ФЛЮС ДЛЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ ИЛИ НАПЛАВКИ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ИЛИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА (ЭШП)
FLUX FOR ELECTROSLAG WELDING OR WELDING BUILD-UP IN PARTS RECOVERY OR FOR ELECTROSLAG REMELTING

Изобретение относится к металлургии, в частности к электрошлаковой сварке, наплавке и переплаву, и может быть использовано для восстановления деталей, подверженных интенсивному износу, требующих больших объемов сварки, наплавки, например перемычки хвостовика автосцепки вагонов, локомотивов, а также для получения качественных инструментальных сталей методом электрошлакового переплава.
Использование известных флюсов позволяет сваривать изделия большой толщины и получать высокие механические характеристики (износостойкость, твердость, ударная вязкость) наплавляемого металла. Это достигается путем легирования наплавляемого металла при электрошлаковом процессе (сварке, наплавке, переплаве), при котором специальные вводимые в состав стали элементы в определенных концентрациях изменяют ее строение и свойства.
Известны способы легирования при электрошлаковом процессе, основанные на разных принципах: с использованием легирующей проволоки и нелегирующего флюса или с использованием легирующего флюса и нелегирующей проволоки. Использование легирующей проволоки позволяет получать свойства металла, напрямую зависящие от марки проволоки, что ограничивает возможности применения этого способа. В ряде случаев, при восстановлении деталей, требуется получение определенных механических свойств наплавленного металла. В таких случаях целесообразно использование легирующих флюсов. Их состав можно гибко регулировать и таким образом получать необходимые для наплавляемого металла свойства.
Известен флюс SPC Mn 40/360 [Сварочные материалы для дуговой сварки: Справочное пособие: В 2-х т. Т.1. Защитные газы и сварочные флюсы / Б.П.Конищев, С.А.Курсланов, Н.Н.Потапов и др.; Под общ. ред. Н.Н.Потапова. - М.: Машиностроение, 1989, 544 с., ил.], который включает легирующие, шлакообразующие компоненты и разжижитель. В качестве легирующих компонентов использованы оксиды кремния и марганца, в качестве шлакообразующих компонентов - оксиды кальция, магния, алюминия, железа и в качестве разжижителя - фторид кальция.
Указанные компоненты выбраны из интервала, мас.%:
оксид кремния
27-29
оксид марганца
10-12
оксид кальция
12-14
оксид магния
4-6
фторид кальция
8-10
оксид алюминия
33-36
оксид железа
до 2
В процессе сварки/наплавки металла с использованием известного флюса происходит расплавление компонентов флюса и материала сварочной проволоки с образованием сварочной ванны, в которой происходят восстановление кремния и марганца из оксидов с образованием оксида железа, образование защитного слоя на поверхности из жидких расплавленных компонентов флюса и растворение кремния и марганца в металле.
Железо сварочной проволоки в расплаве взаимодействует с оксидами кремния и марганца и как более активный элемент отбирает кислород из оксидов. В результате в сварочной ванне образуются свободные атомы кремния и марганца (легирующих элементов) и оксид железа.
Более легкие компоненты расплава всплывают на поверхность ванны, образуя на ней защитный шлаковый слой, защищающий расплав от взаимодействия с внешней средой.
Расплавленный металл проволоки как более тяжелый проходит через шлак, растворяет в себе атомы кремния и марганца и частично оксид железа, оседает на дно ванны, где остывает.
При охлаждении металла происходят образование кристаллической решетки и окислительные процессы. При образовании кристаллической решетки атомы кремния и марганца внедряются в решетку железа, легируя металл и увеличивая количество межатомных связей. Многократное повторение кристаллической решетки в пространстве образует кристалл стали.
Оставшиеся вне кристаллической решетки атомы кремния и марганца образуют дислокации внутри кристалла стали и участвуют в окислительных процессах с образованием неметаллических включений в межкристаллическом пространстве. Внутрикристаллические и межкристаллические дефекты деформируют кристаллическую решетку.
Достоинством известного флюса является получение конструкционной стали с прочной кристаллической решеткой, обусловленной наличием дополнительных межатомных связей.
Однако прочность металла является недостаточной для легирующих сталей, что обусловлено наличием внутрикристаллических и межкристаллических дефектов, деформирующих кристаллическую решетку.
