Порошковая проволока Российский патент 2023 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к области электродуговой наплавки порошковой проволокой деталей, работающих в условиях трения металла о металл при высоких температурах и может быть использовано в металлургическом производстве, например, для восстановления и упрочнения деталей инструмента горячего прессования цветных металлов, таких как дорны, матрицы, втулки, шайбы и др.

Известна порошковая проволока для износостойкой наплавки деталей, работающих при значительных нагрузках при высокой температуре (авторское свидетельство СССР № 339368, В23К 35/36, опубл. 24.05.1972, БИ №17) в которой компоненты шихты взяты в следующем соотношении, % :

феррованадий 0,3-0,8 молибден 4-11 никель 0,3-5,5 ферроалюминий 0,2-4 ферротитан 0,3-4,5 феррониобий 0,1-3 бор 0,001-1 азот 0,01-0,4 углерод 0,1-0,8 кремний 0,1-3 марганец 5-14 хром 2,5-14 вольфрам 0,1-5,5 стальная оболочка остальное

Порошковая проволока с шихтой предложенного состава обеспечивает высокую твердость наплавленного металла, достигающую в результате дисперсионного твердения под воздействием высоких температур до
50-58 HRC. Однако такая проволока обладает низкой технологичностью, поскольку, вследствие использования бора, азота и углерода в не связанном виде, в процессе наплавки происходит их интенсивное выгорание, наплавленный металл характеризуется наличием пор и трещин.

Известна хромистая порошковая проволока легированная ниобием (авторское свидетельство СССР 447235, В23К 35/36 опубл. 25.10 1974, БИ № 39) для механизированной электродуговой наплавки деталей машин, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с ударными нагрузками, состав шихты которой взят в следующих соотношениях, мас.%:

феррониобий 14,0-16,0 феррохром 6,0-9,0 графит 1,0-2,0 ферротитан 1,0-1,5 алюминий 0,2-0,5 плавиковый шпат 1,0-2,5 рутил 1,0-2,0 мрамор 0,3-1,0 лента стальная остальное

Однако металл, наплавленный такой порошковой проволокой, имеет невысокую твердость (до 50 HRC) и не предназначен для работы при высоких температурах. Кроме того, при наплавке такой проволокой деталей из сталей, содержащих 0,3-0,015% углерода образуются трещины, что требует предварительного подогрева.

Наиболее близкой по химическому составу (прототипом) является высоко хромистая порошковая проволока (авторское свидетельство СССР 407692, В23К 35/36, опубл. 10.12.1973, БИ № 47) для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного износа при нормальной температуре при следующем соотношении компонентов проволоки, % :

нитрид бора 4-6 феррованадий 5-7 алюминий 0,9-1,0 феррохром 40-42 ферротитан 2-3 ферросилиций 0,2-0,25 стальная оболочка остальное

Такая порошковая проволока обеспечивает получение наплавленного металла с достаточно высокой твердостью до 51-56 HRC. Однако с повышением температуры твердость такого металла резко снижается и образуются трещины разгара вследствие малого количества упрочняющих фаз, обладающих высокой теплостойкостью. Это обусловливает его невысокую износостойкость в условиях температурно-силового воздействия. Кроме того, из-за высокой концентрации в порошковой проволоке нитрида бора и отсутствия в ней компонентов, снижающих чувствительность к пористости, проволока имеет низкие сварочные технологические характеристики вследствие образования пор и плохого формирования валиков.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение длительности работы покрытий, наплавленных на детали, работающих в условиях трения металла о металл при высоких температурах. Техническим результатом применения порошковой проволоки является повышение теплостойкости, разгаростойкости и износостойкости металла покрытий.

