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, 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; К₂O=0,4-6, СаО=0,7-1,8; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=1,7-3,27; C_общ=12-31, MnO=0,07-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18 (RU №2492981 МПК B23K 35/36, опубл. 20.09.2013).

Существенными недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:

- большое количество дорогостоящих материалов в значительных количествах (вольфрама, никеля, молибдена, алюминия и др.);

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкость и твердость, в связи с нерациональным химическим составом шихты;

- низкое качество наплавленного металла, поражение наплавленного металла трещинами и порами.

Известна, выбранная в качестве прототипа, шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, никель, железо, пыль электрофильтров алюминиевого производства, марганец, кремний и вольфрам в виде вольфрамсодержащего концентрата марки КШ-4, при этом пыль алюминиевого производства содержит, мас. %: Al₂O₃=20-48; F⁺=18-27; Na₂O=4-16; К₂O=0,4-6, CaO=0,7-1,8; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=1,7-3,27; C_общ=12-31, MnO=0,07-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18, а компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %:

(RU №2579328 МПК B23К 35/36, B23К 35/368 опубл. 10.04.2016)

Существенными недостатками известной шихты порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкость и твердость в связи с нерациональным химическим составом шихты;

- низкое качество наплавленного металла, поражение наплавленного металла трещинами и порами.

Техническая проблема, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в повышении качественных показателей наплавленного слоя металла, в том числе в увеличении его износостойкости и твердости, в снижении пораженности трещинами и порами.

Для решения указанной технической проблемы предлагается шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, ванадий, алюминий, никель, железо, марганец, кремний, вольфрам в виде вольфрамсодержащего концентрата марки КШ-4 и пыль электрофильтров алюминиевого производства, содержащую, мас. %: Al₂O₃=20-48; F⁺=18-27; Na₂O=4-16; К₂O=0,4-6, CaO=0,7-1,8; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=1,7-3,27; C_общ=12-31, MnO=0,07-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18, в шихту дополнительно введен кобальт, а компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %:

Техническими результатами, получаемыми при использовании изобретения, являются:

- повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет оптимизации химического состава шихты;

- снижение пораженности трещинами и порами;

- снижение стоимости сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты.

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 0,6% значительно возрастает хрупкость и трещинообразование при наплавке.

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

Содержание кремния в шихте до 2,0% 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 2,0% значительно снижается пластичность наплавленного слоя и увеличивается склонность стали к трещинообразованию.

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

Хром в пределах 0,9-13% положительно влияет на повышение прочности и твердости стали. При меньшем содержании хрома эффективность его влияния на повышение прочности заметно снижается, при содержании его более 13% 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 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 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 0,01% не оказывает положительного влияния на свойства стали, а при концентрации более 7% эта характеристика не превышает определяемых величин и увеличение концентрации нецелесообразно из экономических соображений.

Введение кобальта связано с понижением критических точек при нагреве на диаграмме железо-углерод (повышением теплоустойчивости), а также в связи со значительным повышением вязкости и уменьшением размера зерна. Оптимальный интервал содержания кобальта выбран исходя из того, что при его концентрации до 0,01% он не оказывает положительного влияния на свойства стали, а при повышении концентрации более 6% наблюдается незначительное повышение качественных характеристик наплавленного слоя, в результате чего дальнейшее увеличение концентрации кобальта 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, порошок кобальтовый марки ПК-1у по ГОСТ 9721-79.

В качестве вольфрамсодержащего концентрата использовали вольфрамовый концентрат марки КШ-4 соответствующий ГОСТ 213-83 производства ОАО "Горнорудная компания "АИР" следующего химического состава 50-57% W0₃, 0,03% Mo, 0,02% Cu, 0,02% Bi, 1,0% Fe, 2,0% P, 0,6% S.

Пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, масс. %: Al₂O₃=20-48; F=18-27; Na₂O=4-16; К₂O=0,4-6, CaO=0,7-1,8; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=1,7-3,27; C_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 смесителе для получения однородной массы и прокаливались для удаления влаги при температуре 250-350°С. Далее производилось изготовление порошковой проволоки на станке. Диаметр готовой проволоки после операций волочения составлял 3,8 мм, при коэффициенте заполнения 0,32-0,33. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась наплавка бункеров и труботечек горношахтного оборудования. Наплавка производилась под флюсом АН-20 с использованием сварочного трактора ASAW-1250 на следующих режимах: сварочный ток 410-430А, напряжение дуги 27-32B, скорость наплавки 24-25 м/час, скорость подачи порошковой проволоки 70-73 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 наплавленного слоя металла 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, кобальта, 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.

Твердость наплавленного металла после наплавки и термообработки составляла HRC 48-56. 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 порошковой проволоки (таблица 1): 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. Достигнута твердость HRC 48-56 Скорость износа снизилась с 0,0045 г/мин до 0,0038-0,0040 г/мин.

2. Снизить количество пор и трещин в наплавленном слое металла - анализ макроструктуры образцов показал отсутствие пор и трещин.

3. Снизить стоимость шихтовых составляющих порошковой проволоки за счет оптимизации состава шихты по сравнению с прототипом на 160-328 руб. на 1 кг наплавленного слоя.