Композиционный порошковый электрод

Композиционный порошковый электрод относится к наплавочным материалам, применяющимся в металлургическом, нефтехимическом, атомно-энергетическом и общем машиностроении и может быть использован для дуговой наплавки в аргоне, гелии и их смесях, а также для электрошлаковой наплавки сложнолегированного жаропрочного сплава на основе алюминида никеля Ni₃Аl, в виде штучных электродов или в виде длинномерных отрезков для механизированных способов наплавки.

Технический результат заключается в создании конструкции электрода с улучшенными сварочно-технологически и свойствами для дуговой, электрошлаковой наплавки жаропрочного сплава и в возможности рулонирования изготовленных длинномерных отрезков электрода, а также в гарантированном получении при плавлении электрода наплавленного металла на основе легированного алюминида никеля Ni₃Аl.

Композиционный порошковый электрод содержит никелевую оболочку, внутри которой в контакте с ней установлены алюминиевые сердечники диаметром 3...5 мм, причем расстояние между их центрами составляет 3...5 диаметра сердечника, между сердечниками по центру в шихте размещены на равном расстоянии друг от друга стержни из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, диаметры которых составляют D=kd [мм], где D - диаметр стержней из нихрома, вольфрама, молибдзна и тантала, мм; d - диаметр сердечника из алюминия, мм; k - коэффициент, определяющий содержание вводимых в металл через стержни нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, а шихта электрода содержит порошки никеля, алюминия, циркония и графита.

Композиционный порошковый электрод относится к наплавочным материалам, применяющимся в металлургическом, нефтехимическом, атомно-энергетическом и общем машиностроении и может быть использован для дуговой наплавки в аргоне, гелии и их смесях, а также для электрошлаковой наплавки сложнолегированного жаропрочного сплава на основе алюминида никеля Ni₃Аl, в виде штучных электродов или в виде длинномерных отрезков для механизированных способов наплавки.

Известна порошковая проволока {Авторское свидетельство СССР 448104, В23К 35/02, опубл. Бюл. 40, 1974 г.), которая представляет собой оболочку из металлической ленты с кромками, подогнутыми таким образом, что образуют сердцевину. Такая конструкция улучшает равномерность плавления шихты и оболочки проволоки.

Недостатком такой порошковой проволоки является то, что внутри оболочки находиться один образованный частью оболочки стержень, что недостаточно для надежного и равномерного плавления шихты, а при наплавке такое центральное расположение стержня приводит к увеличенному проплавлению основного металла, что нежелательно.

Известна композиционная порошковая проволока (патент 2274536, МПК В23К 35/40, опубл. Бюл. 11, 2006 г.), которая состоит из двух оболочек, никелевой наружной и алюминиевой внутренней, коаксиально которой введены проволочные компоненты из тантала, вольфрама, молибдена, а шихта содержит алюминий и никель. Такая конструкция позволяет уменьшить сепарацию шихты, повысить производительность наплавки при сохранении технологической надежности проволоки.

Недостатком этой композиционной проволоки является высокая сосредоточенность электрической дуги на оболочке и сердечнике, увеличивающей ее проплавляющую способностью, что для наплавки недопустимо.

Наиболее близким к предлагаемому объекту является композиционный порошковой электрод (патент 2152860, 7 В23К 35/08, опубл. Бюл. 20, 2000 г.), который содержит металлическую оболочку, внутри которой в контакте с ней установлены сердечники и размещена шихта, оболочка электрода выполнена с образованием плоской полости и получением нахлеста в ее верхней части.

Рассматриваемый композиционный порошковый электрод в процессе изготовления сильно деформируется и имеет большую жесткость, что снижает его технологическую надежность, а также он не обладает достаточной пластичностью, что позволило бы изготавливать рулонированные длинномерные отрезки для механизированных способов наплавки. Кроме того, шихта содержит минералы, что ухудшает устойчивость дугового процесса и ведет к изменению состава шлака при электрошлаковой наплавке.

Технический результат заключается в создании конструкции электрода с улучшенными сварочно-технологическими свойствами для дуговой, электрошлаковой наплавки жаропрочного сплава и в возможности рулонирования изготовленных длинномерных отрезков электрода, а также в гарантированном получении при плавлении электрода наплавленного металла на основе легированного алюминида никеля Ni₃ Аl.

