Лазерный мир

Батхуу Пурэвдорж, Омонцоо Галаа, Лыгденов Бурьял Дондокович, Гурьев Алексей Михайлович // Ползуновский вестник, 2021

Аннотация. Абразивное и коррозионное воздействие шлама и быстрые изменения рабочей скорости интенсивно влияют на процесс износа элементов насоса, особенно рабочего колеса. Подсчитано, что срок службы насоса составляет от 212 до 248 часов. Всего за один год примерно 400 насосов снимаются с линии для ремонта на ремонтном заводе. Большинство из них вышли из строя из-за износа только крыльчатки. Например, согласно нашему исследованию, 80 процентов из 400 насосов вышли из строя только из-за износа рабочего колеса. Затраты на производство спирали, крыльчатки и защитной пластины составляют 10,5; 5,1 и 1,5 миллиона тугриков (единица монгольской валюты, равная примерно 2000 долларам США к 2015 году) соответственно. Всего один восстановленный насос стоит около 20 миллионов тугриков (10 тысяч долларов США). В этом исследовании анализировалось влияние лазерной обработки, такие как сварка, наплавка и поверхностная обработка расплавом, на микроструктуру, твердость и износостойкость высокохромистого белого чугуна, который используется для изготовления больших шламовых насосов. Износостойкий высокохромистый белый чугун — это материал высокой твердости и абразивной износостойкости. Любое ремонтное действие для износостойкого белого железа должно обеспечивать твердость более 50 HRC и равную или большую износостойкость, чем у базового чугуна. Лазерная наплавка только металло-керамического (по составу близкого к ИНК0-702) порошка могла бы удовлетворить вышеуказанное требование, но она дает чугуну поры и трещины. Исследования были направлены на снижение образования трещин и пор в процессе обработки.

Износостойкий белый чугун может быть сварен лазером с предварительным нагревом. Тонкие срезы высокохромистого белого чугуна, сваренные с образцами чугуна и стали, не имеют дефектов в зоне сварки. Поверхностная обработка расплавом, вероятно, менее эффективна для высокохромистого белого чугуна из-за низких механических свойств расплавленной поверхности. Кроме того, высокая скорость охлаждения в процессе лазерного поверхностного плавления не позволяет аустенитной фазе трансформироваться и не обеспечивает термические условия, необходимые для желаемого образования вторичных карбидных осадков или мартенситных превращений.

ВВЕДЕНИЕ

Ремонтный завод Erdenet Mining Company (EMC) крупнейшей медедобывающей компании Монголии производит шламовые насосы из износостойкого высокохромистого белого чугуна (HCrWI) и износостойкие футеровки для рудных мельниц из износостойкой высокомарганцевой аустенитной стали (HMnAS). CHrWI, отлитый в EMC, имеет 27-30 мас. % Cr и 1,5-3 мас. % Mn, 2,7-3 мас. % C и используется для изготовления крыльчатки, спирали, корпуса и защитной пластины, основных компонентов больших шламовых насосов, используемых на рудоперерабатывающем заводе. Все виды шламовых насосов используются для работы в очень тяжелых условиях. Абразивное и коррозионное воздействие шлама и быстрые изменения рабочей скорости интенсивно влияют на процесс износа элементов насоса, особенно рабочего колеса. Подсчитано, что срок службы насоса составляет от 212 до 248 часов. Всего за один год, примерно 400 насосов снимаются с линии для ремонта на ремонтном заводе [9]. Большинство из них вышли из строя из-за износа только крыльчатки. Например, согласно нашему исследованию, 80 процентов из 400 насосов вышли из строя только из-за износа рабочего колеса. Затраты на производство спирали, крыльчатки и защитной пластины составляют 10,5; 5,1 и 1,5 миллиона тугриков (единица монгольской валюты, равная примерно 2000 долларам США к 2015 году) соответственно. Всего один восстановленный насос стоит около 20 миллионов тугриков (10 тысяч долларов США) [9]. Очевидно, что очень важно увеличить срок службы насоса за счет внедрения нового способа производства или технологии ремонта. В настоящее время широко распространена практика, когда изношенные детали насоса весом от 250 до 750 кг отправляются в литейный цех на переработку без каких-либо попыток ремонта.

