Порошковая проволока Российский патент 2021 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к порошковым проволокам для дуговых сварочных процессов, и может быть использовано для механизированной наплавки и сварки низкоуглеродистых и углеродистых низколегированных сталей в защитных средах при изготовлении металлоконструкций и в ходе ремонта, а также для нанесения на поверхность готового изделия износостойких слоев и электродного металла с другими заданными свойствами дуговой наплавкой и электродуговым напылением.

Наиболее близкой по составу шихты, принятой за прототип, является порошковая проволока, которая описана в патенте РФ RU 2454309.

Проволока-прототип содержит оболочку из низкоуглеродистой стали и шихту, характеризующуюся следующим соотношением компонентов, мас.%: железная окалина - 52,5-73,1; алюминиевый порошок - 17,5-24,4; ферросилиций - 0,4-10; ферромарганец - 2-16; графит - 0,1-4, при этом коэффициент заполнения проволоки шихтой составляет 30-50%.

Недостатком указанной проволоки-прототипа является то, что в состав данной сварочной проволоки не входят тугоплавкие карбидообразующие компоненты. Образование карбидов в электродном металле способствует упрочнению наплавленного слоя. Так же использование при наплавке и сварке с применением кремне - марганцовых флюсов (типа АН - 348) приводит к ухудшению физико-механических свойств получаемого сварного шва, уменьшается предел текучести сварных соединений из среднеуглеродистых сталей. Это происходит из-за повышенного содержания ферромарганцевой добавки (более 2%) в составе шихты, и как следствие, происходит значительное насыщение марганцем металла сварного шва при сварке и наплавке с флюсами, содержащими кремне - марганцевую основу. Повышенное содержание марганца не позволяет добиться идентичного химического состава с основным (матричным) металлом низкоуглеродистых и углеродистых низколегированных сталей.

Задачей заявленного изобретения является создание порошковой проволоки, позволяющей производить наплавку и сварку в защитных средах низкоуглеродистых и углеродистых низколегированных сталей с получением сварного шва или наплавляемого слоя металла требуемого химического состава с возможностью увеличения предела прочности и твердости наплавляемого материала.

Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что заявленная порошковая проволока позволяет производить наплавку и сварку в защитных средах низкоуглеродистых и углеродистых низколегированных сталей с получением сварного шва или наплавляемого слоя металла требуемого химического состава с возможностью увеличения предела прочности и твердости наплавляемого материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в порошковой проволоке, включающей оболочку из низкоуглеродистой стали и шихту, содержащую компоненты: железную окалину, алюминиевый порошок, ферромарганец, ферросилиций, графит, шихта дополнительно содержит концентрат шеелитовый при следующем соотношении компонентов, мас.%:

железная окалина 49,5-74,90

алюминиевый порошок 16,5-24,97 графит 0,1-4,00 ферросилиций 0,01-10,00 ферромарганец 0,01-10,00

концентрат шеелитовый 0,01-10,00,

при этом коэффициент заполнения проволоки шихтой составляет 30-50%.

Железная окалина и алюминиевый порошок в составе проволоки обеспечивают дополнительный ввод в сварочную ванну электродного металла за счет экзотермической реакции между ними, в ходе которой из окалины восстанавливается железо и шлак с выделением тепла. Восстановленное железо с легирующими добавками (ферросилиций; ферромарганец; графит; шеелит) образуют электродный металл требуемого химического состава. Шлак защищает сварной шов от агрессивной воздушной среды и не дает быстро ему остыть, что улучшает качество шва, и снижает риск образования трещин. Графит, введенный в состав шихты в указанных соотношениях, обеспечивает достижение оптимального химического состава по содержанию углерода в наплавленном слое металла с основным металлом.

Использование ферросилиция и ферромарганца от 0,01-10,00% по массе в составе шихты обеспечивает их соответствие требуемому содержанию легирующих компонентов при наплавке и сварке низкоуглеродистых и углеродистых низколегированных марок сталей в защитных средах с учетом легирующих добавок, содержащихся в материале оболочки проволоки, угара и окисления компонентов проволоки под действием электрической дуги. Это обеспечивает необходимое содержание марганца и кремния в химическом составе сталей и приводит к требуемым физико-механическим свойствам сварного шва.

