ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ НАПЛАВКИ

Полезная модель относится к сварочному производству, а именно к наплавочным материалам, используемым для дуговой наплавки и восстановления размеров изношенной детали из низколегированных и углеродистых сталей в ходе ремонта, а также для нанесения на поверхность готового изделия износостойких слоев и слоев с другими заданными свойствами дуговой наплавкой и плазменным напылением.
Проблема известных порошковых проволок заключается в получении наплавленного слоя с недостаточной износостойкостью для работы в условиях абразивного износа.
Известна порошковая проволока для наплавки ПП-Нп-25ГС, описанная в ГОСТ 26271-84 «Порошковая проволока для сварки углеродистой низколегированной стали».
Порошковая проволока представляет собой металлическую оболочку из стали и сердечник.
Сердечник выполнен из шихты, которая содержит защитный компонент, карбидообразующий компонент, нитридообразующий компонент, кремнийсодержащий компонент, шлакообразующий компонент и легирующий компонент.
В качестве защитного компонента, предназначенного для создания защитной атмосферы в зоне наплавки, выбрана смесь графита и мрамора. В качестве карбидообразующего компонента, предназначенного для связывания углерода, и легирующего компонента выбран ферросиликомарганец, содержащий марганец. В качестве нитридообразующего компонента, предназначенного для связывания азота, выбрана смесь окиси алюминия и двуокись циркония. В качестве кремнийсодержащего компонента выбран гранодиорит, содержащий двуокись кремния. В качестве шлакообразующего компонента, предназначенного для образования защитного шлака при плавлении и растворения в нем других добавок после плавления, выбрана смесь гранодиорита и флюорита.
Шихта для сердечника имеет следующий состав, мас.%:
Мрамор
40,18-45,0
Графит
4,46-5,00
Гранодиорит
8,04-9,00
Флюорит
20,54-23,00
Бадделеит
2,68-3,00
Ферросиликомарганец
24,1-27,00
При этом отношение веса сердечника к весу металлической оболочки составляет 18,0-20,0%.
Коэффициент заполнения проволоки равен 11,2-16,8%.
При дуговой наплавке слоя металлическая оболочка проволоки и сердечник расплавляются. При расплавлении компонентов сердечника происходит образование шлаковой ванны из защитного жидкого шлака с растворением в нем ферросиликомарганца.
При расплавлении металлической оболочки образуется сварочная ванна. В шлаке происходит восстановление циркония, алюминия и кремния с переходом этих элементов в жидкий металл. При переходе циркония, алюминия и кремния в жидкий металл происходит связывание азота и углерода, что предотвращает образование газовых пор в наплавленном слое металла. При связывании растворенных газов в жидком и затвердевающем металле в наплавленном слое образуется небольшое количество изолированных карбидов и нитридов, которые повышают его износостойкость. При плавлении ферросиликомарганца с его поверхности в расплав переходит адсорбированная влага, которая влияет на образование большого количества пор в процессе кристаллизации восстанавливаемого слоя. Наличие пор в восстанавливаемом слое обеспечивает недостаточную вязкость для работы в условиях абразивного высокоскоростного износа восстановленных деталей. Кроме того, при плавлении и растворении в шлаке ферросиликомарганца в восстановленный слой переходят его легирующие элементы: марганец и кремний, которые дополнительно повышают его износостойкость.
При этом восстановленный слой имеет толщину до 8 мм.
Средние значения микротвердости наплавленного слоя по Викерсу не превышают 300-350 HV. Детали с таким наплавленным слоем работают в трущихся парах без абразивного износа.
Достоинство известной порошковой проволоки заключается в обеспечении достаточно высоких показателей износостойкости и ударной вязкости для работы в условиях без абразивного износа восстановленных деталей с повышенными контактными нагрузками. Это обусловлено получением наплавленного слоя, большой толщины без пор и других несплошностей, позволяющим восстанавливать размеры изношенных деталей до номинальных значений в ходе ремонта.
Недостаток известной порошковой проволоки заключается в недостаточной износостойкости и ударной вязкости наплавленного слоя для работы ремонтируемой детали в условиях динамических нагрузок и абразивного износа, что обусловлено получением наносимого слоя с небольшим количеством упрочняющих фаз: карбидов, нитридов и карбонитридов и с повышенным количеством пор в его структуре.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является порошковая проволока для наплавки штампов [А.С. СССР №(11)583905, МПК В23К 35/368, публ. БИ №46(45), от 28.02.1978].
Порошковая проволока представляет собой сердечник и металлическую оболочку из стали.
Сердечник выполнен из шихты, которая содержит ферротитан, ферросилиций, ферромарганец, феррохром, феррованадий, ферровольфрам, вермикулит, мрамор, графит, плавиковый шпат.
Компоненты выбраны в следующем соотношении, мас.%:
Ферротитан -
10,8
Вермикулит -
18,7
Ферросилиций -
4,0
Ферромарганец -
9,0
Феррохром -
15,0
Феррованадий -
1,0
Ферровольфрам -
1,0
Плавиковый шпат
18,0
Мрамор -
5,3
Графит -
Остальное
При этом отношение веса сердечника к весу металлической оболочки составляет 16,0-16,5.
