Электрод для дуговых процессов в окислительных средах

 

Использование при воздушно-дуговой резке токопроводящих материалов Электрод для дуговых процессов в окислительных средах, содержащий в своем составе графит дополнительно содержит, мае % карбид кремния 38-71, кремний 4-10, графит остальное 2 табл

СВОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s В 23 К 35/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4

Cd (Л ф 00 (21) 4837429/08 (22) 06.03.90 (46) 07.05,92. Бюл. N 17 (71) Камское обьединение по производству большегрузных автомобилей (72) В,И.Харченко и А,Н.Гашнев (53) 621.791.75 (088.8) (56) Тарабанов А.С,. Костиков В,И. Силицированный графит, — M.: Металлургия, 1977. с, 10, Авторское свидетельство СССР

М 1037520, кл. В 23 Н 1/06. 1978.

Изобретение относится к дуговым процессам в окислительных газовых средах и может быть использовано в воздушно-дуговой обработке токопроводящих материалов — воздушно-дуговой резке металлов и сплавов, Известны электроды для воздушно-дуговой обработки (резки) металлов и сплавов. изготовленные из графита марок ЭГОО-ТУ

48 — 12 — 52 — 88, Э ГО-ТУ 48 — 12 — 52--88, М ГП вЂ” 6ТУ вЂ” 48 — 20 — 51 — 74, AP  — 1 — ТУ вЂ” 48 — 20-86-76. а также графита по прототипу посредством механической обработки до придания требуемых формы и размеров, Известны электроды, получаемые методом прессования (выдавливания) до необхо-. димых формы и размеппв по общепринятой технологии получения графитовых изделий, материалов, которые содержат 7 — 25% связующего вещества. остальное графитовая основа.

Связующими материалами для этих изделий обычно являю-. ся органические и синтетические материалы (полимеры): пеки. Ы» 1731548 А1 (54) ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ДУГОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ (57) Использование: при воздушно-дуговой резке токопроводящих материалов, Электрод для дуговых процессов в окислительных средах, содержащий в своем составе графит. дополнительно содержит; мас.%: карбид кремния 38 — 71, кремний 4 — 10, графит остальное, 2 табл. каменноугольные и нефтяные, пульвербакелит. фенольные смолы, фурановые смолы. кремнийорганические связующие (смолы с селиконовой связью) и др.

В зависимости от физических и химических свойств связующих веществ и материалов графитовой основы осуществляются технологические процессы формирования нормализованных и специальных марок графита с заданными физическими и химическими свойствами.

Недостатками графитовых материалов, используемых для изготовления электродов воздушно-дуговой обработки, являются низкое сопротивление окислению при температурах горения электрической дуги. низкие электроэрозионная стойкость и меха ни чески е x;l ракте ристики (проч ность на растяжение. изгиб. ударная вязкость).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является материал электродаинструмента. сосгоящий, мас.%:

1731548

Кремнийорганическая смола 7 — 25

Искусственный графит Остальное получаемый горячим прессованием при

t=450 С и давлении 125-150 кгс/см с последующей термообработкой при 850—

1280 в течение 2 мин, Недостатками данного материала являются низкая стойкость в окислительной среде при 2000-3000 С, низкие электроэрозионная стойкость и механические свойства (прочность на растяжение, изгиб, ударная вязкость). Это объясняется свойствами основного составляющего — искусственного графита. Обладая большой реакционной способностью обожженные углеродные материалы, к которым относится и искусственный графит, легко вступают в реакцию с кислородом воздуха и окислами металлов при температуре горения дуги, этим объясняется низкая стойкость в окислительной среде.

