КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОРОШКОВЫЙ ЭЛЕКТРОД

3
Композиционный порошковый электрод относится к наплавочным материалам, применяющимся в металлургическом, нефтехимическом, атомно-энергетическом и общем машиностроении и может быть использован для дуговой наплавки в аргоне, гелии и их смесях, а также для электрошлаковой наплавки сложнолегированного жаропрочного сплава на основе алюминида никеля NiАl, в виде штучных электродов или в виде длинномерных отрезков для механизированных способов наплавки.
Известна порошковая проволока {Авторское свидетельство СССР №448104, В23К 35/02, опубл. Бюл. №40, 1974 г.), которая представляет собой оболочку из металлической ленты с кромками, подогнутыми таким образом, что образуют сердцевину. Такая конструкция улучшает равномерность плавления шихты и оболочки проволоки.
Недостатком такой порошковой проволоки является то, что внутри оболочки находиться один образованный частью оболочки стержень, что недостаточно для надежного и равномерного плавления шихты, а при наплавке такое центральное расположение стержня приводит к увеличенному проплавлению основного металла, что нежелательно.
Известна композиционная порошковая проволока (патент №2274536, МПК В23К 35/40, опубл. Бюл. №11, 2006 г.), которая состоит из двух оболочек, никелевой наружной и алюминиевой внутренней, коаксиально которой введены проволочные компоненты из тантала, вольфрама, молибдена, а шихта содержит алюминий и никель. Такая конструкция позволяет уменьшить сепарацию шихты, повысить производительность наплавки при сохранении технологической надежности проволоки.
Недостатком этой композиционной проволоки является высокая сосредоточенность электрической дуги на оболочке и сердечнике, увеличивающей ее проплавляющую способностью, что для наплавки недопустимо.
Наиболее близким к предлагаемому объекту является композиционный порошковой электрод (патент №2152860, 7 В23К 35/08, опубл. Бюл. №20, 2000 г.), который содержит металлическую оболочку, внутри которой в контакте с ней установлены сердечники и размещена шихта, оболочка электрода выполнена с образованием плоской полости и получением нахлеста в ее верхней части.
Рассматриваемый композиционный порошковый электрод в процессе изготовления сильно деформируется и имеет большую жесткость, что снижает его технологическую надежность, а также он не обладает достаточной пластичностью, что позволило бы изготавливать рулонированные длинномерные отрезки для механизированных способов наплавки. Кроме того, шихта содержит минералы, что ухудшает устойчивость дугового процесса и ведет к изменению состава шлака при электрошлаковой наплавке.
3
Технический результат заключается в создании конструкции электрода с улучшенными сварочно-технологическими свойствами для дуговой, электрошлаковой наплавки жаропрочного сплава и в возможности рулонирования изготовленных длинномерных отрезков электрода, а также в гарантированном получении при плавлении электрода наплавленного металла на основе легированного алюминида никеля NiАl.
Технический результат достигается тем, что композиционный порошковый электрод для дуговой наплавки и сварки, содержащий оболочку, внутри которой в контакте с ней установлены сердечники и размещена шихта, оболочка выполнена с образованием плоской полости и получением нахлеста в ее верхней части, при этом оболочка выполнена из никеля, а сердечники из алюминия диаметром 3...5 мм, причем расстояние между их центрами составляет 3...5 диаметров сердечника, между сердечниками по центру в шихте размещены на равном расстоянии друг от друга стержни из нихрома, вольфрама,
молибдена и тантала, диаметры которых составляют D=kd [мм], где D - диаметр стержней из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, мм, d - диаметр сердечника из алюминия, мм; k - коэффициент, определяющий содержание вводимых в металл через стержни нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, а шихта электрода содержит порошки никеля, алюминия, циркония и графита.
Выполнение оболочки и сердечников электрода из пластичных никеля и алюминия повышает его деформационную способность.
3
Диаметры d сердечников 2 выбирают в пределах 3...5 мм, что позволяет конструктивно разместить между сердечниками 2 по центру в шихте 3 на равном расстоянии друг от друга стержни 4 из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, диаметры которых составляют D=kd мм, а шихта электрода содержит порошки никеля, алюминия, циркония и графита, что позволяет добиться технологичности конструкции и осуществить плавление электрода при оптимальных значениях сварочного тока. Уменьшение диаметров сердечников менее 3 мм или увеличение диаметров сердечников более 5 мм не позволяет осуществить технический результат, а именно гарантированно получить при плавлении электрода наплавленный металл на основе легированного алюминида никеля NiАl.
Расстояние между центрами сердечников 2 выбирают в пределах 3...5 их диаметра d, это позволяет получить перемещение дуги с одного сердечника и части окружающей его оболочки в левой части сечения на другой сердечник и часть контактирующей с ним оболочки в правой части сечения, что снижает проплавление основного металла. При выборе расстояния между сердечниками менее 3 диаметров электрическая дуга сосредотачивается на оболочке, сердечнике и стержнях, что увеличивает ее проплавляющую способность, это также не позволяет разместить между сердечниками по центру в шихте на равном расстоянии друг от друга стержни из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала. При выборе расстояния между сердечниками более 5 диаметров значительно увеличивается необходимая для качественного расплавления
электрода величина номинального сварочного тока, что требует применение мощных источников питания, используемых только в нетрадиционных сварочных процессах.
Размещение в промежутке между сердечниками проволочных стержней способствует уменьшению сепарации туго- и легкоплавких элементов в шихте и позволяет произвести дополнительное легирование наплавленного металла. Расположение стержней на равном расстоянии друг от друга обеспечивает их равномерное расплавление со скоростью близкой к скорости плавления шихты и оболочки электрода.
