Шихта порошковой проволоки

 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к составам порошковых проволок для сварки открытой дугой металлоконструкций из стального проката, покрытого алюминием . Цель изобретения - нейтрализация вредного влияния алюминиевого покрытия на служебные характеристики сварочного соединения металлизированной алюминием стали, повышение ударной вязкости металла сварного шва и сварочно-технологических свойств порошковой проволоки. Шихта порошковой проволоки содержит компоненты при следукнцем соотношении, мае. %: плавиковый шпат 39,0-45,0; магнезит 6,0- 8,0; мрамор 4,0-6,0; ферротитан 1,7- 3,0; ферромарганец 1,0-1,6; ферроси-. лиций 0,2-0,5; калиево-натриевая глыба 1,2-2,0; медь 0,8-1,0; оксид никеля 2,5-3,5; оксид хрома 2,5-4,0; оксид железа (окалина) 5,0-7,0; криолит 2,0-3,0; хлористый калий 0,8-1,2; железный порошок остальное. Введение в состав шихты дополнительных окислителей в виде оксидов железа, хрома и никеля обеспечивает интенсивное протекание реакции окисления алюминия покрытия, увеличение в 2-3 раза ударной вязкости металла сварного шва и улучшение в 3-5 раз отделимости шлаковой .корки при повьш1енной стойкости металла сварного шва к порообразованию . 3 табл. (Л со & 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

SU,»136 1 (51)4 В 23 К

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4053378/31-27 (22) 11.04.86 (46) 23.01.88. Бюл. ¹ 3 (71) Краматорский индустриальный институт (72) А.Г.Василенко, В.И.Карпенко, О.И.Стеклов и И.С.Иоффе (53) 621.791.04 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 360183, кл. В 23 К 35/368, 1971.

Авторское свидетельство СССР

¹ 956204, кл. В 23 К 35/36, 1982. (54) ШИХТА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ (57) Изобретение относится к сварочному производству, в частности к составам порошковых проволок для сварки открытой дугой металлоконструкций из стального проката, покрытого алюминием. Цель изобретения — нейтрализация вредного влияния алюминиевого покрытия на служебные характеристики сварочного соединения металлизированной алюминием стали, повышение ударной вязкости металла сварного шва и сварочно-технологических свойств порошковой проволоки. Шихта порошковой проволоки содержит компоненты при следующем соотношении, мас.Ж: плавиковый шпат 39,0-45,0; магнезит 6,08,0; мрамор 4,0-6,0; ферротитан 1,73,0; ферромарганец 1,0-1,6; ферроси- . лиций 0,2-0,5; калиево-натриевая глыба 1,2-2,0; медь 0,8-1,0; оксид никеля 2,5-3,5; оксид хрома 2,5-4,0; оксид железа (окалина) 5,0-7,0; криолит

2,0-3,0; хлористый калий 0,8-1,2 железный порошок остальное. Введение в состав шихты дополнительных окисли1 телей в виде оксидов железа, хрома и никеля обеспечивает интенсивное протекание реакции окисления алюминия покрытия, увеличение в 2-3 раза ударной вязкости металла сварного шва и улучшение в 3-5 раз отделимости шлаковой корки при повышенной стойкости металла сварного шва к порообразованию. 3 табл.

15

1

13

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к составам порошковых проволок для сварки открытой дугой металлоконструкций из стального проката покрытого алюминием, Цель изобретения — нейтрализация вредного влияния алюминиевого покрытия на служебные характеристики сварочного соединения металлизированной алюминиевой стали, повышения ударной вязкости металла сварного шва и сварочно-технологических свойств порошковой проволоки.

Оксиды металлов (железа, хрома, никеля и др.) окисляют алюминий покрытия, образуя оксид алюминия. Одновременно хлористый калий, взаимодействуя с алюминием, образует хлорид алюминия, который возгоняясь при

183 С уносит с собой из металла частицы тугоплавкого оксида алюминия, которые затем растворяются расплавленным шлаком, состоящим в основном из оксидов металла и фторидов образующихся при разложении криолита и плавикового шпата. Таким образом, осуществляется очищение металла шва от неметаллическихвключений.Повьппаются механические свойства металла шва. В частности пластично-вязкие свойства, ударная вязкость.

При этом криолит не только повышает растворимость оксидов алюминия в шлаке пропорционально его содержанию во флюсе, но и "разъедает" границы оксидной пленки на частицах алюминия, облегчая доступ к нему оксидов металлов и хлористого калия.