Низкая электроэрозионная стойкость объясняется как физическими свойствами графита, так и кинетикой реакций с химическими элементами самого электрода и элементами окружающей среды, так как концентрация реакционно-способного материала велика (графитовая основа), а результаты реакции зависят от концентрации реагирующих веществ и температуры протекания реакций. Так как молекулярная масса элементарного звена фенол-кремнийорганической смолы равна 275, а атомная масса кремния равна 14. то в смоле ee содержится 5/, оптимальное содержание смолы в графите 15 /, а массовая доля кремния в материале электрода 0,75

Учитывая равномерное распределение связующей смолы в объеме электрода и низкое процентное содержание в нем кремния (не более 1 ), можно утверждать, что кремний в малых количествах не оказывает существенного влияния на стойкость электрода в окислительной среде, так как 1 / кремния, содержащегося в материале электрода. связывается с 1 имеющегося-в нем углерода, остальные 98 / углерода разлагаются под действием электродуги в окись, двуокись углерода в струе сжатого воздуха, этим объясняется низкая стойкость противоокисления электродов в окислительной среде, Целью изобретения является повышение стойкости электрода в процессе воздушно-дуговой обработки в окислительной среде при температурах горения электрической дуги, повышение электроэрозионнпй стойкости, повышение физико-механических свойств путем обработки электродов

55 из искусственного графита в среде расплавленного кремния силицирования.

Поставленная цель достигается тем, что электрод для дуговых процессов в окислительных средах, содержащий графит, дополнительно содержит, мас, ;

Карбид кремния 38 — 71

Кремний 4 — 10

Графит Остальное

Электрод для дуговых процессов в окислительных средах может быть получен из любых марок графита с пористостью 15—

40;, изготовленных как путем механической обработки, так и прессованием, выдавливанием, с последующей обработкой в расплавленном кремнии.— силицированием. Процесс силицирования осуществляется погружением электродов в расплавленный кремний при 1550 — 2000 С в защитной среде (азот, аргон, вакуум), Для силицирования применяется чистый кремний марки КРОО, КрО или модифицированный цирконием, титаном, молибденом или другими редкоземельными металлами кремний, В процессе пропитки графита кремнием образуется трехфазная структура, состоящая из карбида кремния, кремния и углерода.

Процентное соотношение фаз зависит от материала электрода, пористости, времени пропитки в кремнии, температуры расплава и т.д, Электроэрозионная стойкость, стойкость в окислительной среде при температуре горения электродуги, механические свойства и электропроводность зависят от соотношения фаз SiC, Si, С в графите после его силицирования, В табл. 1 приведены результаты испытаний до силицирования, в табл. 2 — то же, после силицирования (материал пропитки— чистый кремний КРОО, температура пропитки 1800 — 1850 С, время пропитки 45 — 60 с).

Проведенные испытания показали, что наиболее отвечают требованиям стойкости в окислительной среде при температуре горения электродуги, электроэрозионной стойкости и механическим свойствам электроды для воздушно-дуговой обработки (резки), полученные путем силицирования из электродных и конструкционных графитов с пористостью 15 40/.

При силицировании графитов с пористостью 50/ и более резко снижается электропроводн ость из-за увеличения процентного соотношения фаз SiC u Si u уменьшения графитной фазы (фазы и являются полупроводниками).

Однако, учитывая наличие графитного каркаса, заполненного хаотически располо1731548

SiC .— Si+C; 2S i+02 .-" S 102;

ЗЯ!+2Й2 :: Б!зй4.

20 женными монокристаллами фаз SiC u Si в силицированном графите, и наличие примесей, они незначительно увеличивают свое электросопротивление в интервале пористости 15 — 40 (табл, 1 и 2), Незначительное увеличение электросопротивления силицированного графита позволяет испольэовать

его в качестве электрода для воздушно-дуговой обработки (резки) металлов и сплавов.

