ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ И СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НАПЛАВКОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОДОВ Российский патент 2012 года по МПК B23K35/368 B23K9/04 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для наплавки деталей, испытывающих активный абразивный износ металла по металлу в условиях повышенной температуры и многократных перепадов температур, например валков горячей прокатки, опорных валков, привалковой арматуры и других деталей металлургического оборудования прокатных станов.

В настоящее время осуществляется прокатка все более твердых марок сталей, вызывающих повышенный абразивный износ деталей, например, металлургического оборудования прокатных станов. Применяемые для наплавки оборудования порошковые материалы (электроды в виде проволоки, ленты) имеют в своей основе железо. Применение легирующих элементов позволяет увеличить износостойкость, теплостойкость, трещиностойкость наплавленного слоя.

Известна применяемая для наплавки электродная лента следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,6-0,8 Марганец 0,1-0,4 Кремний 0,5 Хром 4,5-5,5 Молибден 1,6-2,0 Ванадий 0,6-0,8 Вольфрам 2,5-3,5 Железо остальное [1]

Материал ленты обладает высоким сопротивлением развитию усталостных трещин после отжига при температуре 700°С, но при этом имеет охрупчивание при температуре 450-550°С, что не позволяет повысить долговечность наплавляемых деталей и использовать его для широкой номенклатуры наплавляемых деталей металлургического оборудования.

Известна электродная лента для наплавки, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, молибден, ванадий, железо и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,15-0,23 Кремний 0,5-0,9 Хром 2,0-3,2 Молибден 0,3-0,45 Ванадий 0,08-0,15 Кальций 0,008-0,015 Железо остальное [2]

Например, вводная и выводная привалковая арматура изготавливается из литой стали марки 35 Л. Материал валков и привалковой арматуры из железоуглеродистых сплавов при прокатке непрерывно охлаждающейся заготовки в температурном интервале 750-1150°С подвергается циклическому воздействию высоких температур, контактных давлений и активному абразивному износу из-за пластического течения металла при вытяжке и неравномерности окружных скоростей по глубине калибра. Основным недостатком всех наплавочных материалов на основе железа является изменение физико-механических свойств наплавленного слоя при высоких температурах: снижение твердости, прочности и, как следствие, снижение износостойкости.

Усложнение химического состава порошковых материалов на основе железа введением тугоплавких материалов может увеличить температуру отпуска на несколько десятков градусов, что не снимаст проблемы работы наплавленного слоя в условиях диапазона температур 750-1150°С. Для решения данной проблемы необходимо заменить основу наплавочных материалов. Материалом, в наибольшей степени отвечающим требованиям повышенной твердости, износостойкости и красностойкости в диапазоне температур 750-1150°С, является карбид вольфрама.

Наиболее близким по своей сущности и достигаемым результатам к предлагаемому является электрод для наплавки износостойкого слоя, который представляет собой порошковую проволоку в виде оболочки из листового материала и порошкового наполнителя, содержащего компоненты, мас.%:

Карбид вольфрама 35-50 Карбид титана 1-3,5 Кобальт 2-6 Порошок алюминия 0,2-2,5 Кремнефтористый натрий 0,2-0,7 Стальная оболочка остальное [3]

Недостатком известного состава электрода является то, что полученный с применением данного электрода наплавленный слой на деталях металлургического оборудования имеет низкую стойкость при высоких температурах.

Наиболее близким к предложенному способу создания износостойкого слоя является способ наплавки металла с использованием электрода заданного состава [4].

Недостатком способа и электрода на основе железа является изменение физико-механических свойств наплавленного слоя при высоких температурах: снижение твердости, прочности и, как следствие, снижение износостойкости.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в создании износостойкого слоя с помощью электродов в виде порошковой проволоки (далее - электрод) определенного химического состава на поверхности быстроизнашивающихся частей металлургического оборудования и тем самым увеличении срока его службы при эксплуатации в условиях интенсивного износа в диапазоне изменения температур от 750 до 1150°С, а также расширении сферы использования предлагаемого способа.

