Результат интеллектуальной деятельности: ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА

Изобретение относится к области электродуговой наплавки порошковой проволокой деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа, например, для восстановления и упрочнения зубьев ковшей экскаватора и ножей скребковых устройств.

Известна высокохромистая порошковая проволока (авторское свидетельство СССР №534331, B23k 35/368, опубл. 05.11.1976, БИ №41) для износостойкой наплавки деталей, подвергающихся абразивному изнашиванию, состоящую из стальной малоуглеродистой оболочки и шихты, содержащей хром и карбид бора при следующем процентном отношении, мас.%:

Однако металл, наплавленный известной порошковой проволокой, имеет очень высокую твердость (до 67 HRC), что сильно усложняет технологию его наплавки и последующую обработку. Такой металл хрупок и склонен к образованию трещин и сколов, что снижает износостойкость наплавленных деталей.

Известна высокохромистая порошковая проволока (авторское свидетельство СССР № 407692, B23k 35/36, опубл. 10.12.1973, БИ №47) для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного износа, состав шихты которой взят в следующих соотношениях, мас.%:

Такая порошковая проволока обеспечивает получение наплавленного металла достаточно высокой твердостью до 51-56 HRC, но недостаточной ударостойкостью. Кроме того из-за 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 хромистая порошковая проволока (Патент RU 2661159, B23k 35/368, опубл. 12.07.2018, БИ №20) для наплавки запорной арматуры, содержащая компоненты в следующем процентном соотношении компонентов, мас.%:

Металл, полученный такой порошковой проволокой имеет высокую износостойкость при работе в условиях трения металла о металл в контакте с коррозионной средой без ударных нагрузок. Твердость такого металла достигает 60 HRC, он хрупок и склонен к образованию трещин.

Известна хромистая порошковая проволока легированная медью (Патент RU 1817400, B23k 35/368, опубл. 27.10.1996, БИ №30) для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного износа, состоящей из стальной оболочки и порошкообразной шихты содержащей компоненты в следующем процентном соотношении, мас.%:

Газошлакообразующие:

Однако металл, наплавленный такой порошковой проволокой, имеет очень высокую твердость (до 66 HRC), что сильно усложняет технологию наплавки и последующую обработку. Такой металл склонен к трещинообразованию, хотя выделения в структуре соединений меди тормозят распределение образующихся трещин.

Известна хромистая порошковая проволока легированная ниобием (авторское свидетельство СССР 447235, B23k 35/36, опубл. 25.10.1974, БИ №39) для механизированной электродуговой наплавки деталей машин, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с ударными нагрузками, состав шихты которой взят в следующих соотношениях, мас.%:

Однако металл, наплавленный такой порошковой проволокой, имеет невысокую твердость (до 50 HRC), поэтому не может в полной мере сочетает высокую абразивную износостойкость с ударостойкостью.

Известна высокомарганцовистая порошковая проволока (авторское свидетельство СССР №500951, B23k 35/36, опубл. 30.01.1976, БИ №4), предназначенная для механизированной наплавки деталей, подвергающихся абразивному изнашиванию, шихта которой содержит ферромарганец и карбид бора при следующем процентном отношении, мас.%:

Структура наплавленного металла состоит из мартенситно-аустенитной матрицы и эвтектики, с твердостью в 60-65 HRC. Он обладает хорошей абразивной износостойкость, но не выдерживает ударные нагрузки, так как склонен к трещинообразованию, вследствие высокого содержания углерода.

Известна хромо-марганцовистая порошковая проволока (авторское свидетельство СССР 419350, B23k 35/36, опубл. 15.03.1974, БИ №10) для наплавки металла работающего в условиях высоких ударных нагрузок, состав шихты которой взят в следующих соотношениях, мас.%:

Металл, наплавленный такой порошковой проволокой, хотя и обладает высокой стойкостью против образования трещин, однако обеспечивает высокий уровень сопротивления смятию только в результате наклепа, а в первоначальный момент воздействия нагрузки его твердость незначительна и износостойкость невелика.

Наиболее близким по технической сущности и химическому составу является изобретение (авторское свидетельство СССР № 513821, В23k 35/36 опубл. 15.05.1976, Б.И. № 18), защищающее высокохромистую порошковую проволоку для износостойкой наплавки деталей, подвергающихся абразивному и ударному воздействию, состоящую из стальной малоуглеродистой оболочки и шихты, состав которой взят в следующих соотношениях, мас.%:

Такая порошковая проволока обеспечивает наплавленный металл с высокой твердостью до 65 HRC, однако, вследствие очень высокого содержания углерода может работать только в условиях незначительных ударных нагрузок. Вместе с этим получить такой проволокой наплавленный металл без трещин и сколов достаточно сложно. Кроме того, порошковая проволока имеет низкие сварочные технологические характеристики вследствие образования пор и плохого формирования валиков.

Технической задачей данного изобретения является повышение износостойкости наплавленного металла, работающего в условиях абразивного износа и значительных ударных нагрузок.

