Порошковая проволока
Владельцы патента RU 2446930:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение может быть использовано для электрошлаковой наплавки инструментов и изделий, работающих в условиях абразивного износа. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты в следующем соотношении, мас.%: никель 3…5; хром 8…12; диборид титана 10…30; карбонитрид титана 0,1…0,6; графит 1…3; стальная оболочка - остальное. Коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 55%. Карбонитрид титана (TiCN) введен в шихту в виде наноразмерного порошка. Порошок диборида титана (TiB2) имеет размер частиц 30…100 мкм. Порошковая проволока обеспечивает увеличение износостойкости наплавленного металла за счет его упрочнения карбонитридом титана (TiCN) и диборидом титана (TiB2). 2 ил., 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к наплавочным материалам, в частности к порошковым проволокам, для электрошлаковой наплавки инструментов и изделий, работающих в условиях абразивного износа.
Известна порошковая проволока для электрошлаковой наплавки деталей (патент RU, №2350448, B23K 35/368, опубл. БИ №9, 2009 г.), работающая в условиях ударно-абразивного износа, которая состоит из стальной оболочки и шихты, следующего состава, масс.%:
| графит | 0,5…1,5 |
| марганец металлический | 13…14,5 |
| хром металлический | 6,5…11 |
| ультрадисперсный порошок карбида кремния | 22…15 |
| лента стальная | остальное |
Металл полученной известной порошковой проволоки имеет недостаточную износостойкость при работе в условиях интенсивных ударных нагрузок, поскольку содержит в своем составе кремний, который оказывает вредное влияние на пластичность.
Известна порошковая проволока для наплавки на конструкционные стальные детали (патент RU, №2339496, B23K 35/368, опубл. БИ №33, 2008 г.), работающая в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания, в том числе при наличии умеренных ударных нагрузок. Порошковая проволока включает оболочку из малоуглеродистой стали и наполнитель в виде порошка при следующем содержании компонентов, масс.%:
| карбид вольфрама | 50…60 |
| карбид титана | 2…4 |
| кобальт | 4…6 |
| хром | 4…6 |
| ферробор | 8…12 |
| никель | 2…5 |
| кремнефтористый натрий | 2…4 |
| стальная оболочка | остальное |
Недостатком этой проволоки является сравнительно низкая стабильность горения дуги, повышенная склонность к образованию трещин при наплавке и склонность к хрупкому разрушению, а также высокая стоимость, обусловленная содержанием большого количества карбида вольфрама.
Известна порошковая проволока для наплавки инструмента горячего деформирования (патент RU, №2356714, B23K 35/368, опубл. БИ №15, 2009 г.), работающего в условиях интенсивного износа при ударных нагрузках и высоких температурах, состоящая из оболочки, выполненной из армко-железа, и порошкообразной шихты, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
| никель | 25,9…29,6 |
| молибден | 7,4…11,1 |
| кобальт | 9,3…14,8 |
| титан | 1,7…2,8 |
| алюминий | 1,7…2,8 |
| борид хрома | 16,7…22,2 |
| железо | остальное |
при коэффициенте заполнения проволоки порошкообразной шихтой 54%.
Недостатком проволоки с подобным составов является большое количество борида хрома, имеющего низкую термодинамическую стабильность, что повышает вероятность его растворения в шлаке при использовании электрошлаковой наплавки.
Наиболее близкой к заявленному объекту является композиционная проволока для нанесения дуговым напылением износостойкого покрытия (патент CA, №2201969, C23C 4/10, опубл. 2003 г.), имеющая стальную оболочку и ядро из спрессованного порошка, ядро, включающее порошок диборида титана в количестве 5…95 масс.%, олово, алюминий, хром, ванадий, титан, молибден, тантал, графит, ниобий, вольфрам, кремний, германий, никель, медь, кобальт, свинец и марганец.
