УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ
DEVICE FOR ELECTROSLAG HARD-FACING

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при восстановлении деталей машин, изготовленных из высоколегированных сталей сваркой или наплавкой.
Известны способы восстановления деталей, изготовленных из высоколегированных сталей, путем их наплавки. Для деталей, имеющих большие габаритные размеры наиболее технологически простым и экономически эффективным способом восстановления является электрошлаковая наплавка.
Однако при осуществлении электрошлаковой наплавки высоколегированными наплавочными материалами возникают проблемы получения наплавленного слоя металла с заданными механическими характеристиками, такими как прочность и ударная вязкость.
Низкая прочность и ударная вязкость наплавляемого металла обусловлена как выдавливанием легирующих добавок в межкристаллитное пространство, так и образованием древовидной кристаллической структуры при кристаллизации наплавленного металла.
Для устранения этих недостатков используются устройства для электрошлаковой наплавки, в которых реализуются различные технологии воздействия на процесс электрошлаковой наплавки.
Известно устройство для электрошлаковой наплавки, принцип действия которого основан на воздействии электромагнитного поля на кристаллизатор [Пат.2271267 Российская Федерация, МПК В23К 25/00, В23Р 6/00. Способ электрошлаковой наплавки крупногабаритных торцов / Зорин И.В., Соколов Г.Н., Лысак В.И., Цурихин С.Н.; патентообладатель Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) - №2004119637/02; заявл. 28.06.2004; опубл. 10.03.06, Бюл. №8.: ил.].
Известное устройство для электрошлаковой наплавки содержит секционный кристаллизатор, предназначенный для формирования наплавляемого металла, систему полых неплавящихся электродов, предназначенных для подачи наплавочного легированного металла с различными легирующими добавками, имеющих разные температуры плавления, и два независимых источника электрического питания. Кристаллизатор представляет собой цилиндрическую емкость без дна, состоящую из двух соединенных цилиндрических секций токоподводящей и формирующей, которые электрически изолированы между собой горизонтальной прокладкой. Верхняя секция является токоподводящей и выполнена с вертикальной сквозной прорезью, в которой установлена вертикальная электроизолирующая прокладка. При этом токоподводящая секция у вертикальной прорези подключена к первому независимому источнику электрического питания.
Система полых неплавящихся электродов, например двух электродов, установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по окружности и связана со вторым независимым источником электрического питания.
Известное устройство для электрошлаковой наплавки работает следующим образом.
В рабочем состоянии формирующая секция кристаллизатора своим основанием устанавливается на наплавляемую деталь, которая является дном кристаллизатора. Жидкий шлак заливается в кристаллизатор, причем верхний уровень шлаковой ванны располагается выше нижнего края токоподводящей секции.
К токоподводящей секции и наплавляемой детали подается электрический ток от первого независимого источника электрического питания. Подача электрического тока от первого независимого источника электрического питания осуществляется в месте вертикальной прорези на токоподводящей секции, что приводит к созданию кругового магнитного поля только в зоне шлаковой ванны. В результате шлаковая ванна приводится во вращение в горизонтальной плоскости.
Наплавочный легированный металл через совершающие механические колебания полые неплавящиеся электроды подается в шлаковую ванну, в которой он расплавляется под действием электрического тока от второго независимого источника электрического питания. Созданное этим током магнитное поле приводит расплавленный металл со шлаком в движение в вертикальной плоскости.
Воздействие двух магнитных полей и механических колебаний неплавящихся электродов приводит к образованию в шлаковой ванне торообразного вращающегося высокотемпературного потока шлака и легированного металла и равномерному перемешиванию расплавленных легирующих добавок и компонентов шлака.
Равномерно перемешанный расплавленный легированный металл оседает на наплавляемую деталь, где образуется расплавленная металлическая ванна, в которой при охлаждении металла происходит процесс его кристаллизации. Центрами кристаллизации являются твердые зерна наплавленного или основного металла восстанавливаемой детали. Кристаллы металла начинают расти на твердой поверхности зерен наплавленного металла в направлении максимального теплоотвода перпендикулярно касательной к фронту затвердевания, то есть к центру металлической ванны. При этом в процессе образования кристаллической решетки происходит ликвация легирующих добавок, так как легирующие добавки в жидком металле растворяются лучше, чем в твердом. Выделенные легирующие добавки из раствора скапливаются по границам кристаллов, образуя между кристаллами металла прослойки легирующих добавок.
