ШИХТА ДЛЯ ТЕРМИТНОЙ НАПЛАВКИ Российский патент 2005 года по МПК B23K35/36 B23K23/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено, например, для заварки поверхностных дефектов стального литья.

Известна шихта для термитной сварки и наплавки (Малкин Б.В., Воробьев А.А. Термитная сварка. - М.: Изд. Минкоммунхоза РСФСР, 1963, с.10), в которой содержится 25,24% алюминия и 74,76% окиси железа Fе₂О₃ или 20% алюминия и 80% закиси железа FeO. Компоненты в шихте находятся в виде порошка, частицы которого измельчены до 0,1...1,4 мм. Такой состав термитной шихты позволяет производить качественную сварку и наплавку крупногабаритных деталей, например рельсов. Для сварки и наплавки таких деталей требуется большое количество шихты, порядка нескольких килограммов. В этом случае известный состав термитной шихты обеспечивает возможность стабильной экзотермической реакции с выделением количества тепла, достаточного для образования необходимого количества термитного металла, а также для нагрева и оплавления металла деталей в зоне их соединения или в зоне наплавки. Однако при необходимости наплавки небольшого количества металла, например для заварки поверхностных дефектов типа раковин на стальных отливках, требуется небольшое количество шихты, порядка 200...300 г. При таком количестве шихты известного состава экзотермическая реакция не успевает стабилизироваться, процесс горения шихты идет неустойчиво, с большим разбрызгиванием, качественную наплавку получить трудно.

Известен также состав термитной смеси, защищенный авторским свидетельством СССР №935232 от 26.12.1979 г., МКИ 3 В 23 К 23/00, который принят за прототип. Шихта по прототипу состоит из алюминия, железной окалины, кварцевого песка и соды, причем компоненты взяты в следующем соотношении (вес.%): алюминий 30...40, железная окалина 45...55, сода 1,5...3,0, кварцевый песок-остальное. В качестве железной окалины использована кузнечная окалина. Грануляция порошкообразных компонентов шихты в описании прототипа не указана, однако поскольку шихта применяется для наплавки большого количества металла, очевидно, что по прототипу размеры частиц компонентов принимают в соответствие с общими требованиями, отраженными в первом рассмотренном аналоге. Применение шихты по прототипу обеспечивает повышение качества наплавленного металла за счет улучшения отделяемости шлака от металла и устранения шлаковых включений.

Однако эти преимущества шихты по прототипу проявляются только при больших количествах шихты, когда требуется наплавить несколько килограммов металла, как, например, при заварке нарушенной поверхности ковша для разливки расплавленного металла. При необходимости наплавки малого количества металла, порядка нескольких десятков грамм, применение шихты по прототипу не обеспечивает стабильного процесса горения шихты, процесс не успевает стабилизироваться, часть шихты разбрызгивается, наплавленный металл плохо сплавляется с основным металлом детали. Поэтому заварка небольших поверхностных дефектов стального литья с помощью шихты по прототипу практически невозможна.

Технический результат предлагаемого состава шихты для термитной наплавки - повышение качества наплавленного металла.

Сущность изобретения заключается в том, что шихта для термитной наплавки содержит порошки оксида железа и алюминия, а также соду в качестве технологической добавки. В отличие от прототипа в качестве оксида железа взята окалина после дробеструйной обработки стальных деталей, прошедших термическую обработку. Грануляция компонентов шихты составляет 10...40 мкм. Компоненты шихты взяты в следующем соотношении (масс.%):

Окалина после дробеструйной обработки

стальных деталей 68...71

Алюминий 29...31

Сода 0,4...0,6

Такая совокупность признаков предлагаемого состава шихты упрощает процесс наплавки и повышает качество наплавленного металла при малом его количестве, например при заварке относительно небольших дефектов стального литья, требующих сжигания порции термитной смеси массой 100...300 грамм. Это обусловлено более высокой стабильностью процесса горения предлагаемой шихты по сравнению с шихтой по прототипу.

Предлагаемый состав шихты приготовляется и используется следующим образом. В состав шихты включают оксид железа, в качестве которого берут окалину после дробеструйной обработки стальных деталей, прошедших термическую обработку. Слой такой окалины на поверхности термообработанных стальных деталей имеет относительно небольшую толщину по сравнению, например, с кузнечной окалиной, применяемой обычно в составах термитных смесей и, в частности, в шихте по прототипу. Это обуславливает меньшее количество загрязнений оксида железа газами и более однородный его состав, поскольку в такой окалине преобладает один из видов оксида железа, например Fе₂О₃. Это повышает стабильность экзотермической реакции компонентов шихты. Кроме того, в составе окалины после дробеструйной обработки стальных деталей остаются осколки стальной дроби, которые, расплавляясь в процессе наплавки, легируют наплавляемую термитную сталь. Это повышает механические свойства наплавленного металла без введения в состав шихты специальных легирующих компонентов, что упрощает состав шихты и повышает стабильность ее горения.

Наличие в предлагаемом составе шихты соды в количестве 0,4...0,6% повышает стабильность экзотермической реакции. Увеличение количества соды более 0,6% ведет к увеличению пористости наплавленного металла. При содержании в шихте менее 0,4% сода практически перестает влиять на стабильность процесса наплавки. Соотношения количества оксида железа и алюминия выбрано близким к стехиометрическому, что обеспечивает полное восстановление оксида железа алюминием.

