Порошковая проволока для наплавки Российский патент 2025 года по МПК B23K35/368 

Изобретение относится к наплавочным материалам, в частности к порошковым проволокам (ПП) для дуговой наплавки деталей тягодутьевых машин, промышленных вентиляторов и другого оборудования, работающего в условиях интенсивного газоабразивного изнашивания при температурах до 600°С.

Известна ПП (авторское свидетельство СССР на изобретение № 519306, В23K 35/36, опубл. БИ №24, 1976 г.) для механизированной наплавки деталей машин, работающих в условиях ударно-абразивного износа, ударного износа в потоке абразива, абразивного износа с очень сильными ударами, состоящая из малоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей графит, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, молибденовый порошок, феррохром, хром металлический, фторцирконат калия и алюминиево-магниевый порошок в следующем соотношении компонентов, вес.%.

Графит 2,0-2,4 Ферромарганец 1,0-1,5 Ферросилиций 0,8-1,0 Ферротитан 2,0-2,4 Феррохром 17,0-19,0 Хром металлический 12,0-14,0 Молибденовый порошок 0,8-1,0 Фторцирконат калия 0,8-1,0 Алюминиево-магниевый порошок 0,7-1,0 Малоуглеродистая сталь оболочки Остальное

Введение в состав наполнителя алюминиево-магниевый порошка и фторцирконата калия способствует получению высокого качества наплавленного металла без пор и других металлургических дефектов. Однако к недостатку ПП такого состава можно отнести низкую износостойкость при работе в условиях высокотемпературного газоабразивного изнашивания. Это связанно с тем, что наличие значительного количества ферритизаторов в составе наполнителя ПП приводит к формированию в наплавленном металле α-Fe, обладающего пониженной способностью удерживать упрочняющие фазы.

Известна ПП (авторское свидетельство СССР на изобретение № 300281, В23K 35/38; В23K 35/04, опубл. БИ №13, 1971 г.) для механизированной наплавки на детали, работающие в условиях газоабразивного и абразивного износа при нормальных и повышенных температурах, состоящая из стальной оболочки и сердечника, содержащего сплавленные гранулы, в состав которых входят углерод, хром, кремний, железо, алюминий, магний, никель, марганец, церий и кальций в следующих процентных соотношениях:

Углерод 3,0-7,0 Хром 30,0-60,0 Кремний 2,0-6,0 Алюминий 0,3-1,0 Магний 0,05-0,5 Никель 1,0-8,0 Марганец 1,0-3,5 Церий 0,1-0,5 Кальций 0,1-0,5 Железо Остальное

Предложенный электродный материал позволяет получить наплавленный металл, обладающий равномерной твердостью, микроструктурой в виде эвтектики с распределенными в ней первичными карбидами. Благодаря введению церия, кальция, алюминия, магния достигается мелкокапельный перенос электродного металла, уменьшается разбрызгивание, устраняются поры в наплавленном металле. В то же время отсутствие помимо хрома других сильных карбидообразующих элементов, обеспечивающих формирование твердых карбидов, не позволяет достичь высокой износостойкости наплавленного металла.

Наиболее близкой по технической сущности и компонентному составу к заявленному объекту является ПП (патент RU № 2704338, В23K 35/368, опубл. 09.04.2019), предназначенная для восстановления и упрочнения деталей, работающих на истирание в условиях воздействия абразивного потока с большими контактными нагрузками, в частности, транспортирующих шнеков экструдеров, которая состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты следующего состава, вес.%:

Никель 7,0-9,0 Марганец 5,0-7,0 Молибден 2,0-4,0 Ферротитан 2,0-4,0 Феррованадий 2,0-4,0 Феррониобий 2,0-4,0 Нитрид бора 0,5-1,5 Диборид титана 1,0-2,5 Диборид циркония 0,5-1,25 Кремнефтористый натрий 0,5-1,0 Железный порошок 1,1-19,8 Стальная оболочка Остальное

