ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА
FLUX CORED WIRE

Изобретение относится к области электродуговой наплавки износостойких сплавов, в частности к составу порошковой проволоки, и может быть использовано для повышения стойкости деталей оборудования и инструмента, работающих в условиях интенсивного износа при повышенных температурах (до 900°C) с ударными нагрузками, например деталей прессового инструмента горячего деформирования, валков горячей прокатки.
Известна порошковая шихта для наплавки (авторское свидетельство СССР №360186, B23K 35/36, опубл. Б.И. №36, 1972 г.), которая может использоваться при наплавке деталей нефтепромыслового оборудования, и содержащая компоненты в следующем соотношении, %:
диборид титана
0,5÷20
никель
0÷10
карбид бора
- остальное
Металл, полученный при электродуговой наплавке низкоуглеродистой проволокой по шихте известного состава под слоем сварочного флюса, имеет высокую твердость после наплавки (НУ 800-850), что делает невозможным обрабатывать режущим инструментом наплавленный металл в состоянии после наплавки. Кроме того, к недостаткам известного материала следует отнести необходимость предварительного подогрева перед наплавкой до высокой температуры (450-550°C) и низкую износостойкость в условиях температурно-силового воздействия (ТСВ), которая обусловлена высоким удельным объемом карбоборидных фаз, приводящих к его охрупчиванию.
Известна порошковая проволока (авторское свидетельство СССР №476118, B23K 35/36, опубл. Б.И. №25, 1975 г.) для износостойкой наплавки инструмента горячего деформирования, состоящая из стальной оболочки и шихты, следующего состава, мас.%:
углерод
0,05÷0,1
марганец
0,8÷1,2
никель
7,5÷8,5
ферроиттрий
0,05÷0,1
ферромолибден
12÷13
феррованадий
0,8÷1,2
железный порошок
0,3÷5,25
хром
6÷7
ферросилиций
1,8÷2,5
ферротитан
0,8÷1,2
стальная оболочка
- остальное
3
2
Металл, полученный известной порошковой проволокой, достигает максимальной твердости после старения при температуре 600°C в течение 2-4 часов (за счет образования интерметаллидных фаз NiTi и фаз Лавеса FeMo), что может привести к разупрочнению основы штампа из стали 5ХНМ и ей подобных. Эксплуатационные свойства такого типа наплавленного металла при длительном ТСВ исчерпываются из-за усиливающегося влияния на его разупрочнение диффузионного фактора, т.к. в результате выдержки при температуре свыше 700°C упрочняющие фазы коагулируют и частично растворяются.
Наиболее близкой по химическому составу является порошковая проволока, предназначенная для механизированной износостойкой наплавки в среде аргона деталей, работающих при повышенной температуре (до 600°C), состоящая из металлической оболочки (армко-железа) и шихты, содержащей компоненты при следующем соотношении, %:
хром
10÷20
молибден
11÷25
титан
2÷4
алюминий
0,9÷1,2
никель
- остальное
3
3
Наплавленный данной порошковой проволокой металл Н13Х4М3ТЮ достигает максимальной твердости после старения при температуре 500°C в течение 2 часов (за счет образования интерметаллидных фаз NiTi и NiAl), но имеет недостаточную теплостойкость (до 600°C), вызванную явлением возврата (т.е. растворением упрочняющих фаз при повышении температуры выше температуры старения), что обуславливает его низкую износостойкость в условиях ТСВ.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание такого состава порошковой проволоки, который обеспечивал бы получение наплавленного металла, достигающего максимального упрочнения при температурах до 500°C и обладающего высокой теплостойкостью и износостойкостью в условиях ТСВ, за счет замедления диффузии легирующих элементов труднорастворимыми мелкодисперсными фазами.
Технический результат достигается за счет того, что порошковая проволока, состоящая из низкоуглеродистой стальной оболочки (армко-железо) и порошкообразной шихты, содержащей никель, молибден, хром, титан, алюминий, причем шихта дополнительно содержит ферросилиций, феррованадий, карбид бора, диборид титана, диборид циркония, кремнефтористый натрий и железный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
никель
11÷13,5
молибден
3÷5,5
хром
3÷5,5
ферросилиций
0,8÷2,5
феррованадий
1,5÷3,5
титан
0,5÷1,0
алюминий
0,5÷1,0
карбид бора
0,5÷1,5
диборид титана
1,5÷2,5
диборид циркония
0,5÷1,5
кремнефтористый натрий
0,5÷1,0
железный порошок
0,5÷14,5
стальная оболочка
- остальное.
