Состав электродного покрытия для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей

 

Изобретение относится к сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Целью изобретения является повышение сварочно-технологнческих свойств электродов. В состав электродного покрытия, содержащего, мас.%: углерод 1-3,5; гематит 5-30; полевой шпат 0,2-35; кремнезем, ферросилиций , ферромарганец и ферротитан, для повышения стойкости металла шва против порообразования и уменьшения разбрызгивания металла при сварке дополнительно введены мрамор и криолит. Отношение содержания гематита к углероду должно составлять 4,4-8,9. Если это отношение менее 4,4, то металл шва в значительной степени науглероживается, а при увеличении отношения вьште 8,9 повьшгается содержание кислорода в наплавленном металле. В обоих случаях происходит снижение механических свойств сварного соединения; Дополнительное введение кремнезема и ферросилиция обеспечивает возтчожность сварки во всех пространственных положениях. 1 з.п. ф-лы, 5 табл. I (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) А1 (594 В 23 К 35 365

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3922399/25-27 (22) 04.07.85 (46) 15.03.87. Бюл. ¹ 10 (71) Научно-производственное объеди-. нение "Атомкотломаш" (72) Ю.В. Бобриков, В.А. Бетчин, Б.А. Меркулов, И.Е. Шульман и Б.П. Максяшев (53) 621.791.04(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 428892, кл. В 23 К 35/365, 19.10.72.

Авторское свидетельство СССР № 1080947, кл. E 23 К 35/365, 20.12.82. (54) СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ

ДЛЯ СВАРКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Целью изобретения является повышение сварочно-технологических свойств электродов. В состав электродного покрытия, содержащего, ма с. 7: углерод 1-3, 5; гематит 5-30; полевой шлат 0,2-35; кремнезем, ферросилиций, ферромарганец и ферротитан, для повышения стойкости металла шва против порообразования и уменьшения разбрызгивания металла при сварке дополнительно введены мрамор и криолит. Отношение содержания гематита к углероду должно составлять

4,4-8,9. Если это отношение менее

4,4, то металл шва в значительной степени науглероживается, а при увеличении отношения выше 8,9 повышается содержание кислорода в наплавленном металле. В обоих случаях происходит снижение механических свойств сварного соединения; Дополнительное введение кремнезема и ферросилиция обеспечивает возможность сварки во всех пространственных положениях.

1 з.п. ф-лы, 5 табл.

1296345

Изобретение относится к сварке, в частности к сварочным материалам, применяемым преимуществеино для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей.

Цель изобретения — улучшение сварочно-технологических свойств электродов, а именно повышение стойкости металла шва против порообразования, уменьшение разбрызгивания наплавляемого металла, а также обеспечение возможности выполнения сварки во всех пространственных положениях (нижнем, вертикальном, горизонтальном и потолочном).

Введение в состав электродного покрытия углерода совместно с гематитом и двуокисью кремния, значительное количество которого содержится в полевом шпате, обеспечивает защиту нанлавляемого металла углекислым га- зом по реакциям:

Fe 0>+2С вЂ” FeO+2CO)+Fe; (1)

Ре О +ЗС ЗС01+2Ре; (2)

Fe O>+CO †COqf+2F; (3)

2Fe 0 +3C ЗС0 1+4Fe; (4)

FeO+CC0f+Fe; (5)

Si0ã+2C — Si0+COf (6)

8 0 +2CSi+COI; (7)

SiO+CO Si+C0g) (8)

Реакции (1)-(8) экзотермические, т ° е. протекают с выделением тепла.

Восстановление железа позволяет на

10-15% повысить коэффициент наплавки, а восстановленный кремний дополнительно легирует металл шва при сварке электродами с этим покрытием.

Минимальный предел содержания углерода (1,0 мас.X) определен условием обеспечения необходимой газовой защиты наплавляемого металла (особенно в момент возбуждения сварочной дуги) а максимальный (3,5 мас.X) уровнем науглероживания металла сварного шва.

Верхний предел содержания гематита (30 мас,%) определяется условием обеспечения газовой защиты. При этом должно соблюдаться оптимальным отношение

-4 4-8 9

Количество углерода

Если это отношение 4,4, то металл шва в значительной степени науглероживается, что приводит к снижению его пластических свойств. Увеличение отношения свыше 8,9 способствует возрастанию содержания кислорода в

fS

45 наплавленном металле и снижению механических свойств сварного соединения.

