ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА Российский патент 2014 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к сварочным материалам и может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия на деталях металлургического оборудования, работающих в условиях сжатия и абразивного износа при температурах 600°С.

Известна [1], порошковая проволока для механизированной наплавки под флюсом, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей феррохром, ферромолибден, феррованадий, ферросилиций, ферромарганец, графит, кремнефтористый натрий, ферровольфрам, и железный порошок при соотношении, вес.%:

Феррохром 6-8 Ферромолибден 5,5-8,0 Феррованадий 0,8-1,8 Ферросилиций 0,5-2,0 Ферромарганец 0,2-1,0 Графит 0,05-0,25 Кремнефтористый натрий 1,5-3,5 Ферровольфрам 3,5-5,0 Железный порошок 3,0-14,0 Оболочка Остальное

Существенными недостатками данной порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет повышенной загрязненности стали неметаллическими оксидными, а также соотношения карбидообразующих элементов;

- плохая устойчивость горения дуги в связи с отсутствием в шихте в достаточном количестве элементов (калия, натрия), 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 отсутствия в составе шихты достаточного количества аустенитообразующих элементов, в частности никеля;

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

Известна выбранная в качестве прототипа [2], порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферромолибден, феррованадий, графит, натрий кремнефтористый, ферровольфрам, железный порошок при следующем соотношении, %:

Ферромарганец 0,2-0,5 Ферросилиций 1,6-2,3 Феррохром 5,5-8,5 Ферромолибден 0,6-1,5 Феррованадий 1-3 Графит 0,05-0,15 Натрий кремнефтористый 2,2-2,4 Ферровольфрам 5-8,5 Железный порошок 5-15 Стальная оболочка Остальное

Существенными недостатками данной порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности твердости и износостойкости, за счет повышенной загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями, а также соотношения карбидообразующих элементов в составе шихты;

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

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

- образование холодных трещин в процессе многослойной наплавки из-за отсутствия в составе шихты достаточного количества аустенитообразующих элементов, в частности никеля;

- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (молибдена 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 эффективного использования отходов производства.

Для этого предлагается порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферровольфрам, ферромарганец, ферросилиций, феррохром, феррованадий, железный порошок, в которой стальная оболочка изготовлена из стали 08ЮА, а порошкообразная шихта дополнительно содержит никель и углеродфторсодержащую пыль электрофильтров алюминиевого производства при соотношении компонентов, мас.%:

Стальная оболочка 67,0-68,0 Ферровольфрам 10,0-13,75 Ферромарганец 0,76-1,41 Ферросилиций 0,26-1,34 Феррохром 3,38-5,38 Феррованадий 0,4-1,0 Никель 0,1-1,0 Углеродфторсодержащая пыль электрофильтров   алюминиевого производства 0,80-2,58 Железный порошок Остальное

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

Стальная оболочка заявляемой порошковой проволоки изготавливалась из холоднокатаной ленты стали 08ЮА, что позволило по сравнению с используемой ранее сталью 08кп снизить содержание кислорода и соответственно уменьшить концентрацию оксидных неметаллических включений в наплавляемом металле.

В состав порошкообразной шихты дополнительно введены никель и углеродфторсодержащая пыль электрофильтров алюминиевого производства, исходя из следующих предпосылок.

Введение в состав наплавленного металла сильного аустенитообразующего элемента - никеля повышает количества остаточного аустенита, что уменьшает вероятность образования холодных трещин за счет увеличения количества остаточного аустенита и уменьшения объемного эффекта мартенситного превращения.

Введение в состав шихты порошковой проволоки углеродфторсодержащей 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 (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 шихты порошковой проволоки использовали углеродфторсодержащую пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, масс.%: Al₂O₃=18-48; F⁺=18-27; Na₂O=3-16; K₂O=0,4-6%, CaO=0,6-1,9; SiO₂=0,5-2,4; Fe₂О₃=1,7-3,3; C_общ=12-31, MnO=0,05-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,4, P=0,1-0,15.

Изменение содержания никеля и углеродфторсодержащей 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.

При изготовлении порошковой проволоки использовали: порошки ферровольфрама ФВ 80(а) ГОСТ 17293-93, ферросилиция марки ФС 75 по ГОСТ1415-93, углеродистого ферромарганца ФМн 78(А) по ГОСТ 4755-91, высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ900А по ГОСТ 4757-91, феррованадия марки ФВ50У0.6 по ГОСТ 27130-94, никеля марки ПНК-2К9 по ГОСТ 9722-97, железа марки ПЖВ 1 по ГОСТ 9849-86.

