керамический флюс для автоматической сварки и наплавки

Формула изобретения

Керамический флюс для автоматической сварки и наплавки, содержащий оксиды магния, алюминия, кремния и фторид кальция, отличающийся тем, что керамический флюс дополнительно содержит алюминиевый порошок, силикат натрия и оксид титана, а оксид алюминия введен в виде глинозема и/или корунда при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO₂ 25-38

Аl₂O ₃ 15-25

MgO 24-35

CaF₂ 7-17

TiO₂ 0,1-9

Al 0,1-2

Na₂O×SiO ₂ Остальное

при этом отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию фторида кальция и оксида титана должно составлять 1,46-3,52, а отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида титана должно быть в пределах 0,74-1,65.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сварке и касается состава керамического флюса для автоматической наплавки и сварки изделий из низколегированных сталей, работающих при больших знакопеременных нагрузках, и может быть использовано, преимущественно, при восстановлении узлов и деталей железнодорожного подвижного состава.

Известен самозащитный гранулированный флюс для электродуговой сварки, содержащий, маc. %: оксид магния 25-37, оксид алюминия 10-20, фторид кальция 20-32, а также легирующие и/или шлакообразующие, и/или раскисляющие, и/или связующие компоненты (см. патент РФ №2086379, кл. В 23 К 35/362, опубл. 1992).

Однако при сварке с использованием такого флюса содержание диффундирующего водорода составляет более 3,0 мл/100 г. Вместе с этим сейчас действуют технические условия, требующие существенно более низкого содержания диффундирующего водорода, чтобы предотвратить вызванное водородом растрескивание сварного шва и зоны термического влияния.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа керамический флюс для автоматической сварки и наплавки, содержащий, мас.%: оксиды магния 20-24, алюминия 18-22, кремния и фторид кальция 15-20 (см. патент РФ №2200078, кл. В 23 К 35/362, опубл.2003).

Недостатком данного флюса являются низкие технологические свойства (неудовлетворительная отделимость шлаковой корки в условиях повышенных температур и низкая стойкость к образованию мелких волосяных трещин).

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в расширении диапазона сварочно-технологических свойств флюса и металла, увеличении качества и срока службы сварного и наплавленного шва.

Указанный технический результат достигается тем, что керамический флюс для автоматической сварки и наплавки, содержащий оксиды магния, алюминия, кремния и фторид кальция, дополнительно содержит алюминиевый порошок, силикат натрия и оксид титана, а оксид алюминия введен в виде глинозема и/или корунда при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO ₂ 25-38; Аl₂О₃ 15-25; MgO 24-35; CaF₂ 7-17; TiO₂ 0,1-9; Al 0,1-2; Na ₂O×SiO₂ остальное, при этом отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию фторида кальция и оксида титана должно составлять 1,46-3,52, а отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида титана должно быть в пределах 0,74-1,65.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.

Предложенное вещество отвечает такому условию патентоспособности, как "промышленная применимость", поскольку может быть получено существующими техническими средствами, и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

Предложенная совокупность компонентов позволяет повысить сварочно-технологические свойства флюса (улучшить отделяемость шлаковой корки и снизить склонность наплавленного металла к образованию горячих трещин), а также повысить механические свойства наплавленного металла.

Изменение соотношения между основными компонентами способствует образованию в наплавленном слое металла закалочных структур при естественном охлаждении на воздухе и благоприятных по форме и расположению неметаллических включений, за счет чего повышается стойкость наплавленного слоя против образования кристаллизационных трещин.

Оригинальность предлагаемого флюса заключается в том, что оксид магния входит в состав флюса на постоянной основе, способствуя устранению неравномерности наплывов на наружной поверхности наплавленного слоя и лучшей отделимости шлаковой корки.

Опытно-экспериментальным путем установлено, что для наплавки на высоких скоростях деталей диаметром до 100 мм в составе флюса содержание кремнезема должно быть в пределах 25-38 мас.%, так как при большем или меньшем содержании происходит ухудшение формирующих свойств керамического флюса.

Но указанное сочетание кремнезема, хотя и улучшает сварочно-технологические характеристики флюса, ведет к повышению содержания кремния в наплавленном слое и засорению металла нежелательными силикатными включениями. Устранение такого противоречия решается с помощью подбора оптимального соотношения между SiO₂ и MgO, Na₂O, которые снижают термодинамическую активность кремнезема.

Содержание кремнезема в составе флюса в указанных пределах способствует приданию флюсу поверхностных свойств, позволяющих получать гладкую поверхность наплавки. Снижение концентрации кремнезема менее 25% приводит к ухудшению формирующих свойств флюса. Кроме того, возрастает склонность флюса к гидратации, в результате чего на поверхности валика появляется "побитость". Увеличение количества кремнезема более 38% приводит к интенсификации кремневосстановительного процесса и повышению концентрации кислорода в виде неметаллических включений эндогенного и экзогенного типов.

Введение оксида магния в состав флюса в указанных пределах способствует созданию "короткого" шлака при наплавке поверхностей вращения и предотвращает его стекание в процессе наплавки, что особенно важно при наплавке деталей, требующих предварительного подогрева и существенного повышения температуры детали по ходу наплавки.

