NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 17 - 21 17

R. Ćirić, Z. Jugović, M. Radojević

PRIMENA NAVARIVANJA U REPARATURI ELEMENATA IZLOŽENIH ABRAZIVNOM HABANJU I UDARNIM OPTEREĆENJIMA∗

THE APPLICATION OF HARDFACINGIN REPAIR OF COMPONENTS EXPOSED TO ABRASION WEARING AND IMPACT LOADING

Originalni naučni rad / Original scientific paper UDK/UDC: 621.791.92.004.67:622

Rad primljen / Paper received: 04.09.2001.

Adresa autora / Author's addres: Mr Radovan Ćirić, dipl.ing, Viša tehnička škola-Čačak Dr Zvonimir Jugović, red.prof, Tehnički fakultet-Čačak Milan Radošević, dipl.ing.maš, GASPROM-Čačak

Ključne reči:

Keywords: bageri, habanje, tvrdo navarivanje, termička obrada Excavating machinery, Wear, Hardfacing, Heat treatment

Izvod

Većina elemenata mašinskih sistema u rudarstvu je izložena abrazivnom habanju. To je posebno izraženo kod bagera koji rade na otkopavanju jalovine. Reparatura ovih elemenata je veoma značajna sa ekonomskog stanovišta. Reparatura osovinice na radnom organu bagera vedričara je primer mogućnosti primene navarivanja elemenata kod sistema u rudarstvu. Eksperimentalno je ispitivan uticaj režima termičke obrade pre i posle navarivanja, režima navarivanja i vrste dodatnog materijala, na mehaničke osobine i mikrostrukturu navarenog sloja. Pored eksperimenata izloženi su i rezultati ponašanja navarenih osovina u eksploataciji.

Abstract

Most of components of mining machinery are exposed to abrasion wearing, especially waste rock excavators. The repairing of these parts is very important from economic aspects. The repair of bucket dredger axis was example of hardfacing application in mining machinery. The influence of heat treatment range before and after hardfacing, hardfacing parameters and filler material on mechanical properties and microstructure on surface layer is experimentally examined. Also, the results of the exploitation behavior of repaired axes are given.

∗ Izlagano oktobra 2001, međunarodna konferencija "Stanje i perspektiva zavarivanja na početku novog veka".

UVOD Radni organi bagera koji rade na otkopavanju jalovine na površinskim kopovima uglja izloženi su abrazivnom habanju. Po pravilu mašinski delovi na ovim sistemima su izloženi i udarnim opterećenjima, tako da se, pored visoke otpornosti površina na habanje, zahteva i žilavost jezgra [1].

S obzirom da predmetni bageri rade na otkopavanju jalovine najčešće abrazivno sredstvo su čestice kvarca.

Gusenični mehanizam radnog organa bagera, a posebno osovina guseničnog mehanizma, je izložen velikom opterećenju i habanju.

Osnovni oblici habanja radne površine osovine su habanje abrazijom usled prisustva čestica kvarca u ravni habanja, i klizanjem bez podmazivanja, praćeno udarima. Osnovni mehanizmi habanja su abrazija usled prisustva čestica tvrdih minerala, adhezija usled klizanja i zamor površine usled udara.

U ovom radu su predstavljena istraživanja izvršena u cilju osvajanja postupka reparature osovine kojom bi se, uz znatne

uštede, u odnosu na izradu nove osovine, dobile iste ili poboljšane eksploatacione osobine [2].

Podaci o materijalu i eksperimentu Osovinica radnog organa bagera je izrađena od čelika Č.4830 (50CrV4 W.Nr. 1.8159), sledećeg hemijskog sastava u masenim %:

C Si Mn Cr V P S 0.53 0.27 1.02 0.97 0.10 0.017 0.024

Uobičajeni tehnološki postupak proizvodnje nove osovine [1] obuhvata sledeće operacije: kovanje, žarenje, obrada rezanjem, poboljšanje, obrada rezanjem i indukciono kaljenje.

U postupku termičke obrade osovina se poboljšava na zateznu čvrstoću Rm=1000-1200 Mpa, a zatim se završno kota ∅ D x L (sl. 1) indukciono kali na površinsku tvrdoću oko 60 HRC.

Za navarivanje postupkom ručnog elektrolučnog zavarivanja korišćeni su dodatni materijali (DM) čije su dimenzije i hemijski sastav date u tabeli 1.

