ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ НАПЛАВКИ
POWDER WIRE FOR BUILDING UP

Изобретение относится к наплавочным материалам, в частности к порошковым проволокам для дуговой наплавки в защитных газах инструмента и деталей, работающих при больших удельных давлениях и повышенных температурах.
Известна порошковая проволока (патент RU №1769481, В23К 35/368, опубл. 30.08.1994 г.) для наплавки деталей, работающих в условиях термомеханического циклического нагружения, состоящая из малоуглеродистой оболочки и порошкообразной шихты, содержащей графит, никель, алюминий, железо, а также ферросплавы хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, кремния, марганца, титана и церия при следующем соотношении компонентов, масс.%:
графит
0,4…0,7
феррохром
15,8…19,6
ферромолибден
8,1…10,3
ферровольфрам
1,1…1,8
феррованадий
2,8…3,5
ферросилиций
1,3…2,1
ферромарганец
1,3…2,7
ферротитан
2,4…3,4
ферроцерий
1,6…2,2
никель
2,8…3,8
алюминий
0,9…1,2
железо
остальное
При этом коэффициент заполнения порошковой проволоки составляет 41%.
Недостатком данной порошковой проволоки является относительно низкое сочетание прочностных и пластических свойств наплавленного ей металла и его малая термостойкость, что в сочетании с повышенным содержанием в шихте проволоки дорогостоящих легирующих элементов, обусловливает низкую эффективность ее применения.
Известна порошковая проволока (патент RU №2350448, В23К 35/368, опубл. 27.03.2009 г.) для электрошлаковой наплавки деталей дробильно-размольного оборудования, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания, состоящая из стальной оболочки и шихты, включающей графит, марганец, хром, а также ультрадисперсный порошок (УДП) карбида кремния с размером частиц 0,01-0,1 мкм при следующем соотношении компонентов, масс.%:
графит
0,5…1,5
марганец металлический
13,0…14,5
хром металлический
6,5…11,0
УДП карбида кремния
15,0…22,0
лента стальная
остальное
Металл, наплавленный известной порошковой проволокой, имеет недостаточную термостойкость, поскольку содержит в своем составе значительное количество углерода, связанного в карбиды, что снижает сопротивление наплавленного металла возникновению трещин термической усталости, а также его жаростойкость. Отсутствие в составе шихты проволоки легирующих элементов, образующих дисперсные упрочняющие фазы в наплавленном металле, не позволяет обеспечить его высокие эксплуатационные свойства при больших удельных давлениях и повышенных температурах. Содержащийся в шихте проволоки в большом количестве УДП карбида кремния частично растворяется в процессе наплавки и легирует кремнием наплавленный металл, что снижает его пластичность и термостойкость.
Наиболее близкой к заявленному объекту является порошковая проволока для наплавки (патент RU №2294273, В23К 35/368, опубл. 27.02.2007 г.) деталей, работающих при больших удельных давлениях и повышенных температурах, а также деталей химической аппаратуры, которая состоит из малоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, следующего состава, масс.%:
хром
12,0…14,0
флюорит
4,0…7,0
ферромолибден
1,5…2,9
никель
1,0…4,5
полевой шпат
2,0…4,0
феррохром
1,0…4,0
ферротитан
0,3…3,0
марганец
0,7…1,6
феррованадий
0,2…1,0
криолит
0,5…0,7
феррониобий
0,16…0,56
ферросилиций
0,2…1,2
железо
0,2…1,84
малоуглеродистая сталь оболочки
остальное
Недостатком данной проволоки является относительно низкая термостойкость получаемого при ее плавлении металла вследствие образования в нем мартенситной структуры, обладающей пониженной пластичностью. Низкое содержание легирующих элементов в составе шихты проволоки не позволяет обеспечить высокий уровень эксплуатационных свойств наплавленного металла в первом слое, что требует многослойной наплавки, предопределяющей повышенную ресурсоемкость процесса получения износостойкого покрытия. Выполнение проволоки в самозащитном варианте не позволяет обеспечить качественной металлургической защиты сварочной ванны, что снижает технологические и эксплуатационные свойства наплавленного металла. Также, металл, наплавленный данной порошковой проволокой, обладает сравнительно низкой жаростойкостью.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении термостойкости и жаростойкости наплавленного металла за счет формирования в процессе дуговой наплавки в инертных газах мартенситно-аустенитной структуры наплавленного металла, дополнительно упрочненного дисперсными нитридами, карбонитридами и интерметаллидами, а также снижении ресурсоемкости формируемого износостойкого покрытия за счет получения указанного структурно-фазового состава металла уже в первом слое.
