Способ химико-термической обработки труб

Способ химико-термической обработки труб

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке с использованием плазменного и лазерного нагревов, и может быть использовано в энергомашиностроении для поверхностного упрочнения труб из малоуглеродистых сталей, используемых в узлах котельных агрегатов. Цель изобретения - повышение долговечности труб в условиях газоабразивного износа и деформационной способности труб в холодном состоянии за счет повышения пластичности покрытия. Способ химико-термической обработки включает плазменное напыление на обрабатываемую поверхность жаропрочного сплава на основе железа толщиной 30-40 мкм, нагрев покрытия до оплавления лучом непрерывного лазера и последующие плазменное напыление на ту же поверхность жаростойкого сплава, содержащего FE, CR, MO, P и C, толщиной 15-25 мкм и нагрев этого покрытия лучом непрерывного лазера при скорости сканирования 20-30 мм/с. Предлагаемый способ обеспечивает повышение износостойкости в условиях газоабразивного износа в 7-10 раз по сравнению с известным способом, а также обеспечивает возможность гиба труб с покрытием в холодном состоянии. 4 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (5g 4 С 23 С 8/00

OllNGAHNE ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4265809/31-02 (22) 26.03.87 (46) 15.10.89. Бюл. 11 38 (71) Ленинградский политехнический, институт им. M.È. Калинина (72) В.Г, Хорошайлов, F..Ë. Гюлиханданов, Б.В. Потапов, Б.Г. Бабич и С.А. Ловкис (53) 621.375.826 (088.8) (56) РЖ Металлургия, 1985, 9 ll, peA. 11Н1302.

Rapidly Quenched. Metals — Roceedings S-th Int. Conf Varzburg, Sept, 3-7, 1984, v.l. (54) СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУБ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-тер- мической обработке с использованием плазменного и лазерного нагревов, и может быть использовано в энергомашиностроении для поверхностного упрочнения труб из малоуглеродистых, сталей, используемых в узлах котельИзобретение относится к металлургии, а именно химико-термической обработке с применением плазменного и лазерного нагрева, и может быть использовано в энергомашиностроении для поверхностного упрочнения труб из малоуглеродистых сталей, эксплуатируемых в узлах котельных аппаратов.

Целью изобретения является повышение долговечности труб в условиях

„.,Я0„„1514823 А1

2 ных агрегатов. Цель изобретения— повышение долговечности труб в условиях газоабразивного износа и деформационной способности труб в холодном состоянии за счет повышения пластичности покрытия. Способ химикотермической обработки включает плазменное напыление на обрабатываемую поверхность жаропрочного сплава на основе железа толщиной 30-40 мкм, нагрев покрытия до оплавления лучом непрерывного лазера и последующие плазменное напыление на ту же поверхность жаростойкого сплава, содержащего Ре, Cr No P и С, толщиной

15-25 мкм и нагрев этого покрытия лучом непрерывного лазера при ско. рости сканирования 20-30 мм/с. Предлагаемый способ обеспечивает повышение износостойкости в условиях газоабразивного износа в 7-10 раз по сравнению с известным способом, а также обеспечивает возможность гиба труб с покрытием в холодном состоянии. 4 табл. газоабразивного износа и деформационной способности труб в холодном сос-. тоянии за счет хим.состава и повьппения пластичности покрытия.

Способ осуществляется следующим образом.

На обработанную в пескоструйном аппарате поверхность труб производилось ппазменное напыление порошкового жаропрочного сплава на железной основе (промежуточный слой). Парамет1514823

30 нет гарантии получения прочного сцепления с подложкой при выбранных режимах лазерной обработки, так как в этом случае из-за недостаточного тепловложения возможно отсутствие ры напыления: плазмотрон ПН-21, зашита Ar, ток дуги 420 А, дистанция напыления 80 мм. Толщина полученнсго слоя находилась в пределах 305

40 мкм.

Состав промежуточного покрытия, напыляемого на 1 стадии, следующий:,, вес.Ж: Fe осн., Ni 12-14; Cr 11-13,", Nn 2-2,5; Si 1,5-2,0; Си 0,4-0 5, 10

С 0,1; Al 11-12.

Полученный на плазмотроне слой обрабатывался лучом лазера со следу ющими параметрами . установка JIT-1 (C0g -лазер), энергия излучения

2 кВт, диаметр луча 2 мм, скорость перемещения луча 5 мм/с.

Аналогично наносился внешний слой следующего состава,. вес.7: Fe осн.;

Cr 10; Мо 5; P 13; С 7. Толщина ;,. 20 внешнего слоя колебалась в пределах

15-25 мкм. При обработке лазерным излучением скорость перемещения луча лазера составляла 20 мм/с и

30 мм/с соответственно. Кроме труб покрытие создавалось также на плоских образцах из стали 20, которые в дальнейшем подвергались технологической пробе на загиб на радиусах

48,20,5 мм.