Tabela 1. Karakteristike korištenih obloženih elektroda /3/

Hemijski sastav (%) i tvrdoća čistog metala navara

Oznake elektroda JUS.C.H3.019

DIN 8555

D (mm)

I (A)

C Si Mn Cr Ni HV HRC

1 E 2-400 3.25 110 0.17 0.12 1.8 1.5 350-400

2 E6-60 4.0 120 0.5 10 60

3 E 18.8MnB20 3.25 100 0.12 7 19 9

SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ

18 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 17 - 21

Za navarivanje kote ∅D x L (sl. 1) koja je izložena najvećim opterećenjima i habanju, ali i udarnim opterećenjima, saglasno [4, 5, 6] izabran je dodatni materijal (DM) grupe 6 po DIN 8555, koji se preporučuje za navarivanje konstrukcija i mašina izloženih habanju i udarnim opterećenjima.

Izabrani DM grupe E6-60 po AWS sa 10 % Cr i pored prisustva svega 0.5 % C u čistom metalu navara, pa i u metalu navara na Č.4830, prema Houdremontu [7] spada u nadeutektoidne čelike sa izlučenim primarnim karbidima u metalnoj osnovi.

Imajući u vidu eksploatacione uslove, za navarivanje pohabanih obimnih površina koje prethodno nisu indukciono kaljene, kao i za navarivanje prelaznog radijusa, izabran je legirani DM za navarivanje tvrdoće oko 400 HV, a kao međusloj DM legiran sa visokim sadržajem Cr, Ni i Mn.

Promenljivi parametri u eksperimentu bili su:

- vrsta dodatnog materijala; - tvrdoća osnovnog materijala (OM) pre navarivanja (36.5 i

56 HRC) ; - režim termičke obrade (TO) pre navarivanja

(predgrevanje 2h na 300 °C ili bez predgrevanja) ; - broj navarenih slojeva (jedan, dva ili tri) ; - režim otpuštanja posle navarivanja (1h na 400 ili 500 °C).

Izgled navarene osovinice sa šematski predstavljenim navarenim slojevima dat je na slici 1.

Slika 1. Šematski prikaz navarenih slojeva (1, 2, 3) na osovini:

1. E 2-400; 2. E 18.8MnB20; 3. E 6-60

Na osovinama sa najvećim stepenom habanja na cilindričnom delu izvršeno je najpre nanošenje "pufer" sloja sa DM E 18.8MnB-20, a zatim su naneta dva sloja sa DM E 6-60.

Kod osovina sa srednjim stepenom pohabanosti naneta su dva sloja sa DM E 6-60, a u zonama sa najmanjim stepenom pohabanosti nanet je jedan sloj sa elektrodom E 6-60.

Ispitivanja udarne žilavosti izvršeno je na epruvetama prema slici 2. Epruveta za ispitivanje na savijanje data je na slici 3, dok je dijagram F (N) – R (mm) dobijen pri ispitivanju savijanjem predstavljen na slici 4.

Na epruvetama (sl.2) vrh zareza se nalazio u tvrdom i relativno krtom navarenom sloju da se uoči razlika u veličini rada potrebnog za stvaranje prsline u navaru na vrhu zareza.

Prema [4] ispitivanje na statičko savijanje se preporučuje za određivanje žilavosti kod metala visoke čvrstoće, kao i čelika u kaljenom i nisko otpuštenom stanju. Ovim ispitivanjem se može odrediti rad plastične i elastične deformacije, ukupan rad loma, elastični, plastični i ukupan ugib.

Slika 2. Epruveta za ispitivanje udarne žilavosti

JUS C.A4.004; A - epruveta sa tvrdim navarom debljine oko 3 mm (poz. 2 – E 6-60;

poz 3 - OM), B - epruveta navarena sa dva DM (poz. 2-E6-60; poz. 1-

E18.8.MnB20, poz. 3-OM)

Slika 3. Shema ispitivanja na savijanje

Slika 4. Primer dijagrama dobijenog ispitivanjem na savijanje

REZULTATI I DISKUSIJA

Ispitivanje udarne žilavosti Vrednosti udarne žilavosti KU date su na slici 5 i u tabeli 2.

