Шихта порошковой проволоки Российский патент 2024 года по МПК B23K35/36 B23K35/368 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к производству порошковой проволоки, и может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей горно-металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости.

Известна шихта порошковой проволоки, преимущественно для механизированной износостойкой плазменной наплавки в азотсодержащих защитных газовых смесях, (RU №2634526 МПК В23К 35/36, опубл. 31.10.2017), содержащая углерод, азотированный феррохром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, железо, никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства, при соотношении компонентов, мас.%:

Углерод1,0– Углерод1,0–3,6 Азотированный феррохром 8,0–20,0 Молибден 5,0–21,0 Вольфрам1,0– Вольфрам1,0–8,0 Ванадий2,0 Ванадий2,0–6,0 Алюминий1,0 Алюминий1,0–4,5 Никель3,2– Никель3,2–20,0 Пыль электрофильтров алюминиевого производства1,0- алюминиевого производства1,0-15,0 ЖелезоОстальное ЖелезоОстальное

Недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности, износостойкости и твердости, за счет недостаточной легированности остаточного аустенита;

- возможность образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки из-за недостаточного количества стабилизированного аустенита в процессе наплавки;

- высокая стоимость процесса наплавки за счет использования в значительных количествах дорогостоящих материалов (чистый мелкодисперсный порошок азотированного феррохрома).

Известна шихта порошковой проволоки, преимущественно для механизированной износостойкой плазменной наплавки в азотсодержащих защитных газовых смесях, выбранная в качестве прототипа (RU №2813060 МПК В23К 35/36, опубл. 06.02.2023 г.), содержащая углерод, цианамид кальция, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, железо, никель, пыль электрофильтров алюминиевого производства при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 1,0–3,6 Цианамид кальция 8,0–20,0 Молибден5,0– Молибден5,0–21,0 Вольфрам1,0– ам1,0–8,0 Ванадий2,0– Ванадий2,0–6,0 Алюминий1,0– Алюминий1,0–4,5 Никель3,2– Никель3,2–20,0 Пыль электрофильтров алюминиевого производства1,0– тров алюминиевого производства1,0–15,0

Недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности, износостойкости и твердости, за счет недостаточной легированности остаточного аустенита;

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости, за счет повышенного содержания неметаллических включений (оксидов кальция) в виде включений округлой или неправильной формы;

- возможность образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки из-за недостаточного количества стабилизированного аустенита в процессе наплавки;

- высокая стоимость процесса наплавки за счет использования в значительных количествах дорогостоящих материалов (чистый мелкодисперсный порошок цианамида кальция).

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении износостойкости, прочности и твёрдости наплавленного металла и предотвращении образования холодных трещин, а также неметаллических включений (оксидов кальция) при проведении процесса наплавки.

Для решения существующей технической проблемы предлагается шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, никель, пыль электрофильтров алюминиевого производства и железо, согласно изобретению, она дополнительно содержит карбамид при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод1 Углерод1,0–3,6 Карбамид 8,0–20,0 Молибден5 Молибден5,0–21,0 Вольфрам1,0– Вольфрам1,0–8,0 Ванадий2 Ванадий2,0–6,0 Алюминий1 Алюминий1,0–4,5 Никель3,2 Никель3,2–20,0 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 1,0–15,0 ЖелезоОстальное ЖелезоОстальное

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается:

- в повышении механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет увеличения количества остаточного аустенита, карбонитридной фазы и эффекта дисперсионного твердения высоколегированного аустенита при отпуске, а также предотвращения образования неметаллических включений (оксидов кальция) при наплавке;

- в предотвращении образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки за счет увеличения количества стабилизированного аустенита в процессе наплавки;

- в снижении стоимости процесса наплавки за счет оптимизации состава шихты.

Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем, исходя из качества, получаемого при наплавке металла, стабильности процесса наплавки, предотвращения образования холодных трещин и требуемых механических свойств (твердости и износостойкости).

Стойкость наплавленного металла против образования холодных трещин можно существенно повысить путем регулирования временных напряжений за счет соответствующего выбора химического состава наплавленного металла. От него зависят коэффициент линейного расширения, характер и объемный эффект структурных превращений. Заявляемая шихта порошковой проволоки дополнительно содержит карбамид, что позволяет повысить содержание азота в наплавленном металле в 1,25–1,50 раза с 0,09–0,16% при наплавке в азотсодержащей защитно-легирующей среде до 0,16–0,24%. Введение в состав наплавленного металла сильного стабилизатора аустенита азота повышает количество остаточного аустенита и уменьшает объёмный эффект мартенситного превращения, что уменьшает вероятность образования холодных трещин.

