ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА Российский патент 2012 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к наплавочным материалам, в частности к порошковым проволокам, для электрошлаковой наплавки инструментов и изделий, работающих в условиях абразивного износа.

Известна порошковая проволока для электрошлаковой наплавки деталей (патент RU, №2350448, B23K 35/368, опубл. БИ №9, 2009 г.), работающая в условиях ударно-абразивного износа, которая состоит из стальной оболочки и шихты, следующего состава, масс.%:

графит 0,5…1,5 марганец металлический 13…14,5 хром металлический 6,5…11 ультрадисперсный порошок карбида кремния 22…15 лента стальная остальное

Металл полученной известной порошковой проволоки имеет недостаточную износостойкость при работе в условиях интенсивных ударных нагрузок, поскольку содержит в своем составе кремний, который оказывает вредное влияние на пластичность.

Известна порошковая проволока для наплавки на конструкционные стальные детали (патент RU, №2339496, B23K 35/368, опубл. БИ №33, 2008 г.), работающая в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания, в том числе при наличии умеренных ударных нагрузок. Порошковая проволока включает оболочку из малоуглеродистой стали и наполнитель в виде порошка при следующем содержании компонентов, масс.%:

карбид вольфрама 50…60 карбид титана 2…4 кобальт 4…6 хром 4…6 ферробор 8…12 никель 2…5 кремнефтористый натрий 2…4 стальная оболочка остальное

Недостатком этой проволоки является сравнительно низкая стабильность горения дуги, повышенная склонность к образованию трещин при наплавке и склонность к хрупкому разрушению, а также высокая стоимость, обусловленная содержанием большого количества карбида вольфрама.

Известна порошковая проволока для наплавки инструмента горячего деформирования (патент RU, №2356714, B23K 35/368, опубл. БИ №15, 2009 г.), работающего в условиях интенсивного износа при ударных нагрузках и высоких температурах, состоящая из оболочки, выполненной из армко-железа, и порошкообразной шихты, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

никель 25,9…29,6 молибден 7,4…11,1 кобальт 9,3…14,8 титан 1,7…2,8 алюминий 1,7…2,8 борид хрома 16,7…22,2 железо остальное

при коэффициенте заполнения проволоки порошкообразной шихтой 54%.

Недостатком проволоки с подобным составов является большое количество борида хрома, имеющего низкую термодинамическую стабильность, что повышает вероятность его растворения в шлаке при использовании электрошлаковой наплавки.

Наиболее близкой к заявленному объекту является композиционная проволока для нанесения дуговым напылением износостойкого покрытия (патент CA, №2201969, C23C 4/10, опубл. 2003 г.), имеющая стальную оболочку и ядро из спрессованного порошка, ядро, включающее порошок диборида титана в количестве 5…95 масс.%, олово, алюминий, хром, ванадий, титан, молибден, тантал, графит, ниобий, вольфрам, кремний, германий, никель, медь, кобальт, свинец и марганец.

Однако эта проволока не позволяет получить в условиях электрошлаковой наплавки композиционный наплавленный металл, содержащий в качестве упрочняющей фазы частицы TiB₂, перешедшие из шихты проволоки. Вследствие повышенной длительности пребывания мелких (10±2 мкм) частиц TiB₂ в высокотемпературном шлаке происходит их растворение в матричном расплаве с последующим формированием в наплавленном металле вторичных фаз боридов, карбоборидов и хрупких эвтектик на их основе. Это обуславливает повышенную склонность наплавленного металла к образованию горячих трещин, что не позволяет использовать данную порошковую проволоку в электрошлаковых процессах.

Задачей предлагаемого изобретения является получение такого состава порошковой проволоки, который обеспечивал бы композиционный наплавленный электрошлаковым способом металл, содержащий упрочняющие фазы TiB₂, перешедшие из шихты проволоки.