Для изготовления порошковой проволоки используют чистые порошки металлов, варьируя состав шихты в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл. Наплавка предложенной проволокой может производиться под фторидными флюсами либо в аргоне.
Введение никеля снижает температуру точки прямого мартенситного превращения, и при содержании его в металле свыше 9% создаются условия для получения чисто мартенситной структуры при любых скоростях охлаждения. Благодаря наличию никеля в металле образуется мартенситная матрица с высокой плотностью дислокаций, способных двигаться, что создает условия для протекания пластической деформации и тем самым придает мартенситу высокую пластичность и ударную вязкость. Никель может как непосредственно участвовать в образовании упрочняющих фаз с алюминием и титаном, так и усиливать эффект старения за счет уменьшения предела растворимости молибдена в твердом растворе α-железа.
2
Молибден повышает теплостойкость и прочность наплавленного металла. При старении образует упрочняющую фазу FeMo, которая преимущественно выделяется на дислокациях в теле зерна, не снижая пластических свойств стали после старения.
Кремний и хром не вызывают старения мартенсита железо-никелевых сплавов. Однако их присутствие в сталях, легированных молибденом, титаном и алюминием, увеличивает степень упрочнения наплавленного металла при старении. Кремний существенно снижает предел растворимости молибдена в твердом растворе α-железа, увеличивая количество и дисперсность выделяющейся упрочняющей фазы при старении, т.е. введение 1% кремния равносильно дополнительному введению 2-3% молибдена. При содержании кремния в наплавленном металле до 1,5% не приводит к снижению его пластических свойств. Хром снижает предел растворимости молибдена, титана и алюминия в твердом растворе α-железа, способствует образованию на поверхности наплавленного металла прочной пленки окислов, препятствующих налипанию прессуемого и прокатываемого металла, и уменьшает процесс окалинообразования.
3
3
Введение в состав шихты титана и алюминия позволяет упрочнить наплавленный металл в процессе старения интерметаллидными фазами типа NiTi и NiAl. Кроме того, алюминий является энергичным нитридообразующим элементом, способным связывать азот в прочные соединения A1N и снижать тем самым пористость наплавленного металла.
Ванадий и цирконий являются хорошими модификаторами, позволяющими значительно измельчить зерно, предупреждают рост крупных столбчатых кристаллов, в результате чего устраняется возможность образования «горячих» трещин и улучшаются физико-механические свойства наплавленного металла.
Введение карбида бора, диборидов титана и циркония ведет к выделению в структуре наплавленного металла карбоборидной эвтектики, которая, располагаясь в виде каркаса между кристаллами мартенсита, воспринимает часть энергии ударов и рассредотачивает ее на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость наплавленного металла к ударным нагрузкам. Кроме того, карбоборидная эвтектика препятствует «зернограничной ползучести», повышает стойкость против образования горячих трещин. Кроме того, ванадий, молибден, цирконий и титан под воздействием высоких (до 900°C) температур и значительных ударных нагрузок образуют мелкодисперсные труднорастворимые карбобориды, способствующие увеличению износостойкости наплавленного металла при повышенных температурах, повышая его вязкость и разгаростойкость.
Введение кремнефтористого натрия в количестве 0,5-1,0% в состав порошковой проволоки позволило уменьшить опасность образования пор в наплавленном металле.
Железный порошок необходим для получения расчетного коэффициента заполнения порошковой проволоки, что обеспечивает получение металла требуемого химического состава. Так же железный порошок способствует равномерности плавления шихты и оболочки, что улучшает сварочно-технологические свойства порошковой проволоки.
Для количественной оценки воздействия легирующих элементов на свойства наплавленного металла были изготовлены 6 составов порошковой проволоки, приведенные табл.1.
