Патент на изобретение №2356715

(54) ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА

(57) Реферат:

Порошковая проволока может быть использована для восстановления и упрочнения уплотнительных поверхностей запорной арматуры и дросселирующей аппаратуры, торцевых уплотнений контактных пар. Порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержит компоненты шихты в следующем соотношении, мас.%: мрамор 4,8-6,0, плавиковый шпат 6,4-9,5, рутил 11,9-14,3, графит 0,7-1,2, феррохром 47,6-52,4, ферромолибден 7,1-9,5, феррониобий 3,6-7,1, железный порошок – остальное. Коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 42%. Для изготовления порошковой проволоки используют как ферроматериалы, так и чистые порошки металлов, варьируя состав шихты в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл. Изобретение направлено на повышение износостойкости наплавленного металла, работающего на истирание в контакте с коррозионной средой. 2 табл.

Изобретение относится к области электродуговой наплавки порошковой проволокой деталей, работающих в условиях трения металла о металл в контакте с коррозионной средой, и может быть использовано в энергетической, химической, нефтяной отраслях промышленности, например, для восстановления и упрочнения уплотнительных поверхностей запорной и дросселирующей аппаратуры, торцевых уплотнений контактных пар различных насосов, шнеков.

Известна порошковая проволока (авторское свидетельство СССР 428893, B23K 35/36, 1973 г.) для наплавки открытой дугой, состоящая из металлической оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, вес.%:

Недостатком известной проволоки является низкая твердость наплавленного металла.

Наиболее близким по химическому составу является изобретение (авторское свидетельство СССР 338336, B23K 35/36, 1972 г.), защищающее шихту порошковой проволоки для износостойкой наплавки посадочных поверхностей из углеродистых и низколегированных сталей, работающих в условиях трения металла о металл, в состав которой введен ферромолибден 0,2÷2,0 мас.%, а остальные компоненты взяты в следующем процентном отношении, мас.%:

Однако металл, наплавленный известной порошковой проволокой, имеет недостаточную твердость (до 40 HRC) и коррозионную стойкость.

Задачей данного изобретения является повышение износостойкости наплавленного металла, работающего на истирание в контакте с агрессивными средами.

Технический результат достигается за счет того, что порошковая проволока, состоящая из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей мрамор, плавиковый шпат, феррохром, ферромолибден и железный порошок, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит рутил, графит и феррониобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

а коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 42%.

В качестве оболочки использовали стальную ленту марки 08кп размером 15×0,5 мм по ГОСТ 503-81. Для изготовления порошковой проволоки используются как ферроматериалы, так и чистые порошки металлов, варьируя состав шихты в зависимости от способа наплавки с учетом коэффициентов перехода легирующих элементов в наплавленный металл.

Наплавка предложенной проволокой может производиться как на открытом воздухе без дополнительной защиты, так под флюсом и в среде защитных газов.

Проволока обеспечивает следующий химический состав наплавленного металла во втором слое, мас.%:

В качестве примесей могут присутствовать кремний и марганец до 0,3%, сера и фосфор до 0,03%.

Содержание в шихте порошковой проволоки графита (0,7÷1,2 мас.%), феррохрома (47,6÷52,4 мас.%) и феррониобия (3,6÷7,1 мас.%) способствует получению наплавленного металла нового типа, который приобретает повышенную износостойкость и коррозионную стойкость.

Углерод в пределах 0,20÷0,45 мас.% обеспечивает оптимальное сочетание твердости, износостойкости и ударной вязкости, а также ряд технологических свойств наплавленного металла. При концентрации в металле углерода ниже 0,20 мас.% не обеспечивается требуемая твердость после термической обработки, а при превышении 0,45 мас.% ухудшаются механические свойства наплавленного металла, прежде всего пластичность и ударная вязкость, и высока вероятность образования трещин.

Увеличение содержания в шихте хрома обеспечивает получение в наплавленном металле мартенситной структуры, обладающей достаточно высокой коррозионной стойкостью, характерной для сталей (20-40)Х13.

Введение в состав новой порошковой проволоки феррониобия обеспечивает получение карбидов ниобия в процессе расплавления и кристаллизации наплавленного металла. Карбиды ниобия, равномерно распределенные в матрице нового типа наплавленного металла, обеспечивают ему высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания и восприятия статического давления с большими контактными нагрузками. Кроме того, ниобий обеспечивает стойкость наплавленного металла к межкристаллитной коррозии в послесварочном состоянии.

Отсутствие марганца в предложенной проволоке, по сравнению с известной, вызвано необходимостью снижения до минимума возможности образования в наплавленном металле остаточного аустенита.

Молибден введен для повышения твердости и прочности, поскольку основной упрочняющей фазой для данного метала, наряду с карбидами является фаза Лавеса типа Fe₂Мо. Молибден также является поверхностно-активным элементом по отношению к железу, препятствует выделению карбидов и интерметаллидов по границам зерен, что, в свою очередь, повышает прочность и пластичность наплавленного металла. Кроме того, молибден предупреждает рост зерна при кристаллизации и повышает технологическую прочность (стойкость к горячим трещинам) наплавленного металла.

