ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ НАПЛАВКИ Российский патент 2007 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к наплавочным материалам, используемым для наплавки деталей, работающих при больших удельных давлениях и повышенных температурах, например валков горячего деформирования (прокатки), в том числе валков машин непрерывного литья стальных заготовок, а также деталей химической аппаратуры, в том числе задвижек газовых и нефтяных трубопроводов.

Известна порошковая проволока, состоящая из металлической оболочки и порошкообразной шихты, содержащей хром, молибден, марганец, ферросилиций, кремнефтористый натрий, железо, углеродистый хром, двуокись циркония и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром11,0-13,5Углеродистый хром3,5-3,9Никель0,2-0,5Марганец0,4-0,7Ферромолибден0,8-1,2Ферросилиций0,3-0,6Кремнефтористый натрий0,5-0,9Двуокись циркония1,6-2,4Железо4,8-6,2Малоуглеродистая сталь оболочкиОстальное

При этом коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 24,5-28,5% (см. патент РФ на изобретение №2083341, 6 МПК В 23 К 35/368 "Порошковая проволока", опубликованный 10.07.1997 г.).

Предлагаемое количественное соотношение компонентов известной порошковой проволоки обеспечивает получение высоких эксплуатационных свойств наплавленного металла, предотвращает появление пор и трещин в сварном шве, также имеет высокую коррозионную стойкость и износостойкость.

Однако применение указанной порошковой проволоки возможно при наличии специального оборудования для наплавки под слоем флюса, так как отсутствие в составе шихты необходимого количества газошлакообразующих компонентов не позволяет использовать данную порошковую проволоку для наплавки открытой дугой.

Кроме того, для получения высоких сварочно-технологических свойств наплавленного металла наплавку производят с предварительным подогревом до 240-280°С, что также требует дополнительного оборудования.

Кроме того, известная проволока не обеспечивает достаточной разгаростойкости наплавленного металла, что ограничивает ее применение для наплавки деталей, работающих в условиях циклических термомеханических нагрузок.

Наиболее близкой по технической сущности и назначению является порошковая проволока для наплавки деталей, работающих в условиях термомеханического циклического нагружения, состоящая из малоуглеродистой оболочки и порошкообразной шихты, содержащей графит, никель, алюминий, железо, ферросплавы: хрома молибдена вольфрама, ванадия и титана, а также кремний и ферроцерий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Графит0,4-0,7Феррохром15,8-19,6Ферромолибден8,1-10,3Ферровольфрам1,1-1,8Феррованадий2,8-3,5Ферросилиций1,3-2,1Ферромарганец1,3-2,7Ферротитан2,4-3,4Ферроцерий1,6-2,2Никель2,8-3,8Алюминий0,9-1,2ЖелезоОстальное

При этом коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 41% (см. патент РФ №1769481, 5 МПК В 23 К 35/368 "Порошковая проволока для наплавки", опубликованный 30.08.1994 г.).

Недостатком известной порошковой проволоки является недостаточное содержание в шихте газошлакообразующих и стабилизирующих горение дуги компонентов (2,1-3,3%), что ухудшает ее сварочно-технологические свойства, а именно ухудшает отделимость шлаковой корки. Плохая отделимость шлаковой корки способствует образованию неметаллических включений в наплавленном металле, что снижает сопротивление его образованию горячих трещин и коррозии, при этом увеличивается адгезия наплавленного металла и снижается его разгаростойкость.

Недостаточное содержание в шихте газошлакообразующих компонентов требует проведение наплавки под слоем флюса.

Кроме того, шихта известной порошковой проволоки содержит высокое содержание легирующих элементов, в том числе дорогостоящих ферросплавов.

Технический результат заявляемого изобретения предусматривает повышение сварочно-технологических свойств порошковой проволоки при многопроходной наплавке, а именно повышение стабильности горения дуги, отсутствие пор и разбрызгивания за счет комплексной шлаковой защиты расплавленного металла как на стадии капли, так и в сварочной ванне, а также повышение износостойкости, термической стойкости и коррозионной стойкости при уменьшении содержания дорогостоящих легирующих элементов.

