Состав электродного покрытия для сварки низколегированных термоулучшенных сталей

 

Изобретение относится к сварке, в частности к высокопроизводительным электродам с покрытием основного типа для сварки конструкций из низколегированных термоулучшенных сталей, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур (вплоть до минус 60°С). Целью изобретения является улучшение стабильности горения дуги на переменном токе от трансформаторов с напряжением холостого хода 60 ± 2 В и повышение хладостойкости металла шва при температуре минус 60°С. Состав покрытия включает мас. %: мрамор 7 - 9, плавиковый шпат 3,5 - 5,5, рутиловый концентрат 9,5 - 11,0, ферромарганец 6,5 - 8,5, ферросилиций 1,0 - 1,5 и железный порошок. Для снижения содержания в металле шва кислорода и водорода, а также для его легирования и модифицирования в состав покрытия введены, мас. %: сплав алюминия с щелочноземельным металлом 0,5 - 0,75, ферробор 0,4 - 0,65 и щелочной алюмосиликат 10,5 - 12,0. Для придания обмазочной массе хороших технологических свойств в состав покрытия введены органические пластификаторы в количестве 1,2 - 1,8 мас. %. 3 з.п. ф-лы. 5 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК 51) 4 В 23 К 35/365

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4023393/31-27 (22) 18.02.86 (46) 23.11.89. Бюл. № 43 (7l) Институт электросварки им. Е. О. Патона (72) И. К. Походня, Б. В. Юрлов, И. P. Явдощин, А. /1. Бейни ш и Г. А. Шевченко (53) 621.791.04 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 535147, кл. В 23 К 35/365, 28.04.75.

Авторское свидетельство СССР № 621514, кл. В 23 К 35/365, 09.06.76.

Авторское свидетельство СССР № 925600, кл. В 23 К 35/365, 22.10.79.

Авторское свидетельство СССР № 281697, кл. В 23 К 35/365, 11.09.69. (54) СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТЕРМОУЛУЧШЕННЫХ СТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к сварке, в частности к высокопроизводительным электродам с покрытием основного типа для сварки конструкци и из низколеги рова нных термоИзобретение относится к области дуговой сварки, в частности к высокопроизводительным электродам с покрытием основного вида для сварки конСтрукций из низколегированных термоулучшенных сталей, эксплуатируемых в условиях, где температура воздуха может достигать минус 60 С (низкие климатические температуры) .

Цель изобретения — улучшение стабильности горения дуги на переменном токе от трансформатора с напряжением холостого хода (60+2) В и повышение хладостойкости металла шва при температуре минус 60 С.

„„SUÄÄ 1523292 улучшенных сталей, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур (вплоть до минус 60 С). Целью изобретения является улучшение стабильности горения дуги на переменном токе от трансформаторов с напряжением холостого хода 60 -2 В и повышение хладостойкости металла шва при температуре минус 60 С. Состав покрытия включает, мас. 00: мрамор 7 — 9; плавиковый шпат 3,5 — 5,5; рутиловый концентрат

9,1 — 11,0; ферромарганец 6,5 — 8,5; ферросилиций 1,0 — 1,5 и железный порошок. Для снижения содержания в металле шва кислорода и водорода, а также для его легирования и модифицирования в состав покрытия введены, мас. 00: сплав алюминия с щелочноземельным металлом 0,5 — 0,75; ферробор

0,4 — 0,65 и щелочной алюмосиликат 10,5—

12,0. Для придания обмазочной массе хороших технологических свойств в состав покрытия введены органические пластификаторы в количестве 1,2 — 1,8 мас. 00. 3 з. и. ф-лы.

5 табл.

При сварке электродами с покрытием основного вида, содержащим как правило кремнезем и фторид металла основным способом снижение содержания диффузионного водорода ((H}».ф.) в металле шва является снижение парциального давления водорода в атмосфере дуги за счет газообразного SiF<, образующегося при реакции

2Са Fz+3Si0=2Ca SiOz+Si F < (1)

Скорость протекания реакции образования SiF4 пропорциональна активностям исходных компонентов.!