Однако эта проволока не позволяет получить в условиях электрошлаковой наплавки композиционный наплавленный металл, содержащий в качестве упрочняющей фазы частицы TiB2, перешедшие из шихты проволоки. Вследствие повышенной длительности пребывания мелких (10±2 мкм) частиц TiB2 в высокотемпературном шлаке происходит их растворение в матричном расплаве с последующим формированием в наплавленном металле вторичных фаз боридов, карбоборидов и хрупких эвтектик на их основе. Это обуславливает повышенную склонность наплавленного металла к образованию горячих трещин, что не позволяет использовать данную порошковую проволоку в электрошлаковых процессах.
Задачей предлагаемого изобретения является получение такого состава порошковой проволоки, который обеспечивал бы композиционный наплавленный электрошлаковым способом металл, содержащий упрочняющие фазы TiB2, перешедшие из шихты проволоки.
Технический результат заключается в увеличении износостойкости наплавленного металла за счет его упрочнения карбонитридом титана (TiCN) и диборидом титана (TiB2).
Технический результат достигается за счет того, что в порошковой проволоке для наплавки износостойких покрытий на металлические изделия, состоящей из стальной оболочки и порошкообразной шихты, включающей порошки диборида титана, хрома, никеля, графита, шихта дополнительно содержит карбонитрид титана (TiCN) в виде наноразмерного порошка, а порошок диборида титана (TiB2) имеет размер 30…100 мкм, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
| никель | 3…5 |
| хром | 8…12 |
| диборид титана | 10…3 0 |
| карбонитрид титана | 0,1…0,6 |
| графит | 1…3 |
| стальная оболочка | остальное |
а коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 55%.
Отличительной особенностью изобретения является то, что в шихту проволоки дополнительно вводят наноразмерный порошок карбонитрида титана (TiCN), а порошок диборида титана (ТiВ2) имеет размер 30…100 мкм.
С введением новых соотношений компонентов в шихте проволоки обеспечиваются ее высокие сварочно-технологические свойства, при которых наблюдается устойчивый электрошлаковый процесс, наплавленный металл отлично формируется, не имеет дефектов в виде пор, трещин и шлаковых включений и обладает повышенной износостойкостью.
Введение в состав порошковой проволоки наноразмерного порошка карбонитрида титана (TiCN), крупность частиц которого составляет 20…100 нм, позволяет повысить сварочно-технологические и эксплуатационные свойства наплавленного металла, а также его стойкость к образованию трещин при электрошлаковой наплавке, склонность к хрупкому разрушению наплавленного металла в условиях абразивного износа. Массовая доля TiCN в процентах от массы проволоки составляет 0,1…0,6 масс.% и предельное ее значение выбирается исходя из максимального содержания модификаторов в металле, не приводящего к существенному увеличению стоимости порошковой проволоки. Введение в состав шихты TiCN, воздействуя на кинетику кристаллизации наплавленного металла, изменяет состав, морфологию и размеры избыточных фаз, что положительно отражается на стойкости наплавленного металла к абразивному изнашиванию и приводит к повышению коэффициента относительной износостойкости до 12,6. Введение наноразмерного порошка карбонитрида титана менее 0,1 масс.% не обеспечивает должного модифицирования, а при введении свыше 0,6 масс.% наблюдается снижение размера карбоборидной упрочняющей фазы, что снижает стойкость наплавленного металла к абразивному изнашиванию.
Диборид титана (TiB2) введен в состав шихты с целью повысить износостойкость в результате увеличения содержания карбидной упрочняющей фазы. Кроме того, увеличение количества диборида титана обусловлено необходимостью снизить степень растворения порошка TiB2. Это достигается за счет того, что присутствие в шихте TiB2, обладающего большей удельной теплоемкостью (1168 Дж/кг·К при 1073 K) по сравнению с легированной хромоникелевой сталью (586 Дж/кг·К при 1373 K), увеличивает количество тепла, необходимого для нагрева металлических капель, содержащих тугоплавкие частицы, до определенной температуры.
При уменьшении количества диборида титана менее 10 масс.% износостойкость наплавленного металла пониженная. При содержании TiB2 свыше 30 масс.% существенно возрастает хрупкость наплавленного металла вследствие чрезмерного количества соединений бора и боридных эвтектик.
