НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ СВАРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
NANOSTRUCTURED WELDING MATERIAL

Изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено, например, для сварки и наплавки металлических деталей.
7
Известен активирующий флюс для электродуговой сварки (Патент РФ №2164849 от 10.04.2001 г., МКИ B23K 35/362) следующего состава: гексафторалюминат лития 17…25%, двуокись титана 17…25%, двуокись кремния 35…40%, хлорид кальция 20…30%. Этот активирующий флюс в виде раствора порошка флюса в этиловом спирте наносят на поверхность стыкуемых кромок. После испарения спирта производят сварку по слою флюса, что позволяет увеличить проплавляющую способность дуги. Однако в состав флюса входят гигроскопичные соли, что способствует возникновению дефектов в виде газовых пор. Для удаления влаги требуется прокаливать флюс перед сваркой, что увеличивает трудоемкость сварочных операций.
Известен способ сварки открытой дугой (Авторское свидетельство №1692783, МКИ B23K 9/14 от 23.11.91 г.), при котором в дугу вводят оксид кальция совместно с полиэтиленом или фторопластом. Данный способ позволяет увеличить ударную вязкость и пластичность сварного шва за счет удаления азота, водорода и кислорода из сварочной ванны. Однако известный способ разработан применительно для сварки и наплавки голой электродной проволокой и не позволяет увеличить проплавляющую способность дуги. Кроме того, порошкообразные компоненты при введении в дугу рассеиваются потоком защитного газа, что снижает эффективность способа.
Известен активирующий материал для сварки и наплавки (Паршин С.Г., Паршин С.С. Активирующий материал для сварки и наплавки. МПК B23K 35/02, B23K 35/362. Патент РФ №2226144 от 08.07.2002 г.), который принят за прототип. Активирующий материал состоит из сердечника, который покрыт оболочкой из смеси полимера с активирующим флюсом при следующем соотношении компонентов, мас.%: активирующий флюс 5…80, полимер 20…95. Указанный материал позволяет увеличить глубину проплавления и улучшить качество сварных соединений за счет дегазации сварочной ванны и восстановления оксидов. Однако материал по прототипу не может обеспечить формирование износостойких наплавочных слоев с повышенной твердостью, работающих при интенсивном ударно-абразивном износе.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение твердости и износостойкости наплавленного металла за счет нанесения на поверхность металлического сердечника нанокомпозиционного покрытия, содержащего наноразмерные частицы активирующего флюса, карбидов и редкоземельных металлов.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что поверхности металлического сердечника размещают нанокомпозиционное покрытие, состоящее из полимерной матрицы и распределенной в ней дисперсной фазой из смеси наноразмерных частиц активирующего флюса, карбидов и редкоземельных металлов с размером частиц менее 1000 нм.
Нанокомпозиционное покрытие имеет следующее соотношение объемов матрицы и наноразмерных частиц:
Полимерная матрица - 40-93%;
Наноразмерные частицы активирующего флюса - 3-50%;
Наноразмерные частицы карбидов - 2-55%;
Наноразмерные частицы редкоземельных металлов - 2-5%.
При объеме активирующего флюса менее 3% ухудшается процесс капельного перехода и удаления водорода, а при увеличении объема более 50% уменьшается твердость наплавленного слоя. При объеме карбидов менее 2% отсутствует эффект карбидного упрочнения наплавленного металла, а при увеличении объема более 55% происходит ухудшение плотности и прочности нанокомпозиционного покрытия. При объеме редкоземельных металлов менее 2% снижается влияние покрытия на процессы модифицирования и улучшения микроструктуры наплавленного металла, а при увеличении объема более 5% происходит снижение твердости наплавленного металла.
Такое сочетание известных и новых признаков позволяет увеличить плотность, твердость и износостойкость наплавленного металла. Это становится возможным, поскольку нанокомпозиционное покрытие, состоящее из полимерной матрицы и галогенидов активирующего флюса улучшает капельный переход за счет снижения межфазного натяжения капель. Фториды связывают молекулы, атомы и ионы водорода с образованием фтористого водорода HF, что увеличивает плотность наплавленного металла.
Наноразмерные частицы карбидов являются упрочняющей фазой, они переходят из покрытия в сварочную ванну, равномерно распределяются в ней и способствуют получению мелкозернистой микроструктуры с высокой твердостью и износостойкостью.
Наноразмерные частицы редкоземельных металлов переходят из покрытия в сварочную ванну и способствуют получению мелкозернистой микроструктуры, что увеличивает пластичность и ударную вязкость сварных соединений.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где показан вид наноструктурированного сварочного материала с нанокомпозиционным покрытием, см. фигуру 1. Предлагаемый сварочный материал состоит из металлического сердечника 1, на поверхности которого располагается нанокомпозиционное покрытие 2, состоящее из полимерной матрицы 3 с распределенными по объему матрицы наноразмерными частицами активирующего флюса, карбидов и редкоземельных металлов 4.
Металлический сердечник 1 может состоять из металлической проволоки, металлической ленты или металлического порошка. Полимерная матрица 3 может состоять из полимеров, которые обладают повышенной термической стойкостью: политетрафторэтилена, полиамида или полиимида.
Цель изобретения достигается тем, что на поверхности металлического сердечника размещают нанокомпозиционное покрытие, состоящее из полимерной матрицы и распределенной в ней дисперсной фазой из смеси наноразмерных частиц активирующего флюса, карбидов и редкоземельных металлов с размером частиц менее 1000 нм.