Графит предназначен для создания защитной атмосферы в зоне наплавки. Смесь порошков феррохрома, ферромолибдена и феррованадия является карбидообразующим компонентом, содержащим переходные тугоплавкие элементы: хром, молибден и ванадий, имеющие высокое сродство к углероду, предназначена для связывания углерода с образованием карбидов.
Ферротитан является нитридообразующим компонентом, содержащим титан, предназначен для связывания азота с образованием нитридов и карбонитридов.
Смесь мрамора, плавикового шпата и вермикулита является шлакообразующим компонентом и предназначена для образования защитного шлака при плавлении и растворения в нем других добавок после плавления.
При дуговой наплавке металлическая оболочка проволоки и сердечник расплавляются. При расплавлении компонентов сердечника на поверхности изделия происходит образование шлаковой ванны из мрамора, плавикового шпата и вермикулита с растворением в нем углерода и тугоплавких металлов.
При расплавлении металлической оболочки проволоки на поверхности изделия образуется сварочная ванна. В шлаковой ванне происходит диффузия углерода и тугоплавких элементов, входящих в состав ферросплавов, в сварочную ванну. При переходе вольфрама, ванадия, хрома, марганца и титана в жидкий металл происходит связывание углерода с образованием карбидов, что предотвращает образование газовых пор. Титан в сварочной ванне связывает азот и углерод с образованием нитридов и карбонитридов. Наличие вермикулита в шлаковой ванне приводит к ее разжижению, что приводит к лучшему отделению шлаковых включений от металла.
В процессе затвердевания сварочной ванны с последующей упрочняющей термообработкой на поверхности изделия формируется наплавленный слой, содержащий мартенсит отпуска, карбиды, нитриды и карбонитриды тугоплавких металлов.
Наплавленный слой обладает высокими износостойкостью и твердостью за счет повышения в его структуре доли карбидов, нитридов и карбонитридов, а также повышенной хрупкостью за счет большого количества в его структуре мартенсита.
Высокие износостойкость и твердость обеспечивают возможность работы штампов с наплавленной рабочей поверхностью в условиях динамических нагрузок.
Достоинство известной порошковой проволоки заключается в повышении износостойкости наплавленного слоя, обеспечивающего возможность работы штампов с наплавленной рабочей поверхностью в условиях динамических нагрузок. Это обусловлено образованием в структуре слоя мартенсита отпуска, карбидов и карбонитридов.
Недостаток известной проволоки заключается в повышенной хрупкости наплавленного слоя, что обусловлено наличием большой доли мартенсита в его структуре.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке порошковой проволоки для наплавки, снижающей хрупкость наплавленного слоя за счет уменьшения в нем доли мартенсита при сохранении достаточной износостойкости наплавленного слоя в условиях ударных нагрузок и абразивного износа.
Для решения поставленной задачи в порошковой проволоке для наплавки, выполненной в виде металлической оболочки из стали и сердечника из шихты, содержащей графит, ферросилиций феррохром, ферромарганец и флюорит, в шихту сердечника дополнительно введены титаномагнетит, бадделеит, гранодиорит и датолит при следующем соотношении ее компонентов, мас. %:
Графит -
11,0-13,0;
Титаномагнетит -
7,6-8,25;
Бадделеит -
0,2-0,3;
Ферросилиций -
2,0-2,25;
Ферромарганец -
30,0-32,0;
Феррохром -
26,0-28,0;
Гранодиорит -
2,2-2,4;
Мрамор -
11,0-11,1;
Датолит -
1,2-1,35;
Флюорит -
Остальное
при этом отношение веса сердечника к весу металлической оболочки составляет 18,0-20,0.
Совокупность существенных признаков заявляемой порошковой проволоки отличается от совокупности существенных признаков прототипа введением новых компонентов в состав шихты, а именно титаномагнетита, бадделеита, гранодиорита и датолита и новым их соотношением в ней. Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о соответствии его критерию патентоспособности полезной модели «новизна».
Введение в состав шихты титаномагнетита, бадделеита и датолита понижает хрупкость наплавленного слоя при обеспечении достаточной его износостойкости в условиях ударных нагрузок и абразивного износа. Хрупкость наплавленного слоя уменьшается за счет повышения в его структуре доли мартенсита. Достаточная износостойкость наплавленного слоя обеспечивается за счет сохранения в его структуре высокой доли карбидов, нитридов и карбонитридов.
Заявляемая порошковая проволока представляет собой сердечник и металлическую оболочку из стали.