Технический результат достигается тем, что композиционный порошковый электрод для дуговой наплавки и сварки, содержащий оболочку, внутри которой в контакте с ней установлены сердечники и размещена шихта, оболочка выполнена с образованием плоской полости и получением нахлеста в ее верхней части, при этом оболочка выполнена из никеля, а сердечники из алюминия диаметром 3...5 мм, причем расстояние между их центрами составляет 3...5 диаметров сердечника, между сердечниками по центру в шихте размещены на равном расстоянии друг от друга стержни из нихрома, вольфрама,

молибдена и тантала, диаметры которых составляют D=kd [мм], где D - диаметр стержней из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, мм, d - диаметр сердечника из алюминия, мм; k - коэффициент, определяющий содержание вводимых в металл через стержни нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, а шихта электрода содержит порошки никеля, алюминия, циркония и графита.

Выполнение оболочки и сердечников электрода из пластичных никеля и алюминия повышает его деформационную способность.

Диаметры d сердечников 2 выбирают в пределах 3...5 мм, что позволяет конструктивно разместить между сердечниками 2 по центру в шихте 3 на равном расстоянии друг от друга стержни 4 из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, диаметры которых составляют D=kd мм, а шихта электрода содержит порошки никеля, алюминия, циркония и графита, что позволяет добиться технологичности конструкции и осуществить плавление электрода при оптимальных значениях сварочного тока. Уменьшение диаметров сердечников менее 3 мм или увеличение диаметров сердечников более 5 мм не позволяет осуществить технический результат, а именно гарантированно получить при плавлении электрода наплавленный металл на основе легированного алюминида никеля Ni₃ Аl.

Расстояние между центрами сердечников 2 выбирают в пределах 3...5 их диаметра d, это позволяет получить перемещение дуги с одного сердечника и части окружающей его оболочки в левой части сечения на другой сердечник и часть контактирующей с ним оболочки в правой части сечения, что снижает проплавление основного металла. При выборе расстояния между сердечниками менее 3 диаметров электрическая дуга сосредотачивается на оболочке, сердечнике и стержнях, что увеличивает ее проплавляющую способность, это также не позволяет разместить между сердечниками по центру в шихте на равном расстоянии друг от друга стержни из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала. При выборе расстояния между сердечниками более 5 диаметров значительно увеличивается необходимая для качественного расплавления

электрода величина номинального сварочного тока, что требует применение мощных источников питания, используемых только в нетрадиционных сварочных процессах.

Размещение в промежутке между сердечниками проволочных стержней способствует уменьшению сепарации туго- и легкоплавких элементов в шихте и позволяет произвести дополнительное легирование наплавленного металла. Расположение стержней на равном расстоянии друг от друга обеспечивает их равномерное расплавление со скоростью близкой к скорости плавления шихты и оболочки электрода.

Содержание легирующих элементов вводимых в композиционный порошковый электрод через сердечники определяется коэффициентом k=0,24...0,27. Нижний предел значения коэффициента k соответствует минимальному содержанию легирующих элементов не менее 10 масс.%, при котором наплавленный металл обладает достаточной жаропрочностью. Верхний предел значение коэффициента k соответствует максимальному содержанию легирующих элементов, которое составляет 30 масс.%. Превышение верхнего предела легирования ведет к увеличению количества упрочняющих фаз в структуре металла, что способствует склонности наплавленного металла к образованию трещин.

Отличительной особенностью изобретения является то, что никелевая оболочка и алюминиевые сердечники в композиционном порошковом электроде, а также вводимые в электрод никель и алюминий в масс.% удовлетворяют стехиометрическому соотношению:

где Ni_обол. - содержание никеля в оболочке, масс.%; Аl_стерж - содержание алюминия в стрежнях, масс.%; Ni_ших. - содержание никеля в шихте, масс.%; Аl_ших. - содержание алюминия в шихте, масс.%, при котором в процессе плавления в наплавленном металле получают сплав на основе алюминида никеля Ni₃Аl.

Шихта помимо никеля и алюминия также содержит цирконий и графит, что дополнительно позволяет легировать наплавленный металл. Содержание никеля и алюминия в шихте может изменяется в зависимости от количества легирующих компонентов так, что общее содержание никеля и алюминия в композиционном порошковом электроде обеспечивает получение матрицы наплавленного метала на основе алюминида никеля Ni ₃Аl.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг.1 изображен общий вид композиционного порошкового электрода.

Композиционный порошковый электрод состоит из никелевой оболочки 1, выполненной с образованием плоской полости и получением нахлеста в ее верхней части. В оболочку установлены алюминиевые сердечники 2. Сердечники 2 находятся в контакте с оболочкой 1, что позволят рассредоточить дуговой разряд по торцу электрода и получить более распределенный тепловой поток, то есть обеспечить более равномерное плавление оболочки с сердечниками 2, шихтой 3 и стержнями 4. Диаметры d сердечников 2 выбирают в пределах 3...5 мм, что позволяет конструктивно разместить между сердечниками 2 по центру в шихте 3 на равном расстоянии друг от друга стержни 4 из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, диаметры которых составляют D=kd, а шихта электрода содержит порошки никеля, алюминия, циркония и графита.

