Порошковая проволока Российский патент 2018 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к области электродуговой наплавки порошковой проволокой деталей, работающих в условиях трения и ударных нагрузок, и может быть использовано в энергетической, химической, нефтяной отраслях промышленности, например, для восстановления и упрочнения шнеков, скребков, лопастей, штоков, плунжеров и т.п.

Известна порошковая проволока (авторское свидетельство СССР №277978, B23k 35/36, опубл. Б.И. №25, 1970 г.), состав шихты которой взят в следующем соотношении, %:

карбид бора - 22-25 железный порошок - остальное.

Металл, наплавленный порошковой проволокой с шихтой предложенного состава, обладает высокой твердостью (7000-8000 МПа) и высокой относительной износостойкостью, но низкой коррозионной стойкостью.

Известна порошковая шихта для наплавки (авторское свидетельство СССР №360186, B23k 35/36, опубл. Б.И. №36, 1972 г.), которая может использоваться при наплавке деталей нефтепромыслового оборудования и содержащая компоненты в следующем соотношении, %:

диборид титана - 0,5-20 никель - 0-10 карбид бора - остальное.

Металл, полученный при электродуговой наплавке низкоуглеродистой проволокой по шихте известного состава под слоем сварочного флюса, имеет высокую твердость после наплавки (HV 800-850), что делает невозможным обрабатывать режущим инструментом наплавленный металл в состоянии после наплавки. Кроме того, к недостаткам известного материала следует отнести необходимость предварительного подогрева перед наплавкой до высокой температуры и низкую износостойкость в условиях силового воздействия,

которая обусловлена высоким удельным объемом карбоборидных фаз, приводящих к его охрупчиванию.

Известна порошковая проволока (авторское свидетельство СССР № 513821, В23k 35/36 опубл. Б.И. № 18, 1976 г.) состав шихты которой взят в следующих соотношениях, %:

графит - 2,1 - 3,2

карбид бора - 0,5 - 1,5

феррохром - 5 - 14

феррованадий - 6,5 - 12

ферротитан - 0,5 - 3

железный порошок - 12 - 20

сталь оболочки - остальное.

Такая порошковая проволока обеспечивает получение наплавленного металла с достаточно высокой твердостью до 51-56 HRC. Однако получить такой проволокой наплавленный металл без трещин и сколов из-за высокого содержания углерода достаточно сложно. Кроме того, порошковая проволока имеет низкие сварочные технологические характеристики вследствие образования пор и плохого формирования валиков.

Известна порошковая проволока для наплавки слоя нержавеющей стали повышенной твердости (авторское свидетельство СССР № 300282, В 23 k 35/36, опубл. Б.И. № 13, 1971 г.), состоящая из стальной оболочки и шихты следующего состава, %:

хром - 0,5 - 18

феррохром - 2 - 20

никель - 2 - 4

ферромарганец - 1 - 4

кремнефтористый натрий - 2 - 2,5

низкоуглеродистая

стальная оболочка - остальное.

При наплавке известной проволокой обеспечивается отличное формирование наплавленного металла, в котором отсутствуют поры, шлаковые включения и другие дефекты, но металл не обладает высокой износостойкостью.

Известна порошковая проволока (Пат. 2514754, МПК В23k 35/368, опубл. 10.05.14, бюл. № 13) обеспечивающая получение наплавленного металла с существенным эффектом вторичного твердения после старения, предназначенная для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях термомеханического циклического нагружения, состоящая из металлической оболочки и шихты при следующем соотношении компонентов, масс.%:

хром - 15 - 18

молибден - 3 - 5,5

никель - 2 - 6

марганец - 2 - 4

ферросилиций - 0,8 - 2,5

феррованадий - 1,5 - 3,5

титан - 0,5 - 1,0

алюминий - 0,5 - 1,0

карбид бора - 0,3 - 0,8

диборид титана - 1,0 - 2,0

диборид циркония - 0,5 - 1,5

кремнефтористый натрий - 0,5 - 1,0

железный порошок - 0,5 - 7,5

стальная оболочка - остальное.

