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.

Известна шихта порошковой проволоки [1], содержащая углерод, хром, вольфрам, ванадий, кремнефтористый натрий, серу, кобальт, молибден и алюминий при соотношении компонентов, мас. %:

Существенными недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:

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

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет повышенной загрязненности стали неметаллическими оксидами и высокой концентрацией серы в шихте;

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

Известна выбранная в качестве прототипа [2] шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий и железо, а также никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства при соотношении компонентов, мас.%:

при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, масс. %: Al₂O₃=20-48; F⁺=18-27; Na₂O=4-16; K₂O=0,4-6%, CaO=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,l-0,18.

Существенными недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:

- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (вольфрама, молибдена, алюминия и др.);

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости в связи с химическим составом шихты.

Техническими результатами изобретения являются:

- повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет оптимизации химического состава шихты, снижения содержания водорода и уменьшения загрязненности наплавляемого слоя неметаллическими включениями;

- снижение стоимости сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и использования вольфрамового концентрата взамен вольфрама.

Для этого предлагается шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, никель, железо и пыль электрофильтров алюминиевого производства, содержащую, мас. %:Al₂O₃=20-48; F⁺=18-27; Na₂O=4-16; K₂O=0,4-6%, CaO=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, которая дополнительно содержит марганец, кремний, а вольфрам взят в виде вольфрамсодержащего концентрата марки КШ-4 при соотношении компонентов, мас. %:

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

Выбранное содержание углерода обеспечивает повышение предела текучести, временного сопротивления разрыву, твердости и износостойкости стали. При содержании углерода более 0,5% значительно возрастает хрупкость и трещинообразование при наплавке.

При концентрации марганца в шихте до 4,4% обеспечивается повышение прокаливаемости стали, уменьшается критическая скорость охлаждения. Выбранная концентрация марганца также способствует значительному измельчению зерна аустенита, уменьшает критическую скорость охлаждения.

Содержания кремния в шихте до 1,6% связано с необходимостью увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающем повышение чистоты стали по включениям пластичных силикатов, которые снижают ударную вязкость и эксплуатационную стойкость при истирании. При содержании кремния в шихте более 1,6% значительно снижается пластичность наплавленного слоя и увеличивается склонность стали к трещинообразованию.

Введение в состав кремния и марганца по сравнению с прототипом связано также с необходимостью повышения износостойкости заявляемой стали при рабочем контакте поверхность - абразивный материал.

Хром в пределах 0,9-15% положительно влияет на повышение прочности и твердости стали. При меньшем содержании хрома эффективность его влияния на повышение прочности заметно снижается, при содержании его более 15% при заданных содержаниях марганца, кремния, молибдена и никеля возможно получение глубоких трещин при наплавке.

Молибден в указанных пределах обеспечивает получение дисперсной закаленной структуры, увеличивает прочностные свойства, твердость, ударную вязкость и сопротивление износу.

Вольфрам вводится в сталь в виде вольфрамсодержащего концентрата с целью снижения стоимости шихты, а также возможности восстановления вольфрама из оксидов с образованием карбидов вольфрама, которые позволяют значительно уменьшить истираемость поверхности наплавляемого металла.

Введение ванадия в состав шихты обусловлено необходимостью получения дисперсных частиц карбонитрида ванадия, наличие которых позволяет повысить прочностные свойства и увеличить сопротивление хрупкому разрушению.

Содержание алюминия выбрано исходя из обеспечения, с одной стороны, низкого содержания кислорода в наплавляемом слое, с другой стороны - с целью исключения возможности образования недопустимых строчечных включений глинозема, увеличивающих склонность к образованию усталостных трещин и выщерблин при эксплуатации наплавленного слоя.

Введение никеля в заявляемых пределах обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости стали. Его содержание до 0,03% не оказывает положительного влияния на свойства стали, а при концентрации более 15% эта характеристика не превышает определяемых величин и увеличение концентрации нецелесообразно из экономических соображений.