Наличие прослоек легирующих добавок между кристаллами металла приводит к переохлаждению расплава металла, что, в свою очередь, увеличивает скорость кристаллизации. При высокой скорости кристаллизации металл кристаллизуется в расплаве в виде игл, образуя стволы (по оси первого порядка). От них по осям второго порядка растут ветви, на которых могут быть новые ветви, растущие по осям третьего порядка, и т.д. В результате образуются древовидные кристаллиты.
Закристаллизовавшийся металл образует на восстанавливаемой детали слой легированного металла. Наплавленный металл на восстанавливаемой детали имеет древовидную кристаллическую структуру с прослойками легирующих добавок между ними.
Процесс наплавки продолжается до полного восстановления детали.
Использование известного устройства для электрошлаковой наплавки позволяет получить легированный металл с прочностью среднелегированной стали.
Недостатком является низкая ударная вязкость, обусловленные древовидной структурой кристаллитов и образованием в межкристаллитном пространстве металла прослоек легирующих добавок за счет высокой скорости процесса кристаллизации.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для электрошлаковой наплавки, принцип действия которого основан на воздействии электромагнитного поля на кристаллизатор и которое позволяет восстанавливать детали из легированной износоустойчивой стали [Пат. 2286229 РФ, МПК B22D 19/10, С22В 9/193, В21В 28/02. Способ электрошлаковой наплавки жидким металлом композитных валков и устройство для его осуществления / Скударь Г.М., Севостьянов С. В., Шабанов В.Б., Свиридов О.В, ВолковА.С, Стрельников Н.П., Нощенко Г.В, НовоселовС. В, Велик В.Н., Попырев А.В.; патентообладатель Закрытое акциомерное общество «Новокраматорский машиностроительный завод» (UA) - №2004119958/02; заявл. 17.05.2002; опубл. 27.10.2006, Бюл. №30].
Известное устройство для электрошлаковой наплавки содержит секционный кристаллизатор, предназначенный для формирования наплавляемого металла, два независимых источника электрического питания и механизм подъема кристаллизатора относительно восстанавливаемой детали.
Кристаллизатор представляет собой цилиндрическую емкость без дна, состоящую из трех соединенных цилиндрических секций - токоподводящей, промежуточной и формирующей, которые электрически изолированы между собой горизонтальными прокладками.
Токоподводящая секция кристаллизатора предназначена для нагрева жидкого шлака и расплавления металла и подключена к первому независимому источнику электрического питания.
Промежуточная секция кристаллизатора предназначена для вращения и нагрева жидкого шлака и выполнена со сквозными вертикальными прорезями, в которых установлены вертикальные электроизолирующие прокладки. Промежуточная секция подключена ко второму независимому источнику электрического питания для создания кругового магнитного поля.
Формирующая секция кристаллизатора предназначена для формирования наплавленного слоя легированного металла.
Кристаллизатор соединен с механизмом подъема.
Известное устройство для электрошлаковой наплавки работает следующим образом.
В рабочем состоянии формирующая секция кристаллизатора своим основанием устанавливается на наплавляемую деталь, которая является дном кристаллизатора. В кристаллизатор до уровня, превышающего нижнее основание токоподводящей секции, заливается расплавленный легирующий шлак, который разогревается электрическим током первого независимого источника электрического питания. В разогретую шлаковую ванну токоподводящей секции заливается жидкий металл с легирующими добавками, в которой происходит перемешивание металла со шлаком.
На промежуточную секцию подается ток от второго независимого источника электрического питания. Подача электрического тока от второго независимого источника электрического питания приводит к созданию кругового магнитного поля в шлаковой ванне и равномерному перемешиванию компонентов расплавленного шлака с легированным металлом в шлаковой ванне в промежуточной секции.