Технический результат достигается за счет того, что в порошковой проволоке для наплавки, состоящей из малоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей хром, никель, ферросплавы молибдена и титана, шихта дополнительно содержит азотированный хром, УДП карбонитрида титана с размером частиц 0,01-0,1 мкм и кремнефтористый натрий при следующем соотношении компонентов, масс.%:
хром
20,0…23,0
никель
6,0…8,0
ферромолибден
8,0…9,0
ферротитан
0,2…0,6
азотированный хром
2,0…3,0
УДП карбонитрида титана
0,2…0,6
кремнефтористый натрий
0,8…1,0
железо
1,3…9,3
малоуглеродистая сталь оболочки
остальное
Указанный состав порошковой проволоки обеспечивает уже в первом слое (при доле участия основного металла 30-35%) следующий химический состав наплавленного металла, масс.%: углерод 0,12…0,16; хром 13,5…16; никель 4,0…5,0; молибден 2,0…3,0; титан 0,1…0,3; азот 0,15…0,18, с повышенными термостойкостью и жаростойкостью.
Введение в шихту проволоки азотированного хрома, наряду с другими легирующими элементами, присутствующими в ее составе, позволяет стабилизировать γ-фазу вследствие дополнительного легирования матрицы наплавленного металла азотом. Это обеспечивает оптимальное соотношение твердого мартенсита и пластичного аустенита в структуре наплавленного металла, обусловливая его высокую термостойкость в условиях термосилового циклического нагружения. Кроме того, при легировании азотом повышается прочность наплавленного металла и способность к деформационному упрочнению в результате снижения энергии дефектов упаковки. Также, при повышенном содержании в металле азота, хрома и молибдена замедлены процессы распада мартенсита при нагреве, обеспечивая повышенную износостойкость металла при высоких (до 800°С) температурах эксплуатации.
Увеличение содержания азотированного хрома более 3 масс.% приводит к повышению содержания азота в твердом растворе выше предела растворимости, что вызывает образование пор в наплавленном металле. При снижении содержания азотированного хрома менее 2 масс.%, основная часть азота будет связана в нитриды, что не позволит обеспечить требуемый фазовый состав матрицы металла.
Введение в состав порошковой проволоки УДП карбонитрида титана с размером частиц 0,01…0,1 мкм позволяет повысить эксплуатационные свойства наплавленного металла. Частицы карбонитрида титана, обладающие высокой термодинамической стабильностью, подвергаясь незначительному растворению в металлическом расплаве, переходят из шихты проволоки в сварочную ванну, воздействуя на кинетику кристаллизации наплавленного металла. В результате обеспечивается эффект модифицирования металла, что приводит к уменьшению размера зерна (балл зерна увеличивается с 11 до 13, см. фиг.1 и 2 соответственно), обусловливая, согласно уравнению Холла-Петча, зернограничное упрочнение, сопровождающееся повышением предела текучести, а также пластичности и термостойкости наплавленного металла. Высокая дисперсность порошка тугоплавких частиц значительно усиливает модифицирующий эффект.
2
2
Наличие равномерно распределенных в матрице металла ультрадисперсных частиц карбонитрида титана, дисперсных нитридов и карбонитридов титана, кристаллизовавшихся из расплава, а также интерметаллидов FeMo и нитридов хрома CrN, выделяющихся из твердого раствора при высоких температурах, создает повышенное сопротивление движению дислокации в металле при его пластическом деформировании, реализуя эффект упрочнения наплавленного металла по механизму Орована.
Доля УДП карбонитрида титана в процентах от массы проволоки составляет 0,2… 0,6 масс.%, причем введение в шихту проволоки свыше 0,6 масс.%. УДП карбонитрида титана уже не приводит к существенному повышению эффекта модифицирования, одновременно вызывая увеличение стоимости порошковой проволоки. Введение в шихту проволоки менее 0,2 масс.% УДП карбонитрида титана не обеспечивает достаточного эффекта модифицирования и повышения термостойкости наплавленного металла.
Содержание хрома в шихте проволоки в пределах 20…23 масс.% обеспечивает (при содержании других компонентов шихты проволоки, в том числе азотированного хрома, в указанных диапазонах) количество остаточного аустенита в наплавленном металле в диапазоне от 20 до 60 об.%, что обусловливает его повышенную пластичность и термостойкость. С повышением содержания хрома в шихте проволоки также возрастают жаростойкость наплавленного металла и растворимость азота в твердом растворе. Уменьшение содержания хрома в шихте проволоки менее 20 масс.% приводит к снижению жаростойкости и увеличению доли мартенситной составляющей в структуре металла, что снижает его пластичность. Содержания хрома в шихте проволоки более 23 масс.% ограничено появлением в структуре металла δ-феррита, вызывающего понижение термостойкости и жаропрочность наплавленного металла.