Данная ПП обеспечивает получение износостойкого комплексно-упрочненного наплавленного металла за счет образования в мартенситной матрице карбидных, нитридных, карбобориднонитридных и интерметаллидных фаз. Недостатком данной проволоки является пониженная стойкость получаемого с ее использованием наплавленного металла в условиях интенсивного газоабразивного изнашивания из-за отсутствия в шихте графита, что не позволяет обеспечить формирование в металле достаточного количества карбидной фазы. Также отсутствие в составе шихты хрома обусловливает пониженную жаростойкость и износостойкость при повышенной температуре получаемого с ее использованием наплавленного металла. Высокое содержание борсодержащих компонентов в проволоке наряду с получением в наплавленном металле мартенситной структуры обуславливает его повышенную хрупкость. Кроме того, введение титана и ниобия через ферросплавы затрудняет получение их высокого содержания в наплавленном металле в первом слое.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении износостойкости наплавленного металла в условиях газоабразивного изнашивания при температурах до 600°С.

Технический результат достигается за счет того, что порошковая проволока, содержащая стальную оболочку и шихту, включающую никель, марганец, молибден, железный порошок, кремнефтористый натрий, дополнительно содержит хром, титан, ниобий, графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Графит 2,7-6,2 Хром 20,0-21,5 Никель 7,5-8,1 Марганец 6,7-7,1 Молибден 3,8-3,9 Титан 3,1-3,3 Ниобий 2,9-3,0 Кремнефтористый натрий 0,8-1,2 Железный порошок 0,3-6,0 Стальная оболочка Остальное

Указанный состав порошковой проволоки (ПП) позволяет обеспечить наплавленный металл, обладающий повышенной стойкостью в условиях высокотемпературного газоабразивного изнашивания.

Графит, вводимый в состав шихты ПП, способствует формированию большой объемной доли карбидов хрома, молибдена, титана и ниобия, обеспечивающих повышенную износостойкость наплавленного металла при температурах до 600°С и твердость до 53 HRC. Варьирование содержания графита в проволоке в диапазоне 2,7…6,2 мас.% обеспечивает возможность управления эксплуатационными и технологическими свойствами наплавленного металла за счет получения в его структуре различного количества карбидов. Содержание в шихте ПП графита менее 2,7 мас.% не обеспечивает достаточной объемной доли упрочняющих фаз, а при увеличении его содержания более 6,2 мас.% формируется избыточно большое количество карбидов, которые не способны удерживаться от выкрашивания металлической матрицей, что снижает износостойкость наплавленного металла.

Введение в состав шихты проволоки хрома в количестве 20,0…21,5 мас.% необходимо для обеспечения жаростойкости, жаропрочности и износостойкости наплавленного металла при повышенных до 600°С температурах. При введении хрома в указанном диапазоне формируется упрочняющая фаза в виде карбидов типа Me_хC_у, где Ме – хром, железо, молибден, марганец, различной стехиометрии, обладающих достаточно высоким комплексом физико-химических и механических свойств при низкой стоимости получения. При содержании хрома менее 20,0 мас.% возможно возникновение карбидов цементитного типа, обладающих пониженной твердостью, что снижает износостойкость наплавленного металла, а при повышении содержания хрома выше указанного диапазона возможно снижение пластичности металла.

Введение в состав шихты ПП никеля в количестве 7,5…8,1 мас.% позволяет стабилизировать аустенит в структуре наплавленного металла, способствует повышению пластичности и жаростойкости аустенитной матрицы, что позволяет ей надежно удерживать частицы упрочняющей фазы. Также легирование твердого раствора никелем способствует снижению растворимости в нем карбидообразующих элементов, что обусловливает повышение в наплавленном металле объемной доли карбидной фазы. Повышение содержания никеля более 8,1 мас.% нежелательно по причине отрицательного влияния на твердость и стоимость наплавленного металла, а его содержание менее 7,5 мас.% не обеспечивает достаточной стабильности аустенита при комнатной температуре.

Содержание в шихте ПП в количестве 6,7…7,1 мас.% марганца, являющегося элементом аустенизатором, способствует дополнительной стабилизации γ-Fe и позволяет снизить необходимое для этой цели содержание дорогостоящего никеля.