523292

Однако полезное использование Са F обычно невелико в условиях сварочного нагрева. Как правило для снижения содержания (Н),„,ф. в металле шва требуется введение значительных количеств фторидов в электродное покрытие. Одновременно увеличение ионов фтора и его соединений в атмосфере дуги приводит к деионизации дугового промежутка и, как следствие, снижению стабильности горения дуги. В применяемых электродных покрытиях содержание фторидов настолько велико, что полностью исключает возможность выполнения сварки на переменном токе или требует применение трансформаторов с повышенным напряжением холостого хода (не менее 80 В), что небезопасно в работе. Кроме того, большинство сварочных цехов машиностроительных предприятий укомплектовано сварочными трансформаторами с (/,.;.= (60+2) В, например, ТД-500 У, что исключает возможность применения как универсальных, так и высокопроизводительных электродов основного вида.

Обеспечить низкое содержание (Н)..ф. в металле шва при малых концентрациях фторида металла в электродном покрытии можно за счет повышения активности кремнезема в покрытии, что приводит к увеличению скорости протекания реакции (1) и выхода газообразного SiF4.

В указанном покрытии увеличение активности Si0 достигается за счет введения алюмосиликата с высоким содержанием кремнезема (65 — 75Я) .

Процентное содержание вводимых в покрытие щелочного алюмосиликата (10,5—

12,0) и плавикового шпата (3,5 — 5,5) определено из расчета, чтобы обеспечить их соотношение не менее 2:1. Такое соотношение позволит достичь ма кси мал ьно го выхода

SiF по реакции (1) и снижения содержания ионов фтора в дуге, что обеспечит стабильное горение дуги переменного тока от трансформатора с U; ..= (60+2) В и одновременно низкое содержание (Н),.ф (не более

8 см /100 г).

Верхний предел содержания щелочного алюмосиликата (12,0О) выбран из условия ограничения содержания неметаллических включений типа силикатов, количество которых увеличивается с ростом содержания кремнезема в покрытии за счет протекания окислительно-восстановительных реакций кремния. Нижний предел содержания щелочного силиката (10,50 ) и плавикового шпата (3,5Я) выбран из условия получения плотных швов с низким содержанием (Н);. ф.

При содержании плавикового шпата более

5,5Я не обеспечивается стабильное горение дуги переменного тока от трансформатора с U.. = (60+-2) В.

Выбор щелочного алюмосиликата по сравнению с другими алюмосиликатами определяется отсутствием в его составе связанной воды, что не приводит к росту потенциального содержания водорода в электродном покрытии (в отличии от каолина, бентонита, слюды и т. д., содержащих не менее

4Я связанной воды), высоким содержанием в его составе кремнезема 65 — 75О4 (по срав, нейию с 45 — 50Я в других алюмосиликатах) присутствием щелочных металлов, в виде

К О и Ха О, имеющих низкий потенциал ионизации, что повышает стабильность горения дуги переменного тока.

Одновременное введение сплава алюминия со щелочноземельным металлом и ферробора позволяет снизить содержание кислорода в металле шва, модифицировать неметаллические включения, устранить ликвацию легирующих элементов, снизить структурную неоднородность. Применение каждого из компонентов в отдельности не приводят к достижению поставленной цели — повышения хлгдостойкости металла шва при температуре минус 60 С. Применение одного только ферробора не оказывает влияние на структурную и химическую неоднородность, поскольку бор, обладая высоким средством к кислороду, подвергается преждевременному окислению до взаимодействия,с жидким метал,чом.

Использование одного только сплава алюминия со щелочноземельным металлом позволяет снизить содержа ние кислорода и модифицировать неметаллические включения, не оказывает влияние на структурную неоднородность. При одновременном применении указанных компонентов сплав алюминия со щелочноземельным элементом предупреждает преждевременное окисление бора, что позволяет произвести микролегирование металла бором. Полученная микроструктура характеризуется наличием мелких зерен не более 100 — 150 мкм, с равномерно распределенным мелкодисперсными частицами второй фазы, ферриT представлен двумя морфологиями: зернограничный — шириной не более 10 мкм и внутризеренным в виде игольчатого феррита. Пределы содержания сплава алюминия со щелочноземельным металлом (0,50 — 0,75Я) и ферробором (0,40—

0,65О) выбраны из расчета, чтобы соотношение щелочноземельного металла (Ng или

Ва, или Вг) и бора в покрытие было близко к 2:1. При этом соотношении достигается получение структуры с максимальной сопротивляемостью к хрупкому разрушению при низких климатических температурах. Верхний предел компонентов ограничен из-за возможности образования крупных частиц второй фазы по границам зерен вследствие перелегирования металла бором. Нижний. предел ограничен из условия обеспечения минимальных значений ударной вязкости металла шва при температуре минус 60 С (35 Дж/см на образцах типа IX по ГОСТУ) .