Для решения поставленной технической задачи в электроде для износостойкой наплавки, выполненном в виде оболочки из листового материала и порошкового наполнителя, содержащего карбид вольфрама, карбид титана, кобальт, порошковый наполнитель содержит дополнительно никель, медь, плавиковый шпат и рутиловый концентрат при следующем соотношении компонентов наполнителя, мас.%:

Карбид вольфрама не менее 50 Кобальт 6-10 Никель 3-4 Карбид титана 5-7 Медь 0,25-0,5 Плавиковый шпат 5-10 Рутиловый концентрат 4-7

Порошковый наполнитель электрода может дополнительно содержать железный порошок в количестве 10-20% массовой доли. При этом листовой материал наружной оболочки электрода выполнен из стали или цветного металла. Карбид вольфрама имеет зернистость фракции 150-300 мкм. В способе создания износостойкого слоя на поверхности металлургического оборудования наплавкой с использованием электродов наплавку осуществляют электродом выше указанного состава со скоростью 100-150 м/ч при плотности тока 200-450 А/мм² с получением износостойкого слоя толщиной 1-12 мм.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в разработке материала электрода для износостойкой наплавки определенного химического состава, создании с его помощью путем наплавки износостойкого слоя на поверхности металлургического оборудования с использованием определенных режимов наплавки.

Электрод для износостойкой наплавки состоит из частей: наружной и внутренней. Наружная оболочка выполнена из листового материала, в качестве которого может быть использована сталь, в т.ч. нержавеющая, например, марки 13Х18Н10Т или цветной металл, например медь Ml. Наружная оболочка имеет вид цилиндра, у которого одна образующая находит на другую, придавая электроду вид проволоки. Внутренняя часть электрода состоит из порошкового наполнителя, который засыпается внутрь формы, созданной наружной частью. Порошковый наполнитель содержит карбид вольфрама в количестве не менее 50% массовой доли состава наполнителя с добавлением следующих элементов: кобальт, никель, карбид титана, медь, плавиковый шпат, рутиловый концентрат с определенной массовой долей. Возможно добавление железного порошка.

Матрица из карбида вольфрама (WC) обладает высокой антифрикционной стойкостью, но без других элементов она разрушается от термических напряжений. При содержании карбида вольфрама в количестве менее 50% массовой доли состава наполнителя не обеспечивается высокая износостойкость наплавленного металла. Карбид вольфрама имеет зернистость фракции 150-300 мкм. При зернистости фракции карбида вольфрама менее 150 мкм в процессе наплавки зерно начинает плавиться и превращаться в железо, легированное карбидом вольфрама, износостойкость наплавленного слоя увеличивается незначительно и не достигаются требования к характеристике наплавленного слоя по параметру износостойкости. При зернистости фракции карбида вольфрама более 300 мкм не обеспечивается наполняемость шихтой внутреннего слоя электрода, образуются пустоты, в которые невозможно ввести дополнительные легирующие элементы, в процессе наплавки зерно не может расплавиться, т.е. невозможно получить качественный электрод.

Кобальт в сплаве обеспечивает связь наружной оболочки электрода с порошковым наполнителем. При содержании кобальта менее 6% связь не обеспечивается, а при содержании кобальта более 6% снижается твердость электрода и увеличивается его стоимость.

Никель обеспечивает повышение пластических свойств наплавляемого материала электрода и исключает разрушение наплавленных рабочих поверхностей оборудования под действием изгибных нагрузок, никель не дает трещинам уходить внутрь наплавленной детали. При содержании никеля менее 3% образуются трещины в процессе нанесения электрода на наплавляемый материал оборудования на поверхности наплавляемого слоя. Увеличение никеля более 4% нецелесообразно, т.к. это приводит к повышению износа наплавленной поверхности и снижению стойкости оборудования.

Карбид титана обеспечивает твердость наплавленного слоя. При содержании карбида титана менее 5% твердость слоя недостаточна, а при содержании карбида титана более 7% он придает наплавленному слою хрупкость.

Медь обеспечивает смачиваемость расплавленным электродом материала наплавляемой поверхности оборудования. При заявленных пределах содержания меди расплавленный материал электрода хорошо растекается по поверхности, заполняет раковины и микротрещины, смачивает не только наплавляемую поверхность, но и карбид вольфрама, который медь обволакивает, что дает усиление его связки с кобальтом. При содержании меди менее 0,25% смачиваемость недостаточна, а при содержании меди более 0,5% твердость наплавленного слоя снижается и уменьшается срок его службы.

Железный порошок обеспечивает горение дуги при наплавке. При содержании железного порошка менее 10% горение дуги нестабильное, а при содержании железного порошка более 20% не обеспечивается необходимая твердость наплавленного слоя металла.