Металл, наплавленный порошковой проволокой с шихтой предложенного состава, обладает после старения твердостью 47-55 HRC (526-642 HV). Однако для придания такому металлу высоких эксплуатационных свойств необходима выдержка при температурах 450÷550°С в течение 2-4 часов, что приводит к дополнительных затратам при восстановительных и упрочняющих работах.

Наиболее близким по технической сущности и химическому составу определяющего тип наплавленного металла является изобретение (авторское свидетельство СССР №534331, B23k 35/36, опубл. Б.И. №41, 1976 г.), защищающее порошковую проволоку для износостойкой наплавки деталей, подвергающихся абразивному изнашиванию, состоящую из стальной малоуглеродистой оболочки и шихты, содержащей хром и карбид бора при следующем процентном отношении, %:

хром - 15-20 карбид бора - 5-10 малоуглеродистая оболочка - остальное.

Однако, металл, наплавленный известной порошковой проволокой, имеет очень высокую твердость (до 67 HRC), что сильно усложняет его механическую обработку. Такой металл хрупок и склонен к образованию трещин и сколов, что снижает износостойкость наплавленных деталей.

Технической задачей данного изобретения является повышение износостойкости наплавленного металла, работающего в условиях трения и ударных нагрузок.

Технический результат достигается за счет того, что в порошковой проволоке для наплавки деталей, состоящей из стальной оболочки и шихты, включающей хром и карбид бора, согласно заявляемому техническому решению шихта дополнительно содержит феррохром, диборид титана, диборид циркония, алюминий и кремнефтористый натрий при следующем процентном соотношении компонентов, масс. %:

хром - 1,0-11 карбид бора - 1,5-3,5 феррохром - 15-35 диборид титана - 1,5-3,5 диборид циркония - 1,5-3,5

алюминий - 0,8 - 1,2

кремнефтористый натрий - 0,8 ÷ 1,0

стальная оболочка - остальное.

Наличие в составе порошковой проволоки феррохрома 15-35% и хрома 1,0-11% обеспечивает получение в наплавленном металле мартенситной структуры. Феррохром необходим для получения расчетного коэффициента заполнения порошковой проволоки, что обеспечивает получение наплавленного металла с концентрацией хрома 16-18%, обладающего достаточно высокой коррозионной и кавитационной стойкостью, характерной для сталей (20-40)Х13. Так же порошок феррохрома обусловливает однородность состава шихты проволоки по хрому, что улучшает равномерное распределение в наплавленном металле его комплексных соединений, тем самым повышая стабильность свойств покрытий.

Используя результаты исследований, изложенных в работах (Шеенко И.Н., Орешкин В.Д., Репкин Ю.Д. Современные наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений. - Киев: Наукова Думка, 1970. - 163-166 с.; Войнов Б.А. Влияние тугоплавких карбидов на износостойкость сталей // Износостойкие наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений. - Киев: Наукова Думка, 1977. - 114-118 с.), а также в патенте (Пат. 2514754, МПК В23k 35/368, опубл. 10.05.14, бюл. № 13) для повышения износостойкости наплавленного металла в состав шихты введена добавка боридов: 1,5-3,5% диборида титана, 1,5-3,5% диборида циркония, 1,5-3,5% карбида бора. Введение в шихту проволоки таких боридных соединений в комплексе обусловливает образование в структуре наплавленного металла боридной эвтектики, которая, располагаясь в виде каркаса между кристаллами мартенсита, воспринимает часть нагрузки от удельных давлений и контактного взаимодействия и рассредоточивает ее на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость наплавленного металла, работающего в условиях истирания к ударным нагрузкам. При этом также образуются мелкодисперсные труднорастворимые высокопрочные карбиды, бориды и карбобориды, способствующие увеличению износостойкости наплавленного металла. При концентрации каждого из введенных в шихту соединений бора менее 1,5% не обеспечивается нужный уровень износостойкости, а повышение их концентрации соответственно свыше 3,5% приводит к появлению пор, охрупчиванию наплавленного металла и падению его износостойкости.