Технический результат заключается в увеличении износостойкости наплавленного металла за счет его упрочнения карбонитридом титана (TiCN) и диборидом титана (TiB₂).

Технический результат достигается за счет того, что в порошковой проволоке для наплавки износостойких покрытий на металлические изделия, состоящей из стальной оболочки и порошкообразной шихты, включающей порошки диборида титана, хрома, никеля, графита, шихта дополнительно содержит карбонитрид титана (TiCN) в виде наноразмерного порошка, а порошок диборида титана (TiB₂) имеет размер 30…100 мкм, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

никель 3…5 хром 8…12 диборид титана 10…3 0 карбонитрид титана 0,1…0,6 графит 1…3 стальная оболочка остальное

а коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 55%.

Отличительной особенностью изобретения является то, что в шихту проволоки дополнительно вводят наноразмерный порошок карбонитрида титана (TiCN), а порошок диборида титана (ТiВ₂) имеет размер 30…100 мкм.

С введением новых соотношений компонентов в шихте проволоки обеспечиваются ее высокие сварочно-технологические свойства, при которых наблюдается устойчивый электрошлаковый процесс, наплавленный металл отлично формируется, не имеет дефектов в виде пор, трещин и шлаковых включений и обладает повышенной износостойкостью.

Введение в состав порошковой проволоки наноразмерного порошка карбонитрида титана (TiCN), крупность частиц которого составляет 20…100 нм, позволяет повысить сварочно-технологические и эксплуатационные свойства наплавленного металла, а также его стойкость к образованию трещин при электрошлаковой наплавке, склонность к хрупкому разрушению наплавленного металла в условиях абразивного износа. Массовая доля TiCN в процентах от массы проволоки составляет 0,1…0,6 масс.% и предельное ее значение выбирается исходя из максимального содержания модификаторов в металле, не приводящего к существенному увеличению стоимости порошковой проволоки. Введение в состав шихты TiCN, воздействуя на кинетику кристаллизации наплавленного металла, изменяет состав, морфологию и размеры избыточных фаз, что положительно отражается на стойкости наплавленного металла к абразивному изнашиванию и приводит к повышению коэффициента относительной износостойкости до 12,6. Введение наноразмерного порошка карбонитрида титана менее 0,1 масс.% не обеспечивает должного модифицирования, а при введении свыше 0,6 масс.% наблюдается снижение размера карбоборидной упрочняющей фазы, что снижает стойкость наплавленного металла к абразивному изнашиванию.

Диборид титана (TiB₂) введен в состав шихты с целью повысить износостойкость в результате увеличения содержания карбидной упрочняющей фазы. Кроме того, увеличение количества диборида титана обусловлено необходимостью снизить степень растворения порошка TiB₂. Это достигается за счет того, что присутствие в шихте TiB₂, обладающего большей удельной теплоемкостью (1168 Дж/кг·К при 1073 K) по сравнению с легированной хромоникелевой сталью (586 Дж/кг·К при 1373 K), увеличивает количество тепла, необходимого для нагрева металлических капель, содержащих тугоплавкие частицы, до определенной температуры.

При уменьшении количества диборида титана менее 10 масс.% износостойкость наплавленного металла пониженная. При содержании TiB₂ свыше 30 масс.% существенно возрастает хрупкость наплавленного металла вследствие чрезмерного количества соединений бора и боридных эвтектик.

Содержание в порошковой проволоке никеля в пределах 3…5 масс.% обеспечивает повышение пластичности наплавленного металла и позволяет компенсировать природную хрупкость TiB₂. При содержании никеля менее 3 масс.% в порошковой проволоке он не обеспечивает пластичности сплава вследствие незначительного содержания γ-железа в структуре его матрицы, что обусловливает повышенную склонность металла к хрупкому разрушению, а при повышенном более 5 масс.% неоправданно возрастает стоимость сплава.

