СПОСОБ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ Советский патент 1994 года по МПК B23K9/04 

Изобретение относится к сварке и наплавке, а именно к способам наплавки для нанесения на поверхности деталей и узлов специальных слоев, обладающих износостойкостью, жаропрочностью, стойкостью против задиров, ударных нагрузок и т. д.

Для достижения наибольшей эффективности повышения специальных свойств (теплостойкость, износостойкость) дисперсно-упрочненных сплавов размер упрочняющих частиц не должен превышать 0,01-0,05 мкм при их равномерном распределении в матрице зерна.

Целью изобретения является повышение износостойкости наплавленного металла при одновременном увеличении коэффициента перехода частиц покрытия электрода и керамического флюса в наплавленный металл.

При использовании в качестве компонентов шихты электродного покрытия и керамического флюса твердосплавных поликристаллических частиц (карбиды, бориды, нитриды) размерами 0,4-0,63 мм, получаемых при взаимодействии исходных компонентов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с последующим деформированием под давлением, частицы должны находиться в объемно-напряженном состоянии при напряжении более 42 кг/мм².

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) основан на явлении распространения фронта горения в смесях порошков тугоплавких химических элементов, приводящих к образованию тугоплавких соединений, и протекает по реакциям вида + =
где X - Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W и др.

Y - B, C, N и др.

K - Fe, Ni, Al и др.

Z - бориды/ карбиды/ нитриты и др.

Элементы X представляют порошки тугоплавких металлов/ Y - используются в порошкообразном/ жидком или газообразном состояниях/ K - элементы (металла)/ обладающие низким сродством к элементам-окислителям Y по сравнению с элементами X/ продукт Z является тугоплавкимсоединение и при температуре горения находится обычно в твердом состоянии.

Взаимодействие X и Y происходит с выделением большого количества тепла/ что предопределяет возможность самораспределяющего горения. В результате СВС представляет собой сильноэкзотермическое взаимодействие химических элементов в конденсированной фазе/ протекающее в режиме горения при 2500 - 4000^oС.

При получении целевого продукта Z/ частицы которого предназначены для введения в шихту сварочных материалов/ в качестве элемента K предлагается использовать железо для сплавов на базе железа и никель для сплавов на основе никеля.

При протекании процесса СВС железо или никель алитируют зерна продукта Z/ предохраняя тем самым их как от окисления в сварочной ванне/ так и от диссоциации под воздействием высоких температур сварочной дуги в процессе выполнения наплавки.

Основным условием применения элементов в качестве алитирующих покрытий твердых частиц, полученных методом СВС, является их слабая способность (или полное ее отсутствие) к взаимодействию с углеродом (при получении карбидов) по сравнению с основным применяемым карбидообразующим элементом.

Технология получения частиц заключается в следующим. Порошки титана и сажи, взятые в пропорции 4: 1, что соответствует стехиометрическому соотношению карбида титана, и порошок железа в количестве 5% от общей массы шихты тщательно перемешивается в бегунковом смесителе с добавлением связующего в виде жидкого стекла или водного раствора поливинилового спирта. Подобным образом приготовленная масса брикетируется под давлением в брикет-прессе. Брикет диаметром 150 мм и высотой 200 мм сушат при 200-250^оС с целью удаления влаги. Просушенный брикет помещают в реактор, поджигают с помощью специального устройства, а затем процесс СВС идет самопроизвольно за счет выделяющегося тепла реакции образования карбида титана. В это же время происходит плавление железа, которое обволакивает зерна образовавшихся карбидов титана.

После окончания процесса горения при 2500-3000^оС брикет подвергают деформированию под давлением не менее 55 кг/см² со скоростью деформирования не менее 2 мм/с. Указанные режимы давления необходимы для получения структуры поликристаллического карбида, находящегося в объемно-напряженном состоянии. Применение давления менее 55 кг/см² и скорости деформирования менее 2 мм/с не позволяет получить карбиды титана поликристаллического строения, находящиеся в объемно-напряженном состоянии, из-за отсутствия прочных связей между отдельными карбидами титана.

Верхний предел режимов давления, необходимых для получения объемно-напряженных поликристаллических карбидов, не ограничен, так как определяется пределом возможности применяемого для этой цели прессового оборудования.

После полного остывания брикет извлекают из реактора, дробят и просеивают до грануляции 0,4-0,63 мм. Аналогичная технология применяется для получения карбидов других тугоплавких металлов, а также нитридов и боридов.

Продукты СВС имеют высокую стехиометрию химического состава (например, карбид титана соответствует формуле TiC_1,0), что значительно повышает их температуру плавления (разложения) практически до максимума (для карбида титана 3100^оС).

Экспериментальным путем установлено, что именно деформирование окруженных оболочкой твердых частиц давлением не менее 55 кг/см² при скорости не менее 2 мм/с соответствует объемно-напряженному состоянию твердых частиц в оболочке не менее σ = 42 кг/мм² и позволяет получить резкое повышение износостойкости наплавленного металла за счет взрывного распределения карбидов в наплавленном металле.

Увеличение объемно-напряженного состояния поликристаллического продукта СВС выше σ= 42 кг/мм² не влияет на взрывной характер распределения частиц в наплавленном металле и поэтому экономически не оправдано.

Снижение объемно-напряженного состояния продукта СВС ниже σ = 42 кг/мм² уменьшает коэффициент перехода твердосплавных частиц в наплавленный металл, увеличивает размеры твердых частиц в матрице, что объясняется отсутствием эффекта взрывного характера распределения твердых частиц.

Это приводит к получению более низкой износостойкости наплавленного металла, близкой к износостойкости наплавленного металла с применением продукта СВС в свободном состоянии.

