Наноструктурированная наплавочная проволока



Наноструктурированная наплавочная проволока
Наноструктурированная наплавочная проволока

 


Владельцы патента RU 2538227:

Общество с ограниченной ответственностью "Северо-Западный институт сварки и наноматериалов" (ООО "ИСНАНО") (RU)

Изобретение может быть использовано при наплавке металлических деталей в среде защитного газа. На металлический стержень нанесено покрытие в виде электролитически полученного нанокомпозита, включающего металлическую матрицу с равномерно распределенными в ней наноразмерными частицами активирующего флюса, содержащего фтористые соединения, и наноразмерные частицы карбида или смеси карбидов. Покрытие имеет следующее соотношение объемов матрицы и наноразмерных частиц, %: металлическая матрица 30-92, наноразмерные частицы активирующего флюса 3-5, наноразмерные частицы карбида 5-65. Карбид или смесь карбидов выбраны из группы: карбид вольфрама, карбид хрома, карбид молибдена, карбид ванадия, карбид титана, карбид ниобия, карбид гафния, карбид тантала, карбид бора, карбид циркония. Проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивает мелкокапельный переход электродного металла и позволяет увеличить твердость износостойкого слоя, наплавленного на поверхность деталей, работающих при интенсивном ударно-абразивном износе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено при наплавке металлических деталей в среде защитного газа.

Известна электродная проволока (Патон Б.Е., Воропай Н.М., Бучинский В.Н., Козлов Е.И., Фенев С.В. Авторское свидетельство СССР №671960, В23К 35/02 от 01.12.77 г.), поверхность которой выполнена с микронеровностями, впадины которых содержат активирующий флюс. Внедрение флюса во впадины микронеровностей позволяет улучшить электрический контакт проволоки с токоподводящим мундштуком сварочной горелки при механизированной сварке. Однако для формирования микронеровностей требуется механическая или химическая обработка, что увеличивает трудоемкость изготовления проволоки. Активирующий флюс распределен неравномерно по поверхности проволоки, что может приводить к нестабильному поступлению флюса в зону горения дуги.

Известна композиционная электродная проволока для сварки и наплавки (Паршин С.Г., Паршин С.С. Композиционная электродная проволока. МПК В23К 35/368, В23К 35/10. Патент РФ №2355543 от 09.07.2007 г.), которая состоит из металлической трубки с размещенной в ее полости шихты из смеси шлакообразующих и газообразующих компонентов. На поверхность металлической трубки нанесено композиционное покрытие из металлической матрицы с распределенной в ней дисперсной фазой из активирующего флюса. Указанная проволока позволяет увеличить глубину проплавления металла и улучшить капельный переход электродного металла в сварочную ванну. Однако указанная проволока содержит в составе шихты газообразующие компоненты, разлагающиеся с образованием углекислого газа, что не позволяет применять проволоку для наплавки износостойких слоев на поверхность высоколегированных сталей и сплавов.

Известна сварочная активированная проволока (Паршин С.Г., Паршин С.С. Сварочная активированная проволока. МПК В23К 35/365, В23К 35/04. Патент РФ №2294272 от 01.11.2005 г.), которая принята за прототип. Указанная проволока состоит из металлического стержня, на поверхность которого нанесено композиционное покрытие с активирующим флюсом. Покрытие выполнено в виде электролитически полученного микрокомпозита, включающего металлическую матрицу с равномерно распределенной в ней дисперсной фазой из порошка активирующего флюса при следующем соотношении объемов металла и активирующего флюса: металл 60-95%; активирующий флюс 5-40%. Проволока по прототипу позволяет увеличить глубину проплавления металла и улучшить капельный переход. Однако указанная проволока также не может обеспечить формирование износостойких наплавочных слоев высокой твердости, работающих при интенсивном ударно-абразивном износе.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение твердости и износостойкости наплавленного металла за счет нанесения на поверхность проволоки нанокомпозиционного покрытия, содержащего наноразмерные частицы активирующего флюса и наноразмерные частицы карбидов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что поверхности металлического стержня размещают нанокомпозиционное покрытие, состоящее из металлической матрицы, наноразмерных частиц активирующего флюса и карбидов с размером частиц менее 1000 нм.

