ШИХТА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 2013 года по МПК B23K35/36 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к производству порошковой проволоки, и может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования но твердости и износостойкости.

Известна выбранная в качестве прототипа [1], шихта порошковой проволоки содержащая углерод, хром, вольфрам, ванадий, кремнефтористый натрий, серу, кобальт, молибден и алюминий при соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 1-3,6 Хром 6,5-12,0 Вольфрам 6-21 Молибден 8-17 Ванадий 2-6 Алюминий 1-4,5 Кремнефюристый натрий 0,6-3,6 Сера 0,9-3 Кобальт 12-13 Железо Остальное

Недостачами данной шихты порошковой проволоки являются;

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет повышенной загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями и недостаточной легированости остаточного аустенита;

- плохая устойчивость горения дуги в связи с отсутствием в шихте элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги;

- низкое качество наплавленного металла в связи с порообразованием, связанным с повышенным содержанием водорода;

- возможность образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки из-за недостаточного количества стабилизированного аустенита в процессе наплавки и повышенного содержания водорода;

- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (вольфрама, молибдена, алюминия и кремнефтористого натрия).

Техническими результатами изобретения являются:

- повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет снижение загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями и эффекта дисперсионного твердения высоколегированного аустенита при отпуске;

- повышение устойчивости горения дуги за счет введения элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги;

- улучшение формирования наплавленного металла и исключение порообразования за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты;

- предотвращение образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки за счет увеличения количества стабилизированного аустенита в процессе наплавки и снижения содержания водорода в наплавленном металле;

- снижение стоимости сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и использования отходов производства.

Для этого предлагается шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий и железо, в которой дополнительно содержится никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства при соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 1-3,6 Хром 6,5-14,0 Молибден 5-21 Вольфрам 1-8 Ванадий 2-6 Алюминий 1-4,5 Никель 3,2-20 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 1-15 Железо Остальное

при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, мас.%: Al₂O₃=20-48; F⁺=18-27; Na₂O=4-16; K₂O=0,4 - 6%, CaO=0,7-1,8; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=1,7-3,27; C_общ=12-31, MnO=0,07-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18.

Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем, исходя из качества получаемого при наплавке металла, стабильности процесса наплавки, предотвращения образования холодных трещин и требуемых механических свойств.

Стойкость наплавленного металла против образования холодных трещин можно существенно повысить путем регулирования временных напряжений за счет соответствующего выбора химического состава наплавленного металла. От него зависят коэффициент линейного расширения, характер и объемный эффект структурных превращений. Введение в состав наплавленного металла сильных аустенитообразующих элементов повышает количества остаточного аустенига, что уменьшает вероятность образования холодных трещин (закалочная гипогеза). Стойкость против образования холодных трещин повышается также при снижении в составе наплавленного металла водорода (водородная гипотеза предотвращения холодных трещин).

Заявляемая шихта порошковой проволоки дополнительно содержит никель с целью снижения вероятности образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки. Введение никеля в состав шихты позволяет:

- понизить вероятность образования трещин за счет увеличения количества остаточного аустенита и уменьшения объемного эффекта мартенситного превращения.

Получение наплавленного металла повышенной твердости и износостойкости достигается отпуском остаточного аустенита на 580°C.

Введение в состав шихты порошковой проволоки пыли электрофильтров алюминиевого производства связано с содержанием в составе последней элементов, позволяющих:

- проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений (типа Na₃AlF₆, Na₂SiF₆, NaF, KF, CF_x (1≥x>0), AlF₃,) разлагающихся при температурах сварочных процессов с выделением F, который в свою очередь взаимодействует с водородом, растворенным в стали с образованием газообразного соединения HF. Снижение содержания водорода в наплавленном металле уменьшает вероятность образования пор и холодных трещин наплавленном металле;

- повысить устойчивость горения дуги за счет элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги - калия и натрия;

- проводить интенсивное науглероживание при взаимодействии фтористого углерода CF_x (1≥x>0) с карбидообразующими элементами, что позволяет увеличить количество карбидной составляющей в структуре наплавленного металла и дополнительно повысить его твердость.

Для изготовления шихта порошковой проволоки использовали пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, мас.%: Al₂O₃=20-48; F⁺=18-27; Na₂O=4-16; K₂O=0,4-6%, CaO=0,7-1,8; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=1,7-3,27; C_общ=12-31, MnO=0,07-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18.

Изменение содержания никеля и пыли электрофильтров алюминиевого производства в составе заявляемой шихты производилось с учетом получения высококачественного наплавленного металла (стабильное горение дуги, хорошее формирование, плотный наплавленный металл без трещин, пор и неметаллических включений), при этом учитывалось содержание остальных компонентов. Порошковая проволока изготавливалась из стальной холоднокатаной ленты 08 кп (оболочка) размером 15×0,8 мм. Шихта перемешивалась в специальном приспособлении для получения однородной массы. Порошковая проволока прокаливалась для удаления влаги при температуре 250-350°C. Коэффициент заполнения составлял 0,32-0,33, диаметр готовой проволоки - 3,7 мм. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась плазменная наплавка заготовок рабочих валков с диаметром рабочей части 150 мм, длиной 425 мм. Наплавка производилась в азотсодержащей защитно-легирующей среде на следующих режимах:

Сварочный ток 160-170 А Напряжение дуги 50-60 В Скорость наплавки 11 м/час Скорость подачи порошковой проволоки 47 м/час Длина дуги 20 мм Смещение с зенита 20 мм Защитный газ Азот Плазмообразующий газ Аргон

Наплавка производилась с регулируемым низкотемпературным подогревом выше температуры начала фазовых превращений и составляла 200-250°C.

