НАУГЛЕРОЖИВАЮЩАЯ ПАСТА ДЛЯ НАПЛАВКИ Российский патент 2021 года по МПК B23K35/36 

Изобретение относится к материалам для наплавки и может быть использовано для упрочнения стали в сельскохозяйственном машиностроении и повышения абразивной износостойкости рабочих поверхностей почвообрабатывающих орудий.

Известен активирующий флюс [1], который используется для электродуговой сварки легированных сталей вольфрамовым или плавящимся электродом, и обеспечивает снижение образования газовых пор, повышение проплавляющей способности дуги и стабильность формирования сварного шва, содержит компоненты в следующем соотношении (вес. %): гексафторалюминат лития 20…30, двуокись титана 20…30, оксид алюминия 10…30, а также группу галогенидных солей магния - хлорид магния 10…20, бромид магния 10…20, иодид магния 10…20. Недостатками активирующего флюса являются: использование в составе дорогостоящих химических компонентов, что повышает себестоимость сварки; компоненты флюса незначительно легируют материал сварного шва по причине значительного объема сварочной ванны, обусловленной большой глубиной проплавления; использование флюса не обеспечивает упрочнение сталей.

Известен флюс [2], получаемый из индивидуальных флюс-оксидов MgO, SiO₂, TiO₂, Cr₂O₃, WO₃ и Co₃O₄ при смешивании со спиртом в соотношении 1:1, применяемый для аргонодуговой сварки с целью увеличения проплавляющей способности сварочной дуги. Недостатками флюса являются: высокая проплавляющая способность обеспечивает большой объем сварочной ванны, что приводит к снижению концентрации легирующих элементов в металле сварочного шва; отсутствие среди компонентов флюса углеродосодержащих материалов, кроме спирта, не способствует образованию карбидов, что препятствует упрочнению металла сварного шва; ряд из использованных индивидуальных флюсов-оксидов являются дефицитными и дорогостоящими.

Известна паста [3], содержащая 88-92 вес. % металлический порошок, представленный твердым сплавом, содержащим, вес. %: карбид вольфрама 58-89, карбид титана 0,1-28, кобальт 2,6-1 и связующее 8-12 вес. %, представленное 4-5%-ным водным раствором карбоксиметилцеллюлозы. Недостатками пасты являются дорогостоящие компоненты металлического порошка; сложность измельчения до необходимого фракционного состава; частичная диссоциация карбидов при воздействии сварочной дуги, неравномерность состава наплавляемого слоя по глубине, обусловленного ликвацией по удельному весу; сложность нанесения равномерного слоя пасты на деталь, обусловленная разностью в плотности и смачиваемостью компонентов металлического порошка и связующего.

Наиболее близким принятым в качестве прототипа, является паста [4], содержащая в качестве углеводородного связующего глицерин при следующем соотношении компонентов (в вес. %): графит 40-60; карбид бора 0,1-3; карбид хрома 0,25-5; глицерин - остальное. Паста при наплавке с помощью электроконтактного нагрева обеспечивает получение упрочненного слоя, обладающего высокой износостойкостью. К недостаткам пасты относятся: частичное окисление компонентов при электроконтактном нагреве; насыщение упрочненного слоя водородом при диссоциации глицерина, и повышение в этой связи внутренних напряжений, способствующих образованию трещин и отслоению наплавленного слоя; повышенная склонность к образованию пор на основе углекислого и угарного газов; структура и свойства, в частности твердость, по глубине для наплавленного слоя неравномерна, что обусловлено изменением степени легирования нижележащих слоев; невозможность использования электроконтактного нагрева нанесения упрочненных слоев на геометрически сложные криволинейные поверхности деталей.

Целью изобретения является разработка пасты на основе дешевых и широко распространенных неметаллических компонентов, которая при наплавке аргонодуговой сваркой обеспечивает формирование упрочненного карбидами, формирующимися из-за науглероживания из графита, содержащегося в пасте, наплавленного слоя однородного по структуре и свойствам, глубина и степень науглероживания слоя регламентируется изменением содержания в пасте керамических компонентов сварочного флюса, которые влияют на глубину проплавления и изменяют объем сварочной ванны.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в повышении твердости и, как следствие, абразивной износостойкости рабочих поверхностей почвообрабатывающих орудий за счет повышения содержания концентрации углерода в наплавленном слое и при варьировании его глубины. Наплавка, производимая из пасты, отличается постоянством структуры и химического состава по глубине слоя, что обеспечивает постоянство свойств и высоким качеством поверхности без сопутствующих дефектов - газовых пор и горячих трещин. При наплавке аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом она обеспечивает повышение твердости и износостойкости слоя, наплавленного на детали.

