А.И. Демченко¹, А.А. Масимов¹, А.И. Андрейко¹, А.А. Мальцев²¹ ООО «Гранком», г. Кулебаки, ул. Восстания, 1/14, 607018

² АО «Русполимет», г. Кулебаки, ул. Восстания, 1, 607018

Одной из основных быстроизнашиваемых частей радиально-ковочной машины является боек. В статье проведен анализ способов ремонта данного узла, показаны преимущества и недостатки стандартной технологии, обоснован выбор нового метода – прямого лазерного выращивания. Показано, что при применении порошка стали собственного производства «Инко-718» и установки ИЛИСТ-L стойкость комплекта бойков, отремонтированных по новой технологии, выросла на 32,5%.

Введение

В агрегатах для металлургических процессов одними из самых быстроизнашиваемых узлов являются те, которые контактируют с жидким или горячим металлом. При этом материалов, которые бы не выходили из строя или не портились при работе в таких условиях, человечество пока не придумало. Поэтому постоянной задачей персонала, эксплуатирующего оборудование для металлургических процессов, является ремонт быстроизнашиваемых металлических частей. Одним из таких металлургических агрегатов на предприятии АО «Русполимет» является радиально-­ковочная машина (РКМ) марки SKK‑14 производства фирмы GFM, Швейцария. Одной из наиболее изнашиваемых частей данного агрегата является боек. Боек для РКМ представляет собой многогранную призму с четным количеством граней, рабочих профилей и установочных поверхностей, где каждые две смежные грани бойка выполнены установочными и расположены под углом к направлению приложения усилия ковки, а рабочие профили размещены в местах пересечения смежных граней [1]. В процессе эксплуатации происходит неизбежный износ граней бойков, вызванный постоянным взаимодействием с высокими температурами, давлением, налипанием окалины и последующей деформацией рабочей поверхности при ее очистке. Организация процессов на современном металлургическом производстве требует своевременного и эффективного ремонта или замены бойков.

До появления и развития аддитивных технологий в основном использовались следующие способы ремонта изношенных бойков:

—  шлифовка под меньший размер,

—  электродуговая ручная и механизированная наплавка легированными проволоками.

Развитие аддитивных технологий открывает металлургам новые возможности ремонта изношенных металлических поверхностей. Для восстановления деталей используется мелкодисперсный металлический порошок с широким фракционным составом (размер частиц от 40 до 150–200 мкм), расплавляемый высокомощным лазером. Технология позволяет использовать различные металлы и сплавы, такие как нержавеющие стали, никелевые сплавы, титановые сплавы, бронзы и металлокерамики, создавать изделия с градиентными свой­ствами благодаря возможности управления химическим составом подаваемой смеси порошка, формировать мелкозернистую структуру, что повышает прочность выращенных изделий, обрабатывать их традиционными методами, такими как сварка, раскатка и штамповка.

Состояние вопроса

Достоинства и недостатки шлифовки и механической обработки рабочих металлических поверхностей подробно рассматриваются в работах [2–3]. Особенности ремонта металлических приспособлений путем электродуговой ручной и механизированной наплавки легированными проволоками изучены в научных трудах [4–8]. Оба этих способа имеют свои преимущества, однако к главным их недостаткам можно отнести высокую стоимость и длительность ремонта. Одним из наиболее оптимальных процессов, позволяющих снизить время ремонта и существенно повысить его качество, является прямое лазерное выращивание [9–16]. В качестве наплавляемого компонента используется металлический порошок, произведенный по различным вариантам технологии, таким как газовая атомизация [17] по технологии VIGA или EIGA либо технология Plasma Atomization [18–19]. В данной работе использовали поврежденные бойки от РКМ, принадлежащей АО «Русполимет», в качестве площадки для наплавления, а металлический порошок, полученный методом газовой атомизации в условиях ООО «Гранком», в качестве наплавляемого компонента. Целью работы явилось проведение сравнительного анализа стойкости бойков после ремонта методом прямого лазерного выращивания и традиционным способом (механизированная наплавка легированными проволоками).

Экспериментальная часть

В качестве наплавляемого материала использовали порошок из сплава марки «Инконель‑718», который получали методом газовой атомизации. Полупродукт выплавляли в вакуумной индукционной печи емкостью 300 килограмм на марочных отходах (до 90%) и чистых материалах (до 10%). После достижения требуемого химического состава и температуры расплав переливали в специальный промежуточный ковш. Распыление проводили аргоном при давлении 50 атмосфер. Температуру расплава поддерживали на уровне 1650°С.

Полученный порошок подвергали рассеву на установке ситового рассева для получения фракции 45–125 мкм. Выращивание образцов и ремонт изделий проводили на установке прямого выращивания ИЛИСТ-L. Стратегии и режимы выращивания образцов показаны на рис. 1.

Полученные образцы газостатировали по режиму: давление 140±10 МПа, температура 1150/pm10/degc. Время выдержки — 3 часа. Была исследована их микроструктура. Установили, что оптимальные режимы выращивания № 4 и № 5. Полученные образцы испытывали на прессе с превышением номинальной нагрузки до разрушения или деформации. Внешний вид образцов № 4 и № 5 после испытания на прессе показан на рис. 2. Максимальное давление на образец № 4 до разрушения составило 630 т/с (300% от номинального), на образец № 5 2000 т/с (1000% от номинального) . Как видно из рис. 2, образец, полученный по режиму 5, является наиболее устойчивым к нагрузкам давлением, поэтому данный режим был выбран для ремонта деталей. Внешний вид готовых изделий и процесса выращивания показан на рис. 3.