Технический результат достигается за счет того, что порошковая проволока, состоящей из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей феррохром, нитрид бора, феррованадий, ферротитан дополнительно содержит молибден, феррониобий, кремнефтористый натрий и железный порошок при следующем процентном соотношении компонентов, масс. %:

феррохром 14,0-18,0 нитрид бора 2,0-3,0 феррованадий 2,0-4,0 ферротитан 2.0-3.0 молибден 2,0-4,0 феррониобий 3.0-5.0 кремнефтористый натрий 0,5-0,8 железный порошок 2,4-16,5 стальная оболочка остальное

Наличие в составе порошковой проволоки феррохрома в количестве 14-18% является оптимальным, поскольку, во-первых, при такой его концентрации обеспечивается высокая жаростойкость так как идет интенсивное образование на поверхности наплавленного металла прочной оксидной пленки хрома, что уменьшает процесс окалинообразования и препятствует налипанию прессуемого и прокатываемого металла, а во-вторых, хром снижает предел растворимости титана в твердом растворе ɑ-железа, что повышает способность сплава к дисперсионному твердению. При концентрации феррохрома ниже 14% снижается количество комплексных соединений хрома, которые принимают участие в процессе дисперсионного твердения. При концентрации феррохрома свыше 18% происходит снижение пластичности.

Наличие в составе шихты порошковой проволоки нитрида бора увеличивает твердость наплавленного металла, обеспечивает получение его мелкозернистой структуры с увеличенным количеством неметаллической фазы за счет насыщения сварочной ванны частицами нитридов, температура плавления которых выше температуры плавления сплава, а твердость – выше твердости металлической основы наплавленного слоя. Образующаяся боридная эвтектика упрочняет границы зерен, препятствует зернограничной ползучести и повышает стойкость против образования горячих трещин. Вместе с тем нитридное упрочнение, по сравнению с карбидным снижает хрупкость наплавленного металла. Низкая склонность полученной структуры к трещинообразованию, позволяет использовать такой металл для наплавки на стали с повышенным содержанием углерода. Содержание нитрида бора в шихте менее 2,0% не обеспечивает нужного уровня износостойкости, а при повышении свыше 3,0% возрастает концентрация азота в наплавленном металле, что приводит к появлению пор и падению его износостойкости.

Наличие в составе шихты феррованадия в пределах 2-4% повышает твердость наплавленного металла за счет связывания азота в нитриды. Кроме того, ванадий значительно измельчает зерно, предупреждает рост крупных столбчатых кристаллов, в результате чего устраняется возможность образования «горячих» трещин и улучшаются физико-механичесие свойства наплавленного металла.

Присутствие в составе шихты порошковой проволоки ферротитана в количестве 2-3% позволяет обеспечить раскисление наплавленного металла, а также реализовать механизм дополнительного его упрочнения дисперсными выделениями боридов и нитридов титана. Концентрация ферротитана в составе шихты проволоки за пределами указанного количества не оказывает значительного влияния на технологические и эксплуатационные свойства наплавленного металла.

Введение в состав шихты молибдена в количестве 2-4% является оптимальным, так как повышает температуру рекристаллизации твердых растворов, замедляет их разупрочнение и уменьшает чувствительность металла к перегреву. Легирование наплавленного металла молибденом способствует упрочнению его матрицы образующимися нитридами, боридами и интерметаллидами, повышающими теплостойкость и разгаростойкость наплавки. Также молибден повышает стойкость наплавленного металла к горячим трещинам. Добавка молибдена ниже нижнего предела не обеспечивает должное упрочнение матрицы наплавленного слоя. При наличии в шихте молибдена свыше 4%, совместно с высоким содержанием других тугоплавких элементов, усиливает ликвационные процессы при кристаллизации и выделение большого количества частиц соединений по границам зерен в надкритическом интервале при термообработке. Это приводит к снижению положительного влияния этих элементов на теплостойкость и разгаростойкость металла вследствие обеднения ими твердого раствора.

Введение в состав шихты феррониобия в пределах 3-5% позволяет получать нитриды, бориды и интерметаллиды ниобия в процессе расплавления и кристаллизации наплавленного металла, которые, распределяясь в матрице нового типа, обеспечивают ему высокую жаростойкость, жаропрочность и износостойкость в условиях изнашивания и восприятия статического давления с большими контактными нагрузками. Содержание феррониобия в шихте менее 3% не обеспечивает выделение нужного количества упрочняющих фаз и требуемый уровень износостойкости не достигается. Введение феррониобия в шихту свыше 5% не целесообразно, поскольку существенного повышения эффекта износостойкости металла не наблюдается.

