1 · · · 2 · · · 3 · · · 4 · · · 5 · · · 6 · · ·

Для повышения срока службы шнеков экструдеров и термопластавтоматов в мире широко применяют наплавку рабочих поверхностей износостойкими сплавами [1, 2]. Чаще всего для этих целей используют сплавы на основе никеля и кобальта. Наплавку осуществляют как вручную газоплазменным или аргонодуговым способами с присадкой прутков, так и механизированными способами, среди которых особо следует выделить плазменно-порошковую наплавку [3, 4]. В последнем случае присадочный материал используют в виде порошка грануляции 50…200 мкм. Во избежании трещин в наплавляемом слое детали предварительно подогревают до температуры 500…600 °С, а иногда применяют и сопутствующий подогрев.

Как показывает опыт, предварительный подогрев не только усложняет процесс наплавки, но и заметно его удорожает. Кроме того, широкое применение никелевых и кобальтовых сплавов для наплавки шнеков скорее традиционно, чем вызвано необходимостью. Такие уникальные их свойства, как жаропрочность, горячая твёрдость, коррозионная стойкость и другие, хотя и важны в условиях работы червячных машин, но не являются определяющими. Поэтому, по мнению автора, они с успехом могут быть заменены на более дешёвые и более износостойкие сплавы на основе железа.

К сожалению, известные промышленные сплавы на основе железа имеют такой же серьёзный технологический недостаток, как и никелевые или кобальтовые сплавы, а именно повышенную склонность к образованию трещин при наплавке.

Автором данной статьи специально для плазменно-порошковой наплавки шнеков был разработан новый износостойкий сплав системы Fe-Cr-V-Mo-C, стойкий против трещин. При его разработке максимально учитывались условия эксплуатации этих деталей и их конструктивные особенности.

В настоящей статье описаны свойства сплава для наплавки шнеков и опыт его эксплуатации в промышленности.

Структура и фазовый состав сплава после наплавки

Микроструктуру и фазовый состав наплавленного металла исследовали с помощью оптической и электронной металлографии, а также методами рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального и химического фазовых анализов (исследования выполнены в Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины).

Структура металла в исходном состоянии после наплавки (рис.1) состоит из твёрдого раствора на основе железа, карбидной эвтектики и избыточных карбидов ванадия VC. Особенностью структуры является очень мелкое зерно (10…15 мкм) и веерообразная форма эвтектики, располагающиеся в виде отдельных колоний, как бы внедрённых в матрицу (рис. 1а). Форма и строение эвтектических колоний хорошо видны на фотографии (рис.1б), полученной с помощью электронного растрового микроскопа JSM-35; тонкие пластинки эвтектических карбидов чередуются с твёрдым раствором, заполняющим промежутки между ними. Такое строение эвтектики обеспечивает сплаву сочетание высокой прочности и пластичности sв= 1000мПа, ан=25кг/см2.

а	б
Рис.1. Микроструктура наплавленного металла: а) оптический микроскоп (х500); б) электронный микроскоп (х3000)

Карбиды ванадия мелкие (до 5 мкм), имеют округлую форму и сравнительно равномерно распределяются по всему объёму сплава. Общее количество карбидной фазы по данным химического фазового анализа составляют около 16%. Как показал рентгеноструктурный анализ анодного осадка, в состав карбидной фазы помимо карбидов ванадия VC входят эвтектические карбиды на основе хрома типа Ме7С3, молибдена типа Ме2С и карбиды цементитного типа Ме3С, в которых часть атомов железа замещена атомами других элементов.

Матрица сплава представляет собой (g + a) - твёрдый раствор с микротвёрдостью HV25 400…450. В твёрдом растворе по данным микрорентгеноспектрального анализа содержится около 15% Сr, 3% V, 2% Mo, 5% Ni.

Благодаря этому в сплаве фиксируется до 60…80% остаточного аустенита. Это благоприятно сказывается на пластичности сплава и позволяет релаксировать значительную часть напряжений, возникающих при быстром охлаждении в процессе наплавки.

Структура и фазовый состав сплава после термической обработки

При изготовлении шнеков обязательной технологической операцией является высокий отпуск, поэтому важно знать его влияние на структуру и свойства наплавленного металла. Исследования, выполненные на вакуумном дифференциальном дилатометре Шевенара, дают возможность судить о структурной чувствительности сплава к последующему нагреву и охлаждению.

