флюс для электрошлаковой сварки или наплавки при восстановлении деталей или электрошлакового переплава (эшп)

Формула изобретения

Флюс для электрошлаковой сварки или наплавки при восстановлении деталей или электрошлакового переплава (ЭШП), включающий фторид кальция в качестве разжижителя шлака, восстановитель и в качестве легирующего и шлакообразующего компонента шеелитовый концентрат, содержащий оксид вольфрама 55-72, оксид железа 10-25, оксид марганца 2-10, оксид кремния 3-8, отличающийся тем, что в качестве восстановителя использован ферросилиций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ферросилиций	9-20
фторид кальция	10-28
шеелитовый концентрат	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к электрошлаковой сварке, наплавке и переплаву, и может быть использовано для восстановления деталей, подверженных интенсивному износу, требующих больших объемов сварки, наплавки, например перемычки хвостовика автосцепки вагонов, локомотивов, а также для получения качественных инструментальных сталей методом электрошлакового переплава.

Использование известных флюсов позволяет сваривать изделия большой толщины и получать высокие механические характеристики (износостойкость, твердость, ударная вязкость) наплавляемого металла. Это достигается путем легирования наплавляемого металла при электрошлаковом процессе (сварке, наплавке, переплаве), при котором специальные вводимые в состав стали элементы в определенных концентрациях изменяют ее строение и свойства.

Известны способы легирования при электрошлаковом процессе, основанные на разных принципах: с использованием легирующей проволоки и нелегирующего флюса или с использованием легирующего флюса и нелегирующей проволоки. Использование легирующей проволоки позволяет получать свойства металла, напрямую зависящие от марки проволоки, что ограничивает возможности применения этого способа. В ряде случаев, при восстановлении деталей, требуется получение определенных механических свойств наплавленного металла. В таких случаях целесообразно использование легирующих флюсов. Их состав можно гибко регулировать и таким образом получать необходимые для наплавляемого металла свойства.

Известен флюс SPC Mn 40/360 [Сварочные материалы для дуговой сварки: Справочное пособие: В 2-х т. Т.1. Защитные газы и сварочные флюсы / Б.П.Конищев, С.А.Курсланов, Н.Н.Потапов и др.; Под общ. ред. Н.Н.Потапова. - М.: Машиностроение, 1989, 544 с., ил.], который включает легирующие, шлакообразующие компоненты и разжижитель. В качестве легирующих компонентов использованы оксиды кремния и марганца, в качестве шлакообразующих компонентов - оксиды кальция, магния, алюминия, железа и в качестве разжижителя - фторид кальция.

Указанные компоненты выбраны из интервала, мас.%:

оксид кремния	27-29
оксид марганца	10-12
оксид кальция	12-14
оксид магния	4-6
фторид кальция	8-10
оксид алюминия	33-36
оксид железа	до 2

В процессе сварки/наплавки металла с использованием известного флюса происходит расплавление компонентов флюса и материала сварочной проволоки с образованием сварочной ванны, в которой происходят восстановление кремния и марганца из оксидов с образованием оксида железа, образование защитного слоя на поверхности из жидких расплавленных компонентов флюса и растворение кремния и марганца в металле.

Железо сварочной проволоки в расплаве взаимодействует с оксидами кремния и марганца и как более активный элемент отбирает кислород из оксидов. В результате в сварочной ванне образуются свободные атомы кремния и марганца (легирующих элементов) и оксид железа.

Более легкие компоненты расплава всплывают на поверхность ванны, образуя на ней защитный шлаковый слой, защищающий расплав от взаимодействия с внешней средой.

Расплавленный металл проволоки как более тяжелый проходит через шлак, растворяет в себе атомы кремния и марганца и частично оксид железа, оседает на дно ванны, где остывает.

При охлаждении металла происходят образование кристаллической решетки и окислительные процессы. При образовании кристаллической решетки атомы кремния и марганца внедряются в решетку железа, легируя металл и увеличивая количество межатомных связей. Многократное повторение кристаллической решетки в пространстве образует кристалл стали.

Оставшиеся вне кристаллической решетки атомы кремния и марганца образуют дислокации внутри кристалла стали и участвуют в окислительных процессах с образованием неметаллических включений в межкристаллическом пространстве. Внутрикристаллические и межкристаллические дефекты деформируют кристаллическую решетку.

Достоинством известного флюса является получение конструкционной стали с прочной кристаллической решеткой, обусловленной наличием дополнительных межатомных связей.

Однако прочность металла является недостаточной для легирующих сталей, что обусловлено наличием внутрикристаллических и межкристаллических дефектов, деформирующих кристаллическую решетку.

