СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 1994 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к материалам для дуговой сварки, а именно к составам электродных покрытий, которые используются для ручной дуговой сварки конструкций из углеродистых сталей с пределом прочности до 460 МПа.

Известен состав покрытия электрода [1] , содержащий следующие компоненты, мас. % : Гематит 15-67 Углерод 1,5-7,0 Кремнезем 5-30 Ферромарганец 5-20 Ферросилиций 3-10 Ферротитан 0,1-8
Железный порошок 1,0-20
Полевой шпат 0,5-35
Плавиковый шпат Остальное
Состав содержит большое количество гематита вместо рутила и мрамора и обеспечивает высокие механические свойства металла шва. Однако покрытие электрода основного вида и не обеспечивает качественную сварку окисленных, покрытых окалиной металлоконструкций в широком диапазоне режимов сварки. По этим показателям выше указанное покрытие значительно уступает покрытию электрода рутилового (кислого вида).

Известен состав электродного покрытия [2] , содержащий следующие компоненты, мас. % : Мрамор 10-20 Гематит 30-35 Ферромарганец 5-10 Крахмал 1,5-2 Ферротитан 30-40 Слюда 5-10
Состав обеспечивает сварку на переменном токе, в нем рутиловый концентрат заменен гематитом и ферротитаном.

Недостатком электродов является наличие большого количества ферротитана в покрытии, который является источником насыщения металла шва водородом и снижает его стойкость к старению.

Целью изобретения является снижение содержания водорода и повышение стойкости металла шва к старению.

Для этого в состав электродного покрытия для сварки углеродистых сталей, содержащего карбонат, гематит, органический газообразователь, минерал из группы силикатов и марганец содержащий компонент, последний введен в виде силикомарганца при следующем соотношении компонентов, мас. % : Карбонат 4-20 Гематит 26-50
Минерал из группы силикатов 15-39
Силикомар- ганец 13-25
Органический газообразователь 2-6, при этом соотношение силикомарганца и гематита в покрытии удовлетворяет отношению 1: 2.

Для проведения испытаний в качестве конкретных компонентов покрытия взяты: карбонат - мрамор или магнезит; силикомарганец марки СМн17 или СМн22 по ГОСТ 4756-77.

В качестве минерала из группы силикатов взяты слюда или тальк или нефелин, или полевой шпат; в качестве органического газообразователя - крахмал или целлюлоза, или лигнин.

Введение в покрытие электрода в определенном массовом соотношении силикомарганца, гематита и карбоната снизило содержание водорода в металле шва, повысило стойкость его к старению.

Основа шлаковой фазы электродного покрытия гематит придает особые физико-химические свойства шлака. Шлак имеет хорошее смачивание и хорошо формирует швы в нижнем положении, однако при сварке в вертикальном положении такой шлак обладает повышенной текучестью и неудовлетворительно формирует швы в вертикальном и потолочном положении.

Для снижения текучести шлака в электродное покрытие добавлен минерал из группы силикатов. Повышая вязкость, силикат снижает жидкотекучесть шлака и позволяет выполнять сварку в вертикальном и потолочном положении.

Электродное покрытие на основе гематита имеет низкую температуру плавления, это является причиной образования большого размера втулки и нарушения стабильности процесса сварки.

Добавление минерала из группы силиката позволяет оптимизировать длину втулки, повышая качество формирования шва и придает специальные пластические свойства электродной массе, улучшая расположение обмазки на металлическом стержне.

При наличии ферротитана в покрытии, а также при термическом нагреве органических газообразующих в зоне сварочной дуги расплавленный металл шва насыщается водородом. При введении оксида железа в виде гематита происходит окисление водорода по следующей реакции:
Fe₂O₃ + H₂ = 2FeO
2FeO + 2H₂ = 2Fe + 2H₂O
Fe₂O₃ + 2H₂ = 2Fe + 2H₂O
Из приведенных зависимостей видно, что оксид железа в покрытии снижает содержание водорода и замедляет переход кремния в шов, что повышает стойкость металла шва к старению. Оптимальным является экспериментально установленное количественное соотношение силикомарганца к оксиду железа 1: 2.

Оксид железа служит также компонентом-регулятором перехода кремния и марганца в шов.