Сердечник выполнен из шихты, которая содержит мрамор, графит, флюорит, ферротитан, ферросилиций, ферромарганец, феррохром, титаномагнетит, бадделеит, датолит. Компоненты выбраны в следующем соотношении, мас. %:
Графит
11,0-13,0
Титаномагнетит
7,6-8,25
Бадделеит -
0,2-0,3
Ферросилиций
2,0-2,25
Ферромарганец
30,0-32,0
Феррохром
26,0-28,0
Гранодиорит
2,2-2,4
Мрамор
11,0-11,1
Датолит
1,2-1,35
Флюорит
Остальное
Графит и мрамор предназначены для создания защитной атмосферы в зоне наплавки. Смесь порошков феррохрома, ферромарганца является карбидообразующим компонентом, содержащим переходные тугоплавкие элементы: хром и марганец, имеющих высокое сродство к углероду, и предназначена для связывания углерода с образованием карбидов с целью упрочнения наплавленного слоя. Ферросилиций предназначен для легирования упомянутого слоя кремнием с целью упрочнения металлической основы слоя. Титаномагнетит является титаносодержащим компонентом и предназначен для дополнительного упрочнения упомянутого слоя нитридами и карбонитридами титана. Датолит является борсодержащим компонентом и предназначен для дополнительного упрочнения слоя нитридами и карбонитридами бора. Бадделеит является цирконийсодержащим компонентом и предназначен для дополнительного упрочнения слоя нитридами и карбонитридами циркония, а также для рафинирования стали наплавленного слоя. Гранодиорит и флюорит являются шлакообразующими компонентами и предназначены для образования жидкотекучего защитного шлака.
При расплавлении металлической оболочки проволоки на поверхности изделия образуется сварочная ванна. В шлаковой ванне происходит диффузия углерода и тугоплавких элементов, входящих в состав ферросплавов, в сварочную ванну. При переходе хрома, марганца в жидкий металл происходит связывание углерода с образованием карбидов, что предотвращает образование газовых пор. Титан, цирконий и бор в составе рудных добавок (титаномагнетит, бадделеит и датолит) при их восстановлении в шлаке и переходе в жидкий металл, связывают азот и углерод, что предотвращает образование газовых пор. Они же образует нитриды и карбонитриды и, как следствие, дополнительно упрочняют наплавленный слой за счет образования этих фаз в его структуре.
Добавка гранодиорита и флюорита в шлаковую ванна приводит к ее разжижению, что приводит к лучшему отделению шлаковых включений от металла.
В процессе затвердевания сварочной ванны на поверхности изделия формируется наплавленный слой, содержащий троостомартенсит, карбиды, нитриды и карбонитриды тугоплавких металлов. Кроме того, в структуре наплавленного слоя содержится незначительная доля включений свободного мартенсита.
Наплавленный слой без термообработки обладает пониженной хрупкостью за счет незначительной доли в его структуре свободного мартенсита, а также высокими износостойкостью и твердостью за счет повышения в его структуре доли карбидов нитридов и карбонитридов.
Детали и инструмент с наплавленным слоем, обладающий пониженной хрупкостью и высокой износостойкостью, работают в условиях контактных, динамических нагрузок и абразивного износа.
Проволоку готовят следующим образом.
Пример 1.
Для приготовления 100 г шихты берут следующие компоненты в количестве: 11,0 г графита (11,0%), 0,2 г бадделеита, содержащего 0,1 г (0,1%) двуокиси циркония и 0,1 г (0,1%) двуокиси кремния, 7,6 г титано-магнетита, содержащего 3,8 г двуокиси титана и 3,8 г двуокиси кальция, 2,0 г ферросилиция, 32,0 г ферромарганца, 26,0 г феррохрома, 2,2 г гранодиорита, 11,0 г мрамора, 1,2 г датолита и флюорит, дополняющий состав до 100%. Компоненты перемешивают в смесителе в течение 20 мин.
После размола, просеивания и взвешивания компонентов шихты ее помещают в бункер установки получения проволоки (прокатный стан) и с помощью дозатора заполняют желоб прокатываемой металлической оболочки, выполненный из стали 08 пс. Далее прокатывают эту заготовку в проволоку с круглым сечением.
При этом отношение веса сердечника к весу оболочки (коэффициент заполнения проволоки) составляет 18,0-20,0%.
В последующих примеры проволоку готовят так же, как и в примере 1 с различными составами компонентов в шихте, которые приведены в таблице 1.
Полученными образцами проволоки произвели наплавку экспериментальных слоев, химический состав которых приведен в таблице 2, а показатели работоспособности которых приведены в таблице 3. Коэффициент износостойкости определяли отношением потерь веса к потерям веса эталонной стали 20ФЛ при трибометрических испытаниях на машине ИИ-5018 (ОАО «Точприбор», г. Иваново). Микроструктура полученного слоя исследовалась на микроскопах МБС-9 и ЕС МЕ-ТАМ-РВ21 при увеличении ×80 и ×500. Химический состав определялся на приборах «Стилоскоп СЛ13» и «Спектроскан МАКС-GV» ТУ 4276-001-23124704-2001, Госреестр №22525-02, аттестованный в ГП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, свидетельство об аттестации №242/19-2004, свидетельство о поверке №0035507 от 19.03.2006 г.
Микротвердость определялась на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 8.398-80 «Измерение твердости по Викерсу».
Результаты испытаний показывают, что защитный слой обладает повышенной ударной вязкостью (пониженной хрупкостью) по сравнению со слоем, полученным по способу-прототипу и достаточной износостойкостью, что создает возможность работы в условиях ударных нагрузок и скоростного абразивного износа, как при наличии контактных динамических нагрузок, так и без них.