Slika 5. Zavisnost gornjih vrednosti udarne žilavosti KU od vrste i

tvrdoće Č.4830 pre navarivanja

NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 17 - 21 19

Tabela 2. Udarna žilavost epruveta sa navarenim slojem u zoni zareza prema slici 2

Termička obrada (oC) Udarna žilavost KU [J/cm2] Grupa Oznaka Predgrevanje Otpuštanje Tvrdoća OM pre

navarivanja 36.5 HRc Tvrdoća OM pre

navarivanja 56 HRc

1 E 2-400 -

300 300

- -

400

33.9 42.0 45.9

32.5 34.6 39.3

2 E 6-60 -

300 300

- 400 500

15.9 25.2 27.6

14.4 20.9 21.6

3 E 18.8MnB20 - - 68.3 49.8 - - 41.7 31.2

4 E 18.8MnB20 + E 6-60 (1 sloj) 300 500 46.0 32.0

- - 33.6 27.3 5 E 18.8MnB20 + E 6-60

(2 sloja) 300 500 37.6 29.7 - - 47.9 42.0

6 E 18.8MnB20 + E 2-400 300 400 51.1 45.1

7 Č.4830 - - 44.5 21.0 Kao što se i očekivalo, sa povećanjem stepena legiranosti DM smanjuju se vrednosti KU. Pozitivan uticaj na povećanje KU po pravilu ima primena termičke obrade pre i posle navarivanja.

Zapaža se da su kod epruveta navarenih sa međuslojem E 18.8MnB.20 dobijene više vrednosti KU, što je verovatno posledica povećanja rada širenja prslina kroz DM E 18.8MnB.20 i zonu uticaja toplote (ZUT) u Č.4830.

Rezultati pokazuju da je kod najvećeg broja proba rad stvaranja prslina veći od rada širenja prslina, i da se promenom DM može znatno uticati na veličinu KU. Istovremeno se zapaža da uticaj polaznog stanja Č.4830, usled delovanja toplote pri navarivanju i naknadne termičke obrade, nije izražen, kako se očekivalo.

Rezultati ispitivanja udarne žilavosti pokazuju da se primenom DM E 2-400 kod navarivanja prelaznog radijusa i ulaznog konusa postižu oko 2 puta veće vrednosti udarne žilavosti u odnosu na istu posle navarivanja sa DM E 6-60. Još povoljniji rezultati se postižu u slučaju navarivanja sa dva sloja ("pufer" sloj E 18.8MnB.20 + E 2-400).

Ispitivanje statičkim savijanjem Rezultati ispitivanja epruveta sa navarenim slojem u zoni istezanja, prema slici 3 dati su u tabeli 3 i na slici 6. Navarivanje je izvršeno na epruvetama sa polaznom tvrdoćom od 36.5 HRc.

Kao što se i očekivalo, vrednosti Apl i Rpl, kod epruveta sa tvrdim navarom su višestruko niže u odnosu na epruvete od Č.4830. Niže vrednosti se dobijaju kada se radi o dvoslojnim

navarima sa DM E 6-60 u odnosu na jednoslojne navare sa istim DM.

Rezultati ispitivanja statičkim savijanjem pokazuju da kombinacija Č.4830 + E 2-400 i Č.4830 + E 18.8 + E 2-400 obezbeđuju znatno više plastične osobine u odnosu na sledeće kombinacije OM + DM; Č.4830 + E 6-60 i Č4830 + E 18.8 + E 6-60.

Najveće vrednosti Apl i Rpl ima navar elektrode E 18.8MnB20.

Slika 6. Zavisnost gornnjih vrednosti rada utrošenog na plastičnu

deformaciju do loma Apl (Nm) i plastičnog ugiba do loma Rpl (mm) od vrste DM

Tabela 3. Rezultati ispitivanja statičkim savijanjem epruveta sa navarom

Oznaka prema JUS C.H3.019 Termička obrada Rs Rad loma A (Nm) Ugib R (mm)