Для изготовления шихты порошковой проволоки использовали технический карбамид марки А, выпускаемый для промышленности по ГОСТ 2081 – 2010. Карбамид имеет формулу H₂N- CO -NH₂/. Массовая доля азота в пересчете на сухое вещество в карбамиде составляет 46,3%, (ГОСТ 2081 – 2010) в то время как цианамид кальция (CaCN₂) содержит только 20-35% связанного азота. В известную шихту порошковой проволоки (прототип) вводят чистый, так называемый белый цианамид, содержащий до 35% азота. Содержание азота в карбамиде значительно выше, чем даже в чистом цианамиде кальция, что способствует лучшему его усвоению.

Однако в цианамиде кальция находится в свободном виде окись кальция (28% СаО). Кальций входит также в молекулу цианамида кальция (CaCN₂). При наплавке образуются неметаллические включения (оксиды кальция), которые располагаются в наплавленном металле в поверхностных слоях и по границам зерен, служат очагами зарождения усталостных трещин и ухудшают главным образом сопротивление контактной усталости и разгаростойкость. Оксиды обнаруживаются в микроструктуре в виде включений округлой или неправильной формы (Геллер Ю.А. Инструментальные стали. Москва: Металлургия, 1983. 527 с.).

Введение карбамида в состав шихты позволяет увеличить за счет повышенного содержания азота в наплавленном металле количество остаточного аустенита и карбонитридной фазы. Получение наплавленного металла повышенной твёрдости и износостойкости достигается трех-четырех- кратным высокотемпературным отпуском остаточного аустенита при температуре 560–580°С. При отпуске азот выделяется из мартенсита, переходя как в цементитный карбид, так и в карбиды легирующих элементов, и образует нерастворимые мелкодисперсные нитриды и карбонитриды. Азот, увеличивая количество карбонитридной фазы и устойчивость против обратимого разупрочнения, повышает твердость и износостойкость. Износостойкость улучшается из-за увеличения количества выделяющихся фаз - упрочнителей, а также предотвращения образования неметаллических включений при наплавке. Твердость наплавленного металла возрастает на 1–2 HRC, но при этом значительно повышается износостойкость.

Изменение содержания карбамида в составе заявляемой шихты производилось с учетом получения высококачественного наплавленного металла (стабильное горение дуги, хорошее формирование, плотный наплавленный металл без трещин, пор и неметаллических включений), при этом учитывалось содержание остальных компонентов. Порошковая проволока изготавливалась из стальной холоднокатаной ленты 08 кп (оболочка) размером 15×0,8 мм. Шихта перемешивалась в специальном приспособлении для получения однородной массы. Порошковая проволока прокаливалась для удаления влаги при температуре 250-350°С. Коэффициент заполнения составлял 0,32–0,33, диаметр готовой проволоки – 3,7 мм. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась плазменная наплавка заготовок рабочих валков с диаметром рабочей части 150 мм, длиной 425 мм. Наплавка производилась в азотсодержащей защитно-легирующей среде на следующих режимах:

Сварочный ток – 160-170 А.

Напряжение дуги – 50-60 В.

Скорость наплавки – 11 м/час.

Скорость подачи порошковой проволоки – 47 м/час.

Длина дуги – 20 мм.

Смещение с зенита – 20 мм.

Защитный газ азот.

Плазмообразующий газ аргон.

Наплавка производилась с регулируемым низкотемпературным подогревом выше температуры начала фазовых превращений и составляла 200-250°С.

В процессе наплавки проводилась экспертная оценка стабильности горения дуги, качества формирования наплавленного металла. Наличие трещин в процессе наплавки оценивали визуально, после наплавки наличие трещин, пор и неметаллических включений оценивали ультразвуковым и магнитопорошковым методами, а также на металлографических шлифах. Содержание водорода и азота в наплавленном металле определялось методом вакуум – нагрева на установке Баталина и на эксхалографе ЕАН-220 фирмы «Бальцерс». Содержание водорода находилось в пределах 0,3–0,6 см³/100 г наплавленного металла при допустимом содержании водорода в высоколегированном наплавленном металле до 2 см³/100 г металла. Твердость наплавленного металла контролировалась непосредственно после наплавки и после проведения четырехкратного часового отпуска при температуре 580°С. Твердость наплавленного металла после наплавки составляла 53-57 HRC, после четырехкратного часового отпуска при температуре 580°С возрастала до 67-69 HRC. Дефекты (трещины, поры и неметаллические включения) при наплавке порошковой проволокой с шихтой заявляемого состава, содержащей карбамид, не обнаружены.

