Проволока номинальным диаметром до 5мм для наплавки роликов машин непрерывного литья заготовок

Полезная модель относится к сварочным материалам и может быть использована для упрочняющей наплавки рабочих поверхностей роликов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Ролики, используемые в МНЛЗ, являются объектом интенсивного воздействия со стороны металла слитка и окружающей среды. Износ в форме абразивного и адгезионного в сочетании с высокотемпературным окислением и коррозией, является причиной разрушения рабочей поверхности роликов которое проявляется в виде износа поверхностного слоя и образования трещин разгара. В ходе взаимодействия ролика со слябом наблюдается также усталостное разрушение. Исключительно жесткие условия нагружения роликов заставляет производителей искать новые материалы для восстановления роликов.
Традиционным способом упрочнения рабочей поверхности роликов является электродуговая наплавка. На ролики воздействуют разнообразные виды разрушающих факторов, поэтому требования к материалу для наплавки роликов высокие, а именно, максимальная температурная устойчивость против отпуска т.к. поверхность ролика нагревается до 700°С, высокая коррозионная стойкость и теплостойкость, сопротивление зарождению и развитию усталостных трещин, высокий уровень стандартных механических свойств, в том числе и твердости после отпуска (300-700°С), соответствие коэффициентов термического расширения материала роликов и наплавленного слоя.
Известна наплавочная лента, у которой отношение ее толщины к ширине находится в пределах 0,002-0,08 при следующем содержании компонентов в ленте, мас. %: углерод 0,23-0,40; кремний 0,20-1,50; марганец 0,20-1,50; хром 3,00-9,00; никель 0.10-2,00; молибден 0,10-2,50; ванадий 0,10-1,50; вольфрам 0,10-2,50; железо-остальное (Патент на полезную модель №47276, МПК В23К 35/30, опубл. 27.08.2005 г.).
Недостатком данного технического решения является химический состав материала, из которого выполнена наплавочная лента, а именно, отсутствие в составе материала таких элементов, как кобальт, ниобий, титан приводит к снижению следующих качественных показателей наплавленного слоя ролика: жаропрочность, прочность, твердость и пластичность.
Известен материал для наплавки роликов машин непрерывного литья заготовок открытой или закрытой дугой, который содержит, мас. %: углерод 0,01-0,07, марганец до 2,0, кремний до 1,0, хром 11-16, никель 3,0-5,0, молибден 1,0-2,5, ванадий 0,1-1,0, вольфрам 0,1-1,0, азот 0,05-0,2, кобальт до 2,0, ниобий 0,1-1,0, сера и фосфор 0,03 max, железо -остальное (Патент №2378096, МПК В23К 35/30, опубл. 10.01.2008 г.).
Недостатком данного материала является недостаточное содержание в нем следующих элементов: углерода, никеля, молибдена, вольфрама, кобальта и отсутствие титана для обеспечения требуемых показателей по жаропрочности, прочности, твердости, сопротивлению к окислению и газовой коррозии, абразивному износу.
Известна наиболее близкая к предложенной шихта порошковой проволоки, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,5-1,5, марганец 1,87-3,43, кремний 1,25-3,13, хром 6,87-10,94, молибден 0,1-0,5, вольфрамсодержащий концентрат 43,89-57,56, ванадий 0,62-1,25, алюминий 0,1-0,15, никель 0,01-0,6, кобальт 0,01-0,5, пыль электрофильтров алюминиевого производства 0,5-10, железо - остальное (Патент №2661126, МПК В23К 35/36, В23К 35/368, опубл. 11.07.2018 г.).
Недостатком известной проволоки является присутствие в ней недостаточного количества хрома, никеля и молибдена, а также отсутствие ниобия, титана и азота для обеспечения заданных показателей по прочности, стойкости к коррозии, жаростойкости, твердости и пластичности наплавленного слоя.
Технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение качества наплавленного металла, а именно, таких механических свойств как твердость и прочность на разрыв.