Введение в состав шихты алюминия в количестве 0,8-1,2% обеспечивает раскисление сварочной ванны и предотвращает выгорание основных легирующих элементов в процессе наплавки за счет активного взаимодействия с кислородом, что обеспечивает высокие сварочно-технологические свойства порошковой проволоки, хорошую растекаемость, отсутствие пористости и чешуйчатости наплавленного металла.

Введение в состав порошковой проволоки кремнефтористого натрия Na₂SiF₆ в количестве 0,8-1,0% позволяет значительно снизить концентрацию водорода в наплавленном металле, что обусловливает низкую вероятность образования пор и повышает стойкость к образованию трещин.

Вследствие значительного уменьшения в шихте количества карбида бора по сравнению с прототипом снижается хрупкость наплавленного металла. Благодаря тому, что в шихту проволоки дополнительно вводится диборид титана, диборид циркония и алюминий удаётся получить новый наплавленный металл композиционного типа, который приобретает повышенную износостойкость.

Предложенная порошковая проволока обеспечивает комплексное упрочнение наплавленного металла за счет образования в мартенситной матрице карбидных, боридных, карбоборидных и интерметаллидных фаз.

Для количественной оценки воздействия легирующих элементов на свойства наплавленного металла по известной технологии были изготовлены 6 составов порошковой проволоки: 2, 3 и 4 - составы предлагаемой проволоки, 1 и 5 - составы с содержанием компонентов, выходящими за пределы, 6 - состав прототипа, приведенные табл. 1.

Таблица 1

Состав Количественный состав порошковой проволоки, % Cr FeCr B₄C TiB₂ ZrB₂ Al Na₂SiF₆ Fe
порошок Предлагаемый 1 0 30,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,2 11,4 2 0,5 34,5 1,5 1,5 1,5 0,8 0,8 0 3 6,0 24,5 2,5 2,5 2,5 1,0 1,0 0 4 10,5 15,0 3,5 3,5 3,5 1,2 1,0 0 5 16,0 4,5 4,5 4,5 4,5 1,4 1,4 0 Прототип 6 20,0 - 10,0 - - - - 12,0

В качестве оболочки использовали стальную ленту марки 08 кп размером 15×0,5 мм по ГОСТ 503-81. В качестве шихты использовали смесь порошков хрома марки Х99 по ГОСТу 5905-79, феррохрома марки FeCr50C01LP по ГОСТу 4757-91 (ИСО 5448-81), карбид бора по ГОСТу 5744-85, диборида титана по ТУ 113-07-11.004-89, диборида циркония по ТУ 6-09-03-46-75, алюминия марки ПА-4 по ГОСТу 5494-95, кремнефтористого натрия по ТУ 113-08-587-86; железа марки ПЖР2 по ГОСТу 9849-86.

Состав шихты варьируется в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл.

Наплавка предложенной проволокой может производиться как под флюсом, так и в среде защитных газов.

Порошковыми проволоками Ø 2,8 мм на полуавтомате ПДГО-510 с источником питания дуги ВДУ-506С в среде аргона выполнялась многослойная наплавка (3 слоя) на ребро пластин из стали 45 толщиной 20 мм. Порошковая проволока обеспечивает хорошие сварочно-технологические свойства при наплавке на постоянном токе обратной полярности. Из наплавленного металла изготавливались образцы для проведения исследований по известным методам.

Дюрометрические исследования проводили с использованием твердомера ТК-2 по методу Роквелла на образцах из наплавленного металла после наплавки и термической обработки (за величину твердости бралось среднее значение твердости - 3 замеров).