Служебные свойства наплавленного металла

Учитывая структурную чувствительность наплавленного металла к термической обработке, рассмотрим влияние отпуска на износостойкость, механические и трибологические его свойства.

Износостойкость. Зависимость износостойкости наплавленного металла от температуры отпуска показана на рис. 5. Испытания проводили на лабораторной установке НК-М [5 ]. Абразивом служил мелкодисперсный кварцевый песок с размером зёрен <= 80мкм. В качестве эталона использовали образцы из отожжённой стали 45.

Как видно из рис.5, износостойкость наплавленного металла сначала в интервале температур отпуска до 400°С растёт, а затем несколько снижается. Это связано прежде всего с влиянием отпуска на количество и устойчивость остаточного аустенита в сплаве, который играет большую роль в процессах изнашивания [6, 7]. Положительная роль метастабильного аустенита состоит в том, что не только он сам хорошо сопротивляется абразивному изнашиванию, вследствие образования при трении в поверхностном слое мартенсита деформации, но и прочно удерживает от выкрашивания мелкие карбиды ванадия. После низкого и среднего отпуска общее количество остаточного аустенита еще сохраняется, но вследствие диффузионного перераспределения углерода устойчивость его снижается, и создаются более благоприятные условия для образования мартенсита деформации, чем и можно объяснить наблюдаемое повышение износостойкости.

Высокий отпуск, особенно при 650°С, вызывающий распад остаточного аустенита, приводит к некоторому снижению, по сравнению со средним отпуском, износостойкости сплава, хотя твёрдость в этом случае значительно выше.

Дополнительную износостойкость наплавленному металлу придает азотирование, которое, как правило, применяется для защиты остальной части шнека от износа при изготовлении новых деталей. Азотированный слой из-за высокой легированности металла получается неглубокий (до 0,05 мм), но очень твёрдый HV25 1288 (рис. 7). Благодаря этому, процесс изнашивания наплавленного металла, особенно на начальном этапе, существенно замедляется. На рис. 8 приведены результаты сравнительных испытаний в одинаковых условиях рассматриваемого сплава и некоторых типичных представителей износостойких сплавов на основе Ni, Co и Fe. Химический состав испытанных сплавов приведен ниже в таблице.

Рис.7. Распределение твердости в азотированном слое наплавленного металла

Таблица

Стойкость против задирания. Обеспечение высокой стойкости рабочих поверхностей шнека и цилиндра против абразивного изнашивания ещё не даёт гарантии надёжной работы оборудования. При выборе сплавов для наплавки этих деталей наряду с другими требованиями следует учитывать также их совместимость при трении, т.е. стойкость против схватывания. В противном случае может развиваться опасный вид изнашивания - изнашивание при заедании, основными формами которого являются глубинное вырывание металла, перенос его с одной поверхности на другую и воздействие возникших неровностей на сопряженные поверхности.

Изнашивание при заедании может возникать при непосредственном контакте вращающегося шнека и неподвижного цилиндра, если материалы пары имеют плохую совместимость при трении. А такой контакт возможен из-за несоосности деталей, прогиба шнека, дефектной сборки и др.

Совместимость сплава с материалами цилиндра оценивали на установке трения по схеме "штырь - плоскость диска". Штырь имитировал виток шнека, диск - цилиндр. Данная методика испытаний подробно описана в работе [8]. Материалами цилиндра служили самофлюсующийся сплав на основе Ni XH75С4Р4 (ГОСТ 21448-75), который используется для наплавки цилиндров, и азотированная сталь 38ХМЮА. Для сравнения в качестве материала шнека испытывали так же стеллит 6.

Эксперименты проводили в условиях трения без смазки при постоянной скорости скольжения 0,7 м/с и ступенчатом повышении давления в контакте до наступления явно выраженного задира, который фиксировался по увеличению амплитуды колебания диска, силы трения, характерному звуку и визуально с помощью микроскопа по виду дорожки трения. Совместимость пар трения оценивалась по комплексу характеристик, включающему износ образцов, коэффициент трения, давление начала задира и объёмную температуру, с привлечением данных профилографирования дорожек трения и металлографии.