В качестве материала металлической матрицы применяют металлы, которые обеспечивают высокую коррозионную стойкость, пластичность и адгезию нанокомпозиционного покрытия по отношению к металлическому стержню: медь, никель, титан. Указанные металлы обладают высокой пластичностью, которая характеризуется относительным удлинением при растяжении металла: медь (около 45%), никель (около 40%), титан (около 40%). Высокая пластичность этих металлов позволяет при электрохимической обработке сформировать на металлическом стержне плотное нанокомпозиционное покрытие, обладающее высокой адгезией за счет снижения внутренних напряжений и получения мелкозернистой микроструктуры.

Нанокомпозиционное покрытие имеет следующее соотношение объемов матрицы и наноразмерных частиц в покрытии, %:

Металлическая матрица - 30-92;

Наноразмерные частицы активирующего флюса-3-5;

Наноразмерные частицы карбидов - 5-65.

При объеме активирующего флюса менее 3% ухудшается процесс капельного перехода и удаления водорода, а при увеличении объема более 5% уменьшается твердость наплавленного слоя. При объеме карбидов менее 5% отсутствует эффект карбидного упрочнения наплавленного металла, а при увеличении объема более 65% происходит ухудшение плотности и электрической проводимости нанокомпозиционного покрытия.

Такое сочетание известных и новых признаков позволяет улучшить капельный переход, увеличить плотность, твердость и износостойкость наплавленного металла. Это становится возможным, поскольку нанокомпозиционное покрытие, состоящее из никелевой матрицы и фторидов 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. Применение активирующего флюса и карбидов в виде наноразмерных частиц размером менее 1000 нм способствует измельчению микроструктуры наплавленного металла и равномерному распределению упрочняющих карбидных фаз.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 показан вид наноструктурированной наплавочной проволоки с нанокомпозиционным покрытием. Предлагаемая проволока состоит из металлического стержня 1, на поверхности которого располагается нанокомпозиционное покрытие 2, состоящее из металлической матрицы 3 с распределенными по объему матрицы наноразмерными частицами активирующего флюса и карбидов 4.

Цель изобретения достигается тем, что на поверхности металлического стержня размещают нанокомпозиционное покрытие, состоящее из металлической матрицы и наноразмерных частиц активирующего флюса и карбидов 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.

Введение наноразмерных частиц карбидов вольфрама W2C, WC, хрома Cr7С3, молибдена МоС, Мо2С, ванадия VC, титана TiC, ниобия NbC, гафния HfC, тантала ТаС, бора В4С, циркония ZrC повышает износостойкость и прочность наплавленного металла. Карбиды имеют микротвердость 1250-3400 МПА по Виккерсу HV50 и являются основной фазой, которая оказывает сопротивление износу под действием абразивных и ударно-абразивных нагрузок (см. Лейначук Е.И. Электродуговая наплавка деталей при абразивном и гидроабразивном износе. - Киев: Наукова думка. - 185. - 160 с.).

Технология производства предлагаемой наноструктурированной проволоки основана на применении известных в промышленности способов. Для нанесения нанокомпозиционного покрытия используют способ электрохимического нанесения композиционных покрытий из электролита, содержащего коллоидные наноразмерные частицы (см. Сайфуллин Р.С. Композиционные электрохимические покрытия и материалы.- М.: Химия, 1972 г., 168 с. и Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии, пер. с анл. М.: Техносфера, 2005. - 336 с.). Обезжиренную наплавочную проволоку погружают в электролитическую ванну, которая содержит коллоидный раствор никельсодержащего электролита с наноразмерными частицами размером менее 1000 нм в нужной концентрации. Проволоку подключают к отрицательному полюсу источника питания. При действии электрополяризационных сил на поверхности проволоки осаждаются наноразмерные частицы активирующего флюса и карбидов, которые заращиваются положительными ионами восстановленного из электролита никеля. Для равномерного распределения наноразмерных частиц в объеме электролита ванну продувают аргоном. В результате на проволоке образуется нанокомпозиционное покрытие толщиной 1-100 мкм с равномерно распределенными по объему матрицы нанодисперсными частицами.

