Результат интеллектуальной деятельности: Шихта порошковой проволоки

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к производству порошковой проволоки, и может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости.

Известно, что для наплавки ответственных изделий, эксплуатируемых при высоких температурах, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости, используются сплавы и карбиды вольфрама [1]. Для получения ферровольфрама используют углеродсиликотермический способ выплавки с вычерпыванием сплава из печи [2]. При этом восстановление углеродом происходит по реакции:

Реакция идет с поглощением тепла, поэтому выплавку проводят в дуговых электропечах. При избытке углерода при электродуговой плавке возможно получение карбидов вольфрама по реакциям:

Следует отметить, что производство вольфрама связано с большими материальными затратами, при этом существующая схема производства включает в себя извлечение вольфрама при плавке ферросплавов с потерями вольфрама при производстве ферросплавов, а затем потери при введении сплавов в сталь. Предлагается введение в порошковую проволоку вольфрама в виде оксида и восстановление его при электродуговом разряде при наплавке стали с совмещением описанных выше реакций (1-3).

Известна выбранная в качестве прототипа [3] шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, железо, никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства при соотношении компонентов, масс. %:

при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, масс. %: Al₂O₃=20-48; F=18-27; Na₂O=4-16; К₂О=0,4-6%; СаО=0,7-1,8; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=1,7-3,27; С_общ=12-31; MnO=0,07-1,3; MgO=0,06-0,9; S=0,09-0,59; P=0,1-0,18.

Недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:

- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (вольфрама, молибдена, алюминия, никеля и др.) и входящих в состав шихты компонентов в связи с их использованием не в оксидном, а в восстановленном виде, а также высокие расходы при изготовлении проволоки в связи с необходимостью использования специального оборудования для измельчения полученных материалов до малых размеров,

- пониженные качественные показатели и в частности низкая твердость наплавляемого металла.

Техническими результатами изобретения являются:

- снижение стоимости сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и использования составляющих в виде оксидов,

- повышение качественных показателей наплавляемого металла.

Для этого предлагается шихта для порошковой проволоки, содержащая пыль электрофильтров алюминиевого производства, которая дополнительно содержит вольфрамовый концентрат КШ-4 при следующем соотношении компонентов, мас. %:

при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, мас. %: Al₂O₃=21-43,27; F=18-27; Na₂O=8-13; K₂O=0,4-6%; СаО=0,7-2,1; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-2,3; С_общ=12,5-26,7; MnO=0,03-0,9; MgO=0,04-0,9; S=0,09-0,46; P=0,1-0,18.

Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем, исходя из качества получаемого при наплавке металла, стабильности процесса наплавки, предотвращения образования холодных трещин и требуемых механических свойств.

Заявляемая шихта порошковой проволоки содержит вольфрамсодержащий концентрат, который позволяет значительно снизить стоимость шихты и получить наплавленный металл повышенной твердости и износостойкости.

Введение в состав шихты порошковой проволоки пыли электрофильтров алюминиевого производства позволяет:

- проводить интенсивное восстановление оксидов из вольфрамсодержащего концентрата, а также проводить науглероживание при взаимодействии фтористого углерода CF_x (1≥х>0) с карбидообразующими элементами, что позволяет увеличить количество карбидной составляющей (преимущественно карбидов вольфрама) в структуре наплавленного металла и значительно повысить его твердость;

- проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений (типа Na₃AlF₆, Na₂SiF₆, NaF, KF, CF_x (1≥x>0), AlF₃), разлагающихся при температурах сварочных процессов с выделением F, который в свою очередь взаимодействует с водородом, растворенным в стали с образованием газообразного соединения HF. Снижение содержания водорода в наплавленном металле уменьшает вероятность образования пор и холодных трещин в наплавленном металле;

- повысить устойчивость горения дуги за счет элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги - калия и натрия;

Для изготовления шихты порошковой проволоки использовали:

- в качестве восстанавливаемого материала - вольфрамовый концентрат марки КШ-4 по ГОСТ 213-83 производства ОАО "Горнорудная компания "АИР" с содержанием: 57% W0₃, 5,37% FeO, 8,95% MnO, 0,06% Cr₂O₃, 0,6% CaO, 3,71% SiO₂, 1,56% Al₂O₃, 0,01% MgO, 0,29% Na₂O, 0,06% K₂O, 0,02% Ni, 0,44% F, 0,1% C, 0,03% Mo, 0,02% Cu, 0,02% V, 0,02% Bi, 0,42% S, 0,02% P;