Именно объемно-напряженное состояние вводимого в процессе наплавки продукта СВС с σ не менее 42 кг/мм² позволяет получить резкое повышение износостойкости наплавленного металла.

Высокостехиометрические частицы соединений тугоплавких металлов, полученных методом СВС, алитированных железом, грануляцией 0,4-0,63 мм вводят в состав шихты электродного покрытия или керамического флюса. В процессе наплавки частиц благодаря высокой термодинамической устойчивости, а также защитному покрытию успевают пройти высокотемпературную зону сварочной дуги, практически не выгорая, и достигают сварочной ванны, где в результате высоких термических напряжений происходит распад крупных частиц на более мелкие составляющие, причем распад носит взрывной характер. Это приводит к равномерному распределению дисперсных частиц размерами 0,008-0,04 мкм в объеме наплавленного металла.

Химический анализ наплавленного металла подтверждает высокий коэффициент перехода титана и углерода (при использовании карбида титана) из покрытия электрода и керамического флюса в наплавляемый металл. Переход составляет 95% .

Металлографические и более точные микрорентгеноспектральные исследования подтверждают наличие в сплаве равномерно распределенных дисперсных частиц размером 0,008-0,04 мкм. Исследования также показывают отсутствие растворенных в матрице зерна свободных элементов, образующих высокотвердые упрочняющие частицы, и подтверждают переход высокотвердых частиц, полученных методом СВС, из покрытия электрода или керамического флюса в наплавленный металл без диссоциации в высокотемпературной области сварочной дуги. В то же время не происходит и распада частиц на составляющие элементы в ванне расплавленного металла, хотя размеры самих частиц изменяются.

Наплавку под керамическим флюсом выполняли проволокой Св-08А диаметром 4 мм из пластины из Ст3 в 4 слоя.

Данные по свойствам наплавленного известным керамическим флюсом металла и свойствам металла, наплавленного с введением в сварочный материал комплексного карбида титана в оболочке железа, полученного по методу СВС с последующей деформацией до объемно-напряженного состояния, сведены в табл. 1.

Испытания на износостойкость проводились на машине Х4-Б. Размер частиц в наплавленном металле определяли методом оптической металлографии.

Коэффициент перехода карбида в наплавленный металл определяли химическим анализом наплавленного металла.

Из приведенных данных видно, что при введении в наплавленный металл по предлагаемому способу комплексного карбида титана в оболочке железа, полученного методом СВС с последующей деформацией до объемно-напряженного состояния σ = 42 кг/мм², позволяет в значительной мере снизить потери высокотвердых частиц на окисление и с большей эффективностью осуществлять упрочнение наплавленного металла. Повышается дисперсность карбидов в наплавленном металле и его износостойкость.

Снижение объемно-напряженного состояния продуктов СВС ниже σ = 42 кг/мм² уменьшает коэффициент перехода твердосплавных частиц в направленный металл, увеличивает размеры твердых частиц в матрице и уменьшает износостойкость наплавленного металла.

При введении в наплавленный металл комплексного титано-вольфрамового карбида, полученного методом СВС без деформации, коэффициент перехода твердосплавных частиц в наплавленный металл, размеры их в матрице и износостойкость наплавленного металла близки к свойствам наплавленного металла с применением продуктов СВС с объемно-напряженным состоянием ниже σ= 42 кг/мм², что объясняется отсутствием взрывного характера распределения твердых частиц.

В табл. 2 приведены данные по размерам, содержанию карбида титана и свойствам наплавленного металла, полученного при наплавке электродами, в состав шихты покрытия которых вводили карбиды титана, полученные обычным металлургическим путем, и карбиды титана, полученные методом СВС-технологии.

В табл. 3 приведены данные по размерам, содержанию карбида титана и свойствам наплавленного металла, полученного при наплавке под керамическим флюсом одинакового состава, в которые вводили карбиды титана, полученные обычным металлургическим путем, и карбиды титана, полученные методом СВС-технологии.

В табл. 4 представлены результаты измерения размеров, содержания карбида титана и твердости наплавленного металла в зависимости от условий их получения по СВС-технологии, при введении в составы электродного покрытия и керамического флюса. (56) Авторское свидетельство СССР N 721977, кл. B 22 F 3/02, 1978.

Авторское свидетельство СССР N 539723, кл. B 23 K 35/365, 1975.

Авторское свидетельство СССР N 1381848, кл. B 23 K 9/04, 1980.

Авторское свидетельство СССР N 1534903, кл. B 23 K 35/362, 1987.

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к способу наплавки для нанесения на поверхность деталей и узлов специальных слоев обладающих износостойкостью, жаропрочностью, стойкостью против задиров, ударных нагрузок и т. д. Цель изобретения - повышение износостойкости, равномерности распределения твердосплавных частиц и уменьшения их дисперсности при одновременном увеличении коэффициента перехода частиц из покрытия электрода и керамического флюса в наплавленный металл. При использовании твердосплавных частиц (карбиды, бориды, нитриды и т. п. ), полученных при взаимодействии исходных компонентов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с последующим деформированием под давлением не менее 55 кг/cм², со скоростью деформирования не менее 2 мм/с и дроблением до заданной грануляции, существенно повышается износостойкость. 4 табл.

СПОСОБ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ, при котором в сварочную ванну через сварочный материал, электродное покрытие или керамический флюс вводят твердосплавные частицы, полученные при взаимодействии их исходных компонентов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости наплавленного металла при одновременном увеличении коэффициента перехода частиц в наплавленный металл, в сварочный материал вводят твердосплавные частицы в объемно-напряженном состоянии под напряжением не менее 42 кг/мм², заключенные в оболочку металла группы железа.