Это достигается тем, что используется:

Паста для наплавки, состоящую из графита, керамического компонента и связующего, отличающуюся тем, что в качестве керамического компонента содержит сварочный флюс, состава (в вес. %): SiO₂ 42-46; MnO 36-41; Fe₂O₃ не более 1; Al₂O₃ не более 6; СаО не более 10; MgO не более 3; CaF₂ - остальное, а в качестве связующего - изопропанол, при этом соотношение между объемными долями компонентов (графит: флюс: связующее) должно быть следующим: 0,6-0,8 : 0,4-0,2 : 1, суммарное содержание объемных долей графита и флюса должно всегда составлять 1, основной способ наплавки - аргонодуговой неплавящимся электродом.

Одновременное сочетание в пасте для наплавки графита и флюса позволяет путем варьирования содержания объемных частей компонентов изменять глубину проплавления и, тем самым, объем сварочной ванны и концентрацию углерода в наплавляемом слое. Оксиды, входящие в состав сварочного флюса, активизируют ионные процессы в сварочной дуге, возникающей между изделием и неплавящимся вольфрамовым электродом при аргонодуговой сварке. Это приводит к увеличению эффективной погонной энергии сварочной дуги, что, в свою очередь, приводит к увеличению глубины проплавления и увеличению объема сварочной ванны. Графит, входящий в состав пасты, при воздействии сварочной дуги является основным компонентом, который обеспечивает за счет науглероживания сварочной ванны образование карбидов цементитного состава. Изменяя соотношение между графитом и флюсом можно варьировать степень науглероживания металла сварочной ванны, обеспечивая формирование широкого спектра структур от заэвтектоид-ных до структур белого чугуна, и, как следствие, твердости, которая оказывает наиболее существенное влияние на абразивную износостойкость углеродистых сталей, применяемых для изготовления почвообрабатывающих орудий.

Оксиды, содержащиеся в флюсе, восстанавливаются углеродом, образующимся при диссоциации графита, и частично легируют металл наплавляемого слоя. Предпочтение отдается кислым компонентам флюса - SiO₂, MnO, Fe₂O₃ которые превалируют в составе, что предопределяет кислый металлургический процесс, протекающий в сварочной ванне. Остальные компоненты флюса - Al₂O₃; CaO; MgO; CaF₂ обеспечивают рафинирующую функцию и способствуют улучшению смачивающей способности расплава при наплавке. Возникающий в ходе восстановительной реакции углекислый газ образует с аргоном защитную смесь, предохраняющую зону наплавки от негативного воздействия атмосферного воздуха. При этом не наблюдается образование газовых пор, свойственных аргонодуговой сварке углеродистых сталей. Компоненты флюса являются широко распространенными и дешевыми материалами.

Дополнительное легирование восстановленными из компонентов флюса марганцем и кремнием оказывает упрочняющее воздействие на металл наплавленного слоя. Большая часть легирующих элементов образует твердые растворы с железом, а оставшаяся способствует образованию карбидов. При этом марганец легирует цементит, а кремний образует силикокарбид.

Графит, являющийся преобладающим компонентом пасты, обеспечивает науглероживание наплавляемого слоя, что при последующем охлаждении приводит к формированию упрочненных структур, соответствующих структуре заэтвтектоидных сталей или белого чугуна. Упрочнение обеспечивается за счет формирования в наплавленном слое ортогонально ориентированных к поверхности детали вторичных или эвтектических карбидов цементитного типа и силикокарбидов.

Предлагаемое соотношение между объемными долями компонентов (графит: флюс: связующее): 0,6-0,8 : 0,4-0,2 : 1, а суммарное содержание объемных долей графита и флюса должно всегда составлять 1, обусловлено превалирующей ролью в обеспечении управления графита. Содержание которого всегда должно быть больше, чем сварочного флюса. Так как часть углерода графита расходуется на восстановления оксидов флюса, то остаточное его содержание должно быть достаточным для науглероживания стали при наплавке. При меньшем соотношении объемных долей графита и сварочного флюса чем 0,6 к 0,4 не происходит достаточного науглероживания наплавленного слоя и отмечается незначительное повышение твердости, а порой и разупрочнение. При большем соотношении графита и флюса, чем 0,8 к 0,4, возможно образование структур графитизированного чугуна, которые не обладают требуемым уровнем свойств. При значительном содержании графита в пасте он является теплоизолирующим компонентом, уменьшающим скорость охлаждения наплавленного слоя. Изменяя соотношение графита и флюса в указанных пределах можно получать широкой спектр структур и варьировать глубину наплавленного слоя за чет изменения величины проплавления. Чем больше флюса в композиции пасты, тем больше глубина проплавления, больше объем сварочной ванны и меньше степень науглероживания. Чем больше графита, тем меньше глубина проплавления и выше степень науглероживания металла сварочной ванны.

