Состав электродного покрытия

 

Изобретение может быть использовано для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Состав электродного покрытия содержит, мас.%: ильменитовый концентрат - 30...40; карбонаты щелочноземельных металлов - 6...12; полевошпатовые материалы - 6...10; кварцевый песок - 9...12; ферросплавы на основе марганца и кремния - 14...18; минеральные и органические пластификаторы - 6. ..9; железный порошок - остальное; сухой остаток водорастворимого силиката - 8. ..11 (сверх 100%). Состав позволяет повысить сварочно-технологические свойства и санитарно-гигиенические показатели, что в целом способствует улучшению условий труда сварщиков и обеспечению более высокого качества и надежности сварных конструкций. 4 табл.

Изобретение относится к электродуговой сварке, в частности к сварочным материалам, а именно к составу электродного покрытия, предназначенного для изготовления покрытых электродов для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей.

Известен электрод для ручной дуговой сварки стали с покрытием на основе ильменита марки ОММ-5 (Крюковский Н.А. Производство электродов для дуговой сварки, МАШГИЗ, М., 1956, стр. 278 (см. табл. 1, 2, стр. 278 (см. табл.1, 2, стр. 26...19). Покрытие указанного электрода содержит (вес. ч.): Ильменитовый концентрат - 37,0 Марганцевая руда - 21,0 Полевой шпат - 13,0 Ферромарганец - 20,0 Органические пластификаторы (крахмал, декстрин) - 9,0 Сухой остаток водорастворимого натриевого силиката (сверх 100%) - 12... 14 Высокое содержание в покрытии известного электрода оксидов марганца (марганцевая руда) и металлического марганца (ферромарганец) приводит к образованию в процессе сварки большого количества токсичного аэрозоля с высокой концентрацией в нем высокотоксичных соединений марганца (Воронцова Е.И. К вопросу о действии на организм аэрозоля, образующегося при электросварке марганцевыми электродами. "Гигиена и санитария", 4, 1949 г.). Поэтому использование указанных электродов привело к массовым профессиональным заболеваниям сварщиков (Воронцова Е. И. Гигиена труда электросварщика. М.: Медгиз, 1960).

Высокий окислительный потенциал вышеуказанного покрытия, обусловленный содержанием в нем большого количества оксидов железа (в ильмените) и марганца (в марганцевой руде) является причиной неудовлетворительных сварочно-технологических показателей электрода, а именно: - высокая жидкотекучесть расплавленного шлака, образующегося в процессе сварки; - склонность к образованию подрезов вдоль сварного шва, являющихся концентраторами напряжений, снижает работоспособность сварной конструкции;
- значительное разбрызгивание жидкого металла.

Некоторых отмеченных выше недостатков лишен электрод с покрытием согласно патента Украины 23849 А (копия прилагается), покрытие которого содержит (маc.%):
Ильменитовый концентрат - 36...45
Доломит - 6...11
Полевой шпат - 11...15
Минеральные пластификаторы - 8...14
Органические пластификаторы - 1...4
Ферросплавы на основе марганца и кремния - 14...20
Сухой остаток водорастворимого K-Na силиката - 9...11
Этот электрод содержит в покрытии меньше марганца и его соединений, что обуславливает образование и выделение в окружающее пространство меньшего количества токсичных соединений марганца в процессе сварки. Благодаря этому улучшены санитарно-гигиенические показатели электрода. Меньшее содержание оксидов железа и марганца способствовало улучшению сварочно-технологических показателей электрода. Электрод с покрытием, согласно патента Украины 23849А (взят в качестве прототипа), по сварочно-технологическим свойствам и санитарно-гигиеническим показателям значительно превосходит электроды ОММ-5 и другие электроды с ильменитовым покрытием, но существенно уступает электродам аналогичного назначения с покрытием рутилового вида, а именно:
- характеризуется повышенным разбрызгиванием жидкого металла в процессе сварки, что обуславливает значительные трудозатраты на зачистку конструкций от брызг;
- склонен к образованию подрезов металла шва, которые являются концентраторами напряжений и уменьшают усталостную прочность конструкции;
- при сварке образуется шлак, который не позволяет хорошо контролировать сварочную ванну, что может стать причиной зашлаковывания металла шва; выделяет в окружающее пространство большее количество опасного для организма сварщика аэрозоля.

Задачей изобретения является усовершенствование известного состава электродного покрытия за счет введения нового компонента - кварцевого песка и выбора оптимального соотношения других составляющих покрытия, входящих в его состав, с целью существенного улучшения сварочно-технологических и санитарно-гигиенических показателей электрода и максимального приближения их до уровня показателей электродов с покрытием рутилового вида.