В процессе наплавки проводилась экспертная оценка стабильности горения дуги, качества формирования наплавленного металла. Наличие трещин в процессе наплавки оценивали визуально, после наплавки наличие трещин, пор и неметаллических включений оценивали ультразвуковым и магнитопорошковым методами, а также на металлографических шлифах. Содержание водорода в наплавленном металле определялось методом вакуум - нагрева на установке Баталина и на эксхалографе EAH-220 фирмы «Бальцерс». Содержание водорода изменялось в пределах 0,3-0,6 см³/100 г наплавленного металла при допустимом содержании водорода в высоколегированном наплавленном металле до 2 см³/100 г металла. Твердость наплавленного металла контролировалась непосредственно после наплавки и после проведения четырехкратного часового отпуска при температуре 580°C. Твердость наплавленного металла после наплавки составляла 52-56 HRC, после четырехкратного часового отпуска при 580°C - 62-66 HRC. Дефекты (трещины, поры и неметаллические включения) при наплавке порошковой проволокой с шихтой заявляемого состава, содержащей никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства, не обнаружены.

Исследовались 6 вариантов составов шихты (таблица 1) порошковой проволоки, масс.%: 1 - прокутил; 2 - нижний предел заявляемой шихты; 3 - среднее содержание состава заявляемой шихты; 4 - верхний предел заявляемой шихты; 5 - нижний заграничный состав; 6 - верхний заграничный состав.

Влияние изменения химического состава на технологические свойства и механические характеристики наплавленного металла приведено в таблице 2. В строке 3 указана твердость наплавленного металла после высокотемпературного отпуска.

Использование заявляемого состава шихты порошковой проволоки по сравнению с базовым составом (прототип) позволяет:

1. Повысить качество наплавленного металла за счет снижения его загрязненности неметаллическими включениями, снижения вероятности порообразования и предотвращения образования холодных трещин.

2. Уменьшить содержание водорода за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты в среднем до 0,3-0,6 см³/100 г металла (против 1,2-1,5 см³/100 г металла в прототипе).

3. Улучшить формирование шва при сварке за счет стабилизации горения дуги.

4. Повысить твердость наплавленного металла до HRC 64-66.

5. Снизить себестоимость изготовления порошковой проволоки за счет снижения содержания легирующих компонентов и использования отходов алюминиевого производства в предлагаемой щихте.

Литература

1. Пат. РФ №2088392, кл. B23K 35/36.

Таблица 1 Состав шихты Состав шихты, мас.%: 1 2 3 4 5 6 Углерод 2,3 1.0 2,3 3,6 0,9 3,7 Хром 10,2 6,5 10,2 14,0 6,4 14,1 Молибден 13,0 5,0 13,0 21,0 4,9 21,1 Вольфрам 4,5 1,0 4,5 8,0 0,9 8,1 Ванадий 4,0 2,0 4,0 6,0 1,9 6,1 Алюминий 2,7 1 3,7 4,5 0,9 4,6 Никель - 3,2 11,5 20,0 3,1 20,1 Кремнефтористый натрий 6,3           Пыль электрофильтров алюминиевого производства   1,0 8,0 15,0 0,9 15,1 Железо 58,0 79,3 42,8 7,9 80,1 7,1

Таблица 2 Характеристики исследуемых параметров в зависимости от состава шихты Состав шихты, вес.% 1 2 3 4 5 6 Содержание водорода [H], см³/100 г металла 1,2-1,5 0,3-0,6 0,3-0,6 0,3-0,6 1,2-1,5 1,2-1,5 Наличие трещин в наплавленном металле Единичные Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют Единичные Единичные Твердость наплавленного металла, HRC 50-54 64-66 64-66 64-66 62-64 62-64

Изобретение может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости. Шихта порошковой проволоки содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 1-3,6; хром 6,5-14,0; молибден 5-21; вольфрам 1-8; ванадий 2-6; алюминий 1-4,5; никель 3,2-20; пыль электрофильтров алюминиевого производства 1-15; железо - остальное. Использование шихты обеспечивает повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет снижения загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями и эффекта дисперсионного твердения высоколегированного аустенита при отпуске, повышение устойчивости горения дуги за счет введения элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги, улучшение формирования наплавленного металла и исключение порообразования за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты, предотвращение образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки за счет увеличения количества стабилизированного аустенита и снижения содержания водорода в наплавленном металле, а также снижение стоимости сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и использования отходов производства. 3 табл.

Шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 1-3,6 Хром 6,5-14,0 Молибден 5-21 Вольфрам 1-8 Ванадий 2-6 Алюминий 1-4,5 Никель 3,2-20 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 1-15 Железо Остальное,

при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, мас.%: Al₂O₃=20-48; F⁺=18-27; Na₂O=4-16; K₂O=0,4-6; CaO=0,7-1,8; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=1,7-3,27; C_обш=12-31; MnO=0,07-1,3; MgO=0,06-0,9; S=0,09-0,59; P=0,1-0,18.