ПЛАВЛЕНО-КЕРАМИЧЕСКИЙ ФЛЮС ДЛЯ НАПЛАВКИ Российский патент 2021 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к наплавочным материалам, используемым для дуговой наплавки и восстановления размеров изношенной детали из низколегированных и углеродистых сталей в ходе ремонта, а также для нанесения на поверхность готового изделия износостойких слоев и слоев с другими заданными свойствами дуговой наплавкой.

Проблема известных флюсов заключается в получении наплавленного слоя с недостаточной износостойкостью для работы в условиях абразивного износа.

Флюс - это неметаллический материал, вводимый в зону сварки, наплавки для создания защиты ванны, восстановления окислов, разжижения и понижения температуры шлаков, а также для выполнения металлургических функций по получению шва нужного химического состава. Флюсы солеоксидной группы (CaF₂ - CaO (MgO) - Al₂O₃ - SiO₂) состоят из фторидов и оксидов металлов. Это группа флюсов наиболее широко применяется при сварке и наплавке средне и высоколегированных сталей и сплавов.

Известен керамический флюс для автоматической сварки низколегированных сталей, содержащий плавиковый шпат, электрокорунд, обожженный магнезит, марганец металлический, ферротитан, ферробор и связующую добавку, содержащий дополнительно ферросилиций в количестве 0,2-0,5 по отношению к количеству марганца металлического, а также сфеновый концентрат и титаномагнетит, а в качестве связующей добавки - силикат натрия-калия при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Плавиковый шпат 22-30

Электрокорунд 14-25

Обожженный магнезит 22-31

Сфеновый концентрат 10-20

Марганец металлический 1,3-3,0

Ферротитан 1,2-2,8

Ферробор 0,1-0,8

Титаномагнетит 0,4-0,9

Ферросилиций 0,3-1,0

Силикат натрия-калия 7,7-8,9

(см., например, описание изобретения к патенту РФ №2228828, кл. В23К 35/362, опубл. 20.05.2004).

Однако такой керамический флюс имеет ограниченную сферу применения, определяемую его функциональным назначением, и не предназначен для автоматической сварки и, наплавки высоколегированных коррозионно-стойких сталей аустенитного класса.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа керамический флюс для автоматической сварки и наплавки, содержащий, масс. %: оксид алюминия 15-25, введенный в виде глинозема и/или корунда, оксиды магния 25-38, кремния 25-38, фторид кальция 7-17, дополнительно содержащий, масс. %: алюминиевый порошок 0,1-2,0 и оксид титана 0,1-9,0 (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2240907, кл. В23К 35/362, опубл. 21.11.2004).

Недостатками данного флюса являются низкие технологические свойства (затрудненная отделимость шлаковой корки с поверхности наплавленного металла, остатки шлаковой корки на поверхности валика в виде «березовой коры», способствующей возникновению шлаковых включений и, как следствие, к повышению вероятности возникновения микротрещин.

Задачей изобретения является повышение износостойкости, твердости наплавленного металла, снижение себестоимости флюса за счет применения минерально-сырьевой базы Дальнего Востока для производства сварочных материалов. Поставленная задача была решена за счет того, что в качестве шихты сварочного плавлено-керамического флюса были использовано сырье содержащее защитный, карбидообразующий, кремнийсодержащий и шлакообразующий компоненты, при этом, в качестве защитного компонента выбран графит, в качестве карбидообразующего компонента - компонент с переходным тугоплавким элементом, имеющим высокое сродство к углероду, в качестве компонента с переходным элементом четвертой группы - двуокись циркония, в качестве компонента с переходным тугоплавким элементом, имеющим высокое сродство к углероду - вольфрамат кальция, в качестве кремнийсодержащего компонента - двуокись кремния, в качестве газо-шлакообразующего компонента - мрамор, титаномагнетит; феррохром, ферромарганец в качестве легирующих компонентов при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Наличие в составе шихты двуокиси циркония в качестве компонента с переходным элементом четвертой группы, вольфрамата кальция в качестве компонента с переходным тугоплавким элементом, имеющим высокое сродство к углероду, двуокиси кремния в качестве кремнийсодержащего компонента и извести в качестве шлакообразующего компонента при следующем соотношении компонентов, масс. %: графит - 5,0-6,0, двуокись циркония - 1,9-2,5; двуокись кремния - 1,5-2,5; вольфрамат кальция - 1,5-2,5 отличает заявляемое решение от прототипа.