Содержание в порошковой проволоке никеля в пределах 3…5 масс.% обеспечивает повышение пластичности наплавленного металла и позволяет компенсировать природную хрупкость TiB2. При содержании никеля менее 3 масс.% в порошковой проволоке он не обеспечивает пластичности сплава вследствие незначительного содержания γ-железа в структуре его матрицы, что обусловливает повышенную склонность металла к хрупкому разрушению, а при повышенном более 5 масс.% неоправданно возрастает стоимость сплава.
Легирование хромом обусловлено необходимостью обеспечить коррозионную стойкость наплавленного металла. В присутствии большого количества углерода и бора после связывания всего свободного титана в соединения образуются бориды и карбобориды хрома, снижающие его концентрацию в твердом растворе. Исходя из этого содержание хрома в металле необходимо обеспечить на уровне не ниже 8 масс.%. Наличие в составе шихты проволоки хрома, являющегося поверхностно-активным элементом, также значительно снижает контактный угол смачивания частиц TiB2 сталью и активизирует их взаимодействие, которое интенсифицируется с повышением степени перегрева металлических капель и увеличением удельной поверхности порошка борида, пропорциональной его дисперсности. Это обеспечивает качественное сплавление частиц TiB2 с матрицей сплава.
С целью увеличения объемной доли упрочняющей твердой фазы и связывания титана, высвобождающегося при растворении частиц диборида титана (TiB2), количество графита в шихте проволоки находится в диапазоне 1…3 масс.%, что обеспечивает в композиционном наплавленном металле высокоуглеродистую матрицу. Это позволяет существенно повысить количество упрочняющей фазы в металле, объемная доля которой, включая искусственно введенные частицы TiB2, составляет более 60 об.%. При содержании графита в шихте порошковой проволоки менее 1 масс.% объемная доля упрочняющей твердой фазы низкая, что обуславливает недостаточную износостойкость. Увеличение содержания графита более 3 масс.% приводит к чрезмерному увеличению упрочняющей фазы в металле, которая плотно расположена в наплавленном металле и окружена тонкой сеткой эвтектики, что приводит к его охрупчиванию.
На фиг.1 показана микроструктура и микротвердость (ГПа) (а) наплавленного металла, полученного по заявляемому способу, и фотография нетравленого микрошлифа металла с включениями TiB2 (б) (×1000); на фиг.2 показаны фотографии нетравленых микрошлифов металла, наплавленного порошковыми проволоками с 25 масс.% порошка диборида титана TiB2, имеющих среднюю крупность частиц порошка 10 мкм (а) и 30 мкм (б) (×200).
Пример.
Для изготовления порошковой проволоки используют порошки металлов: никель электролитический ПНЭ-1 ГОСТ 9045-93, феррохром ФХ010 ГОСТ 4757-91, диборид титана (TiB2) ТУ 15-66, карбонитрид титана КНТ-20-80 ТУ МИХМ-2009 и графит серебристый ГСМ-2 ГОСТ 18191. Оболочку изготавливали из стальной ленты 08кп толщиной 0,25 мм, в качестве шихты использовали смесь порошков никеля, хрома, графита, диборида титана, карбонитрида титана.
Диаметр проволоки 3 мм, коэффициент заполнения 55%. Изготовили три состава предлагаемой порошковой проволоки. Кроме того, были изготовлены порошковые проволоки с содержанием компонентов, выходящим за заявляемые пределы.
Наплавленный металл получали путем ЭШН на флюсе АНФ-6, режим ЭШН - ток постоянный, прямой полярности, силой 150…200 A, напряжение на шлаковой ванне 30…35 B. В указанном диапазоне режимов предлагаемая проволока показала отличные сварочно-технологические свойства, заключающиеся в устойчивом электрошлаковом процессе, отличном формировании наплавленного металла, отсутствии трещин и хорошей отделимости шлака. Состав предлагаемой порошковой проволоки с различным содержанием компонентов и результаты сравнительных испытаний представлены соответственно в таблицах 1 и 2.