Равномерно перемешанный расплавленный легированный металл оседает на наплавляемую деталь в формирующую секцию кристаллизатора, где образуется металлическая ванна. Вращение расплавленного шлака в промежуточной секции за счет сил трения приводит во вращение расплавленный металл в формирующей секции в зоне контакта шлаковой и металлических ванн.
При этом в зоне контакта шлаковой и металлических ванн окислители в шлаке окисляют легирующие добавки расплавленного металла в оксиды, которые всплывают в шлаковую ванну. Процесс вывода легирующих добавок из расплавленного металла приводит к уменьшению их количества в наплавляемом металле, по сравнению с количеством легирующих добавок, находящихся в исходном металле.
Движение расплавленного металла в формирующей секции вовлекает в процесс окисления большее количество легирующих добавок, еще больше снижая количество легирующих добавок в наплавленном металле по сравнению с количеством легирующих добавок, находящихся в исходном легирующем металле.
Процесс кристаллизации металла в металлической ванне начинается на твердой поверхности зерен основного или наплавленного металла. При этом в процессе образования кристаллической решетки металла происходит ликвация легирующих добавок, что объясняется лучшим растворением легирующих добавок в жидком металле, чем в твердом. Выдавленные из раствора легирующие добавки скапливаются по границам кристаллов, образуя между кристаллами металла прослойки легирующих элементов.
Наличие прослоек легирующих элементов между кристаллами металла приводит к переохлаждению расплава металла, что, в свою очередь, увеличивает скорость кристаллизации. Металл при высокой скорости кристаллизации стремится кристаллизоваться в расплаве в виде игл с образованием стволов. Однако поступающие из промежуточной секции новые вращающиеся порции расплавленного металла разрушают игольчатые структуры металла в формирующей секции, создавая в наплавленном металле кристаллиты ячеистой структуры.
Закристаллизовавшийся металл образует на восстанавливаемой детали слой легированного металла. Наплавленный металл на восстанавливаемой детали имеет ячеистую структуру с прослойками легирующих добавок между ними.
По мере образования слоя наплавленного металла кристаллизатор поднимается. Процесс наплавки продолжается до полного восстановления детали.
Использование известного устройства для электрошлаковой наплавки позволяет получить легированный металл с прочностью среднелегированной конструкционной стали.
Недостатком является низкая ударная вязкость наплавленного металла, обусловленная наличием прослоек легирующих добавок в его межкристаллитном пространстве, и недостаточная прочность металла, соответствующая среднелегированной стали, что обусловлено уменьшением количества легирующих добавок в наплавленном металле по сравнению с количеством легирующих добавок, находящихся в исходном легирующем металле.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для электрошлаковой наплавки, позволяющее повысить ударную вязкость наплавленного металла за счет введения легирующих добавок из межкристаллитного пространства в кристаллическую решетку металла при одновременном повышении прочности металла до высоколегированной высокопрочной стали за счет переноса всех исходных легирующих добавок в наплавленный металл.
Для решения поставленной задачи в устройство для электрошлаковой наплавки, содержащее секционный кристаллизатор, предназначенный для формирования наплавляемого металла, включающий расположенные по высоте и изолированные друг от друга токоподводящую, промежуточную и формирующую секции и выполненный с возможностью перемещения относительно наплавляемой детали, а также первый и второй независимые источники электрического питания, при этом первый независимый источник электрического питания, предназначенный для нагрева сварочной ванны, подключен к токоподводящей секции, второй независимый источник электрического питания, предназначенный для создания кругового магнитного поля, подключен к промежуточной секции, а промежуточная секция выполнена со сквозными прорезями, в него введен кольцевой разомкнутый электромагнит, предназначенный для воздействия магнитным полем на жидкий наплавляемый металл, при этом кристаллизатор установлен в зазоре кольцевого разомкнутого электромагнита, который прикреплен у основания формирующей секции кристаллизатора и подключен к третьему независимому источнику электрического питания, причем высота стенки электромагнита и высота стенки формирующей секции кристаллизатора относятся как 1:2-1:3.