Известен флюс [пат. РФ 2207388, МПК С22В 9/18, В23Р 6/00. Способ электрошлакового переплава / Бабенко Э.Г., Кузьмичев Е.Н., Верхотуров А.Д.; заявитель и патентообладатель Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН. - №2001126412/02; заявл. 28.09.01; опубл. 27.06.03; бюл. №18.: ил.], который включает легирующие и шлакообразующие компоненты, восстановитель и разжижитель. В качестве легирующего компонента использован оксид вольфрама, в качестве восстановителя - графит, в качестве шлакообразующих компонентов - доломит, оксиды железа, марганца, кремния и в качестве разжижителя - фторид кальция.
Указанные компоненты выбраны из интервала, мас.%:
графит
15-20
фторид кальция
10-15
доломит
0-40
оксид вольфрама
20-40
оксид железа
6-12
оксид марганца
2-5
оксид кремния
2-4
остальное
1-3
Оксиды вольфрама, железа, марганца, кремния и остальное содержатся в шеелитовом концентрате минерального сырья Дальневосточного региона.
2
В процессе сварки/наплавки металла с использованием известного флюса происходит расплавление компонентов флюса и материала сварочной проволоки с образованием сварочной ванны, в которой происходят процессы восстановления вольфрама из оксида с образованием оксидов углерода СО и СO, образование защитного слоя на поверхности из расплавленных компонентов флюса, растворение вольфрама в металле.
2
Углерод в расплаве взаимодействует с оксидом вольфрама и как более активный элемент отбирает из него кислород. В результате в сварочной ванне образуются свободные атомы вольфрама (легирующего элемента) и газы СО и СО, которые улетучиваются.
Более легкие компоненты в расплаве всплывают на поверхность ванны, образуя на ней защитный шлаковый слой, защищающий расплав от взаимодействия с внешней средой.
Расплавленный металл проволоки как более тяжелый, проходя через жидкий шлак, растворяет в себе атомы вольфрама, оседает на дно ванны, где остывает. Однако часть вольфрама остается в шлаке в виде оксидов. Полное восстановление вольфрама из оксидов ограничено количеством графита (углерода) в составе флюса, увеличение которого в шихте флюса приводит к повышению его электропроводимости и, как следствие, к нарушению технологии процесса электрошлакового переплава.
При охлаждении металла происходит образование кристаллической решетки. При образовании кристаллической решетки атомы вольфрама внедряются в решетку железа, легируя металл и увеличивая количество межатомных связей. Многократное повторение кристаллической решетки в пространстве образует кристалл стали, в межкристаллическом пространстве которого отсутствуют атомы кислорода и, как следствие - неметаллические включения (оксиды). Деформирования кристаллической решетки не происходит.
2
Твердость получаемого сплава составляет 55-60 HRC, ударная вязкость 4,5 кгс·м/см, коэффициент износостойкости относительно стали 40ХН 1,04.
Достоинство известного флюса заключается в повышении прочности стали, соответствующей среднелегированной стали, что обусловлено отсутствием межкристаллических дефектов, деформирующих кристаллическую решетку.
Недостаток известного флюса заключается в большом содержании вольфрама в отходах, что обусловлено неполным использованием вольфрама при легировании.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке флюса, повышающего прочность стали до высокопрочной высоколегированной и снижающего содержание вольфрама в отходах за счет максимального включения вольфрама в кристаллическую решетку, обусловленного полным восстановлением вольфрама.
Для решения поставленной задачи во флюсе для электрошлаковой сварки или наплавки при восстановлении деталей или электрошлакового переплава (ЭШП), включающем фторид кальция в качестве разжижителя шлака, восстановитель и в качестве легирующего и шлакообразующего компонента шеелитовый концентрат, содержащий оксид вольфрама 55-72%, оксид железа 10-25%, оксид марганца 2-10%, оксид кремния 3-8%, в качестве восстановителя использован ферросилиций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
ферросилиций - 9-20;
фторид кальция - 10-28;
шеелитовый концентрат - остальное.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Использование ферросилиция в качестве восстановителя приводит к повышению прочности стали до высоколегированной и снижению содержания вольфрама в отходах. Это обусловлено максимальным включением вольфрама в кристаллическую решетку железа за счет полного восстановления вольфрама ферросилицием. Причинно-следственная связь «полное восстановления вольфрама ферросилицием приводит к максимальному включению вольфрама в кристаллическую решетку железа и, следовательно, к повышению прочности стали, а также снижению содержания вольфрама в отходах» явным образом следует из уровня техники.
