Патент на изобретение №2228829

(54) ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ НАПЛАВКИ ОТКРЫТОЙ ДУГОЙ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано для наплавки открытой дугой износостойкого слоя при восстановлении изделий из высокомарганцевой стали, преимущественно стали Гадфильда. Проволока содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: марганец 10 – 16,5; молибден 1,5 – 6,0; феррохром 0,5 – 5,0; феррованадий 0,4 – 1,5; флюоритовый концентрат 1,5 – 4,5; мрамор 0,1 – 1,5; рутиловый концентрат 0,2 – 0,6; силикокальций 0,2 – 1,4; сода кальцинированная 0,2 – 0,8; оболочка – остальное. Изобретение обеспечивает повышение стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин, пор и снижения разбрызгивания электродного металла в процессе, что позволяет расширить область применения такой проволоки и снизить затраты при восстановительных работах. 6 табл.

Изобретение относится к сварочному производству, конкретно к составу порошковой проволоки для наплавки открытой дугой износостойкого слоя при восстановлении изделий из высокомарганцевой стали, преимущественно стали Гадфильда.

На железных дорогах и предприятиях железнодорожного транспорта при восстановлении крестовин из высокомарганцевой стали марки 110Г13 (сталь Гадфильда) широкое распространение получили электроды марки ЦНИИН-4 (тип 65Х25Г13Н3Т). Технология наплавки электродами наиболее проста в части использования сварочного оборудования, что позволяет применять ее без затруднений в полевых условиях.

Для изготовления электродов ЦНИИН-4 используется высоколегированная проволока марки 10Х14Г14Н4Т (ЭИ-711), что значительно удорожает их стоимость. Кроме того, дополнительное высокое легирование данных электродов через покрытие приводит к нестабильности свойств наплавленного металла. При этом качество наплавки электродами во многом зависит от квалификации сварщика. Наплавка электродами отличается также низкой производительностью и большими (до 15%) потерями электродов на огарки.

Наиболее перспективным в части механизации восстановительных работ электродуговой наплавкой железнодорожных крестовин является применение технологии наплавки самозащитными порошковыми проволоками. По сравнению с электродами порошковые проволоки позволяют повысить производительность почти в 2 раза, механизировать процесс наплавки и практически исключить потери электродного материала. Они позволяют выполнять наплавку открытой дугой, не требуют дорогостоящего сварочного оборудования, что расширяет возможности применения данной технологии в полевых условиях.

Вместе с тем известные самозащитные порошковые проволоки для восстановления наплавкой железнодорожных крестовин из высокомарганцевых сталей в ряде случаев не удовлетворяют по технологической прочности наплавленного металла и сварочно-технологическим, а в ряде случаев и санитарно-гиегиническим характеристикам.

Известна порошковая проволока для наплавки открытой дугой изделий из высокомарганцевой стали, шихта которой содержит компоненты в следующем соотношении, маc.% (табл.1):

(см. авторское свидетельство СССР №909871, кл. В 23 К 35/36, 1980).

Наплавленный такой проволокой металл имеет сравнительно хорошие показатели прочности и пластичности. Однако при наплавке на высокомарганцевую сталь типа стали Гадфильда, как показали наши исследования, в наплавленном металле нередко образуются горячие трещины, особенно в зоне сплавления. Высокое содержание в шихте данной проволоки карбонатов (мрамора) приводит к угару марганца и увеличению его содержания в сварочном аэрозоле, что значительно ухудшает санитарно-гиегинические характеристики такой проволоки. При этом понижается стойкость наплавленного металла против образования пор, что снижает и ее сварочно-технологические характеристики.

Известна также порошковая проволока для сварки разнородных сталей, в основном стали Гадфильда с хорошо свариваемой сталью, шихта которой содержит легирующие компоненты в следующем соотношении, мас.% (табл.2):

(см. патент Польской Народной Республики №130766, 1980).

Швы, выполненные данной проволокой при сварке соединений из стали Гадфильда с низколегированной сталью, обладают, как показывает наш опыт, в ряде случаев достаточной технологической прочностью. В то же время наплавленный такой проволокой металл на сталь Гадфильда не обладает необходимой (по сравнению со сталью Гадфильда) износостойкостью. По этой причине такая проволока не может быть рекомендована для наплавки износостойкого слоя при восстановлении изделий из стали Гадфильда.