Введение в состав порошковой проволоки кремнефтористого натрия Na₂SiF₆ в количестве 0,5-0,8% позволяет значительно снизить концентрацию водорода в наплавленном металле, что обуславливает низкую вероятность образования пор и повышает стойкость к образованию трещин.

Железный порошок необходим для получения расчетного коэффициента заполнения порошковой проволоки, что обеспечивает требуемый химический состав наплавленного металла.

Предложенная безуглеродистая порошковая проволока обеспечивает комплексное упрочнение наплавленного металла за счет образования в матрице нитридных, боридных, нитридно-биридных и интерметаллидных фаз.

Для количественной оценки воздействия легирующих элементов на свойства наплавленного металла 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 (табл. 1).

В качестве оболочки использовали стальную ленту марки 08 кп размером 15×0,5 мм по ГОСТ 503-81. Расчетный коэффициент заполнения такой порошковой проволоки составляет 42 %. В качестве шихты использовали смесь порошков феррохрома марки ФХ001А по ГОСТу 4757-91 (ИСО 5448-81), нитрида бора по ТУ 26.8 – 0022 226-007-2003, феррованадия марки ФВд50У0,3 по ГОСТу 27130-94, ферротитана марки ФТи70С1 по ГОСТу 4761-91, молибдена по ТУ 48-19-316-92, феррониобия марки ФHб65 по ГОСТу 16773 – 2003 (ISO 553 – 80), алюминия марки ПА-4 по ГОСТу 5494-95, кремнефтористого натрия по ТУ 113-08-587-86 и железа марки ПЖР2 по ГОСТу 9849-86.

Таблица 1

Состав Количественный состав порошковой проволоки, % FeCr FeV FeSi FeTi Al ВN Mо FеNb Na₂SiF₆ Fe
порошок Fe
лента Предлагаемый 1 13,0 1,0 - 1,5 - 1,5 1,5 2,5 0,5 22,7 55,8 2 14,0 2,0 - 2,0 - 2,0 2,0 3,0 0,5 16,5 57 3 16,0 3,0 - 2,5 - 2,5 3,0 4,0 0,7 10,2 58,1 4 18,0 4,0 - 3,0 - 3,0 4,0 5,0 0,8 2,4 59,8 5 18,5 4,3 - 3,0 - 3,5 4,5 5,5 0,2 - 60,5 Прототип 6 17,0 2,5 0,1 1,0 0,4 2,5 - - - 19,1 57,4

Состав шихты варьируют в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл. Наплавка предложенной порошковой проволокой может производится как в среде защитных газов, так и под флюсом.

Новая порошковая проволока диаметром 3,2 мм всех изготовленных вариантов прошла сварочно-технологические испытания при наплавке в четыре слоя в аргоне темплетов из стали 45 размером 20×60×250 мм. При наплавке образцов использовали сварочный полуавтомат ПДГО-510. Порошковая проволока обеспечивает хорошие сварочно-технологические свойства при наплавке на постоянном токе обратной полярности.

Дюрометрические исследования проводили с использованием твердомера ТК-2 по методу Роквелла на образцах из металла после наплавки и старения при Т=500 ºС в течение 2 часов (за величину твердости бралось среднее значение твердости – 3 замеров).

Теплостойкость оценивали по снижению твердости состаренного металла в результате нагрева при температуре 800 ºС (отпуска) в течение 4 часов. Коэффициент термической стойкости (Кт) подсчитывали как отношение твердости после отпуска к твердости металла после старения.

Испытания на разгаростойкость оценивали по числу циклов: нагрев до 800 ºС – охлаждение до 40 ºС, до появления на поверхности первой трещины.