Технический результат достигается за счет того, что в порошковой проволоке для наплавки деталей, состоящей из стальной оболочки и шихты, включающей феррованадий, карбид бора, ферротитан и железный порошок, согласно заявляемому техническому решению шихта дополнительно содержит феррохром углеродистый, марганец, нитрид бора, феррониобий и медь при следующем процентном соотношении компонентов, мас.%:

Вследствие отсутствия в шихте графита и уменьшения в ней предельного количества карбида бора по сравнению с прототипом снижается хрупкость наплавленного металла.

Введение в состав порошковой проволоки феррохрома углеродистого 8-12% обеспечивает образование в наплавленном металле структуры высокоуглеродистого мартенсита. Так же порошок феррохрома углеродистого обусловливает однородность состава шихты проволоки по хрому и углероду, что улучшает равномерное распределение в наплавленном металле комплексных соединений, тем самым повышая стабильность свойств наплавленных покрытий.

Введение в шихту порошковой проволоки марганца в количестве 5-7% в комплексе с заявленным количеством феррохрома углеродистого обеспечивает образование мартенситной матрицы с небольшим количеством остаточного аустенита с высокой плотностью подвижных дислокаций, что создает условия для протекания пластической деформации и тем самым придает матрице повышенную пластичность и повышает стойкость металла ударным нагрузкам. Марганец может также, как непосредственно участвовать в образовании упрочняющих фаз с титаном, так и усиливать эффект упрочнения за счет уменьшения предела растворимости меди в твердом растворе α-железа. Концентрация в шихте порошковой проволоки менее 5% марганца не обеспечивает заметного повышения пластичности, а при повышении его выше 7% образуется значительное количество остаточного аустенита снижающего твердость наплавленного металла.

Наличие в шихте порошковой проволоки карбида бора ведет к образованию в наплавленном металле мартенситной структуры с эвтектикой, мелкодисперсными труднорастворимыми высокопрочными карбидами, боридами и карбоборидами, способствующих увеличению износостойкости наплавленного металла. Содержание карбида бора менее 0,5% не обеспечивает нужного уровня износостойкости, а при повышении её свыше 1,0% возрастает процентное содержание углерода в наплавке, что приводит к охрупчиванию наплавленного металла и падению его износостойкости.

Введение в состав шихты предложенной порошковой проволоки нитрида бора в указанных пределах повышает 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. Концентрация нитрида бора в шихте менее 0,5% не обеспечивает нужного уровня износостойкости, а при повышении свыше 1,5% возрастает процентное содержание азота в наплавке, что приводит к появлению пор, и падению износостойкости наплавленного металла.

Введение в шихту проволоки таких боридных соединений в комплексе обусловливает образование в структуре наплавленного металла боридной эвтектики, которая, располагаясь в виде каркаса между кристаллами мартенсита, воспринимает часть нагрузки от удельных давлений и контактного взаимодействия и рассредоточивает ее на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость наплавленного металла, работающего в условиях истирания к ударным нагрузкам. При этом также образуются мелкодисперсные труднорастворимые высокопрочные карбиды, бориды, нитриды, карбобориды и карбонитриды, способствующие увеличению износостойкости наплавленного металла.

Медь в пределах 2-4% вводится не только как упрочняющая добавка, но и как добавка образующая в наплавленном металле самостоятельную «мягкую фазу», позволяющую предохранить сплав от хрупкого разрушения и значительно снизить внутренние термические остаточные напряжения после затвердевания наплавленного металла. Мягкие выделения меди на границах карбоборид, карбонитрид, мартенсит и аустенит, и внедрение её в кристаллические решетки карбида и нитрида бора, увеличивает количество атомов бора со стабильными sp³ – конфигурациями, ослабляет силы связей в кристаллической решетке и увеличивает способность металлоподобных фаз к релаксации упругих напряжений, тем самым останавливают рост трещин при их возникновении, что эквивалентно увеличению пластичности металла. Медь также стабилизирует карбидную и нитридную фазы в наплавленном металле за счет уменьшения диссоциации карбида и нитрида бора, что ослабляет степень их выкрашивания и тем самым повышая износостойкость. Концентрация меди в шихте менее 2% не обеспечивает заметного повышения пластичности, а при превышении свыше 4: начинается выделение меди в виде прослоек по границе зерен, что уменьшает количество «мягкой» фазы и снижается пластичность металла.

Введение в состав шихты феррониобия в пределах 2-4% обеспечивает получение карбидов и боридов 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. При введении феррониобия в шихту свыше 4 мас.%. Повышения эффекта износостойкости металла не наблюдается.

Наличие в составе шихты феррованадия в пределах 2,5-4,5% повышает прочность наплавленного металла за счет карбонитридного упрочнения, вследствие связывания углерода и азота в карбиды и нитриды ванадия.

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

Введение железного порошка способствует равномерности плавления шихты и оболочки, что улучшает сварочно-технологические свойства порошковой проволоки. Кроме того, железный порошок необходим для получения расчетного коэффициента заполнения порошковой проволоки, что обеспечивает получение наплавленного металла требуемого химического состава.