Повышение стойкости силицированных электродов в окислительной среде объясняется как наличием в самом материале электрода фаз SiC, Si, так и протеканием термохимических реакций, происходящих в рабочей зоне электродуги, при интенсивной подаче в зону дуги струи воздуха под давлением до 7 атм. Под действием интенсивной подачи воздуха в зону горения электрической дуги, кроме механического удаления (разбрызгивания) расплавленного металла, происходят следующие термохимические реакции кислорода воздуха с обрабатываемым металлом, с компонентами самого электрода, а также и взаимодействие азота, содержащегося в воздухе, с компонентами электрода с образованием инертных тугоплавких соединений;

2Ме+02 2Ме0;

С+02 :- С02, S i+02 SiO2;

3Si+2N2 с — SiaN4, Si+C -. - SiC, B результате протекания термохимических реакций в зоне электродуги и на поверхности электрода образуются тугоплавкие, инертные материалы, свободные углерод и кремний в электроде взаимодействуют с образованием SiC (1пр=2830 С), вследствие этого резко падает реакционная способность углерода в материале электрода, Поступающий кислород воздуха связывается с обрабатываемым металлом, углеродом. кремнием, образует тугоплавкие окислы, азот также реагирует с Si, образуя нитрид кремния Я зМ4(температура возгонки 1900"

C), Bce это ведет к повышению стойкости электрода, Кроме этого, подача струи воздуха в зону резки охлаждает рабочую зону горящей дуги, что также способствует повышению стойкости электрода, Высокие механические и электроэрозионные свойства и стойкость при температуре горения дуги в окислительных средах силицированного графита объясняются наличием и взаимодействием всех трех фаз, содержащихся в электроде. графит — обеспечивает требуемую электропроводность при больших значениях тока, достигающих

500 — 600 А(за счет наличия графитового каркаса), прочность при горении дуги повыша25

55 ется, так как с повышением температуры прочность графита возрастает и достигает максимума при 2400 С; карбид кремния— ввиду своих физических, химических и механическихих свойств (твердость, близкая к твердости алмаза, износостойкость, термохимическая стойкость в окислительной среде при температуре горения дуги); кремний — которого в силицированном графите значительно меньше, чем SiC и С, находится в рабочей зоне дуги в расплавленном состоянии и в виде паров, удерживается в зоне горения дуги в порах материала электрода, капилляра за счет сил адгезии и капиллярных сил и является реагентом — наполнителем обратимых реакций термодиссоциации:

Все соединения, образующиеся в процессе горения электродуги, являются по всей природе инертными. Избыток кислорода воздуха (окислители), поступающего в зону горения, нейтрализуется за счет содержащегося в материале электрода несвязанного кремния с образованием инертного соединения Si02 с т,пл. 1718 С, которое находится в зоне горения дуги в жидком состоянии на поверхности электрода, предотвращает тем самым интенсивное взаимодействие углерода с кислородом воздуха, а в самой электродуге происходит термодиссоциация Si02 Si+02, при которой кремний может связаться как с углеродом с образованием SiC, так и с кислородом и азотом, образуя те же инертные.в окислительной среде соединения типа Si02, ВзГч4 и т.д, Таким образом. несвязанный химически кремний позволяет связать кислород воздуха и тем самым способствует повышению срока службы электрода в окислительных средах, Из графита различных марок. приведенных в табл. 1 и 2, были изготовлены два компонента электродов с прямоугольным сечением размера а х Ь х i=8 х 16 х 360 мм и круглые s 15 мм, длиной 360 мм, Один комплект заготовок оставили на контроль, другой комплект поместили в тигель с расплавленным кремнием марки КРОО, находящийся под защитой атмосферы азота. Заготовки выдерживались в расплаве кремния при

1800 — 1850 С в течение 0,7 — 2 мин. Затем брали поочередно контрольный электрод из первого комплекта и силицированный электрод из второго комплекта, Далее проводили воздушно-дуговую резку металла (лист ст, 3 толщиной 5 мм) с помощМз электрода

731548

Т а бл и ц а 1

Механические свойства, Ира лорис" тость, Иамущаяся плотность, г/снз

Истин"

