ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА
FLUX CORED ELECTRODE

Изобретение относится к области электродуговой наплавки порошковой проволокой деталей, работающих в условиях трения металла о металл в контакте с коррозионной средой, и может быть использовано в энергетической, химической, нефтяной отраслях промышленности, например, для восстановления и упрочнения уплотнительных поверхностей запорной и дросселирующей аппаратуры, торцевых уплотнений контактных пар различных насосов, шнеков.
Известна порошковая проволока (авторское свидетельство СССР №428893, B23K 35/36, 1973 г.) для наплавки открытой дугой, состоящая из металлической оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, вес.%:
Рутиловый концентрат
13÷15,5
Плавиковый шпат
14÷16
Мрамор
6÷7,5
Ферротитан
15÷26
Феррохром
1,8÷2,2
Феррованадий
2÷8
Железный порошок
остальное
Недостатком известной проволоки является низкая твердость наплавленного металла.
Наиболее близким по химическому составу является изобретение (авторское свидетельство СССР №338336, B23K 35/36, 1972 г.), защищающее шихту порошковой проволоки для износостойкой наплавки посадочных поверхностей из углеродистых и низколегированных сталей, работающих в условиях трения металла о металл, в состав которой введен ферромолибден 0,2÷2,0 мас.%, а остальные компоненты взяты в следующем процентном отношении, мас.%:
Феррохром
0,5÷4
Ферромарганец
0,2÷2
Мрамор
0,5÷3
Плавиковый шпат
1÷5
Железный порошок
5÷25
Стальная оболочка
остальное
Однако металл, наплавленный известной порошковой проволокой, имеет недостаточную твердость (до 40 HRC) и коррозионную стойкость.
Задачей данного изобретения является повышение износостойкости наплавленного металла, работающего на истирание в контакте с агрессивными средами.
Технический результат достигается за счет того, что порошковая проволока, состоящая из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей мрамор, плавиковый шпат, феррохром, ферромолибден и железный порошок, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит рутил, графит и феррониобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Мрамор
4,8÷6,0
Плавиковый шпат
6,4÷9,5
Рутил
11,9÷14,3
Графит
0,7÷1,2
Феррохром
47,6÷52,4
Ферромолибден
7,1÷9,5
Феррониобий
3,6÷7,1
Железный порошок
остальное,
а коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 42%.
В качестве оболочки использовали стальную ленту марки 08кп размером 15×0,5 мм по ГОСТ 503-81. Для изготовления порошковой проволоки используются как ферроматериалы, так и 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 как на открытом воздухе без дополнительной защиты, так под флюсом и в среде защитных газов.
Проволока обеспечивает следующий химический состав наплавленного металла во втором слое, мас.%:
Углерод
0,20÷0,45
Хром
13÷15
Молибден
1,2÷2
Ниобий
0,5÷1,2
Железо
остальное
В качестве примесей могут присутствовать кремний и марганец до 0,3%, сера и фосфор до 0,03%.
Содержание в шихте порошковой проволоки графита (0,7÷1,2 мас.%), феррохрома (47,6÷52,4 мас.%) и феррониобия (3,6÷7,1 мас.%) способствует получению наплавленного металла нового типа, который приобретает повышенную износостойкость и коррозионную стойкость.
Углерод в пределах 0,20÷0,45 мас.% обеспечивает оптимальное сочетание твердости, износостойкости и ударной вязкости, а также ряд технологических свойств наплавленного металла. При концентрации в металле углерода ниже 0,20 мас.% не обеспечивается требуемая твердость после термической обработки, а при превышении 0,45 мас.% ухудшаются механические свойства наплавленного металла, прежде всего пластичность и ударная вязкость, и высока вероятность образования трещин.
Увеличение содержания в шихте хрома обеспечивает получение в наплавленном металле мартенситной структуры, обладающей достаточно высокой коррозионной стойкостью, характерной для сталей (20-40)Х13.
Введение в состав новой порошковой проволоки феррониобия обеспечивает получение карбидов ниобия в процессе расплавления и кристаллизации наплавленного металла. Карбиды ниобия, равномерно распределенные в матрице нового типа наплавленного металла, обеспечивают ему высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания и восприятия статического давления с большими контактными нагрузками. Кроме того, ниобий обеспечивает стойкость наплавленного металла к межкристаллитной коррозии в послесварочном состоянии.
Отсутствие марганца в предложенной проволоке, по сравнению с известной, вызвано необходимостью снижения до минимума возможности образования в наплавленном металле остаточного аустенита.
2
Молибден введен для повышения твердости и прочности, поскольку основной упрочняющей фазой для данного метала, наряду с карбидами является фаза Лавеса типа FeМо. Молибден также является поверхностно-активным элементом по отношению к железу, препятствует выделению карбидов и интерметаллидов по границам зерен, что, в свою очередь, повышает прочность и пластичность наплавленного металла. Кроме того, молибден предупреждает рост зерна при кристаллизации и повышает технологическую прочность (стойкость к горячим трещинам) наплавленного металла.