Испытания на износостойкость проводились на машине трения ИИ 5018 при сухом трении по схеме «диск - колодка» (материал диска - сталь У7, твердость 63 HRC; нагрузка на образец 1000 Н, скорость вращения диска 0,28 м/с, максимальная температура контактируемых поверхностей при этом достигает 550…600 °С). Весовой износ образцов регистрировался после каждых 6 мин. испытаний при общем пути трения 400 м. Измерение величины износа образцов осуществлялось весовым методом с использованием аналитических весов OHAUS AX224. Полученные результаты выражались в виде коэффициента относительной износостойкости ε, численно равного отношению весовых потерь эталона (сталь 95Х18) и испытуемого металла за одинаковое время.

Испытания на склонность наплавленного металла к хрупкому разрушению проводили на молоте МА4129 при энергии удара 0,1 кДж. За износостойкость принимали количество ударов до появления первой трещины.

Результаты испытаний приведены в таблице № 2.

Таблица 2

Результаты испытаний

Свойства
наплавленного
металла Варианты проволоки 1 2 3 4 5 6-прототип Механические характеристики Твердость, HRC 45 50 53 55 58 64 Коэффициент ε 3,4 4,1 4,9 4,7 4,3 3,2 Количество ударов 64 58 49 35 29 11 Технологические характеристики Поры на поверхности Нет Нет Нет Нет Нет 1 на
10 см² Трещины Нет Нет Нет Нет 1 на l=200мм 1-2 на
l=200мм Наплывы Нет Нет Нет Нет Нет 1-2 на l=200мм

Приведенные в таблице 2 результаты испытаний показывают, что составы порошковой проволоки NN 2-4 являются оптимальными и обеспечивают получение наплавленного металла с достаточно высокой твердостью и износостойкостью, не склонного к пористости и трещинообразованию.

Анализ результатов испытаний показал, что, по сравнению с использованием порошковой проволоки - прототипа, применение предлагаемой новой порошковой проволоки позволит увеличить, коэффициент относительной износостойкости наплавленного металла ε с 3,2 до 4,1-4,9. при снижении его хрупкости в 3-5 раза.

Наплавленный металл, полученный новой порошковой проволокой может использоваться в закаленном от температур 1000-1100⁰С и отпущенном состоянии. После закалки твердость, в зависимости от содержания углерода составляет 50÷55 HRC, после отпуска при 550⁰С - 40÷45 HRC, а после отпуска при 700⁰С - 32÷40 HRC.

Технологические испытания новой порошковой проволоки показали, что в процессе наплавки обеспечивается устойчивое горение дуги, хорошее формирование валика наплавного металла, отсутствие трещин и наплывов, шлаковая корка хорошо покрывает наплавленный валик и удаляется без затруднения.

Использование предложенной порошковой проволоки для наплавки поверхностей деталей оборудования различных производств позволяет существенно повысить их износостойкость.

Изобретение может быть использовано при восстановлении и упрочнении деталей, работающих в условиях трения и ударных нагрузок, в частности шнеков, скребков, лопастей, плунжеров Проволока состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%: хром 1,0-11,0, карбид бора 1,5-3,5, феррохром 15,0-35,0, диборид титана 1,5-3,5, диборид циркония 1,5-3,5, алюминий 0,8-1,2, кремнефтористый натрий 0,8-1,0, стальная оболочка - остальное. Состав шихты варьируется в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл. Порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами и обеспечивает высокую износостойкость наплавленного металла. 2 табл.

Порошковая проволока для наплавки деталей, работающих в условиях трения и ударных нагрузок, состоящая из стальной оболочки и шихты, включающей хром и карбид бора, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит феррохром, диборид титана, диборид циркония, алюминий и кремнефтористый натрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

хром 1,0-11 карбид бора 1,5-3,5 феррохром 15-35 диборид титана 1,5-3,5 диборид циркония 1,5-3,5 алюминий 0,8-1,2 кремнефтористый натрий 0,8–1,0 стальная оболочка остальное