Известен флюс [пат. РФ 2207388, МПК С22В 9/18, В23Р 6/00. Способ электрошлакового переплава / Бабенко Э.Г., Кузьмичев Е.Н., Верхотуров А.Д.; заявитель и патентообладатель Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН. - № 2001126412/02; заявл. 28.09.01; опубл. 27.06.03; бюл. № 18.: ил.], который включает легирующие и шлакообразующие компоненты, восстановитель и разжижитель. В качестве легирующего компонента использован оксид вольфрама, в качестве восстановителя - графит, в качестве шлакообразующих компонентов - доломит, оксиды железа, марганца, кремния и в качестве разжижителя - фторид кальция.

Указанные компоненты выбраны из интервала, мас.%:

графит	15-20
фторид кальция	10-15
доломит	0-40
оксид вольфрама	20-40
оксид железа	6-12
оксид марганца	2-5
оксид кремния	2-4
остальное	1-3

Оксиды вольфрама, железа, марганца, кремния и остальное содержатся в шеелитовом концентрате минерального сырья Дальневосточного региона.

В процессе сварки/наплавки металла с использованием известного флюса происходит расплавление компонентов флюса и материала сварочной проволоки с образованием сварочной ванны, в которой происходят процессы восстановления вольфрама из оксида с образованием оксидов углерода СО и СO₂, образование защитного слоя на поверхности из расплавленных компонентов флюса, растворение вольфрама в металле.

Углерод в расплаве взаимодействует с оксидом вольфрама и как более активный элемент отбирает из него кислород. В результате в сварочной ванне образуются свободные атомы вольфрама (легирующего элемента) и газы СО и СО₂, которые улетучиваются.

Более легкие компоненты в расплаве всплывают на поверхность ванны, образуя на ней защитный шлаковый слой, защищающий расплав от взаимодействия с внешней средой.

Расплавленный металл проволоки как более тяжелый, проходя через жидкий шлак, растворяет в себе атомы вольфрама, оседает на дно ванны, где остывает. Однако часть вольфрама остается в шлаке в виде оксидов. Полное восстановление вольфрама из оксидов ограничено количеством графита (углерода) в составе флюса, увеличение которого в шихте флюса приводит к повышению его электропроводимости и, как следствие, к нарушению технологии процесса электрошлакового переплава.

При охлаждении металла происходит образование кристаллической решетки. При образовании кристаллической решетки атомы вольфрама внедряются в решетку железа, легируя металл и увеличивая количество межатомных связей. Многократное повторение кристаллической решетки в пространстве образует кристалл стали, в межкристаллическом пространстве которого отсутствуют атомы кислорода и, как следствие - неметаллические включения (оксиды). Деформирования кристаллической решетки не происходит.

Твердость получаемого сплава составляет 55-60 HRC, ударная вязкость 4,5 кгс·м/см ², коэффициент износостойкости относительно стали 40ХН 1,04.

Достоинство известного флюса заключается в повышении прочности стали, соответствующей среднелегированной стали, что обусловлено отсутствием межкристаллических дефектов, деформирующих кристаллическую решетку.

Недостаток известного флюса заключается в большом содержании вольфрама в отходах, что обусловлено неполным использованием вольфрама при легировании.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке флюса, повышающего прочность стали до высокопрочной высоколегированной и снижающего содержание вольфрама в отходах за счет максимального включения вольфрама в кристаллическую решетку, обусловленного полным восстановлением вольфрама.

Для решения поставленной задачи во флюсе для электрошлаковой сварки или наплавки при восстановлении деталей или электрошлакового переплава (ЭШП), включающем фторид кальция в качестве разжижителя шлака, восстановитель и в качестве легирующего и шлакообразующего компонента шеелитовый концентрат, содержащий оксид вольфрама 55-72%, оксид железа 10-25%, оксид марганца 2-10%, оксид кремния 3-8%, в качестве восстановителя использован ферросилиций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ферросилиций - 9-20;

фторид кальция - 10-28;

шеелитовый концентрат - остальное.

Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Использование ферросилиция в качестве восстановителя приводит к повышению прочности стали до высоколегированной и снижению содержания вольфрама в отходах. Это обусловлено максимальным включением вольфрама в кристаллическую решетку железа за счет полного восстановления вольфрама ферросилицием. Причинно-следственная связь «полное восстановления вольфрама ферросилицием приводит к максимальному включению вольфрама в кристаллическую решетку железа и, следовательно, к повышению прочности стали, а также снижению содержания вольфрама в отходах» явным образом следует из уровня техники.