Содержание легирующих элементов вводимых в композиционный порошковый электрод через сердечники определяется коэффициентом k=0,24...0,27. Нижний предел значения коэффициента k соответствует минимальному содержанию легирующих элементов не менее 10 масс.%, при котором наплавленный металл обладает достаточной жаропрочностью. Верхний предел значение коэффициента k соответствует максимальному содержанию легирующих элементов, которое составляет 30 масс.%. Превышение верхнего предела легирования ведет к увеличению количества упрочняющих фаз в структуре металла, что способствует склонности наплавленного металла к образованию трещин.
Отличительной особенностью изобретения является то, что никелевая оболочка и алюминиевые сердечники в композиционном порошковом электроде, а также вводимые в электрод никель и алюминий в масс.% удовлетворяют стехиометрическому соотношению:
обол.
стерж
ших.
ших.
3
где Ni - содержание никеля в оболочке, масс.%; Аl - содержание алюминия в стрежнях, масс.%; Ni - содержание никеля в шихте, масс.%; Аl - содержание алюминия в шихте, масс.%, при котором в процессе плавления в наплавленном металле получают сплав на основе алюминида никеля NiАl.
3
Шихта помимо никеля и алюминия также содержит цирконий и графит, что дополнительно позволяет легировать наплавленный металл. Содержание никеля и алюминия в шихте может изменяется в зависимости от количества легирующих компонентов так, что общее содержание никеля и алюминия в композиционном порошковом электроде обеспечивает получение матрицы наплавленного метала на основе алюминида никеля NiАl.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг.1 изображен общий вид композиционного порошкового электрода.
Композиционный порошковый электрод состоит из никелевой оболочки 1, выполненной с образованием плоской полости и получением нахлеста в ее верхней части. В оболочку установлены алюминиевые сердечники 2. Сердечники 2 находятся в контакте с оболочкой 1, что позволят рассредоточить дуговой разряд по торцу электрода и получить более распределенный тепловой поток, то есть обеспечить более равномерное плавление оболочки с сердечниками 2, шихтой 3 и стержнями 4. Диаметры d сердечников 2 выбирают в пределах 3...5 мм, что позволяет конструктивно разместить между сердечниками 2 по центру в шихте 3 на равном расстоянии друг от друга стержни 4 из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, диаметры которых составляют D=kd, а шихта электрода содержит порошки никеля, алюминия, циркония и графита.
Композиционный порошковый электрод работает следующим образом. В процессе наплавки или сварки композиционный порошковый электрод подается в зону плавления. При плавлении электрода электрическая дуга существует поочередно на каждой из частей симметричного сечения электрода. Сначала на алюминиевом сердечнике 2 и контактирующей с ней частью никелевой оболочки 1 в левой части сечения, затем, когда произойдет совместное оплавление шихты 3, оболочки 1 и сердечника 2 и длина дуги увеличиться до предела ее устойчивого существования в этой области, она перемещается в правую часть сечения композиционного порошкового электрода, оплавляя
стержни из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала в центральной части совместно с оболочкой 1 и шихтой 3, а затем в правой происходит равномерное плавление сердечника 2, контактирующей с ним части оболочки 1 и шихты 3. Затем процесс перемещения повторяется.
При электрошлаковом процессе композиционный порошковый электрод позволяет перераспределить выделяемую мощность в шлаковой ванне. При этом не происходит локального перегрева шлака в зоне вокруг электрода. Благодаря особенности электрошлакового процесса и конструкции композиционного порошкового электрода плавление тонкостенной оболочки 1, сердечники 2 и шихты 3 происходит с некоторым опережением, что обнажает стержни 4 в шлаке. Замедленное расплавление тугоплавких стержней в шлаке приводит к переохлаждению расплава металлической ванны, обеспечивая мелкозернистое строение наплавленного металл, обладающего вследствие этого повышенными эксплуатационными и технологическими свойствами.
Пример.
Исходными данными для изготовления композиционного порошкового электрода длиной 400 мм являются: никелевая лента НП2 ГОСТ 2170 толщиной 0,6 мм, длиной 400 мм, металлические стержни из нихрома Нп-Х20Н80Т ГОСТ 10543, вольфрама ТУ 48-42-67-71, молибдена ТУ 48-42-67-71 и тантала ТУ 48-42-67-71 диаметром 0,6 мм, алюминиевые сердечники сплава А97 ГОСТ 7871 диаметром 5 мм, длиной 400 мм каждый и шихта, в качестве которой использовалась смесь порошков с размерами частиц 150 мкм - никель, алюминий, цирконий, графит.
На ленте располагают два сердечника на заданном (l=20 мм) расстоянии и приваривают их к ленте, это обеспечивает электрический контакт с оболочкой. Затем загибают края ленты на 90°, после чего засыпают шихту до уровня центров сердечников. Затем между сердечниками устанавливают стержни из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, одновременно засыпая
их оставшейся шихтой и загибая края ленты на 90° с получением нахлеста с последующей приваркой ленты и одновременным обжатием электрода.
Полученный композиционный порошковый электрод обеспечивает малое проплавление основного металла при качественном легировании наплавленного металла.
Использование предлагаемой конструкции композиционного порошкового электрода для дуговой наплавки в аргоне, гелии и их смесях, а также для электрошлаковой наплавки в сравнении с известными моделями электродов дает технический результат:
- осуществление качественного плавления электрода при оптимальных значениях сварочного тока за счет повышения равномерности расплавления оболочки, сердечников, шихты и стержней;
- возможность применения в механизированных способах дуговой наплавки и при электрошлаковой наплавке за счет рулонирования изготовленных длинномерных отрезков электрода;
3
- позволяет получить при плавлении сложнолегированный жаропрочный сплав на основе алюминида никеля NiАl.