ШИХТА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ НАПЛАВКИ В АЗОТСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЕ
POWDER WIRE CHARGE FOR SURFACING IN NITROGEN-CONTAINING ENVIRONMENT

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к производству порошковой проволоки, и может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей горно-металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости.
Известна, шихта порошковой проволоки (RU №2492981 МПК В23К 35/36, опубл. 29.09.2013), преимущественно для механизированной износостойкой плазменной наплавки в азотсодержащих защитных газовых смесях, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий и железо, которая дополнительно содержит никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства при соотношении компонентов, масс. %:
Углерод
1,0-3,6
Хром
6,5-14,0
Молибден
5,0-21,0
Вольфрам
1,0-8,0
Ванадий
2,0-6,0
Алюминий
1,0-4,5
Никель
3,2-20
Пыль электрофильтров алюминиевого производства
1,0-15,0
Железо
Остальное
Недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:
- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности, износостойкости и твердости, за счет недостаточной легированности остаточного аустенита;
- возможность образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки из-за недостаточного количества стабилизированного аустенита в процессе наплавки;
Для решения этой проблемы предлагается шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, азотированный феррохром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, никель, пыль электрофильтров алюминиевого производства и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Углерод
1.0-3,6
Азотированный феррохром
8,0 - 20,0
Молибден
5,0-21,0
Вольфрам
1,0-8,0
Ванадий
2,0-6,0
Алюминий
1,0-4,5
Никель
3,2-20,0
Пыль электрофильтров алюминиевого производства
1,0-15,0
Титан
1,0-4,5
Железо
Остальное
Техническими результатами при использовании изобретения являются:
- повышение механических свойств наплавленного металла, в частности твердости, износостойкости и теплостойкости, за счет увеличения количества остаточного аустенита, дисперсных нитридов алюминия и титана, и эффекта дисперсионного твердения высоколегированного аустенита при отпуске;
- предотвращение образования холодных трещин в процессе многослойной наплавки за счет увеличения количества стабилизированного аустенита и уменьшения роста его зерна в процессе наплавки.
Пыль электрофильтров является одним из отходов алюминиевого производства и применяется в промышленности как одна из сильных углеродфторсодержащих добавок в производстве стали, цемента и сварочном производстве (1. Баранов А.Н. и др. Переработка твердых фторсодержаших отходов алюминиевого производства // Современые технологии. Электронный ресурс brstu. ru>методы>docs/ humber 10/113-115. Pdf/ 2. Зенкин Е.Ю. Гавриленко А.А. Немчинова Н.В. О переработке отходов первичного алюминия
ОАО «РусалБратск»// Вестник Иркутского государственного технического университета, 2017. Т. 21 №3 С. 123-132/ 3. Ларионов Л.М., Кондратьев В.В., Кузьмин М.П. Пути использования углеродосодержащих отходов алюминиевого производства// Вестник Иркутского государственного технического университета, 2017. Т. 21 №4 С. 139-146).
Химический состав пыли электрофильтров зависит от многих факторов и постоянен лишь в объеме конкретной партии, поэтому можно говорить только о среднем химическом составе, который приведен работе (1). Но действует эта добавка одинаково, как источник поступления фтора для предотвращения холодных трещин и углерода для повышения твердости.
Введение в состав шихты порошковой проволоки пыли электрофильтров алюминиевого производства позволяет:
- проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений, разлагающихся при температурах сварочных процессов с выделением фтора, который в свою очередь, взаимодействует с водородом, растворенным в стали, с образованием газообразного соединения HF. Снижение содержания водорода в наплавленном металле уменьшает вероятность образования пор и холодных трещин в нем;
- проводить интенсивное науглероживание при взаимодействии фтористого углерода с карбидообразующими элементами, что позволяет увеличить количество карбидной составляющей в структуре наплавленного металла и дополнительно повысить его твердость.
Заявляемая шихта порошковой проволоки дополнительно содержит титан, что позволяет повысить содержание азота в наплавленном металле в 1,5-2,0 раза с 0,06-0,08% до 0,09-0,12% при наплавке в азотсодержащей защитно-легирующей среде. Комплексное легирование наплавленного металла азотом при плазменной наплавке в азотсодержащей защитно-легирующей среде, введение азотированного феррохрома, наличие алюминия в шихте порошковой проволоки и дополнительное введение в ее состав титана, позволяет повысить его твердость, износостойкость и теплостойкость.
Введение в состав наплавленного металла сильного стабилизатора аустенита - титана повышает количество остаточного аустенита и уменьшает объемный эффект мартенситного превращения, что уменьшает вероятность образования холодных трещин.
Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем, исходя из качества, получаемого при наплавке металла, стабильности процесса наплавки, предотвращения образования холодных трещин и требуемых механических свойств (твердости, износостойкости и теплостойкости).
Титан, активно поглощая из расплавленного металла кислород, является одним из лучших раскислителей стали. Титан так же активно поглощает из расплавленной стали азот, образуя нитрид титана, что способствует равномерному распределению легирующих элементов и образованию мелкозернистых структур стали.