При плавлении покрытия образуется шлаковая пленка из фторидов активирующего флюса, которая способствует уменьшению межфазного натяжения расплавленного металла (см. Лепинских Б.М., Манаков А.И. Физическая химия оксидных и оксифторидных расплавов. М.: Наука, 1977. - 192 с.). В результате этого снижается диаметр капель и увеличивается частота капельного перехода.
2
4
4
3
2
3
4
2
При нагреве флюс, содержащийся в полимерной матрице, расплавляется и реагирует с расплавленным металлом, образуя газоообразные галогениды типа FeF, SiF, TiF, AlF и др. Пары воздействуют на дуговой разряд и уменьшают токопроводящий диаметр столба дуги, что увеличивает проплавляющую способность дуги. При нагреве полимера образуется дисперсный углерод, фтор и фторуглероды: CF, CF, CF, CF. (см. Справочник по пластическим массам / Под ред. Катаева В.М., Попова В.А., Сажина Б.И. - М.: Химия, 1975, т. 2, 568 с.). Фтор и фториды углерода также увеличивают проплавляющую способность дуги. Частицы углерода распределяются по поверхности сварочной ванны и при высокой температуре восстанавливают оксиды, с образованием летучих соединений СО, CO. Большое количество галогенидов в зоне горения дуги уменьшает содержание водорода в металле сварочной ванны за счет образования летучих соединений HF, HCl, HBr.
2
7
3
2
4
50
Введение наноразмерных частиц карбидов вольфрама WC, WC, хрома CrC, молибдена МоС, МоС, ванадия VC, титана TiC, ниобия NbC, гафния HfC, тантала ТаС, бора ВС, циркония ZrC повышает износостойкость и прочность наплавленного металла. Карбиды имеют микротвердость 1250-3400 МПА по Виккерсу HV и являются основной фазой, которая оказывает сопротивление износу под действием абразивных и ударно-абразивных нагрузок (см. Лейначук Е.И. Электродуговая наплавка деталей приабразивном и гидроабразивном износе. - Киев: Наукова думка. - 185. - 160 с.).
Применение активирующего флюса, карбидов и редкоземельных металлов в виде наноразмерных частиц размером менее 1000 нм способствует измельчению микроструктуры наплавленного металла и равномерному распределению упрочняющих карбидных фаз.
Введение редкоземельных металлов (РЗМ) - церия, иттрия, лантана, скандия способствует улучшению механических свойств наплавленного металла за счет микролегирования и модифицирования микроструктуры. Наночастицы РЗМ имеют большую удельную поверхность, что способствует интенсивным металлургическим реакциям рафинирования за счет связывания остаточных газов, серы, фосфора в тугоплавкие соединения (см. Качанов Е.Б. Состояние и перспективы развития работ по жаропрочным сплавам для лопаток турбин. Технология легких сплавов, 2005, №1-4, с. 10-17).
Технология изготовления наноструктурированного сварочного материала с металлическим сердечником основана на применении известных в промышленности способов и заключается в следующем. Наноразмерные частицы активирующего флюса, карбидов и редкоземельных металлов с размером частиц менее 1000 нм смешивают с мелкодисперсным порошком полимера, например тетрафторэтиленом, полиамидом, полиимидом с размером частиц менее 10 мкм. Полученную смесь растворяют в этиловом спирте, а полученной суспензией многократно покрывают металлический сердечник. Затем сердечник с покрытием нагревают до температуры расплавления полимера, в результате чего на поверхности сердечника образуется прочная газонепроницаемая оболочка толщиной 0,05-3 мм.
В качестве примера применения предлагаемой наноструктурированного сварочного материала можно привести аргонодуговую наплавку износостойкого слоя на пластину из стали Ст3сп толщиной 10 мм.
2
4
2
3
Смесь наноразмерных частиц активирующего флюса состава (LiF - 65%; MgC - 35%), наноразмерных частиц карбида вольфрама WC, карбида бора ВС, оксида иттрия YO смешивали с порошком фторопласта-4Д, имеющим размер фракций 0,4 мкм, в объемном соотношении: порошок полимера 55%, наноразмерные частицы 45%. Полученную смесь растворяли в этиловом спирте и многократно наносили на поверхность наплавочной проволоки марки Нп-30Х5 диаметром 1,6 мм со спеканием каждого слоя при температуре 270°С, в результате чего получили нанокомпозиционное покрытие толщиной 1 мм.
Дугу зажигали с вольфрамового электрода диаметром 4 мм при силе тока 240 А прямой полярности. Затем в зону горения дуги вводили наноструктурированный сварочный материал и наплавляли слой толщиной 3 мм на поверхность пластины из стали 3сп размером 100×100 мм толщиной 10 мм. Измерение твердости наплавленного слоя при помощи ультразвукового твердомера УЗИТ-3 показало, что твердость наплавленного слоя при аргонодуговой наплавке с наноструктурированным сварочным материалом увеличилась до 50 HRC, при этом твердость слоя, выполненного с обычной наплавочной проволокой Нп-30Х5, составила 40 HRC.
Таким образом, предлагаемый наноструктурированный сварочный материал обеспечивает технический эффект, который выражается в увеличении твердости наплавленного износостойкого слоя, может быть изготовлен и применен с использованием известных в технике средств, следовательно, он обладает промышленной применимостью.