ШИХТА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 2007 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к шихте порошковой проволоки для наплавки слоя стали средней и повышенной твердости в среде защитных газов и под флюсом, и может быть использовано на железнодорожном транспорте при восстановлении деталей из углеродистых низколегированных сталей.

Перспективным, в части получения требуемого качества наплавленного металла и механизации восстановительных работ наплавкой сталей средней и повышенной твердости, является применение порошковых проволок с высокоосновной рафинирующей шлаковой основой. Вместе с тем, существующие проволоки имеют определенные недостатки: они либо не всегда обеспечивают требуемый уровень твердости и износостойкости наплавленного металла, либо не обеспечивают хладостойкость и стойкость его против образования холодных трещин. Последнее имеет большое значение при восстановлении наплавкой деталей и узлов, имеющих повышенную жесткость и работающих при низких температурах в условиях высоких знакопеременных динамических нагрузок.

Известна шихта порошковой проволоки преимущественно для сварки сталей повышенной прочности, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Плавиковый шпат25,0-35,0Рутиловый концентрат7,0-12,0Мрамор5,0-10,0Ферромарганец5,0-7,0Ферротитан0,5-1,0Алюминий1,0-1,5Феррованадий0,3-0,7Трехокись молибдена0,5-1,5Железный порошокостальное

(см., например, авт. свид. СССР №804304, кл. В23К 35/36, 1979).

При сварке или наплавке слоя стали такой проволокой удается повысить прочность металла шва (до σ_в=600-620 МПа) и сохранить на достаточном уровне его пластичность и вязкость. Однако сравнительно низкая твердость металла (HRC≤20-22), наплавленного данной проволокой, не позволяет получить требуемую износостойкость. Кроме того, данная проволока не обеспечивает высоких требований по формированию (растекаемости) валиков и разбрызгиванию электродного металла при восстановлении деталей наплавкой на больших площадях и увеличенных режимах.

Известна также шихта порошковой проволоки для наплавки слоя стали средней и повышенной твердости, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Флюоритовый концентрат18,0-26,0Рутиловый концентрат10,0-28,0Порошок молибденовый2,0-3,5Ферротитан8,0-12,0Феррохром1,0-2,8Ферромарганец7,0-12,0Сода кальцинированная1,5-8,0Силикокальций2,0-4,8Железный порошокостальное

(см., патент РФ №2225286, кл. В23К 35/368, опубл. 10.05.2004).

Однако наплавленный данной проволокой металл имеет недостаточную технологическую прочность в части холодных трещин и хладостойкость.

Наиболее близкой из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа шихта порошковой проволоки для наплавки слоя стали средней и повышенной твердости на деталях из низколегированных и углеродистых сталей, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Флюоритовый концентрат3,5-16,0Рутиловый концентрат1,5-4,0Мрамор1,2-3,0Марганец2,5-5,5Ферротитан0,8-2,4Феррованадий0,1-0,4Ферромолибден1,6-3,8Хром1,8-3,0Ферросилиций1,6-2,8Сырой магнезит1,5-15,0Нефелиновый концентрат0,7-2,0Железный порошокостальное

(см., например, патент РФ №2074078, кл. В23К 35/36, опубл. 27.02.1997).

Такая проволока при сварке и наплавке в среде углекислого газа позволяет получить среднюю твердость наплавленного металла и в ряде случаев требуемую стойкость наплавленного металла против образования холодных трещин. Проволока имеет также и высокие сварочно-технологические характеристики в части растекаемости валиков и разбрызгивания электродного металла. Однако, как показывает опыт ее применения, наплавленный такой проволокой металл, особенно при верхних показателях твердости, имеет недостаточную ударную вязкость (хладостойкость) при низких температурах, а наплавленный металл имеет и пониженную технологическую прочность в части образования холодных трещин.

Техническим результатом от использования предлагаемого технического решения является повышение хладостойкости и сопротивляемости образованию холодных трещин наплавленного металла средней и повышенной твердости без снижения сварочно-технологических характеристик, что достигается за счет выбора легирующей и шлакообразующей основ шихты порошковой проволоки и содержания в ней компонентов в оптимальных количествах.

Повышение хладостойкости наплавленного металла достигается за счет дополнительного легирования в оптимальных количествах никелем путем замены им части марганца. При этом повышение содержания хрома и углерода за счет введения в оптимальных количествах ферромарганца и высокоуглеродистого феррохрома, а также комплексного легирования титаном и ванадием позволяет получить более высокую твердость наплавленного металла за счет образования благоприятных в части сопротивляемости образованию холодных трещин структур (игольчатого феррита + бейнита) с равномерно распределенными мелкодисперсными карбидами. Такая структура наплавленного металла при высокой рафинирующей способности выбранной шлаковой основы шихты обеспечивает более высокую сопротивляемость его образованию холодных трещин. А легирование в оптимальных количествах никелем позволяет в этом случае повысить также и хладостойкость наплавленного металла.

