ПЛАВЛЕННЫЙ ФЛЮС ДЛЯ НАПЛАВКИ Российский патент 1998 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к сварочному производству и предназначено для использования при нанесении высоколегированных плакирующих слоев путем автоматической электродуговой наплавки ленточным электродом под слоем заявляемого флюса.

Для механизированной дуговой наплавки ленточным электродом высоколегированных сталей в атомной энергомашиностроении широко используется флюс ОФ-10 (ОСТ5.9206-75, табл.1). Однако при наплавке лентой с повышенным содержанием Ni, при наличии в ее составе Nb и/или остаточного Ti на поверхности наплавленного металла остается трудноотделяемая корочка шлака (пригар), образование которой связывается с образованием на границе затвердевающих металла и шлака соединений типа шпинели MgO•Al₂O₃. Это способствует повышению трудоемкости наплавки антикоррозионного покрытия и увеличивает возможность появления в нем неметаллических и шлаковых включений.

Известен сварочный флюс марки ОФ-6 (ОСТ5.9206-75, табл.1), применяемый в судостроении и в атомном энергомашиностроении с 1957 года для автоматической сварки и наплавки проволокой из высоколегированных сталей. Однако для наплавки ленточным электродом он оказался непригодным из-за перехода дугового процесса в электрошлаковый с нарушением формирования наплавляемого металла и появления в нем дефектов типа несплавлений и западаний, подлежащих механическому удалению и повторной наплавке удаленной части плакирующего слоя. Кроме этого, повышенная склонность к гидратации флюса ОФ-6, обусловленная возможностью образования в нем легко гидратируемых минералов 3CaO•SiO₂, CaO, 5CaO•3Al₂O₃, CaO•Al₂O₃ также способствует появлению упомянутых дефектов.

Известны флюсы марок ОФ-17 и АН-70 (табл.1), которые относятся к той же шлаковой системе, что и флюс ОФ-6 (СaO-Al₂O₃-SiO₂-CaF₂), перспективной для сварки и наплавки высоколегированных сталей.

Флюс ОФ-17 и АН-70 не приняты Госатомнадзором для наплавки плакирующего слоя на конструкции атомного энергомашиностроения из-за следующих недостатков: флюс ОФ-17 из-за повышенного содержания фтористого кальция и возможности перехода дугового процесса в электрошлаковый, а флюс АН-70 преимущественно из-за неустойчивости сварочно-технологических свойств, обусловленной образованием в его составе легко гидратируемых минералов (подобно флюсу ОФ-6) таких как 3СаO•SiO₂, CaO, 5CaO•3Al₂O₃, CaO•Al₂O₃, а также возможным переходом дугового процесса в электрошлаковый.

Химический состав флюса АН-70 наиболее близок к заявляемому составу (см. табл.1) и является его прототипом.

Изложенные выше недостатки флюса марки АН-70, отражающиеся прежде всего на технологичности его использования при наплавке плакирующего слоя, преимущественно определяются сравнительно низким содержанием в нем диоксида кремния.

Задачей изобретения являлось повышение технологичности наплавки плакирующего слоя на конструкции атомного энергомашиностроения ленточным электродом.

Поставленная задача достигнута установлением следующих соотношений компонентов в составе флюса, мас.%: SiO₂ 10,5-15; CaO 24-32; Al₂O₃ 27-34; CaF₂ 25-33, при этом должны выполняться соотношения: 0,9 ≤ Al₂O₃/CaO < 1,4; 0,9 ≤ CaF₂/Al₂O₃ < 1,2, а допускаемые примеси, регулируемые в соответствии с назначением наплавляемых конструкций, должны быть: MgO ≤ 2; MnO ≤ 0,3; Fe₂O₃ ≤ 1; S ≤ 0,025; P ≤ 0,025.

Пределы содержания кремнезема установлены таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить наиболее высокую стойкость флюса против гидратации и устойчивость дугового процесса (нижний предел) и, с другой стороны, обеспечить требования по содержанию кремния в наплавленном металле (верхний предел).

Соотношение CaF₂/Al₂O₃ ограничено для обеспечения устойчивости дугового процесса и качества формирования наплавленного металла без подрезов, западаний, наплывов. Увеличение этого соотношения или повышение содержания СаF₂ более 33%, особенно при снижении содержания кремнезема менее 10% (как это имеет место во флюсе марки АН-70), способствует переходу дугового процесса в электрошлаковый и ухудшению формирования наплавляемого металла.

Ограничение соотношения Al₂O₃/CaO исключает образование во флюсе Al₂O₃ в свободном состоянии и Al(OH)₃, способствующих загрязнению металла наплавки неметаллическими включениями.

Флюс изготавливается методом, применяемым повсеместно для изготовления плавленных сварочных флюсов, т.е. сплавлением исходного сырья (мрамор, глинозем, кварцевый песок, плавиковый шпат) во флюсоплавильных печах с последующей грануляцией расплава водой.