Поставленная задача решается путем введения в состав предлагаемого покрытия ильменитового концентрата, карбонатов щелочноземельных металлов, полевошпатовых материалов, кварцевого песка, ферросплавов на основе марганца и кремния, минеральных и органических пластификаторов, железного порошка, сухого остатка водорастворимого силиката при следующем соотношении вышеперечисленных компонентов (маc.%):
Ильменитовый концентрат - 30...40
Карбонаты щелочноземельных металлов - 6...12
полевошпатовые материалы - 6...10
Кварцевый песок - 9...12
Ферросплавы на основе марганца и кремния - 14...18
Минеральные и органические пластификаторы - 6...9
Железный порошок - Остальное
Сухой остаток водорастворимого силиката, (сверх 100%) - 8...11
Снижение разбрызгивания расплавленного металла в процессе сварки достигается благодаря уменьшению сжатия столба дуги газами, парами воды и продуктами ее диссоциации. Пары выделяются из минералов-пластификаторов, содержащих в своей структуре кристаллизационную и конституционную влагу.

Газы образуются при диссоциации карбонатов и сгорании органических пластификаторов, в предлагаемом электродном покрытии таких материалов меньше, чем в покрытии электрода прототипа (12...21% против 15...27%).

Снижение склонности металла шва к образованию подрезов достигнуто за счет увеличения в составе шлака, образующегося при плавлении предлагаемого покрытия, оксида кремния (SiO₂) за счет введения в состав кварцевого песка. Благодаря этому, в жидком шлаке оксиды железа связываются в силикаты, что способствует снижению текучести и подвижности шлака в жидком состоянии. При этом шлак лучше покрывает расплавленный металл, меньше вытесняется в хвостовую часть сварочной ванны потоками паров и газов столба дуги и лучше формирует металл шва без образования подрезов. Эти же факторы способствуют более надежному контролю за сварочной ванной и сокращению случаев зашлаковывания металла шва.

Наконец, снижение валовых выделений сварочного аэрозоля, т.е. обеспечение более благоприятных санитарно-гигиенических показателей предлагаемого электрода обусловлены:
- снижением содержания оксидов железа в покрытии (благодаря уменьшению содержания ильменитового концентрата), т.е. окислительного потенциала электродного покрытия;
- увеличением кислотности шлака, благодаря введению кварцевого песка в состав покрытия.

Оба указанных фактора способствуют снижению валовых выделений твердой составляющей сварочного аэрозоля и содержания в нем высокотоксичных соединений марганца (см. Металлургия дуговой сварки: Процессы в дуге и плавление электродов, под ред. И.К.Походни, - Киев, Наукова думка, 1990 г., 224 с., глава третья, стр. 134-152).

Пределы содержания ильменитового концентрата в составе предлагаемого электродного покрытия (30...40 мас.%) выбраны из условия необходимости обеспечения оптимальный текучести жидкого шлака, хорошего формирования металла шва при сварке в различных пространственных положениях и снижения количества сварочного аэрозоля, который выделяется при сварке.

Снижение содержания ильменитового концентрата ниже 30 мас.% приводит к ухудшению формирования метала шва при сварке на вертикальной плоскости и в потолочном положении. При увеличении содержания ильменитового концентрата свыше 40 мас.% возрастает текучесть шлака, что приводит к ухудшению формирования металла шва, возрастанию склонности к образованию подрезов и зашлаковыванию, растет выделение сварочного аэрозоля. Пределы содержания карбонатов щелочноземельных металлов в составе предлагаемого покрытия (6...12 мас.%) выбраны из условия необходимости обеспечения достаточной газовой защиты расплавленного металла углекислым газом (СО₂), который образуется при диссоциации карбонатов, от вредного влияния газов окружающей атмосферы (азота, кислорода). При снижении содержания карбонатов щелочноземельных металлов ниже 6 мас. % не обеспечивается надежная защита расплавленного металла, в нем возрастает содержание азота, что приводит к снижению механических свойств металла шва. При увеличении содержания карбонатов щелочноземельных металлов свыше 12 мас.% возрастает текучесть жидкого шлака за счет увеличения количества в нем основных окислов (СаО, МgО), что ухудшает формирование металла шва, возможность контроля сварочной ванны и увеличивает вероятность возникновения дефектов метала шва типа "непроваров" или зашлаковывания шва. Пределы содержания полевошпатовых материалов (6...10 мас.%) выбраны из условия обеспечения необходимых физико-химических свойств шлака, который образуется при плавлении покрытия, в первую очередь снижения его текучести в расплавленном состоянии, а также обеспечения стабильного горения дуги при сварке переменным током за счет наличия окислов щелочных металлов (К₂О, Na₂O), которые в них содержатся. При снижении содержания полевошпатовых материалов в покрытии ниже 6 мас.% количества диоксида кремния, который он вносит в шлак наряду с кварцевым песком, не хватает для связывания оксидов железа, которые находятся в шлаке, в комплексные соединения-силикаты. В этом случае расплавленный шлак характеризуется повышенной текучестью, что приводит к ухудшению формирования метала шва и увеличению вероятности образования в нем дефектов. Кроме того, вследствие низкого содержания в покрытии окислов щелочных металлов ухудшается стабильность горения дуги. При повышении содержания полевошпатовых материалов более 10 мас.% шлак в расплавленном состоянии становится слишком вязким, что приводит к ухудшению формирования металла шва.