Известен также состав порошковой проволоки для износостойкой наплавки, состоящий из малоуглеродистой стальной оболочки и шихты, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.% (табл.3):

(см. авторское свидетельство СССР №1123215, кл. В 23 К 35/36, 1983).

Как показывает опыт, металл, наплавленный такой проволокой, имеет сравнительно высокую износостойкость и в ряде случаев по этому показателю приближается к стали Гадфильда. Однако при наплавке данной проволокой деталей из стали Гадфильда в наплавленном металле (особенно в первых слоях и зоне сплавления) нередко образуются горячие трещины, что снижает работоспособность восстановленных деталей. Кроме того, выбранное содержание шлакообразующих компонентов в данной проволоке и высокое содержание графита не всегда обеспечивают требуемые сварочно-технологические характеристики проволоки в части стойкости против образования пор и разбрызгивания наплавленного металла, а также санитарно-гиегинические характеристики.

Выбранный состав шихты не позволяет также стабильно получать требуемые свойства наплавленного металла, что, как показали наши исследования, связано с сепарацией шихты порошковой проволоки. Это приводит нередко к снижению износостойкости наплавленного металла.

Задачей заявляемого технического решения является повышение стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин, пор и снижения разбрызгивания электродного металла в процессе наплавки на сталь Гадфильда. Это позволит повысить качество наплавки, работоспособность деталей из стали Гадфильда, расширить область применения такой проволоки и снизить затраты при восстановительных работах. Решение этой задачи достигается за счет выбора шлакообразующей и легирующей основ шихты порошковой проволоки с оптимальным содержанием компонентов, исключающим сепарацию шихты.

Повышение стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин достигается за счет повышения содержания в шихте молибдена, снижения углерода и рафинирования наплавленного металла. Это позволяет получить в исходном состояния наплавленный металл в основном аустенитной структуры со сравнительно мелким зерном и весьма незначительным содержанием вторых фаз (мартенсита и феррита). А рафинирование наплавленного металла путем раскисления силикокальцием способствует благоприятному выделению сульфидных включений. Все это позволяет существенно повысить сопротивляемость наплавленного металла образованию горячих трещин.

Повышение поростойкости наплавленного металла (шва) получается в результате комплексной газошлаковой защиты электродного металла на стадии капли и в сварочной ванне. Это достигается в основном за счет выбора оптимального содержания газо-шлакообразующих компонентов шихты (мрамора, соды кальцинированной, флюорита и рутила), обеспечивающих требуемые физико-химические свойства шлака. Уменьшению образования пор способствует также существенное снижение в шихте и наплавленном металле углерода.

Снижению разбрызгивания электродного металла способствует исключение сепарации шихты, что повышает стабильность горения дуги, а также замена определенной части газообразующего карбоната кальция (мрамор) на более легкоплавкий карбонат натрия (соду кальцинированную). Как показали наши исследования, значительное или полное снижение сепарации шихты достигается за счет увеличения соотношения суммарного содержания легирующих компонентов шихты к шлакообразующим. Уже при отношении содержания указанных компонентов больше пяти практически исключается сепарация шихты.

Указанные свойства заявляемого состава порошковой проволоки получаются при содержании в шихте компонентов в следующем соотношении, мас.% (табл.4):

Для механизированной наплавки открытой дугой износостойкого слоя стали при восстановлении деталей из стали Гадфильда может быть применена, например, порошковая проволока с шихтой составов I -V, мас.% (табл.5):

Для изготовления порошковой проволоки 1,6-2,4 мм с сердечником из шихты заявляемого состава может быть применена лента из стали 08КП размером 0,410 или 0,512 мм, коэффициент заполнения 26-28%, конструкция – однослойная.

В качестве примера приведены составы шихты VI и VII, в которых содержание компонентов шихты порошковой проволоки приведены выше и ниже заявляемого пределов.

Введение в состав шихты флюоритового концентрата, мрамора, соды кальцинированной и рутилового концентрата выше заявляемых пределов приводит к сепарации компонентов и связанному с этим увеличению разбрызгивания наплавленного металла. При этом значительно ухудшаются отделимость шлака и формирование валиков. А введение указанных компонентов ниже заявляемых пределов снижает поростойкость наплавленного металла.

