ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА

Полезная модель относится к сварочному производству, а именно к наплавочным материалам, используемым для наплавки на детали из низколегированных и углеродистых сталей.
Проблема, существующая в области наплавки на углеродистые и низколегированные стали, заключается в получении порошковой проволоки с высокой ударной вязкостью и достаточной хладостойкостью.
Известна порошковая проволока для наплавки [1], которая содержит металлическую оболочку, например из стали, и сердечник. Сердечник выполнен из шихты, которая содержит защитный компонент, нитридообразующий компонент, карбидообразующий компонент, кремнийсодержащий компонент. В качестве защитного компонента выбран графит, в качестве карбидообразующего компонента выбрана двуокись циркония, в качестве нитридообразующего компонента выбрана окись алюминия, в качестве кремнийсодержащего компонента выбрана двуокись кремния при следующем соотношении компонентов, масс.%
графит
57,78-59,78
двуокись циркония
17,71-18,41
двуокись алюминия
0,22-0,24
двуокись кремния
22,28-23,57
Коэффициент заполнения проволоки равен 11,2-16,8%
Достоинство известной порошковой проволоки заключается в получении наплавленного металла с высокой ударной вязкостью. Это обусловлено тем, что в наплавленном слое отсутствуют поры за счет наличия в шихте двуокиси циркония и двуокиси алюминия. Восстановление в дуговом процессе циркония и алюминия из оксидов шихты приводит к связыванию азота, что предотвращает образование газовых пор, образуя в структуре наплавленного металла нитриды и, тем самым, повышая ударную вязкость.
пx
Однако известная порошковая проволока имеет высокое значение порога хладноломкости. Это обусловлено тем, что карбиды циркония в структуре наплавленного металла помимо предотвращения газовых пор являются концентраторами напряжений. Наличие концентраторов напряжений в наплавленном металле, в свою, очередь понижает пластичность металла и уменьшает хладостойкость (t=-25°С).
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является порошковая проволока [2], которая состоит из металлической оболочки, например из стали, и сердечника. Сердечник выполнен из шихты, которая содержит защитный компонент, нитридообразующий компонент, карбидообразующий компонент, кремнийсодержащий компонент, компонент с повышенной растворимостью ионов железа в кристаллической решетке. В качестве защитного компонента выбран мрамор, в качестве карбидообразующего и компонента с повышенной растворимостью ионов железа в кристаллической решетке выбран ферромарганец, в качестве нитридообразующего компонента выбраны алюминиевый порошок и ферротитан, в качестве кремнийсодержащего компонента выбран ферросилиций, при следующем соотношении компонентов, масс.%
Соотношение компонентов шихты составляет, масс.%
мрамор
6,99-9,76
ферромарганец
2,8-3,66
ферротитан
2,1-2,44
ферросилиций
2,1-2,44
алюминиевый порошок
1,5-2,44
железный порошок
79,27-83,92
Коэффициент заполнения проволоки равен 30%
пx
Достоинство известной порошковой проволоки заключается в получении наплавленного металла, обладающего высокой ударной вязкостью и пониженным порогом хладноломкости. Это обусловлено тем, что в наплавленном слое отсутствуют поры за счет наличия в шихте железного порошка, алюминиевого порошка и ферротитана. Наличие железного порошка в шихте приводит к уменьшению активной зоны сварочной ванны, что снижает растворение азота и водорода в расплавленном металле. Снижение азота и водорода в расплавленном металле предотвращает появления пор и, как следствие, повышению ударной вязкости. Наличие алюминия и ферротитана в шихте приводит к связыванию азота, что предотвращает образование газовых пор, при этом образуются твердые структурные составляющие (нитриды). Наличие ферромарганца приводит к незначительному повышению подвижности ионов марганца и железа в кристаллических решетках альфа и гамма железа, что повышает хладостойкость (t=-30°С).
Однако, диффузионная подвижность ионов марганца и железа кристаллических решетках в альфа и гамма железа ограничена наличием в составе ферромарганца углерода. Углерод образует в структуре металла карбиды марганца, которые связывают марганец, что приводит к понижению его диффузионную подвижность,
а также подвижность ионов железа. Это, в свою очередь, лимитирует порог хладноломкости.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в разработке порошковой проволоки, обладающей повышенной хладостойкостью за счет роста диффузионной подвижности в расплавленном металле ионов железа в его альфа и гамма кристаллических решетках благодаря ослаблению направленных связей в атомах железа при сохранении высокой ударной вязкости.