Эффективность работоспособности образцов при ускоренных испытаниях на лабораторной установке оценивалась по величине износа, которая определялась по потере массы (ΔQ) образцов в процессе работы до появления первых дефектов (трещин и сколов). На лабораторной установке испытывались шесть вариантов дисков, вырезанных из наплавленных заготовок. В качестве наплавочного материала использовали порошковые проволоки, состав шихты которых приведен в табл. 1. Скорость вращения испытуемых образцов составляла 1000 об/мин, а нагрузка в зоне контакта 1000 МПа, что соответствовала режимам прокатки в реальных производственных условиях. Стойкость до разрушения образцов, наплавленных по первому варианту (прототип) составляет (50–70) *10⁵ циклов нагружения против (70–110)*10⁵ циклов нагружения у образцов, изготовленных с применением шихты заявляемого состава. Потери в весе в зависимости от числа циклов нагружения у образцов с заявляемой шихтой снизились также в 1.25-1,50 раза.

Исследовались 6 вариантов составов шихты (табл. 1) порошковой проволоки, мас.% : 1 – прототип; 2 – нижний предел заявляемой шихты; 3 – среднее содержание состава заявляемой шихты; 4 – верхний предел заявляемой шихты; 5 – нижний заграничный состав; 6 –верхний заграничный состав.

Влияние изменения химического состава на технологические свойства и механические характеристики наплавленного металла приведено в табл. 2. В строке 3 указана твердость наплавленного металла после высокотемпературного отпуска.

Использование заявляемого состава шихты порошковой проволоки по сравнению с базовым составом (прототип) позволяет:

1. Повысить качество наплавленного металла за счет предотвращения образования холодных трещин, пор и неметаллических включений.

2. Повысить твердость наплавленного металла до HRC 67-69.

3. Повысить износостойкость в 1,25–1,50 раза.

4. Снизить себестоимость изготовления порошковой проволоки за счет оптимизации ее состава.

Таблица 1 – Состав шихты

Состав шихты,
мас.%: Прототип Нижний предел заявляемой шихты Среднее содержание состава заявляемой шихты Верхний предел заявляемой шихты Нижний заграничный состав Верхний заграничный состав 1 2 3 4 5 6 Углерод 2,3 1.0 2,3 3,6 0,9 3,7 Молибден 13,0 5,0 13,0 21,0 4,9 21,1 Вольфрам 4,5 1,0 4,5 8,0 0,9 8,1 Ванадий 4.0 2,0 4,0 6,0 1,9 6,1 Алюминий 2,75 1,0 2,75 4,5 0,9 4,6 Никель 11,6 3,2 11,6 20,0 3,1 20,1 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 8,0 1,0 8,0 15,0 0,9 15,1 Карбамид - 8,0 14,0 20,0 7,9 20,1 Цианамид кальция 14,0 - - - - - Железо 39,85 77,8 39,85,0 1,9 78,6 1,1

Таблица 2 – Характеристики исследуемых параметров в зависимости от состава шихты

Состав шихты Прототип Нижний предел заявляемой шихты Среднее содержание состава заявляемой шихты Верхний предел заявляемой шихты Нижний заграничный состав Верхний заграничный состав 1 2 3 4 5 6 Содержание водорода [H], см³/100 г металла 0,3–0,6 0,3–0,5 0,3–0,5 0,3–0,5 0,3–0,6 0,3–0,6 Содержание азота, % 0,09–0,16 0,16–0,24 0,16–0,24 0,16–0,24 0,10–0,15 0,10–0,15 Твердость наплавленного металла, HRC 66–68 67–69 67–69 67–69 64–66 64–66 Число циклов нагружения, 10⁵ 50–75 70–110 70–110 70–110 55–75 55–75 Наличие трещин в наплавленном металле Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют Единичные Единичные Наличие неметаллических включений в наплавленном металле Единичные Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют Единичные Единичные

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к производству порошковой проволоки, и может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей горно-металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости. Шихта порошковой проволоки содержит, мас.%: углерод – 1,0–3,6, карбамид – 8,0–20,0, молибден – 5,0–21,0, вольфрам – 1,0–8,0, ванадий – 2,0–6,0, алюминий – 1,0–4,5, никель – 3,2–20,0, пыль электрофильтров алюминиевого производства – 1,0–15,0, железо – остальное. Обеспечивается повышение свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, а также предотвращение образования неметаллических включений (оксидов кальция) при наплавке и холодных трещин в процессе многослойной наплавки. 2 табл.

Шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, никель, пыль электрофильтров алюминиевого производства и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карбамид при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 1,0–3,6 Карбамид 8,0–20,0 Молибден5,0–21,0 Молибден5,0–21,0 Вольфрам1,0–8,0 Вольфрам1,0–8,0 Ванадий2,0–6,0 Ванадий2,0–6,0 Алюминий1,0–4,5 Алюминий1,0–4,5 Никель3,2–20,0 Никель3,2–20,0 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 1,0–15,0 ЖелезоОстальное ЖелезоОстальное