Состав исходного графита (связуощев + (рафитсвая основа) марка исходного графита ная плотность г/смз

flpepen прочносги

Предел прочности на сжатие

Сжатие при

2400 C на изгиб

1,86 1,58 20,0

88 43 172

Пек нефтяной (каменноугольный) 152 сстальноеграфитовая основа

ЭГОО

ТУ 48-12

5z-88

ЗГО

ТУ 48-12

40 162

1,78 1,53 26,0

Пульвер-бакелит 152,остальноеграфитовая основа

48,6 200

2,00 1,72 16,3

ИПГ -6

ТУ 48-20

Пульвербакелит 15-182, остальное— мелкодисперснэя графитовая основа

APB — 1 Смола ВИДИ-Б

ТУ 48-20 152, осталь11 72 ное — графитовая основа

2,046 1,71 15,4

98,4 50 206

2,045 1,73 15,6

Пульеербакелит 15-182, остальноемелкодисперсная графитовая основа

ЭЗПГ

ТУ

48-20-51-74

198,z

1,86 15,0

99,4 51,2 207,5

ПГ-50

ТУ

48-20-86-76

Z,21

Пульвербакелит 15-202, остальноемелкодисперсная графитовая основа

Графит по авт.св.

1037520

1,96

1,70 16,2

89,5 44,4 90,1 фенольнокремнийорганическая смола 154, остальноеискусственный графит (нз М00-6) из контрольного комплекта, затем электрОда силицированного, огтределяли потерю веса электродов и фиксировалось время проведения резки. При резке металла при помощи контрольной партии электродов потеря массы электрода за 2 мин составило

30 — 40,3%, т,е. электрод за 2 мин сгорел на

1/3 длины и более.

При резке того же металла с помощью силицированных электродов потеря массы за 30 мин непрерывной работы составила от

0,86% у графита марки ЭЭПГ(ТУ вЂ” 48-20-5174) до 1,22% у графита марки ЭГО (ТУ 48

12 — 52 — 88).

Проанализировав данные табл, 1 и 2, можно сделать следующие выводы: графитовые материалы с пористостью 5-40% при силицировании в защитной среде повышают стойкость в окислительной среде и электроэрозионную стойкость в 100 — 120 раз при подаче воздуха со скоростью 40 м/с и t>

>2000 С за счет наличия в составе электрода компонентов. мас.%:

SiC 38 — 71

Si 4-10

С Остальное

Механические свойства возрастают до

5 50%, удельное электросопротивление в среднем на 20%

Использование изобретения позволяет снизить расход электродов для воздушнодуговой обработки в 100 раз.

Формула изобретения

Электроддля дуговых процессов в окислительных средах, содержащий графит, о т15 л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения стойкости преимущественно при воздушно-дуговой обработке, электрод дополнительно содержит карбид кремния и кремний при следующем соотношении ком20 понентов, мас,%:

Карбид кремния 38-71

Кремний 4 10

Графит Остальное

173 1548

Продолжение табл. 1, Стойкость в потоке газа йарка исходного графита продувки

Потери в массе,2

Время испыСко(Ф ) прейскуранту, руб/т тания, ч

Обработ- 8xl6x30 ка резанием

712

40 0,033 32,1 (2 мин) 8,6 Воздух

2000 С

ЭГОО

ТУ 48-12

52-88

10,2 Воздух 40 0,033 40,3 -"- 415Х360 600

2000 С

ЭГО

ТУ 48-12

10,7 -"- 40 0,033 26,8 -"- Sxl6x360 7600 и " - 6

ТУ 48-20

15,6 -"- 40 0,033 32,4 -"- Вх16х360 5800

ЯРВ " 1

ТУ 48-20

11-72

12,2 Воздух 40 0,033 31,9 Прессо- а15x360 7660

2000 С ванне (12 йда) ЭЭПГ

ТУ

48-20-51-74

40 0,033 30,0 Обработ- Bxl6x360 6200 ка резанием

flf 50 1l 9

ТУ

48-20-86-76

40 0,033 33,1 Прессо" Ф15x360 8000 ванне перера(12 ИПа) ботка

НПГ-6

14 8

Графит по авт.св.

