Результат интеллектуальной деятельности: Способ дуговой наплавки медно-никелевого сплава с содержанием никеля от 40 до 50% на алюминиево-никелевые бронзы

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано в судостроении, машиностроении и в других отраслях промышленности для получения коррозионно-стойкого медно-никелевого покрытия на уплотнительном поле узла затвора арматуры из алюминиевых бронз.

Для трубопроводов систем забортной воды из меди и медно-никелевых сплавов судовая арматура изготавливается из алюминиево-никелевой бронзы. Алюминиево-никелевая бронза марки Бр.А9Ж4Н4Мц1 обладает высокой стойкостью к струевой коррозии (скорость коррозии составляет 0,02 мм/год при скорости потока воды до 4 м/с). Однако эта бронза, в морской воде подвержена структурно-избирательной (язвенной) коррозии со скоростью до 0,3 мм/год. Поэтому срок эксплуатации арматуры из этой бронзы из-за образования протечек в узле затвора также незначительный - 5-6 лет [А.Е. Вайнерман, М.М. Веретенников /Исследования наплавок медно-никелевого сплава с высоким содержанием никеля на алюминиево-никелевую бронзу/ Вопросы материаловедения, 2010, №1(61). С. 78-85].

Высокой стойкостью к общей, струевой и структурно-избирательной коррозии в морской воде обладают медно-никелевые сплавы с высоким (40-60%) содержанием никеля [Осинцев О.Е., Федоров В.Н. / Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. Справочник / М.: Машиностроение, 2004. - 336 с.]. Однако большинство медно-никелевых сплавов относится к числу деформируемых материалов, и для изготовления фасонных отливок их не применяют.

Решением является получение коррозионно-стойкого медно-никелевого покрытия с высоким (40-60%) содержанием никеля на уплотнительном поле узла затвора арматуры из алюминиевой бронзы.

Для получения коррозионно-стойких покрытий на металлических изделиях применяют различные способы наплавки: плазменный, лазерный, индукционный, аргонодуговой, электродуговой, электрошлаковый и др. В качестве присадочных материалов при наплавке покрытий используют порошки, проволоку, электроды, пасты.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является принятый за прототип «Способ наплавки», авторское свидетельство №584998.

При этом способе наплавку медно-никелевых сплавов на алюминиевые бронзы выполняют следующим образом. На алюминиевые бронзы наносят промежуточный слой медно-никелевого сплава с содержанием никеля 0,5-6,5%, а потом наплавляют рабочий слой медно-никелевого сплава с содержанием никеля 10-99,5%.

Недостатком способа по прототипу является пониженная коррозионная стойкость промежуточного слоя, низкая производительность наплавки и повышенный расход цветного металла.

Низкая производительность способа по прототипу обусловлена большим количеством наплавляемых слоев в промежуточном слое. Так, наплавка промежуточного слоя медно-никелевым сплавом с содержанием никеля 0,5-6,5% на уплотнительное поле узла затвора арматуры выполняется в два и более слоев при ручной аргонодуговой наплавке неплавящимся электродом, в три и более при наплавке покрытыми электродами, а затем наплавляется рабочий слой медно-никелевым сплавом с содержанием никеля 10-99,5% в два-три слоя. Большое количество слоев в промежуточном слое связано со значительным проплавлением бронзы. Так при ручной дуговой наплавке покрытыми электродами проплавление основного металла составляет порядка 40-50%. В связи с этим содержание алюминия перешедшего из бронзы в первом слое промежуточного слоя может составлять до 5%. Согласно диаграмме состояния системы Cu-Ni-Al при содержании в сплаве более 5% никеля и более 1% алюминия при охлаждении сплава ниже температуры кристаллизации из него выделяются дисперсные интерметаллидные фазы Ni₃Al и NiAl [Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. Справочник. - М.: Машиностроение. 2004. - 336 с.]. Наплавленный медно-никелевый металл, содержащий более 1-2% алюминия, склонен к трещинообразованию [Б.П. Аравин, А.Е. Вайнерман, В.В. Карпов // Исследование особенностей наплавки медно-никелевым сплавом уплотнительных поверхностей узла затвора арматуры из алюминиевых бронз // Судостроительная промышленность, серия Материаловедение: Сварка. 1990, вып. 10, с. 39-47.]. Таким образом, большое количество слоев в промежуточном слое связано с тем, что в его верхнем последнем слое содержание алюминия не должно превышать 1-2%. Для этого необходимо наплавить не менее 3-4 слоев. При этом после наплавки первого слоя перед наплавкой последующих необходимо охлаждать изделие до температуры не выше 100°C, что связано с высокой склонностью медных сплавов к трещинообразованию при повышенных температурах [Абрамович В.Р., Демянцевич В.П., Ефимов Л.А. / Сварка меди и сплавов на медной основе // Л.: Машиностроение, 1988 г., 215 с.]. Все это существенно снижает производительность наплавки.

Повышенный расход цветного металла при наплавке по прототипу связан с повышенным количеством наплавленных слоев в промежуточном слое и рабочем слое.

