Шихта порошковой проволоки
Владельцы патента RU 2579328:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" (RU)
Изобретение может быть использовано при наплавке порошковой проволокой рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости. Шихта порошковой проволоки содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01-0,5, марганец 0,6-4,4, кремний 0,4-1,6, хром 0,9-15,0, молибден 0,1-11,9, вольфрамсодержащий концентрат 0,15-4,6, ванадий 0,3-2,5, алюминий 0,15-1,5, никель 0,03-15, пыль электрофильтров алюминиевого производства 1-12, железо остальное. За счет оптимизации химического состава шихта обеспечивает повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, снижение содержания водорода и уменьшение загрязненности наплавляемого слоя неметаллическими включениями. 2 табл.
Изобретение относится к сварочному производству, в частности к производству порошковой проволоки, и может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости.
Известна шихта порошковой проволоки [1], содержащая углерод, хром, вольфрам, ванадий, кремнефтористый натрий, серу, кобальт, молибден и алюминий при соотношении компонентов, мас. %:
| Углерод | 1-3,6 |
| Хром | 6,5-12,0 |
| Вольфрам | 6-21 |
| Молибден | 8-17 |
| Ванадий | 2-6 |
| Алюминий | 1-4,5 |
| Кремнефтористый натрий | 0,6-3,6 |
| Сера | 0,9-3 |
| Кобальт | 12-13 |
| Железо | Остальное |
Существенными недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:
- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (вольфрама, молибдена, алюминия и кремнефтористого натрия);
- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет повышенной загрязненности стали неметаллическими оксидами и высокой концентрацией серы в шихте;
- низкое качество наплавленного металла в связи с порообразованием, связанным с повышенным содержанием водорода.
Известна выбранная в качестве прототипа [2] шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий и железо, а также никель и пыль электрофильтров алюминиевого производства при соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 1-3,6 |
| Хром | 6,5-14,0 |
| Молибден | 5-21 |
| Вольфрам | 1-8 |
| Ванадий | 2-6 |
| Алюминий | 1-4,5 |
| Никель | 3,2-20 |
| Пыль электрофильтров алюминиевого производства | 1-15 |
| Железо | Остальное |
при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, масс. %: Al2O3=20-48; F+=18-27; Na2O=4-16; K2O=0,4-6%, CaO=0,7-1,8; SiO2=0,5-2,48; Fe2O3=1,7-3,27; Собщ=12-31, MnO=0,07-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,l-0,18.
Существенными недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:
- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (вольфрама, молибдена, алюминия и др.);
- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости в связи с химическим составом шихты.
Техническими результатами изобретения являются:
- повышение механических свойств наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет оптимизации химического состава шихты, снижения содержания водорода и уменьшения загрязненности наплавляемого слоя неметаллическими включениями;
- снижение стоимости сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и использования вольфрамового концентрата взамен вольфрама.
Для этого предлагается шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, никель, железо и пыль электрофильтров алюминиевого производства, содержащую, мас. %:Al2O3=20-48; F+=18-27; Na2O=4-16; K2O=0,4-6%, CaO=0,7-1,8; SiO2=0,5-2,48; Fe2O3=1,7-3,27; Собщ=12-31, MnO=0,07-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18, которая дополнительно содержит марганец, кремний, а вольфрам взят в виде вольфрамсодержащего концентрата марки КШ-4 при соотношении компонентов, мас. %:
| Углерод | 0,01-0,5 |
| Марганец | 0,6-4,4 |
| Кремний | 0,4-1,6 |
| Хром | 0,9-15,0 |
| Молибден | 0,1-11,9 |
| Вольфрамсодержащий концентрат | 0,15-4,6 |
| Ванадий | 0,3-2,5 |
| Алюминий | 0,15-1,5 |
| Никель | 0,03-15 |
| Пыль электрофильтров алюминиевого производства | 1-12 |
| Железо | Остальное |
Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем, исходя из качества получаемого при наплавке металла, стабильности процесса наплавки, предотвращения образования трещин и получения требуемых механических свойств.
Выбранное содержание углерода обеспечивает повышение предела текучести, временного сопротивления разрыву, твердости и износостойкости стали. При содержании углерода более 0,5% значительно возрастает хрупкость и трещинообразование при наплавке.