Заявляемое решение охарактеризовано по сравнению с прототипом новой совокупностью существенных признаков и отличается от него введением в устройство для электрошлаковой наплавки новых конструктивных элементов: кольцевого разомкнутого электромагнита с высотой стенок соотнесенной с высотой стенок формирующей секции кристаллизатора как 1:2-1:3, и третьего независимого источника электрического питания и новым взаимным расположением элементов в устройстве.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Введение в устройство для электрошлаковой наплавки кольцевого разомкнутого электромагнита с определенными параметрами и третьего независимого источника электрического питания приводит к переходу легирующих добавок из межкристаллитного пространства в кристаллическую решетку металла и полному переносу всех исходных легирующих добавок в наплавленный металл и, как следствие, к повышению ударной вязкости и прочности металла до высоколегированной стали. Это обусловлено сообщением дополнительной энергии магнитного поля кольцевого разомкнутого электромагнита кристаллизирующемуся металлу только в наиболее охлаждаемой нижней части формирующей секции, приводящем к замедлению образования кристалла основного металла и удержанию в нем атомов легирующих добавок при одновременном сохранении в наплавленном металле количества легирующих добавок, сопоставимого с  количеством легирующих добавок в исходном металле, за счет исключения возможности активного окисления легирующих добавок в металле с компонентами шлака в зоне их контакта.
Новая совокупность существенных признаков, приводящая к проявлению нового результата, не обнаружена в уровне техники, явным образом не следует из него, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлен вертикальный разрез устройства для электрошлаковой наплавки, иллюстрирующий заявляемое устройство и подтверждающий его работоспособность и промышленную применимость.
Устройство для электрошлаковой наплавки содержит секционный кристаллизатор 1, предназначенный для формирования наплавляемого металла, кольцевой разомкнутый электромагнит 2, предназначенный для воздействия магнитным полем на жидкий наплавляемый металл, три независимых источника электрического питания (не показаны) и механизм подъема 3 кристаллизатора 1 относительно восстанавливаемой детали.
Кристаллизатор 1 представляет собой цилиндрическую емкость без дна, состоящую из трех соединенных цилиндрических секций - токоподводящей 4, промежуточной 5 и формирующей 6, которые электрически изолированы между собой горизонтальными прокладками 7.
Токоподводящая секция 4 кристаллизатора 1 предназначена для нагрева жидкого шлака и расплавления металла и подключена к первому независимому источнику электрического питания.
Промежуточная секция 5 кристаллизатора 1 предназначена для вращения и нагрева жидкого шлака и выполнена со сквозной вертикальной прорезью, в которой установлена вертикальная электроизолирующая прокладка 8. Промежуточная секция 5 в зоне вертикальной электроизолирующей прокладки 8 подключена ко второму независимому источнику электрического питания для создания кругового магнитного поля.
Формирующая секция 6 кристаллизатора 1 предназначена для формирования наплавленного слоя легированного металла.
Кристаллизатор 1 установлен в зазоре кольцевого разомкнутого электромагнита 2. При этом кольцевой разомкнутый электромагнит 2 прикреплен к формирующей секции 6 у основания кристаллизатора 1 и подключен к третьему независимому источнику электрического питания. Высота стенки электромагнита 2 и высота стенки формирующей секции 6 кристаллизатора 1 относятся как 1:2-1:3. Основания кольцевого разомкнутого электромагнита 2 и формирующей секции 6 кристаллизатора 1 установлены на одном уровне.
Кристаллизатор 1 соединен с механизмом подъема 3.
Устройство для электрошлаковой наплавки работает следующим образом.
В рабочем состоянии формирующая секция 6 кристаллизатора 1 своим основанием устанавливается на наплавляемую деталь, которая является дном кристаллизатора 1.
В кристаллизатор 1 до уровня. превышающего нижнее основание токоподводящей секции 4, заливается расплавленный легирующий шлак, который разогревается электрическим током первого независимого источника электрического питания. В разогретую шлаковую ванну токоподводящей секции 4 засыпается металлическая стружка легированного металла, в которой происходит расплавление металла и его перемешивание со шлаком.