В качестве примера применения предлагаемой наноструктурированной наплавочной проволоки можно привести механизированную наплавку износостойкого слоя на пластину из стали Ст3сп толщиной 10 мм.

Наплавочную проволоку марки Нп-30Х5 диаметром 1,6 мм обезжиривали и помещали в электролитическую ванну, содержащую коллоидный раствор никельсодержащего электролита и наноразмерных частиц фторида лития LiF, хлорида магния MgCl2, карбида вольфрама WC, карбида бора В4С. При выдержке проволоки в течение 20 минут на поверхности образовалось композиционное покрытие толщиной 250 мкм, состоящее из никелевой матрицы и наноразмерных частиц. Наноструктурированную наплавочную проволоку испытывали при механизированной наплавке в среде углекислого газа пластин из стали 3сп размером 100×100 мм толщиной 10 мм с применением полуавтомата ПДГ-312-4 с источником питания ВДГ-303 и горелкой ESAB-PSF.

Исследования капельного перехода производили при наплавке на вращающуюся трубу с помощью видеокамеры «PCI 8000S Motion Scope» с объективом «Lens-18-108» с частотой съемки 2000 Гц, светового излучателя из лампы HBO-200V OSRAM и выпуклой линзы, см. таблицу 1.

Измерение твердости наплавленного слоя при помощи ультразвукового твердомера УЗИТ-3 показало, что твердость наплавленного слоя при механизированной сварке с наноструктурированной проволокой увеличилась до 46 HRC, при этом твердость слоя, выполненного с обычной наплавочной проволокой Нп-30Х5, составила 38 HRC.

Таким образом, предлагаемая наноструктурированная наплавочная проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении капельного перехода и увеличения твердости наплавленного износостойкого слоя, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.

1. Наплавочная проволока, содержащая металлический стержень и нанесенное на него покрытие с активирующим флюсом, выполненное в виде электролитически полученного нанокомпозита, включающего металлическую матрицу с равномерно распределенными в ней наноразмерными частицами активирующего флюса, содержащего фтористые соединения, отличающаяся тем, что упомянутое покрытие дополнительно содержит наноразмерные частицы карбидов или смеси карбидов при следующем соотношении объемов матрицы и наноразмерных частиц в покрытии, %:
Металлическая матрица 30-92
Наноразмерные частицы активирующего флюса 3-5
Наноразмерные частицы карбидов или смеси карбидов 5-65

2. Наплавочная проволока по п.1, отличающаяся тем, что она содержит карбид или смесь карбидов, выбранные из группы: карбид вольфрама, карбид хрома, карбид молибдена, карбид ванадия, карбид титана, карбид ниобия, карбид гафния, карбид тантала, карбид бора, карбид циркония.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к биосовместимой конъюгированной полимерной наночастице, дикарбонил-липидному соединению, соединению в виде везикул, мицелл или липосом, содержащих множество наночастиц, включающих указанное дикарбонил-липидное соединение, способу лечения рака или метастаз, биосовместимому полимеру, а также к конъюгату.

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к определению содержания микроорганизмов в различных объектах и средах. Способ предусматривает конъюгацию бактерий с электрохимической меткой, в качестве которой используют Fe0, MgFe2O4 или Fe3O4, осуществляемую в водной среде при заданных параметрах.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к плазмохимическим способам получения нанодисперсных порошков методом переконденсации в низкотемпературной азотной плазме.

Изобретение относится к способу получения алюминий-углеродных композиционных материалов, которые могут найти применение в авиационной, космической и электротехнической промышленности, а также в производстве шарикоподшипников нового поколения.

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и может быть использовано для формирования активного слоя тонкопленочных солнечных элементов на основе гидрогенизированного кремния со стабильными параметрами относительно световых воздействий, в частности солнечного излучения.