Рис. 2. Внешний вид образцов № 4 и № 5 соответственно после испытания на прессе

Рис. 3. Внешний вид готовых бойков и процесс печати

Обсуждение результатов

Внешний вид комплекта бойков, установленных в машину, а также бойка после выхода из строя показан на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид комплекта бойков, установленных в машину, и боек после выхода из строя

Переков заготовок проводили из марки ЭП‑893 с диметра 77 мм до диаметра 34 мм. Данные о стойкости бойков приведены в таблице 1.

Как видно из данных таблицы 1, комплект бойков, отремонтированных с помощью технологии прямого лазерного выращивания, имеет стойкость на 32,5% выше, чем бойков, отремонтированных по стандартной технологии (при помощи наплавки проволокой), при этом стоимость ремонта по стандартной технологии всего на 2% ниже.

Выводы

•  На предприятиях ООО «Гранком» и АО «Русполимет» создана кооперация по ремонту быстроизнашиваемых частей РКМ.
•  Разработаны стратегия и режим печати для сплава «Инко‑718».
•  Получена стойкость комплекта бойков, отремонтированных по технологии прямого лазерного выращивания, на 32,5% выше нормативной. ■

ООО «Гранком»

Нижегородская обл., г. Кулебаки,

ул. Восстания, 1/14, 607018

Тел.: +7 (831) 4351754

info@grankom.com, https://grankom.com/

Литература

1. Патент N SU 1 225 664 A2 СССР МПК B21J7/16 (2000‑01‑01). Бойки для радиально-­ковочной машины. N 3753946; заявл. 19.06.1984; опубл. 23.04.1986 / Сапуткин Е. П., Макаров А. И., Тимергалеев Р. М., Кувшинов Г. А., Покрас И. Б.
2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2‑х кн. / А. Г. Косилова [и др.]; под ред. А. М. Дальского [и др.]. 5‑е изд., перераб. и доп. — М: Машиностроение‑1, 2001 г. — 912 и 944 с.
3. Станочные приспособления: справочник. В 2‑х кн. Кн. 1/ Б. Н. Вардашкин; под ред. Б. Н. Вардашкина [и др.]; — М.: Машиностроение, 1984.
4. Донской А. В., Клубникин В. С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. — Л.: Машиностроение, 1979. — 232 с.
5. Костиков В. И., Шестерин Ю. А. Плазменные покрытия. — М., Металлургия, 1978. 160 с.
6. Кудинов В. В., Пекшев П. Ю., Белащенко В. Е. и др. Нанесение покрытий плазмой. — М.: Наука, 1990. — 408 с.
7. Сидоров В. П., Борисов Н. А. Критерий проплавляющей способности дуги при сварке [текст] // Сварка и диагностика. — 2013. — С. 24–27.
8. Сидоров В. П., Борисов Н. А. Вклад в проплавление изделия мощности электродного металла при сварке под флюсом [текст] // Пайка-2013: сборник материалов международной научно-­технической конференции 72 (Тольятти, 10–12 сентября 2013 года) / редкол.: А. Ю. Краснопевцев (отв. ред.) [и др.] — Тольятти: ТГУ,  2013. — С. 232–239.
9. Балякин А. В. Процесс прямого лазерного выращивания жаропрочного сплава: влияние мощности и термической обработки на микроструктуру и механические характеристики // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. — № 4 (46), 2023. — С. 64–78.
10. Киричек А. В., Федонин О. Н., Соловьев Д. Л., Жирков А. А., Хандожко А. В., Смоленцев Е. В. Аддитивно-­субтрактивные технологии — эффективный переход к инновационному производству // Вестник Брянского государственного технического университета. 2019. № 8 (81). — С. 4–10.
11. Прямое лазерное выращивание изделий из порошковых материалов: принцип, оборудование и материалы / В. В. Сомонов, Г. А. Туричин, Е. В. Земляков [и др.] // Технические науки в России и за рубежом: материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2016 г.). — Москва: Буки-­Веди, 2016. — С. 34–38.
12. Федоров В. Б. Актуальность метода прямого лазерного выращивания в аддитивном производстве. Технологии обработки // Международный журнал гуманитарных и естественных наук.  2024. № 4–5 (91). — С. 152–156.
13. Pinkerton A. J. Advances in the modeling of laser direct metal deposition // Journal of Laser Applications. 2015. Vol. 27. N S1. S15001.
14. J. Gausemeier, M. Wall, S. Peter. «Thinking ahead the Future of Additive Manufacturing — Exploring the Research Landscape», Heinz Nixdorf Institute, University of Paderborn — Paderborn 2013.
15. Debroy T., Wei H. L., Zuback J. S., Mukherjee T., Elmer J. W., Milewski J. O. Allison Michelle Beese, A. Wilson-­Heid, A. De, W. Zhang. Additive manufacturing of metallic components — process, structure and properties. Progress in Materials Science. 2018  (92). 112–224.
16. M. O. Sklyar, O. G. Klimova-­Korsmik, V. V. Cheverikin. Formation structure and properties of parts from titanium alloys produced by direct laser deposition. Solid State Phenomena. 2017 (265). 535‑541.
17. Tsantrizos P. G. et. al. Method of production of metal and ce-ramic powders by plasma atomization. Pat. US № 5707419, дата выдачи: 13 янв. 1998.
18. Donachie M. J. Donachie S. Superalloys: A Technical Guide, 2nd Ed. — ASM International, 2002. — 438 р.
19. Fngelo H. C., Subramanian R. Powder Metalurge: Science, technology and application. — New Dehli, 2009.

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2024