Уменьшение концентрации магнезита менее 24 мас.% уменьшает вязкость флюса при высоких температурах, что ухудшает формирование наплавленного металла при наплавке тел вращения. При количестве магнезита более 35 мас.% вязкость флюса существенно повышается, что приводит к ухудшению формы шва, повышению высоты наплавленного валика, что в свою очередь может привести к шлаковым включениям по границе сплавления соседних валиков.

Фторид кальция придает жидкому флюсу определенную жидкотекучесть, способствует очищению наплавленного металла от зашлаковок и вредных примесей, что в свою очереь повышает стойкость наплавленного слоя металла против образования пор и трещин при сварке и наплавке без ухудшения технологических и металлургических характеристик флюса. Кроме того, введение фторида кальция совместно с кремнеземом в определенном соотношении способствует уменьшению содержания водорода в наплавленном металле. При введение фторида кальция более 17 мас.% происходит нарушение стабильности дугового процесса. Количество фторида кальция менее 7 мас.% исключает эффект снижения концентрации водорода в наплавленном металле и отрицательно сказывается на технологических свойствах наплавленного металла.

Применение оксида алюминия в виде глинозема и/или корунда, который вводят в состав флюса в качестве комплексообразующего компонента, способствует благоприятному формированию наплавленного валика. Совместное введение в состав флюса в определенном соотношении глинозема и корунда способствует также снижению склонности флюса к гидратации, однако содержание его во флюсе свыше 25 мас.% приводит к ухудшению отделимости шлаковой корки и появлению на поверхности наплавленного валика остатков шлака в виде "березовой коры". При концентрации указанных компонентов ниже 15 мас.% ухудшается формирование наплавленного валика.

Введение в состав флюса двуокиси титана оказывает модифицирующий эффект на структуру наплавленного металла. Однако при введении двуокиси титана менее 0,1 мас.% эффект модифицирования не заметен, а при введении двуокиси титана более 9 мас.% ухудшается отделимость шлаковой корки, что является следствием снижения межфазного натяжения расплавленного шлака на поверхности металла и увеличением интенсивности взаимодействия двуокиси титана с легирующими компонентами наплавленного металла.

Алюминиевый порошок в указанных пределах вводится во флюс для обеспечения раскисления наплавленного металла. При концентрации алюминиевого порошка во флюсе менее 0,1 мас.% он не выполняет своей функции и не раскисляет наплавленный металл. При содержании алюминиевого порошка более 2 мас.% интенсифицируется процесс восстановления элементов из их окислов в составе флюса, что может отрицательно влиять на технологические свойства наплавленного металла.

Кроме этого, отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию фторида кальция и оксида титана должно составлять 1,46-3,52. При указанных соотношениях ниже нижнего предела имеет место нестабильность электрической дуги с переходом при определенных условиях электродугового процесса в электрошлаковый и, соответственно, выше верхнего указанного соотношения происходит образование пористой структуры металла образуемого сварного шва.

Кроме того, отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида титана должно быть в пределах 0,74-1,65. При указанных соотношениях ниже нижнего предела происходит ухудшение отделяемости шлаковой корки с поверхности наплавленного слоя металла и образуются остатки шлака на поверхности наплавленного валика в виде "березовой коры" и, соответственно, выше верхнего указанного соотношения происходит резкая интенсификация кремневосстановительного процесса и, как следствие этого, повышение содержания кислорода за счет повышенной концентрации содержания кислорода в виде неметаллических включений эндогенного и экзогенного характера.

В качестве примера реализации предложенной композиции приводим состав керамического флюса при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ 25,0; Аl₂O ₃ 15,0; MgO 24,0; CaF₂ 8,0; TiO₂ 0,5; Al 1,0; Na₂O×SiO₂ 26,5, в котором отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию фторида кальция и оксида титана составляет 2,94, а отношение содержания оксида кремния к суммарному содержанию оксида алюминия и оксида титана составляет 1,61.

Таким образом, в сравнении с прототипом существенно повышены сварочно-технологические свойства флюса (улучшена отделяемость шлаковой корки и снижена склонность наплавленного металла к образованию горячих трещин), а также повышены механические свойства наплавленного металла не менее чем на 15-17% и стойкость наплавленного слоя против образования кристаллизационных трещин не менее чем на 10-12%.

Применение предлагаемого флюса, благодаря высоким сварочно-технологическим свойствам (повышенные формирующие свойства, исключение образования пористой структуры, самопроизвольная отделимость шлаковой корки при рабочих температурах технологического процесса), позволяет вести наплавку цилиндрических поверхностей на более высоких скоростных режимах без остановок для охлаждения наплавляемого слоя и удаления шлаковой корки, что сокращает время наплавки в 1,5-2 раза и свидетельствует о повышении его сварочно-технологических возможностей по сравнению с известными флюсами аналогичного назначения.

Использование изобретения позволяет восстанавливать механизированной наплавкой под слоем нового флюса с повышенной скоростью ответственные детали и узлы железнодорожного подвижного состава из низколегированных сталей и высокопрочного чугуна, традиционно обладающего низкой свариваемостью, с одновременным повышением механических характеристик наплавленного слоя не менее чем на 15-17%.

Предложенный флюс обеспечивает в широком диапазоне температур требуемое качество сварного шва и наплавленного металла.