ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА Российский патент 2009 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к области электродуговой наплавки порошковой проволокой деталей, работающих в условиях трения металла о металл в контакте с коррозионной средой, и может быть использовано в энергетической, химической, нефтяной отраслях промышленности, например, для восстановления и упрочнения уплотнительных поверхностей запорной и дросселирующей аппаратуры, торцевых уплотнений контактных пар различных насосов, шнеков.

Известна порошковая проволока (авторское свидетельство СССР №428893, B23K 35/36, 1973 г.) для наплавки открытой дугой, состоящая из металлической оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, вес.%:

Рутиловый концентрат 13÷15,5 Плавиковый шпат 14÷16 Мрамор 6÷7,5 Ферротитан 15÷26 Феррохром 1,8÷2,2 Феррованадий 2÷8 Железный порошок остальное

Недостатком известной проволоки является низкая твердость наплавленного металла.

Наиболее близким по химическому составу является изобретение (авторское свидетельство СССР №338336, B23K 35/36, 1972 г.), защищающее шихту порошковой проволоки для износостойкой наплавки посадочных поверхностей из углеродистых и низколегированных сталей, работающих в условиях трения металла о металл, в состав которой введен ферромолибден 0,2÷2,0 мас.%, а остальные компоненты взяты в следующем процентном отношении, мас.%:

Феррохром 0,5÷4 Ферромарганец 0,2÷2 Мрамор 0,5÷3 Плавиковый шпат 1÷5 Железный порошок 5÷25 Стальная оболочка остальное

Однако металл, наплавленный известной порошковой проволокой, имеет недостаточную твердость (до 40 HRC) и коррозионную стойкость.

Задачей данного изобретения является повышение износостойкости наплавленного металла, работающего на истирание в контакте с агрессивными средами.

Технический результат достигается за счет того, что порошковая проволока, состоящая из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей мрамор, плавиковый шпат, феррохром, ферромолибден и железный порошок, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит рутил, графит и феррониобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мрамор 4,8÷6,0 Плавиковый шпат 6,4÷9,5 Рутил 11,9÷14,3 Графит 0,7÷1,2 Феррохром 47,6÷52,4 Ферромолибден 7,1÷9,5 Феррониобий 3,6÷7,1 Железный порошок остальное,

а коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 42%.

В качестве оболочки использовали стальную ленту марки 08кп размером 15×0,5 мм по ГОСТ 503-81. Для изготовления порошковой проволоки используются как ферроматериалы, так и чистые порошки металлов, варьируя состав шихты в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл.

Наплавка предложенной проволокой может производиться как на открытом воздухе без дополнительной защиты, так под флюсом и в среде защитных газов.

Проволока обеспечивает следующий химический состав наплавленного металла во втором слое, мас.%:

Углерод 0,20÷0,45 Хром 13÷15 Молибден 1,2÷2 Ниобий 0,5÷1,2 Железо остальное

В качестве примесей могут присутствовать кремний и марганец до 0,3%, сера и фосфор до 0,03%.

Содержание в шихте порошковой проволоки графита (0,7÷1,2 мас.%), феррохрома (47,6÷52,4 мас.%) и феррониобия (3,6÷7,1 мас.%) способствует получению наплавленного металла нового типа, который приобретает повышенную износостойкость и коррозионную стойкость.

Углерод в пределах 0,20÷0,45 мас.% обеспечивает оптимальное сочетание твердости, износостойкости и ударной вязкости, а также ряд технологических свойств наплавленного металла. При концентрации в металле углерода ниже 0,20 мас.% не обеспечивается требуемая твердость после термической обработки, а при превышении 0,45 мас.% ухудшаются механические свойства наплавленного металла, прежде всего пластичность и ударная вязкость, и высока вероятность образования трещин.

Увеличение содержания в шихте хрома обеспечивает получение в наплавленном металле мартенситной структуры, обладающей достаточно высокой коррозионной стойкостью, характерной для сталей (20-40)Х13.

Введение в состав новой порошковой проволоки феррониобия обеспечивает получение карбидов ниобия в процессе расплавления и кристаллизации наплавленного металла. Карбиды ниобия, равномерно распределенные в матрице нового типа наплавленного металла, обеспечивают ему высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания и восприятия статического давления с большими контактными нагрузками. Кроме того, ниобий обеспечивает стойкость наплавленного металла к межкристаллитной коррозии в послесварочном состоянии.

Отсутствие марганца в предложенной проволоке, по сравнению с известной, вызвано необходимостью снижения до минимума возможности образования в наплавленном металле остаточного аустенита.

Молибден введен для повышения твердости и прочности, поскольку основной упрочняющей фазой для данного метала, наряду с карбидами является фаза Лавеса типа Fe₂Мо. Молибден также является поверхностно-активным элементом по отношению к железу, препятствует выделению карбидов и интерметаллидов по границам зерен, что, в свою очередь, повышает прочность и пластичность наплавленного металла. Кроме того, молибден предупреждает рост зерна при кристаллизации и повышает технологическую прочность (стойкость к горячим трещинам) наплавленного металла.

Железный порошок введен в количестве, необходимом для получения расчетного коэффициента заполнения порошковой проволоки, что обеспечивает получение наплавленного металла требуемого химического состава. Также железный порошок способствует равномерности плавления шихты и оболочки, что улучшает сварочно-технологические свойства порошковой проволоки.

Предложенная порошковая проволока обеспечивает комплексное упрочнение наплавленного металла за счет образования в мартенситной матрице как карбидов хрома, ниобия и молибдена Cr₂₃С₆; (Cr₃Nb)C₂; NbC; (Mo₂₃C₆+Mo₂C), так и интерметаллидных фаз типа Fe₂Mo.