Пониженная коррозионная стойкость промежуточного слоя связана с тем, что сплав МНЖ 5-1 по ГОСТ 492, принятый по прототипу в качестве промежуточного слоя, имеет коррозионную стойкость при струевой коррозии порядка 0,13-0,16 мм/год, что ниже чем у бронзы Бр.А9Ж4Н4Мц1 по ГОСТ 493, которая составляет порядка 0,046 мм/год. В связи с этим при контакте промежуточного слоя с морской водой в процессе эксплуатации изделия может произойти его разрушение, вызванное коррозионным разрушением промежуточного слоя.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа получения коррозионно-стойкого покрытия на изделии из алюминиево-никелевой бронзы при сохранении трещиностойкости с повышенной производительностью наплавки, пониженным расходом цветного металла и повышенной коррозионной стойкостью промежуточного слоя.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что для получения коррозионно-стойкого медно-никелевого покрытия на бронзу Бр.А9Ж4Н4Мц1 аргонодуговым способом неплавящимся электродом наносится промежуточный слой из медно-никелевого сплава Св-МН18 по ТУ5.965-11867 с содержанием никеля 16-18%), обладающий коррозионной стойкостью в 2 раза более высокой, чем у сплава МНЖ5-1, в 1 или 2 слоя, затем на промежуточный слой выполняют наплавку рабочего слоя медно-никелевым сплавом с 40-50% никеля в 2 слоя, при этом наплавку как промежуточного слоя, так и рабочего слоя выполняют сверху вниз при наклоне изделия 5-10°, что снижает степень проплавления на 10-15%, в связи с этим снижается количество наплавляемых слоев и уменьшается расход цветного металла.

При наплавке на постоянном токе изделий из алюминиевых бронз для получения качественного покрытия необходимо использовать спиртовой раствор флюса 34А по ТУ48-4-229, который предварительно перед наплавкой промежуточного слоя наносится на наплавляемую поверхность бронзы. Применение флюса необходимо для разрушения плен тугоплавкого окисла Al₂O₃ в сварочной ванне.

Опробование предложенного способа дуговой наплавки медно-никелевого сплава на алюминиевую бронзу производили следующим образом. Для наплавки по предложенному способу были взяты пластины размером 12×100×200 мм из бронзы БрА9Ж4Н4Мц1 (химический состав: Al - 9,2%; Fe - 4,3%; Mn - 0,9%; Ni - 4,1%; Cu - ост.) и установлены под наклоном 5° и 10°. На пластины выполняли наплавку промежуточного слоя в один слой по высоте с применением проволоки из сплава Св-МН18 (химический состав: Ni - 17,2%; Fe - 0,9%; Mn - 1,1%; Ti - 0,2%; Si - 0,1%; Cu - ост.) диаметром 3 мм ручным аргонодуговым способом неплавящимся электродом. Затем на промежуточный слой выполнялась наплавка рабочего слоя из медно-никелевого сплава с 40% никеля проволокой марки Св-МНЖМцТК 40-1-1-0,3-0,1 (химический состав: Ni - 42,1%; Fe - 1,1%; Mn - 1,4%; Ti - 0,3%; Si - 0,09%; Cu - ост.), в два слоя по высоте. Вся наплавка была выполнена в 3 слоя по высоте. Площадь наплавки составила 80 см².

Для сравнения способом наплавки по прототипу было нанесено коррозионно-стойкое покрытие сплавом Св-МНЖМцТК 40-1-1-0,3-0,1 по ТУ 5.965-11953 через промежуточный слой МНЖКТ 5-1-0,2-0,2 (химический состав: Ni - 5,8%; Fe - 1,1%; Mn - 0,4%; Ti - 0,2%; Si - 0,2%; Cu - ост.). Наплавка выполнялась аргонодуговым способом неплавящимся электродом. Вся наплавка была выполнена в 4 слоя по высоте.

На обеих наплавленных пластинах было определено содержание алюминия в металле промежуточного слоя.

Результаты исследования приведены в таблице и показывают следующее.

При обоих способах наплавки - предложенном и по прототипу - содержание алюминия в наплавленном металле промежуточного слоя, определенное методом микрорентгеноспектрального анализа, низкое и находится примерно на одном уровне до 2 мас.%. При металлографическом исследовании шлифов, изготовленных из наплавленных образцов, на микроскопе «Axiovert 40МАТ» при увеличении x100 и x300 установлено, что микроструктура наплавленного металла во всех зонах однофазная, выделения интерметаллидной фазы при обоих способах наплавки отсутствуют. Недопустимые дефекты в наплавленном металле (трещины, свищи, не-провары) также отсутствуют при обоих способах наплавки. Отличие заключается в длительности наплавки и количестве наплавленных слоев и химического состава промежуточного слоя. Длительность наплавки по предложенному способу составила 100 мин, а при наплавке по прототипу - 160 мин, производительность наплавки соответственно 3,8 г/мин и 3,1 г/мин. Таким образом, производительность наплавки по предложенному способу на 20% выше, расход цветного металла ниже на 25%, и коррозионная стойкость промежуточного слоя в 2 раза выше, чем при наплавке по прототипу.