1523292

Введение органических пластификаторов обусловлено необходимостью придания обмазочной массе необходимых технологических свойств в процессе изготовления электродов. Органические пластификаторы являются более эффективными пластифицирующими добавками, чем минеральные. В процессе термообработки готовых электродов происходит деструкция значительной части органических добавок, в результате чего не увеличивается потенциальное содержание водорода в электроднс и покрытии. Выбор соотношения и количества различных органических добавок позволяет обеспечить требуемую прочность сырого покрытия, сокращение времени приготовления обмазочной массы, улучшить качество готового покрытия после термообработки.

При суммарном содержании орга нических пластификаторов карбоксиметилцеллюлозы и целлюлозы в пределах 1,2 — 1,8ф и их соотношении близком к 1:2 достигаются оптимальные технологические свойства обмазочной массы при изготовлении электродов. При меньшем содержании ор гани чески х добавок не обеспечивается технологичность обмазочной массы, а при большем содержании возникает опасность наводораживания металла шва из-за неполной деструкции органических добавок при термообработке электродов. Выбранное соотношение КМЦ и ЭЦ обеспечивает минимальное время вымешивания обмазочной массы и максимальную прочность сырого покрытия. При большем соотношении увеличивается склонность сырого покрытия к образованию дефектов из-за размягчения покрытия при термообработке, при меньшем содержании не обеспечивается требуемая прочность сырого покрытия и увеличивается время вымешивания обмазочной массы.

Введение мрамора в качестве карбоната щелочноземельного металла обусловлено с необходимостью обеспечения надежной газошлаковой защиты расплавленного металла и улучшения физико-химических характерйстик расплавленного шлака. При содержании мрамора меньше 7,0Я не обеспечивается надежная защита расплавленного металла, что вызывает опасность образования дефектов (пор, свищей) в наплавленном металле. При содержании мрамора более

9Я при сварке в результате диссоциации карбоната образуется значительное количество СО в атмосфере дуги, вызывающее контрИг11рование дуги и снижение стабиЛь- ности горения"дуги переменного тока. """

Пределы содержания рутилового концентрата 9,5 — 11,0Я выбраны из условия обеспечения хорошего формирования МетаЛла шва. При содержании рутила меньше

9,5Я образующийся при плавлений шлак характеризуется" резкой зависимостью вязкости от температуры txdpoTn A шлак), что прйводит к формированию неравномерного

При сварке электродами диаметром 5 мм

4 от трансформатора ТД-500У с напряжением холостого хода 62 В на режимах: сварочный ток 260 — 300 А, напряжение 24 — 26 В, скорость сварки 8 — 12 см/ми н, уста новлено, что электроды обеспечивают стабильное

-горение дуги, малое разбрызгивание расплавленного металла, высокую производительность, хорошее формирование металла шва с плавными переходами к основному металлу, легкую отделимость шлаковой корки, высокую стойкость против образования пор и кристаллизационных трещин.

50 При испытании шести вариантов электроднбГо покрытия (табл. 1. составы 2 — 7), а также двух вариантов составов электродного покрытия, состоящих из тех же компонентов, но в процентном отношении, выходя - щем за пределы (составы l и 8), определяли химический состав найлавленного металла (табл. 2), механические свойства металла шва при сварке стали 09Г2Д-16 (табл. 3) стабильность горения дуги переменного тока

2О

35 выпуклого валика, а при содержании больше

11,0® образуется длинный шлак, склонный к стеканию с валика при сварке угловых и нахлесточных соединений, что также приводит к ухудшению формирования шва.

Пределы содержа ния фе ррома рга н цв (65 — 85/o) и ферросилиция (1 — 1 5о „ ) выбраны из условия обеспечения прочности и пластичности металла шва.

