Результат интеллектуальной деятельности: ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА

Изобретение относится к области электродуговой наплавки порошковой проволокой деталей, работающих на истирание в условиях воздействия абразивного потока с большими контактными нагрузками и может быть использовано в химической промышленности, например, для восстановления и упрочнения транспортирующих шнеков специальных устройств.

Известна порошковая проволока (АС №339368, опубл. 24.05.1972 г.), содержащая компоненты в следующем соотношении, %:

Порошковая проволока с шихтой предложенного состава обеспечивает высокую твердость наплавленного металла, достигающую в результате дисперсионного твердения под воздействием высоких температур до 50-58 HRC. Однако такая проволока содержит дефицитный вольфрам, а использование бора, азота и углерода в не связанном виде, обусловливает низкую технологичность, поскольку в процессе наплавки происходит их интенсивное выгорание и наплавленный металл характеризуется наличием пор и трещин.

Известна порошковая проволока (АС №407692, опубл. 10.12.1973), содержащая компоненты в следующем соотношении, %:

Такая порошковая проволока обеспечивает получение наплавленного металла с достаточно высокой твердостью до 51-56 HRC, но также вследствие высокой концентрации в ней нитрида бора и отсутствия компонентов, снижающих чувствительность к пористости, имеет низкие сварочные технологические характеристики вследствие образования пор и плохого формирования валиков.

Известна порошковая проволока (АС №551150, опубл. 25.03.1977 г.), предназначенная для наплавки деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа при повышенных температурах, содержащая следующие компоненты, вес., %:

малоуглеродистая

Наличие значительного количества хрома в шихте порошковой проволоки приводит к появлению ферритной составляющей в матрице наплавленного металла данной композиции, что не обеспечивает его высокую твердость и износостойкость покрытий, работающих при нормальной температуре.

Наиболее близким по технической сущности и химическому составу является изобретение (патент Украины UA №81996, В23k 35/36, опубл. 2008), защищающее порошковую проволоку для износостойкой наплавки штампового и прессового инструмента, работающего при повышенных температурах, содержащую следующие компоненты (масс %):

шлако-газообразующие

Однако, при наплавке, особенно многослойной, известной порошковой проволокой, относящаяся к самозащитному типу, получить беспористый качественный наплавленный металл мартенситно-стареющей стали возможно лишь в сравнительно ограниченном диапазоне режимов. Кроме того, данный металл после старения имеет относительно не высокую твердость (выше 47 HRC), и не обладает высокой работоспособностью в условиях абразивного износа при нормальной температуре.

Техническим результатом данного изобретения является повышение долговечности (износостойкости) наплавленного металла, работающего на истирание в условиях воздействия абразивного потока с большими контактными нагрузками.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в порошковой проволоке для наплавки деталей, состоящей из стальной оболочки и шихты, включающей никель, марганец, молибден, ферротитан согласно заявляемому техническому решению шихта дополнительно содержит феррованадий, феррониобий, карбид бора, нитрид бора и кремнефтористый натрий при следующем процентном соотношении компонентов, вес. %:

Предложенная порошковая проволока позволяет получить наплавленный металл на основе железа, относящийся к группе дисперсионно-твердеющих сталей, свойства которых улучшаются в результате старения.

Выбранные соотношения никеля, марганца и молибдена позволяют обеспечить получение металла с мартенситной структурой и малой вероятностью образования аустенита в процессе термообработки.

Титан, введеный в состав шихты в виде ферротитана, обеспечивает интерметаллидное упрочнение и ускоряет процесс дисперсионного твердения при высоком содержании бора.

Введение в состав шихты феррованадия в пределах 2-4% повышает прочность наплавленного металла за счет карбонитридного упрочнения, вследствие связывания углерода и азота в карбиды и нитриды ванадия.

Введение в состав шихты феррониобия в пределах 2-4% обеспечивает получение карбидов ниобия в процессе расплавления и кристаллизации наплавленного металла, которые, распределяясь в матрице нового типа, обеспечивают металлу высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания и восприятия статического давления с большими контактными нагрузками. Кроме того, наличие ниобия повышает стойкость наплавленного металла к межкристаллической коррозии. Введение феррониобия свыше 4% мас. нецелесообразно по экономическим причинам.

Введение в шихту проволоки карбида бора в количестве 1,0-2,0% обеспечивает необходимое содержание углерода в наплавленном металле 0,2-0,4% и ведет к выделению в его структуре боридной эвтектики, которая, располагаясь в виде каркаса между кристаллами, воспринимает часть нагрузки от контактного взаимодействия и рассредоточивает ее на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость наплавленного покрытия, работающего в условиях истирания против задирания. Также при этом образуются мелкодисперсные труднорастворимые высокопрочные карбиды, бориды и карбобориды, способствующие увеличению износостойкости наплавленного металла. Содержание карбида бора менее 1,0% не обеспечивает нужного уровня, износостойкости, а при повышении свыше 2,0% возрастает концентрация углерода в наплавке, что приводит к появлению трещин, охрупчиванию наплавленного металла и падению его износостойкости.