При концентрации марганца в шихте до 4,4% обеспечивается повышение прокаливаемости стали, уменьшается критическая скорость охлаждения. Выбранная концентрация марганца также способствует значительному измельчению зерна аустенита, уменьшает критическую скорость охлаждения.
Содержания кремния в шихте до 1,6% связано с необходимостью увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающем повышение чистоты стали по включениям пластичных силикатов, которые снижают ударную вязкость и эксплуатационную стойкость при истирании. При содержании кремния в шихте более 1,6% значительно снижается пластичность наплавленного слоя и увеличивается склонность стали к трещинообразованию.
Введение в состав кремния и марганца по сравнению с прототипом связано также с необходимостью повышения износостойкости заявляемой стали при рабочем контакте поверхность - абразивный материал.
Хром в пределах 0,9-15% положительно влияет на повышение прочности и твердости стали. При меньшем содержании хрома эффективность его влияния на повышение прочности заметно снижается, при содержании его более 15% при заданных содержаниях марганца, кремния, молибдена и никеля возможно получение глубоких трещин при наплавке.
Молибден в указанных пределах обеспечивает получение дисперсной закаленной структуры, увеличивает прочностные свойства, твердость, ударную вязкость и сопротивление износу.
Вольфрам вводится в сталь в виде вольфрамсодержащего концентрата с целью снижения стоимости шихты, а также возможности восстановления вольфрама из оксидов с образованием карбидов вольфрама, которые позволяют значительно уменьшить истираемость поверхности наплавляемого металла.
Введение ванадия в состав шихты обусловлено необходимостью получения дисперсных частиц карбонитрида ванадия, наличие которых позволяет повысить прочностные свойства и увеличить сопротивление хрупкому разрушению.
Содержание алюминия выбрано исходя из обеспечения, с одной стороны, низкого содержания кислорода в наплавляемом слое, с другой стороны - с целью исключения возможности образования недопустимых строчечных включений глинозема, увеличивающих склонность к образованию усталостных трещин и выщерблин при эксплуатации наплавленного слоя.
Введение никеля в заявляемых пределах обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости стали. Его содержание до 0,03% не оказывает положительного влияния на свойства стали, а при концентрации более 15% эта характеристика не превышает определяемых величин и увеличение концентрации нецелесообразно из экономических соображений.
Для изготовления шихты порошковой проволоки использовали углерод аморфный, порошки углеродистого ферромарганца ФМн 78(A) по ГОСТ 4755-91, ферросилиция марки ФС 75 по ГОСТ 1415-93, высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ900А по ГОСТ 4757-91, ферромолибдена марки ФМо60 по ГОСТ 4759-91, феррованадия марки ФВ50У0,6 по ГОСТ 27130-94, железа марки ПЖВ1 по ГОСТ 9849-86.
В качестве вольфрамсодержащего концентрата использовали вольфрамовый концентрат марки КШ-4, соответствующий ГОСТ 213-83 производства ОАО «Горнорудная компания "АИР"» следующего химического состава 50-57% WO3, 0,03% Mo, 0,02% Cu, 0,02% Bi, 1,0% Fe, 2,0% Р, 0,6% S.
Пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, масс. %: Al2O3=20-48; F=18-27; Na2O=4-16; K2O=0,4-6%, CaO=0,7-1,8; SiO2=0,5-2,48; Fe2O3=1,7-3,27; Собщ=12-31, MnO=0,07-1,3, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, P=0,1-0,18.
Порошки перемешивались в смесители для получения однородной массы и прокаливались для удаления влаги при температуре 250-350°C. Далее производилось изготовление порошковой проволоки на станке. Диаметр готовой проволоки после операций волочения составлял 3,7 мм, при коэффициенте заполнения 0,32-0,33. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась наплавка заготовок шнеков для горношахтного оборудования. Наплавка производилась под флюсом АН-20 с использованием сварочного трактора ASAW-1250 на следующих режимах:
сварочный ток 410-430 А, напряжение дуги 27-28 В, скорость наплавки 24-25 м/ час, скорость подачи порошковой проволоки 73 м/час.