Композиционный порошковый электрод работает следующим образом. В процессе наплавки или сварки композиционный порошковый электрод подается в зону плавления. При плавлении электрода электрическая дуга существует поочередно на каждой из частей симметричного сечения электрода. Сначала на алюминиевом сердечнике 2 и контактирующей с ней частью никелевой оболочки 1 в левой части сечения, затем, когда произойдет совместное оплавление шихты 3, оболочки 1 и сердечника 2 и длина дуги увеличиться до предела ее устойчивого существования в этой области, она перемещается в правую часть сечения композиционного порошкового электрода, оплавляя

стержни из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала в центральной части совместно с оболочкой 1 и шихтой 3, а затем в правой происходит равномерное плавление сердечника 2, контактирующей с ним части оболочки 1 и шихты 3. Затем процесс перемещения повторяется.

При электрошлаковом процессе композиционный порошковый электрод позволяет перераспределить выделяемую мощность в шлаковой ванне. При этом не происходит локального перегрева шлака в зоне вокруг электрода. Благодаря особенности электрошлакового процесса и конструкции композиционного порошкового электрода плавление тонкостенной оболочки 1, сердечники 2 и шихты 3 происходит с некоторым опережением, что обнажает стержни 4 в шлаке. Замедленное расплавление тугоплавких стержней в шлаке приводит к переохлаждению расплава металлической ванны, обеспечивая мелкозернистое строение наплавленного металл, обладающего вследствие этого повышенными эксплуатационными и технологическими свойствами.

Пример.

Исходными данными для изготовления композиционного порошкового электрода длиной 400 мм являются: никелевая лента НП2 ГОСТ 2170 толщиной 0,6 мм, длиной 400 мм, металлические стержни из нихрома Нп-Х20Н80Т ГОСТ 10543, вольфрама ТУ 48-42-67-71, молибдена ТУ 48-42-67-71 и тантала ТУ 48-42-67-71 диаметром 0,6 мм, алюминиевые сердечники сплава А97 ГОСТ 7871 диаметром 5 мм, длиной 400 мм каждый и шихта, в качестве которой использовалась смесь порошков с размерами частиц 150 мкм - никель, алюминий, цирконий, графит.

На ленте располагают два сердечника на заданном (l=20 мм) расстоянии и приваривают их к ленте, это обеспечивает электрический контакт с оболочкой. Затем загибают края ленты на 90°, после чего засыпают шихту до уровня центров сердечников. Затем между сердечниками устанавливают стержни из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, одновременно засыпая

их оставшейся шихтой и загибая края ленты на 90° с получением нахлеста с последующей приваркой ленты и одновременным обжатием электрода.

Полученный композиционный порошковый электрод обеспечивает малое проплавление основного металла при качественном легировании наплавленного металла.

Использование предлагаемой конструкции композиционного порошкового электрода для дуговой наплавки в аргоне, гелии и их смесях, а также для электрошлаковой наплавки в сравнении с известными моделями электродов дает технический результат:

- осуществление качественного плавления электрода при оптимальных значениях сварочного тока за счет повышения равномерности расплавления оболочки, сердечников, шихты и стержней;

- возможность применения в механизированных способах дуговой наплавки и при электрошлаковой наплавке за счет рулонирования изготовленных длинномерных отрезков электрода;

- позволяет получить при плавлении сложнолегированный жаропрочный сплав на основе алюминида никеля Ni₃Аl.

Композиционный порошковый электрод для дуговой наплавки и сварки, содержащий оболочку, внутри которой в контакте с ней установлены сердечники и размещена шихта, оболочка выполнена с образованием плоской полости и получением нахлеста в ее верхней части, отличающийся тем, что оболочка выполнена из никеля, а сердечники из алюминия диаметром 35 мм, причем расстояние между их центрами составляет 35 диаметров сердечника, между сердечниками по центру в шихте размещены на равном расстоянии друг от друга стержни из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, диаметры которых составляют D=kd [мм],

где D - диаметр стержней из нихрома, вольфрама, молибдена и тантала, мм;

d - диаметр сердечника из алюминия;

k - коэффициент, определяющий содержание вводимых в металл через стержни нихрома, вольфрама, молибдена и тантала;

а шихта электрода содержит порошки никеля, алюминия, циркония и графита.