Указанный технический результат достигается тем, что шихта порошковой проволоки преимущественно для наплавки слоя стали средней и повышенной твердости, содержащая флюоритовый концентрат, рутиловый концентрат, мрамор, магнезит обожженный, ферросилиций, ферротитан, феррованадий, железный порошок, хромсодержащий и марганецсодержащий компоненты, дополнительно содержит никелевый порошок, полевой шпат, а в качестве хромсодержащего и марганецсодержащего компонентов использованы феррохром и ферромарганец при следующем содержании компонентов, мас.%:

Флюоритовый концентрат5,0-12,0Рутиловый концентрат2,0-7,0Мрамор0,6-6,5Ферросилиций1,4-6,5Ферротитан1,2-5,0Феррованадий0,3-3,2Никелевый порошок1,6-5,0Полевой шпат0,8-5,5Феррохром3,2-9,0Ферромарганец2,6-7,8Магнезит (обожженный)0,8-7,2Железный порошокостальное

Для механизированной наплавки в CO₂ слоя стали средней и повышенной твердости при восстановлении деталей из углеродистых низколегированных сталей может быть применена, например, порошковая проволока с шихтой следующих составов, представленных в таблице 1.

Таблица 1.Компоненты шихтыСостав шихты, мас.% IIIIIIIVVVIVIIVIIIФлюоритовый концентрат8,05,0126,88,1144,17,8Рутиловый концентрат4,27,04,62,04,28,51,64,6Мрамор3,26,50,64,23,70,47,24,1Ферросилиций4,01,46,51,61,453,81,27,2Ферротитан1,85,01,21,61,31,85,61,1Феррованадий0,31,20,53,20,353,60,80,2Никелевый порошок5,03,21,62,22,16,21,21,8Полевой шпат1,51,80,85,51,66,20,44,9Феррохром7,03,24,23,99,09,83,07,6Ферромарганец2,65,87,84,63,02,48,24,6Магнезит (обожженный)1,40,87,21,11,11,40,67,8Железный порошок - остальное        

Для изготовления порошковой проволоки диаметром 1,6-2,8 мм с сердечником из шихты предлагаемого состава может быть применена лента из стали 08кп размером 0,4×10 мм или 0,5×12 мм, коэффициент заполнения 20-24%, конструкция однослойная.

Введение в состав шихты мрамора, магнезита и флюоритового концентрата выше заявленных пределов приводит к увеличению разбрызгивания электродного металла и ухудшению отделимости шлака. А введение указанных компонентов ниже заявленных пределов ухудшает формирование валиков в части растекаемости наплавленного металла. Введение рутилового концентрата и полевого шпата выше предлагаемых пределов ухудшает кроющую способность шлака, приводит к стеканию его с поверхности валиков, что приводит к зашлаковкам и подворотам валиков. Последнее увеличивает вероятность образования холодных трещин в наплавленном металле. Снижение указанных компонентов ниже заявляемых пределов приводит к ухудшению формирования поверхности валиков и отделимости шлаковой корки.

Введение марганца, хрома, ферротитана, феррованадия и ферросилиция ниже заявленных пределов приводит к снижению твердости и износостойкости наплавленного металла и увеличению разбрызгивания электродного металла, а выше предлагаемых пределов к снижению сопротивляемости наплавленного металла образованию холодных трещин.

Повышение содержания никелевого порошка выше предлагаемых пределов приводит к повышению твердости наплавленного металла и снижению его сопротивляемости образованию холодных трещин, а ниже предлагаемых пределов к снижению хладостойкости.

В таблице 2 приведены результаты испытаний опытных порошковых проволок ⊘ 2 мм с шихтой предлагаемого состава (составы I-V), а также с шихтой, содержащей компоненты, по содержанию выходящие за пределы граничных значений (составы VI-VIII). Для сравнения в этой же таблице приведены результаты испытания металла, наплавленного известной порошковой проволокой такого же диаметра. Испытания проводились при полуавтоматической наплавке в CO₂ на сталь 35ГЛ на режиме: I_св=320-350 А, U_д=27-29 В, V_св=12 м/ч. Производилась многослойная наплавка нахолодно. Твердость по Бринеллю определялась по диаметру отпечатка шарика диаметром 10 мм при нагрузке 3000 кг. Сварочно-технологические характеристики осуществлялись по внешнему формированию валиков, ширине (растекаемости) валиков и коэффициенту разбрызгивания электродного металла. Стойкость наплавленного металла против образования холодных трещин оценивалась визуально по длине трещины в мм при заварке жестких проб (стыковых соединений) из стали 35ГЛ толщиной δ=20 мм. Хладостойкость наплавленного металла оценивалась по результатам испытания ударных образцов с надрезом по Шарли при температуре - 60°С (а_н, Дж/см²). Образцы вырезались из многослойной наплавки (таблица 2).