Таблица 1
Состав
Количественный состав порошковой проволоки, %
Ni
Cr
Mo
FeSi
FeV
Al
Ti
В<sub>4</sub>С
TiB<sub>2</sub>
ZrB<sub>2</sub>
Na<sub>2</sub>SiF<sub>6</sub>
Fe порошок
Fe лента
Предлагаемый
1
15
4,2
4,6
2,0
1,0
1,0
1,0
0,2
0,5
0,5
0,2
10,4
59,4
2
12,5
4,2
5,5
0,8
3,5
0,5
0,5
0,5
1,5
1,0
0,8
9,2
59,5
3
13,5
4,2
5,1
1,5
3,0
0,7
0,7
1,0
1,5
1,5
0,8
5,5
61
4
12
5,1
4,2
2,5
3,5
1,0
0,5
1,5
2,5
0,5
0,8
3,2
62,7
5
10
б
3,5
1,5
2
0,7
0,5
2,0
2
1
0,2
8,9
61,7
Прототип
6
13,5
4,2
3,1
-
-
0,8
1,5
-
-
-
-
20,1
56,8
Оболочку изготавливали из армко-железа по ГОСТу 3836-83 сечением 15×0,5 мм, в качестве шихты использовали смесь порошков никеля марки ПНЭ по ГОСТу 9722-97, хрома марки Х99 по ГОСТу 5905-79, молибдена по ТУ 48-19-316-92, ферросилиция марки ФС75 по ГОСТу 1415-93, феррованадия марки ФВд50У0,3 по ГОСТу 27130 - 94, титана по ТУ 14-1-2886-80, алюминия марки ПА-4 по ГОСТу 5494-95, карбида бора по ГОСТу 5744-85, диборида титана по ТУ 113-07-11.004-89, диборида циркония по ТУ 6-09-03-46-75, железа марки ПЖР2 по ГОСТу 9849-86, кремнефтористого натрия по ТУ 113-08-587-86, при коэффициенте заполнения 37,3-40,5%.
Порошковыми проволоками ⌀ 3 мм на аппарате А-820 М под флюсом АНФ-6 выполнялась трехслойная наплавка на ребро пластин из стали 45 толщиной 20 мм. Из наплавленного металла изготавливались образцы для проведения исследований по известным методам.
Дюрометрические исследования проводили на образцах из наплавленного металла после наплавки, старения (490°C - 2 час) и отпуска (старение при 490°C - 2 час +выдержка при 825°C - 2 час): твердость по Роквеллу измеряли на приборе Wolpert Group Model 600MRD (за величину твердости бралось среднее значение твердости - 5 замеров); твердость по Виккерсу измеряли на приборе Wolpert Group 402MVD при нагрузке Р=100 г. Испытания на износостойкость проводили на образцах из наплавленного металла после старения (490°C - 2 час) по известной методике (Ламзин А.Г. Метод испытания материалов, работающих при трении в условиях циклических теплосмен. - Сб. «Трение и изнашивание при высоких температурах». - М: Изд-во «Наука», 1973 г. 15-16 с). Результаты испытаний выражались в виде коэффициента относительной износостойкости ε, численно равного отношению глубины выработанной канавки в миллиметрах эталона (сталь ЗХ2В8 после закалки 1100°C и отпуска при 600°C) и испытуемого металла за одинаковое время. Определение ударной вязкости производили на маятниковом копере Metro Com 06103300 при Т=20°C на призматических образцах из наплавленного металла после старения (490°C - 2 час) с U-образными надрезами в соответствии с ГОСТом 9454-78. Результаты дюрометрических исследований и испытаний на износостойкость и ударную вязкость сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Состав
Твердость наплавленного металла
Износостойкость, ε
KCU,МДж/м<sup>2</sup>
после наплавки
после старения
после отпуска
HRC
HV
HRC
HV
HRC
HV
Предлагаемый
1
32,5
378…412
51,5
569…644
38
381…467
2,27
0,35
2
35,5
391…436
54
635…702
42
450…493
3,24
0,37
3
38
446…479
56
662…717
43
454…529
3,48
0,34
4
42
474…512
60,5
683…746
46
494…68
3,69
0,27
5
44
491…546
62,5
693…784
47,5
504…579
3,81
0,18
Прототип
6
32
358…396
48
484…537
30,5
324…362
1,29
0,42
23
6
7
3
3
3
2
Как видно из таблицы 2, наилучшими свойствами обладает металл, полученный порошковыми проволоками 2, 3 и 4 состава. Данные составы позволяют получать наплавленный металл, значительно превосходящий металл, полученный проволокой-прототипом по твердости 1,2-1,5 раза, по износостойкости 2,5-2,8 раза, при сохранении высокой величины ударной вязкости. Такие свойства наплавленного металла полученного порошковой проволокой заявленного состава можно объяснить тем, что он представляет собой композиционную структуру, состоящую из многокомпонентных карбоборидных фаз - М(С,В) и М(С,В) на основе Fe, V, Mo, Ti, Zr, расположенных в виде каркаса между кристаллами безуглеродистого мартенсита (α - твердый раствор), упрочненного интерметаллидными фазами NiTi, NiAl и FeMo (см. чертеж).
Металл, полученный предложенной порошковой проволокой, не содержит в своем составе дефицитные элементы и обладает высокой прочностью, теплостойкостью и износостойкостью, при сохранении пластических свойств, что позволяет значительно повысить стойкость кузнечно-прессового инструмента горячего деформирования в условиях длительного ТСВ.