Испытания на износостойкость образцов из металла прошедшего старения проводились на машине трения ИИ 5018 при сухом трении по схеме «диск – колодка» (материал диска – сталь эталона (сталь 30Х13), твердость 59 HRC; нагрузка на образец 1000 Н, скорость вращения диска 0,28 м/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 испытуемого металла за одинаковое время. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2

Свойства наплавленного металла Варианты проволоки 1 2 3 4 5 6-прототип Механические характеристики Твердость после наплавки, HRC 36 39 40 42 45 44 Твердость после старения при 500 ºС
-2 час, HRC 47 52 55 58 59 56 Твердость после отпуска при 800 ºС
-4 час, HRC 38 45 48 51 51 33 Коэф-т термической стойкости, Кт 0,775 0,863 0,872 0,879 0,864 0,589 Разгаростойкость 21 28 36 39 40 8 Относительная износостойкость, ε 3,5 4,4 4,9 5,3 5,2 2,6 Технологические характеристики Поры на поверхности Нет Нет Нет Нет Нет 1-2 на 10 см² Трещины после наплавки Нет Нет Нет Нет Нет Нет

Приведенные в таблице 2 результаты испытаний показывают, что составы порошковой проволоки №№ 2-4 являются оптимальными и обеспечивают получение наплавленного металла с достаточно высокой теплостойкостью, разгаростойкостью и износостойкостью, не склонного к пористости и трещинообразованию.

Применение предлагаемой новой порошковой проволоки позволяет увеличить коэффициент термической стойкости металла почти в 1,5 раза, разгаростойкость в 3,5-4,8 раза, а коэффициент относительной износостойкости наплавленного металла в 1,7-2,0 раза, что обеспечивает повышение длительности работы инструмента наплавленного такой проволокой.

Благодаря тому, что в шихту проволоки дополнительно вводят молибден и феррониобий в комплексе с нитридом бора обеспечивается нитридно-боридный –интерметаллидный механизм упрочнения под воздействием высоких температур, вследствие чего удается получить новый безуглеродистый наплавленный металл композиционного типа, который приобретает повышенную теплостойкость, разгаростойкость и износостойкость. Такие свойства наплавленного металла полученного порошковой проволокой заявленного состава можно объяснить тем, что он представляет собой структуру, состоящую из многокомпонентных боридных фаз на основе хрома и молибдена, расположенных в матрице стали в виде замкнутого каркаса, что ограничивает развитие разгарных трещин и упрочняющих матрицу нитридных фаз, большей частью, NbN, VN и TiN, обладающих высокой микротвердостью.

Технологические испытания новой порошковой проволоки показали, что в процессе наплавки обеспечивается устойчивое горение дуги, хорошее формирование валика наплавного металла и отсутствие трещин.

Порошковая проволока может быть использована в металлургическом производстве для восстановления и упрочнения деталей инструмента горячего прессования цветных металлов, таких как дорны, матрицы, втулки, шайбы. Порошковая проволока состоит из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас. %: феррохром 14,0-18,0; нитрид бора 2,0-3,0; феррованадий 2,0-4,0; ферротитан 2,0-3,0; молибден 2,0-4,0; феррониобий 3,0-5,0; кремнефтористый натрий 0,5-0,8; железный порошок 2,4-16,5; стальная оболочка – остальное. Состав шихты варьируется в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл. Порошковая проволока обеспечивает высокую теплостойкость, разгаростойкость и износостойкость наплавленных покрытий на детали, работающих в условиях трения металла о металл при высоких температурах. 2 табл.

Порошковая проволока для наплавки деталей, работающих в условиях трения металла о металл при высоких температурах, включающая оболочку, выполненную из низкоуглеродистой стали, и порошкообразную шихту, содержащую феррохром, нитрид бора, феррованадий, ферротитан, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит молибден, феррониобий, кремнефтористый натрий и железный порошок при следующем соотношении компонентов, мас. %:

феррохром 14,0-18,0 нитрид бора 2,0-3,0 феррованадий 2,0-4,0 ферротитан 2,0-3,0 молибден 2,0-4,0 феррониобий 3,0-5,0 кремнефтористый натрий 0,5-0,8 железный порошок 2,4-16,5 стальная оболочка остальное