Выбранное соотношение хорошо сходится со стехиометрическими расчетами, проведенными по формуле (2) и (4)Наличие в составе покрытия двуокиси кремния в составе полевого шпата и дополнительное введение кремнезема улучшают газовую защиту не только в связи с окислением углерода по реакциям (б) — (8), но и при взаимодействии его с фтором, в результате которого образуется SiF4 — газ, легко вступающий во взаимодействие с

1 водородом и парами воды. Присутствие в газовой фазе SiF< при дуговой сварке считается одним из основных факторов, способных эффективно повысить стойкость металла шва против порообразования.

Полевой шпат способствует улучшению стабильностй горения дуги, так как в его составе содержатся окислы щелочных металлов, обладающие низкими значениями энергии активации.

C целью расширения технологических возможностей сварочных элементов, что является составной частью их сварочно-технологических свойств, а именно возможность. выполнения сварки во всех пространственных положениях (нижнем. вертикальном, горизонтальном и потолочном), в состав покрытия обязательно должен входить кремнезем и ферросилиций, причем они оказывают влияние на сварочно-технологические свойства при содержании этих компонентов не менее 1%. При отсутствии этих компонентов или содержании менее 1% в составе покрытия вязкость образующегося шлака является недостаточной для удержания жидкого металла сварочной ванны. В результате чего металл при выполнении сварки в положении отличном от нижнего частично стекает по шву с образованием наплывов и несплавлений, что ухудшает качество сварного шва.

Увеличение содержания кремнезема свыше 4,5 мас..Х приводит к ухудшению стабилизирующих свойств покрытия и придает образующемуся при плавлении шлаку высокую вязкость, в результате чего качество формирования сварного шва заметно ухудшается.

Электродное покрытие содержит в своем составе до 40 мас,X мрамора, что обусловлено необходимостью по1296345 лучения наплавленного металла, обладающего высокой стойкостью против порообразования. Именно: сочетание эндотермических процессов образования газовой защиты за счет диссоциа- 5 ции мрамора в установившемся режиме горения дуги с экзотермическими процессами восстановления углеродом гематита в начальный период возбуждения дуги обеспечивает получение сварного шва, обладающего высокой стойкостью против образования пор.

Кроме того, введение в состав покрытия мрамора способствует увеличению тугоплавкости покрытия, так как диссоциация мрамора происходит с поглощением тепла. На конце плавящегося электрода образуется конусная втулочка, которая способствует образованию направленных газовых потоков.

Диссоциация карбоната кальция приводит к значительному увеличению газовой фазы за счет образования углекислого газа и усилению конвективных газовых потоков, которые способствуют отрыву образующихся капель от электродного стержня и их измельчению.

Следствием описанных процессов является значительное уменьшение разбрызгивания наплавляемого металла.

Верхний предел содержания мрамора в покрытии (40 мас. ) ограничен ухудшением технологических характеРистик покРытия при его опрессовке, 35 а нижний предел (20 мас.X) — эффективностью газовой защиты наплавляемого металла и стойкостью его против порообразования при удлинении дугового промежутка (увеличении U ) в ус в 40 тановившемся процессе сварки.

Ъ

Важным моментом является выбор сочетания с мрамором криолита в качестве фторсодержащего компонента. Такой выбор обусловлен тем, что присутствие в шлаке окиси кальция (продукта диссоциации мрамора) в значительной степени ограничивает активность кремнезема по отношению к пла- gg виковому шпату, который в настоящее время наиболее широко используется в электродном производстве в качестве фторсодержащего компонента, В результате увеличения содержания мрамо-55 ра в покрытии концентрация ЯЫ в газовой фазе уменьшается, а склонность металла шва к порообразованию возрастает.

В случае использования KpHQJIHYB изменение содержания мрамора в покрытии не оказывает влияния на эффективность образования ЫГ4, так как в результате взаимодействия криолита с кремнеземом окись кальция не образуется и увеличение содержания SiF в шлаке при разложении мрамора не снижает активности кремнезема по отношению к криолиту. Это и обусловливает высокую стойкость металла шва против водородной пористости, несмотря на значительное содержание мрамора в покрытии.

