Наибольшие требования к твердости и износостойкости сплавов предъявляются в арматуростроении к затворам и уплотнениям исполнения металл по металлу. Такой тип затвора позволяет эксплуатировать шаровой кран при высоких температурах и агрессивных средах с включением твердых частиц. Из известных существующих чаще применяемых в изготовлении покрытий рабочих поверхностей затвора шаровых кранов твердыми сплавами можно выделить несколько видов технологий: газоплазменное напыление твердыми сплавами, лазерное плакирование, наплавка, гальваническое покрытие.
Для изготовления шаровых кранов с уплотнением металл по металлу, работающих в высокоабразивной и высокотемпературной (650-700 °С) агрессивной среде, наиболее подходят твердые сплавы. Это износостойкие и твердые материалы со способностью сохранения свойств в высокоабразивной среде и при высокой температуре – до 900-1150 °С. Чаще изготавливаются из тугоплавких и высокотвердых материалов на основе карбидов вольфрама, тантала, титана, хрома, связанных кобальтовой связкой с различным содержанием никеля и кобальта.
Твердые сплавы могут быть разделены на четыре основных типа: металлокерамические, литые, зернообразные и электродные [1].
Литые твердые сплавы представляют собой прутки или крупки, которые навариваются или наплавляются методом термической сварки. В последнее время разработана технология нанесения литых твердых сплавов с помощью газоплазменного напыления и лазерной наплавки.
Литые твердые сплавы на основе кобальта разделяются на два вида: стеллиты и стеллитоподобные [2].
Стеллитоподобные – это, например, марки сормайт № 1 и сормайт № 2. Сормайт № 1 за счет содержания 2,5-3,3 % углерода имеет большую твердость, но меньшую вязкость, что не позволяет работать на удар и толчки. Сормайт № 2, напротив, применим к деталям, подверженным ударным нагрузкам, содержание углерода в сплаве – 1,5-2 %, но твердость ниже почти на 10 единиц.
Стеллиты представляют собой сплавы хрома, кобальта, вольфрама, углерода, марганца, никеля и железа. Основой являются кобальт (45-62 %) и хром (28-45 %). Такие сплавы выпускаются в виде прутков диаметром 3-8 мм, длиной прутка 350-400 мм. В таком виде сплав применим для наплавки изнашивающихся поверхностей деталей, работающих в тяжелых условиях.
Кобальтовые стеллиты отличаются от стеллитоподобных высокой коррозионной стойкостью к ряду щелочей и кислот, а также к атмосферным влияниям.
Твердые сплавы в виде стеллитов обладают высокой устойчивостью к окислению при работе при температуре 750-800 °С, что позволяет применять их для наплавки, например, на лопатки турбореактивных и газотурбинных двигателей.
Из-за карбидной фазы, которая присутствует в стеллитах в большом объеме, помимо жаропрочности, они обладают большой износостойкостью [3], что дает возможность применения для пар трения металл по металлу в условиях отсутствия смазки.
В случае покрытия затвора шарового крана литым твердым сплавом наиболее подходящая марка стеллита – Пр-В3К ГОСТ 21449-79.
В соответствии с ГОСТ 21449-79 химический состав стеллита Пр-В3К приведен в таблице 1 [4].
Основной задачей является разработка технологии наплавки стеллита на шаровые затворы малого диаметра размером от Ду10 до Ду32. В классических методах наплавки предусматривается технология нанесения покрытия на поверхность с помощью термической сварки, например, неплавящимся электродом в среде инертных газов. В этом случае происходит нагрев изделия по всему объему, так как в соответствии с ГОСТ 21449-79 наименьший диаметр прутков – 4 мм, а сечение, например седел шара, может доходить до 3 мм.
Опытным путем было опробовано наплавление на заготовке в виде стальных колец с последующими механической обработкой и притиркой. Такой метод не позволяет существенно сократить технологическое время и расход материала. К минусам же можно отнести тяжелую обрабатываемость сплава Пр-В3К.
Для малых сечений диаметров можно использовать механизированную наплавку стеллитом марки Stellite 6 или Stellite 12, которые выпускаются в виде проволоки диаметром до 1 мм. Также можно использовать сплав в виде порошка и напылять газоплазменным методом. Твердость и качество покрытия после наплавки не уступают покрытию описанным методом, также наплавка прутком Пр-В3К имеет меньшие экономические затраты, если добиться нанесения покрытия наплавкой на меньшие сечения.
Для наплавки сплавов на тонкостенные изделия методом аргонно-дуговой сварки существует два метода – лезвийная наплавка и наплавка смачиванием. При лезвийной наплавке также используется пруток меньшего диаметра, чем сечение наплавляемого изделия. Наплавка смачиванием предусматривает расплав наплавляемого материала с последующим смачиванием изделия.
Последующие работы с исследованием наплавки производились с помощью метода наплавки смачиванием. Для этого была спроектирована и изготовлена установка (рис. 1).
Установка спроектирована так, чтобы можно было практическим методом подобрать углы рабочих поверхностей всех элементов, а также расстояние от электрода горелки. Опытным путем вследствие экспериментов выявлены расстояния и углы расположения заготовок, горелки и прутка.
Суть процесса заключается в следующем: наплавка смачиванием происходит благодаря разогреву тела наплавляемого материала без контакта дуги с изделием, разогретый наплавляемый материал при попадании на поверхность изделия передает n-е количество теплоты, что достаточно для смачивания стали расплавом при соответствующем угле Ө. С помощью расчетов и моделирования процессов были выявлены формулы для расчета тока дуги, скорости перемещения заготовки и толщины покрытия.
Расчетный, а в последующем подтвержденный практическим методом нагрев рабочих частей изделия (уплотнительных поверхностей) не превышал 500-600 °С, что не приводило к деформации. Таким образом, наплавленные изделия (рис. 2) обрабатывались механически только по поверхности наплавки. Также с помощью регулировки скорости подачи прутка и перемещения/вращения заготовки можно регулировать толщину покрытия.
Во время разработки технологического процесса были исследованы и опробованы расчеты на тепловую мощность, смоделированы результаты расчетов времени нагрева и скорости наплавки. Выяснилось, что подходит формула скорости для наплавки флюсом с некоторой модификацией под наплавку в среде аргона неплавящимся электродом. Для подтверждения были проведены моделирования процесса в симуляторе и на испытательной установке.
Результатом проделанной работы является разработанный технологический процесс, который перспективен в своем направлении. Наплавка на стали кобальтовых стеллитов – достаточно дорогой процесс, так как материал имеет высокую цену и способы его обработки требуют больших трудозатрат. Наплавка на готовое изделие с минимальной последующей механической обработкой без потери свойств удешевит ее применение.
Литература
1. Шрейбер Г.К., Прелин С.М., Шибреев Б.Ф. Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. 2-е издание. – М. – 1969.
2. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые сплавы. – М. – 1971.
3. Мровец С., Вербер Т. Современные жаростойкие материалы. – М. – 1986. – С. 360.
4. ГОСТ 21449-75 Прутки для наплавки.