1037520

50

Удельное злект росопротивление

Ом ммз/м

Газовая среда при с, С рость потока газа, м/с метод изготовления электродов

Размеры электрода, мм

Стоиность

ИСХОДНО го графита пО

1731548

I !

1

1

I м

1

1

1

I

I Х) о

1

1

I

I

1 СС)О

-м о«

I и

S I О

I

I

Х -4

>,0

lS o

1 333 O

О о

3 m СЧ

i3) 1

CL I3- О

1

1 Л I

1- О

v а о s

3 S S о с

1 I

C4 V

СЖ

03

E о л

"e

Х m

v а

S I» ооя с s о

I 30 Я

I 3 3

mr 0

m eI О СЧ М л .0- -3 м -4.

1

1 S

О.оЕ

I 33) °

О 10

1 C X!

1

I

I ig

I

I 0) х о

1 1о с

I 30

1 S

1 Л Х

u D о е

I Y О

I )s n. о с

3! 4

СЧ .0 CO сч о

С 4 О

00 л о

Lf) Lf3 о о

Lf) о а а л о о о о

--0

o o

-0 3

I

1

I

1 I

1 I

I I

1 f0 1

1 О) 1

1 1- 1 о

1 )S

О 1

1 m I

I V

I I

I Ф i

1 S 1

1 Y 1 и

I С) I з

I S 1

1 I

I m

Х

3 33) 1

I F 3

1

1 CO

I

СО

4) 3)

Z 0

I- Ю 30

soc а-тЕ

L3 ССЧ

CO

CO

CO Г

1

I

1 о

I Г

1

1 1

1 Сl

1 Л

I

1

I

I 34

1

I

1

1 !«4

1

1 00

1 I

33) I S С)

ISS 3- S

33) О И аа.о 30

c n e I,О м

СЧ

CO

СЧ

Г

СЧ .О л

О с

s Е

I с И

Ю 1 S K

II s 3- v

33) О И

an.О Г4

С= C I I м

33 3 м м

33) C

1сч м и м

С0

3«4

Ч) 1

3

I

1

I

I !

I

1

1

I

I

I !

I !

I I и

1 а

m О

36 I C и

>S 1 о

m 1 )и 1 О

l 3.", C)

К I х

С 4

01

О о с

О). )

Г Г о

3Х)

О) л

3И 4Ч о

1

1 О

I СЧ

1 Кс)

)-ОVI

u x Ic u

О 30 fa

I Y

Ч)

Lf)

СЧ Г\

О \ 34 \

СЧ СЧ

С:) ч.)

СЧ

Ъ сЧ

u I

C)

0 1 1

S I 130 О

C=

I л I м

z "I

u l- m v о u f0

I Z I

I

I CO

I СЧ

I

1

I !

00 Ч0

f r

СЧ СЧ

14

34

С 4

СЧ V

I

1 О

1

I

I

I л

1 СЛ

1

I 1

I Х

3 f0 (О

I 0o& а

I N m

3 S с s

z e

v а

1 03

1 fl)

О и

О 0

L) I

O 00

00 -3 1 м -т о

I м!

1 СО !

1 О)

"О С«3

0 \ о

С4

I

v

0) I

1 34

Cf3

fan! о

СЧ

СЧ о

m о сч о м

-т С) сС) и) -0

1 IC I IC

Е ë

33) С* аИСОГ

I m S l

1 I я

1-О) о и

ХОО30 3) и3 О. С Ы 30

l СС

0 л

m f3) 44 о

mс)so

f3) а ао

v c

l X

I 1

I I I (О 33) т

С YOI-Z

С) 0 33) V Î I *..

C o L- o a f3) s о,лвагсо м о О

СЧ М -Л LC!

Л Cf) CO CO

I

I

1

I!

Ч) I

1

I

1 ю

I о

l

03 I ф I

1

l

I 1

1

1

1

01 1

I о

I

1

I

О\ I

I!.Г\

I

СС\ 1

Lf) I

1

I О I

СГ) I

34 I

1

;С I л

СЧ 1

333 1

i0 I

I

I

I

I