Указанный технический результат достигается тем, что порошковая проволока для наплавки, состоящая из малоуглеродистой оболочки и порошкообразной шихты, содержащей никель, марганец, железо, ферросплавы: хрома, молибдена, ванадия и титана, а также ферросилиций, согласно изобретению шихта дополнительно содержит хром и феррониобий, а также газошлакообразующие компоненты: флюорит, полевой шпат и криолит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром12,0-14,0Флюорит4,0-7,0Ферромолибден1,5-2,9Никель1,0-4,5Полевой шпат2,0-4,0Феррохром1,0-4,0Ферротитан0,3-3,0Марганец0,7-1,6Феррованадий0,2-1,0Криолит0,5-0,7Феррониобий0,16-0,56Ферросилиций0,2-1,2Железо0,2-1,84Малоуглеродистая сталь оболочкиОстальное

Выбранное соотношение хрома, никеля и марганца, а также наличие в небольших количествах молибдена, ванадия, ниобия и кремния, введенных в виде ферросплавов, позволяет получить хорошо сбалансированную элементную базу для обеспечения высокого уровня свойств наплавленного металла, способного противостоять таким факторам разрушения как абразивный износ, термическая усталость и коррозия.

Введение хрома в количестве 12-14% обеспечивает получение слоя наплавленного металла со структурой мартенсита, обладающего высокой твердостью и стойкостью против окисления при температурах до 800°С. При этом концентрация углерода в наплавленном металле обеспечивается в пределах 0,12-0,16% за счет перехода его из стальной оболочки и ферросплавов. Низкое содержание углерода способствует уменьшению выделения карбидов, обеспечивая высокую коррозионную стойкость и разгаростойкость наплавленного металла. Высокая жаростойкость наплавленного металла обусловлена твердой и тугоплавкой окисной пленкой FeO Cr₂O₃. При содержании хрома менее 11% эта пленка незначительна и недостаточно прочная для защиты от коррозии и термической усталости наплавленного металла

При содержании хрома больше 15% структура наплавленного металла будет мартенситно-ферритной, твердость наплавленного слоя при этом снижается, уменьшая сопротивление его абразивному износу и коррозии.

Содержание никеля в количестве 1,0-4,5% в совокупности с легирующими элементами компонентов порошковой проволоки способствует уменьшению критической скорости охлаждения наплавленного металла, повышая восприимчивость его к закалке, что повышает твердость наплавленного металла при охлаждении на воздухе и сохраняет ее высокой при рабочем нагреве. Меньшая концентрация никеля не позволяет достигнуть этот эффект, а большая концентрация приводит к появлению в структуре металла пластичной и мягкой аустенитной составляющей, что ухудшает сопротивляемость его абразивному износу.

Молибден, взаимодействуя с углеродом, образует тонкодисперсные карбиды молибдена Mo₂C, которые способствуют повышению жаропрочности наплавленного металла, улучшению сопротивляемости его термической усталости и абразивному износу. Молибден уменьшает склонность к отпускной хрупкости и повышает устойчивость против водородной хрупкости. Оптимальное количество молибдена в наплавленном металле достигается при введении в шихту порошковой проволоки 1,5-2,9% ферромолибдена.

Дополнительное введение феррониобия в состав порошковой проволоки усиливает действие других компонентов, способствуя образованию мелкодисперсных карбидов. В присутствии ниобия значительно возрастает стойкость наплавленного металла против межкристаллитной коррозии и возрастает его жаропрочность. Сродство к кислороду у ниобия ниже, чем у титана, поэтому он полнее сохраняется и лучше переходит в наплавленный слой, значительно повышая его жаропрочность.

Введение феррованадия в количестве 0,2-1,0% в шихту порошковой проволоки позволяет значительно снизить чувствительность металла, содержащего хром и никель, к отпускной хрупкости при многопроходной наплавке, когда металл длительное время находится при температуре свыше 650°С, так как последующий слой попадает в зону термического влияния предыдущего слоя.

При взаимодействии ванадия с углеродом образуются карбиды ванадия, которые обеспечивают сдерживание роста зерна наплавленного металла, повышение жаропрочности и устойчивости к коррозии, а также повышение твердости в условиях высокотемпературного нагрева. Таким образом, ванадий позволяет получить высокую твердость и прочность при незначительном содержании углерода.