Для количественной оценки воздействия легирующих элементов на свойства наплавленного металла по известной технологии были изготовлены 6 составов порошковой проволоки: 2, 3 и 4 – составы предлагаемой проволоки; 1 и 5 – составы с содержанием компонентов, выходящими за пределы; 6 – состав прототипа, с учетом перерасчета состава его шихты в количественный состав порошковой проволоки при коэффициенте заполнения 45%; приведенные табл. 1.

В качестве оболочки использовали стальную ленту марки 08 кп размером 15×0,5 мм по ГОСТ 503-81. В качестве шихты использовали смесь порошков феррованадия марки ФВд50У0,3 по ГОСТу 27130 - 94, карбида бора по ГОСТу 5744-85, нитрида бора ТУ 26.8-0022 226-007-2003, ферротитана марки ФТи70С1 по ГОСТу 4761-91, феррохрома высокоуглеродистого марки FeCr70C70LSLP по ГОСТу 4757 - 91 (ISO 5448 - 81), марганца марки Мн998 по ГОСТу 6008-90, феррониобия марки ФНб65 по ГОСТу 16773 - 2003 (ISO 5453-80), меди марки ПМС-1 по ГОСТу 4960-2009, графита кристаллического литейного марки ГЛ-1 по ГОСТу 5279-74, феррохрома марки ФХ001А по ГОСТу 4757-91 (ИСО 5448-81), железа марки ПЖР2 по ГОСТу 9849-86.

Состав шихты варьируется в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл. Наплавка предложенной проволокой может производиться как под флюсом, так и в среде защитных газов.

Порошковыми проволоками ∅ 2,6 мм полуавтоматом ПДГО-510 в аргоне выполнялась трехслойная наплавка на ребро пластин из стали 45 толщиной 20 мм. Из наплавленного металла изготавливались образцы для проведения исследований по известным методам.

Дюрометрические исследования проводили на образцах из наплавленного металла после наплавки, отжига и закалки. Твердость по Роквеллу измеряли на приборе ТК-2.

Испытания на абразивный износ проводили на дробилке щековой лабораторной ЩД 6 на образцах из наплавленного металла. В качестве абразивного материала использовался гранитный щебень марки М1200 фракции от 15 до 20 мм по ГОСТу 8267-93. Количество щебня для полного цикла испытаний 25 кг. Перед началом испытаний и после обработки каждых 5 кг абразива проверялся вес и профиль образцов. Полученные результаты выражались в виде коэффициента относительной износостойкости ε, численно равного отношению весовых потерь эталона (наплавленного металла электродами Т-590) и испытуемого металла.

Испытания на склонность наплавленного металла к хрупкому разрушению проводили на молоте МА4129 при энергии удара 0,1 кДж. За износостойкость принимали количество ударов до появления первой трещины.

Результаты дюрометрических исследований и испытаний на износостойкость сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Как видно из таблицы 2, наилучшими свойствами обладает металл, полученный порошковыми проволоками 2, 3 и 4 состава.

Твердость наплавленного металла полученного этими составами несколько меньше по сравнению с твердостью металла прототипа, однако, количество ударов до появления первой трещины, характеризующее хрупкость такого металла находится в пределах 17-36, в то время как у металла-прототипа – всего 8. Анализ испытаний показывает, что по сравнению с использованием порошковой проволоки – прототипа, применение предлагаемой новой проволоки позволяет увеличить коэффициент относительной износостойкости наплавленного металла с 1,23 до 1,62-2,48 при снижении его хрупкости в 2,1-4,5 раза. В случае необходимости механической обработки такого наплавленного металла проводится отжиг при температуре 900 – 2 часа, при этом твердость снижается до 41-44 HRC. После механической обработки проводится закалка с температурой 1020°C, при этом твердость возрастает до 55-60 HRC. В целом данные составы позволяют получать беспористый наплавленный металл, превосходящий металл, полученный проволокой-прототипом по стойкости к абразивному износу и ударным нагрузкам.

Такие свойства наплавленного металла полученного порошковой проволокой заявленного состава можно объяснить тем, что он представляет собой композиционную структуру, состоящую из многокомпонентных фаз на основе железа, ванадия, ниобия и меди (FeB; V₃B₄; NbB₂; Cu₃N) расположенных в виде каркаса между кристаллами мартенсита, упрочненного тугоплавкими карбидами (NbC, Fe₄C_0,63), нитридами (TiN; Cr_0.5V_0.5N; BN;) и интерметаллидными фазами (CuTi; Cr_0,7Fe_0,3) обладающих высокой микротвердостью.

Металл, полученный предложенной порошковой проволокой характеризуется отсутствуем трещин, пор, высокой твердостью, при сохранении пластических свойств на достаточно высоком уровне, что позволяет значительно повысить износостойкость наплавленных деталей дорожных машин.

Данное техническое решение создано в рамках выполнения гранта РНФ Соглашение №17-19-01224.