Железный порошок введен в количестве, необходимом для получения расчетного коэффициента заполнения порошковой проволоки, что обеспечивает получение наплавленного металла требуемого химического состава. Также железный порошок способствует равномерности плавления шихты и оболочки, что улучшает сварочно-технологические свойства порошковой проволоки.
23
6
3
2
23
6
2
2
Предложенная порошковая проволока обеспечивает комплексное упрочнение наплавленного металла за счет образования в мартенситной матрице как карбидов хрома, ниобия и молибдена CrС; (CrNb)C; NbC; (MoC+MoC), так и интерметаллидных фаз типа FeMo.
2
2
Использование в качестве газо- и шлакообразующих компонентов шихты новой порошковой проволоки следующего состава, мас.%: мрамор 4,8÷6,0 мас.%, плавиковый шпат 6,4÷9,5 мас.%, рутил 11,9÷14,3 мас.%, - обеспечивает, в отличие от прототипа, трехкомпонентный шлак СаО-CaF-TiO, что способствует улучшению защиты расплавленного металла от воздействия воздуха в широком диапазоне напряжения, хорошему формированию валика наплавленного металла и повышает устойчивость горения дуги в процессе наплавки.
Было изготовлено три варианта новой порошковой проволоки (табл.1).
Таблица 1
Состав шихты порошковой проволоки
Соотношение компонентов (варианты проволоки), мас.%
1
2
3
4 - прототип
Мрамор
4,8
5
6
7,1
Плавиковый шпат
6,4
7,9
9,5
11,9
Рутил
11,9
13,1
14,3
-
Графит
0,7
0,95
1,2
-
Феррохром
47,6
50
52,4
9,5
Ферромолибден
7,1
8,3
9,5
4,8
Феррониобий
3,6
5,2
7,1
-
Ферромарганец
-
-
-
4,8
Железный порошок
ост
ост
ост
ост
д
д
Новая порошковая проволока всех изготовленных вариантов прошла сварочно-технологические испытания при наплавке темплетов из стали 45 размерами 20×60×250 мм. При наплавке образцов использовали источник питания дуги ВДУ-506 и сварочный полуавтомат ПДФ-512. Самозащитная порошковая проволока обеспечивает хорошие сварочно-технологические свойства при наплавке на постоянном токе обратной полярности на режимах I=290÷310 А, U=30÷32 В.
Наплавленный металл, полученный новой порошковой проволокой используется в закаленном от температур 1000-1100°С и отпущенном состоянии. После закалки твердость в зависимости от содержания углерода составляет 52÷60 HRC, после отпуска при 200-300°С - 46÷54 HRC, а после отпуска при 600°С - 34÷40 HRC.
Испытания на истирание проводили на лабораторной установке в условиях мокрого трения металла о металл (толкатель - кулачок) при удельном давлении на изнашиваемые поверхности 1 МПа. Результаты испытаний выражались в виде коэффициента относительной износостойкости ε, численно равного отношению весовых износов эталона (сталь 30Х13) и испытуемого металла за одинаковое время.
По сравнению с использованием порошковой проволоки-прототипа применение предлагаемой новой порошковой проволоки позволит увеличить твердость с 38 до 46-54 HRC, предел прочности с 720 до 860-1150 МПа, коэффициент относительной износостойкости ε с 1,2 до 1,8-2,3.
Таблица 2
Свойства наплавленного металла
Варианты проволоки
1
2
3
4
5
прототип
Механические характеристики*
Твердость, HRC
41
46
51
54
58
38
Предел прочности, МПа
780
860
980
1150
1210
720
Коэффициент ε
1,3
1,8
2,1
2,3
2,4
1,2
Технологические характеристики
Поры на поверхности
нет
нет
нет
нет
нет
1-2 на 10 см<sup>2</sup>
Трещины
нет
нет
нет
нет
1 на 15 см<sup>2</sup>
нет
Наплывы
нет
нет
нет
нет
нет
1 на l=200 мм
* - механические свойства определялись на образцах, прошедших отпуск при 250°С.
Наплавленный металл, полученный новой порошковой проволокой, может использоваться в закаленном от температур 1000-1100°С и отпущенном состоянии. После закалки твердость в зависимости от содержания углерода составляет 52÷60 HRC, после отпуска при 250°С - 46÷54 HRC, a после отпуска при 600°С - 34÷40 HRC.
Технологические испытания новой порошковой проволоки показали, что в процессе наплавки без дополнительной защиты обеспечивается устойчивое горение дуги, хорошее формирование валика наплавного металла, отсутствие трещин и наплывов, шлаковая корка хорошо покрывает наплавленный валик и удаляется без затруднения.
Использование предложенной порошковой проволоки для наплавки уплотнительных поверхностей деталей запорной арматуры трубопроводного транспорта позволяет повысить их износостойкость и срок службы в 2,3÷2,8 раза и соответственно снизить затраты на их восстановление примерно на 20÷30%.