Толщины слоев в параметры лазерного излучения выбраны таким образом, чтобы обеспечить проплавление промежуточного слоя с металлом трубы и внешнего слоя с промежуточным, гаран- 35 тируя тем самым прочность сцепления слоев, толщина промежуточного жаропрочного слоя на железной основе, должна быть в пределах 30-40 мкм, : При меньшей толщине (меньше 30 мкм) 40 лазерное излучение в большей степени воздействует на металл подложки (трубы) и распределение максимальных температур становится таким, что в приповерхностных слоях метал- 45 ла подложки эффективно начинают проявляться закалочные эффекты, что снижает способность к пластической: деформации этих участков. Данное положение в особенности строго для низ-50 коуглеродистых малолегированных сталей и простых среднеуглеродистьгх, При большей толщине (больше 40 мкм) диффузионного контакта между металлом подложки и покрытием.

Поскольку высокая износостойкость обеспечивается не только химическим составом покрытия, но и его опреде- ленным структурным состоянием (аорфным), необходимо, чтобы скорость перемещения луча лазера при обработке внешнего слоя должна быть не менее 20 мм/с, при этом толщина его должна быть в пределах 15-25 мкм.

При меньшей (меньше 15 мкм) толщине практически невозможно обеспечить равномерность и сплошность напыляемого на плазмотроне слоя по длине заготовки (трубы) ° При большей толщине (больше 25 мкм), а следовательно, и большей массе разогревае— мого вещества не обеспечивается критическая скорость охлаждения, позволяющая зафиксировать металл внешнего слоя в аморфном состоянии. Ограничение по скорости перемещения лазерного луча связано с теми же обстоятельствами.

Условие эксплуатации труб пароперегревателей котельных установок предполагает обтекание их потоком разогретых газов и твердых частиц несгоревшего топлива, при этом внеш- няя поверхность трубы может разогреваться до 550-600 С. Поэтому защитное покрытие должно обладать высоким сопротивлением газоабразивному износу и достаточной жаростойкостью и жаропрочностью, необходимым запасом пластичности и удовлетворительными адгезионными свойствами по отношению к металлу подложки (трубы) .

Таким сочетанием свойств обладает комплексное двухслойное покрытие, наносимое предлагаемым способом.

Внешний его слой обладает необходимой износостойкостью и жаростойкостью. Промежуточный жаропрочный слой на железной основе выполняет функцию подложки с хорошими адгезионными свойствами для внешнего слоя, одновременно давая хорошее сцепление с металлом трубы. Кроме того, промежуточный слой вполне может выполиять и рабочие функции протектора трубы, поскольку является жаропрочным при истирании (износе) внешнего слоя.

Существенно, что химический сос.тав внешнего и промежуточного слоя обеспечивает не только необходимые

1514823 эксплуатационные свойства, но обус-. лавливает при сплавлении лучом лазе1 ра образование сплавов типа твердых растворов. Последнее обстоятельство является решающим с точки зрения способности сплава к пластической деформации, таким образом решается возможность .холодного гиба труб.

Промежуточный жаропрочный слой на железной основе, обладающий хорошим адгезионным взаимодействием одновременно по отношению к иэносостойкому внешнему слою и металлу трубы, обеспечивает за счет этого прочную связь всей композиции, а также ее способность к пластической деформации. Существенным является также то, что промежуточный слой (жаропрочный) может выполнять и рабочую функцию внешнего при истирании последнего.

Наконец, прочное сцепление слоев друг с другом и с поверхностью трубы (образование диффузионных зон) обеспечивается лазерным нагревом. Параметры лазерного излучения выбираются с учетом толщины покрытия, оставляя переменной скорость перемещения образца относительно луча лазера.

Подбор параметров извлечения для достижения необходимого эффекта (струк- тура слоя, прочность сцепления и т.д.) производится предварительно экспериментальным путем.

B рассматриваемом способе в качестве базовых параметров излучения выбраны мощность излучения P-2 кВт и диаметр луча d = 2 мм (в том числе и с учетом производительности процесса). Затем экспериментально уточнялись приемлемые значения V перемещения луча и толщины облучаемого слоя, имея в виду достаточный прогрев для образования прочного диффузионного сцепления с подложкой (верхний предел по 7„ „ ) и необходимость предотвращения выгорания (испарения)некоторых элементов композиции (например, хрома), образование кратеров

- пузырей, выбросов металла и т.п. (нижний предел Чд д„„„, ). .В экспериментах варьировала толщина облучаемого . слоя в пределах 10 †2 мкм и скорость перемещения от 1 до 30 мм/с. Наиболее удовлетворительными были признаны толщина покрытия 35 5 мкм, 7„8 е„ „ =

5 мм/с.

Что касается внешнего (П-го) слоя покрытия, то его толщина составляет лишь 20+5 мкм. Это ограничение обусловлено тем, что облучаемый состав способен к аморфизации, которая, резко повышая сопротивление износу, как известно, реализуется лишь при определенных значениях скоростей охлаждения. Этим эффектом регламентирована и Ч „е „, „= 20-30 мм/с при об10 лучении внешнего слоя.