Степень науглероживания, получаемые структуры наплавленного слоя и его твердость зависят также от исходного содержания углерода в основном материале упрочняемой детали. Чем выше исходное содержание углерод в стали детали, тем меньшее соотношение графита к флюсу может быть использовано для требуемого науглероживания и обеспечения заданной твердости. При этом глубина наплавленного слоя будет большей, что обусловлено понижением температуры ликвидуса для сталей с ростом содержания в их составе углерода.

Упрочнение наплавленного слоя также обеспечивается особенностью термокинетических условий его охлаждения. Высокая теплопроводность основного материала при наплаве, а также обдув аргоном, способствуют интенсивному охлаждению, что приводит к формированию тонкодисперсных эвтектоидных и закалочных структур в наплавляемом слое, что обеспечивает дополнительное упрочнение. Это в совокупности с дополнительным науглероживанием наплавляемого металла приводит к повышению закаливаемости углеродистой стали. Формирование в наловленном слое указанных структур обеспечивает дополнительное упрочнение наплавленного слоя.

Размеры исходных порошков флюса и графита не должны превышать 0,2 мм. Компоненты пасты перед использованием хранятся в сухом состоянии в герметичных контейнерах, а перед замешиванием со связующим для получения пастообразного состояния прокаливаются для удаления абсорбированной влаги при температуре 230-270°С в течение 2-2,5 часов и охлаждаются в печи до комнатных температур. Перед нанесением на поверхность пасту необходимо интенсивно несколько раз встрянуть для перемешивания компонентов. Науглераживающая паста на обрабатываемую поверхность наноситься кистью до получения равномерного слоя без просветов.

Изопропанол выступает в двух качествах. Во-первых, играет роль растворителя для компонентов пасты, по аналогии с активирующими флюсами, применяющимися при аргонодуговой сварке. Во-вторых, является связующим для самовысыхающей пасты, что обусловлено интенсивным испарением изопропанола при комнатной температуре. При высыхании пасты на поверхности образуется абсорбированный слой двухкомпонентной неметаллической композиции, обладающий хорошей адгезионной прочностью с подложкой и способностью сопротивляться динамическому воздействию сварочной дуги и потоку аргона. Так как изопропанол склонен к интенсивному испарению, то химические элементы не оказывают существенного влияния на изменение химического состава наплавляемого металла. Остатки изопрапанола выгорают при воздействии сварочной дуги, поэтому в процессе наплавки не происходит насыщение водородом наплавленного слоя.

Применение аргонодуговой технологии неплавящимся электродом для наплавки обусловлено использованием защитного газа аргона, который предохраняет зону наплавки от негативного воздействия кислорода и водяных паров воздуха, которые при традиционной дуговой сварке способствовали бы интенсивному выгоранию углерода графита, являющегося основным источником науглероживания рабочих поверхностей при наплавке.

Пример.

Паста была получена при использовании следующих исходных компонентов:

- порошок графита (измельченный бой графитовых электродов) по ГОСТ Р 57613-2017 и ГОСТ 17022-81;

- флюс сварочный АН60 по ГОСТ 9087 - 81;

- спирт изопропиловый (абсолютированный 99,97%) по ГОСТ 9805-84.

Графит и сварочный флюс предварительно размалывали в шаровой мельнице отдельно друг от друга. Мелющие тела - шары из белого легированного чугуна. Отсев порошков фракции не более 0,2 мм осуществляли посредством использования соответствующего размера сита. После этого порошки прокалывали в печи сопротивления при температуре 250±10°С в течение 2 часов. Объемные доли компонентов определяли посредством использования мерных емкостей со шкалами для сыпучих и соответственно жидких веществ.

Пасту для наплавки получали путем предварительного смешивания порошковой композиции и с последующим добавлением изопропилового спирта.