Использование лазера для ремонта этих деталей может привести к значительной экономии затрат, поскольку альтернативой является расплав и литье деталей насоса с последующими механической и термической обработками. Лазерная обработка поверхностей изношенных материалов может обеспечить значительную экономию по сравнению с текущей процедурой переработки. Это исследование было направлено на то, чтобы определить, можно ли использовать обработку, такую как лазерная наплавка, для поддержания или улучшения твердости и износостойких свойств HCrWI. Лазерная сварка может быть использована для соединения твердого облицовочного покрытия из высокохромистого белого чугуна со стальными или железными подложками, потому что твердость и износостойкость HCrWI были рассмотрены в качестве основных критериев его ремонтной обработки. Твердость, превышающая 50 HRC, делает HCrWI отличным износостойким материалом для оборудования горнодобывающей промышленности.

На практике не так много попыток применения, как лазерной сварки, так и наплавки HCrWI, потому что считается, что HCrWI становится непригодным для использования из-за свойств зоны термического влияния (ЗТВ). Несколько исследований, связанных с лазерной сваркой только для серых чугунов, были найдены в литературе [5, 8]. Некоторые автомобильные компании, такие как BMW, использовали лазерную сварку для соединения закаленной стальной кольцевой передачи с корпусом дифференциала, отлитым из серого чугуна в шестерне заднего моста автомобиля [1]. Позже эта работа была более глубоко изучена в Южной Корее [2]. Сверхвысокопрочная хромистая сталь с мартенситной микроструктурой сварена лазером и исследована [5]. Процесс лазерной наплавки используется на некоторых инструментальных сталях [11].

Доэвтектические чугуны, содержащие 16 и 26 мас. % Сг с отдельными добавками М, Си, Мо и V, а также без добавления, были изучены на предмет изменений микротвердости матрицы при термообработке [10].

Несмотря на то, что белый чугун трудно сваривается, в работе была предпринята попытка возможности лазерной сварки, при этом достигая удовлетворительной твердости сварной оболочки на изношенной подложке HCWI. Для этого необходим тщательный контроль обработки в процессе сварки, чтобы определить, может ли быть достигнут удовлетворительный ремонт.

На практике содержание хрома во всех НС№1 находится в пределах 12 мас. %, 18-22 мас. % и 27-30 мас. % в зависимости от типа чугуна [13]. НСМ1 с 18-22 мас. % наиболее популярен благодаря своей превосходной износостойкости. Но он имеет более низкую прочность, чем другие чугуны. Наиболее благоприятное сочетание износостойкости, коррозионной стойкости и ударной вязкости достигается в чугуне с 27-30 мас. % Сг, что делает его хорошим материалом для шламовых насосов. НС№1 отличается высоким содержанием хрома, внедренного в виде твердой эвтектики хрома и вторичных карбидов в мартенситную матрицу после закалки [12, 13]. Незакаленный НС№1 состоит из аустенитных дендритов и эвтектических карбидов. Механические свойства и износостойкость такого чугуна зависят от типа, твердости, морфологии, распределения, объемной доли и ориентации этих карбидов [13]. Механические свойства НС№1 широко изменяются при термической обработке. Имеется достаточное количество публикаций, связанных с микроструктурной модификацией не только чистых НСгШ1, но и сплавов с другими карбидообразующими элементами, такими как титан, ванадий и вольфрам, полученных термической обработкой [10]. В литом состоянии НС№1 с 28 мас. % Сг состоит из первичных аустенитных дендритов и эвтектических карбидов М7С3. Частично эвтектический аустенит вокруг эвтектического карбида может превратиться в мартенсит. Твердость в литом состоянии составляет около 450 НВ. Термическая обработка, названная процессом дестабилизации, вносит большие изменения в микроструктуру НСгШ. Дестабилизация аустенита в течение 1-6 часов позволяет осаждать вторичные карбиды в матрице аустенита, вызывая снижение содержания хрома и углерода в аустените.