Силикокальций в количестве, большем заявляемого состава, приводит к образованию на поверхности валиков трудноудаляемого прилипшего шлака (шпинелей), а ниже заявляемого состава – к снижению стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин.

Марганец в количестве, меньшем заявляемого состава, приводит к заметному снижению пластических свойств наплавленного металла, а в количестве, большем заявляемого, – к снижению твердости и наклепу наплавленного металла, что неблагоприятно в части его износостойкости.

Содержание в шихте молибдена, феррохрома и феррованадия ниже заявляемых пределов приводит к снижению твердости наплавленного металла, а в ряде случаев и стойкости против образования горячих трещин. Повышенное содержание указанных компонентов приводит к снижению пластичности наплавленного металла и связанного с этим снижению износостойкости. При этом ухудшается отделимость шлаковой корки.

В табл.6 приведены результаты испытаний опытных порошковых проволок 1,6 мм с шихтой заявляемого состава (составы I-V), здесь же для сравнения приведены результаты испытания металла, наплавленного известной порошковой проволокой с оптимальным содержанием компонентов в шихте.

Сравнительные испытания проводились при механизированной наплавке открытой дугой на поверхности деталей из стали Гадфильда на режиме: Iсв=180-220 А; Uд=25-28 В; Vcв=12 м/ч. Производилась однослойная наплавка нахолодно. Стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин оценивалась визуально по их наличию в наплавке и выявлению после зашлифовки валиков. При этом определялось и наличие пор в наплавленном металле. Кроме того, поростойкость оценивалась по влиянию напряжения сварочной дуги. За критерий принималось напряжение, при котором в наплавленном металле еще не появились поры. Разбрызгивание электродного металла оценивалось по коэффициенту разбрызгивания Кр.

Как видно из табл.6, порошковая проволока заявляемого состава при наплавке на высокомарганцевую сталь Гадфильда обеспечивает по сравнению с известной более высокую стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин и пор. При этом она превосходит известную и по сварочно-технологическим характеристикам в части разбрызгивания электродного металла. При наплавке порошковой проволокой заявляемого состава в сравнительно широком диапазоне режимов шлак легко, а нередко самопроизвольно отделяется с поверхности наплавленного металла, валики – чистые с гладкой поверхностью.

Порошковая проволока заявляемого состава прошла в большом объеме сравнительные испытания в лабораторных условиях, а также опытную проверку при механизированной наплавке открытой дугой изделий из стали Гадфильда. Испытания показали, что она обладает стабильно хорошими сварочно-технологическими характеристиками: горение дуги устойчивое в широком диапазоне режимов, разбрызгивание электродного металла весьма незначительное и не превышает 1,5%, шлак равномерно покрывает валики и легко удаляется с их поверхности, валики чистые, в наплавленном металле отсутствуют поры и трещины.

Испытания также показали, что наплавленный металл имеет требуемую твердость с хорошим сочетанием ее до наклепа и после него и обладает сравнительно высокой износостойкостью.

Применение такой порошковой проволоки в производстве при восстановлении преимущественно изделий из стали Гадфильда позволит значительно расширить объем восстановительных работ, улучшить качество и повысить срок службы изделий, снизить затраты на ремонт, а также получить за счет этого значительный экономический эффект.

Формула изобретения

Порошковая проволока для наплавки открытой дугой изделий из высокомарганцевой стали, состоящая из малоуглеродистой стальной оболочки и шихты, содержащей марганец, феррохром, молибден, феррованадий, флюоритовый концентрат, мрамор, рутиловый концентрат, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит силикокальций и соду кальцинированную при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Марганец 10 – 16,5

Молибден 1,5 – 6,0

Феррохром 0,5 – 5,0

Феррованадий 0,4 – 1,5

Флюоритовый концентрат 1,5 – 4,5

Мрамор 0,1 – 1,5

Рутиловый концентрат 0,2 – 0,6

Силикокальций 0,2 – 1,4

Сода кальцинированная 0,2 – 0,8

оболочка остальное

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 31.12.2004

Извещение опубликовано: 10.06.2006 БИ: 16/2006