Использование криолита в покрытии также более эффективно способствует снижению поверхностного натяжения шлака и уменьшению среднего размера капель электродного металла по сравнению с CaF . Снижение размера капель в свою очередь способствует уменьшению разбрызгивания наплавляемого металла.

Стабилизирующие свойства криолита несколько выше, чем у плавикового шпата. Это связано с тем, что в состав криолита входит натрий и алюминий, которые, являясь стабилизаторами сварочной дуги, в значительной степени подавляют вредное воздействие до— затора на стабильность ее горения.

Поэтому сочетание мрамора (также являющегося хорошим стабилизатором) с криолитом делает принципиальную возможность выполнения сварки на переменном токе.

Нижний предел содержания криолита (3 мас.7.) ограничен возрастанием вероятности образования водородной пористости в металле шва, верхний предел (1О мас.7) — стабильностью горения сварочной дуги и возможностью выполнения сварки на переменном токе.

Введение комплекса раскислителей в состав покрытия, таких как ферромарганец, ферросилиций и ферротитан, позволяет регулировать наплавленный металл по уровню содержания кислорода и степени его легирования марганцем и кремнием.

Для оценки свойств электродного покрытия по известной технологии изготовлены семь составов покрытия, которые представлены в табл. 1.

Первый состав содержит криолит и ферротитан по нижнему пределу, гематит, кремнезем и соотношение гематита к углероду по верхнему пределу

1296345 при среднем содержании других компонентов; ферросилиций не содержит.

Второй состав содержит углерод, гематит по нижнему пределу, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, 5 криолит по верхнему пределу при среднем содержании других компонентов; кремнезем не содержит.

Третий состав содержит ферромарганец, мрамор и соотношение гематита к углероду по нижнему пределу, полевой шпат по верхнему пределу при среднем содержании других компонентов.

Четвертый состав содержит мрамор по верхнему пределу при среднем содержании других компонентов.

Пятый состав содержит полевой шпат по нижнему пределу, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, криолит по верхнему пределу при среднем содержании других компонентов; кремнезем не содержит.

Шестой состав содержит мрамор по нижнему пределу, углерод, гематит, ферротитан по верхнему пределу при среднем содержании других компонентов.

Седьмой состав содержит все компоненты при их среднем содержании.

l 30

Покрытие наносилось методом опрессовки на стержни из проволоки фЗ мм марки св — 08А.

Электродами с этими покрытиями производилась сварка пластин из

Ст.ЗСП толщиной .!6 мм с V-образной разделкой кромок. Исследовались .сварочно-технологические свойства электродов — формирование сварного шва, отделимость шлаковой коркй, стабиль- 40 ность горения дуги, склонность металла шва к образованио пор и возможность выполнения сварки на переменном токе. Результаты испытаний приведены в табл. 2. 45

Разбрызгивание наплавляемого металла определялось на пластинах из

Ст.ЗСП толщиной 10 мм. Наплавка валика на пластину осуществлялась в нижнем положении. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Сравнительные данные.по механическим свойствам металла шва, полученные в соответствии с требованиями

ГОСТ 6996-66, представлены в табл.4 (минимальные для электродов типа

Э50А по ГОСТ 9467-75: температура испытаний 20 С; бв 50 МПа; 8 20X

g. 130 МДж/см ).

Качество формирования металла шва при использовании семи составов покрытий электродов при сварке во всех пространственных положениях приведено в табл. 5.

Результаты испытаний, представленные в табл. 1 — 4, показывают, что электроды с данным электродным покрытием обладают высокими сварочно-технологическими свойствами, сохраняя на уровне электродов Э50А значения механических свойств металла шва, при этом коэффициент разбрызгивания наплавляемого металла находится на уровне с электродами, построенными на основе фтористо-кальциевого покрытия, т.е. имеют минимальное значение по сравнению с другими видами покрытия.

Указанное электродное покрытие обеспечивает высокие сварочно-технологические свойства электродов, в том числе высокую стойкость металла шва против порообразования как в начальный момент сварки, так и в установившемся режиме горения дуги при ее удлинении; незначительное разбрызгивание наплавляемого металла; принципиальную возможность ведения сварки на переменном токе. Указанные свойства достигаются за счет введения в состав покрытия, содержащего в качестве газообразующих компонентов углерод и гематит, мрамора в сочетании с криолитом.