Для изготовления шихты порошковой проволоки использовали углерод аморфный, порошки углеродистого ферромарганца ФМн 78(A) по ГОСТ 4755-91, ферросилиция марки ФС 75 по ГОСТ 1415-93, высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ900А по ГОСТ 4757-91, ферромолибдена марки ФМо60 по ГОСТ 4759-91, феррованадия марки ФВ50У0,6 по ГОСТ 27130-94, железа марки ПЖВ1 по ГОСТ 9849-86.

В качестве вольфрамсодержащего концентрата использовали вольфрамовый концентрат марки КШ-4, соответствующий ГОСТ 213-83 производства ОАО «Горнорудная компания "АИР"» следующего химического состава 50-57% WO₃, 0,03% Mo, 0,02% Cu, 0,02% Bi, 1,0% Fe, 2,0% Р, 0,6% S.

Пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, масс. %: Al₂O₃=20-48; F=18-27; Na₂O=4-16; K₂O=0,4-6%, CaO=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.

Порошки перемешивались в смесители для получения однородной массы и прокаливались для удаления влаги при температуре 250-350°C. Далее производилось изготовление порошковой проволоки на станке. Диаметр готовой проволоки после операций волочения составлял 3,7 мм, при коэффициенте заполнения 0,32-0,33. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась наплавка заготовок шнеков для горношахтного оборудования. Наплавка производилась под флюсом АН-20 с использованием сварочного трактора ASAW-1250 на следующих режимах:

сварочный ток 410-430 А, напряжение дуги 27-28 В, скорость наплавки 24-25 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 методом, а также на металлографических шлифах.

Определение химического состава металла сварных швов на содержание углерода, серы и фосфора проводили химическими методами по ГОСТ 12344-2003, ГОСТ 12345-2001, ГОСТ 12347-77 соответственно, на содержание марганца, кремния, хрома, никеля, меди в металле и оксидов кальция, кремния, магния, алюминия, марганца, железа, калия, натрия, фтора во флюсах с добавками и полученных шлаках проводили на рентгенофлюорисцентном спектрометре XRF-1800 фирмы SHIMADZU.

Исследование на определение кислорода, водорода и азота методом восстановительного плавления проводили на газоанализаторе фирмы «LECO» ТС-600. Массовая доля кислорода снизилась в пределах от 890-520 ppm (прототип) до 340-480 ppm. Содержание водорода изменялось в пределах 0,2-0,4 см³/100 г наплавленного металла при допустимом содержании водорода в высоколегированном наплавленном металле до 2 см³ /100 г металла. Значительных изменений содержания азота не наблюдалось и осталось на уровне базового варианта в количестве 70-90 ppm. Твердость наплавленного металла после наплавки и термообработки составляла HRC 46-54. Дефекты (трещины, поры и неметаллические включения) при наплавке порошковой проволокой с шихтой заявляемого состава не выявлены. После наплавки проводилось испытание на испытательной машине на истираемость образцов. Металлографические исследования (в том числе определение длины строчки неметаллических включений) проводили на полированных микрошлифах с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51.

Исследовались 5 вариантов составов шихты (таблица 1) порошковой проволоки, масс. %: 1 - прототип; 2 - нижний заграничный состав, 3 - нижний граничный состав, 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.

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

1. Повысить механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкость и твердость, за счет оптимизации химического состава шихты, снижения содержания водорода и кислорода за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты. Содержание водорода в среднем составило 0,2-0,4 см³/100 г металла (против 0,3-0,6 см³/100 г металла в прототипе). Содержание кислорода 340-480 ppm, в результате чего снизилась загрязненность наплавляемого металла неметаллическими включениями (длина оксидных строчек снизилась до 0,2 мм (в базовом варианте 0,4-0,6 мм)). Достигнута твердость HRC 46-54. Скорость износа снизилась с 0,1 г/мин до 0,0045 г/мин.

2. Снизить стоимость сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и использования вольфрамового концентрата взамен вольфрама на 280-430 руб на 1 кг наплавленного слоя.

Источники информации

1. Пат. РФ №2088392, МПК⁸, В23К 35/36.

2. Пат. РФ 2492981, МПК⁸, В23К 35/36.