Содержание в порошковой проволоке никеля в пределах 6… 8 масс.% обеспечивает повышение вязкости и жаростойкости наплавленного металла. Увеличение содержания никеля в шихте проволоки более 8 масс.% приводит к снижению точки мартенситного превращения наплавленного металла и повышению количества аустенитной составляющей, снижая жаропрочность наплавленного металла. Кроме того, чрезмерное содержание никеля в шихте порошковой проволоки снижает растворимость азота в наплавленном ей металле. Снижение содержания никеля в шихте порошковой проволоки менее 6 масс.%, не оказывая существенного влияния на соотношение аустенитной и мартенситной составляющих, вызывает образование в структуре δ-феррита,
2
Вводимый в шихту проволоки ферромолибден позволяет обеспечить высокую термостойкость, жаропрочность, твердость и износостойкость наплавленного металла, что обеспечивается при выделении в нем дисперсных карбидов МоС и интерметаллидов FeMo. Данные фазы обеспечивают повышенное сопротивление движению дислокации при высокотемпературном пластическом деформировании наплавленного металла, а также существенно повышают его усталостную прочность. В то же время чрезмерное содержание ферромолибдена (свыше 9 масс.%) приводит к появлению δ-феррита в структуре наплавленного металла. Оптимальное содержание молибдена в наплавленном металле, обеспечивающее высокий уровень указанных свойств, достигается при введении в шихту порошковой проволоки 8…9 масс.% ферромолибдена.
Наличие в составе шихты порошковой проволоки ферротитана в количестве 0,2…0,6 масс.% позволяет, наряду с марганцем и кремнием, поступающими из расплавленного основного металла и ферросплавов, обеспечить раскисление наплавленного металла, а также реализовать механизм дополнительного его упрочнения дисперсными выделениями нитридов и карбонитридов титана. Введение ферротитана в шихту проволоки в количестве менее 0,2 масс.% не оказывает значительного влияния на технологические и эксплуатационные свойства наплавленного металла. Повышение содержания ферротитана в шихте проволоки свыше 0,6 масс.% приводит к существенному обеднению твердого раствора наплавленного металла азотом в результате образования нитридов титана. При этом образующиеся нитриды титана относительно крупные, что нивелирует их роль в качестве барьеров при движении дислокации, снижая жаропрочность наплавленного металла, также повышается уровень микронапряжений в наплавленном металле при его нагреве, что вызывает снижение его термостойкости.
2
6
4
Введение в состав порошковой проволоки кремнефтористого натрия NaSiF в количестве 0,8…1,0 масс.% позволяет значительно снизить содержание водорода в наплавленном металле, вследствие образования при его термическом разложении тетрафторида кремния SiF, связывающего водород во фтороводород HF, нерастворимый в металле и дегазирующийся из сварочной ванны. Низкое содержание водорода снижает вероятность образования пор в наплавленном металле и повышает его стойкость к образованию трещин. Введение в шихту проволоки менее 0,8 масс.% кремнефтористого натрия повышает вероятность образования пор и «водородных» трещин, а содержание кремнефтористого натрия в шихте проволоки свыше 1,0 масс.% приводит к снижению устойчивости сварочной дуги и повышению разбрызгивания электродного металла.
Использовать предлагаемую порошковую проволоку наиболее рационально при дуговой наплавке в среде аргона. Наплавка в аргоне, инертном по отношению к расплавленному металлу, позволяет обеспечить качественную металлургическую защиту реакционной зоны сварки и получить высококачественный наплавленный металл. При этом значительно снижается степень окисления легирующих элементов, что повышает их коэффициенты перехода в наплавленный металл и исключает необходимость использования большого количества раскислителей в составе шихты порошковой проволоки. Снижение количества сульфидных, фосфидных, оксидных и силикатных соединений в наплавленном металле, по сравнению с наплавкой самозащитными порошковыми проволоками, повышает его механические свойства и сопротивление к образованию трещин. Также отпадает необходимость удаления шлаковой корки и зачистки поверхности металла при многослойной наплавке.
На фиг.1 показана микроструктура наплавленного металла, полученного с использованием заявленной порошковой проволоки, содержащей в шихте 0,2 масс.% УДП карбонитрида титана (×1000); на фиг.2 - микроструктура наплавленного металла, полученного с использованием заявленной порошковой проволоки, содержащей в шихте 0,6 масс.% УДП карбонитрида титана (×1000).