Восстановленные из оксидов хром и никель, а также введенная в состав шихты проволоки медь, подавляют образование железоалюминиевых интерметаллидов на границах зерен феррита в переходной области верхней части и корня шва, где содержится наибольшее количество алюминия, неравномерно распределенного в металле шва при попадании в него из покрытия. Таким образом, исключается вредное влияние интерметаллидов на пластично-вязкие свойства металла шва.

Оксид хрома и оксид никеля снижают потенциал ионизации, стабилизируют дугу, способствуя мелкокапельному переносу, снижают потери металла на оазбрызгивание, в то время как алю68140 2 миниевое покрытие повьппает потенциал ионизации и дестабилизирует дугу.

Восстановленный никель способствует аустениэации металла шва, частично компенсируя действие алюминия, который способствует ферритизации и хладноломкости. Повьппается ударная вязкость металла шва, особенно при отрицательных температурах.

Восстановленный иэ оксида хром и содержащаяся в шихте медь повышают прочностные свойства, коррозионную стойкость металла сварного шва без снижения показателей пластичности и ударной вязкости.

Выбор окалины по сравнению с другими окислителями, например гематитом, произведен, исходя иэ значительно более низкого содержания в ее составе серы и фосфора, являющихся вредными примесями, возможностью дополнительного легирования металла сварного шва никелем, хромом и другими элементами при использовании окалины сталей легированных этими элементами, например 34ХН1М, 18ХН4МА, 34ХН 3М и др., а также из того, что окалина является отходом производства стальных заготовок, дешева и недефицитна..

Кроме того, окалина повышает жидкотекучесть шлака, компенсируя частично дефекты, вызванные образованием оксида алюминия, который ухудшает жидкотекучесть шлака.

Введение окалины в количестве. менее 5% шихты не дает достаточного эффекта. При ее содержании более 7% дуга становится менее стабильной, что влечет за собой повьппение разбрызгивания, склонности, пористости, ухудшается отделимость шлака.

При содержании в шихте оксида хрома и оксида никеля менее 25%, меди менее 0,8Х их действие недостаточно эффективно, снижается переход их в сварной шов до количеств меньших нижнего предела, обеспечивающего требуемые характеристики коррозионной стойкости и механических свойств металла шва.

При содержании оксида хрома более

4% и меди более 1Х снижается ударная вязкость металла шва.

Дальнейшее увеличение в шихте оксида никеля более 3,5Х может привести к снижению стабильности горения дуги, а также ограничению его относительной дефицитностью.

1368140

Кроме того, пределы содержания оксида никеля, оксида хрома и окалины обусловлены соображениями получения необходимой и достаточной суммарной окислительной способности проволоки.

Введение в состав проволоки криолита и хлористого калия и построение газошлакообразуюшей основы шихты на плавиковом шпате, мраморе и магнеэите 1Q позволяет получить глубокоосновный шлак с низкой температурой плавления, улучшить смачивание шлаком металла, сварочно-технологические свойства проволоки, создать условия для удале- 15 ния оксида алюминия из металла сварного шва и растворение его в шлаке, состоящем в основном иэ фторидов и оксидов металлов. Так как растворимость оксида алюминия фторидами все 20 же невелика, то требуется значительное (около половины всей массы шихты) содержание плавикового шпата (фтористый кальций) в сердечнике порошковой проволоки. 25

При содержании в шихте хлористого каЛия менее 0,8Х и криолита менее 2Х эффект от их введения незначителен.

Введение хлористого калия более

1,27. шихты повышает склонность метал- 30 ла к пористости.

При содержании криолита более ЗХ снижается стабильность горения дуги, кроме того, происходит значительное выделение вредных газов.

Плавиковый шпат служит основным шлакообразующим компонентом, обеспечивая шлаковую защиту металла шва от окисления. Кроме того, при температу- 40 ре сварки плавиковый шпат частично разлагается на свободные кальций и фтор и связывает водород, содержащий во влажном воздухе в соединение HP не растворимое в металле, чем предот- 45 вращается водородная пористость шва.

Плавиковый шпат позволяет регулировать температуру плавления сердечника порошковой проволоки, скорость . затвердевания шлака, так как существует обратно пропорциональная зависимость этих показателей от содержания его в шихте проволоки. Он также снижает разбрызгивание электродного металла.

Прк содержании плавикового шпата менее 39 количество его недостаточно для растворения оксида алюминия, что влечет за собой снижение ударной вязкости металла шва,ухудшение отделимости шлаковой корки.

