Порошковая проволока для наплавки деталей, подверженных высокому абразивному износу

Полезная модель относиться к области электродуговой наплавки порошковой проволокой деталей, подверженных высокому абразивному изнашиванию при умеренных ударных нагрузках, например, лопатки и валки размольных мельниц, рабочие поверхности эксгаустеров, желоба, защитные плиты, образующие поверхности чаш и конусов доменных печей и других деталей, работающих при температурах до 300°С. Полезная модель может быть использована в металлургии и других отраслях промышленности.
Известна порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии, состоящая из стальной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащей следующие компоненты, мас. %: хром 5,0 - 15,0; бор 1,0 - 5,0; алюминий 2,0 - 12,0; углерод 0,2 - 1,0; иттрий 0,5 - 1,0; железо - основа (Патент №2613118, МПК С22С 38/32, С23С 4/08, С23С 4/16, С23С 24/08, опубл. 15.03.2017 г.).
Известное техническое решение относится к области материалов для получения покрытий, стойких к абразивному износу, методами газотермического напыления с использованием процесса дуговой металлизации. Оно используется для защиты поверхностей деталей, работающих в условиях воздействия частиц абразива и высоких температур, например, труб топочных экранов бойлеров тепловых электростанций.
Недостатком данного материала является недостаточное содержание в нем хрома, а также отсутствие марганца и титана для обеспечения требуемых показателей по прочности, твердости, абразивному износу. При этом стоимость иттрия превышает стоимость титана в 20-30 раз, что делает технологию экономически высокозатратной.
Известна наиболее близкая к предложенной шихта порошковой проволоки, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,5-1,5, марганец 1,87-3,43, кремний 1,25-3,13, хром 6,87-10,94, молибден 0,1-0,5, вольфрамсодержащий концентрат 43,89-57,56, ванадий 0,62-1,25, алюминий 0,1-0,15, никель 0,01-0,6, кобальт 0,01-0,5, пыль электрофильтров алюминиевого производства 0,5-10, железо - остальное (Патент №2661126, МПК В23К 35/36, В23К 35/368, опубл. 11.07.2018 г.).
Недостатком шихты известной порошковой проволоки является присутствие в ней недостаточного количества хрома, а также отсутствие бора и титана для обеспечения необходимых показателей по прочности, твердости и абразивному износу наплавленного слоя. Высокое содержание таких элементов как, марганец, никель, молибден оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость и стойкость к высоким удельным давлениям, но значительно снижает стойкость к экстремальному абразивному истиранию. Высокая стоимость таких легирующих элементов как никель, ванадий, ниобий, молибден, вольфрам определяет и высокую стоимость порошковой проволоки.
Технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение эксплуатационных свойств наплавленного металла, в частности, износостойкости за счет оптимизации химического состава порошкообразного наполнителя.
Поставленная техническая задача достигается тем, что порошковая проволока для наплавки деталей, подверженных высокому абразивному износу, состоит из стальной оболочки и порошкообразного наполнителя, содержащего следующее соотношение компонентов, мас. %:
Углерод
0,5-1,5
Марганец
0,5-2,0
Кремний
≤1,2
Фосфор
≤0,025
Сера
≤0,025
Хром
13,0-23,0
Титан
0,1-0,6
Бор
2,2-3,6
Железо и примеси
Остальное
Стальная оболочка, например, может быть выполнена из низкоуглеродистой ленты марки 08Ю следующего химического состава: углерод 0,05%, кремний 0,02%, марганец 0,25%, сера 0,008%, фосфор 0,006%, хром 0,01%, никель 0,01%, медь 0,02%, алюминий 0,036%.
Заявляемые пределы химического состава порошкообразного наполнителя подобраны эмпирическим путем, исходя из показателя эксплуатационных свойств наплавленного металла такого, как абразивный износ.
Состав порошкообразного наполнителя порошковой проволоки позволяет повысить прочность, твердость, стойкость к коррозии наплавленного металла за счет добавления в состав порошкообразного наполнителя титана. Увеличение содержания хрома и бора позволяет использовать проволоку для наплавки деталей, подверженных высокому абразивному износу.
Таким образом, для повышения эксплуатационных свойств наплавленного металла, в частности износостойкости, необходимо оптимизировать химический состав порошкообразного наполнителя. К наплавленному металлу предъявляются требования по твердости в размере 60-66HRC.
