СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ
FLUX CORED WIRE OBTAINING METHOD

Изобретение относится к металлургическому машиностроению, а именно к способу получения порошковой проволоки с повышенной плотностью порошкового наполнителя.
8
Известен способ получения порошковой проволоки (патент РФ №2488473, МПК B23K 35/40, B22F 5/12, опубл. 27.07.2013). Проволоку формируют из металлической ленты U-образного профиля с одновременным заполнением его порошковым наполнителем с разравниванием и предуплотнением на устройстве вибрационного типа. Формируют замкнутый трубчатый профиль оболочки с фальцевым замком и проводят редуцирование в сдвоенной трехроликовой фильере. В первой группе роликов образуют три глубоких гофра, обеспечивающих уменьшение поперечного сечения профиля до 20%, при этом один из гофров расположен в непосредственной близости к фальцевому замку. Во второй группе роликов, сдвинутых на 60° по оси формовки относительно первых, проводят калибрование профиля с одновременным поджатием трех образованных гофров и возможностью уменьшения поперечного сечения профиля до 25%. Обеспечивается увеличение плотности наполнителя проволоки, равномерности распределения его в поперечном и продольном направлении и повышение качества проволоки.
Недостатком известного технического решения является сложность технологического процесса.
6
Наиболее близким техническим решением является патент JP №2742957, МПК B23K 35/40, B22F 5/12, опубл. 28.03.1990. Способ производства сварочной порошковой проволоки заключается в том, что смесь, состоящую из порошка флюса (80%) и порошка металла (≤25%), засыпают в сварную стальную трубку, которую отжигают при температуре 650-850°C в течение 10 мин и подвергают волочению, уменьшая диаметр. Исходные флюсовые материалы подвергают гранулированию и сушке, а затем прокаливают при температуре ≈300°C.
Недостатком наиболее близкого технического решения является недостаточное качество за счет невозможности получения повышенной плотности порошкового наполнителя на начальном и конечном участках порошковой проволоки из-за отсутствия после засыпки порошкового наполнителя герметизации сварной стальной трубки перед волочением.
Задачей предложенного технического решения является повышение качества проволоки путем получения равномерности плотности порошкового наполнителя по длине порошковой проволоки и улучшение свойств порошковой проволоки за счет формирования в порошковом наполнителе наноразмерных зерен модифицирующих компонентов.
Сущность способа получения порошковой проволоки заключается в том, что смесь, состоящую из порошка флюса засыпают в трубчатую заготовку, трубчатую заготовку деформируют, уменьшая диаметр, причем в смесь, состоящую из зерен порошка флюса, добавляют зерна модифицирующих компонентов с массовым содержанием 5-40% от зерен порошка флюса и выбирают прочность зерен модифицирующих компонентов на 30% меньше прочности зерен порошка флюса, трубчатую заготовку перед деформированием герметизируют, трубчатую заготовку деформируют, уменьшая диаметр до величины, соответствующей следующему соотношению:
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>10</mn><mo>−</mo><mn>500</mn></mrow>
,
где D - диаметр трубной заготовки, d - наружный диаметр порошковой проволоки.
Способ получения порошковой проволоки осуществляется следующим образом. Берут смесь из зерен порошка флюса и добавляют в нее зерна модифицирующих компонентов, имеющих прочность на 30% меньше прочности зерен порошка флюса, с массовым содержанием зерен модифицирующих компонентов 5-40% от зерен порошка флюса. Эту смесь, образующую сердечник порошковой проволоки, засыпают в трубчатую заготовку (сварную стальную трубку). Трубчатую заготовку герметизируют и подвергают деформированию с уменьшением диаметра, при котором происходит измельчение зерен порошка смеси, составляющих сердечник порошковой проволоки. При обжатии порошковой проволоки происходит сжатие зерен порошка сердечника порошковой проволоки. В результате сжатия зёрна сердечника порошковой проволоки, в которых возникают напряжения, превышающие предел прочности, раздавливаются. При измельчении зерен сердечника порошковой проволоки образуются, в том числе, зерна с размерами менее 100 нм, представляющие собой наночастицы.