Поставленная техническая задача достигается тем, что порошковая проволока для наплавки роликов машин непрерывного литья заготовок, состоящая из стальной оболочки с номинальным диаметром до 5 мм и порошкообразного наполнителя, содержит следующее соотношение компонентов, мас. %:
Углерод
0,01-0,20
Марганец
≤2,0
Кремний
≤1,0
Хром
11,0-16,0
Никель
1,0-5,0
Молибден
0,5-3,0
Ванадий
0,1-1,0
Вольфрам
0,1-2,0
Азот
0,05-0,2
Кобальт
0,1-3,0
Ниобий
0,1-1,0
Сера
≤0,03
Фосфор
≤0,03
Титан
≤0,5
Железо и примеси
остальное
На Фиг. 1 представлена конструкция порошковой проволоки для наплавки роликов машин непрерывного литья заготовок, состоящая из стальной оболочки 1 с номинальным диаметром D до 5 мм и порошкообразного наполнителя 2, содержащего следующее соотношение компонентов, мас. %:
Углерод
0,01-0,20
Марганец
≤2,0
Кремний
≤1,0
Хром
11,0-16,0
Никель
1,0-5,0
Молибден
0,5-3,0
Ванадий
0,1-1,0
Вольфрам
0,1-2,0
Азот
0,05-0,2
Кобальт
0,1-3,0
Ниобий
0,1-1,0
Сера
≤0,03
Фосфор
≤0,03
Титан
≤0,5
Железо и примеси
остальное
Стальная оболочка 1 выполнена из низкоуглеродистой стали марки 08пс с содержанием элементов: углерод 0,05-0,11%, кремний 0,05-0,17%, марганец 0,35-0,65%, хром не более 0,10%. По сравнению с известными химическими составами порошкообразного наполнителя порошковой проволоки увеличение содержания никеля и молибдена повышают жаростойкость, твердость и прочность наплавленного слоя металла, введение титана и увеличение содержания вольфрама и кобальта повышают прочность, жаростойкость и твердость, металл менее подвержен коррозии, обладает лучшей вязкостью, повышается сопротивление наплавленного слоя к окислению и газовой коррозии.
Таким образом, для повышения качества наплавленного металла, а именно, таких механических свойств как твердость и прочность на разрыв, необходимо оптимизировать химический состав порошкообразного наполнителя. К наплавленному металлу предъявляются следующие требования: по твердости 40-46 HRC, а по прочности на разрыв не менее 1550 МПа. Заявляемые пределы химического состава порошкообразного наполнителя подобраны эмпирическим путем, исходя из качественных показателей механических свойств наплавленного металла таких, как твердость и прочность на разрыв.
Выбранное содержание углерода обеспечивает требуемую твердость и прочность на разрыв. При содержании углерода более 0,20% ухудшается сопротивление металла возникновению трещин и значительно ухудшается стойкость к развитию разгарных трещин в процессе эксплуатации.
Концентрация марганца в порошкообразном наполнителе до 2,0% обеспечивает требуемую твердость и прочность на разрыв наплавленного металла, сохраняя необходимую ударную вязкость и снижая вредное влияние серы.
Содержание кремния в порошкообразном наполнителе в размере ≤1,0% в качестве активного раскислителя обеспечивает чистоту наплавленного металла, а также такие механические свойства, как прочность, твердость и предел текучести. При увеличении содержания кремния свыше 1,0% снижается коррозионная стойкость наплавленного металла при истирании, ударная вязкость, повышается склонность к трещинообразованию.
Хром в пределах 11,0-16,0% положительно влияет на повышение твердости и прочности на разрыв, увеличивает коррозионную стойкость наплавленного металла. При содержании хрома менее 11,0% эффективность его влияния на повышение прочности и коррозионной стойкости снижается, а при содержании более 16,0% при заданных содержаниях марганца, кремния, молибдена и никеля снижается-твердость и сопротивление истиранию.
Введение никеля в заявляемых пределах обеспечивает повышение прочности, пластичности, а также коррозионной стойкости наплавленного металла. При содержании никеля менее 1,0% не обеспечивается необходимая твердость и прочность наплавленного металла, а при содержании выше 5,0% его добавление становится экономически нецелесообразным.
Молибден в указанных пределах обеспечивает получение необходимых прочности, коррозионной стойкости, сопротивления окислению при высоких температурах. При содержании молибдена менее 0,5% требуемые показатели по прочности не достигаются, а введение молибдена в количестве выше 3,0% экономически нецелесообразно.