- в качестве углеродистого восстановителя - углеродфторсодержащие пылевидные отходы металлургического производства с химическим составом, масс. %: Al₂O₃=21-43,27; F=18-27; Na₂O=8-13; K₂O=0,4-6%; СаО=0,7-2,1; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-2,3; С_общ=12,5-26,7; MnO=0,03-0,9; MgO=0,04-0,9; S=0,09-0,46; P=0,1-0,18.

Изменение концентрации вольфрамсодержащего концентрата и пыли электрофильтров алюминиевого производства в составе заявляемой шихты производилось с учетом получения высококачественного наплавленного металла (стабильное горение дуги, хорошее формирование, плотный наплавленный металл без трещин, пор и неметаллических включений). Порошковая проволока изготавливалась из стальной холоднокатаной ленты 08кп (оболочка) размером 15×0,8 мм. Шихта перемешивалась в смесителе для получения однородной массы. Порошковая проволока прокаливалась для удаления влаги при температуре 250-350°С. Коэффициент заполнения составлял 0,32-0,33, диаметр готовой проволоки - 3,7 мм. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась наплавка под флюсом. Наплавку производили под флюсом АН 26С на пластины из стали марки 60Г на пять валиков использованием трактора ASAW 1250.

Химический состав наплавленного металла определяли рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF-1800 и атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-71. Содержание водорода в наплавленном металле определялось методом вакуум-нагрева на установке Баталина и на эксхалографе ЕАН-220 фирмы «Бальцерс». Металлографическое исследование микрошлифов проводилось с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51 в светлом поле при различных увеличениях после травления в спиртовом растворе азотной кислоты, а также в растворе плавиковой кислоты. Замеры твердости проводили ультразвуковым твердомером - УЗИТ-3. Наличие трещин в процессе наплавки оценивали визуально, после наплавки наличие трещин, пор и неметаллических включений оценивали ультразвуковым и магнитопорошковым методами, а также на металлографических шлифах. Испытания на износ по схеме «ДИСК-КОЛОДКА» проводили на машине 2070 СМТ-1.

Исследовались 6 вариантов составов шихты (таблица 1) порошковой проволоки, масс. %: 1 - нижний заграничный состав; 2 - нижний граничный состав, 3, 4 - среднее содержание состава заявляемой шихты; 5 - верхний предел заявляемой шихты; 6 - верхний заграничный состав. Взаимосвязь некоторых исследуемых параметров в зависимости от состава шихты приведена в таблице 2.

Размеры полученных при наплавке карбидов 1-5 мкм, тип карбидов - (Fe,W)₂C, длина наблюдаемых оксидов составляет не более 0,5 мм. Содержание водорода изменялось в пределах 0,3-0,5 см³/100 г наплавленного металла при допустимом содержании водорода в высоколегированном наплавленном металле до 2 см/100 г металла. Твердость наплавленного металла контролировалась непосредственно после наплавки и составляла 48-58 HRC.

Использование заявляемого состава шихты порошковой проволоки по сравнению с базовым составом (прототип) позволяет:

1. Снизить себестоимость порошковой проволоки по сравнению с прототипом в среднем на 520 руб/т проволоки за счет снижения содержания легирующих компонентов в шихте, а также использования вольфрамсодержащего концентрата и отходов алюминиевого производства в заявляемой шихте.

2. Повысить качество наплавленного металла за счет снижения его загрязненности неметаллическими включениями, снижения вероятности порообразования и предотвращения образования холодных трещин, уменьшения содержания водорода за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты (в среднем до 0,3-0,5 см³/100 г металла), улучшить формирование шва при сварке за счет стабилизации горения дуги, при этом повышена твердость наплавленного металла до HRC 52-58 за счет полученных карбидов типа (Fe,W)₂C.

Список источников:

1. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / под ред. Б.Е. Патона. - Москва: Металлургия, 1974. - 768 с.

2. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов / Гасик М.И., Лякишев Н.П. - М.: СП Интермет Инжиниринг, 1999. - 764 с.

3. Пат РФ № 2492981 кл В23К 35/36.