Наномодификаторы состоят из модифицирующих веществ, размолотых в наночастицы. Требуемая массовая концентрация наномодификатора для осуществления эффекта модифицирования составляет 0,005-0,05% (50-500 грамм на 1 тонну модифицируемого металла) (Патент РФ №2468110).
Указанная концентрация наночастиц модифицирующих компонентов в сердечнике порошковой проволоки обеспечивается при ее деформировании с уменьшением диаметра до величины, соответствующей следующему соотношению:
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>10</mn><mo>−</mo><mn>500</mn></mrow>
,
при наличии в сердечнике порошковой проволоки смеси из зерен порошка флюса и зерен модифицирующих компонентов, имеющих прочность на 30% меньше прочности зерен порошка флюса и с массовым содержанием зерен модифицирующих компонентов 5-40% от зерен порошка флюса.
При прочности зерен модифицирующих компонентов на 30% меньше прочности зерен порошка флюса при деформировании трубчатой заготовки с уменьшением ее диаметра происходит преимущественное измельчение модифицирующих компонентов с образованием их наночастиц. При прочности зерен модифицирующих компонентов большей указанного предела кроме измельчения зерен модифицирующих компонентов происходит измельчение зерен порошка флюса с образованием его наночастиц, что приводит к загрязнению наночастиц модифицирующих компонентов наночастицами посторонних веществ и снижению эффективности действия наномодификатора.
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>10</mn></mrow>
При
в процессе деформирования трубчатой заготовки с уменьшением диаметра и при массовом содержании зерен модифицирующих компонентов 5-40% обеспечивается их измельчение и получение наночастиц модифицирующих компонентов в сердечнике порошковой проволоки 0,005% масс.
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>500</mn></mrow>
При
в процессе деформирования трубчатой заготовки с уменьшением диаметра и при массовом содержании зерен модифицирующих компонентов 5-40% обеспечивается их измельчение и получение наночастиц модифицирующих компонентов в сердечнике порошковой проволоки 0,05% масс.
Массовое содержание зерен модифицирующих компонентов менее 5% от зерен порошка флюса не позволяет получить в процессе деформирования трубчатой заготовки с уменьшением диаметра требуемой минимальной концентрации наночастиц модифицирующих компонентов.
При массовом содержании зерен модифицирующих компонентов более 40% из-за перераспределения энергии измельчения, подводимой к зернам сердечника порошковой проволоки при деформировании трубчатой заготовки с уменьшением диаметра, интенсифицируется процесс образования наночастиц флюса, что приводит к загрязнению наночастиц модифицирующих компонентов наночастицами посторонних веществ и снижению эффективности действия наномодификатора.
Герметизация трубчатой заготовки перед ее деформированием с уменьшением диаметра обеспечивает равномерность плотности порошкового наполнителя по длине порошковой проволоки.
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>10</mn></mrow>
Пример 1. Были проведены испытания, в первом варианте которых взята трубчатая заготовка из стали 20X23H18 с наружным диаметром D=40 мм. Состав засыпаемой в трубчатую заготовку смеси представлял собой: порошок флюса с пределом прочности 430 МПа и порошок модифицирующего компонента - никеля с фракционным составом зерен от 20 мкм до 500 мкм и с основной фракцией 130 мкм. Предел прочности зерен порошка никеля составлял 301 МПа. Прочность зерен модифицирующих компонентов на 30% меньше прочности зерен порошка флюса. После засыпки смеси зерен флюса и порошка никеля в трубчатую заготовку ее герметизировали путем вварки донышек в торцы трубчатой заготовки. Трубчатую заготовку деформировали при 1100°C путем прокатки в валках до диаметра 20 мм и далее при указанной температуре деформировали до уменьшения наружного диаметра порошковой проволоки d=4 мм в ротационно-ковочной машине. При деформировании выполнялось соотношение
.
Для определения состава и количества наночастиц никеля, образующихся при получении порошковой проволоки, часть ее сердечника взвешивали, затем получали коллоидный раствор его частиц в этиловом спирте и фильтровали через мембрану с размером ячеек 100 нм. Фильтрат после высыхания спирта взвешивали и определяли химический состав с помощью спектрометра с индукционно-связанной плазмой. Фракционный состав полученных наночастиц анализировали с помощью атомно-силового микроскопа.