Однако прочность стали повышается не только за счет легирования, но и за счет увеличения количества кристаллов стали в том же объеме. Это обусловлено увеличением центров кристаллизации в расплавленном металле благодаря максимальному количеству в нем атомов вольфрама. Причинно-следственная связь «введение ферросилиция во флюс в качестве восстановителя приводит к повышению прочности высоколегированной стали до высокопрочной» явным образом не следует из уровня техники. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Заявляемый флюс включает легирующие и шлакообразующие компоненты, восстановитель и разжижитель. В качестве легирующего и шлакообразующего компонента использован шеелитовый концентрат, содержащий оксид вольфрама оксид железа, оксид марганца, оксид кремния, в качестве восстановителя - ферросилиций и в качестве разжижителя - фторид кальция.
Указанные компоненты выбраны из интервала, мас.%:
ферросилиций
9-20
фторид кальция
10-28
шеелитовый концентрат:
оксид вольфрама
55-72
оксид железа
10-25
оксид марганца
2-10
оксид кремния
3-8
Флюс получают следующим образом.
Легирующие и шлакообразующие компоненты (оксиды вольфрама, железа, марганца, кремния и прочие) получают, например, из шеелитового концентрата Дальневосточного региона, химический состав которого приведен в таблице 1. Для получения флюса берут шеелитовый концентрат, ферросилиций, например марки Си-75, и фторид кальция. Компоненты размалывают до фракций размером 0,3-0,4 мм, с последующим их механическим перемешиванием до получения смеси однородной фракции (однородного порошка). Полученная смесь гранулируется любым из известных способов до размеров гранул 1-3 мм с последующей просушкой и прокалкой.
В процессе сварки/наплавки металла с использованием заявляемого флюса происходит расплавление компонентов флюса и материала сварочной проволоки с образованием сварочной ванны, в которой протекают процессы восстановления вольфрама из оксидов, образование защитного слоя на поверхности из расплавленных компонентов флюса, растворение вольфрама в металле.
В процессе расплавления кремний ферросилиция, взаимодействуя с оксидом вольфрама в жидком шлаке, отбирает кислород. В результате в сварочной ванне образуются свободные атомы вольфрама и оксид кремния, которые вместе с более легкими компонентами шлака в расплаве всплывают на поверхность ванны, образуя на ней защитный шлаковый слой, защищающий расплав от взаимодействия с внешней средой.
Металл расплавленной проволоки, проходя через жидкий шлак, взаимодействует с атомами вольфрама, достигает дна шлаковой ванны и там кристаллизуется, формируя легированный металлический слиток.
При кристаллизации металла происходит образование кристаллической решетки, в которую внедряются атомы вольфрама. При этом количество межатомных связей увеличивается, что приводит к легированию металла. Многократное повторение кристаллической решетки в пространстве образует кристалл стали. Для получения флюса шеелит используют в интервале от 55 до 75 мас.% от всей массы флюса.
Пример 1. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,65 кг шеелита (65 мас.%), в котором содержится 0,39 кг оксида вольфрама (39 мас.%), 0,1 кг оксида железа (10 мас.%), 0,04 кг оксида марганца (4 мас.%), 0,03 кг оксида кремния (3 мас.%), остального - 0,09 кг (9 мас.%); а также 0,15 кг ферросилиция (15 мас.%) и 0,2 кг фторида кальция (20 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.
Пример 2. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,7 кг шеелита (70 мас.%), в котором содержится 0,4 кг оксида вольфрама (40 мас.%), 0,12 кг оксида железа (12 мас.%), 0,04 кг оксида марганца (4 мас.%), 0,04 кг оксида кремния (4 мас.%), остального - 0,1 кг (10 мас.%); а также 0,2 кг ферросилиция (20 мас.%) и 0,1 кг фторида кальция (10 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.
Пример 3. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,71 кг шеелита (71 мас.%), в котором содержится 0,41 кг оксида вольфрама (41 мас.%), 0,12 кг оксида железа (12 мас.%), 0,04 кг оксида марганца (4 мас.%), 0,04 кг оксида кремния (4 мас.%), остального - 0,1 кг (10 мас.%); а также 0,09 кг ферросилиция (9 мас.%) и 0,2 кг фторида кальция (20 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.
Пример 4. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,64 кг шеелита (64 мас.%), в котором содержится 0,37 кг оксида вольфрама (37 мас.%), 0,11 кг оксида железа (11 мас.%), 0,04 кг оксида марганца (4 мас.%), 0,03 кг оксида кремния (3 мас.%), остального - 0,09 кг (9 мас.%); а также 0,08 кг ферросилиция (8 мас.%) и 0,28 кг фторида кальция (28 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.
