Способ легирования наплавленного металла при дуговой сварке и наплавке

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к способам электродуговой наплавки для нанесения на поверхности деталей слоев металла со специальными свойствами.

Карбонильные соединения металлов используются для создания покрытий металлами методом осаждения пара. Например, известен способ нанесения износостойкого покрытия путем термического разложения паров карбонила металла на нагретой подложке при пониженном давлении при котором слои различной толщины формировались на нагретой подложке, причем температура подложки выбиралась в зависимости от осаждаемого металла (см. патент РФ №2075540, МПК C23C 16/16, 23.03.1994).

Однако данный способ требует значительного времени для формирования покрытия, а так же пониженного давления для стабильного протекания процесса и не может быть применен при наплавке.

Наиболее близким по технической сущности является способ дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов при котором для легирования сварного соединения тугоплавких металлов в процессе дуговой сварки в защитной атмосфере предусматривают подачу защитной атмосферы, состоящей из бинарной смеси углеродсодержащего газа и инертного газа, в корень шва, а на поверхность сварного шва и вольфрамовый электрод подают чистый газ (см. патент РФ №2027564, МПК B23K 9/16, опубл. 27.01.1995).

Предлагаемый способ дуговой сварки обеспечивает легирование сварного шва только углеродом, и не позволяет вводить другие легирующие элементы. При данном способе сварки используются дорогостоящий инертный газ. Указанные в патенте бинарные смеси нельзя подавать в дуговую зону, т.к. они значительно снижают стойкость вольфрамового электрода.

Техническим результатом является расширение технологических возможностей, повышение твердости и прочности сварного шва или наплавленного металла за счет введения легирующих элементов из газовой среды с возможностью быстрого изменения химического состава наплавленного металла и исключения выгорания легирующих элементов из свариваемого металла.

Технический результат достигается тем, что в способе легирования наплавленного металла при дуговой сварке и наплавке, включающим подачу в зону сварки и наплавки защитной газовой среды, и возбуждение дуги, согласно изобретению в качестве защитной газовой среды используют восстановительные газовые смеси на основе монооксида углерода, содержащие пары металлоорганических соединений, имеющих в своем составе легирующие элементы, при этом легирование металла шва осуществляется из защитной газовой среды за счет диссоциации входящих в нее металлоорганических соединений. Для легирования металла шва хромом в качестве защитной газовой среды используют смесь газов, состоящая из монооксида углерода СО и карбонила хрома Cr(СО)₆. Для легирования металла шва молибденом в качестве защитной газовой среды используют смесь газов, состоящая из монооксида углерода СО и карбонила молибдена Мо(СО)₆. Для легирования металла шва вольфрамом в качестве защитной газовой среды используют смесь газов, состоящая из монооксида углерода СО и карбонила вольфрама W(CO)₆. Для легирования металла шва кобальтом в качестве защитной газовой среды используют смесь газов, состоящая из монооксида углерода СО и карбонила молибдена Co₄(CO)₁₂. Для легирования металла шва марганцем в качестве защитной газовой среды используют смесь газов, состоящая из монооксида углерода СО и карбонила марганца Mn₂(СО)₁₀.

При введении в зону дуги металлоорганических соединений происходит их диссоциация под воздействием тепла дуги с последующим растворении части элементов в жидком металле, за счет чего производится его легирование.

Например, для легирования металла шва хромом в защитную среду вводятся пары карбонила хрома, который диссоциирует на монооксид углерода и хром.

Cr(СО)6.→Cr + 6СО с последующим растворением хрома в жидком металле.

Для легирования наплавленного металла молибденом в защитную среду вводится пары карбонила молибдена Мо(СО)₆, который диссоциирует на монооксид углерода и молибден.

Мо(СО)₆→Mo + 6СО с последующим растворением молибдена в жидком металле.

