Способ электрошлаковой наплавки

22 9/18 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатель Белорусская государственная политехническая академия(71) Заявитель Белорусская государственная политехническая академия(57) Способ электрошлаковой наплавки, включающий подплавление поверхности твердой заготовки с помощью нерасходуемых электродов, подачу некомпактных металлических материалов на поверхность шлаковой ванны и последующую кристаллизацию наплавленного слоя с электрошлаковым обогревом, отличающийся тем, что перед подачей некомпактных материалов электроды перемещают в верхнюю половину шлаковой ванны, а некомпактные материалы подают на поверхность шлаковой ванны со скоростью 0,40,9 кг/ч на 1 кВт подводимой электрической мощности, при этом удельную мощность подогрева поддерживают равной 0,81,0 удельной мощности при нагреве твердой заготовки.(56) 1. Мосендз Н. А. и др. Информационное письмо ИЭС им. Патона,23/76. 2. , 1,1498587, МПК В 22 19/06, 1989. 3. , ,16, МПК 22 19/00, 1992. Изобретение относится к спецэлектометаллургии и может быть использовано для получения заготовок биметаллических штампов и инструмента, а также их восстановления. Известен способ изготовления и восстановления штампов, предусматривающий нагрев твердой матрицы,либо подплавление гравюры штампа с использованием электрошлакового обогрева, заливку жидкого металла на подплавленную поверхность и его кристаллизацию с электрошлаковым обогревом . Этот способ позволяет получать биметаллические штампы или восстанавливать изношенные. Однако потребность в жидком металле делает этот способ трудомким и не всегда приемлимым. Кроме того, в некоторых случаях, когда перед заливкой жидкого металла электрошлаковый обогрев прекращен, в неподплавленных ручьях штампа затвердевает шлак и частично остается под заливаемым металлом. Известен способ восстановления штампа электрошлаковой наплавкой с использованием стружки 2. Этот способ позволяет восстанавливать изношенные штампы до исходной высоты. Недостатком этого способа является то, что при подаче крупной стружки на подплавленную до небходимой глубины поверхность штампа, возможно образование пор и шлаковых включений в зоне соединения. Другим недостатком способа является то, что при подаче стружки из легированной стали в жидкую металлическую ванну среднелегированной углеродистой стали, происходит их перемешивание с образованием новой марки стали, неоднородной по химическому составу, по высоте наплавки. Следовательно, получать качественные биметаллические штампы таким способом затруднительно. Наиболее близким по технологической сущности к предполагаемому способу является способ наплавки штампов 3, предусматривающий подплавление поверхности заготовки с использованием нерасхо 1 2852 1 дуемых электродов, снижение мощности электрошлакового обогрева перед подачей присадочного металла,кристаллизацию слоя подплавленного металла до твердожидкого состояния на границе раздела его со шлаком,а затем перегрев шлака на 200300 С выше температуры ликвидус присадочного металла и непрерывную подачу частиц присадочного металла. Недостатком этого способа является то, что процесс подачи стружки ведется при режимах (Иф 45 - 60 В, ф 1,5 - 2 кА), и торцы электродов, у которых расположена максимальная зона тепловыделения, находятся в нижней половине шлаковой ванны, вблизи границы раздела шлак-металл. В свою очередь это приводит к увеличению глубины металлической ванны ( до 60 мм), а следовательно к возможности образования пор и шлаковых включений в наплавляемом металле, а также снижению степени его рафинирования. Это происходит потому, что часть стружки, проходя через слой шлака, не расплавляется и на ней образуется шлаковый гарнисаж, погружаясь в глубокую металлическую ванну, она так же не всегда расплавляется и остается внутри металла наплавки, что приводит к образованию пор и шлаковых включений. Рафинирование глубокой металлической ванны происходит неравномерно только в верхней е части. Известно, что при плавлении некомпактных материалов в перегретом шлаке основной рафинирующий эффект достигается в период нахождения капель присадочного металла на границе раздела шлакметаллическая ванна. Величина капель, которые могут задержаться на межфазной границе, падает, так как при повышенной температуре у границы раздела вязкость шлака снижается. Следовательно и степень рафинирования наплавляемого металла при таком режиме наплавки будет невысока. Кроме этого, возрастание глубины погружения электродов в шлак, и, соответственно, увеличение контакта их со шлаком способствует усилению растворения электродов (графита) в шлаке, и приводит к науглероживанию наплавляемого металла. Одним из недостатков способа является также малая производительность наплавки, особенно при подаче мелкой стружки, которая плавает на поверхности шлака до расплавления. При использовании этого метода происходит захолаживание шлака на поверхности из за того, что максимальная зона тепловыделения, находящаяся у торца электродов, смещена к границе раздела шлак-металлическая ванна, следовательно скорость плавления такой стружки падает. Задачей, решаемой изобретением, является улучшение качества наплавляемого металла и повышение производительности наплавки. Поставленная задача решается тем, что в известном способе электрошлаковой наплавки, включающем подплавление поверхности твердой заготовки с помощью нерасходуемых электродов, подачу некомпактных металлических материалов на поверхность шлаковой ванны и последующую кристаллизацию наплавленного слоя с электрошлаковым обогревом, перед подачей некомпактных материалов электроды перемещают в верхнюю половину шлаковой ванны, а некомпактные материалы подают на поверхность шлаковой ванны со скоростью 0,4 - 0,9 кг/ч на 1 кВт подводимой электрической мощности, при этом удельную мощность подогрева поддерживают равной 0,8 - 1,0 удельной мощности при нагреве твердой заготовки. При анализе этих признаков авторами в известных решениях сходных признаков не обнаружено. В предлагаемом способе перед подачей некомпактных материалов электроды перемещают в верхнюю половину шлаковой ванны, а удельную мощность подогрева поддерживают на уровне 0,8 - 1,0 удельной мощности при нагреве твердой заготовки. Этот технологический прим позволяет поддерживать малую глубину металлической ванны (порядка 8 10 мм) на протяжении всего процесса наплавки. Поэтому при подаче крупной стружки, она проходя через слой шлака будет плавиться на границе раздела шлак-металл или в самой металлической ванне, так как мелкая металлическая ванна хорошо прогревается. Рафинирование такой металлической ванны будет происходить на всю глубину и степень рафинирования наплавленного металла будет выше, чем в способе - прототипе по вышеуказанным причинам (см. табл.). Уменьшение заглубления электродов позволяет также избежать науглероживания наплавляемого металла (см. табл.). Нижний предел удельной мощности обусловлен тем, что поддержание удельной мощности ниже этого значения приведет к заметному снижению температуры металлической ванны, а следовательно к тому, что частицы стружки с намороженным шлаком не будут расплавляться. Верхний предел удельной мощности обусловлен тем, что поддержание е вышеуказанного уровня вопервых, затруднено из-за того, что электрошлаковый процесс на повышенном напряжении будет переходить в неустойчивый дуговой, а во-вторых, сопряжено с увеличением глубины металлической ванны, что нежелательно. Смещение электродов при данных пределах удельной мощности в нижнюю половину шлаковой ванны будет приводить к увеличению глубины металлической ванны и науглероживанию металла наплавки. Так как стружечные отходы легированных сталей в основном мелкофракционные, то значительная часть таких отходов при подаче их на поверхность шлака будет плавать там до расплавления. Поэтому для ускорения их плавления необходимо повысить температуру шлака у поверхности, что достигается перемещением торцов электродов, то есть максимальной зоны тепловыделения в верхнюю полови 2 2852 1 ну шлаковой ванны. Таким образом стало возможным повысить производительность наплавки от 120 кг/ч(способ-прототип) до 270 кг/ч (предлагаемый способ). Разброс в скоростях подачи (0,4 - 0,9 кг/ч) на 1 кВт подводимой мощности обусловлен размерами подаваемых некомпактных материалов, а также температурной шлаковой ванны у поверхности, которая в свою очередь зависит от состава шлака и удельной мощности обогрева. Подача стружки со скоростью выше верхнего предела не обеспечивает е расплавление при данной удельной мощности (0,8 - 1,0 от удельной мощности при нагреве твердой заготовки), подводимой к шлаковой ванне. Подаче стружки со скоростью ниже нижнего предела будет способствовать увеличению глубины металлической ванны, увеличению времени выплавки, а следовательно увеличению расхода электроэнергии. Получить качественный наплавляемый металл при высокой производительности наплавки возможно лишь в случае поддержания параметров режима наплавки, соответствующим предлагаемому изобретению (см. табл.). Пример На Токмакском кузнечно-штамповочном заводе восстанавливали штампы из стали 5 ХНМ размером 400 х 200 х 180 мм, глубиной гравюры 20 мм. Одновременно в кристаллизатор устанавливали два штампа, общая площадь, подлежащая нагреву, с учетом технологических зазоров составляла 460 х 400 мм. При подплавлении штампов силу тока и каждой из трех фаз поддерживали в пределах 2,5 - 3,0 кА, фазное напряжение 47 В и глубину шлаковой ванны 55 - 60 мм. После подплавления штампов (глубина металлической ванны 30 мм) силу тока уменьшали до твердожидкого состояния. После этого электроды перемещали в верхнюю половину шлаковой ванны и устанавливали силу тока 1,5 - 2 кА при напряжении 63 В. Стружку стали 5 ХНМ подавали непрерывно со скоростью 180 кг/ч. Всего было наплавлено 50 кг металла. Последние порции жидкого металла кристаллизовались с ЭШО при токе 0,6 - 0,7 кА. Качество наплавки определяли после разрезки штампов исследования макроструктуры наплавленного слоя. Как показали исследования, металл наплавки не имеет пор, шлаковых включений и хорошо рафинирован. Состав его соответствует марочному составу стали 5 ХНМ по углероду и другим элементам (см. табл.). В нижней половине шлаковой ванны Отношение удельных мощностей при подаче стружки и нагреве твердой заготовки 1 Скорость подачи стружки накВт подводимой электрической мощности 0,3 - 0,4 Качество наплавляемого металла Примечания Часть стружки полностью не расплавляется, имеются шлаковые включения. Наплавленный металл по высоте рафинируется неравномерно и науглероживается. Содержание серы - 0,015 , кислорода - 0,003 В верхней половине шлаковой ванны В верхней половине шлаковой ванны В верхней половине шлаковой ванны Начинается кипение шлака, электрошлаковый процесс неустойчив, переходит в дуговой. Увеличивается глубина металлической ванны. Стружка полностью не расплавляется,металлическая ванна переохлаждается. Образуются макродефекты, поры. Шлаковых включений и пор нет по всему сечению наплавленного металла. Наплавленный металл рафинируется по высоте равномерно и не науглероживается. Содержание серы 0,081 ,кислорода 0,0014 . Увеличивается глубина металлической ванны. Крупная стружка полностью не расплавляется,имеются шлаковые включения. Растет расход электроэнергии, время наплавки увеличивается. Стружка полностью расплавляется,металлическая ванна переохлаждается. Образуются макродефекты, поры. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.