Пределы содержания кварцевого песка (9...12 мас.%) в составе предлагаемого покрытия выбраны из условия необходимости обеспечения невысокой текучести расплавленного шлака и возможности визуального контроля сварщиком сварочной ванны с целью предотвращения зашлаковывания металла шва. Кроме того, как отмечалось выше, введение кварцевого песка способствует снижению валовых выделений сварочного аэрозоля, т.е. улучшению санитарно-гигиенических показателей электродов с предлагаемым покрытием. Содержание кварцевого песка связано с содержанием ильменитового концентрата в покрытии. Максимальному количеству последнего (40 мас.%) соответствует максимальное содержание кварцевого песка (12 мас.%), минимальному содержанию ильменитового концентрата (30 мас.%) соответствует минимальное содержание кварцевого песка (9 мас.%). Только при таких условиях обеспечивается оптимальный уровень текучести шлака. При снижении содержания кварцевого песка ниже 9 мас.% текучесть шлака возрастает, что увеличивает вероятность зашлаковывания металла шва. При увеличении содержания кварцевого песка выше 12 мас.% вязкость шлака возрастает настолько, что невозможно обеспечить хорошее формирование металла шва, особенно при сварке на вертикальной плоскости.

Пределы содержания ферросплавов на основе марганца и кремня (14...18 мас.%) выбраны из условия обеспечения оптимального содержания в наплавленном металле марганца (0,45. ..0,70 мас.%) и кремния (не более 0,20 мас.%), при которых обеспечиваются необходимые механические свойства металла шва - временное сопротивление разрыву 450...500 МПа, относительное удлинение не ниже 20%, ударная вязкость метала шва на уровне 100...140 Дж/см². Нижний предел содержания ферросплавов на основе марганца и кремния обусловлен необходимостью обеспечения заданного химического состава и механических свойств наплавленного металла (металла шва), верхний предел - ограничением показателей прочности наплавленного метала (металла шва), которая возрастает при увеличении в нем содержания марганца и кремния выше указанных пределов.

Пределы содержания минеральных и органических пластификаторов (6...9 мас. %) выбраны из условия обеспечения необходимых технологических свойств обмазочной массы (составляющие покрытия, смешанные с жидким стеклом, для последующего нанесения покрытия на стальной стержень), а именно - обеспечения достаточно высокой пластичности в процессе экструзии и прочности сырого электродного покрытия в процессе изготовления электродов.

При снижении содержания минеральных и органических пластификаторов ниже 6 мас.% не обеспечивается необходимый уровень пластичности обмазочной массы, что приводит к возрастанию количества бракованных электродов, а также вызывает необходимость выполнения экструзии обмазочной массы из головки электродообмазочного пресса при очень высоком давлении масла в гидроцилиндре, что может стать причиной поломки агрегата.

При увеличении содержания минеральных и органических пластификаторов свыше 9 мас.% возрастает разбрызгивание металла. Это обусловлено попаданием в атмосферу дуги большого количества газов и паров воды, которые образуются при нагревании пластификаторов и сгорании органических составляющих, что отмечалось выше. Эти газы сжимают столб дуги, что обуславливает увеличение напряжения сварочной дуги и увеличение разбрызгивания металла.

Пределы содержания сухого остатка водорастворимого силиката (8...11 мас. % выбраны главным образом из условия обеспечения необходимой консистенции и технологических свойств (пластичности, прочности в сыром состоянии) обмазочной массы, пригодной для качественного нанесения на проволоку.

При снижении содержания сухого остатка ниже 8 мас.% обмазочная масса теряет пластичность и становится непригодной для качественного изготовления электродов, при повышении содержания сухого остатка более 11 мас.% обмазочная масса становится мягкой, что приводит к значительному росту брака электродов в процессе их изготовления.