Плавиковый шпат служит для разжижения шлака, обеспечивает текучесть ванны расплава. При содержании плавикового шпата менее 5% разжижение шлака не обеспечивается, а при содержании плавикового шпата более 10% повышается текучесть шлака, затруднено образование шва.

Рутиловый концентрат служит для образования шлаковой корки и влияет на разбрызгивание расплавленного металла. При содержании рутилового концентрата менее 4% нет формирования шва и не образуется шлаковая корка, а при содержании рутилового концентрата более 7% происходит чрезмерное разбрызгивание расплавленного металла.

С целью повышения стойкости металлургического оборудования, работающего при повышенных температурах, за счет создания износостойкого слоя, поверхность оборудования наплавляют электродами предложенного состава. Наплавку производят со скоростью 100-150 м/ч при плотности тока 200-450 А/мм² до получения толщины износостойкого слоя на поверхности оборудования 1-12 мм.

При скорости менее 100 м/ч происходит разбрызгивание металла электрода и некачественное формирование шва. При скорости более 150 м/ч возникает непроплав соединяемых слоев, появляются раковины и поры в наплавленном слое, что снижает качество наплавки. При плотности тока менее 200 А/мм² возникает непроплав с основным металлом, температура недостаточна, чтобы расплавить соединяемые слои. При плотности тока более 450 А/мм² ухудшается процесс диффузии материала электрода в материал поверхности наплавляемого оборудования, при этом выгорают отдельные элементы порошкового наполнителя, имеющие низкую температуру плавления, что изменяет химический состав наплавленного слоя металла.

При получении толщины износостойкого слоя на поверхности оборудования менее 1 мм износостойкость не обеспечивается, срок службы оборудования невысок. Получать толщину износостойкого слоя на поверхности оборудования более 12 мм экономически нецелесообразно, при этом ухудшается качество наплавленной поверхности, на ней появляются дефекты в виде раковин и трещин, т.к. отсутствует материал наплавляемой поверхности в зоне соединения слоев.

Указанные технологические режимы обеспечивают получение бездефектной наплавки поверхности металлургического оборудования и качественного износостойкого слоя, успешно работающего при температурах от 750 до 1150°С в процессе эксплуатации данного оборудования.

Примеры реализации состава порошкового наполнителя электрода приведены в таблице.

№ состава Кобальт, % Никель, % Карбид титана, % Медь, % Железный порошок, % Плавиковый шпат, % Рутиловый концентрат, % Карбид вольфрама, % 1 10 4 7 0,5 - 10 7 61,5 2 9 3,8 6,5 0,4 - 9 6,5 64,8 3 8 3,6 6,0 0,35 - 7 6 69,05 4 7 3,4 5,5 0,3 - 6 5,5 72,3 5 6 3,2 5 0,25 20 5 5 55,55 6 5 2 4 0,2 - 4 4 80,8 7 11 5 8 0,6 - 11 8 58,4

Наплавка составом №1-5 позволяет получить качественный бездефектный слой на поверхности металлургического оборудования, который успешно работает при температурах от 750 до 1150 градусов. При наплавке составом №6 наплавленный слой получается очень твердым, хрупким, наблюдается высокое трещинообразование в наплавленном слое. При наплавке составом №7 наплавленный слой имеет низкую твердость, снижается его износостойкость и красностойкость, т.е. он быстрее изнашивается при высокой температуре.

В качестве примера можно привести работу металлургического оборудования при прокатке сортовых профилей, у которых точность размеров, формы и отсутствие поверхностных дефектов зависит от способности рабочих поверхностей металлургического оборудования сортовых прокатных станов противостоять интенсивному абразивному износу в интервале температур от 750 до 1150°С. Наиболее высокая стойкость оборудования достигается при оптимальном сочетании материала рабочих поверхностей узлов и механизмов сортовых прокатных станов, температуры прокатываемого металла и контактного скольжения.

Наилучшую стойкость показывают узлы и механизмы сортовых прокатных станов, наплавленные электродами на основе карбида вольфрама с зернистостью фракции 150-300 мкм. Конструкция электрода выполнена трубчатой с перекрытием по образующей поперечного сечения.

