Восстановление стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок из хромоциркониевой бронзы методом многопроходной сварки трением с перемешиванием

Разработана и практически реализована инновационная технология восстановительного ремонта и производства новых стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с износостойкими композиционными покрытиями, значительно (до 20 раз) превосходящих ресурс импортных стенок с гальваническими покрытиями. Однако нерешенной остается актуальная задача восстановления медных стенок (плит) кристаллизаторов после достижения ими минимально допустимой толщины. Целью работы являлось исследование возможности восстановления плиты из дисперсионно-твердеющей хромоциркониевой бронзы марки БрХЦр этим же материалом с использованием сварки трением с перемешиванием (СТП), изучение структуры, качества и твердости сварного соединения, а также влияния на его структуру и твердость термической обработки (закалки и старения). С применением многопроходной плоскостной СТП вращающимся инструментом из жаропрочного сплава при наложении (частичном перекрытии) последовательных дорожек получено сварное соединение толщиной ~5 мм без критичных дефектов сплошности (трещин, пор). В восстановленном способом СТП слое бронзы обнаружено разупрочнение до 85–105 HV1 по сравнению с исходной твердостью бронзы в закаленном и состаренном состоянии плиты, бывшей в эксплуатации (116–126 HV1). Это связано с рекристаллизацией и перестариванием (укрупнением частиц хрома) в Cr–Zr-бронзе в результате нагрева ядра сварки (зоны перемешивания) до температур 600–700 °С. Отмеченное разупрочнение при СТП может быть эффективно устранено термической обработкой (закалкой с последующим старением), приводящей к повышению твердости до 120–150 HV1. Восстановление медных плит до первоначальной толщины прогрессивным экологичным методом СТП с последующим нанесением износостойких композиционных покрытий открывает перспективы практически бесконечного цикла эксплуатации кристаллизаторов и исключения потребности России в их импорте.

1. Котельников А.Б., Вопнерук А.А., Макаров А.В., Коробов Ю.С., Киричков А.А., Дагман А.И., Шифрин И.Н. Новые материалы и технологии существенного повышения износостойкости рабочей поверхности металлургического оборудования. Тяжелое машиностроение. 2018;(9):14—20.

2. Вдовин К.Н., Позин А.Е. Кавитационный износ медных стенок кристаллизаторов с покрытием. Сталь. 2017;(3):49—51.

3. Кушнарев А.В., Киричков А.А., Вопнерук А.А., Котельников А.Б., Коробов Ю.С., Макаров А.В., Филатов С.В., Шифрин И.Н. Физико-механические характеристики газотермических покрытий стенок кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок. Сварка и диагностика. 2017;(5):50—53.

4. Коробов Ю.С., Котельников А.Б., Кушнарев А.В., Киричков А.А., Филиппов М.А., Вопнерук А.А. Анализ особенностей формирования газотермических покрытий на стенке слябового кристаллизатора. Черные металлы. 2017;(1):41—45.

5. Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю. Роль упрочняющих фаз в сопротивлении абразивному изнашиванию NiCrBSi покрытий, сформированных лазерной наплавкой. Трение и износ. 2017;38(4): 311—318.

6. Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Способ получения теплостойкого покрытия: Патент 2492980 (РФ). 2013.

7. Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Формирование износостойкого хромоникелевого покрытия с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой. Металловедение и термическая обработка металлов. 2015;(3):39—46.

8. Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Kharanzhevskiy E.V. Improving the properties of a rapidly crystallized NiCrBSi laser clad coating with hightemperature processing. Journal of Crystal Growth. 2019;525;125200. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.125200

9. Соболева Н.Н., Макаров А.В. Влияние условий высокотемпературной обработки на структуру и трибологические свойства наплавленного лазером покрытия на никелевой основе. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021;27(5):67—77. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-5-67-77

10. Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов. Киев: Наукова думка, 1981. 608 р. (In Russ.).