Изобретение относится к технике измельчения материалов. Способ, реализуемый в соответствующем устройстве, содержит этапы, на которых: загружают упомянутый материал в смеси с водой в диспергационную камеру; герметизируют упомянутую диспергационную камеру; подают в герметизированную диспергационную камеру статическое давление 5-30 атм.; обрабатывают содержимое упомянутой диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см2, обеспечивающими звуковое давление на упомянутый материал в смеси с водой, превышающее упомянутое статическое давление в 2-3 раза.
Изобретение относится к фармацевтической промышленности и представляет собой средство для ухода за кожей, обладающее антифунгальными свойствами, включающее прополис, спирт этиловый и серосодержащий компонент, отличающееся тем, что в качестве серосодержащего компонента содержит серу элементарную нанодисперсную, причем компоненты в средстве находятся в определенном соотношении в мас.%.

Изобретение относится к медицине, а именно к лечебно-профилактической композиции на основе дигидрокверцетина. Лечебно-профилактическая композиция на основе дигидрокверцетина в форме наночастиц размером, включающая фосфатидилхолин растительного происхождения, мальтозу и дигидрокверцетин при определенном соотношении компонентов.

Изобретение относится к эпоксидной композиции для получения высокопрочных, тепло-, щелочестойких стеклопластиковых материалов, которые могут быть использованы при изготовлении строительной арматуры для упрочнения бетонных конструкций.
Изобретение относится к области химии и касается способа окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила (ПАН), наполненных углеродными наночастицами. Сформированные волокна подвергают термообработке в воздушной среде при нагреве.

Изобретение может быть использовано при ручной дуговой сварке конструкций химического машиностроения из сталей 2,25%Cr-1%Mo-0,25%V композиции. Электрод состоит из стержня из легированной стали 2,25%Cr-1%Mo-0,25%V и покрытия, содержащего следующие компоненты (в % по массе): мрамор 30,5-56,0, плавикошпатовый концентрат 20,0-33,0; двуокись титана 14,0-20,0; песок кварцевый 4,0-10,0; ферросилиций 1,0-3,0; марганец металлический 0,5-3,0; ферротитан 6,0-12,0; сода кальцинированная 0,5-2,5.

Изобретение может быть использовано при изготовлении электродов для ручной дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей. Электродное покрытие содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: мрамор 49,5-51,0, плавиковошпатовый концентрат 14,0-16,0, ферромарганец 5,0-7,0, ферросилиций 5,5-7,5, ферротитан 8,0-10,0, кварцевый песок 8,5-9,5, слюда 1,5-2,5, тальк 1,0-2,0, целлюлоза 1,0-1,5 и активированный порошок ферротитана с размером частиц до 25 мкм 0,3-0,5.
Изобретение может быть использовано при изготовлении электродов для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания в сочетании с интенсивными ударными нагрузками.
Изобретение может быть использовано при изготовлении электродов для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания в сочетании с интенсивными ударными нагрузками.

Изобретение может быть использовано для ручной дуговой сварки деталей и конструкций из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей в строительной, нефтегазовой и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электродной проволоке, применяемой в электродуговой сварке. Для стабилизации дуги и увеличения срока службы контактного конца электродная проволока для использования в электродуговой сварке содержит металлическую основу электродной проволоки и твердый проводник на поверхностях данной металлической основы электродной проволоки.
Изобретение может быть использовано для сварки или наплавки изделий из 13% хромистых сталей, работающих в условиях высоких нагрузок, повышенного износа и коррозионного воздействия.
Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к составу связующего электродных покрытий, и может быть использовано при изготовлении электродов для ручной электродуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей.
Изобретение относится к составам электродных покрытий и может быть использовано в сварочных электродах для сварки неответственных конструкций из малоуглеродистой стали.

Изобретение может быть использовано при сварке и наплавке металлических деталей в среде защитного газа. На металлический стержень электрода электролитически нанесено нанокомпозиционное покрытие, включающее металлическую матрицу с распределенными в ней наноразмерными частицами фторида металла и редкоземельных металлов. Упомянутое покрытие имеет следующее соотношение объемов матрицы и наноразмерных частиц, %: металлическая матрица 55-96, наноразмерные частицы фторида металла 3-30, наноразмерные частицы редкоземельных металлов 1-15. На поверхность покрытия может быть нанесено дополнительное композиционное покрытие, состоящее из металлической матрицы с распределенными в ней наноразмерными частицами фторида металла. Сварочная проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, позволяет улучшить капельный переход электродного металла и механические свойства сварных соединений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Наверх