Легирование хромом обусловлено необходимостью обеспечить коррозионную стойкость наплавленного металла. В присутствии большого количества углерода и бора после связывания всего свободного титана в соединения образуются бориды и карбобориды хрома, снижающие его концентрацию в твердом растворе. Исходя из этого содержание хрома в металле необходимо обеспечить на уровне не ниже 8 масс.%. Наличие в составе шихты проволоки хрома, являющегося поверхностно-активным элементом, также значительно снижает контактный угол смачивания частиц TiB₂ сталью и активизирует их взаимодействие, которое интенсифицируется с повышением степени перегрева металлических капель и увеличением удельной поверхности порошка борида, пропорциональной его дисперсности. Это обеспечивает качественное сплавление частиц TiB₂ с матрицей сплава.

С целью увеличения объемной доли упрочняющей твердой фазы и связывания титана, высвобождающегося при растворении частиц диборида титана (TiB₂), количество графита в шихте проволоки находится в диапазоне 1…3 масс.%, что обеспечивает в композиционном наплавленном металле высокоуглеродистую матрицу. Это позволяет существенно повысить количество упрочняющей фазы в металле, объемная доля которой, включая искусственно введенные частицы TiB₂, составляет более 60 об.%. При содержании графита в шихте порошковой проволоки менее 1 масс.% объемная доля упрочняющей твердой фазы низкая, что обуславливает недостаточную износостойкость. Увеличение содержания графита более 3 масс.% приводит к чрезмерному увеличению упрочняющей фазы в металле, которая плотно расположена в наплавленном металле и окружена тонкой сеткой эвтектики, что приводит к его охрупчиванию.

На фиг.1 показана микроструктура и микротвердость (ГПа) (а) наплавленного металла, полученного по заявляемому способу, и фотография нетравленого микрошлифа металла с включениями TiB₂ (б) (×1000); на фиг.2 показаны фотографии нетравленых микрошлифов металла, наплавленного порошковыми проволоками с 25 масс.% порошка диборида титана TiB₂, имеющих среднюю крупность частиц порошка 10 мкм (а) и 30 мкм (б) (×200).

Пример.

Для изготовления порошковой проволоки используют порошки металлов: никель электролитический ПНЭ-1 ГОСТ 9045-93, феррохром ФХ010 ГОСТ 4757-91, диборид титана (TiB₂) ТУ 15-66, карбонитрид титана КНТ-20-80 ТУ МИХМ-2009 и графит серебристый ГСМ-2 ГОСТ 18191. Оболочку изготавливали из стальной ленты 08кп толщиной 0,25 мм, в качестве шихты использовали смесь порошков никеля, хрома, графита, диборида титана, карбонитрида титана.

Диаметр проволоки 3 мм, коэффициент заполнения 55%. Изготовили три состава предлагаемой порошковой проволоки. Кроме того, были изготовлены порошковые проволоки с содержанием компонентов, выходящим за заявляемые пределы.

Наплавленный металл получали путем ЭШН на флюсе АНФ-6, режим ЭШН - ток постоянный, прямой полярности, силой 150…200 A, напряжение на шлаковой ванне 30…35 B. В указанном диапазоне режимов предлагаемая проволока показала отличные сварочно-технологические свойства, заключающиеся в устойчивом электрошлаковом процессе, отличном формировании наплавленного металла, отсутствии трещин и хорошей отделимости шлака. Состав предлагаемой порошковой проволоки с различным содержанием компонентов и результаты сравнительных испытаний представлены соответственно в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Состав шихты предлагаемой проволоки и результаты сравнительных испытаний Состав Содержание компонентов шихты, масс.% Ni Cr C TiB₂ TiCN Др. элементы Предлагаемый 1 3 8 1 10 0,1 - 2 4 10 2 20 0,3 - 3 5 12 3 30 0,6 - 4 2 6 0,6 7 0,07 - 5 6 14 3,4 32 0,8 - Прототип н/д н/д 0,5 10…70 - Al, Ti, Ta, Nb, W, Si, Co, Mo Примечание: состав 1-3 находятся в пределах изобретения; состав 4 и 5 - за пределами изобретения.