| Таблица 1. | |||||||
| Состав шихты предлагаемой проволоки и результаты сравнительных испытаний | |||||||
| Состав | Содержание компонентов шихты, масс.% | ||||||
| Ni | Cr | C | TiB2 | TiCN | Др. элементы | ||
| Предлагаемый | 1 | 3 | 8 | 1 | 10 | 0,1 | - |
| 2 | 4 | 10 | 2 | 20 | 0,3 | - | |
| 3 | 5 | 12 | 3 | 30 | 0,6 | - | |
| 4 | 2 | 6 | 0,6 | 7 | 0,07 | - | |
| 5 | 6 | 14 | 3,4 | 32 | 0,8 | - | |
| Прототип | н/д | н/д | 0,5 | 10…70 | - | Al, Ti, Ta, Nb, W, Si, Co, Mo | |
| Примечание: состав 1-3 находятся в пределах изобретения; состав 4 и 5 - за пределами изобретения. |
| Таблица 2. | ||||||
| Состав | Коэффициент заполнения ПП Кз, % | Качество процесса ЭШН | Качество формирования наплавленного металла | Твердость, HRC при 20°C | Относительная износостойкость, ε (эталон сталь 45, отож.) | |
| Предлагаемый | 1 | 50 | устойчивый | хорошее | 50 | 4,7 |
| 2 | 55 | устойчивый | отличное | 53 | 7,2 | |
| 3 | 60 | устойчивый | хорошее | 54 | 9,3 | |
| 4 | 45 | выплески | неудовлетворительное | 45 | 3,0 | |
| 5 | 65 | неустойчивый | удовлетворительно | 60 | 9,4 | |
| Прототип | - | устойчивый | отличное | 30…65 | 1,5…4,5 |
Как видно из таблиц, наилучшими свойствами обладает металл полученной порошковой проволоки состав 2. При среднем содержании компонентов состава 2 предлагаемой порошковой проволоки обеспечивается композиционный наплавленный электрошлаковым способом металл, содержащий упрочняющие фазы TiB2, с повышенной, в сравнении с прототипом, твердостью наплавленного металла при повышенной его износостойкости.
Формирование наплавленного металла и отделимость шлака отличные. Трещины отсутствуют. Структура наплавленного металла состоит из равномерно распределенных включений округлой формы с микротвердостью 35 ГПа (фиг.1). Массовая доля частиц исходного порошка TiB2 в наплавленном экспериментальными проволоками металле не превышает 25% (при введении до 30 масс.% TiB2) вследствие того, что часть частиц растворяется и титан с бором переходят в металл капель, подвергающийся активной металлургической обработке шлаковым расплавом. Титан образует соединения с углеродом и бором, а также, вследствие высокого сродства к кислороду, оксиды, переходящие в шлак. Бор, практически не растворяющийся в твердых растворах железа, участвует в образовании боридов и карбоборидов Fe, Cr, Ti в соответствии с их концентрацией в металлическом расплаве и степенью боридообразующей способности этих элементов. Сохранившиеся частицы TiB2, частично оплавляясь, переходят в наплавленный металл, армируя его. Характер распределения частиц TiB2 между структурными составляющими сплавов свидетельствует о том, что при охлаждении металлического расплава они служат центрами кристаллизации, вокруг которых происходит образование других твердых фаз (боридов, карбидов и карбоборидов) (фиг.1, а).
Порошковые проволоки с соотношениями компонентов, выходящими за предлагаемые границы, показали более низкие свойства при неудовлетворительных результатах испытаний.
Предложенная порошковая проволока позволяет в 1,5…2 раза повысить износостойкость наплавленного метла по сравнению с прототипом, а также позволяет более чем в два раза снизить себестоимость изготовления за счет уменьшения содержания элементов в порошковой проволоке.
Порошковая проволока для наплавки износостойких покрытий на металлические изделия, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, включающей порошки диборида титана, хрома, никеля, графита, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит карбонитрид титана (TiCN) в виде наноразмерного порошка, а порошок диборида титана (TiB2) имеет размер 30…100 мкм при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%:
| никель | 3…5 |
| хром | 8…12 |
| диборид титана | 10…30 |
| карбонитрид титана | 0,1…0,6 |
| графит | 1…3 |
| стальная оболочка | остальное, |
а коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 55%.