Дополнительный ввод шеелитового концентрата в состав шихты позволяет значительно увеличить прочность и твердость наплавляемого материала за счет связывания углерода с образованием карбидов в структуре металла. При наплавке и сварке низкоуглеродистых и углеродистых низколегированных сталей в защитных средах при изготовлении металлоконструкций и в ходе ремонта, а также для нанесения на поверхность готового изделия износостойких слоев и слоев с другими заданными свойствами дуговой наплавкой и электродуговым напылением.

При использовании шеелита менее 0,01% технический результат не достигается, содержание шеелита более 10,00% приводит к снижению пластичности и вязкости, а также к возникновению трещин в наплавляемом металле.

Изменение диапазона коэффициента заполнения порошковой проволоки обусловлено вводом шеелитового концентрата в состав шихты. При вводе шеелита идет увеличение потерь тепловой энергии на переплав компонентов, что приводит к возможности устойчивого горения электрической дуги при коэффициенте заполнения от 30% и гарантирует прогнозируемое формирование наплавленного слоя металла. Коэффициент заполнения более 50% не целесообразен, потому что ведет к неравномерной упаковке шихты в ленту и приводит к разрыву порошковой проволоки.

Для изготовления порошковой проволоки применяется лента из низкоуглеродистой стали холодной прокатки, неполированная, особо мягкая. Требования к ленте оговорены ГОСТ 503-81. Размеры ленты по толщине и ширине определяются технологией изготовления проволоки заданного диаметра. Основные показатели механических свойств ленты следующие: временное сопротивление разрыву 280-400 МПа; относительное удлинение - не менее 30%, материалом ленты служит сталь 08кп. Подготовленные компоненты шихты взвешиваются дозами на один замес. Смешивание компонентов производится любым способом, обеспечивающим достаточную однородность получаемой шихты. В формирующем устройстве происходит формирование ленты и заполнение шихтой трубчатой металлической оболочки проволоки. После чего заготовка на волочильной машине обжимается до требуемого диаметра (1-5 мм). После волочения проволока наматывается на кассеты требуемого диаметра.

Для наплавки износостойкого слоя в защитной среде типа АН-348 на изделии из стали Ст3сп порошковой проволокой на основе алюмотермитной шихты с коэффициентом заполнения 37% используют состав компонентов следующего содержания, мас.%:

железная окалина 69,60 алюминиевый порошок 23,20 ферросилиций 0,80 ферромарганец 1,00 графит 0,40 концентрат шеелитовый 5,00

Приведённый пример состава порошковой проволоки для наплавки износостойкого слоя на изделии из стали Ст3сп позволяет получить материал сварного шва со следующими физико-механическими свойствами: предел прочности у_в =655-785 МПа; предел текучести у_0,2=336-380 МПа; твердость 330 HB; ударная вязкость KCU=50-63 Дж/см².

Изобретение может быть использовано для электродуговой наплавки и сварки в защитных средах низкоуглеродистых конструкционных сталей. Порошковая проволока включает оболочку из низкоуглеродистой стали и шихту. Шихта порошковой проволоки содержит следующие компоненты, мас.%: железная окалина 54,00-73,90; алюминиевый порошок 18,90-25,90; графит 0,10-4,00; ферросилиций 0,01-10,00; ферромарганец 0,01-10,00; концентрат шеелитовый 0,01-10,00. Коэффициент заполнения проволоки шихтой составляет 30-50%. Введение шеелитового концентрата позволяет значительно увеличить прочность и твердость наплавляемого материала за счет связывания углерода с образованием карбидов в структуре металла.

Порошковая проволока для электродуговой наплавки конструкционных сталей, включающая оболочку из низкоуглеродистой стали и шихту, содержащую: железную окалину, алюминиевый порошок, графит, ферромарганец, ферросилиций, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит концентрат шеелитовый при следующем соотношении компонентов, мас.%:

железная окалина 49,50-74,90 алюминиевый порошок 16,50-24,97 графит 0,10-4,00 ферросилиций 0,01-10,00 ферромарганец 0,01-10,00 концентрат шеелитовый 0,01-10,00,

при этом коэффициент заполнения проволоки шихтой составляет 30-50%.