кромок опытных штампов осуществлялась как с использованием принудительного ох- лаждения, так и с охлаждением на воздухе. Производственные испытания наплавленных штампов проводили при изготовлении шамотных огнеупоров. Относительную износостойкость определяли по количеству выпущенной продукции до дос- тижения на кромках предельно допустимой величины износа. Эксплуатационную надежность и работо- способность восстановленных штампов оценивали по отсутствию или наличию сколов на рабочих кром- ках и степени шаржирования поверхности штампа. Установлено, что относительно высокий потенциал металла, наплавленного электродами Т-590, практически невозможно реализовать из-за скалывания фрагментов наплавленного слоя. Металл, наплавленный электродами ЭН-60М, также недолговечен в эксплуатации. Очевидно, это связано с тем, что металл данного химического состава требует предварительного подогрева, что проти- воречит требованию обеспечения повышенной сопротивляемости шаржированию рабочих поверхностей штампов. Отимальное сочетание надежности в работе и износостойкости достигается в наплавленном ме- Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 94 талле типа 65Х11Н3 с аустенито-мартенситной структурой благодаря частичному превращению мета- стабильного аустенита в мартенсит деформации. В результате самоупрочнения в процессе изнашивания микротвердость поверхности трения достигает уровня 10 ГПа, что выше твердости мартенсита закалки. Известно, что кроме повышения микротвердости при образовании мартенсита деформации, положитель- ное влияние на сопротивляемость изнашиванию оказывают сопутствующие этому явлению процессы – релаксация напряжений благодаря равномерному распределению дислокаций, образование мелкодис- персных карбидов по плоскостям скольжений, рассеивание энергии, вносимой абразивом. Хотя сравни- тельный анализ результатов некоторых работ [5…9] показывает, что положительная роль этих процессов в сравнении с повышением микротвердости поверхности трения существенно ниже. Сплавы, наплавленные электродными материалами остальных марок (таблица) обладают доста- точной эксплуатационной надежностью. Однако при этом они характеризуются существенно более низ- кой износостойкостью (более пяти раз) по сравнению с металлом типа 65Х11Н3. Необходимо отметить достаточно высокую сходимость испытаний на износостойкость в лабора- торных и производственных условиях. Положительная роль регулирования термического цикла наплавки путем ускорения скорости те- плоотвода водоохлаждаемыми формирователями от рабочих поверхностей штампов и наплавленного ме- талла заключалась ещё и в том, что снижалась степень разупрочнения цементованного слоя в околошов- ной зоне (рис. 6), и благодаря этому понижался уровень шаржирования и налипания штампов огнеупор- ной массой. Это в свою очередь обеспечивало увеличение производительности работы прессов, посколь- ку уменьшается потребность в остановках оборудования для зачистки штампов и повышается качество прессуемых изделий. Рис. 6 – Изменение твердости поверхности восстановленного штампа в зависимости от способа охлаждения: 1 – на воздухе; 2 – с использованием водоохлаждаемого формирователя Выводы 1. Для испытаний в производственных условиях выбраны семь типов электродных материалов для дуговой наплавки рабочих кромок штампов, применяемых при прессовании полых цилиндрических огнеупоров. Структура наплавленного металла в пределах выбранной группы изменялась от ферритной до заэвтектической с мартенсито-аустенитной основой и 40…50 % эвтектических и первичных карбидов. 2. Выбраны оптимальные режимы наплавки наружной и внутренней кромок штампов. Разрабо- тана специальная оснастка (водоохлаждаемые формирователи), обеспечивающая необходимую скорость охлаждения и заданную однородную структуру наплавленного металла, а также снижающая склонность к разупрочнению и шаржированию цементованной рабочей поверхности штампов после наплавки. Пред- ложена установка для наплавки штампов с заданной скоростью в любом необходимом пространственном положении. 3. Установлено, что потенциал металла, наплавленного электродами Т-590 невозможно реализо- вать из-за скалывания наплавленного слоя. Металл, наплавленный электродами ЭН-60М, также ненаде- жен в эксплуатации в связано с тем, что он требует предварительного подогрева детали. Наиболее оптимальное сочетание надежности в работе и износостойкости достигается в наплав- ленном металле типа 65Х11Н3 с мартенситно-аустенитой структурой не включающих карбидных фаз благодаря частичному превращению метастабильного аустенита в мартенсит деформации. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 95 Литература 1. Андрущенко М.И. Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восста- новления штампов для прессования полых цилиндрических огнеупоров. Часть 1. Анализ условий изна- шивания штампов и исследования износостойкости металла, наплавленного стандартными электродны- ми материалами / М.И. Андрущенко, М.Ю. Осипов, Р.А. Куликовский, А.Е. Капустян, Е.С. Магда // Про- блемы трибологии (Problems of Tribology). – 2016. – №1. – С. 53-63. 2. Андрущенко М.И. Управление структурным состоянием и сопротивляемостью абразивному изнашиванию наплавленного металла технологическими методами / М.И. Андрущенко, Р.А. Куликов- ский, А.В. Холод, М.Ю. Осипов // Проблемы трибологии (Problems of Tribology). – 2014. – №3. – С. 35- 41. 3. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Патона Б.