Predgrevanje Otpuštanje (Mpa) Apl Ael A Rpl Rel R

1 E 2-400 300 300

- 400

169.89 195.99

3.65 8.9

11.15 11.0

14.8 19.9

0.45 0.65

1.35 1.4

1.8 2.05

2 E 6-60

- -

300 300

-

- 400 400 500 500

106.04 183.82 169.38 142.15 187.74

1.32 3.8

4.83 6.17 6.3

8.41 9.6

12.6 11.3 11.5

9.73 13.4

17.43 17.47 17.8

0.2 0.25 0.4 0.4 0.5

1.3 2.0 1.4 1.3 1.2

1.5 2.25 1.8 1.7 1.7

3 E 18.8MnB20 - 300

- -

143.9 146.89

15.0 14.6

13.6 13.7

28.6 28.3

2.1 2.2

1.3 1.2

3.4 3.4

4 E 18.8MnB20 + E 6-60 (1 sloj)

- -

- 500

131.05 142.37

1.46 4.72

12.9 12.84

14.36 17.56

0.25 0.4

1.3 1.4

1.55 1.80

5 E 18.8MnB20 + E 6-60 (2 sloja)

- 300

- 500

132.56 148.65

2.8 3.2

14.9 15.7

17.7 18.9

0.3 0.5

1.3 1.3

1.6 1.8

6 E 18.8MnB20 + E 2-400 - 300

- 400

165.1 172.21

6.2 9.74

11.62 11.45

17.82 21.19

0.9 1.04

1.3 1.27

2.2 2.31

7 Č.4830 - - 387.87 574 109 659 19.5 5.4 24.9

SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ

20 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 17 - 21

Ispitivanje tvrdoće Raspodela tvrdoće na osovini, pre navarivanja, data je na slici 7. Dijagramski prikaz promene tvrdoće u ZUT Č.4830 dat je na slici 8, a tvrdoća navarenih slojeva na slici 9.

Na slici 10 je prikazana raspodela tvrdoće na uzorku od Č.4830 navarenom sa međuslojem otpornim na pojavu prslina i tvrdim slojem.

Zapaža se da primenjeni režimi termičke obrade, pre i posle navarivanja, imaju veliki uticaj na raspodelu tvrdoće u ZUT u Č.4830, ali ne i metalu navara. Tvrdoće po preseku navara su dosta ujednačene (sl.9), što je povoljno. Primena međusloja sa elektrodom E 18.8MnB20 dovodi do izvesnog sniženja tvrdoće sloja debljine oko 2 mm, navarenog sa elektrodom E 6-60 ( sl.10 ).

Slika 7. Raspodela tvrdoće na osovini u presecima I-I i II-II

sa slike 1 pre navarivanja

Slika 8. Raspodela tvrdoće u ZUT Č.4830: kriva 1. posle

navarivanja bez prethodne i naknadne termičke obrade; kriva 2. predgrevana na 300 °C i navarena; kriva 3 predgrevana na 300 °C,

navarena i otpuštena 1 čas na 500 °C. Tvrdoća Č.4830 pre navarivanja 36.5 HRc

Slika 9. Tvrdoća navarenih slojeva na Č.4830: 1 – E 18.8MnB20; 2 – E 2-400; 3 – E 6-60; 4 – E 6-60 (predgrevanje 300 °C, otpuštanje 1

h na 500 °C)

Slika 10. Raspodela tvrdoće na uzorku od Č.4830 navarenom sa

međuslojem E 18.8MnB20 i tvrdim slojem E 6-60 ili slojem E 2-400; Polazna tvrdoća Č.4830 - 36.5 HRc; predgrevano na 300 °C,

otpušteno na 500 °C

Metalografska ispitivanja Izgled mikrostrukture u ZUT u Č.4830 posle navarivanja, izrazito zavisi od primenjenog režima termičke obrade pre i posle navarivanja, dok je uticaj primenjenog DM i režima navarivanja manje izražen.

Osnovni mikrokonstituent u ZUT bez prethodne i naknadne termičke obrade je martenzit (sl. 11a).

Kod uzoraka navarenih sa predgrevanjem i naknadnim otpuštanjem (sl. 11b) nije prisutna neotpuštena martenzitna faza u ZUT Č.4830.

Kod navarenih slojeva nije zapažen izraženiji uticaj prethodne i naknadne termičke obrade na izgled livene dendritne strukture, ali je zapažen neznatan uticaj na udeo pojedinih mikrokonstituenata. Karakterističan izgled mikrostrukture za navareni sloj sa DM E 6-60 dat je na slikama 12 ÷ 15.

a)

b)

Slika 11. Mikrostruktura u ZUT Č.4830 posle navarivanja bez predgrevanja i naknadnog otpuštanja (a) i predgrevanja na 300 °C sa

naknadnim otpuštanjem1 h na 500 °C (b) 300x; 4 % HNO3

NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 17 - 21 21

Slika 12. Izgled livene dendritne strukture navara sa DM E 6-60;