Упрочнение наплавленного металла происходит также за счет образования дисперсных карбидных фаз типа Ме₂С₆, Ме₆С, Ме₂С и интерметаллидных фаз типа Fe₂Mo и FeNb. Наиболее значительное влияние на повышение износостойкости и разгаростойкости оказывает ниобий, молибден и ванадий. Введение в порошковую проволоку: феррованадия -0,2-1,0%, феррониобия - 0,16-0,56% и ферромолибдена - 1,5-2,9% позволяет получить в наплавленном металле оптимальную концентрацию ванадия, ниобия, и молибдена, а именно ванадия - 0,12-0,6%, ниобия - 0,1-0,33%, а содержание молибдена - в пределах 1,0-1,8%. Избыток этих элементов приводит к ослаблению связей между атомами решетки и, следовательно, к ухудшению термостойкости и горячей прочности наплавленного металла. Недостаток этих элементов приводит к неэффективности всей системы легирования и ухудшению свойств наплавленного металла.

Введение ферросилиция в количестве 0,2-1,2% позволяет обеспечить содержание кремния в наплавленном металле 0,15-0,9%. Наличие кремния в указанных пределах достаточно для коагуляции карбидов, что позволяет достичь эффекта повышения жаростойкости и сопротивления термоусталости при введении меньшего количества ванадия, молибдена и ниобия.

Наличие в порошковой проволоке марганца в количестве 0,7-1,6% способствует улучшению жидкотекучести наплавленного металла, лучшему растворению углерода в металле и снижает вероятность образования трещин в наплавленном слое металла.

Введение в шихту порошковой проволоки ферротитана в количестве 0,3-3,0% позволяет существенно повысить коэффициент перехода из шихты в наплавленный металл легирующих элементов. Кроме того, присутствие в наплавленном металле титана в пределах 0,05-0,5% позволяет повысить стойкость металла к межкристаллитной коррозии, а образующиеся карбиды TiC и Ti₃С способствуют повышению термостойкости металла. При этом образующиеся мелкодисперсные интерметаллиды Ni₃Ti являются упрочняющей фазой, а также предотвращают рост зерна в наплавленном металле при высоких рабочих температурах.

При введении меньшего количества ферротитана не достигается указанный эффект, а при его содержании выше указанных пределов наблюдается выделение δ-феррита, разупрочняющего наплавленный металл.

Присутствие в шихте флюорита в количестве 4-7% предотвращает окисление металла на стадии капли за счет образования ионов фтора, при этом ионы кальция действуют как раскислитель. Кроме того, шлак, обогащенный флюоритом, хорошо защищает ванну при наплавке, а также улучшает формирование наплавленного валика и отделимость шлаковой корки, что препятствует образованию в сварном шве неметаллических включений, снижая адгезию наплавленного металла, что значительно улучшает качество обрабатываемого металла, например, при прокатке, за счет отсутствия на поверхности наплавленных валков трещин и "отпечатков".

Введение полевого шпата в шихту в пределах 2-4% обеспечивает комплексную шлаковую защиту металла сварочной ванны за счет компонентов SiO₂ Al₂О₃, а также хорошо стабилизирует горение дуги благодаря наличию ионов калия.

Введение в состав порошковой проволоки криолита в количестве 0,5-0,8% предотвращает появление "водородных" пор. Образующийся при термическом разложении криолита фтор реагирует в расплавленном металле с водородом с образованием соединения HF, которое легко удаляется из сварочной ванны. Натрий, входящий в состав криолита, способствует стабилизации процесса горения дуги. Алюминий, также присутствующий в криолите, выступает как надежный раскислитель.

Таким образом, оптимально сбалансированное комплексное легирование наплавленного металла позволяет усилить влияние каждого элемента и, следовательно, уменьшить содержание в порошковой проволоке дорогостоящих легирующих элементов, а также улучшить эксплуатационные свойства наплавленного металла.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "новизна".

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата и их соотношение, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Условие патентоспособности "промышленная применимость" подтверждено на примере конкретного выполнения порошковой проволоки для наплавки и результатами испытания опытных образцов.

Изготовляют порошковую проволоку диаметром 3 мм с применением стальной ленты 08 кп. размером 0,3×15 мм на стандартном оборудовании по общепринятой на заводах-изготовителях схеме. Коэффициент заполнения проволоки составляет 35%. Состав компонентов порошковой проволоки приведен в таблице 1.

