Порошковая проволока
Владельцы патента RU 2632311:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковой проволоке, которая может быть использована в энергетической, химической и нефтяной отраслях для восстановления и упрочнения посадочных поверхностей валов, запорной и дросселирующей арматуры, торцевых уплотнений контактных пар. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и шихты, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%: борид хрома 10-20; ферротитан 2-4; карбид кремния 18-30; стальная оболочка - остальное. Повышается износостойкость наплавленного покрытия, работающего в условиях трения металла по металлу. 2 табл.
Изобретение относится к сварочным материалам и может быть использовано при электродуговой наплавке для восстановления размеров изношенных деталей и получения износостойких защитных покрытий на деталях, работающих в условиях трения металла по металлу и абразивного износа с контактной нагрузкой, например деталей запорной арматуры, крановые колеса, посадочные поверхности различных валов и т.п.
Известна порошковая проволока (авторское свидетельство СССР №247030, B23K 35/36, опубл. БИ №21, 1969 г.), состав шихты которой взят в следующем соотношении компонентов, %:
| рутиловый концентрат | 13,6-15,2 |
| плавиковый шпат | 14,7-15,8 |
| мрамор | 6,3-7,1 |
| феррохром | 7-15 |
| ферротитан | 20,0-24,0 |
| железный порошок | 25,0-35,0 |
Металл, наплавленный порошковой проволокой с шихтой предложенного состава, обладает хорошими технологическими свойствами, пониженной износостойкостью вследствие отсутствия в нем углерода.
Известно изобретение (авторское свидетельство СССР №273903, B23K 35/36, опубл. БИ №37, 1977 г.) защищающее порошковую проволоку, состав шихты которой взят в следующем соотношении компонентов, %:
| карбид кремния | 10-50 |
| ферротитан | до 1 |
| железный порошок | остальное |
Однако при наплавке порошковой проволокой такого состава наплавленный металл плохо сплавляется с подложкой, что приводит к его охрупчиванию и выкрашиванию в процессе эксплуатации и снижению срока службы деталей.
Наиболее близкой по химическому составу и назначению является порошковая проволока для наплавки металла, работающего в условиях гидроабразивного и абразивного износа без ударов (авторское свидетельство СССР №200073, B23K 35/36, опубл. БИ №16, 1967 г.) состав шихты которой взят в следующем соотношении компанентов,%:
| борид хрома | 35-40 |
| ферротитан | 1-2 |
| графит | 0-0,9 |
| стальная оболочка | остальное |
Износостойкость металла, наплавленного такой порошковой проволокой обеспечивается наличием мартенситной структуры с карбоборидными включениями. Для обеспечения существенного количества таких включений в наплавленном металле требуется значительно увеличить содержание углерода в шихте порошковой проволоки. Однако в этом случае получить наплавленный металл без трещин и сколов даже на малом режиме и при наличии промежуточного слоя достаточно сложно, что не позволяет существенно повысить износостойкость деталей. В то же время при наплавке такой порошковой проволокой деталей из сталей, содержащих 0,4-0,5% углерода, происходит переход углерода из основного металла в наплавленный, что приводит к образованию трещин в наплавленном слое. Для предупреждения их образования требуется нанесение промежуточного слоя и последующая его механическая обработка. Кроме того, при наплавке массивных деталей со скоростью 30-40 м/ч требуется предварительный и сопутствующий подогрев, в противном случае, на поверхности наплавленного металла также часто возникают трещины.
Технической задачей настоящего изобретения является снижение склонности к хрупкому разрушению металла, наплавленного порошковой проволокой и повышение его износостойкости.
Технический результат достигается за счет того, что в составе известной порошковой проволоки, состоящей из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей борид хрома и ферротитан вместо графита введен карбид кремния при следующем соотношении компонентов, %:
| борид хрома | 10-20 |
| ферротитан | 2-4 |
| карбид кремния | 18-30 |
| стальная оболочка | остальное |
Приведенные соотношения компонентов соответсвуют порошковой проволоке с коэффициентом заполнения 42%.
Ведение в предложенную порошковую проволоку борида хрома в количестве 10-20% ведет к выделению в структуре наплавленного металла боридной эвтектики, которая, располагаясь в виде каркаса, воспринимает часть нагрузки от удельных давлений и контактного взаимодействия и рассредоточивает ее на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость наплавленного металла, работающего в условиях истирания, против задирания. Кроме того, боридная эвтектика препятствует «зернограничной ползучести», повышает стойкость против межкристаллитной коррозии. Содержание борида хрома в шихте менее 10% не обеспечивает нужного уровня износостойкости, а при повышении свыше 20% ухудшаются сварочно-технологические свойства наплавочной проволоки.
