Способ дуговой наплавки под флюсом Советский патент 1992 года по МПК B23K9/04 

Изобретение относится к сварочному производству, в части ости к автоматической дуговой наплавке, и может быть использовано для восстановления поверхности изделий, работающих в условиях износа и значительных контактных нагрузок, например валков прокатных станов и роликов машин непрерывного литья.

Известен способ наплавки валков под флюсом ЖСН-5 (см. авт. CEJ, СССР № 731664 В 23 К 35/362, 27,12,70 г.). Флюс ЖСН-5 имеет следующий состав (мас.%):

Магнезит

Плавиковый шпат

Глинозем

Кремнезем

Феррохром

Хром металлический

Феррованадий

Ферромолибден

Полевой шпат

16-20 22-20 20-25 6-12 6-3 8-14 1-4 2-5 Остальное

Применение при наплавке флюса ЖСН- 5 позволяет получить удовлетворительные

свойства наплавленных изделий. Вместе с тем при многослойной наплавке все в большей степени сказываются низкие технологические свойства флюса - его сепарация, выделение пылевидной фракции, большая гетерогенность наплавленного металла, повышенная склонность металла к образованию горячих и холодных трещин, одной из причин которых является образование остаточных напряжений и деформаций, что снижает прочность наплавленного слоя. Деформации образуются из-за содержания во флюсе значительного количества легирующих добавок (феррохрома, хрома, феррованадия, ферромолибдена). Снизить или устранить деформацию при наплавке крупногабаритных изделий известными способами не удается.

Наиболее близким является способ дуговой наплавкой под флюсом в несколько слоев (технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад. Б.Е.Патона М.. Машиностроение, 1974,

XI

(Л

о о ел

ON

с. 18-19 и с.347-348), при котором наплавку осуществляют под плавленым флюсом АН- 348, имеющим состав, мас.%:

5102-41,0-44,0

МпО - 34,0-38,0

СаО 6,5

МдО - 5-0-7,5

AI2U2 4,5

CaF2 - 4,0-5,5

РеаОз 2,0

,15t

,12

Недостатком этого способа является снижение качества наплавки и эксплуатационного ресурса наплавленных изделий из- за воз мкновения остаточных деформаций, причем при наплавке крупногабаритных изделий под флюсом АЕ-348 деформации неустранимы известными способами.

Цель изобретения - повышение износостойкости и работоспособности наплавленного покрытия.

Поставленная цель достигается путем изменения при наплавке каждого слоя сочетания марок электродной проволоки и флюса, слои наплавляют с остаточными напряжениями, чередующимися по знаку.

Многослойную наплавку на сталь 9ХФ выполняют проволокой ЗОХГСА под флюсом ЖСН-5 или АН-348 поочередно, начиная с любого из них. Многослойную наплавку на сталь 9ХФ выполняют проволоками Св-08 .или СвЗОХГСА и проволокой Св 10Х11ВНМФ под плавленым флюсом АН- 348 или АН-60 или АН-90 поочередно, начиная с любых сочетаний проволоки и флюса.

При наплавке 1-й слой формируют под флюсом ЖСН-5, в котором возникают остаточные деформации сжатия, а 2-й слой формируют под флюсом АН-348, в котором возникают остаточные напряжения растяжения, и т.д. При лоследовательной много- слойной поочередной наплавке с флюсом ЖСН-5 и флюсом АН-348 в каждом слое возникают деформации, причем в соседних слоях они направлены противоположно одна другой. В результате взезимной компенсации остаточных напряжений деформационные явления в наплавленном металле сводятся к минимуму.

Это связано с тем, что чем больше легирующих компонентов в наплавленном металле, тем больше время распадааустенита Распад аустенита приводит к увеличению обьема и формированию остаточных напряжений сжатия второго рода. Помимо этого, при наплавке под флюсом ЖСН-5, за счет значительного увеличения легирующих компонентов в металле наплавки наблюдается

повышенное содержание неметаллических включений и нерастворенных ферросплавов FeC, FeW, FeV. Неметаллические включения и ферросплавы создают по типу

атомов внедрения дополнительные силы (напряжение), которые приводят к искажению кристаллической решетки в сторону увеличения ее объема, т.е. растяжению матрицы. Вследствие этого формируются напряжения и деформации, стремящиеся вернуть кристаллическую решетку в исходное состояние, которые в теории упругости принято называть сжимающими со знаком (-). В сварочной технике часто используют

понятие деформации укорочения со знаком (-). Это связано с тем, что их измеряют при разрезании пластин и действительно наблюдают укорочение при наличии в металле напряжений сжатия. Следует отметить, что

при сварке всегда присутствуют и деформации укорочения (например, в шве) и деформации растяжения (например, в ОШЗ).