При содержании плавикового шпата более 45% повышается выделение вредных газов, наплавленный валик становится узким и высоким.

Температура плавления сердечника и скорость затвердевания шлака снижаются ниже допустимого предела. В ре-. зультате расплавленный шлак мешает процессу сварки, дуга становится неустойчивой.

Карбонаты кальция и магния (мрамор и магнезит) играют роль генерирующих

ras компонентов, чем обеспечивается газовая защита металла шва, так как при их разложении образуется углекислый газ, под действием которого понижается парциальное давление водорода в расплавленном металле, что предотвращает водородную пористость и хрупкость.

Мрамор и магнезит регулируют основность шлака и понижают содержание фосфора, серы, кремния в металле шва.

Диссоциируя в процессе сварки мрамор и магнезит, образуют шлак из ок-. сидов кальция и магния, которые практически не окисляют легирующие эле-. менты и обеспечивают минимальные их потери, способствуют получению измельченной первичной структуры металла шва, модифицируя его, образуют стойкие комплексные соединения с продуктами раскисления и тем самым снижают общее содержание кислорода в металле шва.

Построение карбонатной основы шихты проволоки не только на мраморе, а на смеси мрамора и магнезита продиктовано тем, что оксид магния, хотя и более слабый оксид, чем оксид кальция, но он менее склонен к гидратации, а следовательно, это способствует повышению стойкости проволоки против порообразования.

Калиево-натриевая глыба, входящая в состав шихты проволоки, снижает температуру плавления, поверхностное натяжение интенсифицирует жидкотекучесть шлака, стабилизирует горение дуги, способствует мелкокапельному переносу, снижает разбрызгивание металла, т.е. улучшает сварочно-технологические свойства проволоки. При содержании глыбы менее 1,2Х указанный эффект не проявляется, а введение ее в количестве более 2,07 нецелесообраз5 13681 но, так как при этом снижается основность шихты, повышаются окислительные свойства шлака. Кроме того, слишком низкая температура плавления и ско

5 рость затвердевания, высокая жидкотекучесть шлака, как и в случае повышенного содержания плавикового шпа- . та затрудняют процесс сварки.

Содержащиеся в составе шихты ферросплавы титана, кремния, марганца легируют металл шва, повышают сварочно-технологические свойства проволоки предотвращают окисление металла, на стадии капли, а также в сварочной ванне, в том случае, когда раскисляющий. эффект алюминия покрытия оказыва-. ется недостаточным вследствие несплошности покрытия или содержания в нем значительного количества оксида алюминия, что может быть связано с нарушением технологии металлизации.

Применение комплекса раскислителей более целесообразно по сравнению с применением какого-либо одного из 25 них в большем количестве для получения того же раскисляющего эффекта, что дают в сумме ферросплавы титана, марганца, кремния.

Лучшие результаты, получаемые при gp этом, объясняются тем, что содержание каждого из легирующих компонентов титана, марганца, кремния в металле шва имеет свои оптимальные границы, обусловленные требованиями к свойствам

35 металла, которые мы хотим получить.

Каждый иэ указанных ферросплавов при введении в порошковую проволоку в большей или меньшей мере дает еще свой эффект.

Ферротитан, самый сильный раскис-: литель из трех указанных, модифицирует наплавленный металл, способствует выделению карбидов в теле зерна и получению мелкодисперсной структуры, что повышает прочностные и антикоррозионные свойства наплавленного металла. Кроме того, не стабилизирует .горение дуги, снижает разбрызгивание, связывает азот в стойкие нитриды.

Ферросилиций улучшает сварочнотехнологические свойства проволоки.

Кроме того, из всех содержащихся в проволоке компонентов он наиболее

55 сильно (в три-четыре раза) уменьшает образование железо-алюминиевых интерметаллидов на границах зерен феррита, тормозит диффузию алюминия

40 е в сталь, что повышает ударную вязкость металла шва при сварке стали покрытой алюминием. Однако в то же самое время кремний заметно повышает общее количество неметаллических включений, что снижает ударную вязность стали при отрицательных температурах.

Ферромарганец измельчает как первичную, так и вторичную структуру металла шва. При этом несколько изменяется тип сульфидов, возрастает доля сульфидных включений округлой формы, повышается их дисперсностъ, а также наблюдается более равномерное их распределение в межосных пространствах первичных кристаллитов. Все это приводит к повышению механических свойств металла шва и стойкости

его против кристаллизационных трещин, улучшение свариваемости.