В качестве исходного материала для наплавки использовали пластины толщиной 5 мм из стали 10 кп по ГОСТ 1050-2013. Пасту перед использованием несколько раз встряхивали для равномерного перемешивания твердых компонентов. На поверхность пластины пасту наносили кистью до равномерного покрытия поверхности под наплавку без просветов. Давали ей подсохнуть при комнатной температуре в течение 10 минут для испарения изопропанола. После этого проводили наплавку не менее 3 параллельных валиков с наложением друг на друга около 20% исходной ширины наплавленного валика. Наплавку проводили аргонодуговым способом неплавящимся вольфрамовым электродом, предварительно заточенным на точильном станке на угол 30°. Для наплавки использовали универсальную аргонодуговую установку мод. TIG-203 AC/DC Pulse. Величина сварочного тока 125 А. В качестве защитного газа использовали аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-79.

Визуальным контролем оценивали отсутствие дефектов после наплавки. Для обнаружения скрытых дефектов использовали ультразвуковой дефектоскоп мод. УД2 - 70. Измеряли твердость наплавленного слоя на стационарном твердомере Роквелла мод. ТК - 2М. Делали поперечные разрезы и подготавливали металлографические шлифы, которые для выявления микроструктуры наплавленного металла травили 4-% спиртовым раствором азотной кислоты. Исследование микроструктуры проводили на цифровом металлографическом микроскопе мод. МЕТ 3Т.

Видно, что предлагаемый диапазон составов наплавочной пасты (образцы 3-5) обеспечивает наиболее высокую твердость при однородной структуре по глубине наплавочного слоя. В образце 4 кроме включений свободного цементита были обнаружены силикокарбиды равномерно распределенные в объеме наплавленного слоя. Во всех экспериментальных образцах после аргонодуговой наплавки предлагаемой пастой отсутствовали газовые поры и горячие трещины.

Заявляемый способ, в отличие от прототипа, позволяет получить однородную микроструктуру по глубине наплавки без сопутствующих сварочных дефектов с более высокой твердостью поверхности наплавленного слоя, а следовательно, и большей износостойкостью.

Источники информации

1. Активирующий флюс для электродуговой сварки. Паршин С.Г. (RU), Паршин С.С. (RU). Патент РФ №2291039. Публикация патента 10.01.2007 Бюл. №1. МПК B23K 35/362 (2006.01).

2. Исследование энергоэффективности процесса А-ТИГ сварки нержавеющих сталей с использованием индивидуальных флюсов-оксидов / Саидов Р.М., Куш М., Майр П., Хоефер К., Хуанг Й., Комилова Д.Р. - Computational nanotechnology. - 2017, №3. - 36 - 44 с.

3. Паста для износостойкой наплавки. Рыбин В.В., Баранов А.В., Вайнерман A.Е., Беляев Н.В. Патент РФ №2228244. Публикация патента 10.12.2003. МПК B23K 35/36.

4. Паста для наплавки. Рыморов Е.В., Харитонов В.Н., Коган В.М., Гапонов B.C. Авторское свидетельство №537780. Опубликовано 05.12.76 Бюл. №45. М.Кл. В23К 35/368.

Изобретение может быть использовано для упрочнения и повышения абразивной износостойкости рабочих поверхностей почвообрабатывающих орудий путем аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом. Паста для наплавки состоит из графита, керамического компонента и связующего. В качестве керамического компонента паста содержит сварочный флюс, содержащий, мас. %: SiO₂ 42-46; MnO 36-41; Fe₂O₃ не более 1; Al₂O₃ не более 6; СаО не более 10; MgO не более 3; CaF₂ - остальное. В качестве связующего паста содержит изопропанол. Оптимальное соотношение между объемными долями графит : флюс : связующее составляет 0,6-0,8 : 0,4-0,2 : 1. Суммарное содержание объемных долей графита и флюса составляет 1. Варьируя содержание графита и флюса, можно управлять глубиной наплавки и степенью науглероживания наплавленного слоя, что позволяет получать различные структуры на основе карбидных фаз в металлической матрице, однородных по глубине наплавки. 1 табл., 1 пр.

Паста для аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом, содержащая графит, керамический компонент и связующее, отличающаяся тем, что в качестве керамического компонента она включает сварочный флюс, содержащий, мас. %: SiO₂ 42-46, MnO 36-41, Fe₂O₃ не более 1, Al₂O₃ не более 6, СаО не более 10, MgO не более 3, CaF₂ - остальное, а в качестве связующего паста содержит изопропанол, при этом соотношение между объемными долями графит : флюс : связующее составляет 0,6-0,8 : 0,4-0,2 : 1, причем суммарное содержание объемных долей графита и флюса составляет 1.