При быстром охлаждении до комнатной температуры аустенит с меньшим содержанием Сг и С превращается в мартенсит. Осаждение вторичного карбида и мартенситное превращение аустенита повышают твердость до 700 НВ [12, 13]. Абразивно-эрозионные износостойкие свойства НС№1 изучались в ряде литературных источников [12, 6, 3]. Эрозионная износостойкость связана с объемной твердостью. Объемная твердость необработанных белых чугунов зависит от объемной доли карбида. Потеря износа НСГМ представляет собой комбинацию потери веса из-за удаления матрицы и карбида. Матрица из аустенита показала большие потери на износ, чем мартенситная матрица с вторичными карбидами.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Образцы прямоугольной формы с размерами 30 х 35 х 30 мм из НС№1 и высокомарганцевой стали были получены методом литья в песчаную форму (рисунок 1).

Образцы HCWI нагревали до температуры 900 °С и после выдержки в течение 1 часа охлаждали на воздухе в течение 24 часов. Затем химический состав и твердость измеряли спектрометрическим методом и твердомером Бринеля. Химическое содержание HCWI составляло: 2,72 % С, 30,9 % Сг, 1,42 % N 1,06 % Мп и 65,1 % Fe.

Твердость образцов железа составляла 480550 НВ. Образцы высокомарганцевой аустенит-ной стали использовались для лазерной сварки с образцами НСгШ, чтобы определить свариваемость. Химическое содержание стали: 13,6 % Мп, 0,72 %Сг, 0,36 % N и 84,6 % Fe.

Затем образцы были подготовлены для экспериментов по лазерной обработке, включая сварку, наплавку и обработку поверхности.

Система лазерного осаждения, использованная в исследовании, представляла собой лазерный источник Nd : YAG мощностью 3 кВт с диаметром пучка 2,85 мм. Скорость лазерной обработки была установлена на уровне 254 мм/мин. После лазерной сварки, лазерной наплавки и лазерной обработки поверхности все образцы были испытаны на абразивный износ и металлографический анализ микроструктуры с помощью оптического микроскопа и сЭм-изображений.

Химический анализ и испытание на абразивный износ были проведены для всех образцов, обработанных лазером.

Лазерная сварка. В экспериментах по лазерной сварке железо и сталь сваривались при 700 Вт в двух конфигурациях: 1) чугун-чугун, состоящее из двух пар свариваемых образцов; 2) чугун-сталь, состоящее из трех пар свариваемых образцов. Перед сваркой образцы предварительно нагревали до 600 °С лазерным лучом с низкой энергии. На рисунке 2 показаны ориентации сварных швов. Технические характеристики сварки были следующими:

Чугун — к — чугуну:

1. Образцы сечением 10 х 12 мм приваривают к чугунному куску с длинной стороны 35 мм.

2. Образцы сечением 1, 5 х 3 мм привариваются к чугунному куску фланцевым соединением.

Чугун — сталь:

1. Образцы сечением 11 х 15 мм привариваются к стальному куску с его стороны длиной 30 мм.

2. Образцы сечением 1,5 х 3 мм свариваются на стальной заготовке фланцевым соединением.

3. Образцы шириной 2 мм свариваются на большом стальном куске Т-образным соединением.