Выбранное содержание углерода обеспечивает требуемую твердость и прочность. При содержании углерода менее 0,5% снижаются требуемые показатели по твердости и износостойкости, а при содержании углерода более 1,5% ухудшается свариваемость, значительно повышается хрупкость и склонность к трещинообразованию.
Заявленная концентрация марганца в порошкообразном наполнителе обеспечивает требуемую твердость и прочность наплавленного металла, сохраняя необходимую ударную вязкость и снижая вредное влияние серы. При содержании марганца до 0,5% не достигаются показатели по прочности, а при содержании марганца свыше 2,0% снижается ударная вязкость.
Содержание кремния в порошкообразном наполнителе в размере ≤1,2% в качестве активного раскислителя обеспечивает чистоту наплавленного металла, а также такие механические свойства, как прочность, твердость и предел текучести. При увеличении содержания кремния свыше 1,2% снижается коррозионная стойкость наплавленного металла при истирании и ударная вязкость.
Содержание фосфора должно быть ≤0,025%. Увеличение его содержания, повышая прочность, одновременно повышает хрупкость и снижает пластичность и вязкость.
Содержание серы должно быть ≤0,025%. Повышение ее содержания снижает механические свойства наплавленного металла и снижает свариваемость готовых изделий.
Хром в пределах 13,0-23,0% положительно влияет на повышение твердости и прочности, увеличивает коррозионную стойкость наплавленного металла. Бориды хрома более твердые, чем карбиды, а это очень важно для повышения износостойкости металла. При содержании хрома менее 13,0% эффективность его влияния на повышение прочности снижается, а при содержании более 23,0% при заданных содержаниях марганца, кремния, углерода и бора снижается твердость и износостойкость, возможно получение трещин при наплавке.
Введение титана в количестве от 0,1 до 0,6% повышает прочность, жаростойкость и твердость, наплавленный металл менее подвержен коррозии, обладает лучшей вязкостью, повышается сопротивление наплавленного слоя к окислению и газовой коррозии. В введении титана в количестве свыше 0,6% нет технологической необходимости.
Введение бора в количестве 2,2-3,6% способствует повышению прочности, твердости и износостойкости наплавленного металла. При содержании бора свыше 3,6% сталь становится хрупкой, с низким сопротивлением образованию трещин, а при содержании бора менее 2,2% не достигаются требуемые показатели по прочности, твердости и износостойкости.
Пример. Для изготовления порошкообразного наполнителя порошковой проволоки использовали порошки ферросплавов: феррохром по ГОСТ 4757, ферромарганец по ГОСТ 4755, ферросилиций по ГОСТ 1415, ферротитан по ГОСТ 4761, ферробор по ГОСТ 14848. Порошки получены методом механического измельчения. Затем порошки взвешивали, перемешивали в миксере, сушили и получали порошкообразный наполнитель порошковой проволоки в соответствии с заданным химическим составом.
На стане была изготовлена порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки (марка стали 08Ю) диаметром 3,2 мм, и порошкового наполнителя. Коэффициент заполнения составлял 39%. Порошковой проволокой производилась многослойная наплавка на пластины из стали марки Ст. 3 при следующих режимах: напряжение 29-31 В, ток 380-450 А, скорость наплавки 0,12-0,15 м/мин, амплитуда поперечных колебаний 30-34 мм. Из 7-10 слоев вырезался образец для определения таких характеристик наплавленного металла, как наличие трещин, твердость, относительная износостойкость 8.
Наличие трещин после наплавки оценивали ультразвуковым методом, а также на металлографических шлифах капиллярным методом контроля.
Исследовались 6 вариантов составов порошкообразного наполнителя (таблица 1) порошковой проволоки: 1 - прототип; 2 - нижний заграничный состав; 3-5 заявляемые пределы; 6 - верхний заграничный состав. Взаимосвязь некоторых исследуемых параметров в зависимости от состава порошкообразного наполнителя порошковой проволоки приведена в таблице 2. Определение износостойкости наплавленного металла производили согласно ГОСТ 23.208-79. В качестве эталона для определения относительной износостойкости был взят вариант 1 - прототип состава порошкообразного наполнителя.
Порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразного наполнителя предложенного химического состава, позволяет повысить эксплуатационные свойства наплавленного металла, в частности, износостойкости за счет оптимизации химического состава порошкообразного наполнителя.