Пример 5. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,55 кг шеелита (55 мас.%), в котором содержится 0,32 кг оксида вольфрама (32 мас.%), 0,1 кг оксида железа (10 мас.%), 0,03 кг оксида марганца (3 мас.%), 0,03 кг оксида кремния (3 мас.%), остального - 0,07 кг (7 мас.%); а также 0,21 кг ферросилиция (21 мас.%) и 0,24 кг фторида кальция (24 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.
Исследования полученных сплавов проводили в лаборатории кафедры «Технология металлов» Института тяги и подвижного состава ГОУ ВПО ДВГУПС. Для выполнения химического, металлографического анализов и механических испытаний использовались образцы, вырезанные из центральной части полученных слитков. Для каждого испытания размеры образцов получали согласно требованиям соответствующего ГОСТа.
Анализ химического состава полученных сплавов и шлаков проводили в соответствии с ГОСТ 19265-73 и 4543-71 на рентгеновском спектрометре "СПЕКТРО-СКАН". Результаты химического анализа образцов и шлака приведены в таблице 2.
Металлографический анализ полученных сплавов проводился в соответствии с ГОСТ 22838-77 и 9450-76 на микроскопе ММР-2Р и ЕС МЕТАМ РВ-21, дюрометрический - на приборе микротвердомер ПМТ-3 с нагрузкой 50, 100 Н и с помощью автоматического структурного анализатора "EPIQVANT" с использованием стандартных шлифов.
Исследование полученных сплавов на износостойкость осуществлялось в соответствии с ГОСТ 17367-71 по стандартной схеме "вал-колодка" на машине трения МИ-402 {Московского завода испытательных машин и весов) в условиях трения без смазки при нагрузке 50 кгс. Материалом контртела служила сталь 40ХН, закаленная в масле (HRC 60-62).
Исследование твердости образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 9012-59, 9013-59 и 8.064-94, 299-75 и 22975-78 по методу Бринелля на приборе ТШ-2М; по методу Роквелла на приборе типа ТК-2; по методу Виккерса на приборе ТП-2.
Испытания на ударную вязкость проводились в соответствии с ГОСТ 9454-78. Испытания на прочность при разрыве проводились в соответствии с ГОСТ 1497-84. Результаты физико-механических испытаний образцов приведены в таблице 3.
Химический анализ образцов, полученных при использовании заявляемого флюса и флюса-прототипа, показал, что содержание вольфрама в наплавленном металле увеличилось в 2 раза, а в шлаке - уменьшилось в 7 раз. В результате получают сплав, который содержит до 16% вольфрама.
Физико-механические испытания стали, полученной с использованием заявляемого флюса, показали, что прочность по сравнению со сталью, полученной с использованием флюса-прототипа, увеличилась на 30%.
Таблица 1
Химический состав шеелитового концентрата Дальневосточного региона
Химическое соединение
оксид вольфрама
оксид железа
оксид марганца
оксид кремния
остальное
Содержание, %
55-72
10-25
2-10
3-8
8-18
Таблица 2
Химический состав полученных сплавов и шлаков
№№ примеров
Содержание компонентов в сплаве, %
Содержание вольфрама в шлаке, %
W
Si
Mn
С
Al
S
Р
Пример 1
15,62
0,38
0,10
0,32
0,11
0,01
0,027
0,30
Пример 2
14,18
0,35
0,14
0,3
0,1
0,01
0,022
0,4
Пример 3
12,36
0,36
0,17
0,33
0,14
0,011
0,019
0,25
Пример 4
10,44
0,35
0,12
0,31
0,14
0,013
0,02
0,50
Пример 5
11,45
0,37
0,15
0,32
0,12
0,012
0,021
0,36
Прототип
7,5
0,12
0,11
0,33
0,12
0,012
0,028
3,5
Таблица 3
Физико-механические показатели образцов
№№ примеров
Физико-механические показатели стали, ед. изм.
Твердость, HRC
Ударная вязкость, кгс·м/см<sup>2</sup>
Коэффициент износостойкости относительно стали 40ХН
Предел прочности, кгс/мм<sup>2</sup>
Пример 1
70
4,5
1,11
91
Пример 2
67
4,5
1,08
89
Пример 3
65
4,7
1,07
87
Пример 4
57
4,6
1,05
68
Пример 5
58
4,6
1,04
70
Прототип
55
4,5
1,04
62