Сварочные и наплавочные материалы для упрочнения и восстановления горнодобывающего оборудования и техники

Балин А.Н.^1*, Вишневский А.А.¹, Смоленцев А.С.^1,2**, Зайцев И.А.^1***, Пахомов Н.И.¹

¹ЗАО «Завод сварочных материалов», ²УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина E-mail: ^*svarka.naplavka@yandex.ru, ^**nir@tdzsm.ru, ^***sale@tdzsm.ru

В горнодобывающей промышленности находит широкое применение техника различного назначения, работающая в условиях абразивного, ударно-абразивного, контактного нагружения. При этом детали машин быстро выходят из строя в результате изнашивания. С целью повышения работоспособности техники новые детали и механизмы машин требуют предварительного упрочнения. Кроме того, восстановление и упрочнение изношенных деталей машин является не менее значимой задачей.

Завод сварочных материалов с 1996 года изготавливает различные электродные материалы для упрочнения и восстановления деталей: сварочные и наплавочные электроды, порошковые проволоки и флюсы. Некоторые виды деталей, которые восстанавливаются наплавкой, представлены на рисунке 1.

В зависимости от условий работы изделий реализуют в наплавленном металле ту или иную матричную фазу, в которой располагаются карбиды. Для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания без ударных нагрузок, наивысшей изностойкостью обладают сплавы с мартенситной структурой [1]. Другим немаловажным фактором является наличие в структуре сплава карбидов различной стехиометрии. При одинаковой поверхностной твердости стали со структурой мартенсит + карбиды обладают большей износостойкостью, чем стали с такой же твердостью, но не имеющие избыточных карбидов [2]. Если речь идет о изделиях, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания, то с целью уменьшения склонности к зарождению в отдельных местах очагов разрушения используют аустенитно-мартенситную или аустенитную матрицу. Такая структура обладает более высокой вязкостью, что благоприятно влияет на стойкость против ударных нагрузок.

Ярким примером деталей, работающих в чрезвычайно тяжелых условиях с сочетанием ударно-абразивного износа, являются отвалы бульдозеров, зубья ковшей экскаваторов, ножи шнеков и смесителей револьверных прессов, клыки и ножи землеройных машин, лемехов и молотков дробилок. С целью восстановления изношенных или упрочнения новых деталей используют электроды на основе твердого железохромоникелевого сплава типа Сормайт С1 (тип наплавленного металла Э-300Х28Н4С4, HRC 49–56,5), а также порошковая проволока ПП-ЗСМ-151 с системой легирования Fe-Cr-B-Ti (HRC 51,5–59).

Хорошие результаты для повышения изностойкости в условиях ударно-абразивного износа дают электродные материалы со структурно неустойчивой структурой аустенита. Нами разработаны электроды нового поколения: ЗСМ-6 с системой легирования Fe-Cr-Ti-B (HRC 50–55) и ЗСМ-7 с системой легирования Fe-Cr-Mn-Si-B-V (HRC 56–63), позволяющая получить в структуре мартенситно-аустенитную матрицу с карбидами. В процессе пластической деформации в результате ударного воздействия нестабильный (метастабильный) аустенит претерпевает фазовые превращения по механизму γ→α→ε. Аналогичным эффектом обладают порошковые с метастабильным аустенитом: ПП-ЗСМ-147 с системой легирования Fe-Cr-Mo-Mn-V-Ti-B (HRC 55–62), ПП-ЗСМ-257 с системой легирования Fe-Cr-Mn-Ti-Mo-V-Si (HRC 55–62), ПП-ЗСМ-111 с системой легирования Fe-Cr-Ti-B (HRC 45–62). Отметим, что для восстановления кузовов самосвалов возможна наплавка изношенной поверхности порошковой проволокой ПП-ЗСМ-147, а также облицовка поверхности кузова пластинами с износостойкой наплавкой.

Еще одним подходом к повышению изностойкости является наплавка электродными материалами, разработанными на основе мартенситностареющих сталей. Типичным пример электродного материала с интерметаллидным упрочнением – порошковая проволока ПП-ЗСМ-104 с системой легирования Fe-Cr-Cu-B-Ti (HRC 58–62). Важной особенностью данного состава порошковой проволоки ПП-ЗСМ-104 является возможность наплавки до 5 слоев без опасности образования трещин в наплавленном металле.