Таблица 2.Состав шихтыТвердость наплавленного металла НВНаличие трещин l, ммХладостойкость металла KCV^-60, Дж/см²Ширина (растекаемость) валиков, ммКоэффициент разбрызгивания электродного металла k_p, %I388нет35242,1II341-"-38241,8III311-"-44282,0IV321-"-46261,3V401-"-32271,0VI4441521253,2VII302нет39183,8VIII311нет36232,0Порошковая проволока - прототип, патент РФ №2074078, 19973024816242,5

Данные таблицы 2 показывают, что порошковая проволока с шихтой предлагаемого состава обеспечивает получение наплавленного металла, обладающего сравнительно более высокой технологической прочностью и хладостойкостью при сохранении хороших сварочно-технологических характеристиках в части растекаемости валиков и разбрызгивания электродного металла. При этом более высокая хладостойкость и технологическая прочность наплавленного металла обеспечивается и при сравнительно большей его твердости.

Порошковая проволока с шихтой предлагаемого состава прошла всесторонние сравнительные испытания в лабораторных условиях и опытную проверку при механизированной наплавке в CO₂ и под флюсом при восстановлении изделий из углеродистых низколегированных сталей. Испытания показали, что проволока в широком диапазоне режимов наплавки обладает стабильно хорошими сварочно-технологическими характеристиками и позволяет получить наплавленный металл без трещин и зашлаковок.

Испытания также показали, что наплавленный такой проволокой металл имеет сравнительно более высокую технологическую прочность при восстановлении замкнутых цилиндрических поверхностей. Так при восстановлении внутренней поверхности наружного бурта подпятника надрессорной балки порошковой проволокой с шихтой предлагаемого состава в наплавленном металле холодные трещины не наблюдались. В то же время при использовании известной проволоки (прототипа) для указанной цели в наплавленном металле образуются холодные поперечные трещины.

Применение в производстве порошковой проволоки с шихтой предлагаемого состава позволит, при восстановлении деталей наплавкой, повысить качество их наплавки и межремонтный ресурс работы, снизить затраты на ремонт, расширить объем сварочных работ и номенклатуру восстанавливаемых деталей, а также получить за счет этого значительный экономический эффект.

Изобретение может быть использовано при изготовлении порошковой проволоки для наплавки слоя стали средней и повышенной твердости в среде защитных газов и под флюсом при восстановлении деталей из углеродистых низколегированных сталей. Шихта содержит компоненты в следующих соотношениях, мас.%: 5,0-12,0 флюоритового концентрата, 2,0-7,0 рутилового концентрата, 0,6-6,5 мрамора, 1,4-6,5 ферросилиция, 1,2-5,0 ферротитана, 0,3-3,2 феррованадия, 1,6-5,0 никелевого порошка, 0,8-5,5 полевого шпата, 3,2-9,0 феррохрома, 2,6-7,8 ферромарганца, 0,8-7,2 магнезита (обожженного), железный порошок - остальное. Шихта обеспечивает более высокую технологическую прочность (в части сопротивляемости образованию холодных трещин) и хладостойкость наплавленного металла. 2 табл.

Шихта порошковой проволоки преимущественно для наплавки слоя стали средней и повышенной твердости, содержащая флюоритовый концентрат, рутиловый концентрат, мрамор, магнезит, ферросилиций, ферротитан, феррованадий, железный порошок, хромсодержащий и марганецсодержащий компоненты, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никелевый порошок и полевой шпат, в качестве хромсодержащего и марганецсодержащего компонентов - феррохром и ферромарганец, а магнезит использован в обожженном виде при следующем содержании компонентов, мас.%:

Флюоритовый концентрат5,0-12,0Рутиловый концентрат2,0-7,0Мрамор0,6-6,5Ферросилиций1,4-6,5Ферротитан1,2-5,0Феррованадий0,3-3,2Никелевый порошок1,6-5,0Полевой шпат0,8-5,5Феррохром3,2-9,0Ферромарганец2,6-7,8Магнезит обожженный0,8-7,2Железный порошокОстальное