Таким образом, предлагаемый способ реализуется при следующих условиях: мощность излучения P = 2 кВт; диаметр луча 2 мм; промежуточный (1)

15 слой толщиной 354.5 мкм облучается при V„ „„, = 5 мм/с; внешний (П) слой толщиной 20 5 мкм облучается пРИ Veep emeute = 20 30 мм/с

Пример. Для получения покрытия готовились композиции порошков компонентов каждого из составов.

Затем на пескоструйную поверхность трубы напыляли на плазмотроне ПН-21 в среде аргона. Толщина промежуточного слоя измерялась в 3-х точках с помощью микрометра и окончательно находилась в интервале 30-40 мкм. После того производилась обработка полученного покрытия лучом СО -лазера

30 (ЛТ- 1, 2 кВт, Чяе е мрем = 5 MM/c) °

По аналогичной схеме создавался внешний слой покрытия. Толщина внешнего слоя колебалась от 15 до 25 мкм.

Скорость перемещения лазерного луча при его обработке составляла 20 и .30 мм/с соответственно, Оценивалось качество покрытия (отсутствие растреСкивания) .

Кроме труб покрытие создавалось

4О на плоских образцах из стали 20, которые в дальнейшем подвергались технологической пробе на загиб на разных радиусах. В качестве показателя, характеризующего способность к

45 пластической деформации, принимали угол загиба до появления трещины.

Полученные результаты представлены в табл.1 и 2.

5О Угол загиба определялся на радиусе R = 48 мм до появления первой трещины.

Для сушки долговечности труб в условиях газоабразивного износа про55 ведены испытания змеевиков экономайзера котла ТП Р 17 ст. У 13 Прибалтийской ГРЭС. Образцы устанавливались (врезались) в ноябре 1985 r. u были сняты в январе 1988 г. За вре15148?3

Таблица1

Промежуточный слой

Наличие трещин

Внешний слой

Пример

Толщина плазменноСкоСкоТолщина плазменнорость перемещения луча, мм/с рость перемещения луча, мм/с го покрытия (в 3 точках, мкм) ro покрытия (в

3 точках) 37,39;42

37,40,41

5 18,20,20

5 20 21 22

20 Трещин нет

30 Трещин нет

1 2

Прот отип

20 Растрескива-, ние покрытия

10-30

Таблица2

Толщина Толщина

Угол з агиба град, Скорость перемещения луча, мм/с

Наличие

Пример, Р первого слоя, мкм второго слоя, мкм трещин после обработки

151

148

139

Нет

Нет

Нет

36

1

3 мя испытаний котел наработал 13978 ч„

Топливо-эстонские сланцы, Результаты испытаний приведены в табл.3

Таким образом, относительная скорость изнашивания у предлагаемого плаэменно-лазерного покрытия в 714 раз ниже в сравнении с покрытиям из Al, Cr, а также на базе системы Fe Ni-Сг.

Кроме того, коэффициент износостойкрсти плазменно-лазерных покрытий из

А1, Al + 10XCr, А1 О, а также сплава ПГСР-2 в б-9 раз ниже по сравнению 15 с предлагаемым покрытием. Данные приведены в табл.4. В качестве абразивнОго материала использован зольный продукт.

Формул а из обр ет ения 20

Способ химико-термической обработкй труб преимущественно из малоуглеродистых сталей, включающий плазменное напыление на обрабатываемую поверхность жаростойкого сплава, содержащего Fe, Cr, Mo, P и С, и последующий нагрев лучом непрерывного лазера путем сканирования поверхности с постоянной скоростью, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения долговечности труб в условиях газоабразивного износа и деформационной способности труб в холодном состоянии за счет повышения пластичности покрытия, на обрабатываемую поверхность предварительно наносят плазменным напылением жаропрочный сплав на основе железа толщиной 3040 мкм, после чего нагревают его до оплавления лучом непрерывного лазера затем напыляют жаростойкий сплав толщиной 15-25 мкм и нагревают лазерным лучом со скоростью сканирования

20-30 мм/с.

1514823

ТаблицаЗ

Таблица4

ОтносительЛинейный

Тип покрытия

Тип покрытия износ, ДЯ, 1,09

1,39

21,2

22,5

19,8

22,9

0,0078ю10

0,62 но-лазерное покрытие (заявл. составы) 0,11 0,0078 10

173,7

Составитель А, Булгач

Редактор M. Бандура. Техред А.Кравчук

Корректор А, Обручар

Заказ 6197/29 Тираж 942 Подпи сное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат ."Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101

Алюминий

Хром

Однослойное покрытие на базе

Fe Ni-Cr

2-слойное покрытие (предлагаемый состав) 5 рость изнашивания, W, м/г

М °

0,091 ° 10 10

0,102 ° 10

Al

Al + 10XCr

Al z0a

ПГСР-2

15 2-слойное плазменКоэффициент износостойкости

К ион *

МДж/к г