При введении ферросплавов в количестве меньшем указанного нижнего предела (ферротитана — 1,7Е, ферромарганца — 1,0Х, ферросилиция — 0,2X) шихта проволоки обладает недостаточной раскислительной способностью, в результате чего происходит снижение содержания легирующих элементов в металле шва, засорение его оксидными неметаллическими включениями, повышается склонность швов к красноломкости, пористости, снижаются механические свойства, свариваемость металла.

Кроме того, не проявляется положительный эффект, получаемый, как указано выше, от введения каждого ферросплава в отдельности.

При суммарном содержании раскислителей в количестве, большем указанноro верхнего предела, усугубляется влияние алюминия покрытия, снижается ударная вязкость металла шва.

Кроме того, введение ферротитана в количестве, большем З,ОЕ, повышает склонность металла к трещинообразованию.

Ф

При содержании ферросилиция более

0,57 заметно повышается общее количество неметаллических включений, укрупняются размеры столбчатых кристаллитов, увеличивается разветвленность дендритов., неоднородность по фосфору, снижается ударная вязкость металла шва при отрицательных температурах.

7 136814

При содержании ферромарганца более

1,67. наблюдается образование твердых закалочных структур, что также приводит к снижению ударной вязкости при отрицательных температурах.

Оставшийся объем порошковой проволоки заполнен железным порошком,обеспечивающим увеличение производительности сварки, улучшение стабильности 1р горения дуги, Конкретные составы шихты порошковых проволок приведены в табл. 1.

Испытали на ударную вязкость металла шва и сварочно-технологические свойства, а также химический состав металла шва три состава порошковых проволок в соответствии с заявкой на изобретение (cocTBBbI II; III; IV), à Zp также два состава проволок, состоящих из тех же компонентов, но в процентном отношении, выходящем за пределы, установленные предлагаемым изобретением (составы I и V), и известная 25 проволока (составы Ч?). Все проволоки изготавливали из ленты 12 0,3, одноэагибной.

Результаты испытаний, приведенные в табл. 2 и 3 подтверждают достиже- 30 ние цели указанной в описании и формуле изобретения.

Так, уменьшение в 2-4 раза количества алюминия в металле шва (табл.3) свидетельствует об увеличении скисли- З5 тельной способности проволоки.

Предлагаемая порошковая проволока обладает значительно большей окислительной способностью, так как в ее состав дополнительно введены такие 40 окислители, как оксиды железа в виде окалины, оксид хрома, увеличено, по сравнению с известной содержание оксида никеля и убран из состава шихты алюминий. В сумме процент содержания компонентов-окислителей (оксидов металлов) в предлагаемой проволоке

10,0-14,5Х. В известной проволоке шихта содержит только оксид никеля

2,0-2,57., который к тому же восстанавливается алюминием, входящим в состав шихты известной проволоки и на алюминий покрытия при сварке аллитированной стали его уже не хватает.

Введение в состав шихты проволоки дополнительных окислителей в виде оксидов железа, хрома и никеля и удаление из состава шихты алюминия обеспечило интенсивное протекание

0 8 реакции окисления алюминия покрытия:

2А1 + 3MeO A1 03 + 3Me.

Интенсификация данной реакции объясняется тем, что в сварочную ванну в значительно большем количестве (в 5-6 раз) проволокой подается окислитель (МеО), а из свароч- ной ванны более интенсивно удаляется в шлак продукт реакции (А1 0 ) благодаря введению в состав шихты проволоки хлористого калия и криолита.

Разница между увеличением содержания окислителей в шихте проволоки (в 5-6 раз) и снижением содержания алюминия в металле шва (в 2-4 раза) объясняется тем, что из-за высокой скорости остывания металла шва все оксиды алюминия удалить в шлак не удается и часть их остается в металле.

Увеличение в 2-3 раза ударной вязкости металла шва, улучшение в 3-5 раз отделимости шлаковой корки и повышение стойкости к порообразованию свидетельствует о том, что применение предложенной проволоки позволяет нейтрализовать вредное влияние алюминиевого покрытия на служебные характеристики сварного соединения металлизированной алюминием стали, повысить сварочно-технологические свойства проволоки.

Пониженные показатели, выходящие за допустимые пределы по ударной вязкос- ти, полученные для соствов 1 и 5, позволяют сделать вывод о правильности выбранных пределов содержания компонентов.