Использование в качестве газо- и шлакообразующих компонентов шихты новой порошковой проволоки следующего состава, мас.%: мрамор 4,8÷6,0 мас.%, плавиковый шпат 6,4÷9,5 мас.%, рутил 11,9÷14,3 мас.%, - обеспечивает, в отличие от прототипа, трехкомпонентный шлак СаО-CaF₂-TiO₂, что способствует улучшению защиты расплавленного металла от воздействия воздуха в широком диапазоне напряжения, хорошему формированию валика наплавленного металла и повышает устойчивость горения дуги в процессе наплавки.

Было изготовлено три варианта новой порошковой проволоки (табл.1).

Таблица 1 Состав шихты порошковой проволоки Соотношение компонентов (варианты проволоки), мас.% 1 2 3 4 - прототип Мрамор 4,8 5 6 7,1 Плавиковый шпат 6,4 7,9 9,5 11,9 Рутил 11,9 13,1 14,3 - Графит 0,7 0,95 1,2 - Феррохром 47,6 50 52,4 9,5 Ферромолибден 7,1 8,3 9,5 4,8 Феррониобий 3,6 5,2 7,1 - Ферромарганец - - - 4,8 Железный порошок ост ост ост ост

Новая порошковая проволока всех изготовленных вариантов прошла сварочно-технологические испытания при наплавке темплетов из стали 45 размерами 20×60×250 мм. При наплавке образцов использовали источник питания дуги ВДУ-506 и сварочный полуавтомат ПДФ-512. Самозащитная порошковая проволока обеспечивает хорошие сварочно-технологические свойства при наплавке на постоянном токе обратной полярности на режимах I_д=290÷310 А, U_д=30÷32 В.

Наплавленный металл, полученный новой порошковой проволокой используется в закаленном от температур 1000-1100°С и отпущенном состоянии. После закалки твердость в зависимости от содержания углерода составляет 52÷60 HRC, после отпуска при 200-300°С - 46÷54 HRC, а после отпуска при 600°С - 34÷40 HRC.

Испытания на истирание проводили на лабораторной установке в условиях мокрого трения металла о металл (толкатель - кулачок) при удельном давлении на изнашиваемые поверхности 1 МПа. Результаты испытаний выражались в виде коэффициента относительной износостойкости ε, численно равного отношению весовых износов эталона (сталь 30Х13) и испытуемого металла за одинаковое время.

По сравнению с использованием порошковой проволоки-прототипа применение предлагаемой новой порошковой проволоки позволит увеличить твердость с 38 до 46-54 HRC, предел прочности с 720 до 860-1150 МПа, коэффициент относительной износостойкости ε с 1,2 до 1,8-2,3.

Таблица 2 Свойства наплавленного металла Варианты проволоки 1 2 3 4 5 прототип Механические характеристики* Твердость, HRC 41 46 51 54 58 38 Предел прочности, МПа 780 860 980 1150 1210 720 Коэффициент ε 1,3 1,8 2,1 2,3 2,4 1,2 Технологические характеристики Поры на поверхности нет нет нет нет нет 1-2 на 10 см² Трещины нет нет нет нет 1 на 15 см² нет Наплывы нет нет нет нет нет 1 на l=200 мм * - механические свойства определялись на образцах, прошедших отпуск при 250°С.

Наплавленный металл, полученный новой порошковой проволокой, может использоваться в закаленном от температур 1000-1100°С и отпущенном состоянии. После закалки твердость в зависимости от содержания углерода составляет 52÷60 HRC, после отпуска при 250°С - 46÷54 HRC, a после отпуска при 600°С - 34÷40 HRC.

Технологические испытания новой порошковой проволоки показали, что в процессе наплавки без дополнительной защиты обеспечивается устойчивое горение дуги, хорошее формирование валика наплавного металла, отсутствие трещин и наплывов, шлаковая корка хорошо покрывает наплавленный валик и удаляется без затруднения.

Использование предложенной порошковой проволоки для наплавки уплотнительных поверхностей деталей запорной арматуры трубопроводного транспорта позволяет повысить их износостойкость и срок службы в 2,3÷2,8 раза и соответственно снизить затраты на их восстановление примерно на 20÷30%.

Порошковая проволока может быть использована для восстановления и упрочнения уплотнительных поверхностей запорной арматуры и дросселирующей аппаратуры, торцевых уплотнений контактных пар. Порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержит компоненты шихты в следующем соотношении, мас.%: мрамор 4,8-6,0, плавиковый шпат 6,4-9,5, рутил 11,9-14,3, графит 0,7-1,2, феррохром 47,6-52,4, ферромолибден 7,1-9,5, феррониобий 3,6-7,1, железный порошок - остальное. Коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 42%. Для изготовления порошковой проволоки используют как ферроматериалы, так и чистые порошки металлов, варьируя состав шихты в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл. Изобретение направлено на повышение износостойкости наплавленного металла, работающего на истирание в контакте с коррозионной средой. 2 табл.

Порошковая проволока для наплавки деталей, работающих в условиях трения металла о металл в контакте с коррозионной средой, состоящая из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей мрамор, плавиковый шпат, феррохром, ферромолибден и железный порошок, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит рутил, графит и феррониобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
мрамор 4,8-6,0 плавиковый шпат 6,4-9,5 рутил 11,9-14,3 графит 0,7-1,2 феррохром 47,6-52,4 ферромолибден 7,1-9,5 феррониобий 3,6-7,1 железный порошок остальное