Однако прочность стали повышается не только за счет легирования, но и за счет увеличения количества кристаллов стали в том же объеме. Это обусловлено увеличением центров кристаллизации в расплавленном металле благодаря максимальному количеству в нем атомов вольфрама. Причинно-следственная связь «введение ферросилиция во флюс в качестве восстановителя приводит к повышению прочности высоколегированной стали до высокопрочной» явным образом не следует из уровня техники. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Заявляемый флюс включает легирующие и шлакообразующие компоненты, восстановитель и разжижитель. В качестве легирующего и шлакообразующего компонента использован шеелитовый концентрат, содержащий оксид вольфрама оксид железа, оксид марганца, оксид кремния, в качестве восстановителя - ферросилиций и в качестве разжижителя - фторид кальция.

Указанные компоненты выбраны из интервала, мас.%:

ферросилиций	9-20
фторид кальция	10-28
шеелитовый концентрат:
оксид вольфрама	55-72
оксид железа	10-25
оксид марганца	2-10
оксид кремния	3-8

Флюс получают следующим образом.

Легирующие и шлакообразующие компоненты (оксиды вольфрама, железа, марганца, кремния и прочие) получают, например, из шеелитового концентрата Дальневосточного региона, химический состав которого приведен в таблице 1. Для получения флюса берут шеелитовый концентрат, ферросилиций, например марки Си-75, и фторид кальция. Компоненты размалывают до фракций размером 0,3-0,4 мм, с последующим их механическим перемешиванием до получения смеси однородной фракции (однородного порошка). Полученная смесь гранулируется любым из известных способов до размеров гранул 1-3 мм с последующей просушкой и прокалкой.

В процессе сварки/наплавки металла с использованием заявляемого флюса происходит расплавление компонентов флюса и материала сварочной проволоки с образованием сварочной ванны, в которой протекают процессы восстановления вольфрама из оксидов, образование защитного слоя на поверхности из расплавленных компонентов флюса, растворение вольфрама в металле.

В процессе расплавления кремний ферросилиция, взаимодействуя с оксидом вольфрама в жидком шлаке, отбирает кислород. В результате в сварочной ванне образуются свободные атомы вольфрама и оксид кремния, которые вместе с более легкими компонентами шлака в расплаве всплывают на поверхность ванны, образуя на ней защитный шлаковый слой, защищающий расплав от взаимодействия с внешней средой.

Металл расплавленной проволоки, проходя через жидкий шлак, взаимодействует с атомами вольфрама, достигает дна шлаковой ванны и там кристаллизуется, формируя легированный металлический слиток.

При кристаллизации металла происходит образование кристаллической решетки, в которую внедряются атомы вольфрама. При этом количество межатомных связей увеличивается, что приводит к легированию металла. Многократное повторение кристаллической решетки в пространстве образует кристалл стали. Для получения флюса шеелит используют в интервале от 55 до 75 мас.% от всей массы флюса.

Пример 1. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,65 кг шеелита (65 мас.%), в котором содержится 0,39 кг оксида вольфрама (39 мас.%), 0,1 кг оксида железа (10 мас.%), 0,04 кг оксида марганца (4 мас.%), 0,03 кг оксида кремния (3 мас.%), остального - 0,09 кг (9 мас.%); а также 0,15 кг ферросилиция (15 мас.%) и 0,2 кг фторида кальция (20 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.

Пример 2. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,7 кг шеелита (70 мас.%), в котором содержится 0,4 кг оксида вольфрама (40 мас.%), 0,12 кг оксида железа (12 мас.%), 0,04 кг оксида марганца (4 мас.%), 0,04 кг оксида кремния (4 мас.%), остального - 0,1 кг (10 мас.%); а также 0,2 кг ферросилиция (20 мас.%) и 0,1 кг фторида кальция (10 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.

Пример 3. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,71 кг шеелита (71 мас.%), в котором содержится 0,41 кг оксида вольфрама (41 мас.%), 0,12 кг оксида железа (12 мас.%), 0,04 кг оксида марганца (4 мас.%), 0,04 кг оксида кремния (4 мас.%), остального - 0,1 кг (10 мас.%); а также 0,09 кг ферросилиция (9 мас.%) и 0,2 кг фторида кальция (20 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.

Пример 4. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,64 кг шеелита (64 мас.%), в котором содержится 0,37 кг оксида вольфрама (37 мас.%), 0,11 кг оксида железа (11 мас.%), 0,04 кг оксида марганца (4 мас.%), 0,03 кг оксида кремния (3 мас.%), остального - 0,09 кг (9 мас.%); а также 0,08 кг ферросилиция (8 мас.%) и 0,28 кг фторида кальция (28 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.