Наличие трещин в процессе наплавки оценивали визуально, после наплавки наличие трещин, пор и неметаллических включений оценивали ультразвуковым методом, а также на металлографических шлифах.
Определение химического состава металла сварных швов на содержание углерода, серы и фосфора проводили химическими методами по ГОСТ 12344-2003, ГОСТ 12345-2001, ГОСТ 12347-77 соответственно, на содержание марганца, кремния, хрома, никеля, меди в металле и оксидов кальция, кремния, магния, алюминия, марганца, железа, калия, натрия, фтора во флюсах с добавками и полученных шлаках проводили на рентгенофлюорисцентном спектрометре XRF-1800 фирмы SHIMADZU.
Исследование на определение кислорода, водорода и азота методом восстановительного плавления проводили на газоанализаторе фирмы «LECO» ТС-600. Массовая доля кислорода снизилась в пределах от 890-520 ppm (прототип) до 340-480 ppm. Содержание водорода изменялось в пределах 0,2-0,4 см3/100 г наплавленного металла при допустимом содержании водорода в высоколегированном наплавленном металле до 2 см3 /100 г металла. Значительных изменений содержания азота не наблюдалось и осталось на уровне базового варианта в количестве 70-90 ppm. Твердость наплавленного металла после наплавки и термообработки составляла HRC 46-54. Дефекты (трещины, поры и неметаллические включения) при наплавке порошковой проволокой с шихтой заявляемого состава не выявлены. После наплавки проводилось испытание на испытательной машине на истираемость образцов. Металлографические исследования (в том числе определение длины строчки неметаллических включений) проводили на полированных микрошлифах с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51.
Исследовались 5 вариантов составов шихты (таблица 1) порошковой проволоки, масс. %: 1 - прототип; 2 - нижний заграничный состав, 3 - нижний граничный состав, 4 - среднее содержание состава заявляемой шихты; 5 - верхний предел заявляемой шихты; 6 - верхний заграничный состав. Взаимосвязь некоторых исследуемых параметров в зависимости от состава шихты приведена в таблице 2.
Использование заявляемого состава шихты порошковой проволоки по сравнению с базовым составом (прототип) позволяет:
1. Повысить механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкость и твердость, за счет оптимизации химического состава шихты, снижения содержания водорода и кислорода за счет введения фторсодержащих компонентов и создания дополнительной газовой защиты. Содержание водорода в среднем составило 0,2-0,4 см3/100 г металла (против 0,3-0,6 см3/100 г металла в прототипе). Содержание кислорода 340-480 ppm, в результате чего снизилась загрязненность наплавляемого металла неметаллическими включениями (длина оксидных строчек снизилась до 0,2 мм (в базовом варианте 0,4-0,6 мм)). Достигнута твердость HRC 46-54. Скорость износа снизилась с 0,1 г/мин до 0,0045 г/мин.
2. Снизить стоимость сварочного процесса за счет оптимизации состава шихты и использования вольфрамового концентрата взамен вольфрама на 280-430 руб на 1 кг наплавленного слоя.
Источники информации
1. Пат. РФ №2088392, МПК8, В23К 35/36.
2. Пат. РФ 2492981, МПК8, В23К 35/36.
Шихта порошковой проволоки, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, никель, железо и пыль электрофильтров алюминиевого производства, содержащую, мас.%: Al2O3 20-48, F+ 18-27, Na2O 4-16, K2O 0,4-6, CaO 0,7-1,8, SiO2 0,5-2,48, Fe2O3 1,7-3,27, Собщ 12-31, MnO 0,07-1,3, MgO 0,06-0,9, S 0,09-0,59, P 0,1-0,18, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит марганец и кремний, а вольфрам взят в виде вольфрамсодержащего концентрата марки КШ-4 при соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,01-0,5 |
| Марганец | 0,6-4,4 |
| Кремний | 0,4-1,6 |
| Хром | 0,9-15,0 |
| Молибден | 0,1-11,9 |
| Вольфрамсодержащий концентрат | 0,15-4,6 |
| Ванадий | 0,3-2,5 |
| Алюминий | 0,15-1,5 |
| Никель | 0,03-15 |
| Пыль электрофильтров алюминиевого производства | 1-12 |
| Железо | Остальное |