Существенное снижение разбрызгивания наплавляемого металла уменьшает трудоемкость очистки изделия от брызг, улучшает товарный вид выпускаемой продукции и снижает трудоемкость исправления брака за счет увеличения стойкости наплавленного металла против порообразования.

Применение данного покрытия при изготовлении электродов позволяет добиться увеличения пластичности электродной массы, так как углерод, вводимый.в виде сажи, является отличным пластификатором, что позволяет вывести из состава покрытия органические пластификаторы (например, КМЦ), которые существенно увеличивают содержание водорода в наплавляемом металле.

Формула изобретения

l. Состав электродного покрытия для сварки низкоуглеродистыь;,и низко1296345

Таблица 1

Содержание компонентов, мас.7 в составах

Компоненты

2 3 (4

3,4 1 2 3

30 5 8 8 21

Углерод

2,8 3 5 3

22,0 30 24

Гематит

Кремнезем 4,5 — 3

Ферромарганец

911047

Ферросилиций

5 4,2 1

Ферротитан 10 20 15 12 20

l8

3 !О 8

Криолит

Мрамор

5 10

30 26 20 40 30

28

Полевой шлат

10,0 23 35 10 0,2

5,5 8

Т а б л и ц а 2

I I E

Показатели

Формирование сварного шва Отлич- Хоро- Хоро- Отлич- Отлич- Отлич- Отличное шее шее ное ное ное ное

Отделимость шлаковой

Хоро- Отлич- Отлич- Отлич- Хоро- Отлич- Отличшая ная ная ная шая ная ная корки

Стабильность горения дуги Высо- Высо- Сред- Высо- Сред- Высо- Высокая кая няя кая няя кая кая легированных сталей, содержащий углерод, гематит, полевой шлат, ферромарганец, ферротитан, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения .сварочно-технологических свойств электродов, состав дополнительно содержит мрамор и криолит, а отношение содержания гематита к углероду составляет 4,4-8,9 при следующем соотношении компонентов, мас.7.: !О

Углерод 1 — 3,5

Гематит 5-30

Ферромарганец 4-!О

Ферротитан 10-20, Мрамор 20-40

Криолит 3-10

Полевой шпат 0,2-35

2. Состав по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью возможности сварки во всех пространственных положениях, он дополнительно содержит кремнезем и ферросилиций при следующем соотношении компонентов, мас.Ж:

Кремнезем 1-4,5

Ферросилиций 1-5

1296345

Продолжение табл. 2

Составы

Показатели

Склонность металла шва к образованию пор

Мало Устой- Устой- Устой- Устой- Устой- Устойскло- чив чив чив чив чив чив нен

Возможность сварки на токе

Можно Можно Можно Можно Можно Можно Можно

Т а б л и ц а 3

Составы

3 4 5 6

Показатели J

Коэффициент разбрызгивания, 7.

3 5 1 2

Сложно с ть очистки пластин от брызг металла после сварки

Сред- Низ- Низняя кая кая

НизНиз- Сред- Низкая няя кая кая

Т а б л и ц а 4

6 .,МПа Р,X

Составы

Температура испытаний, .

О М э

МДж/см

56,4 21 140

520 27 160

510 24 150

543 23 . 170

537 25 170

526 24 160

531 26 180

20

20

20

12

1296345

Т а б л и ц.а 5

Пространственное положение при сварке

2 3 4 5 6

Качество формирования металла шва в вертикальном положении (снизу вверх) Хорошее

Отлич- ОтличОтличПлоОтличПлоное ное ное хое ное хое нии

Качество формирования металла шва в потолочном положении

Составитель Т. Арест

Техред М.Ходанич

Редактор M. Петрова

Корректор М. Демчик

Заказ 704/17 Тираж Подписное

BHHKIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4!5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Качество формирования металла в вертикальном положении (сверху вниз) Качество формирования металла в гори-. зонтальном положеПло- Хоро- Хоро- Хоро- Хоро- Хоро- Хорохое шее шее шее шее шее mee

Хоро- Пло Отлич- Хоро- Пло- Отлич- Отличшее хое ное шее хое ное ное

Хоро- Пло- Отлич- Хоро- Пло- Отлич- Отличmee хое ное шее хое ное ное