Наличие отличительных существенных признаков в совокупности существенных признаков, характеризующих заявляемое решение, свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Наличие в составе шихты двуокиси циркония в качестве компонента с переходным элементом четвертой группы, вольфрамата кальция в качестве компонента с переходным тугоплавким элементом, имеющим высокое сродство к углероду, двуокиси кремния в качестве кремнийсодержащего компонента и извести в качестве шлакообразующего компонента при новом соотношении компонентов позволяет получить наплавленный слой с достаточной износостойкостью и толщиной до 6 мм, обеспечивающий возможность работы в условиях скоростного абразивного износа, как при наличии контактных динамических нагрузок, так и без них, что расширяет функциональные возможности использования заявляемого флюса для наплавки.

Это обусловлено тем, что увеличение толщины слоя резко уменьшает величину нормальных напряжений в слое при контактных динамических нагрузках, что, в свою очередь, резко снижает интенсивность его отслоения и выкрашивания (устраняет возможность хрупкого разрушения).

Заявляемый флюс для наплавки представляет собой зернистый материал от желтого до светло-коричневого всех оттенков, размеры зерен 0,25-2,80 мм.

Флюс выполнен из шихты, которая содержит защитный компонент, карбидообразующий компонент, кремнийсодержащий компонент и газо-шлакообразующий компонент. В качестве защитного компонента выбран графит, предназначенный для образования защитной атмосферы в зоне наплавки. В качестве карбидообразующего компонента выбран вольфрамат кальция (компонент с переходным тугоплавким элементом, имеющим высокое сродство к углероду, с вольфрамом в заявляемом решении), предназначенный для связывания углерода и, как следствие, для упрочнения наплавленного слоя за счет образования карбидов в его структуре. В качестве нитридообразующих компонентов выбрана двуокись циркония (компонента с переходным элементом четвертой группы, с цирконием в заявляемом решении), предназначенная для связывания азота, а также углерода и, как следствие, для упрочнения наплавленного слоя за счет образования нитридов, карбидов и карбонитридов циркония в его структуре.

В качестве кремнийсодержащего компонента выбрана двуокись кремния, предназначенная для упрочнения структурного феррита кремнием. В качестве шлакообразующего компонента выбрана известь, предназначенная для образования защитного шлака при плавлении и растворения в нем других добавок после плавления сердечника.

При дуговой наплавке слоя металлическая проволока и флюс расплавляются. При расплавлении дугой компонентов флюса происходит образование шлаковой ванны из защитного жидкого шлака, с растворением в нем графита, а также оксидов циркония и вольфрама и др.

При расплавлении дугой проволоки и флюса образуется сварочная ванна, которая при затвердевании образует в качестве металлической основы троосто-сорбит. В шлаке происходит восстановление вольфрама, циркония, хрома, марганца и кремния с переходом этих элементов в жидкий металл. При переходе циркония в жидкий металл происходит связывание азота, что предотвращает образование газовых пор в наплавленном слое металле. При этом в наплавленном слое образуется достаточное количество нитридов и карбонитридов, которые повышают его износостойкость. При переходе в жидкий металл вольфрама и хрома происходит связывание углерода. При этом в наплавленном слое образуется достаточное количество карбидов, которые повышают его износостойкость.

При переходе кремния в жидкий металл происходит легирование феррита в образующейся структуре троосто-сорбит. Наплавленный слой представляет собой легированный троосто-сорбит с отдельными, дисперсными и изолированными включениями карбидов, нитридов и карбонитридов.

Средняя микротвердость наплавленного слоя составляет 600 HV, которая обеспечивает достаточную износостойкость детали для работы в условиях высокоскоростного абразивного износа, как с динамическими контактными нагрузками, так и без них.

Толщина наплавленного слоя достигает 6 мм. Компоненты сердечника заявляемой проволоки достаточно легкоплавкие (температура плавления их не превышает 1520°С, что обеспечивает высокую степень адгезии наплавленного слоя на поверхности изделия при толщинах, достигающих 6 мм. Такая толщина слоя при других указанных его свойствах позволяет производить полноценную обработку резанием, что является в условиях ремонта деталей и механизмов фактором, повышающим технологические возможности производства.

Флюс готовят следующим образом.

Пример 1.

Для приготовления 1000 граммов флюса берут следующие компоненты в количестве: 55,0 г (5,0-6,0%) графита, 29,0 г (1,9-2,5%)) двуокиси циркония, 20 г (1,5-2,5%) двуокиси кремния, 196 г (19,0-20,0%) ферромарганеца, 289 г (28,0-29,0%) феррохрома, 21 г (1,5-2,5%) вольфрамата кальция, 12 г (0,8-1,5%) браунита, 37 г (3,0-4,0%) титаномагнетита, 41 г (3,5-4,5%) мрамора, 37 г (3,0-4,0%) фторида кальция и 58 г (5,0-6,0%) гранодиорита. Компоненты перемешивают в смесителе в течение 20 минут, затем добавляется водный раствор силиката натрия. На следующем этапе полученная смесь гранулируется, просушивается в течении суток и прокаливается 2,5 часа при 300°С. На заключительном этапе в полученный состав добавляется 206 г (19-21%) флюс АН-22.