В горнодобывающей, дорожной и сельскохозяйственной техники находит применение износостойкая высокомарганцовистая сталь 110Г13Л (сталь Гатфильда). Несмотря на высокую износостойкость данной стали, в процессе эксплуатации происходит интенсивный износ и разрушение деталей горнодобывающей техники. Однако сварка высокомарганцовистых сталей имеет свои особенности и трудности. Как известно, высокие коэффициенты линейного расширения, низкая теплопроводность высокомарганцовистой стали, а также наличие в ее структуре карбофосфидной эвтектики существенно осложняют технологию сварки и наплавки. Выбор состава электродного материала должен основываться на обеспечение высокой пластичности и малой склонности металла шва и околошовной зоне к образованию трещин [3]. При использовании ЭМ, близких по составу к основному металлу, для обеспечения хорошего сочетания пластичности и высокой трещиностойкости в них содержится пониженное содержание углерода до 0,7–0,9 мас. % и введено никеля в количестве 1–4 мас. %.

Для сварки марганцовистой стали используются электроды НИИ-48Г (тип наплавленного металла 08Х20Н9Г6С), ОЗЛ-6 (тип наплавленного металла Э-10Х25Н13Г2), ОЗЛ-8 (Э-07Х20Н9), ЗСМ-129 (система легирования Mn-Ni); порошковые проволоки ПП-ЗСМ-119 (тип наплавленного металла 15Х12Г14Н7Т), ПП-ЗСМ-129 (система легирования Mn-Ni, твердость в первоначальном состоянии составляет HRC 16–25, а после деформационного упрочнения до HRC 45).

Для наплавки катков и роликов ходовой части используются дешевые и относительно простые по системе легирования порошковые проволоки следующих марок: ПП-ЗСМ-100 c типом наплавленного металла 30Х5Г2СМ (HRC 49,5–57) и ПП-ЗСМ-103 с типом наплавленного металла 18Х1Г1М (HRC 29–40,5) (рисунок 2).

Зачастую использование сварки в защитном газе не всегда возможно, особенно при выполнении сварочных работ в полевых условиях. В этих случаях для механизированной и автоматической сварки открытой дугой находят применение самозащитные порошковые проволоки ПП-ЗСМ-СП-10, ЗСМ-Е71T—GS.

ЗСМ выпускает для сварки и наплавки флюсы различного назначения. Флюс ЗСМ-АН-112, выпускаемый нашим предприятием, является аналогом таких широко известных флюсов АН-348А, АН-60. Для автоматической сварки применяются керамические флюсы ЗСМ-7, ЗСМ-8, ЗСМ-15, которые позволяют при сварке «обычными» простыми сплошными проволоками типа Св-08А, Св-08Г2С ГОСТ 2246-70 обеспечивают твердость наплавленного металла от HRC 40 до HRC 58.

Спектр выполняемых услуг нашим предприятием не ограничивается только выпуском электродных материалов различного назначения (флюс, электроды, порошковые проволоки). ЗАО «ЗСМ» оказывает помощь в организации участков на предприятиях с поставкой оборудования и передачей технологии наплавки. В последнее время наше предприятие оказывает услуги по восстановлению коленвалов и гидроцилиндров с помощью технологии сверхзвукового газопламенного напыления (HVAF, HVOF) и дуговой металлизации. Из последних разработок стоит отметить электродные материалы для восстановления замков буровых труб по технологии Hardbending и для упрочнения буровых коронок [4]. Кроме того, предприятие осуществляет работу по разработке импортозамещающих электродных материалов.

Литература

1. Материаловедение : учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов [и др.] ; под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. – 8-е изд., стереотип. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. – 648 с.
2. Гуляев А. П. Металловедение : учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с.
3. Березовский А. В. Совершенствование технологии сварки высокомарганцевой стали. Причины образования дефектов в сварных соединениях. Способы их предотвращения : монография / А. В. Березовский. – Saarbrücken, Германия : LAP LAMBERT academic Publishing, 2015. – 93 с.
4. Электродные материалы для наплавки бурового инструмента по технологии hardbending / А. Н. Балин [и др.] // Бурение и нефть. – 2021. – №. 9. – С. 50–51.