Железный порошок введен в количестве, необходимом для получения расчетного коэффициента заполнения порошковой проволоки, что обеспечивает получение наплавленного металла требуемого химического состава. Также железный порошок способствует равномерности плавления шихты и оболочки, что улучшает сварочно-технологические свойства порошковой проволоки.

Предложенная порошковая проволока обеспечивает комплексное упрочнение наплавленного металла за счет образования в мартенситной матрице как карбидов хрома, ниобия и молибдена Cr₂₃С₆; (Cr₃Nb)C₂; NbC; (Mo₂₃C₆+Mo₂C), так и интерметаллидных фаз типа Fe₂Mo.

Использование в качестве газо- и шлакообразующих компонентов шихты новой порошковой проволоки следующего состава, мас.%: мрамор 4,8÷6,0 мас.%, плавиковый шпат 6,4÷9,5 мас.%, рутил 11,9÷14,3 мас.%, – обеспечивает, в отличие от прототипа, трехкомпонентный шлак СаО-CaF₂-TiO₂, что способствует улучшению защиты расплавленного металла от воздействия воздуха в широком диапазоне напряжения, хорошему формированию валика наплавленного металла и повышает устойчивость горения дуги в процессе наплавки.

Было изготовлено три варианта новой порошковой проволоки (табл.1).

Новая порошковая проволока всех изготовленных вариантов прошла сварочно-технологические испытания при наплавке темплетов из стали 45 размерами 20×60×250 мм. При наплавке образцов использовали источник питания дуги ВДУ-506 и сварочный полуавтомат ПДФ-512. Самозащитная порошковая проволока обеспечивает хорошие сварочно-технологические свойства при наплавке на постоянном токе обратной полярности на режимах I_д=290÷310 А, U_д=30÷32 В.

Наплавленный металл, полученный новой порошковой проволокой используется в закаленном от температур 1000-1100°С и отпущенном состоянии. После закалки твердость в зависимости от содержания углерода составляет 52÷60 HRC, после отпуска при 200-300°С – 46÷54 HRC, а после отпуска при 600°С – 34÷40 HRC.

Испытания на истирание проводили на лабораторной установке в условиях мокрого трения металла о металл (толкатель – кулачок) при удельном давлении на изнашиваемые поверхности 1 МПа. Результаты испытаний выражались в виде коэффициента относительной износостойкости , численно равного отношению весовых износов эталона (сталь 30Х13) и испытуемого металла за одинаковое время.

По сравнению с использованием порошковой проволоки-прототипа применение предлагаемой новой порошковой проволоки позволит увеличить твердость с 38 до 46-54 HRC, предел прочности с 720 до 860-1150 МПа, коэффициент относительной износостойкости с 1,2 до 1,8-2,3.

Таблица 2
Свойства наплавленного металла	Варианты проволоки
1	2	3	4	5	прототип
Механические характеристики*
Твердость, HRC	41	46	51	54	58	38
Предел прочности, МПа	780	860	980	1150	1210	720
Коэффициент	1,3	1,8	2,1	2,3	2,4	1,2
Технологические характеристики
Поры на поверхности	нет	нет	нет	нет	нет	1-2 на 10 см2
Трещины	нет	нет	нет	нет	1 на 15 см2	нет
Наплывы	нет	нет	нет	нет	нет	1 на l=200 мм
* – механические свойства определялись на образцах, прошедших отпуск при 250°С.

Наплавленный металл, полученный новой порошковой проволокой, может использоваться в закаленном от температур 1000-1100°С и отпущенном состоянии. После закалки твердость в зависимости от содержания углерода составляет 52÷60 HRC, после отпуска при 250°С – 46÷54 HRC, a после отпуска при 600°С – 34÷40 HRC.

Технологические испытания новой порошковой проволоки показали, что в процессе наплавки без дополнительной защиты обеспечивается устойчивое горение дуги, хорошее формирование валика наплавного металла, отсутствие трещин и наплывов, шлаковая корка хорошо покрывает наплавленный валик и удаляется без затруднения.

Использование предложенной порошковой проволоки для наплавки уплотнительных поверхностей деталей запорной арматуры трубопроводного транспорта позволяет повысить их износостойкость и срок службы в 2,3÷2,8 раза и соответственно снизить затраты на их восстановление примерно на 20÷30%.

Формула изобретения

Порошковая проволока для наплавки деталей, работающих в условиях трения металла о металл в контакте с коррозионной средой, состоящая из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей мрамор, плавиковый шпат, феррохром, ферромолибден и железный порошок, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит рутил, графит и феррониобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

а коэффициент заполнения проволоки порошкообразной шихтой составляет 42%.