Молибден вводился в шихту ПП в количестве 3,8…3,9 мас.% с целью твердорастворного упрочнения матрицы наплавленного металла при повышенных температурах, а также для формирования дисперсных твердых карбидов молибдена. Также молибден, являясь поверхностно активным веществом в сплавах на основе железа, повышает смачиваемость карбидов твердым раствором, что должно выражаться в увеличении прочности сцепления их с матрицей.

Ведение в состав шихты ПП титана и ниобия в количестве 3,1…3,3 и 2,9…3,0 мас.% способствует образованию комплексных титано-ниобиевых карбидов с высокой микротвердостью, равномерно распределенных в наплавленном металле и повышающих его износостойкость. Данные содержания титана и ниобия в ПП позволяют получить карбидную фазу в количестве около 8 об.%. При меньшем содержании этих элементов, количество карбидов мало и износостойкость повышается незначительно, а при большем содержании – существенно возрастает стоимость ПП.

Железный порошок вводили в шихту проволоки в количестве 0,2-6,0 мас.% для получения расчетного коэффициента ее заполнения шихтой.

Введение в состав ПП кремнефтористого натрия Na₂SiF₆ в количестве 0,8...1,2 мас.% позволяет значительно снизить содержание водорода в наплавленном металле вследствие образования при его термическом разложении тетрафторида кремния SiF₄, связывающего водород в нерастворимый в сварочной ванне фтороводород HF. Это обеспечивает снижение вероятности образования пор в наплавленном металле и повышает его стойкость к образованию трещин. Введение в шихту проволоки менее 0,8 мас.% Na₂SiF₆ повышает вероятность образования пор и трещин в наплавленном металле, а повышение его содержания свыше 1,2 мас.% приводит к снижению устойчивости сварочной дуги.

Использовать предлагаемую порошковую проволоку наиболее рационально при дуговой наплавке в аргоне. Из-за инертности аргона по отношению к расплавленному металлу значительно снижается степень окисления легирующих элементов, что повышает коэффициенты их перехода в наплавленный металл и позволяет обеспечить его высокую износостойкость уже в первом слое.

Пример. Опытные образцы проволок различных составов (табл. 1) изготавливали по известной в технике технологии с использованием ленты размером 14×0,25 из стали 08кп, а также порошков: хрома алюмотермического (ГОСТ 503-81), никеля ПНЭ-1 (ГОСТ 9722-97), молибдена ПМ 99,8 (ТУ 14-22-168 2002), титана ПТОМ-1 (ТУ 14-22-57-92), графита ГСМ-2 (ГОСТ 18191-78), марганца Mn 96,5 (ГОСТ 6008-90), ниобия НбПГ-1 (ТУ 48-4-498-89), натрия кремнефтористого (ГОСТ 87-77), железа ПЖВ1 (ГОСТ 9849-86).

Для обеспечения однородности компонентного состава шихты ПП все использованные порошки просеивали через стандартные сита с размерами ячеек 43 и 160 мкм и смешивали в смесителе в течение 60 минут. Коэффициент заполнения проволок порошкообразной шихтой составлял 0,54…0,57.

Дуговую наплавку на пластины размером 200×150×12 мм из стали Ст3сп осуществляли с использованием защитного газа – аргона. Основные параметры режима: сварочный ток (постоянный, полярность обратная) – 320-340 А, напряжение на дуге – 24-25 В, скорость наплавки – 13-15 м/ч. Температура предварительного подогрева стальных пластин 300 ± 10°С.

Стойкость наплавленного металла к газоабразивному изнашиванию при температуре 600°С определяли воздействием на испытываемый образец струей разогретого сжатого воздуха, несущего абразивные частицы кварцевого песка, под углом к испытываемой поверхности 30°.

