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 по твердости и изностойкости.

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 Кремнефтористый натрий 0,6-3,6 Сера 0,9-3 Кобальт 12-13 Железо остальное

Существенными недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности твердости, за счет повышенной загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями;

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

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

- низкое качество наплавленного металла в связи с порообразованием и повышенным содержанием водорода.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются:

- повышение механических свойств наплавленного металла, в частности твердости, за счет снижение загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями;

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

- 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.

Для этого предлагается шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий и железо, в которой взамен кремнефтористого натрия содержится пыль электрофильтров алюминиевого производства, при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, мас.%: Al₂O₃=21-46,23; F⁺=18-27; Na₂O=8-15; K₂O=0,4-6%, CaO=0,7-2,3; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-3,27; C_общ=12,5-30,2, MnO=0,07-0,9, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,19, P=0,1-0,18;

при соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 1-3,6 Хром 6,5-14,0 Молибден 5-21 Вольфрам 3-24 Ванадий 2-6 Алюминий 1-4,5 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 3-15 Железо Остальное

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

Введение в состав шихты порошковой проволоки пыли электрофильтров алюминиевого производства обусловлено содержанием в составе последнего элементов позволяющих:

- проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений (типа Na₂SiF₆, NaF, KF, CF_x (1≥x>0), AlF₃, Na₃AlF₆) разлагающихся при температурах сварочных процессов с выделением F, который в свою очередь взаимодействует с водородом растворенным в стали с образованием газообразного соединения HF;

- 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

Для изготовления шихта порошковой проволоки использовали пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, мас.%: Al₂O₃=21-46,23; F⁺=18-27; Na₂O=8-15; K₂O=0,4-6%, CaO=0,7-2,3; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-3,27; C_общ=12,5-30,2, MnO=0,07-0,9, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,19, P=0,1-0,18.

Нижние пределы по содержанию в шихте порошковой проволоки пыли электрофильтров алюминиевого производства определяется эффективностью ее применения для получения качественного наплавленного металла. Увеличение содержания пыли электрофильтров в шихте выше верхних граничных значений (более 15%) приводит к существенному изменению коэффициента заполнения порошковой проволоки, что нежелательно, так как требует корректировки пределов шихты, а также увеличивает количество шлака.

Порошковая проволока изготавливалась из стали 0,8 кп (оболочка) из стальной холоднокатаной ленты размером 0,8 мм толщиной и 15 мм шириной и заявляемой шихт (сердечника). Компоненты шихты перемешивались в специальном приспособлении для получения однородной массы. Загрузка шихты в порошковую проволоку осуществляется с помощью дозатора. Перед закаткой порошковую проволоку прокаливали в сушильном шкафу для удаления влаги при температуре 300-350°C. Коэффициент заполнения порошковой проволоки составлял 0,32-0,33, а диаметр готовой проволоки - 3,7 мм.

Влияние изменения химического состава компонентов с граничными, заграничными и заявляемыми пределами шихты порошковой проволоки приведены в таблице 1. Наплавку проводили в азотосодержащих защитно-легирующих газовых смесях на цилиндрических заготовках из стали 30ХГСА длинной 600 мм и диаметром 100 мм. Режимы плазменной наплавки приведены в таблице 2. После наплавки деталей производился замер твердости поверхности на приборе ТК-2М. Результаты измерения твердости наплавленного металла после наплавки и отпуска на вторичную твердость приведены в таблице 3. Режим трехкратного отпуска на вторичную твердость: нагрев до температуры 560°C и выдержка 1 час.

Контроль качества наплавленного металла производился визуально в процессе наплавки и по образцам, вырезанным из наплавленного слоя. Отделимость шлаковой корки оценивали визуально. Трещины во всех образцах в процессе наплавки и при охлаждении не обнаружены.

При наплавке образца №1 наблюдалось интенсивное кипение сварочной ванны. В этом случае в наплавленном металле наблюдалось значительное количество пор. Твердость металла после наплавки и отпуска значительно ниже средних значений, характерных для теплостойких инструментальных сталей. Снижение твердости обусловлено недостаточной степенью легирования твердого раствора и незначительным количеством упрочняющей карбидной фазой. Качество наплавленного металла образцов №2-4 и его твердость после наплавки и отпуска удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству и твердости наплавленного металла. При наплавке образца №5 на поверхности металла наблюдается значительное количество шлака. Образцы, вырезанные из наплавленного металла, содержат значительное количество неметаллических шлаковых включений, что в значительной степени снижает твердость.

Использование заявляемой смеси по сравнению с базовой (прототип) позволяет:

- повысить твердость наплавленного рабочего слоя наплавляемого металла до 62-65 HRC (против 50-54 HRC в прототипе);

- снизить стоимость сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и использования отходов производства;

- повысить устойчивость горения дуги за счет введения элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги;

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

Источники информации

1. пат РФ №2088392 кл B23K 35/36

Таблица 1 Химический состав шихты порошковой проволоки Ингредиенты Содержание, мас.% Вариант 1 2 3 4 5 Углерод 0,8 1,0 2,8 3,6 4,6 Хром 4,0 6,5 10,2 14,0 16,0 Молибден 3,0 5,0 13,0 21,0 22,0 Вольфрам 2,0 3,0 13,5 24,0 25,0 Ванадий 1,0 2,0 4,0 6,0 6,5 Алюминий 0,6 1,0 2,8 4,5 5,0 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 2,5 3,0 9,0 15,0 15,5 Железо 86,1 78,5 44,7 11,9 5,4

Таблица 2 Режимы плазменной наплавки порошковой проволокой Ток, А Напряжение, В Скорость подачи проволоки, см/с Средняя скорость наплавки, см/с Шаг наплавки, мм Расход газов, см³/с Плазмообразующий, аргон Защитный, азот 180-200 50-60 0,9 0,48 14 10 34

Таблица 3 Результаты замера твердости наплавленного металла Номер состава шихты Твердость HRC Качество наплавленного металла После наплавки После отпуска на вторичную твердость 1 49-51 54-55 Качество неудовлетворительное, значительное количество пор 2 46-47 62-63 Качество хорошее, поры и трещины отсутствуют. 3 46,5-47,5 62,5-64 Качество хорошее, поры и трещины отсутствуют. 4 47-48 63-65 Качество хорошее, поры и трещины отсутствуют. 5 47-48 63,5-65 Качество неудовлетворительное, на поверхности наплавленного металла значительное количество шлаковых включений.

Изобретение может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости. Шихта содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 1-3, 6; хром 6,5-14,0; молибден 5-21; вольфрам 3-24; ванадий 2-6; алюминий 1-4,5; пыль электрофильтров алюминиевого производства 3-15; железо - остальное. Использование шихты обеспечивает высокие механические свойства наплавленного металла, в частности, твердости за счет снижения загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями, повышение устойчивости горения дуги за счет введения элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги, улучшение формирования наплавленного металла, исключение порообразования, а также снижение себестоимости 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 содержит дополнительно пыль электрофильтров алюминиевого производства при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 1-3,6 Хром 6,5-14,0 Молибден 5-21 Вольфрам 3-24 Ванадий 2-6 Алюминий 1-4,5 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 3-15 Железо Остальное,

при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, мас.%: Al₂O₃=21-46,23; F⁺=18-27; Na₂O=8-15; K₂O=0,4-6; CaO=0,7-2,3; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-3,27; C_общ=12,5-30,2; MnO=0,07-0,9; MgO=0,06-0,9; S=0,09-0,19; P=0,1-0,18.