Эксперименты показали, что наплавка предложенным составом электрода и оптимальной зернистостью фракции дает оптимальное сочетание твердости, красностойкости и износостойкости наплавленного слоя. Мелкие частицы карбида вольфрама до 100 мкм расплавляются в железе и образуют железную связку с высоким содержанием вольфрама от 12 до 16%. Крупные зерна карбида вольфрама не расплавляются в железе и являются основными элементами сопротивления интенсивному абразивному износу в интервале температур от 750 до 1150°С. Зернистость карбида вольфрама в наплавленном слое в 30-40 раз больше, чем у твердосплавных бандажей прокатных валков. Металлокерамические твердосплавные бандажи прокатных валков получают прессованием и последующим спеканием в вакуумных печах. Зернистость карбида вольфрама, полученного традиционным способом, колеблется в пределах 5-8 мкм. Зернистость фракции наплавленного карбида вольфрама составляет 150-300 мкм. Повышенная зернистость позволяет создать на поверхности наплавленного слоя сплошность карбида вольфрама до 60-75%.

Наплавка металлокерамического твердого сплава на рабочие поверхности не только калибров прокатных валков, но и других узлов и механизмов сортовых прокатных станов позволяет выровнять и значительно увеличить износостойкость всего оборудования сортовых прокатных станов.

Технико-экономические преимущества предложенного состава электрода для износостойкой наплавки и способа создания износостойкого слоя с помощью электрода предложенного состава состоят в том, что при их использовании достигается одновременно оптимизация температуры нагрева заготовок в процессе прокатки и состава рабочих поверхностей оборудования сортовых прокатных станов, подвергающихся интенсивному абразивному износу, что позволяет обеспечить равномерность работы стана, увеличивает износостойкость рабочих поверхностей узлов и механизмов, работающих в условиях интенсивного абразивного износа. Увеличение износостойкости узлов и механизмов благоприятно сказывается на качественных показателях сортовых профилей: точности размеров и качестве поверхности.

Литературные источники

1 С.Я.Шехтер, А.Я.Щварцер, Наплавка деталей металлургического оборудования, справочник, М, Металлургия, 1981, с.59.

2. Патент РФ №2087589, МПК С23С 30/00, В23К 20/227, опубл. 20.08.1997 г.

3. Патент РФ №2259266, МПК В23К 35/368, B22F 5/12, опубл. 27.08.2005 г.

4. Патент РФ №2257988, МПК В23К 35/368, опубл. 10.08.2005 г.

Изобретение может быть использовано для наплавки деталей, испытывающих активный абразивный износ металла по металлу в условиях повышенной температуры и многократных перепадов температур, например валков горячей прокатки, опорных валков, привалковой арматуры. Наружная оболочка электрода выполнена из стали или цветного металла. Порошковый наполнитель содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: карбид вольфрама не менее 50, кобальт 6-10, никель 3-4, карбид титана 5-7, медь 0,25-0,5, железный порошок 10-20, плавиковый шпат 5-10, рутиловый концентрат 4-7. Для создания износостойкого слоя на поверхности металлургического оборудования осуществляют наплавку электродом приведенного состава со скоростью 100-150 м/ч при плотности тока 200-450 А/мм до получения толщины износостойкого слоя на поверхности оборудования 1-12 мм. Изобретение обеспечивает увеличение срока службы быстроизнашивающихся частей металлургического оборудования при его эксплуатации в условиях интенсивного износа в диапазоне температур от 750 до 1150°С. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.

1. Электрод для износостойкой наплавки, выполненный в виде оболочки из листового материала и порошкового наполнителя, содержащего карбид вольфрама, карбид титана и кобальт, отличающийся тем, что порошковый наполнитель содержит дополнительно никель, медь, плавиковый шпат и рутиловый концентрат при следующем соотношении компонентов наполнителя, мас.%:
Карбид вольфрама Не менее 50 Кобальт 6-10 Никель 3-4 Карбид титана 5-7 Медь 0,25-0,5 Плавиковый шпат 5-10 Рутиловый концентрат 4-7

2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что порошковый наполнитель дополнительно содержит железный порошок в количестве 10-20 мас.%.

3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что листовой материал наружной оболочки выполнен из стали или цветного металла.

4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что карбид вольфрама имеет зернистость фракции 150-300 мкм.

5. Способ создания износостойкого слоя на поверхности деталей металлургического оборудования наплавкой с использованием электрода, отличающийся тем, что наплавку осуществляют электродом по п.1 со скоростью 100-150 м/ч при плотности тока 200-450 А/мм с получением износостойкого слоя толщиной 1-12 мм.