Результат интеллектуальной деятельности: ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА

Изобретение относится к сварочным материалам и может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия на деталях металлургического оборудования, работающих в условиях сжатия и абразивного износа при температурах 600°С.

Известна [1], порошковая проволока для механизированной наплавки под флюсом, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей феррохром, ферромолибден, феррованадий, ферросилиций, ферромарганец, графит, кремнефтористый натрий, ферровольфрам, и железный порошок при соотношении, вес.%:

Существенными недостатками данной порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет повышенной загрязненности стали неметаллическими оксидными, а также соотношения карбидообразующих элементов;

- плохая устойчивость горения дуги в связи с отсутствием в шихте в достаточном количестве элементов (калия, натрия), облегчающих ионизацию в столбе дуги;

- низкое качество наплавленного металла в связи с порообразованием, связанным с повышенным содержанием водорода;

- возможность образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки из-за отсутствия в составе шихты достаточного количества аустенитообразующих элементов, в частности никеля;

- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (молибдена, и кремнефтористого натрия).

Известна выбранная в качестве прототипа [2], порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферромолибден, феррованадий, графит, натрий кремнефтористый, ферровольфрам, железный порошок при следующем соотношении, %:

Существенными недостатками данной порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности твердости и износостойкости, за счет повышенной загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями, а также соотношения карбидообразующих элементов в составе шихты;

- плохая устойчивость горения дуги в связи с отсутствием в шихте элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги (отсутствие калия);

- низкое качество наплавленного металла в связи с порообразованием, связанным с повышенным содержанием водорода;

- образование холодных трещин в процессе многослойной наплавки из-за отсутствия в составе шихты достаточного количества аустенитообразующих элементов, в частности никеля;

- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (молибдена и кремнефтористого натрия).

Техническими результатами изобретения являются:

- повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет снижение загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями и эффекта дисперсионного твердения высоколегированного аустенита при отпуске;

- повышение устойчивости горения дуги за счет введения элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги;

- улучшение формирования наплавленного металла и исключение порообразования за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты;

- предотвращение образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки за счет увеличения количества стабилизированного аустенита в процессе наплавки и снижения содержания водорода в наплавленном металле;

- снижение стоимости сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и эффективного использования отходов производства.

Для этого предлагается порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферровольфрам, ферромарганец, ферросилиций, феррохром, феррованадий, железный порошок, в которой стальная оболочка изготовлена из стали 08ЮА, а порошкообразная шихта дополнительно содержит никель и углеродфторсодержащую пыль электрофильтров алюминиевого производства при соотношении компонентов, мас.%:

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

Стальная оболочка заявляемой порошковой проволоки изготавливалась из холоднокатаной ленты стали 08ЮА, что позволило по сравнению с используемой ранее сталью 08кп снизить содержание кислорода и соответственно уменьшить концентрацию оксидных неметаллических включений в наплавляемом металле.

В состав порошкообразной шихты дополнительно введены никель и углеродфторсодержащая пыль электрофильтров алюминиевого производства, исходя из следующих предпосылок.

Введение в состав наплавленного металла сильного аустенитообразующего элемента - никеля повышает количества остаточного аустенита, что уменьшает вероятность образования холодных трещин за счет увеличения количества остаточного аустенита и уменьшения объемного эффекта мартенситного превращения.

Введение в состав шихты порошковой проволоки углеродфторсодержащей пыли электрофильтров алюминиевого производства связано с содержанием в составе последней элементов, позволяющих:

- проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений (типа Na₃AlF₆, Na₂SiF₆, NaF, KF, CF (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 наплавленном металле;

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

- проводить интенсивное науглероживание при взаимодействии фтористого углерода CF_x (1≥x>0) с карбидообразующими элементами, что позволяет увеличить количество карбидной составляющей в структуре наплавленного металла и дополнительно повысить его твердость.

Для изготовления шихты порошковой проволоки использовали углеродфторсодержащую пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, масс.%: Al₂O₃=18-48; F⁺=18-27; Na₂O=3-16; K₂O=0,4-6%, CaO=0,6-1,9; SiO₂=0,5-2,4; Fe₂О₃=1,7-3,3; C_общ=12-31, MnO=0,05-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,4, P=0,1-0,15.

Изменение содержания никеля и углеродфторсодержащей 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), при этом учитывалось содержание остальных компонентов.

При изготовлении порошковой проволоки использовали: порошки ферровольфрама ФВ 80(а) ГОСТ 17293-93, ферросилиция марки ФС 75 по ГОСТ1415-93, углеродистого ферромарганца ФМн 78(А) по ГОСТ 4755-91, высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ900А по ГОСТ 4757-91, феррованадия марки ФВ50У0.6 по ГОСТ 27130-94, никеля марки ПНК-2К9 по ГОСТ 9722-97, железа марки ПЖВ 1 по ГОСТ 9849-86.

Шихта перемешивалась в смесители для получения однородной массы и прокаливалась для удаления влаги при температуре 250-350°C. Далее производилось изготовление порошковой проволоки на станке. Диаметр готовой проволоки после операций волочения составлял 3,6 мм, при коэффициенте заполнения 0,32-0,33. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась наплавка заготовок рабочих валков с диаметром рабочей части 150 мм, длиной 425 мм. Наплавка производилась под флюсом на следующих режимах: сварочный ток 380-400 А, напряжение дуги 32-34 В, скорость наплавки 25 м/ час, скорость подачи порошковой проволоки 73 м/час.

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. Содержание водорода в наплавленном металле определялось методом восстановительного плавления в вакууме или в потоке инертного газа-носителя на газоанализаторе фирмы «LECO» ТС-600 (США). Содержание водорода изменялось в пределах 0,2-0,6 см³/100 г наплавленного металла при допустимом содержании водорода в высоколегированном наплавленном металле до 2 см³/100 г металла. Твердость наплавленного металла контролировалась непосредственно после наплавки. Твердость наплавленного металла после наплавки составляла HRC 48-54. Дефекты (трещины, поры и неметаллические включения) при наплавке порошковой проволокой с шихтой заявляемого состава, содержащей никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства, не обнаружены.

Исследовались 6 вариантов составов шихты (таблица 1) порошковой проволоки с заграничными и граничными заявляемыми пределами.

Влияние изменения химического состава на технологические свойства и механические характеристики наплавленного металла приведено в таблице 2. Использование заявляемого состава шихты порошковой проволоки по сравнению с базовым составом (прототип) позволяет:

1. Повысить качество наплавленного металла за счет снижения его загрязненности неметаллическими включениями, снижения вероятности порообразования и предотвращения образования холодных трещин.

2. Уменьшить содержание водорода за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты в среднем до 0,3-0,6 см³/100 г металла.

3. Улучшить формирование шва при сварке за счет стабилизации горения дуги.

4. Повысить твердость наплавленного металла до HRC 48-54.

5. Снизить себестоимость изготовления порошковой проволоки за счет снижения содержания легирующих компонентов и использования отходов алюминиевого производства в предлагаемой порошковой проволоки.

Список источников

1. А.с. СССР №449790, кл. B23K 35/30, B23K 35/30.

2. А.с. СССР №287830, кл. B23K 35/30, B23K 35/04.