порошковая проволока

Формула изобретения

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%.

Описание изобретения к патенту

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 TiB ₂ 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 TiB ₂. При содержании никеля менее 3 масс.% в порошковой проволоке он не обеспечивает пластичности сплава вследствие незначительного содержания -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 TiB ₂ 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 TiB ₂, 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, (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.