В результате исследований установлено, что при массовом содержании модифицирующего компонента (никеля) 5% от зерен флюса массовая доля наночастиц никеля составила 0,005%, а при массовом содержании никеля 40% е от зерен флюса массовая доля наночастиц никеля составила 0,0054%.
При массовом содержании порошка никеля 22,4% е от зерен флюса массовая доля наночастиц никеля составила 0,0052%.
Содержание наночастиц флюса в рассмотренных случаях не превышало 0,1% масс. от массы наночастиц модифицирующего компонента (никеля), что не снижает эффективность наномодификатора (наночастиц никеля).
Плотность заполнения порошкового наполнителя по длине полученных порошковых проволок определяли металлографическим анализом (на поперечных и продольных шлифах). Плотность заполнения была равномерной и составила 68%, 68,5% и 69,5% для содержания модифицирующего компонента (никеля), соответственно 5%, 22,4% и 40% от зерен флюса.
Пример 2. Проведены испытания в соответствии с условиями, изложенными в примере 1, но при пределе прочности зерен флюса на сжатие 425 МПа. Прочность зерен модифицирующих компонентов на 29,2% меньше прочности зерен порошка флюса.
Испытания показали, что условие, при котором значение предела прочности зерен модифицирующих компонентов на 30% меньше прочности зерен порошка флюса, является пороговым для начала интенсивного образования наночастиц флюса. Установлено, что при рассматриваемых в данном примере условиях доля наночастиц флюса составила более 5% от массы наночастиц модифицирующего компонента (никеля), что является недопустимой примесью для наномодификатора.
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>500</mn></mrow>
Пример 3. Были проведены испытания, в которых взята трубчатая заготовка из стали 08Г2С с наружным диаметром D=800 мм (полый слиток). Герметизация слитка осуществлялась путем вварки донышек. Состав засыпаемой в трубчатую заготовку смеси был идентичен составу, приведенному в примере 1. Слиток деформировался в горячем состоянии по технологии получения проволок сплошного сечения с деформацией его наружного диаметра до 6,2 мм (диаметр, характерный для катанки при производстве проволок сплошного сечения). Затем деформированную до диаметра катанки трубчатую заготовку волочили на холоду на волочильном стане до диаметра 1,6 мм. Соотношение D/d составило
.
В результате выполненных испытаний установлено, что при массовом содержании модифицирующего компонента (никеля) 5% от зерен флюса массовая доля наночастиц никеля составила 0,05%, а при массовом содержании никеля 40% е от зерен флюса массовая доля наночастиц никеля составила 0,052%.
Плотность заполнения порошкового наполнителя по длине полученных порошковых проволок, определенная металлографическим анализом (на поперечных и продольных шлифах), была равномерной и составила 70% и 72% для содержания модифицирующего компонента (никеля), соответственно 5% и 40% от зерен флюса.
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>571</mn></mrow>
Пример 4. Проведены испытания в соответствии с условиями, изложенными в примере 3, но деформирование трубчатой заготовки осуществляли до диаметра 1,4 мм. Соотношение D/d составило
.
Испытания показали, что при данных условиях доля образующихся наночастиц модифицирующего компонента (никеля) составила при массовом содержании модифицирующего компонента (никеля) 5% от зерен флюса - 0,07%, а при массовом содержании модифицирующего компонента (никеля) 40% от зерен флюса - 0,08%. Полученное содержание наночастиц никеля существенно превышает необходимое предельное значение (0,05%).
<mrow><mfrac><mi>D</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>500</mn></mrow>
Таким образом, для обеспечения наномодифицирующего эффекта уменьшение диаметра трубчатой заготовки не должно превышать соотношения
.
Приведенные примеры подтверждают правильность технического решения при выбранных операциях, интервалах по составу и расчетных соотношениях.
Предложенное техническое решение при выбранных расчетных соотношениях, интервалах по составу и операциях позволило обеспечить повышение качества порошковой проволоки за счет получения равномерной плотности порошкового наполнителя по длине порошковой проволоки и наличия в ее сердечнике наномодификатора в виде наночастиц, непосредственно образующихся в процессе получения порошковой проволоки.