Пример 5. Для получения 1 кг заявляемого флюса берут 0,55 кг шеелита (55 мас.%), в котором содержится 0,32 кг оксида вольфрама (32 мас.%), 0,1 кг оксида железа (10 мас.%), 0,03 кг оксида марганца (3 мас.%), 0,03 кг оксида кремния (3 мас.%), остального - 0,07 кг (7 мас.%); а также 0,21 кг ферросилиция (21 мас.%) и 0,24 кг фторида кальция (24 мас.%). Способ осуществляют, как описано выше.

Исследования полученных сплавов проводили в лаборатории кафедры «Технология металлов» Института тяги и подвижного состава ГОУ ВПО ДВГУПС. Для выполнения химического, металлографического анализов и механических испытаний использовались образцы, вырезанные из центральной части полученных слитков. Для каждого испытания размеры образцов получали согласно требованиям соответствующего ГОСТа.

Анализ химического состава полученных сплавов и шлаков проводили в соответствии с ГОСТ 19265-73 и 4543-71 на рентгеновском спектрометре "СПЕКТРО-СКАН". Результаты химического анализа образцов и шлака приведены в таблице 2.

Металлографический анализ полученных сплавов проводился в соответствии с ГОСТ 22838-77 и 9450-76 на микроскопе ММР-2Р и ЕС МЕТАМ РВ-21, дюрометрический - на приборе микротвердомер ПМТ-3 с нагрузкой 50, 100 Н и с помощью автоматического структурного анализатора "EPIQVANT" с использованием стандартных шлифов.

Исследование полученных сплавов на износостойкость осуществлялось в соответствии с ГОСТ 17367-71 по стандартной схеме "вал-колодка" на машине трения МИ-402 {Московского завода испытательных машин и весов) в условиях трения без смазки при нагрузке 50 кгс. Материалом контртела служила сталь 40ХН, закаленная в масле (HRC 60-62).

Исследование твердости образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 9012-59, 9013-59 и 8.064-94, 299-75 и 22975-78 по методу Бринелля на приборе ТШ-2М; по методу Роквелла на приборе типа ТК-2; по методу Виккерса на приборе ТП-2.

Испытания на ударную вязкость проводились в соответствии с ГОСТ 9454-78. Испытания на прочность при разрыве проводились в соответствии с ГОСТ 1497-84. Результаты физико-механических испытаний образцов приведены в таблице 3.

Химический анализ образцов, полученных при использовании заявляемого флюса и флюса-прототипа, показал, что содержание вольфрама в наплавленном металле увеличилось в 2 раза, а в шлаке - уменьшилось в 7 раз. В результате получают сплав, который содержит до 16% вольфрама.

Физико-механические испытания стали, полученной с использованием заявляемого флюса, показали, что прочность по сравнению со сталью, полученной с использованием флюса-прототипа, увеличилась на 30%.

Таблица 1
Химический состав шеелитового концентрата Дальневосточного региона
Химическое соединение	оксид вольфрама	оксид железа	оксид марганца	оксид кремния	остальное
Содержание, %	55-72	10-25	2-10	3-8	8-18

Таблица 2
Химический состав полученных сплавов и шлаков
№ № примеров	Содержание компонентов в сплаве, %	Содержание вольфрама в шлаке, %
W	Si	Mn	С	Al	S	Р
Пример 1	15,62	0,38	0,10	0,32	0,11	0,01	0,027	0,30
Пример 2	14,18	0,35	0,14	0,3	0,1	0,01	0,022	0,4
Пример 3	12,36	0,36	0,17	0,33	0,14	0,011	0,019	0,25
Пример 4	10,44	0,35	0,12	0,31	0,14	0,013	0,02	0,50
Пример 5	11,45	0,37	0,15	0,32	0,12	0,012	0,021	0,36
Прототип	7,5	0,12	0,11	0,33	0,12	0,012	0,028	3,5

Таблица 3
Физико-механические показатели образцов
№ № примеров	Физико-механические показатели стали, ед. изм.
Твердость, HRC	Ударная вязкость, кгс·м/см2	Коэффициент износостойкости относительно стали 40ХН	Предел прочности, кгс/мм2
Пример 1	70	4,5	1,11	91
Пример 2	67	4,5	1,08	89
Пример 3	65	4,7	1,07	87
Пример 4	57	4,6	1,05	68
Пример 5	58	4,6	1,04	70
Прототип	55	4,5	1,04	62