200x; HCl : HNO3 = 3 : 1

Slika 13. Mikrostruktura navara sa DM E 6-60 u oblasti sa Č.4830;

300x; HCl : HNO3 = 3 : 1

Slika 14. Mikrostruktura navara sa DM E 6-60 u oblasti sa Č.4830; 600x; HCl : HNO3 = 3 : 1

Slika 15. Raspodela karbidne faze po granici zrna (svetla faza) u

navaru sa DM E 6-60; 750x; HCl : HNO3 = 3 : 1

Izgled mikrostrukture na slikama 12 ÷ 15 ukazuje da se radi o visokolegiranom dodatnom materijalu. Osnovni mikroko-nstituent u strukturi je čvrst visokolegirani rastvor martenzita (sl. 13, 14 i 15) sa znatnim udelom karbidne faze. Saglasno [5] najverovatnije se radi o karbidima Cr23C6 i Cr7C3. Prisustvo pomenutih karbida, a pogotovu karbida tipa Cr7C3, tvrdoće oko 1600 HV, povoljno utiče na otpornost na habanje, čak i u prisustvu vrlo tvrdih abraziva kao što su čestice kvarca tvrdoće oko 1100 ÷ 1300 HV [6].

Analizom mikrostrukture, a imajući u vidu da ista ima dominantan uticaj na eksploatacione karakteristike navarenog sloja, zaključeno je da se kod navara sa DM E 6-60 struktura otpuštenog martenzita, sa primarnim karbidima i karbidima disperzno otvrdnutim u čvrstom rastvoru, dobija naknadnim visokim otpuštanjem. Režim termičke obrade neznatno snižava tvrdoću čvrstog rastvora (sl. 9), povećava žilavost (tab. 2), i izrazito povećava udeo disperzno izlučenih čestica karbidne faze u čvrstom rastvoru.

Eksploataciono ponašanje repariranih osovina Uporedno je praćeno eksploataciono ponašanje guseničnog mehanizma radnog organa bagera sa ugrađenih 130 komada novih i 130 komada repariranih osovina. U trajanju od 60 dana prosečno habanje prečnika D (sl. 1), kod novougrađenih osovina iznosilo je oko 6 mm, a repariranih oko 4 mm;nije utvrđena pojava prslina usled zamora materijala izazvanog udarom, što ukazuje da u reparirane osovine u potpunosti zadovoljavaju eksploatacione zahteve.

ZAKLJUČAK 1. Na osnovu rezultata istraživanja usvojena je i praktično

realizovana tehnologija navarivanja uz primenu predgrevanja pre navarivanja i visokog otpuštanja posle navarivanja.

2. Ukupni rezultati su pokazali da se variranjem u eksperimentu korišćenih parametara može u dobroj meri uticati na mehaničko-mikrostrukrurne osobine ZUT navarenog sloja. Pri tome se imalo u vidu da mikrostruktura ima izraziti uticaj na otpornost navara na abraziju, a mehaničke osobine na otpornost na udarna opterećenja.

3. Zbog nižih troškova reparature i dužeg eksploatacionog veka navarenih u poređenju sa novim osovinama izrazito se smanjuju troškovi planskih tehnoloških zastoja i ukupni troškovi održavanja mašinskog sistema.

LITERATURA: [1] R. Ćirić, Z. Jugović: Analiza uticaja postupka revitalizacije na

mehaničko-metalografske osobine navarenog spoja na elementima sistema za kretanje bagera, Savetovanje Zavarivanje u energetici, Beograd, 1996.

[2] R. Ortmann, S. Nestler: Werkstoffe zum Verchleisschutz, Thüssen Edelstahl Technische Berichte, 14 Band 1988 Heft 2

[3] M. Dumović: Izbor i primena legura za tvrdo navarivanje, Zavarivanje i zavarene konstrukcije, Vol42, N°3/1997, str. 233, Beograd

[4] Stahl Eissen Prüfblatt 1320, DVS Düsseldorf [5] L. Stuparević, B. Stanojević: Metalografija, Nauka, Beograd, 2000. [6] S. Marković, D. Čikara: Otpornost na habanje, struktura i mogućnost

primene visokohromnih legura železa livenih u peščane kalupe, Metalurgija, Vol 7, br.1, Beograd, 2001.