11. Kazakov N.F. Diffusion Bonding of Materials. Oxford, New York: Pergamon Press, 1985. 304 p.

12. Lysak V., Kuzmin S. Lower boundary in metal explosive welding. Evolution of ideas. Journal of Materials Processing Technology. 2012;212(1):150—156. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2011.08.017

13. Nazarov A.A., Murzinova M.A., Mukhametgalina A.A., Shayakhmetova E.R. Bulk ultrasonic treatment of crystalline materials. Metals. 2023;13(2):344. https://doi.org/10.3390/met13020344

14. Sun F., Liu P., Chen X., Zhou H., Guan P., Zhu B., Mechanical properties of high-strength Cu—Cr—Zr alloy fabricated by selective laser melting. Materials. 2020;13;5028. https://doi.org/10.3390/ma13215028

15. Tang X., Chen X., Sun F., Liu P., Zhou H., Fu S. The current state of CuCrZr and CuCrNb alloys manufactured by additive manufacturing: A review. Materials & Design. 2022;224;111419. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111419

16. Клименко Ю.В. Способ сварки металлов трением: Патент 195846 (СССР). 1967.

17. Thomas W.M., Nicholas E.D., Needham J.C., Murch M.G., Templesmith P., Dawes C.J. Optimization of welding parameters for friction stir lap welding of AA6061-T6 alloy: Patent PCT/GB92/02203 (International).1991.

18. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering: R. 2005;50(1-2): 1—78. https://doi.org/10.1016/j.mser.2005.07.001

19. Mishra R.S., Mahoney M.W. Friction stir welding and processing. ASM International. 2007;1:1—5. https://doi.org/10.1361/fswp2007p001

20. Heidarzadeh A., Mironov S., Kaibyshev R., Çam G., Simar A., Gerlich A., Khodabakhshi F., Mostafaei A., Field D.P., Robson J.D., Deschamps A., Withers P.J. Friction stir welding/processing of metals and alloys: A comprehensive review on microstructural evolution. Progress in Materials Science. 2021;(117):100752. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100752

21. Lee W.B., Jung S.B. The joint properties of copper by friction stir welding. Materials Letters. 2004;58(6): 1041—1046. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2003.08.014

22. Sun Y.F., Fujii H. Investigation of the welding parameter dependent microstructure and mechanical properties of friction stir welded pure copper. Materials Science and Engineering: A. 2010;527(26):6879—6886. https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.07.030

23. Surekha K., Els-Botes A. Development of high strength, high conductivity copper by friction stir processing. Materials & Design. 2011;32(2)911—916. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.08.028

24. Palko W.A., Fielder R.S., Young P.F. Investigation of the use of friction stir processing to repair and locally enhance the properties of large NiAl bronze propellers. Materials Science Forum. 2003;426-432:2909—2914. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.426-432.2909

25. Oh-Ishi K., Zhilyaev A.P., McNelley T.R. A microtexture investigation of recrystallization during friction stir processing of as-cast NiAl bronze. Metallurgical and Materials Transactions A. 2006;37(7):2239—2251. https://doi.org/10.1007/BF02586143

26. Barlas Z., Uzun H. Microstructure and mechanical properties of friction stir butt welded dissimilar Cu/CuZn30 sheets. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2008;30(2):182—186.

27. Heidarzadeh A. Saeid T., Klemm V., Chabok A., Pei Y. Effect of stacking fault energy on the restoration mechanisms and mechanical properties of friction stir welded copper alloys. Materials & Design. 2019;162:185—197. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.11.050

28. Galvão I., Loureiro A., Rodrigues D. M. Critical review on friction stir welding of aluminium to copper. Science and Technology of Welding and Joining. 2016;21(7):523—546. https://doi.org/10.1080/13621718.2015.1118813

29. Zoeram A.S., Anijdan S.H.M., Jafarian H.R., Bhattacharjee T. Welding parameters analysis and microstructural evolution of dissimilar joints in Al/Bronze processed by friction stir welding and their effect on engineering tensile behavior. Materials Science and Engineering: A. 2017;687:288—297. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.01.071

30. Narasimharaju S., Sankunny S. Microstructure and fracture behavior of friction stir lap welding of dissimilar AA 6060-T5/Pure copper. Engineering Solid Mechanics. 2019;7(3):217—228. https://doi.org/10.5267/j.esm.2019.5.002