Таблица 1

Компоненты шихты ПП Номер состава ПП, мас.% прототип 1 2 3 4 5 Никель 9,0 7,2 7,5 7,8 8,1 8,4 Марганец 7,0 6,5 6,7 6,9 7,1 7,3 Молибден 4,0 3,7 3,8 3,85 3,9 4,0 Титан – 3 3,1 3,2 3,3 3,4 Ниобий – 2,85 2,9 2,95 3,0 3,05 Хром – 19,3 20,0 20,7 21,4 22,0 Графит – 1,0 2,7 4,5 6,2 7,3 Ферротитан 4,0 – – – – – Феррованадий 4,0 – – – – – Феррониобий 4,0 – – – – – Нитрид бора 1,5 – – – – – Диборид титана 2,5 – – – – – Диборид циркония 1,25 – – – – – Кремнефтористый натрий 1,0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Железный порошок 1,1 9,5 6,0 2,65 0,2 0 Стальная оболочка Остальное

Примечание: составы 2-4 входят в заявляемые пределы, 1 и 5 – не входят.

Образец нагревали проходящим через него током, газоабразивный поток – струей аргоно-азотной плазмы. Износостойкость наплавленного металла оценивали по величине удельного износа f (г/кг), определяемой по формуле:

где Δm – потеря массы образца (г); Δm_а – масса затраченного в процессе испытания кварцевого песка. Результаты сравнительных испытаний наплавленного металла приведены в таблице 2.

Таблица 2

Номер состава ПП Твердость металла при 20°С, HRC Удельный износ образцов при 600°C, г/кг прототип 54…59 0,817 1 27…29 0,652 2 33…35 0,541 3 38…40 0,585 4 52…54 0,534 5 61…63 0,591

Формирование наплавленного металла хорошее, поры и трещины отсутствуют. Упрочняющая фаза представлена как крупными пластинчатыми, так и дисперсными карбидами. При этом пластичная аустенитная матрица надежно удерживает твердые фазы от выкрашивания. Формирование такой композиционной структуры наплавленного металла обуславливает его повышенную стойкость к высокотемпературному газоабразивному изнашиванию.

Металл, наплавленный ПП с соотношением компонентов, выходящими за предлагаемые границы, при испытаниях показал более низкие эксплуатационные свойства, при этом в нем возможно образование дефектов в виде пор и трещин. Заявленная ПП позволяет в 1,5 раза повысить стойкость наплавленного металла к газоабразивному изнашиванию при температуре 600°С по сравнению с прототипом.

Таким образом, порошковая проволока, содержащая стальную оболочку и шихту, включающую никель, марганец, молибден, железный порошок, кремнефтористый натрий, хром, титан, ниобий, графит при заявленном соотношении компонентов обеспечивает повышенную износостойкость наплавленного металла в условиях газоабразивного изнашивания при температурах до 600°С.

Изобретение относится к наплавочным материалам, в частности к порошковым проволокам для дуговой наплавки деталей тягодутьевых машин, промышленных вентиляторов и другого оборудования, работающего в условиях интенсивного газоабразивного изнашивания при температурах до 600°C. Порошковая проволока содержит стальную оболочку и шихту. Проволока содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: графит – 2,7-6,2, хром – 20,0-21,5, никель – 7,5-8,1, марганец – 6,7-7,1, молибден – 3,8-3,9, титан – 3,1-3,3, ниобий – 2,9-3,0, кремнефтористый натрий – 0,8-1,2, железный порошок – 0,3-6,0, стальная оболочка – остальное. Обеспечивается повышение износостойкости наплавленного металла в условиях газоабразивного изнашивания при температурах до 600°C. 2 табл., 1 пр.

Порошковая проволока для наплавки деталей оборудования, работающего в условиях газоабразивного изнашивания, содержащая стальную оболочку и шихту, включающую никель, марганец, молибден, железный порошок, кремнефтористый натрий, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит хром, титан, ниобий и графит при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%:

Графит 2,7-6,2 Хром 20,0-21,5 Никель 7,5-8,1 Марганец 6,7-7,1 Молибден 3,8-3,9 Титан 3,1-3,3 Ниобий 2,9-3,0 Кремнефтористый натрий 0,8-1,2 Железный порошок 0,3-6,0 Стальная оболочка Остальное