На рис.9 приведены зависимости массового износа штыря Dm1 и диска Dm2, коэффициента трения f и объёмной температуры t от нормального давления P для пар трения PMalloy 21 - ХН75С4Р4 (а), PMalloy 21 - азотированная сталь 38ХМЮА (б), стеллит 6 - ХН75С4Р4 (в). Общей особенностью этих зависимостей является наличие экстремумов и перегибов при давлениях P3, соответствующих появлению задиров.

а б	в Рис.9. Зависимости массового износа штыря Dm1 и диска Dm2, коэффициента трения f и температуры t от нормального давления P для пар трения: а) PMalloy 21 - ХН75С4Р4 б)PMalloy 21 - азотированная сталь 38ХМЮА в) Стеллит 6 - ХН75С4Р4

При давлениях P < P3 имеет место процесс нормального механохимического износа, характеризующегося практически линейной зависимостью массового износа элементов пар трения и средней объёмной температуры от давления. Коэффициент трения в этой области с повышением давления несколько снижается.

При давлениях P > P3 наблюдается процесс интенсивного разрушения трущихся поверхностей, сопровождающийся резким увеличением износа одного из образцов и переносом его металла на другой, возрастанием коэффициента трения и ростом интенсивности тепловыделения.

Как видим, по этим характеристикам наилучшую совместимость имеет пара а (P3 = 10,2 МПa), на втором месте пара в (P3 = 7МПа) и на третьем - б (P3 = 5,4МПа). Интересно отметить разный характер переноса металла в парах трения, что видно по изменениям потери массы образцов. В паре а после наступления схватывания материал штыря переносится на диск, в паре в, наоборот, материал диска переносится на штырь, а в паре б - перенос металла отсутствует.

Опыт промышленного использования сплава.
Разработанный сплав в виде порошка используется в промышленности для наплавки шнеков с 1986 года. За этот период накоплен большой опыт по наплавке и эксплуатации наплавленных деталей как при переработке простых, так и наполненных полимеров. В настоящее время выпускается под торговой маркой PMalloy 21.

а	б
Рис.11. Внешний вид шнеков д.45 мм после эксплуатации при переработке полиамида 6.6: а) азотированный шнек без наплавки; б) наплавленный шнек с последующим азотированием

Фотографии убедительно доказывают преимущество наплавленных шнеков. В первом случае износ витков настолько велик, что от них почти ничего не осталось, а во втором они сохранились полностью. Несмотря на некоторый износ боковых поверхностей витков и впадин, шнек остается пригодным для дальнейшей эксплуатации и способен обеспечивать номинальную производительность переработки полимеров.

Вывод
Комплексные исследования структуры и свойств разработанного сплава и длительный опыт эксплуатации наплавленных шнеков убедительно показывают, что данный сплав по работоспособности с успехом может заменить сплавы на основе Ni и Co, традиционно применяемые в промышленности для наплавки этих деталей. Он более износостойкий, более технологичный и значительно их дешевле.

Список использованной литературы

1. Максимчук А.М., Месяц Г.А., Нечипоренко В.Г. и др. Изготовление новых и восстановление изношенных червяков экструдеров плазменной наплавкой // Химическое и нефтяное машиностроение.- 1973.- №8.- С.22-23.

2. Chouse the right surfacing method // Weld. DeS. and Fabr.- 1978.- 51.- N8.- Р.53-55.

3. Lulsdorf P. Verschleissprobleme mit Zylinder und schnecke beim Extrudieren // Reilloy-Bericht.- 1975.- N4.- Р.1-8.

4. Plasma arc weld surfacing - new route to hardfacing screws // Plastics Technology.- 1977.- 23.- N10.- Р.17-19.

5. Юзвенко Ю.А., Гавриш В.А., Марьенко В.Ю. Лабораторные установки для оценки износостойкости наплавленного металла // в кн. Теоретические и технологические основы наплавки. Свойства и испытания наплавленного металла.- Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1979, с.23-27.

6. Позняк Л.А., Скрипченко Ю.М., Тимаев С.И. Штамповые стали.- М.,: Металлургия, 1980.- 244 с.

7. Попов В.С., Титух Ю.И. Рентгеноструктурное исследование превращений в рабочей поверхности сплавов при абразивном изнашивании. - М и ТОМ, 1975.- №1.- С.24-27.

8. Гладченко А.И., Сом А.И., Гладкий П.В. Совместимость при трении сплавов для наплавки червяков и гильз экструдеров. // Химическое и нефтяное машиностроение.- 1985.