Для решении поставленной задачи в порошковой проволоке, содержащей металлическую оболочку, например из стали, и сердечника, выполненного из шихты, включающей защитный компонент, нитридообразующий компонент, кремнийсодержащий компонент, карбидообразующий компонент и компонент с повышенной растворимостью ионов железа в кристаллической решетке, в качестве компонентов с повышенной растворимостью ионов железа в кристаллической решетке выбраны переходные элементы четвертого периода седьмой и восьмой группы периодической системы с радиусом ионов в пределах 0,72-0,8А°, в качестве защитного компонента выбран графит, в качестве карбидообразующего компонента выбрана двуокись циркония, в качестве нитридообразующего компонента выбрана окись алюминия, в качестве кремнийсодержащего компонента выбрана двуокись кремния при следующем соотношении компонентов, масс.%.
графит
56,6-58,84
двуокись циркония
17,43-18,04
окись алюминия
0,22-0,24
переходный элемент четвертого
периода седьмой и восьмой
1,5-2,0
группы периодической системы с
радиусом ионов в пределах
0,72-0,8А°
двуокись кремния
22,01-23,09
и при коэффициенте заполнения проволоки равном 15-18%
Наличие существенных признаков отличающих заявляемое решение от прототипа свидетельствует о соответствии заявляемого решению критерию патентоспособности полезной модели «новизна».
Заявляемая порошковая проволока обладает высокой ударной вязкостью и низким порогом хладостойкости. Это обусловлено тем, что шихта содержит элементы четвертого периода седьмой, восьмой групп периодической системы, которые принудительно расщепляют уровни энергий электронов, достраивающихся оболочек в атомах железа. Расщепление уровня энергии электронов приводит к ослаблению направленных связей в альфа и гамма решетках, что повышает подвижность
пx
и растворимость ионов железа в указанных решетках. Большое количество подвижных дефектов в кристаллических решетках приводит к локальному уплотнению атомов железа в кристаллических решетках и увеличению протяженности границ между уплотненными локальными зонами. Увеличение протяженности границ между уплотненными локальными зонами требует большого количества энергии для разрешения. При большем количестве энергии разрушения повышается уровень хладостойкости (t=-60°С).
Кроме того, малый радиуса иона переходных элементов четвертого периода седьмой и восьмой группы периодической системы с радиусом ионов в пределах 0,72-0,8А°, сопоставимый с радиусом иона железа, способствует облегчению процесса самодиффузии (перемещение атомов железа в решетке железа). Самодиффузия, в свою очередь, увеличивает количество дефектов кристаллической решетки, что также влияет на повышение уровня хладостойкости.
Порошковая проволока содержит металлическую оболочку и сердечник. Оболочка выполнена из металла, например, стали или меди. Сердечник выполнен из шихты, которая включает защитный компонент, нитридообразующий компонент, кремнийсодержащий компонент, карбидообразующий компонент и компонент с повышенной растворимостью ионов железа в кристаллической решетке. В качестве защитного компонента выбран графит. В качестве карбидообразующего компонента выбрана двуокись циркония. В качестве нитридообразующего компонента выбрана окись алюминия. В качестве кремнийсодержащего компонента выбрана двуокись кремния. В качестве компонентов с повышенной растворимостью ионов железа в кристаллической решетке выбраны переходные элементы четвертого периода седьмой и восьмой группы периодической системы с радиусом ионов в пределах 0,72-0,8А° (Ni, Co, Mn). Компоненты выбраны при следующем соотношении, масс.%
графит
56,6-58,84
двуокись циркония
17,43-18,04
окись алюминия
0,22-0,24
переходный элемент четвертого
периода седьмой и восьмой
1,5-2,0
группы периодической системы с
радиусом ионов в пределах
0,72-0,8А°
двуокись кремния
22,01-23,09.
Коэффициент заполнения проволоки равен 15-18%
Проволоку готовят следующим образом.
Пример 1.
Для приготовления шихты берут следующие компоненты 19 г (58,02%) графита, 5,9 г (17,84%) двуокиси циркония, 7,5 г (22,08%) окиси кремния, 0,07 г (0,24%) окиси алюминия, 0,34 г (1,8%) никеля. Компоненты перемешивают в смесителе в течение 20 минут.
После приготовления шихты ею заполняют металлическую оболочку, выполненную из стали 08 пс, при этом соотношение флюсового слоя к оболочке составляет 16,8%.