Компоненты шихты размалывают до грануляции частиц 10...40 мкм. Этот диапазон поперечного размера частиц компонентов обеспечивает наиболее стабильное горение шихты. При увеличении размеров частиц шихты более 40 мкм увеличивается разбрызгивание шлака и не прореагировавших частиц, что нарушает стабильность процесса наплавки, ухудшает условия труда и качество наплавленного слоя металла. Частицы шихты размером менее 10 мкм труднее получать, а стабильность процесса горения шихты при таких размерах частиц практически не изменяется.

Подготовленная шихта предлагаемого состава может быть использована непосредственно в виде порошка, или в виде прессованного брикета, либо в виде брикета, сформованного из шихты, замешанной на связующем. В качестве связующего может быть использовано, например, натриевое жидкое стекло. Полученную пасту из шихты со связующим можно помещать, например, в песчаные формы и высушивать, после чего форма с шихтой будет готова к применению.

Примером применения предлагаемого способа может служить заварка поверхностных дефектов стального литья. Для проверки эффективности предлагаемого состава шихты изготавливали образцы из стали 35Л в виде цилиндров диаметром 120 мм, высотой 30 мм. На одном из торцов образца газопламенным резаком выплавляли лунку глубиной 15 мм и диаметром 35 мм, имитирующую усадочную раковину на отливке. В состав термитной шихты по предлагаемому способу вводили 30% алюминиевого порошка марки АПВ-4 с размером частиц 10...15 мкм, 69,5% окалины после дробеструйной обработки стальных деталей, прошедших закалку, и 0,5% соды. Окалину после дробеструйной обработки стальных деталей и соду измельчали в шаровой мельнице до поперечного размера частиц 20... 30 мкм. Из формовочной земли, применяемой в литейном производстве, изготавливали форму в виде цилиндрического стакана внутренним диаметром 35 мм и высотой 120 мм. С верхнего торца форму закрывали овальной крышкой с центральным отверстием диаметром 5 мм. С другого торца форму заполняли шихтой, замешанной на жидком натриевом стекле, количество которого составляло 12% сверх 100% общей массы сухой шихты. Общая масса шихты в форме составляла 200 г. Форму, заполненную шихтой, сушили при температуре 200°С в течение 2 часов. Такие же формы готовили с шихтой по прототипу, которая содержала 30% алюминиевой стружки АК-1, 55% кузнечной железной окалины, 3% соды и 12% кварцевого песка. Компоненты шихты по прототипу измельчали до поперечного размера частиц 0,3...0,5 мм. Всего с предлагаемой термитной шихтой и с шихтой по прототипу были изготовлены по 5 форм.

Просушенные формы устанавливали на образцы поверх имитатора дефекта и поджигали шихту газопламенной горелкой через отверстие в крышке формы. Термитная шихта по прототипу горела бурно, с выплесками шлака и не прореагировавших частиц шихты на расстояние 3...4 м. Горение шихты продолжалось 5...7 с. В результате наплавки термитной стали на образец не произошло, в шлаковом каркасе были обнаружены 2...3 слитка металла диаметром 5...7 мм, масса которых составила около 10% массы шихты. В слитках были видны поры. Прореагировало около 50% шихты по прототипу.

Предлагаемая термитная шихта горела стабильнее. Брызги шлака разлетались на 1,5...2,0 м. Время горения увеличилось до 15...17,5 с. Имитаторы дефекта оказались полностью залитыми термитной сталью с хорошим сплавлением наплавленного металла с основным. Выход металла из шихты составил 56...62%. Количество металла, выплавленного из шихты, оказалось выше расчетного по стехиометрическому соотношению. Причиной этого послужило наличие в окалине после дробеструйной обработки стальных деталей от 4 до 8% осколков стальной дроби.

Таким образом, предлагаемый состав термитной шихты обеспечивает положительный эффект, заключающийся в повышении стабильности горения шихты и улучшении качества наплавки при небольшом количестве наплавляемого металла. Предлагаемый состав шихты может быть изготовлен и использован с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемая термитная шихта обладает промышленной применимостью.

Изобретение может быть использовано для заварки поверхностных дефектов стального литья. Шихта содержит порошки оксида железа и алюминия, а также соду в качестве технологической добавки. В качестве оксида железа взята окалина после дробеструйной обработки стальных деталей, прошедших термическую обработку. Грануляция порошков оксида железа и алюминия составляет 10...40 мкм. Компоненты взяты в следующем соотношении, масс.%: окалина 68...71, алюминий 29...31, сода 0,4...0,6. Шихта обеспечивает высокую стабильность горения и улучшение качества наплавки.

Шихта для экзотермической наплавки стальных деталей, содержащая порошки оксида железа и алюминия, а также соду в качестве технологической добавки, отличающаяся тем, что в качестве оксида железа взята окалина после дробеструйной обработки стальных деталей, прошедших термическую обработку, а грануляция порошков оксида железа и алюминия составляет 10...40 мкм, причем компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Окалина после дробеструйной обработки стальных деталей68...71Алюминий29...31Сода0,4...0,6