Однако при наплавке ввиду того, что каждый последующий валик перекрывается

на 1/3-1/4 последующим, возникают общие остаточные деформации при наплавке всего слоя, которые могут быть сжимающими или растягивающими,

На фиг.1 представлена схема поперечных деформаций в отдельно наплавленном валике проволокой ЗОХГСА под флюсом АН- 348 (а) и в слое при наложении валиков на пластину с из перекрытием на 1/3 ширины шва.

На фиг.2 представлена схема деформаций в отдельно наплавленном валике проволокой ЗОХГСА под флюсом ЖСН-5 (а) и в слое при наложении валиков на пластину с их перекрытием на 1/3 шва (б).

На фиг.З представлен график изменения сварочных деформаций при наплавке валика на пластину в зависимости от химического состава флюсов.

Измерение плотности металла, наплавленного под флюсом ЖСН-5, дает результат - 7,65-7,68 г/см3, а под флюсом АН-348 - 7,78-7,83 г/см3 соответственно.

Согласно закону Гука 7 КЕ, где К - коэффициент пропорциональности, а и

Е- соответственно напряжению и деформаА „AV AV ции и аналогично Дст К-гт- , где-у- относительно изменение обьема или, что то же самое, плотности.

Стандартное значение плотности /Оь материала ЗОХГСА - 7,75-7,77 г/см3. Сравнивая плотность стандартную с плотностью материала ЗОХГСА. наплавленного под флюсом ЖСН-5 - (/Ok - /оь ) 7,67-7,77

-0,1) или под флюсом АН-348 (7.81-7,77 +0,5), видно, что в первом случае матрица растянута, во втором - сжата.

Характер деформаций зависит от многих факторов, Однако при многослойной наплавке одним из наиболее существенных факторов оказывается наличие тех или иных легирующих компонентов и их количества. Так, на фиг.1 было показано, что поперечные деформации при наложении следующих один за другим валиков с их перекрытием формируются остаточные деформации одного знака, связанные с термическим циклом зоны действия дуги и легированием. Деформации, связанные с ОШЗ, ангилируются при перекрытии зон в многослойной наплавке. Продольные деформации также зависят от термического действия дуги и от степени легирования. Так, при наплавке валика под флюсом ЖСН- 5 на пластину, наблюдается удлинение (т.е. деформация удлинения от термического цикла и легирования), а в металле после остываний возникают остаточные сжимающие напряжения и деформации, стремящиеся при разгрузке (порезке) укоротить образец и наоборот при флюсе АН-348. В итоге при многослойной наплавке мы может говорить об общих объемных остаточных деформациях слоя.

При проведении экспериментальных работ также было выяснено, что наиболее существенно сказываются на формировании знака остаточных напряжений е слое такие легирующие элементы, как хром и углерод. Другие легирующие компоненты вносят меньший вклад. В пределах исполь-- зуемых материалов (проволоки Св-08, ЗОХГСА, ЮХ5М и 10Х11ВНМФ) и флюсов АН-348 и ЖСН-5 было определено, что если эквивалентное содержание углерода меньше 1,7, то преимущественно, в слое формируются объемные остаточные деформации и напряжения растяжения, а при большем со-г отношении Сэкв. - деформации сжатия, что требует уточнения с использованием большей гаммы материалов. Хром имеет больший атомный радиус, чем железо, и меньший удельный вес. Если хром расположен в матрице по типу атомов замещения (до 1,5%), то это не сказывается в сильной степени на увеличении объема и основную роль играют термические напряжения. Если атомы хрома расположены в матрице по типу внедрения (Сг 1,7%), то объем увеличивается заметно, соответственно падает плотность, что приводит к формированию остаточных деформаций сжатия. Надо отметить, что в этом случае наибольшее воздействие оказывает не столько больший

атомный радиус хрома, сколько создаваемые им и его карбидами собственные поля напряжений, стремящиеся исказить матрицу по кристаллическим направлениям 5 110. 101.

На фиг,4 приведен график формирования деформаций при наложении валика на пластину, проволоками Св-10Х5М и Св- 10X11ВНМФ, из которого следует, что и при

0 наплавке под флюсом АН-348 можно получить остаточные деформации и напряжения сжатия в наплавленном слое, если содержание легирующих компонентов и, в частности хрома, будет больше 4%, что дает

5 возможность заменить наплавку под флюсом ЖСН-5 проволокой ЗОХГСА на наплавку под флюсом АН-348 проволокой Св- 10X11 ВНМФ и, меняя от слоя к слою материал электрода (при одном флюсе АН-348).