Е. – М.: Машиностроение, 1974. – 789 с. 4. Наплавочные материалы стран членов СЭВ // Киев – Москва, 1979. – 620 с. 5. Попов В.С. Долговечность оборудования огнеупорного производства / В.С. Попов, Н.Н. Бры- ков, Н.С. Дмитриченко, П.Г. Приступа – М.: Металлургия, 1978. – 232 с. 6. Восстановление и повышение износостойкости и срока службы деталей машин / Под ред. В.С. Попова – Запорожье: Изд-во ОАО «Мотор Сич», 2000. – 394 с. 7. Андрущенко М.И. Влияние углерода и хрома на способность к упрочнению и износостойкость бескарбидных сталей в условиях абразивного изнашивания / М.И. Андрущенко, О.Э. Рузов, Р.А. Кули- ковский, Н.Н. Брыков // Проблемы трибологии (Problems of Tribology). – 2003. – №2. – С. 112-116. 8. Андрущенко М.И. Способность к самоупрочнению поверхности трения в процессе абразивно- го изнашивания и износостойкость сталей в зависимости от содержания углерода и хрома / М.И. Андру- щенко, Р.А. Куликовский, М.Ю. Осипов, А.В. Холод, А.Е. Капустян // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2014. – №1. – С. 92-99. 9. Koval А.D. Principles for developing grinding media with increased wear resistance. Part 1. Abrasive wear resistance of iron-based alloys / А.D. Koval, V.G. Efremenko, M.N. Brykov, M.I. Andrushchenko, R.A. Kulikovskii, A.V. Efremenko // Journal of Friction and Wear. – 2012. – Vol.33, No.1. – pp. 39-46. Поступила в редакцію 23.02.2017 Материалы, технология и специальная оснастка для упрочнения и восстановления штампов для прессования … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 96 Andrushchenko M.І., Osіpov M.Y., Kulikovsky R.A., Kapustіan О.YЕ., Magda Е.S. Materials, tech- nology and special equipment for strengthening and restoration of dies for pressing the hollow cylindrical refractory. Part 2. Features of hardening and restoration of welding dies in a production environment Based on preliminary laboratory test results of deposited metal on abrasion resistance presented by the first part of this study, as well as the chosen manufacturing experience seven types of electrode materials for arc welding working edges of dies used in the extrusion of hollow cylindrical refractories. weld metal structure within a selected group changed from ferrite to hypereutectic with martensite-austenite base and 40-50 % of eutectic and primary carbides. Optimal modes surfacing outer and inner edges of the stamps and offered special equipment (water- cooled conditioners), providing the necessary cooling rate and given a uniform structure of the deposited metal. Carried out production tests surfaced dies in the manufacture of alumino-silicate refractories. It is found that a relatively high potential hypereutectic composition of the metal is virtually impossible to realize due to spallation fragments deposited layer. The most optimal combination of the reliability and durability of the weld metal is achieved with the type of 65Х11Н3 austenite-martensite structure, due to the partial conversion of the metastable austenite to martensite. Key words: stamp, structure, abrasion, wear conditions, the weld metal cooling rate, ferrite, martensite, austenite, wear resistance, microhardness. References 1. Andrushhenko M.I. Materialy, tehnologija i special'naja osnastka dlja uprochnenija i vosstanovlenija shtampov dlja pressovanija polyh cilindricheskih ogneuporov. Chast' 1. Pnaliz uslovij iznashivanija shtampov i issledovanija iznosostojkosti metalla, naplavlennogo standartnymi jelektrodnymi materialami / M.I. Andrushhenko, M.Ju. Osipov, R.A. Kulikovskij, A.E. Kapustjan, E.S. Magda // Problemy tribologii (Problems of Tribology). - 2016. - №1. - S. 53-63. 2. Andrushhenko M.I. Upravlenie strukturnym sostojaniem i soprotivljaemost'ju abrazivnomu iznashivaniju naplavlennogo metalla tehnologicheskimi metodami / M.I. Andrushhenko, R.A. Kulikovskij, A.V. Holod, M.Ju. Osipov // Problemy tribologii (Problems of Tribology). - 2014. - №3. - S. 35-41. 3. Tehnologija jelektricheskoj svarki metallov i splavov plavleniem / Pod red. Patona B.E. - M.: Mashi- nostroenie, 1974. - 789 s. 4. Naplavochnye materialy stran chlenov SJeV // Kiev – Moskva. –1979. – 620 s. 5. Popov V.S. Dolgovechnost' oborudovanija ogneupornogo proizvodstva / V.S. Popov, N.N. Brykov, N.S. Dmitrichenko, P.G. Pristupa. – M.: Metallurgija, 1978. – 232 s. 6. Vosstanovlenie i povyshenie iznosostojkosti i sroka sluzhby detalej mashin / Pod red. V.S. Popova - Zaporozh'e.: Izd-vo OAO "Motor Sich", 2000. - 394 s. 7. Andrushhenko M.I. Vlijanie ugleroda i hroma na sposobnost' k uprochneniju i iznosostojkost' beckarbidnyh stalej v uslovijah abrazivnogo iznashivanija / M.I. Andrushhenko, O.Je Ruzov, R.A. Kulikovskij, N.N. Brykov // Problemi tribologії (Problems of Tribology). – 2003. – №2. – S. 112-116. 8. Andrushhenko M.I. Sposobnost' k samouprochneniju poverhnosti trenija v processe abrazivnogo iznashivanija i iznosostojkost' stalej v zavisimosti ot soderzhanija ugleroda i hroma / M.I. Andrushhenko, R.A. Kulikovskij, M.Ju. Osipov, A.V. Holod, A.E. Kapustjan // Novі materіali і tehnologії v metalurgії ta mashinobuduvannі. – 2014. – №1. – S. 92-99. 9. Koval А.D. Principles for developing grinding media with increased wear resistance. Part 1. Abrasive wear resistance of iron-based alloys / А.D. Koval, V.G. Efremenko, M.N. Brykov, M.I. Andrushchenko, R.A. Kulikovskii, A.V. Efremenko // Journal of Friction and Wear. – 2012. – Vol.33, No.1. – pp. 39-46.