Шихта перемешивалась в смесители для получения однородной массы и прокаливалась для удаления влаги при температуре 250-350°C. Далее производилось изготовление порошковой проволоки на станке. Диаметр готовой проволоки после операций волочения составлял 3,6 мм, при коэффициенте заполнения 0,32-0,33. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась наплавка заготовок рабочих валков с диаметром рабочей части 150 мм, длиной 425 мм. Наплавка производилась под флюсом на следующих режимах: сварочный ток 380-400 А, напряжение дуги 32-34 В, скорость наплавки 25 м/ час, скорость подачи порошковой проволоки 73 м/час.

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 восстановительного плавления в вакууме или в потоке инертного газа-носителя на газоанализаторе фирмы «LECO» ТС-600 (США). Содержание водорода изменялось в пределах 0,2-0,6 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. Твердость наплавленного металла после наплавки составляла HRC 48-54. 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 с заграничными и граничными заявляемыми пределами.

Влияние изменения химического состава на технологические свойства и механические характеристики наплавленного металла приведено в таблице 2. 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.

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

4. Повысить твердость наплавленного металла до HRC 48-54.

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

Список источников

1. А.с. СССР №449790, кл. B23K 35/30, B23K 35/30.

2. А.с. СССР №287830, кл. B23K 35/30, B23K 35/04.

Таблица 1 Состав шихты Состав шихты, мас.%: 1 2 3 4 5 6 Стальная оболочка 67,0 67,0 67,0 68,0 68,0 68,0 Ферровольфрам 9,9 10,0 12,8 13,4 13,75 13,76 Ферромарганец 0,75 0,76 1,1 1,38 1,41 1,42 Ферросилиций 0,25 0,26 0,38 1,17 1,34 1,35 Феррохром 3,37 3,38 4,2 5,34 5,38 5,39 Феррованадий 0,39 0,4 0,8 0,96 1,0 1,1 Никель 0,09 0,1 0,31 0,45 1,0 1,1 Углеродфторсодержащая пыль электрофильтров алюминиевого производства 0,79 0,80 0,96 2,44 2,58 2,59 Железный порошок 17,46 16,3 12,45 6,86 5,54 5,29

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 1,3-1,5 0,3-0,6 0,3-0,6 0,2-0,5 0,2-0,5 1,2-1,6 Наличие трещин в наплавленном металле Единичные Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют Единичные Твердость наплавленного металла, HRC 48-50 48-54 48-54 48-54 48-54 50-54 Максимальная длина строчки оксидных неметаллических включений, мм 1,8 0,5 0,7 0,4 0,7 2,1

Изобретение может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия на деталях металлургического оборудования, работающих в условиях сжатия и абразивного износа при температурах 600°C. Порошковая проволока содержит, мас.%: стальная оболочка 67,0-68,0, ферровольфрам 10,0-13,75, ферромарганец 0,76-1,41, ферросилиций 0,26-1,34, феррохром 3,38-5,38, феррованадий 0,4-1,0, никель 0,1-1,0, углеродфторсодержащая пыль электрофильтров алюминиевого производства 0,80-2,58, железный порошок - остальное. Технический результат заключается в повышении износостойкости и твердости за счет снижения загрязненности стали неметаллическими оксидными включениями, в повышении устойчивости горения дуги за счет введения элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги, в улучшении формирования наплавленного металла и исключении порообразования за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты. 2 табл.

Порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферровольфрам, ферромарганец, ферросилиций, феррохром, феррованадий, железный порошок, отличающаяся тем, что стальная оболочка изготовлена из стали 08ЮА, а порошкообразная шихта дополнительно содержит никель и углеродфторсодержащую пыль электрофильтров алюминиевого производства при следующем соотношении компонентов, мас.%:
стальная оболочка 67,0-68,0 ферровольфрам 10,0-13,75 ферромарганец 0,76-1,41 ферросилиций 0,26-1,34 феррохром 3,38-5,38 феррованадий 0,4-1,0 никель 0,1-1,0 углеродфторсодержащая пыль электрофильтров   алюминиевого производства 0,80-2,58 железный порошок остальное