Для легирования наплавленного металла вольфрамом в защитную среду вводится пары карбонила вольфрама W(CO)₆, который диссоциирует на на монооксид углерода и вольфрам.

W(CO)₆→W + 6СО с последующим растворением вольфрама в жидком металле.

Для легирования наплавленного металла кобальтом в защитную среду вводится пары карбонилакобальта CO₄(СО)₁₂, который диссоциирует на монооксид углерода и кобальт.

Co₄(CO)₁₂→4Со + 12СО с последующим растворением кобальта в жидком металле.

Для легирования наплавленного металла марганцем в защитную среду вводится пары карбонила кобальта Co₄(CO)₁₂, который диссоциирует на монооксид углерода и кобальт.

Co₄(CO)₁₂→4Со + 12СО с последующим растворением кобальта в жидком металле.

Для легирования наплавленного металла марганцем в защитную среду вводится пары карбонила марганца Mn₂(СО)₁₀, который диссоциирует на монооксид углерода и марганец.

Mn₂(CO)₁₀→2Mn + 10СО с последующим растворением марганца в жидком металле.

Данные реакции будут протекать при использовании общепринятых способов сварки, в которых в качестве защитных сред применяется углекислый газ CO₂. Однако, выделившийся при диссоциации углекислого газа CO₂ кислород будет окислять приведенные выше легирующие элементы:

2CO₂→2СО + O₂;

4Cr + O₂→2Cr₂O₃ + 3O₂;

2Мо + 3O₂→2МоO₃;

W + O₂→WO₂;

2Со + O₂→2СоО;

4Mn + 3O₂→2Mn₂O₃

Таким образом, легирование металла шва происходить не будет.

Описание осуществления предлагаемого способа, в том числе на конкретном примере, позволяет отнести его к промышленно выполнимым.

Предлагаемый способ легирования металла шва реализуется следующим образом.

Первоначально осуществляют подготовку металла к наплавке - поверхность металла зачищают и придают ему требуемую геометрию. Одновременно осуществляют подбор величины сварочного тока, диаметра электродной проволоки и ее состава.

В качестве защитной газовой среды используется монооксид углерода разделяемый в горелке на два защитных газовых потока. При этом во внутренний газовый поток подавалась смесь из монооксида углерода и паров карбонила вольфрама.

Наплавку осуществляют путем зажигания дуги между электродной проволокой и деталью с одновременной подачей защитной среды. В приэлектродной области происходит термическая диссоциация газов, входящих в состав защитной среды, вследствие чего выделяются легирующие элементы, диффундирующие в капли жидкого металла и сварочной ванны.

Конкретный пример осуществления предлагаемого способа.

Выполняли наплавку валиков на сталь 12X18Н9 сварочной проволокой Св-06Х19Н10Т диаметром 1,2 мм в среде моноксида углерода с подачей паров карбонилов вольфрама во внутренний газовый поток. Одновременно выполнялась аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом данных сталей с использованием той же сварочной проволоки. Содержание вольфрама в наплавленном металле с использованием предлагаемой защитной газовой среды составляло от 2,01 до 3,04 процента, в зависимости от режимов наплавки. Содержание вольфрама в наплавленном металле при аргонодуговой наплавке неплавящимся вольфрамовым электродом данных сталей с использованием той же сварочной проволоки не превышало 0,03%.

Согласно проведенных патентно-информационных исследований сочетания известных и новых признаков предлагаемого изобретения в источниках патентной и научно-технической информации не обнаружено, что позволяет отнести предложенные признаки к обладающим новизной.

Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и не вытекает из него явным образом, и позволяет получить требуемый результат, то предлагаемые существенные признаки и их сочетание можно считать имеющими изобретательский уровень.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности за счет быстрого изменения химического состава наплавленного металла.

При осуществлении предлагаемого способа исключается выгорание легирующих элементов из наплавляемого металла, что позволяет повысить твердость и прочность сварного шва или наплавленного металла.