В остальных примерах проволоку готовят также как и в примере 1 с различным составом компонентов в шихте, которые приведены в таблице 1
Таблица 1
пример
Состав шихты
защитный компонент (графит)
нитридообразующий компонент (окись алюминия)
карбидообразующий компонент (двуокись циркония)
кремний-содержащий компонент (двуокись кремния)
переходные элементы четвертого периода седьмой, восьмой групп периодической системы с радиусом ионов 0,72-0,8А°
Ni
Со
Mn
Пример 1
19 г (58,02%)
0,07 г (0,24%)
5,9 г (17,84%)
7,5 г (22,08%)
0,34 г (1,8%)
Пример 2
19 г (58,02%)
0,07 г (0,24%)
5,9 г (17,84%)
7,5 г (22,08%)
0,34 г (1,8%)
Пример 3
19 г (58,2%)
0,07 г (0,24%)
5,9 г (17,84%)
7,5 г (22,08%)
0,34 г (1,8%)
Пример 4
15 г (52,8%)
0,07 г (0,26%)
5,9 г (20,3%)
7,5 г (25,8%)
0,18 г (0,6%)
Пример 5
15 г (52,8%)
0,07 г (0,26%)
5,9 г (20,3%)
7,5 г (25,8%)
0,18 г (0,6%)
Пример 6
15 г (52,8%)
0,07 г (0,26%)
5,9 г (20,3%)
7,5 г (25,8%)
0,18 г (0,6%)
Пример 7
22 г (60,99%)
0,07 г (0,19%)
5,9 г (16,36%)
7,5 г (20,85%)
0,52 г (1,2%)
Пример 8
22 г (60,99%)
0,07 г (0,19%)
5,9 г (16,36%)
7,5 г (20,85%)
0,52 г (1,2%)
Пример 9
22 г (60,99%)
0,07 г (0,19%)
5,9 г (16,36%)
7,5 г (20,85%)
0,52 г (1,2%)
Пример 10
10 г (41,64%)
0,07 г (0,29%)
5,9 г (24,51%)
7,5 г (31,16%)
0,7 г (2,4%)
Пример 11
10 г (41,64%)
0,07 г (0,29%)
5,9 г (24,51%)
7,5 г (31,16%)
0,7 г (2,4%)
Пример 12
10 г (41,64%)
0,07 г (0,29%)
5,9 г (24,51%)
7,5 г (31,16%)
0,7 г (2,4%)
Пример 13
27 г (65,74%)
0,07 г (0,17%)
5,9 г (14,31%)
7,5 г (18,26%)
0,9 г (3,0%)
Пример 14
27 г (65,74%)
0,07 г (0,17%)
5,9 г (14,31%)
7,5 г (18,26%)
0,9 г (3,0%)
Пример 15
27 г (65,74%)
0,07 г (0,17%)
5,9 г (14,31%)
7,5 г (18,26%)
0,9 г (3,0%)
Пример 16.
Шихту готовят как в прототипе, при количестве 8 г (8,65%) мрамора, 3 г (3,24%) алюминиевого порошка, 3 г (3,24%) ферромарганца, 2 г (2,16%) ферросилиция, 3,5 г (3,78%) кремнефтористого натрия, 60 г (64,86%) железа, 2 г (2,16%) ферротитана. При соотношении флюсового слоя к оболочке 28,5%.
Порошковая проволока работает следующим образом:
На поверхность изношенных деталей, выполненных из низколегированных и углеродистых сталей, наплавляют порошковую проволоку. При наплавке происходит выделение большого количества тепла, влияющего на расплавление компонентов шихты и расплавление металла в зоне сплавления. В процессе остывания происходит кристаллизация и перемешивание слоя в однородную структуру.
Физико-механические свойства наплавленного металла приведены в таблице 2.
Таблица 2
№ примера
свойства
порог хладноломкости, °С
ударная вязкостть, МДж/м<sup>2</sup>
1
-63
0,34
2
-62
0,34
3
-61,5
0,35
4
-45
0,4
5
-48
0,41
6
-46
0,4
7
-58
0,3
8
-58,5
0,3
9
-59
0,3
10
-60
0,29
11
-60,5
0,28
12
-61
0,28
13
-61
0,29
14
-60
0,28
15
-61
0,29
16
-35
0,08
Использование порошковой проволоки позволяет получить наплавленный слой, превышающий прототип по порогу хладостойкости на 15-20% и обеспечивающий ударную вязкость сопоставимую с ударной вязкостью прототипа.
Источники информации принятые во внимание:
1. П. RU 55319 Кл. В 23 К 35/368, Порошковая проволока / Григоренко В.Г, Макиенко В.М, Строителев Д.В., Романов И.О.; Опубл. 10.08. 2006.
2. П. RU 2032515, Кл. 6 В 23 К 35/368, Состав шихты самозащитной порошковой проволоки / Иоффе И.С, Зеленова В.И, Матвеев В.А, Бугай А.И, Кобзарев В.Н. Патентообладатель: Иоффе И.С, Зеленова В.И, Матвеев В.А, Бугай А.И, Кобзарев В.Н.; Опубл. 10.04.95.