Введение в состав шихты предложенной порошковой проволоки нитрида бора увеличивает твердость наплавленного металла, обеспечивая получение его мелкозернистой структуры с увеличенным количеством неметаллической фазы за счет насыщения сварочной ванны частицами нитридов, температура плавления которых выше температуры плавления сплава, а твердость - выше твердости металлической основы наплавленного слоя. Содержание нитрида бора в шихте менее 1,0% не обеспечивает нужного уровня износостойкости, а при повышении свыше 1,5% возрастает концентрация азота в наплавке, что приводит к появлению пор, и падению износостойкости наплавленного металла.

Введение в состав порошковой проволоки кремнефтористого натрия Na₂SiF₆ в количестве 0,5-1,0% позволяет значительно снизить концентрацию водорода в наплавленном металле, что обусловливает низкую вероятность образования пор и повышает стойкость к образованию трещин.

Железный порошок необходим для получения расчетного коэффициента заполнения порошковой проволоки, что обеспечивает получение наплавленного металла требуемого химического состава.

Предложенная порошковая проволока обеспечивает комплексное упрочнение наплавленного металла за счет образования в мартенситной матрице карбидных, нитридных, карбобориднонитридных и интерметаллидных фаз.

Для количественной оценки воздействия легирующих элементов на свойства наплавленного металла было изготовлено шесть составов порошковой проволоки: 2, 3 и 4 составы предлагаемой проволоки, 1 и 5 составы с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы, 6 - состав прототипа (табл. 1).

* ШГК - шлако-газообразующие компоненты: TiO₂-CaCO₃-CaF₂ (2:1:1)

В качестве оболочки использовали стальную ленту марки 08 кп размером 15×0,5 мм по ГОСТ 503-81. Коэффициент заполнения такой порошковой проволоки составляет 42%.

В качестве шихты использовали смесь порошков: никеля марки ПНЭ по ГОСТу 9722-97, марганца марки Мн998 по ГОСТу 6008-90, молибдена по ТУ 48-19-316-92, ферротитана марки ФТи70С1 по ГОСТу 4761-91, феррованадия марки ФВд50У0,3 по ГОСТу 27130 - 94, феррониобия марки ФН658 по ГОСТу 16773-2003, карбида бора по ГОСТу 5744-85, нитрида бора ТУ 26.8-0022 226-007-2003, кремнефтористого натрия по ТУ 113-08-587-86, железа марки ПЖР2 по ГОСТу 9849-86, алюминия марки ПА-4 по ГОСТу 5494-95, кремния металлического марки Кр0 по ГОСТу 2159-69, рутилового концентрата по ГОСТу 22938-78, мрамора марки М-97Б по ГОСТу 4416-94, плавикового шпата марки ФК-92 по ГОСТу 29220-91. Состав шихты варьируется в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл.

Наплавка предложенной проволокой может производиться как в среде защитных газов, так и под флюсом.

Новая порошковая проволока всех изготовленных вариантов прошла сварочно-технологические испытания при наплавке в аргоне темплетов из стали 45 размером 20×60×250 мм. При наплавке образцов использовали сварочный полуавтомат ПДГО-510. Порошковая проволока обеспечивает хорошие сварочно-технологические свойства при наплавке на постоянном токе обратной полярности.

Из наплавленного металла изготавливались образцы для проведения исследований по известным методам.

Дюрометрические исследования проводили с использованием твердомера ТК-2 по методу Роквелла на образцах из металла после наплавки и старения (за величину твердости бралось среднее значение твердости - 3 замеров).

Испытания на абразивный износ проводили на лабораторной установке в условиях мокрого трения металла о металл (диск-кулачок) при удельном давлении на изнашиваемых поверхностях 1 МПа. Полученные результаты выражались в виде коэффициента относительной износостойкости е, численно равного отношению весовых потерь эталона (сталь 30X13) и испытуемого металла за одинаковое время.

Твердость металла в состоянии после наплавки, полученного предлагаемой порошковой проволокой составов NN 1-5, в зависимости от концентрации элементов составляет 42÷48 HRC, а твердость металла полученного проволокой прототипом составила 33 HRC. Сравнительные испытания проводили на образцах из наплавленного металла, полученного исследуемыми составами порошковых проволок, после термической обработки (старение): выдержка при температуре 500°С в течение 4 часов. Результаты испытаний приведены в таблице №2.

Приведенные в таблице 2 результаты испытаний показывают, что составы порошковой проволоки NN 2-4 являются оптимальными и обеспечивают получение наплавленного металла с достаточно высокой твердостью и износостойкостью, не склонного к пористости и трещинообразованию.

Анализ результатов испытаний показал, что, по сравнению с использованием порошковой проволоки - прототипа, применение предлагаемой новой порошковой проволоки позволит увеличить коэффициент относительной износостойкости наплавленного металла ε с 2,3 до 2,9-3,8.

Благодаря тому, что в шихту проволоки дополнительно вводятся феррованадий, феррониобий, карбид бора и нитрид бора удается получить новый дисперсионнотвердеющий металл композиционного типа, который приобретает повышенную износостойкость.

Технологические испытания новой порошковой проволоки показали, что в процессе наплавки обеспечивается устойчивое горение дуги, хорошее формирование валика наплавного металла, отсутствие трещин и наплывов.

Использование предложенной порошковой проволоки для наплавки шнеков экструдеров позволяет существенно повысить их износостойкость и срок службы.