Время протекания физико-химических реакций при сварке очень мало и не всегда они доходят до равновесий, приближаясь к нему в разной степени. Например, при малых концентрациях регулирующих равновесие при сварке достигается. Для регулирования содержания в металле, шва, например, количества Si и Mn при сварочном процессе можно использовать уравнения: [% Mn] = [% Si] = , где K_Mn, Fe= , K_Si, Fe =
Исследования, выполненные для предлагаемой шлаковой системы электродного покрытия при температуре 1873 К, позволили установить, что содержание марганца в металле шва, несмотря на различный выход шлака и коэффициент покрытия, зависит от активности оксида железа: снижение активности Q_FeO повышает содержание марганца в металле шва.

В свою очередь, установлено, что активность железа можно регулировать путем добавления в покрытие электродов карбонатов.

Оксид железа замедляет переход кремния в шов, что также повышает стойкость металла шва к старению. Оптимальным является экспериментально установленное отношение силикомарганца к оксиду железа 1: 2.

При разработке покрытия были подготовлены и испытаны шесть вариантов покрытия, приведенных в табл. 1.

При изготовлении электродов в качестве связующего использовалось жидкое калиево-натриевое стекло. Покрытие наносилось на стержни проволоки Св. 08 диаметром 4 мм методом опрессовки.

При сварке в качестве источника питания дуги использовался трансформатор ТД-500, сила сварочного тока 180-200 А. Перед сваркой электроды прокаливали при температуре 180^о С в течение 90 мин.

Определение содержания диффузионного водорода при сварке электродами выполняли в соответствии с методикой, приведенной в ГОСТ 23338-91 "Методы определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и металле шва" (табл. 2).

Для испытания металла шва на старение сваривали пластины из стали ВСт. 3сп толщиной 12 мм.

Испытание проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 6996-66.

Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Испытания показали, что снижение содержания карбонатов менее 4 мас. % нарушает формирование шва, а увеличение более 20 мас. % нарушает стабильность горения дуги, повышает коэффициент набрызгивания, увеличивает содержание марганца в металла шва и его прочностные характеристики.

Увеличение силикомарганца более 25 мас. % нарушает оптимальное соотношение с гематитом и ухудшает механические свойства металла шва. Снижение содержания менее 13 мас. % приводит к порообразованию.

Содержание минерала из группы силикатов более 39 мас. % нарушает формирование шва, а снижение менее 15 мас. % не оказывает влияния.

В сравнении с прототипом предлагаемый состав покрытия обеспечивает низкое содержание диффузионного водорода и высокую стойкость металла шва к старению.

Предлагаемый состав покрытия содержит небольшое количество компонентов, в котором отсутствуют остродефицитные рутил и ферромарганец. Состав покрытия весьма технологичен в изготовлении. (56) Авторское свидетельство СССР N 1080947, кл. В 23 К 35/365, 1982.

Авторское свидетельство СССР N 539724, кл. В 23 К 35/365, 1975.

Область применения - электродные покрытия для сварки углеродистых сталей с пределом прочности до 460 МПа. Покрытие содержит карбонаты, мас. % : карбонат 4 - 20; силикомарганец 13 - 25; минерал из группы силикатов 15 - 39; гематит 26 - 50; органический газообразователь 2 - 6, причем суммарное содержание в покрытии силикомарганца и гематита должно удовлетворять соотношению 1 : 2. В качестве минерала группы силикатов покрытие содержит слюду, тальк, нефелин или полевой шпат. Высокая производительность наплавки электрода, возможность сварки в различных пространственных положениях, высокая стойкость металла шва к старению и отсутствие в покрытии остродефицитного рутила и его соединений являются достоинствами покрытия. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ для сварки углеродистых сталей, содержащий карбонат, органический газообразователь, гематит, минерал из группы силикатов и марганецсодержащий компонент, отличающийся тем, что марганецсодержащий компонент введен в виде силикомарганца при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Карбонат 4- 20
Гематит 26 - 50
Минерал из группы силикатов 15 - 39
Силикомарганец 13 - 25
Органический газообразователь 2 - 6
при этом соотношение силикомарганца и гематита в покрытии удовлетворяет отношению 1 : 2. 2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве минерала группы силикатов содержит слюду, тальк, нефелин или полевой шпат.