Формула изобретения

Шихта порошковой проволоки примущественно для сварки открытой дугой стальных конструкций с алюминиевым покрытием, содержащая медь, оксид никеля, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, плавиковый шпат, калиевонатриевую глыбу, железный порошок, карбонаты, отличающаяся тем, что, с целью нейтрализации вредного влияния алюминиевого покрытия на служебные характеристики сварочного соединения металлизированной алюминием стали, повышения ударной вязкости металла сварного шва и сварочно-технологических свойств порошковой проволоки, шихты дополнительно содержит оксид железа, оксид хрома, криолит, хлористый калий, при этом

9 1368140 карбонаты введены в вйде магнезита и мрамора при следующем соотношении компонентов состава шихты, мас.%:

Калиево-натриевая глыба

Медь

Оксид никеля

Оксид хрома

Оксид железа (окалина)

Криолит

Хлористый калий

Железный порошок

1,2-2,0

0,8-1,0

2,5-3 5

2,5-4,0

39,0-45,0

6,0-8,0

4.„0-6,0

1,7-3,0

1,0-1,6

0,2-0,5

Плавиковый шпат

Магнезит

Мрамор

Ферротитан

Ферромарганец

Ферросилиций

5 0-7,0

2,0-3,0

0,8-1, 2

Остальное а б л и ц а 1

Т

Содержание в шихте проволоки, мас.%

I II III IV

Компоненты

VI (известный) 48,0

45,0

42,0 39,0

7, 0 8,.0

38,0 57,0

9,5 8,0

Плавиковый шлат

5,0

6,0

Магнезит

5,0 6,0

4,0

3,0

7,0

6,0

Мрамор

Ферротитан

Ферромарганец

Ферросилиций

3,6

3,0

1,0 3,5

1,0

0,7

1,9

1,0

0,7

0 5

0,5

0,1

0,8

1,2

2,4

2,0

0,8

0,7

Медный порошок

1,1 1,0

4,0 2,0

Оксид никеля

2,0

2,5

2,5

2,0

5,0

Оксид хрома

8,0

4,0

Окалина

1,5

Криолит

Хлористый калий

2,0

4,0

1,2

0,6

23,3

22,6

14,0

14,0

Железный порошок .

2,0

Феррохром

1,5

Алюминий

Силикобарий

0,7

Калиево-натриевая глыба

2,4 1,7

1,3 1,6

0,3 0,2

1,6 2,0

0,9 1,0

3,0 3,5

3,0 4,0

6,0 5 0

2,5 3,0

1,0 0,8

24,0 24,2!

Таблица 2

1368140

Коэффици- . ент разбрызгивания, 7.

Ударная вязкость, дм/см

Отделимость шлака, см2 /Дж

Состав шихты проволоки

Температура испытаний

+20 С

Температура испытаний

-40 С лучен сварной шов беэ пор, В,20...34

34

35...37

36...59

36...59

34

32

23...35

84...114

5...22!

Известный

0,02-0,09

Таблица 3

Содержание элемента, Е

Номер состава шихты проволоки

О, 12-0, 18 0,30-0,33 0,41-0,46

0,32-0,37

0,12-0, 14 0,24-0,28 0,56-0, 61 0,37-0,42..

О, 11-0,13 0,22-0 25 0,49-0 57

0,10-0,12 0,18-0,20 0,48-0 58

О, 13-0, 17 О, 15-0, 18 0,60-0, 68

Известный О, 15-0, 20 0,32-0,38 О, 22-0,99

116...130

126-140

128...143

130...150

118...131

5 0-6,2

3,9-4,4

4,3-5,5

4,3-5,5

5,2-6,3

4,2-5,8

Верхний предел напряжения на дуге,при котором может быть по0,09-0,04

0,15-0,26

О, 18-0,29

О, 18-0,29

0,11-0,17

0,45-0,52

0,51-0,60

0,55-0,64

0,37-0,54

14

Продолжение табл.3

1368140

Номер состава шихты

Содержание элемента,% прово" локи

0,25-0,38

0,44-0,48

0,49-0,54

0,09-0,31 0,20 0,029

0,29-0,30

0,56-0,65 0,45-0,51

0,54-0,60

0,58-0,70

0,64-0,75

0,59-0,64 . 0,25-0,33 0,015

Известный 0,35-0,53

0,55-0„97 0,015

0,26-0,34

Составитель Н.Гершанова

Техред Д.Олийнык

Редактор Г.Гербер

Корректор М.Пожо

Заказ 152/14

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4

0 14-0,20 0,019

0,15-0,22 0,018

0,16-0,23 0,017

Тираж-920 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

0,028

0,021

0,026

0,024

0,025