Введение ванадия в количестве 0,1-1,0% позволяет повысить твердость и прочность, измельчает зерно наплавленного металла. При содержании ванадия менее 0,1% не обеспечиваются необходимые показатели по прочности и твердости, а введение его свыше 1,0% экономически нецелесообразно.
Вольфрам вводится в количестве 0,1-2,0%, обеспечивая необходимую твердость. Он препятствует росту зерна при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. При введении вольфрама в количестве менее 0,1% не обеспечиваются необходимые показатели по твердости, а введение его свыше 2,0% экономически нецелесообразно.
Введение кобальта в заявленных размерах способствует измельчению зерна и увеличивает сопротивление удару, повышает жаропрочность и твердость. Введение кобальта в количестве более 3,0% экономически нецелесообразно.
Введение ниобия в количестве 0,1-1,0% обеспечивает необходимые прочность и твердость наплавленного металла.
Введение титана в количестве ≤0,5% повышает прочность, жаростойкость и твердость, наплавленный металл менее подвержен коррозии, обладает лучшей вязкостью, повышается сопротивление наплавленного слоя к окислению и газовой коррозии. В введении титана в количестве свыше 0,5% нет технологической необходимости.
Введение азота способствует повышению прочности и твердости наплавленного металла. При введении азота свыше 0,2% снижается пластичность, происходит загрязнение металла неметаллическими включениями.
Содержание серы должно быть ≤0,3%. Повышение ее содержания снижает механические свойства наплавленного металла и снижает свариваемость готовых изделий.
Содержание фосфора должно быть ≤0,3%. Увеличение его содержания, повышая прочность, одновременно повышает хрупкость и снижает пластичность и вязкость.
Пример. Для изготовления порошкообразного наполнителя порошковой проволоки использовались порошки ферросплавов: феррохром по ГОСТ4757, ферромарганец по ГОСТ4755, ферросилиций по ГОСТ1415, ферротитан по ГОСТ4761, ферромолибден по ГОСТ4759, феррованадий по ГОСТ4759, феррониобий по ГОСТ16773, ферровольфрам по ГОСТ17293, а также порошок никеля по ГОСТ9722, порошок кобальта по ГОСТ123. Порошки получены методом механического измельчения. Затем порошки взвешивали, перемешивали в миксере, сушили и получали порошкообразный наполнитель порошковой проволоки в соответствии с заданным химическим составом.
На стане была изготовлена порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки различных номинальных диаметров до 5 мм и свыше 5 мм, и порошкового наполнителя. Стальная оболочка изготовлена из стали марки 08пс, а химический состав порошкообразного наполнителя составлял, мас. %: углерод - 0,072; кремний - 0,59; марганец - 0,77; хром -13,2; никель - 2,85; молибден - 0,78; ванадий - 0,46; вольфрам - 1,15; кобальт - 2,20; ниобий - 0,19; титан - 0,03; азот - 0,10; фосфор - 0,012; сера -0,012. Производилась многослойная наплавка на пластины из стали марки Ст. 3 при следующих режимах: напряжение 27,5-28,5 В, ток 350-420А, скорость наплавки 0,12-0,15 м/мин, амплитуда поперечных колебаний 30-34 мм. Из 7-10 слоев вырезался образец для определения механических характеристик наплавленного металла. Результаты представлены в таблице 1.
Порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки с номинальным диаметром до 5 мм и порошкообразного наполнителя предложенного химического состава, позволяет повысить качество наплавленного металла, а именно, таких механических свойств как твердость и прочность на разрыв. Нестабильное горение дуги при номинальном диаметре стальной оболочки свыше 5 мм приводит к некачественному формированию наплавленного металла, образованию пор, шлаковых включений, пустот, что приводит к колебанию твердости наплавленного слоя, снижению прочности, сопротивлению истиранию и газовой коррозии.
Использование заявляемого состава порошкообразного наполнителя порошковой проволоки позволяет обеспечить и улучшить механические свойства наплавленного металла такие, как предел прочности на разрыв и твердость, которые удовлетворяют требованиям потребителя. Применение порошковой проволоки для наплавки роликов машин непрерывного литья заготовок, состоящей из стальной оболочки с номинальным диаметром до 5 мм и порошкообразного наполнителя предложенного химического состава, позволяет повысить качество наплавленного металла, а именно, таких механических свойств как твердость и прочность на разрыв.