Таблица 1КомпонентыСодержание в шихте порошковой проволоки, мас.% Прототип123Хром-121314Флюорит-75,54Ферромолибден8,1-10,31,52,22,9Никель2,8-3,84,52,751,0Полевой шпат-432Феррохпром15,8-19,612.54Ферротитан2,4-3,40,31,653Марганец1,650,71,251,6Феррованадий2,8-3,50,20,61Криолит-0,50,60,7Феррониобий-0,160,360,56Ферросилиций1,3-2,11,20,70,2Железо 1,841,050,2Малоуглеродистая сталь оболочкиОстальноеОстальноеОстальноеОстальноеКоэффициент заполнения4135,1635,1635,16

Порошковую проволоку перед использованием прокаливают при температуре 190-230°С в течение 5 часов. Наплавляют пластины 400×100×12 мм из стали Ст.3 по ГОСТ 2176-77 в четыре прохода в соответствии с ГОСТ 26101-84. Наплавку проводят в диапазоне режимов: сварочный ток - 280-300 А, напряжение на дуге - 26-40 В, скорость наплавки - 16 м/ч.

Отделимость шлаковой корки определяют путем приложения ударной нагрузки с обратной стороны шва и отнесения площади отделившегося шлака к работе удара. Температура сварного шва при определении отделимости шлаковой корки составляет 450°С.

Определяют также диапазон напряжения на дуге, в котором может быть получен сварной шов без пор. Усредненные результаты испытаний сведены в таблицу 2.

Таблица 2Состав порошковой проволокиВерхний предел напряжения, при котором сварной шов без пор, ВОтделимость шлаковой корки, см²/кг·м13615,224020,033816,4Прототип3210,8

Результаты испытаний на твердость, коррозионную стойкость, износостойкость и разгаростойкость приведены в таблице 3.

Таблица 3Номер образцаТвердость HRCэКоррозионная стойкость г/м²·чОтносительная износостойкость г/м²·чКоличество циклов "нагрев-охлаждение" до образования трещин разгараПрототип35-405,0931,80825-8951403,941,719082424,041,789153444,321,621020

Изобретение может быть использовано для наплавки деталей, работающих при больших удельных давлениях и повышенных температурах, например валков горячего деформирования (прокатки), в том числе валков машин непрерывного литья стальных заготовок, а также деталей химической аппаратуры, в том числе задвижек газовых и нефтяных трубопроводов. Порошковая проволока состоит из малоуглеродистой оболочки и порошкообразной шихты, содержащей следующие компоненты, мас.%: хром 12,0-14,0, флюорит 4,0-7,0, ферромолибден 1,5-2,9, никель 1,0-4,5, полевой шпат 2,0-4,0, феррохром 1,0-4,0, ферротитан 0,3-3,0, марганец 0,7-1,6, феррованадий 0,2-1,0, криолит 0,5-0,7, феррониобий 0,16-0,56, ферросилиций 0,2-1,2, железо 0,2-1,84, малоуглеродистая сталь оболочки - остальное. Порошковая проволока обеспечивает повышение стабильности горения дуги, отсутствие пор и разбрызгивания за счет комплексной шлаковой защиты расплавленного металла как на стадии капли, так и в сварочной ванне, а также повышение термической стойкости и коррозионной стойкости при уменьшении содержания дорогостоящих легирующих элементов. 3 табл.

Порошковая проволока для наплавки, состоящая из малоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей никель, марганец, железо, ферросплавы хрома, молибдена, ванадия и титана, а также ферросилиций, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит хром и феррониобий, а также газошлакообразующие компоненты: флюорит, полевой шпат и криолит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром12,0-14,0Флюорит4,0-7,0Ферромолибден1,5-2,9Никель1,0-4,5Полевой шпат2,0-4,0Феррохром1,0-4,0Ферротитан0,3-3,0Марганец0,7-1,6Феррованадий0,2-1,0Криолит0,5-0,7Феррониобий0,16-0,56Ферросилиций0,2-1,2Железо0,2-1,84Малоуглеродистая сталь оболочкиОстальное