0 получить минимальную суммарную деформацию восстановленного изделия.

При наплавке под флюсом ЖСН-5 и АН- 348 в швах возникают напряжения разных знаков.

5 При увеличении толщины слоя под флюсом ЖСН-5 увеличиваются остаточные напряжения сжатия, что дает лучшую компенсацию большим напряжениям растяжений предыдущего слоя, наплавленного

0 под флюсом АН-348, так как общая дефор. мация всего рассматриваемого участка

уменьшается. Плавленые флюсы АН-20 и

АН-60 (не легированные) дают идентичный

результат с флюсом АН-348.

5 Примеры выполнения способа

П р и м е р 1. Проводится дуговая наплавка пластины из стали 9ХФ размером 350x70x30 мм проволокой ХОХГСА диаметром 5 мм под флюсом АН-348 на режимах:

0 Ice 480-520 а; Кд 32-34 в; Усв-ки 30 м/ч. Толщина первого наплавленного слоя 3 мм, последующих - 2-2,5 мм. Результат исследования приведен в табл.1 (№ п/п 1-6). П р и м е р 2. Проводится наплавка

5 пластины при условиях п.1ьпод флюсом ЖСН-5. Толщина наплавленного слоя 3 мм. Результат - в табл.1 (№ п/п - 7-12).

Примерз. Проводится наплавка пластины при условиях п.1 поочерёдно под

0 флюсами АН-348 и ЖСН-5. Толщина каждого слоя - 3 мм. Результат в табл.1 (№ п/п 13-17).

П р и м е р 4. Проводится послойная наплавка пластины в условиях п.1 следую5 щим образом: на слой, наплавленный под флюсом АН-348 толщиной 3 мм. наплавляется слой под флюсом ЖСН-5 с той же толщиной слоя; далее вновь наплавляется слой под флюсом АН-348 толщиной 3 мм и слой под флюсом ЖСН-5, но уже с большей толщиной и т д Изменение толщины слоя осуществляется путем уменьшения скорости сварки. Результаты - в табл 1 (№ п/п 18-21)

Из табл.1 следует, что при наплавке под флюсом АН-348 возникают только положи- тельные (+) деформации растяжения, а под флюсом ЖСН-5 (-) отрицательные напряжения сжатия (N п/п 1-6 и 7-12), причем абсолютные величины деформаций различные При многослойной наплавке с одинаковой толщиной слоев наблюдается неполная взаимная компенсация деформацией (№ п/п 13-17) НаплгивШ; гТбследоба- тельным увеличением толщины слоев, наплавленных под флюсом ЖСН-5, сводит деформации к самым низким значениям (№ п/п 18-21).

П р и м е р 5 Пров одитбя Дуговая наплавка на сталь 9ХФ размером 350x70x20 проволоками ЗОХГСА, Св-08, Св-10Х5М и Св-ЮХИВНМФ диаметром 5 мм под флю сом АН-348 на режимах св 480-520 а, 11д 32-34 в; VCB-KP 30 м/ч

Толщина наплавленного слоя 3 мм.

Результаты исследований приведены в табл.2 (№ п/п 1-17). .

П р и м е р 6 Проводилась наплавка пластин из Ст 3 и Ст 45 при условии п 1 под флюсом АН-348 Толщина наплавленного слоя 3 мм Результаты - в табл 2 (№ п/п 18-21).

П р и м е р 7 Проводилась наплавка пластин при условии п 1 проволокой ЗОХГСА под флюсами АН-20 и АН-60 Результаты - в табл 2 (№ п/п 22-25).

Из табл.2 следует, что при наплавке под плавлеными флюсами АН-348, АН-20с и АН- 60 на остаточные напряжения сжатия или растяжения влияет ма гёр иачл электрода Так, при наплавке проволокой ЗОХГСА и Св- 08 (табл.1, п/п 1-6, табл 2, № п/п 22-25 и № п/п 8-10) возникают дефВрШцИи растяжения, а при наплавке проволокой Св-10Х5М, Св-10Х11ВНМФ деформац ии сжатия (№ п/п 2-7) Материал основного металла - пластины играет второстепенную роль (№ п/п 18-25). Характер формирования остаточных деформаций при многослойной поочередной наплавке остается идентичным, как в случае наплавки одним электродом под разными флюсами (ЖСН-5 и АН-348), так и в случае поочередной наплавки разными электродами, под плавленым флюсом АН-348 (Табл 2, Ns п/п 11-17, табл 1, № п/п 13-21).