Таблица 2. Состав Коэффициент заполнения ПП К_з, % Качество процесса ЭШН Качество формирования наплавленного металла Твердость, HRC при 20°C Относительная износостойкость, ε (эталон сталь 45, отож.) Предлагаемый 1 50 устойчивый хорошее 50 4,7 2 55 устойчивый отличное 53 7,2 3 60 устойчивый хорошее 54 9,3 4 45 выплески неудовлетворительное 45 3,0 5 65 неустойчивый удовлетворительно 60 9,4 Прототип - устойчивый отличное 30…65 1,5…4,5

Как видно из таблиц, наилучшими свойствами обладает металл полученной порошковой проволоки состав 2. При среднем содержании компонентов состава 2 предлагаемой порошковой проволоки обеспечивается композиционный наплавленный электрошлаковым способом металл, содержащий упрочняющие фазы TiB₂, с повышенной, в сравнении с прототипом, твердостью наплавленного металла при повышенной его износостойкости.

Формирование наплавленного металла и отделимость шлака отличные. Трещины отсутствуют. Структура наплавленного металла состоит из равномерно распределенных включений округлой формы с микротвердостью 35 ГПа (фиг.1). Массовая доля частиц исходного порошка TiB₂ в наплавленном экспериментальными проволоками металле не превышает 25% (при введении до 30 масс.% TiB₂) вследствие того, что часть частиц растворяется и титан с бором переходят в металл капель, подвергающийся активной металлургической обработке шлаковым расплавом. Титан образует соединения с углеродом и бором, а также, вследствие высокого сродства к кислороду, оксиды, переходящие в шлак. Бор, практически не растворяющийся в твердых растворах железа, участвует в образовании боридов и карбоборидов Fe, Cr, Ti в соответствии с их концентрацией в металлическом расплаве и степенью боридообразующей способности этих элементов. Сохранившиеся частицы TiB₂, частично оплавляясь, переходят в наплавленный металл, армируя его. Характер распределения частиц TiB₂ между структурными составляющими сплавов свидетельствует о том, что при охлаждении металлического расплава они служат центрами кристаллизации, вокруг которых происходит образование других твердых фаз (боридов, карбидов и карбоборидов) (фиг.1, а).

Порошковые проволоки с соотношениями компонентов, выходящими за предлагаемые границы, показали более низкие свойства при неудовлетворительных результатах испытаний.

Предложенная порошковая проволока позволяет в 1,5…2 раза повысить износостойкость наплавленного метла по сравнению с прототипом, а также позволяет более чем в два раза снизить себестоимость изготовления за счет уменьшения содержания элементов в порошковой проволоке.

Изобретение может быть использовано для электрошлаковой наплавки инструментов и изделий, работающих в условиях абразивного износа. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты в следующем соотношении, мас.%: никель 3…5; хром 8…12; диборид титана 10…30; карбонитрид титана 0,1…0,6; графит 1…3; стальная оболочка - остальное. Коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 55%. Карбонитрид титана (TiCN) введен в шихту в виде наноразмерного порошка. Порошок диборида титана (TiB₂) имеет размер частиц 30…100 мкм. Порошковая проволока обеспечивает увеличение износостойкости наплавленного металла за счет его упрочнения карбонитридом титана (TiCN) и диборидом титана (TiB₂). 2 ил., 2 табл., 1 пр.

Порошковая проволока для наплавки износостойких покрытий на металлические изделия, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, включающей порошки диборида титана, хрома, никеля, графита, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит карбонитрид титана (TiCN) в виде наноразмерного порошка, а порошок диборида титана (TiB₂) имеет размер 30…100 мкм при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%:
никель 3…5 хром 8…12 диборид титана 10…30 карбонитрид титана 0,1…0,6 графит 1…3 стальная оболочка остальное,