Рисунок 1 — Предварительные образцы HCWI и HMS (I и S используются для обозначения чугуна и стали соответственно)

Figure 1 — Preliminary samples of HCWI and HMS (I and S are used to denote cast iron and steel, respectively)

Лазерная наплавка. Подготовленные образцы износостойкого высокохромистого белого чугуна были покрыты тремя видами порошковых материалов: металлокерамиче-скими, износостойкими материалами стел-лит-21 и стеллит-1 с одно- и многослойными покрытиями. Металлокерамический порошок предназначен для создания износостойкого покрытия методом TIG или плазменной дуговой сварки. Для оценки наплавки HCrWI в сравнении с металлокерамической наплавкой использовали порошок стеллит-21 и стеллит-1. Перед наплавкой образцы предварительно нагревали до 600 °С низкоэнергетическим лазерным лучом. Во время наплавки мощность лазера была установлена на 1300 Вт. Порошковые материалы вдуваются инертным газом аргона в зону расплава со скоростью подачи 3,4 г/мин. Каждый из порошков осаждался в виде отдельных шариков и в 1-5 слоев.

Рисунок 2 — Конфигурация сварки: а1, а2 — два сварных шва железо-железо, в1, в2, в3 — три сварных шва чугун — сталь

Figure 2 — Welding configuration: al, a2 — two welds iron-iron, b1, b2, b3 — three welds cast iron — steel

Единичные шарики из металлокерамиче-ских и стеллит-21 материалов были изготовлены для сравнения их технологической способности с помощью анализа поведения разбавления.

Лазерная наплавка или лазерная обработка поверхности расплавом. Предпринята попытка оценить изменение поверхностных свойств HCrWI, автором выполнена лазерная обработка плавлением с быстрым охлаждением. Для поверхностного плавления использовали образец HCWI размером 28 х 40 х 12 мм мощностью 1000 Вт с перекрытием пучка 30 % между последующими проходами.

Микроструктура.

Для металлографического анализа все сварные, плакированные и обработанные лазерным расплавом образцы были отполированы и вытравлены стандартным методом. В процессе полировки последовательно использовались бумаги из карбида кремния с зернистостью 240, 400, 600 и 1200. Затем для окончательной полировки использовали коллоидные суспензии алмазных частиц размером 9, 6 и 3 мкм. После полировки образцы травили 2 % Нитала (2 % азотной кислоты и метанола). Для некоторых сварных образцов использовали безводный Каллин (50 мл HCl, 25 мл CuCl2 и 50 мл этанола), чтобы выявить интересующие фазы. Для исследования микроструктур использовали металлографический оптический микроскоп AXIO Cam MRc5. Для химического и микроструктурного анализа использовались рентгеновский тестер и SEM-анализатор.

Механические свойства, такие как твердость и абразивная износостойкость сваренных лазером, плакированных и обработанных расплавом поверхностей, оценивались по единице HRC и значениям потерь на абразивный износ. Базовый чугун и базовая сталь также были включены в испытания и измерения механических свойств.

Для испытаний на износ используются машина для испытания на сухое истирание ASTM G65 и абразивный материал из карбида кремния. Испытательная машина была настроена на скорость вращения 200 об / мин, с 30 фунтами контактного усилия и 10 минутами времени тестирования.

РЕЗУЛЬТАТ И ОБСУЖДЕНИЕ 1. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА

При ограниченной информации в литературе относительно лазерной сварки высокохромистого белого чугуна наблюдались уникальные морфологии в микроструктуре. Пример лазерной сварки серого чугуна со сталями был найден при производстве дифференциалов для автомобильной промышленности [4, 2]. В этих исследованиях уменьшение трещин и улучшение механических свойств были достигнуты за счет использования присадочного металла на основе № Использование терморегулируемой предварительной и окончательной термической обработки помогает смягчить проблемы свариваемости, при сплавлении высокоуглеродистых сплавов. В этом исследовании вредные изменения механических свойств и микроструктуры для сварки плавлением НСгМ были уменьшены в результате минимального теплового эффекта, минимальной зоны плавления и быстрого затвердевания при лазерной обработке. Образцы лазерной сварки показаны на рисунке 3.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/vosstanovlenie-i-uprochnenie-poverhnosti-detaley-iz-vysokohromistogo-chuguna-lazernoy-obrabotkoy/viewer