П р и м е р 9 Для оценки изменения длины (при свободной деформации) брались проволоки диаметром 5 мм из сталей Нп- ЗОХГСА и Св-10Х11ВНМФ, длиной 160 мм. На расстоянии 10 мм наносились 2 риски

Бралось по три заготовки из каждой стали. Расстояние между рисками измерялось на инструментальном микроскопе с точностью до 0,01 мм Это расстояние измерялось в исходном состоянии после нагрева до +900°С и последующего охлаждения в воде до +20°С Количество термоциклов от 0 до 30. На фиг.5 представлены результаты исследований, из которых следует вывод о наличии разных по знаку остаточных напряжений, которые полностью не исчезают даже прТГ многократных термоупругих нагружениях

Примерю На стане 2000 Новолипецкого металлургического комбината им. Ю В Андропова проводилась наплавка опорных прокатных валков в 10 слоев по известному и предлагаемому способу Наплавку проводили после нагрева валка из ст 9ХФ до температуры 400°С, на следующих режимах УСв ки - 35 м/ч, 1Св - 500-550 А, 1)д - 32-34 в, шаг наплавки 10 мм (перекрытие предыдущего валка 50%) Диаметр валков 1490-1510 мм, диаметр проволок 5 мм

По окончаний наплавки валок охлаждали в термостате, проводили товарную и шлифовальную обработку, после чего их эксплуатировали в 8 и 9 клетях стана 2000. Результаты испытаний представлены в табл 3

Как следует из приведенной табл 3, наработка опорных валков в стане 2000 (№ п /п 5 и 6) по предлагаемому техническому решению превосходит в среднем в 3 раза наработку при на плавке валков под флюсом ЖСН-5 (№ 4) и более чем в 2 раза наработку валков, наплавленных высоколегированным материалом ЮХ11ВН(1Ф (№ 3) практически при одинаковом износе. Что же касается наплавки проволоками ЗОХГСА и Св-08 под плавленым флюсом АН-348 (№ п/п 1 и 2), то здесь эта величина возрастает в 5-10 раз.

Использование предлагаемого способа дуговой наплавки по срабнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества

1 Позволяет получить высокое качество наплавленного слоя, практически не имеющего внутренних напряжений

2.Наплавленный слой не подвергается локальным разрушениям (выкрошам), его износ происходит по всей поверхности бочки валка

3.Восстэновленныечю предлагаемому способу валки обладают более высокой работоспособностью, чем наплавленные по известным способам что выражается в значительном повышении их работоспособности

Формула изобретения

1.Способ дуговой наплавки под флюсом, при котором наплавку произёодят в несколько слоев, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости и работоспособности наплавленного покрытия путем изменения при наплавке каждого слоя сочетания марок электродной проволоки и флюса, слои наплавляют с остаточными напряжениями, чередующимися по знаку.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что многослойную наплавку на сталь

9ХФ выполняют проволокой 30 ХГСА под флюсом ЖСН-5 и АН-348 поочередно, начиная с любого из них.

3 Способ по п 1, отличающийся тем, что многослойную наплавку на сталь 9ХФ выполняют проволоками Св-08 или Св- ЗОХГСА и проволокой Св-10Х11ВНМФ под плавленным флюсом АН-348 или АН-60 или АН-20 поочередно, начиная с любых сочетаний проволоки и флюса..

Т а б л и ц а 1

Использование: для восстановлений поверхности изделий, работающих в условиях износа. Сущность изобретения: наплавку выполняют в несколько слоев. При наплавке каждого слоя изменяют сочетание марок электродной проволоки и флюса. Слои наплавляют с остаточными напряжениями, чередующимися по знаку. Многослойную наплавку на сталь 9ХФ выпрлняют проволокой 3 ОХГСА под флюсом ЭС Н-5 или АН-348 поочередно, начиная с любого из них. Также при наплавке на 9ХФ выполняют проволоками Св-08 или Св-ЗОХГСА и проволокой Св10Х11ВНМФ под давлением флюсом АН- 348 или АН-60 поочередно, начиная с любых сочетаний проволоки и флюса. 2 з.п.ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Остаточные напряжения при многослойной наплавке

Таблица 2

Остаточные напряжения при многослойной наплавке под плавленными флюсами

Износ и наработка наплавленных валков

фиг.1

фиг 2

S ,ff

H

t-.it

в

s J X 5 е

фагЛ

.

ни

d.«г

#

4{1 Ч

0 # tip IffК(

. .

J/ -«г .«,.

л- ,j -V- -« -elФ -1v-

-« - w

s

©

Си ЮЛ,

&

t я

10 Г А

tOyilBHf