Введение в предлагаемое покрытие железного порошка способствует его более равномерному плавлению в процессе сварки, стабилизации дугового разряда и уменьшению разбрызгивания металла (cм. D.L.Mathias, The use of Iron-Powder Electrodes in the USA, "Industry Imformation", 6, 1958).

Пределы содержания железного порошка в предлагаемом покрытии зависят от выбранного соотношения всех остальных составляющих, вместе взятых.

Проверка изобретения выполнялась следующим образом. На стержни из сварочной проволоки марки Св-08А по ГОСТ2246-70 диаметром 4,0 мм наносили покрытие. Для приготовления обмазочной массы использовали калий-натриевое жидкое стекло с модулем 2,97 и плотностью 1445 кг/м³. Количество жидкого стекла, которое добавляли к сухой шихте, составляло 22-29% по отношению к массе сухой шихты. Электроды после изготовления сушили при температуре 180+10^oС в течение 1 часа. Состав покрытия электрода прототипа и предлагаемого электрода приведены в табл.1, причем варианты D1...D3 содержат компоненты в количестве, которые заявляются формулой изобретения, а варианты D4... D8 содержат компоненты в количестве, которые выходят за пределы формулы изобретения.

В процессе изготовления электродов было установлено, что электроды варианта D8 с сухим остатком на уровне 7%, что эквивалентно добавке в обмазочную массу приблизительно 18...18,5% жидкого стекла, изготовить практически невозможно, поскольку такая масса имеет низкую пластичность и нанести ее на сварочную проволоку на существующих электродообмазочных агрегатах невозможно. Электроды вариантов D1...D7 были изготовлены, просушены и подвергнуты испытаниям. Испытания электродов проводили при сварке переменным током, при этом сила сварочного тока составляла 180...190А. В ходе испытаний определяли химический состав наплавленного металла и механические свойства металла шва (табл. 2), определяли коэффициент набрызгивания и оценивали сварочно-технологические свойства электродов (формирование металла шва, склонность электродов к образованию подрезов, зашлаковыванию металла шва, которая зависит от текучести шлака), определяли санитарно-гигиенические показатели электродов - энтенсивность и валовые выделения ТССА (табл.4)
Механические свойства металла шва оценивали по показателям временного сопротивления разрыву, относительному удлинению, которые определяли на образцах типа II по ГОСТ 6996 при испытаниях на статическое растяжение при температуре +20^oС, и по величине ударной вязкости, которая определялась при испытаниях на ударный изгиб образцов типа VI по ГОСТ 6996 при температуре +20^oС.

Испытания выполнялись согласно требованиям ГОСТ 9467.

Как видно из результатов испытаний сварочные электроды вариантов D1...D3 обеспечивают заданный уровень химического состава наплавленного металла и механических свойств металла шва.

Результаты оценки сварочно-технологических свойств электродов (табл.3) показали, что только варианты покрытий D1...D3 одновременно обеспечивают хорошее формирование металла шва, малую склонность электродов к зашлаковыванию металла шва и минимальную величину коэффициента набрызгивания, и превосходят по комплексу этих показателей как электрод-прототип, так и электроды с покрытиями D4...D8.

Как видно из данных, приведенных в табл.4, по уровню санитарно-гигиенических показателей варианты D1...D3 также превосходят как электрод-прототип, так и электроды с покрытиями D4...D7.

Рассмотренные результаты испытаний позволяют сделать вывод о правильности выбранных пределов содержания компонентов в предлагаемом составе электродного покрытия.

Предлагаемый состав электродного покрытия, предназначенного для изготовления покрытых электродов для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей во всех пространственных положениях переменным или постоянным током, имеет ряд технических преимуществ в сравнении с прототипом: лучше сварочно-технологические свойства, более благоприятные санитарно-гигиенические показатели, что в целом способствует улучшению условий труда сварщиков и обеспечению более высокого качества и надежности сварных конструкций.

Формула изобретения

Состав электродного покрытия, предназначенного для изготовления покрытых электродов для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, содержащий ильменитовый концентрат, карбонаты щелочноземельных металлов, полевошпатовые материалы, ферросплавы, раскислители на основе марганца и кремния, минеральные и органические пластификаторы, железный порошок, сухой остаток водорастворимого силиката, отличающийся тем, что покрытие дополнительно содержит кварцевый песок при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ильменитовый концентрат 30-40

Карбонаты щелочноземельных металлов 6-12

Полевошпатовые материалы 6-10

Кварцевый песок 9-12

Ферросплавы на основе марганца и кремния 14-18

Минеральные и органические пластификаторы 6-9

Железный порошок Остальное

Сухой остаток водорастворимого силиката 8-11 (сверх 100%)

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4