Полученными образцами флюса произвели наплавку экспериментальных слоев, химический состав которых приведен в таблице 1, а показатели работоспособности которых приведены в таблице 2. Коэффициент износостойкости определяли отношением потерь веса к потерям веса эталонной стали 20ФЛ при трибометрических испытаниях на машине ИИ-5018 (ОАО «Точ-прибор», г. Иваново). Микроструктура полученного слоя исследовалась на микроскопах МБС-9 и ЕС МЕТАМ-РВ21 при увеличении ×80 и ×500. Защитный слой по толщине измеряли штангенциркулем в 5 местах и усредняли.

Химический состав определялся на приборах «Спектроскан МАКС-GV» ТУ 4276-001-23124704-2001. Микротвердость определялась на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 8.398-80 «Измерение твердости по Виккерсу».

Пример 2.

Для приготовления 1000 граммов флюса берут следующие компоненты в количестве: 50,0 г (5,0-6,0%) графита, 25,0 г (1,9-2,5) двуокиси циркония, 20 г (1,5-2,5%) двуокиси кремния, 185 г (19,0-20,0%) ферромарганеца, 280 г (28,0-29,0%) феррохрома, 19 г (1,5-2,5%) вольфрамата кальция, 10 г (0,8-1,5%) браунита, 32 г (3,0-4,0%) титаномагнетита, 38 г (3,5-4,5%) мрамора, 33 г (3,0-4,0%) фторида кальция и 51 г (5,0-6,0%) гранодиорита. Компоненты перемешивают в смесителе в течение 20 минут, затем добавляется водный раствор силиката натрия. На следующем этапе полученная смесь гранулируется, просушивается в течении суток и прокаливается 2,5 часа при 300°С. На заключительном этапе в полученный состав добавляется 257 г (19-21%) флюс АН-22.

Полученными образцами флюса произвели наплавку экспериментальных слоев, химический состав которых приведен в таблице 3, а показатели работоспособности которых приведены в таблице 4. Коэффициент износостойкости определяли отношением потерь веса к потерям веса эталонной стали 20ФЛ при трибометрических испытаниях на машине ИИ-5018 (ОАО «Точ-прибор», г. Иваново). Микроструктура полученного слоя исследовалась на микроскопах МБС-9 и ЕС МЕТАМ-РВ21 при увеличении ×80 и ×500. Защитный слой по толщине измеряли штангенциркулем в 5 местах и усредняли.

Химический состав определялся на приборах «Спектроскан МАКС-GV» ТУ 4276-001-23124704-2001. Микротвердость определялась на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 8.398-80 «Измерение твердости по Виккерсу».

Результаты испытаний показывают, что защитный слой обладает повышенной износостойкостью, по сравнению с защитным слоем, полученным по способу - прототипу и достаточной износостойкостью, что создает возможность работы в условиях скоростного абразивного износа, как при наличии контактных динамических нагрузок, так и без них.

Изобретение относится к наплавочным материалам для дуговой наплавки и восстановления изношенных деталей из низколегированных и углеродистых сталей. Плавлено-керамический флюс содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: гранодиорит 5,0-6,0, фторид кальция 3,0-4,0, мрамор 3,5-4,5, титаномагнетит 3,0-4,0, браунит 0,8-1,5, вольфрамат кальция 1,5-2,5, двуокись циркония 1,9-2,5, двуокись кремния 1,5-2,5, ферромарганец 19,0-20,0, графит 5,0-6,0, феррохром 28,0-29,0, флюс АН-22 - остальное. Флюс обеспечивает повышение износостойкости и твердости наплавленного металла при низкой себестоимости флюса за счет применения минерально-сырьевой базы Дальнего Востока для производства сварочных материалов. 4 табл., 2 пр.

Плавлено-керамический флюс для наплавки, отличающийся тем, что он содержит гранодиорит, фторид кальция, мрамор, титаномагнетит, браунит, вольфрамат кальция, двуокись циркония, двуокись кремния, ферромарганец, графит, феррохром и флюс АН-22 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гранодиорит 5,0-6,0 Фторид кальция 3,0-4,0 Мрамор 3,5-4,5 Титаномагнетит 3,0-4,0 Браунит 0,8-1,5 Вольфрамат кальция 1,5-2,5 Двуокись циркония 1,9-2,5 Двуокись кремния 1,5-2,5 Ферромарганец 19,0-20,0 Графит 5,0-6,0 Феррохром 28,0-29,0 Флюс АН-22 остальное