Введение в состав шихты ферротитана в количестве 2-4% обеспечивает дополнительное дисперсное упрочнение матрицы. Сплав нанесенного покрытия при этом - хром и титан - образуют мелкодисперсные труднорастворимые высокопрочные бориды, карбиды и карбобориды, способствующие увеличению износостойкости наплавленного металла. Однако такое увеличение наблюдается только до содержания ферротитана 4,0%. При большем увеличении содержания ферротитана происходит повышение хрупкости сплава за счет того, что весь титан в наплавленном металле расходуется на связывание углерода в карбиды. Введение его в состав шихты порошковой проволоки в виде ферротитана обусловлено более высоким коэффициентом перехода в наплавленный металл, чем при использовании чистого порошка.
Введение в шихту вместо графита карбида кремния способствует более полному и стабильному усвоению углерода, что положительно сказывается на упрочнении металлической основы сплава. Сам карбид кремния имеет очень высокий показатель микротвердости, уступающий только карбиду бора. Совместное использование карбида кремния и борида хрома дает возможность получать наплавленный металл с высокими физико-механическими свойствами. В твердых растворах системы SiC-CrB за счет их взаимной растворимости образуются комплексные соединения, придающие сплаву высокую твердость при качественном наплавленном слое. Кроме того, карбид кремния повышает устойчивость горения дуги, высокую жидкотекучесть ванны и значительный коэффициент наплавки. Введение в состав шихты карбида кремния в диапазоне 18-30% позволяет стабилизировать структуру наплавленного металла, значительно повысить его износостойкость без снижения сварочно-технологических характеристик и появления дефектов.
Для количественной оценки воздействия легирующих элементов на свойства наплавленного металла по известной технологии были изготовлены 6 составов порошковой проволоки, приведенные в табл. 1: 2, 3 и 4 - составы предлагаемой проволоки; 1 и 5 - составы с содержанием компонентов, выходящим за пределы; 6 - состав прототипа.
Оболочку изготавливали из стальной ленты марки 08кп размером 15×0,5 мм по ГОСТ 503 - 81. В качестве шихты использовали смесь порошков борида хрома по ТУ6-09-03-385-76, ферротитана марки ФТ30 по ГОСТу 4761-91, карбида кремния по ГОСТ 26327-84 при коэффициенте заполнения проволоки 42%.
Для изготовления порошковой проволоки могут использоваться как ферроматериалы, так и чистые порошки металлов. Состав шихты варьируется в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл. Наплавка предложенной проволокой может производиться как флюсом, в среде защитных газов, так и под флюсом.
Порошковыми проволоками ∅3 мм на полуавтомате ПДГО-601 в среде Ar выполнялась трехслойная наплавка на ребро пластин из стали 45 толщиной 20 мм.
Порошковая проволока обеспечивает хорошие сварочно-технологические свойства при наплавке на постоянном токе обратной полярности на режимах Iд=280÷300 A, Uд=28÷30 В.
Из наплавленного металла изготавливались образцы для проведения исследований по известным методикам.
Испытания на износ проводились по ГОСТ 23.208-79. Испытания на износостойкость выполнялись на лабораторной установке при удельном давлении на изнашиваемых поверхностях 1 МПа. Полученные результаты выражались в виде коэффициента относительной износостойкости ε, численно равного отношению весовых потерь эталона (сталь 30X13) и испытуемого металла за одинаковое время.
Приведенные в табл. 2 результаты испытаний показывают, что составы порошковой проволоки NN 2-4 являются оптимальными и обеспечивают получение наплавленного металла с достаточно высокой твердостью и износостойкостью, не склонного к пористости и трещинообразованию.
Анализ результатов испытаний показал, что, по сравнению с использованием порошковой проволоки - прототипа, применение предлагаемой новой порошковой проволоки позволяет увеличить твердость с 45 до 46-53 HRC, коэффициент относительной износостойкости ε с 2.2 до 2.4-4.4.
Наплавленный металл, полученный новой порошковой проволокой, может использоваться в закаленном от температур 1000-1100°C и отпущенном состоянии. После закалки твердость, в зависимости от содержания карбида кремния составляет 50÷56 HRC, после отпуска при 250°C - 46÷53 HRC, а после отпуска при 600°C - 38÷45 HRC.
Технологические испытания новой порошковой проволоки показали, что в процессе наплавки обеспечивается устойчивое горение дуги, хорошее формирование валика наплавного металла, отсутствие трещин и пор.
Использование предложенной порошковой проволоки для наплавки уплотнительных поверхностей деталей запорной арматуры трубопроводного транспорта позволяет повысить их износостойкость и срок службы в 2-3 раза и соответственно снизить затраты на их восстановление, примерно на 20-30%.
Порошковая проволока для наплавки деталей, работающих в условиях трения металла о металл, состоящая из стальной оболочки и шихты, содержащей борид хрома и ферротитан, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит карбид кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| борид хрома | 10-20 |
| ферротитан | 2-4 |
| карбид кремния | 18-30 |
| стальная оболочка | остальное |