Введение титана в состав шихты позволяет дополнительно увеличить количество остаточного аустенита, дисперсных нитридов алюминия и титана. Дисперсные нитриды алюминия и титана не растворяются даже при высоком нагреве и дополнительно задерживают рост зерна аустенита, повышая при этом теплостойкость наплавленного металла. Получение наплавленного металла повышенной твердости и износостойкости достигается 3 - 4 - кратным высокотемпературным отпуском остаточного аустенита при 560-580°С. При отпуске азот выделяется из мартенсита, образует нерастворимые мелкодисперсные нитриды алюминия и титана, а также карбонитриды других легирующих элементов, при этом повышается твердость, износостойкость и теплостойкость. Твердость наплавленного металла возрастает на 1- 2 HRC, но при этом значительно повышается износостойкость и теплостойкость (на 25-50 градусов). Износостойкость улучшается из-за увеличения количества выделяющихся фаз - упрочнителей (дополнительно выделяются нитриды титана).
Для изготовления шихты порошковой проволоки использовали ферротитан марки Фти70 по ГОСТ 4761-91. содержащий не менее 70% титана.
Изменение содержания ферротитана в составе заявляемой шихты производилось с учетом получения высококачественного наплавленного металла (стабильное горение дуги, хорошее формирование, плотный наплавленный металл без трещин, пор и неметаллических включений), при этом учитывалось содержание остальных компонентов. Порошковая проволока изготавливалась из стальной холоднокатаной ленты 08кп (оболочка) размером 15×0,8 мм. Шихта перемешивалась в специальном приспособлении для получения однородной массы. Порошковая проволока прокаливалась для удаления влаги при температуре 250-350°С. Коэффициент заполнения составлял 0,32-0,33, диаметр готовой проволоки - 3,7 мм. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась плазменная наплавка заготовок рабочих валков с диаметром рабочей части 150 мм, длиной 425 мм. Наплавка производилась в азотсодержащей защитно-легирующей среде на следующих режимах:
Сварочный ток
160-170А
Напряжение дуги
50-60В
Скорость наплавки
11 м/ час
Скорость подачи порошковой проволоки
47 м/час
Длина дуги
20 мм
Смещение с зенита
20 мм
Защитный газ
азот
Расход защитного газа
20 л/мин
Плазмообразующий газ аргон
Расход плазмообразующего газа
8 л/мин
Наплавка производилась с регулируемым низкотемпературным подогревом выше температуры начала фазовых превращений и составляла 200-250°С.
В процессе наплавки проводилась экспертная оценка стабильности горения дуги, качества формирования наплавленного металла. Наличие трещин в процессе наплавки
3
3
пор и неметаллических включений оценивали ультразвуковым и магнитопорошковым методами, а также на металлографических шлифах. Содержание водорода и азота в наплавленном металле определялось методом вакуум - нагрева на установке Баталина и на эксхалографе ЕАН-220 фирмы «Бальцерс». Содержание водорода находилось в пределах 0,2-0,4 см/100 г наплавленного металла при допустимом содержании водорода в высоколегированном наплавленном металле до 2 см /100 г металла. Содержание азота находилось в пределах 0,09-0,12%. Твердость наплавленного металла контролировалась непосредственно после наплавки и после проведения четырехкратного часового отпуска при температуре 580°С. Твердость наплавленного металла после наплавки составляла 52-56 HRC, после четырехкратного часового отпуска при 580°С возрастала до 64-68 HRC. Дефекты (трещины, поры и неметаллические включения) при наплавке порошковой проволокой с шихтой заявляемого состава, содержащей титан, не обнаружены.
Теплостойкость быстрорежущих сталей оценивали температурой дополнительного 4-х часового отпуска (после окончательной термической обработки), после которого твердость образца снижалась до HRC 58.
5
5
Эффективность работоспособности образцов при ускоренных испытаниях на лабораторной установке оценивалась по величине износа, которая определялась по потере массы (ΔQ) образцов в процессе работы до появления первых дефектов (трещин и сколов). На лабораторной установке испытывались шесть вариантов дисков, вырезанных из наплавленных заготовок. В качестве наплавочного материала использовали порошковые проволоки, состав шихты которых приведен в таблице 1. Скорость вращения испытуемых образцов составляла 1000 об/мин, а нагрузка в зоне контакта 1000 МПа, что соответствовало режимам прокатки в реальных производственных условиях. Стойкость до разрушения образцов, наплавленных по первому варианту (прототип) составляет (50-75)*10 циклов нагружения против (75-100)*10 циклов нагружения у образцов, изготовленных с применением шихты
заявляемого состава. Потери в весе в зависимости от числа циклов нагружения у образцов с заявляемой шихтой снизились также в 1.5-2.0 раза.
Исследовались 6 вариантов составов шихты (таблица 1) порошковой проволоки, масс. %: 1 - прототип; 2 - нижний предел заявляемой шихты; 3 -среднее содержание состава заявляемой шихты; 4 - верхний предел заявляемой шихты; 5 - нижний заграничный состав; 6 - верхний заграничный состав.
Влияние изменения химического состава на технологические свойства и механические характеристики наплавленного металла приведено в таблице 2. В строке 3 указана твердость наплавленного металла после высокотемпературного отпуска.
Использование заявляемого состава шихты порошковой проволоки по сравнению с базовым составом (прототип) позволяет:
- повысить качество наплавленного металла за счет предотвращения образования холодных трещин;
- повысить твердость наплавленного металла до HRC 64-68;
- повысить износостойкость в 1,5-2,0 раза;
- повысить теплостойкость наплавленного металла на 25-50°С.