31. Avettand-Fènoël M.N., Nagaoka T., Marinova M., Taillard R. Upon the effect of Zn during friction stir welding of aluminum-copper and aluminum-brass systems. Journal of Manufacturing Processes. 2020;58: 259—278. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.08.006

32. Ni D.R., Xiao B.L., Ma Z.Y., Qiao Y.X., Zheng Y.G. Corrosion properties of friction—stir processed cast NiAl bronze. Corrosion Science. 2010;52(5):1610—1617. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.02.026

33. Li Y., Lian Y., Sun Y. Cavitation erosion behavior of friction stir processed nickel aluminum bronze. Journal of Alloys and Compounds. 2019;795:233—240. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.302

34. Lv Y., Nie B., Wang L., Cui H., Li L., Wang R., Lyu F. Optimal microstructures on fatigue properties of friction stir processed NiAl bronze alloy and its resistant fatigue crack growth mechanism. Materials Science and Engineering: A. 2020;771:138577. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138577

35. He D.Q., Lai R.L., Xu Sh.H., Yang K.Y., Ye Sh.Y., Wang J., Zhu J.M., Suet B. Microstructure and mechanical properties of Cu—Cr—Zr alloy by friction stir welding. Advanced Materials Research. 2012;602-604:608—611. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.602-604.608

36. Wang Y.D., Zhu S.Z., Xie G.M., Wu L.H., Xue P., Ni D.R., Xiao B.L., Ma Z.Y. Realising equal-strength welding with good conductivity in Cu—Cr—Zr alloy via friction stir welding. Science and Technology of Welding and Joining. 2021;26(6):448—454. https://doi.org/10.1080/13621718.2021.1935151

37. Никитюк Ю.Н., Григоренко Г.М., Зеленин В.И., Зеленин Е.В., Полещук М.А. Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием. Современная электрометаллургия. 2013;(3):51—55.

38. Григоренко Г.М., Адеева Л.И., Туник А.Ю., Полещук М.А., Зеленин В.И., Зеленин Е.В. Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения. Современная электрометаллургия. 2015;(1):44—49.

39. Lezhnin N.V., Makarov A.V., Volkova E.G., Valiullin A.I., Kotelnikov A.B., Vopneruk A.A. Realizing ultrafine grain structure of Cu—Cr—Zr alloy via friction stir welding/processing. Letters on Materials. 2022;12(4):428—432. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2022-4-428-432

40. Lai R., Li X., He D., Lin J., Li J., Lei Q. Microstructures evolution and localized properties variation of a thick friction stir welded CuCrZr alloy plate. Journal of Nuclear Materials. 2018;510;70—79. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.07.055

41. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Инновационное машиностроение, 2016. 360 с.

42. Morozova A., Mishnev R., Belyakov A., Kaibyshev R. Microstructure and properties of fine grained Cu—Cr—Zr alloys after termo-mechanical treatments. Reviews on Advanced Materials Science. 2018;54;56—92. https://doi.org/10.1515/rams-2018-0020

43. Khomskaya I.V., Zel’dovich V.I., Frolova N.Y., Abdullina D.N., Kheifets A.E. Investigation of Cu5Zr particles precipitation in Cu—Zr and Cu—Cr—Zr alloys subjected to quenching and high strain rate deformation. Letters on Materials. 2019;9(4):400—404. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2019-4-400-404

44. Edwards D.J., Singh B.N., Tähtinen S. Effect of heat treatments on precipitate microstructure and mechanical properties of a CuCrZr alloy. Journal of Nuclear Materials. 2007;367-370:904—909. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.03.064

45. Park J.-Y., Lee J.-S., Choi B.-K., Hong B.G., Jeong Y.H. Effect of cooling rate on mechanical properties of aged ITER-grade CuCrZr. Fusion Engineering and Design. 2008;83:1503—1507. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2008.07.006

46. Зельдович В.И., Хомская И.В., Фролова Н.Ю., Хейфец А.Э, Шорохов Е.В., Насонов П.А. Структура хромоциркониевой бронзы, подвергнутой динамическому канально-угловому прессованию и старению. Физика металлов и металловедение. 2013;114(5):449—456. https://doi.org/10.7868/S0015323013050148