Сущность изобретения, выраженная в представленном выше составе, заключается в том, что установление новых пределов по содержанию SiO₂ в составе флюса (10,5-15% SiO₂, вместо 3-10% SiO₂ во флюсе АН-70) и соотношений между другими компонентами обеспечивает в отличие от прототипа:
- полное предотвращение перехода дугового процесса в электрошлаковый и тем самым надлежащее формирование наплавляемого металла без дефектов;
- образование в зернах флюса преимущественно геленита 2СaO•Al₂O₃•SiO₂ - соединения, практически не склонного к гидратации, что предотвращает самопроизвольное повышение содержания воды в зернах флюса и соответственно высокое выделение паров воды в процессе наплавки, сопровождаемое ухудшением формирования наплавляемого металла, появлением пригара шлака на поверхности наплавляемого металла и ухудшением отделения шлаковой корочки.

Эти отличия заявляемого флюса, реализованные в установленном марочном составе (флюс ОФ-40, табл. 1), позволяет получить и гарантировать высокую технологичность применения флюса при наплавке плакирующего слоя в промышленных масштабах в количествах до 100 т наплавленного металла в год.

Для лабораторных испытаний были изготовлены опытные плавки флюса. Наплавка производилась лентой марок Св-04Х20Н10Г2Б и Св-08Х15Н35Г7М6Б сечением 0,75 х 50 мм на сталь марки 22К в режиме I_н = 700 A, U_g = 32 B, V_н = 10-18 м/ч под флюсом с различным содержанием основных компонентов: SiO₂, Al₂O₃, CaO, CaF₂ (табл.2). При испытаниях оценивались следующие параметры: формирование наплавленного валика, отделимость шлаковой корки, наличие пригара и остатков шлака на поверхности наплавленного металла, пористость в шлаковой корочке. Результаты приведены в табл.2.

Результаты подтверждают ухудшение формирования наплавляемого металла при снижении содержания SiO₂ в составе флюса и повышении в нем СаО или СаF₂ как следствие частичного перехода дугового процесса в электрошлаковый. При этом также ухудшалось отделение шлаковой корочки, и на поверхности наплавленного металла прочно удерживались мелкие остатки шлака ("пригар", "березовая кора"). Отмечалось также повышенное выделение газов, что приводило к появлению множества крупных пор в шлаковой корочке.

С увеличением содержания Al₂O₃ выше установленного предела также отмечалось появление пригара шлака на поверхности валиков.

По результатам лабораторных испытаний нового флюса было принято решение о сравнении в промышленных условиях применяемого флюса марки ОФ-10 и заявляемого состава флюса при наплавке сварочными лентами марок Св-07Х25Н13, Св-04Х20Н10Г2Б и Св-08Х19Н10Г2Б, широко применяемыми для наплавки конструкций атомного энергомашиностроения.

Результаты сравнительных испытаний, выполненных на ПО "Ижорские заводы", подтвердили высокие технологические свойства нового флюса, при этом химический состав и механические свойства наплавленного металла полностью соответствуют требованиям технологической документации на наплавку специального энергетического оборудования (ОСТ5.9660-76).

Технико-экономический эффект при использовании предлагаемого флюса выразится в повышении качества наплавленного металла и эксплуатационной надежности конструкций за счет уменьшения образования дефектов и неметаллических включений в наплавленном металле, улучшении формирования наплавленного валика и снижении трудоемкости процесса наплавки вследствие сокращения дополнительных затрат времени на зачистку валиков от пригара шлака и ремонтных работ по исправлению дефектов.

Изобретение может быть использовано при нанесении высоколегированных плакирующих слоев путем автоматической электродуговой наплавки ленточным электродом под слоем флюса. Установлены следующие соотношения компонентов в составе флюса, мас. %: SiO₂ 10,5-15; СаО 24-32; Al₂O₃ 27-34; CaF₂ 25-33. При этом должны выполняться соотношения: 0,9 ≤ Al₂O₃/CaO <1,4; 0,9 CaF₂/Al₂O₃ <1,2. Такой состав флюса позволяет повысить качество наплавляемого слоя и эксплуатационную надежность конструкций. 2 табл.

Плавленный флюс, преимущественно для антикоррозионной наплавки ленточным электродом, высоколегированных плакирующих слоев, содержащий SiO₂, Al₂O₃, CaO и CaF₂, отличающийся тем, что содержание компонентов в составе флюса установлено в следующих пределах, мас.%:
SiO₂ - 10,5 - 15
CaO - 24 - 32
Al₂O₃ - 27 - 34
CaF₂ - 25 - 33
при этом должны выполняться соотношения:
0,9 ≤ Al₂O₃ / CaO < 1,4
0,9 ≤ CaF₂ / Al₂O₃ < 1,2.