Пример. Опытные образцы проволок диаметром 2,6 мм трех различных составов (табл.1) изготавливали с использованием ленты размером 0,5×12 мм из стали 08кп по известной в технике технологии. Коэффициент заполнения проволок порошкообразной шихтой составлял 46…47%.
Таблица 1
Компоненты шихты порошковой проволоки
Номер состава порошковой проволоки, масс.%
прототип
1
2
3
Хром
13
20,0
21,5
23,0
Никель
2,75
6,0
7,0
8,0
Ферромолибден
2,2
8,0
8,5
9,0
Ферротитан
1,65
0,2
0,4
0,6
Азотированный хром
-
2,0
2,5
3,0
УДП карбонитрида титана
-
0,2
0,4
0,6
Кремнефтористый натрий
-
0,8
0,9
1,0
Железо
1,05
9,3
5,3
1,3
Флюорит
5,5
-
Криолит
0,6
-
Полевой шпат
3,0
-
Марганец
1,25
-
Феррованадий
0,6
-
Феррониобий
0,36
-
Ферросилиций
0,7
-
Малоуглеродистая сталь оболочки
остальное
Коэффициент заполнения
35,16
46,5
Дуговую наплавку на пластины из стали Ст3пс (по ГОСТ 380-2005) осуществляли колеблющимся электродом в среде аргона. Размеры пластин составляли 80×150 мм при толщине 14 мм (в соответствие с ГОСТ 26101-84). Основные параметры режима: сварочный ток (постоянный, полярность обратная) - 220-250 А, напряжение на дуге - 25-27 В, скорость поперечных перемещений электрода - 4,2 см/с, размах колебаний электрода - 25-30 мм, скорость наплавки - 0,2-0,3 см/с, вылет электрода - 35…40 мм, расход аргона - 15…18 л/мин. В процессе наплавки формировали слои металла толщиной 4-5 мм с долей участия металла основы 32-35%. Получали хорошо сформированный наплавленный металл без пор, трещин, отслоений.
Стойкость наплавленного металла к высокотемпературной (800°С) пластической деформации определяли путем склерометрических испытаний образцов, нагретых проходящим током, в атмосфере инертного газа, а за критерий стойкости I принимали величину, обратную объему металла трека, выдавленного индентором Роквелла при скрайбировании по полированной поверхности образца. Термостойкость наплавленного металла оценивали по количеству циклов нагрев-охлаждение N (термических ударов), приводящих к появлению трещин термической усталости. Жаростойкость G наплавленного металла (при 800°С) оценивали по привесу окалины на единицу площади при выдержке 10 ч в печи. Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2
Состав
Твердость, HRC
Стойкость к пластической деформации (при 800°С) I, 10<sup>3</sup> мм<sup>-3</sup>
Термостойкость N,циклов
Жаростойкость G, г/м<sup>2</sup>
прототип
42
5,73
915
6,5
1
44
5,51
1130
6,1
2
43
7,14
1280
4,9
3
41
6,63
1240
4,1
2
2
Анализ полученных данных показывает, что наилучшим комплексом свойств обладает металл, полученный наплавкой порошковой проволокой состава 2. При содержании компонентов в шихте проволоки в заявляемых пределах обеспечивается формирование мартенситно-аустенитной структуры, упрочненной дисперсными выделениям TiN, TiCN, CrN, FeMo. Модифицирование наплавленного металла ультрадисперсными частицами карбонитрида титана позволило обеспечить формирование мелкозернистой структуры, обладающей высокой пластичностью и вязкостью. Твердость наплавленного металла составляет 41-44 HRC, причем в процессе работы остаточный метастабильный аустенит способен претерпевать мартенситное превращение, обеспечивая дополнительный прирост твердости до 50-52 HRC.
Повышенные коэффициент заполнения предлагаемой порошковой проволоки и коэффициенты перехода легирующих элементов позволили получить наплавленный металл, обладающий высокими эксплуатационными свойствами, уже в первом слое. Это позволяет снизить себестоимость изготовительной и восстановительной наплавки деталей оборудования и инструмента, работающих в условиях высокотемпературного термосилового воздействия. Возможность однослойной наплавки уменьшает проблему появления отпускной хрупкости наплавленного металла, связанную с термическим воздействием на него при наплавке последующих слоев.
Предложенная порошковая проволока позволяет на 30% повысить термостойкость и жаростойкость наплавленного металла по сравнению с прототипом, а также позволяет снизить ресурсоемкость формируемого наплавленного покрытия за счет получения указанных эксплуатационных свойств металла уже в первом слое.