В промежуточной секции 5 кристаллизатора 1 на шлаковую ванну воздействует круговое магнитное поле, созданное вторым независимым источником электрического питания, которое повышает температуру шлаковой ванны и приводит ее во вращение в горизонтальной плоскости. В результате в шлаковой ванне происходит интенсивное равномерное перемешивание компонентов легирующего шлака с расплавленным металлом при высокой температуре и восстановление легирующих добавок из их оксидов, входящих в состав шлака, с образованием свободных атомов легирующих добавок, которые растворяются в расплавленном металле.
Расплавленный металл с растворенными в них легирующими добавками оседает на дно формирующей секции 6 кристаллизатора 1, образуя в ней металлическую ванну расплавленного легированного металла, в которой происходит процесс кристаллизации металла под действием магнитного поля электромагнита 2.
С началом кристаллизации в металлической ванне формирующей секции 6 образуется два слоя металла, находящихся в разных агрегатных состояниях: в жидком и в кристаллизующимся, причем высота кристаллизующегося слоя составляет 1:2-1:3 высоты металлической ванны формирующей секции 6. Электромагнитное поле электромагнита 2 действует в металлической ванне только на слой кристаллизующегося металла и не действует на жидкий металл, находящийся в верхней части металлической ванны формирующей секции 6.
Легирующие добавки в жидком металле, контактирующем со шлаком, и не подверженном действию внешних сил, окисляются окислителями из шлака. Оксиды этих добавок переходят из металла в шлак в зоне их контакта только за счет естественного теплового движения, не затрагивая глубинные слои жидкого металла. Это приводит к сохранению в жидком металле исходного количества легирующих добавок. Следовательно, легирующие добавки остаются в жидком металле и переходят в твердую фазу при кристаллизации.
Кристаллы легированного металла начинают расти на твердой поверхности зерен основного металла восстанавливаемой детали. При этом в процессе образования кристаллической решетки происходит ликвация легирующих добавок, так как легирующие добавки лучше растворяются в жидком металле, чем в твердом. Выдавленные из раствора легирующие добавки скапливаются по границам кристаллов, образуя между кристаллами металла прослойки легирующих элементов.
Наличие прослоек легирующих элементов между кристаллами металла приводит к переохлаждению расплава металла, что, в свою очередь, увеличивает скорость кристаллизации. Металл при высокой скорости кристаллизации стремится кристаллизоваться в расплаве в виде игл с образованием стволов.
Новые порции расплавленного жидкого металла, поступившие в слой кристаллизующего металла, под действием сил электромагнитного поля электромагнита 2 приходят в направленное движение, разрушая игольчатые структуры металла, создавая в наплавленном металле кристаллиты ячеистой структуры.
Кроме того, энергия магнитного поля электромагнита 2 сообщает кристаллизующемуся металлу дополнительную энергию, повышая его температуру, что приводит к замедлению образования кристалла основного металла и удержанию в кристалле основного металла атомов легирующих добавок. Легирующие добавки структурируются в кристаллите основного металла без образования прослоек легирующих добавок в межкристаллитном пространстве, что уменьшает процесс их ликвации.
В результате закристаллизовавшийся металл образует на восстанавливаемой детали слой легированного металла, имеющего мелкозернистую ячеистую структуру с легирующими добавками в количестве, сопоставимом с количеством легирующих добавок в исходном металле, равномерно распределенными в кристаллической решетке металла без прослоек легирующих добавок в межкристаллитном пространстве.
По мере образования слоя наплавленного металла кристаллизатор 1 механизмом подъема 3 поднимается относительно восстанавливаемой детали. При этом магнитное поле электромагнита 2 всегда воздействует только на кристаллизирующуюся часть металла в формирующей секции 6.
Процесс наплавки продолжается до полного восстановления детали.
При выборе высоты стенок электромагнита 2 меньше 1:3 высоты формирующей секции 6 магнитное поле электромагнита 2 воздействует не на всю зону кристаллизующегося металла. В результате при кристаллизации в наплавленном металле, создаются кристаллиты древовидной структуры и сохраняются процессы ликвации, создающие прослойки легирующих добавок в межкристаллитном пространстве.