При содержании ферромарганца меньше

6,5 и ферросилиция меньше 1Я не о6еспечивается прочность и пластичность металла в заданных пределах. Верхний предел ферромарганца 8,5Я и ферросилиция 1,5ß ограничен из-за опасности твердорастворного упрочнения ферритной матрицы, кремнием, приводящее к снижению ее пластичновязких свойств; при низких температурах.

Конкретные составы электродного покрытия приведены в табл. I.

При приготовлении обмазочной массы электрода используется натриевокалиевое жидкое стекло с модулем:не менее 2,8, плотностью 1,42 — 1,44 г/см и вязкостью 400—

800 МПа, количество жидкого стекла 22—

25Я. Плотность, вязкость и количество жидкого стекла корректируются в зависимости от модуля жидкого стекла. Чем выше модуль жидкого стекла, тем меньше плотность и вязкость применяемого жидкого стекла и тем меньше его количества требуется для обеспечения необходимой пластичности и прочности.обмазочной массы. Обмазочная масса наносится методом опрессовки на стержни из низкоуглеродистой проволоки марок Св08А, Св-08АА. Электроды после опрессовки подвергают сушке в течение 18 — 24 ч при

18 — 20 С, после этого проводят тер мообработку в камерных печах при (400 -10) С в течение 1,0 — 1,5 ч.

1523292 (табл. 4), содержакие диффузионного водо-,. рода в металле шва (табл. 5).

Меха нические свойства оценивались по величинам предела прочности и относительного удлинения, определяемых на образцах при испытаниях на статическое растяжение при температуре 20 С и по величине ударной вязкости, определяемой при испытаниях на-ударный изгиб образцов. при 20, минус 40 и минус 60 С. Оценка стабильности горения дуги проводилась по величине напряжения за ж и ra ния ((/з) в обратный полупериод с применением анализатора нестационарных процессов АНП- l. Содержание диффузионного водорода определялось хроматографическим методом. 15

Как видно из приведенных результатов испытаний, электрод обеспечивает стабильное горение дуги от трансформатора с (l... =

=;60+2) В, содержание диффузионного водорода не более 8 см /100 г, а по уровню механических свойств соответствуют типу

Э50А, обеспечивая хладостойкость металла шва при минус 60 С.

Испытания электродов составов 1 и 8 показали, что ни один из них не обеспечивает одновременно стабильного горения дуги переменного тока и хладостойкости металла шва при минус 60С, что позволяет сделать вывод о правильности выбранных пределов содержа ния ком по ненто в.

Электрод с электродным покрытием для сварки конструкций из низколегированных 30 термоулучшенных сталей, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур, обеспечивает: а) возможность сварки угловых, стыковых соединений без дефектов от трансформаторов с напряжением холостого хода 35 (60 2) В, б) хладостойкость металла шва при ми. нус 60 С.

Формула изобретения

1: Соста в электродного покрытия для сварки низколегировакных термоулучшен0,5 — 0,75

0,4 — 0,65 ных сталей, содержащий карбонат щелочноземельного металла, плавиковый шпат, алюмосиликат, рутиловый концентрат, ферромарганец, ферросилиций, железный порошок отличающийся тем, что, с целью улучшения стабильного горения дуги на переменном токе от трансформатора с напряжением холостого хода 60 -2 В и повышения хладостойкости металла шва при температуре до минус 60 С, состав дополнительно содержит сплав алюминия со щелочноземельным металлом, ферробор, органические пластификаторы, в качестве карбоната щелочноземельного металла введен мрамор, а в качестве алюмосиликата — щелочной алюмосиликат при следующем соотношении компонентов, мас. о :

Плавиковый шпат 3,5 — 5,5

Рутиловый концентрат 9,5 — 11,0

Ферромарганец 6,5 — 8,5

Ферросилиций 1,0 — 1,5

Шелочной алюмосиликат 10,5 — 12,0

Мрамор 7,0 — 9,0

Сплав алюминия со щелочноземельным металлом

Ферробор

Оргакические пластифи каторы 1,2 в 1,8 °

Железный порошок Остальное

2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве щелочного алюмосиликата введен полевошпатовый материал или кварцполевошпатовое сырье.

3. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сплава алюминия со щелочноземельным металлом введен или алюминиево-ма гниевый, или алюминиево-бариевый, или алюминиево-строкциевый сплав, каждый из которых содержит 45 — 55% щелочноземельного металла, а остальное — алюминий.

4. Состав по и. 1, отличающийся тем. что в качестве орга нических пластификаторов введена смесь электродной целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы при их соотношении 1:2.

1523292

Таблица 1

Содержание компонентов, мас. X в покрытии состава

Компоненты

1 2 3 4 5 6 7 8

6,5 3,5 4,5 4,5 4,5 4,5

12, О 9, 5 10 10 10 10

60 85 75 75 75 70

05 1 О 1,2 1 2 1,2 15

5,5

11,0

6,5

1,5

3,0

9,0

9,0

2,0

Плавиковый шпат

Рутил

Ферромарганец

Ферросилиций

Алюминиево-магниевый поро0,30 0,50 0,60 — — 0,50 0,75 0,80

0,60

0,60

0,50

0,70

0,65

10,5

0,40

0,50

0,50

0,20

9,5

10,5

8,0

1,0

0,5

56,1

9,5

1,4

0,7

50,9

1,0

0,6

54,8

8,5

1,0

0,5

54,7

8,5

1,0

0 5

54, 7

8,5

1,0

0,5

54,7

0,6

0,3

58, 1

Таблица 2

Состав покрытия

Содержание элементов в наплавленном металле, мас.Е

Г 1 1 I

Углерод Кремний Иарганец Сера Фосфор Бор

0,07

0,08

0,08

О, 075

0,08

0,08

0,09

0,10 шок

Алюминиево-бариевый порошок

Алюминиево-стронцевый порошок

Ферробор

Полевошпатный материал

Кварцлолешпатовое сырье

Мрамор

КМЦ

ЭЦ

Жел е з ный п ор о шок

1 2

4

6

0,40

12,0

0,8

0,4

54,4

О, 15

0,28 .0,30

0,27

О,?6

0,25

0,35

0,45

0,6

1,4

1,75

1,27

1,28

1,26

1,0

1,6

О, 022

О, 021

0,019

0,020

О, 023

О, 021

О, 019

О, 020

О, 023

О, 022

О, 021

О, 019

0,020

О, 019

О, 018

О, 021

О, 001

О, 002.

О, 003

О, 003

О, 003

О, 002

О, 004

О, 005

1523292

Та блица 3

Вязкость, МПа

Состав покрытия

Количество жидкого стекла, Ж

+20 ) -40

-60

485-501

312-54

109-118

27-29

28,1

17 — 31

490

112

23

49-75

38-60

521-533

121-138

28,4-29, 7

524

130

28,9 бΠ— 75

533-540

155-164

4 0-55

29,8-30, 1

535

29,9

157

528-534

28, 7-31, 7

140-150

53-61

38-65

146

531

29,1

520-530

144-15?

41 — 52

30,6-31, 1

51-62

150

527

30,8

51 0-521

141-155

51-71

41-54

27,8 — 29, 1

28,4

150

51

144-151

57-67

5Z1-531

39-55

30,1

525

146

5-10

542-560

26-28

102-110

28-3 7

554

27,5

Таблица 4

Составы покрытия, Показатели горения дуги 1 2 3 4 5 6 7 8

Напряжение 45+1,2 30+1,0 32+0,3 38+0,7 39+0,5 31+0,5 34+0,6 30+0,5 зажигания, В

Минимальное 63 — 65 44-46 49-50 55-57 56 — 58 47-48 55-57 44-46 напряжение холостого хода трансформатора, В

Та блица 5

Состав покрытия, 1??

5, 6-6, 5 7, 1-7, 6 7, 0-7, 5 6, 8-7, 2 7, 0-7, 5 6, 6-7, 1 7; 2-7, 8 9, 0-9, 7

Составитель Т. Арест

Редактор В. Бугренкова Техред И. Верес Корректор T. Малец

3 а к аз 6934/12 Тираж 894 Поди исное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 1О1

Содержание диффузионного водорода, см /100 г 1 2 ударная вязкость, дж/сма, при температуре С