При выборе высоты стенок электромагнита 2 больше 1:2 высоты формирующей секции 6 магнитное поле электромагнита 2 воздействует на всю зону металлической ванны. В результате в движение приходит расплавленный металл в верхней части металлической ванны, вовлекает в процесс окисления большее количество легирующих добавок, тем самым снижая количество легирующих добавок в наплавленном металле по сравнению с количеством легирующих добавок, находящихся в исходном легирующем металле.
В условиях учебных мастерских кафедры «Технология металлов» ДВГУПС проведены опытные наплавки электрошлаковым способом на заявляемом устройстве и устройстве-прототипе, металлографические исследования и механические испытания образцов наплавленного металла.
Пример 1.
2
2
2
3
2
2
3
Для наплавки использован цилиндрический кристаллизатор внутренним диаметром 150,0 мм, состоящий из трех секций, высота нижней формирующей секции составляла 25,0 мм. Кольцевой разомкнутый электромагнит изготовлен с высотой стенки в зазоре 12,5 мм. В качестве наплавочного металла применена мелкая стружка из стали с содержанием вольфрама 22%. В качестве шлака использован расплавленный флюс АН-8, содержащий SiO в пределах 33,0-39,0%, MnO -21,0-26,0%, CaF - 3,5-8,4%, CaO - 4,0-7,0%, MgO - 5,0-7,5%, АlО - 11,0-15,0%, CaF- 13,0-19,0%, FeO- 1,5-3,5%.
Высота наплавленного металла составляла 50,0 мм.
Пример 2. Наплавка осуществлялась, как в примере 1. Для наплавки использован кольцевой разомкнутый электромагнит с высотой стенки в зазоре 8,5 мм.
Пример 3. Наплавка осуществлялась, как в примере 1. Для наплавки использован кольцевой разомкнутый электромагнит с высотой стенки в зазоре 15,0 мм.
Пример 4. Наплавка осуществлялась, как в примере 1. Для наплавки использован кольцевой разомкнутый электромагнит с высотой стенки в зазоре 7,0 мм.
Пример 5. Наплавка осуществлялась, как в примере 1. Для наплавки использован кристаллизатор по прототипу.
Исследование твердости образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 9012-59 по методу Бринелля. Испытания на ударную вязкость проводились в соответствии с ГОСТ 9454-78. Испытания на прочность при разрыве проводились в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Исследование структуры полученных сплавов при микроскопическом анализе проводилось с помощью металлографического микроскопа ЕС МЕТАМ РВ-21 при увеличении до ×1000 и программно-аппаратного комплекса металлографического анализа «СпектрМет-5.6». Микротвердость определялась на приборе ПМТ-3 с учетом рекомендаций по выбору нагрузки и времени нагружения. Особенности строения полученных материалов изучались на растровом электронно-зондовом микроскопе JXA-8100 (IEOL, Япония) с приставкой электронно-зондового микроанализатора - рентгеновского спектрометра EDS (Великобритания) с волновой дисперсией. Элементный состав полученных материалов изучался с помощью рентгеновского спектрометра "Спектроскан MAKC-GV". Фазовый состав исследовали на рентгеновском дифрактометре "ДРОН-7".
Результаты механических испытаний, химического и фазового анализа наплавленного металла приведены в таблице.
Таблица
Механические показатели и химический состав наплавленного металла
№ примера
Высота электромагнита в зазоре, мм
Содержание вольфрама в исходном металле, %
Механические показатели
Содержание вольфрама в наплавленном металле, %
Содержание вольфрама в кристаллической решетке наплавленного металла, %
Твердость по Бринеллю, НВ
Ударная вязкость, МДж/м<sup>2</sup>
1
12,5
22,0
300
0,3
20,1
15
2
8,5
22,0
298
0,31
20,3
16
3
15,0
22,0
245
0,25
14,6
10,8
4
7,0
22,0
242
0,26
13,8
10,3
5
-
22,0
240
0,25
12,1
7,8
Результаты испытаний показывают, что механические показатели металла, наплавленного с помощью заявляемого устройства, значительно превосходят показатели металла, наплавленного с помощью устройства-прототипа. Это объясняется тем, что при применении заявляемого устройства из исходного металла в наплавляемый переходит большее количество вольфрама, и большая часть его находится в виде твердого раствора в кристаллической решетки железа.