ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СВАРКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК B23K35/365 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к электродам для ручной дуговой сварки низкоуглеродистых сталей.

Известен электрод для сварки низкоуглеродистых сталей [1] покрытие которого содержит, мас.

Оксид титана 35 55
Карбонат металла 5 20
Ферромарганец 10 15
Целлюлоза 1 3
Концентрат флогопитовый 8 35
при этом концентрат флогопитовый содержит, мас.

Оксид кремния 37 42
Оксид алюминия 18,5 24
Оксиды металлов 11А группы 6 12
Оксиды щелочных металлов 6 12
Железо 5,5 7
Известный электрод позволяет получить хорошие технологические свойства при сварке в различных пространственных положениях. Однако при сварке этим электродом выделяется большое количество токсичных оксидов марганца, отрицательно влияющих на здоровье сварщика и загрязняющих окружающую среду. Кроме того, применение дорогостоящего и дефицитного ферромарганца повышает стоимость электрода.

Наиболее близким по назначению и составу является электрод [2] состоящий из стального стержня и покрытия, содержащего, мас.

Титановый концентрат 37
Марганцевая руда 21
Полевой шпат 13
Ферромарганец 20
Крахмал 9
Известный электрод, как и предыдущий, имеет хорошие сварочно-технологические свойства, однако в составе сварочных аэрозолей содержится значительное количество высокотоксичных оксидов марганца, поскольку практически весь марганец, содержащийся в составе покрытия, не попадает в наплавленный металл, а выгорая, переходит в шлак и сварочные аэрозоли.

Целью изобретения является снижение выделений оксидов марганца в сварочные аэрозоли путем исключения металлического марганца из покрытия при обеспечении оптимальной его концентрации в металле шва из марганцевой руды и стального стержня электрода.

Указанная цель достигается тем, что электрод для сварки низкоуглеродистых сталей, содержащий стальной стержень и покрытие, включающее титановый концентрат, марганцевую руду, двуокись кремния, содержащий компонент, ферросплав, органический пластификатор, жидкое стекло, согласно изобретению в качестве ферросплава содержит ферротитан и дополнительно каолин и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.

Титановый концентрат 15 20
Марганцевая руда 30 50
Кварцевый песок 7 10
Ферротитан 12 15
Каолин 5 25
Древесная мука 2 3
Углерод 1 3
Жидкое стекло 20 25% к массе сухой смеси, а коэффициент массы покрытия составляет 38 42%
Известно, что металлический марганец из покрытия электрода при сварке имеет склонность к избирательному испарению, и, чем больше удельная поверхность компонентов, содержащих марганец, тем более полно идет испарения. При введении в состав покрытия прототипа до 20% молотого 85% ферромарганца наблюдается интенсивное испарение марганца и выделение мелкодисперсных оксидов в сварочные аэрозоли. При этом в расплавленный металл вводится до 5% марганца, в то время как в наплавленном металле его концентрация составляет 0,4 0,6% то есть на уровне концентрации марганца в стальном стержне, а весь марганец, введенный в электродное покрытие, практически не попадет в наплавленный металл.

В производстве сварочных электродов давно возникла проблема уменьшения количества токсичных оксидов марганца в аэрозолях. Некоторые марки электродов по этой причине были сняты с производства, в том числе ЦМ-7 и ОММ-5. Одним из путей решения поставленной задачи является исключение из состава покрытия металлического марганца в виде ферромарганца, замена его на ферротитан в сочетании с большим содержанием марганцевой руды (до 50%), которые предлагаются в данном изобретении.

Известна замена ферромарганца на марганец-титановый сплав и частично на марганцовистый шлак с достижением той же цели, то есть снижение концентрации оксидов марганца в сварочных аэрозолях. При этом в сплаве остается 30 35% металлического марганца, что решает поставленную задачу лишь частично. В предлагаемом изобретении металлический марганец из покрытия исключен полностью, при этом раскисление металла шва обеспечивается низкотемпературным раскислением ферротитаном, а также высокотемпературным раскислителем - углеродом. Наличие свободного углерода позволяет снизить окислительный потенциал газовой фазы дуги и, тем самым, уменьшить окисление марганца из стального стержня. Углерод в покрытие может вводиться в виде графита, кокса либо каменного угля, причем чем больше углерода содержит стальной стержень, тем меньше количество углерода должно содержать покрытие. Учитывая, что ГОСТом 2246-80 в проволоках марок Св-08, Св-08А содержание углерода ограничено 0,1% то количество углерода в покрытии должно задаваться по определенной закономерности. Экспериментально установлено, что уменьшение ( увеличение), концентрации углерода в проволоке на 0,01% от оптимальной 0,08% требует увеличения (уменьшения) концентрации углерода в покрытии на 0,1% В связи с этим, оптимальная концентрация углерода в покрытии может быть вычислена по формуле, C_покр 2 + (0,08 C_ст)•10, где C_покр - концентрация углерода в покрытии, C_ст концентрация углерода в стержне,
Наличие достаточного количества оксидов марганца в шлаке из марганцевой руды позволяет повысить концентрацию марганца в металле шва за счет обменных реакций на границе металл-шлак. Таким образом, предложен принципиально новый электрод, который позволяет снизить концентрацию токсичных оксидов марганца в аэрозолях без снижения концентрации марганца в наплавленном металле, а следовательно, без снижения прочностных характеристик. Предложенная шлаковая система покрытия на основе MnO-SiO₂-TiO₂-Al₂O₃ позволяет получить требуемые сварочно-технологические и прочностные характеристики электрода, обеспечивает высокую стабильность горения дуги, хорошее формирование шва, легкую отделимость шлаковой корки при снижении стоимости покрытия.

Известно введение в покрытие углерода в виде графита, с целью повышения качества сварных швов при сварке по незачищенным поверхностям за счет повышения их плотности в результате оттеснения паров минеральных масел газовой струей, мощность которой увеличивается за счет газового дутья при окислении свободного углерода в газовой фазе дуги. Как видно, углерод в этом случае играет иную роль нейтрализатора-поглотителя кислорода, количество которого увеличивается за счет повышения концентрации окислителя, введенного с марганцевой рудой при повышении ее концентрации с 21% (прототип) до 30 50% На основании вышеизложенного анализа можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение для специалиста не следует явным образом из уровня техники, а следовательно, соответствует изобретательскому уровняю.

Введение в состав покрытия менее 30% марганцевой руды не позволяет получить концентрацию марганца в направленном металле более 0,3% поскольку концентрация оксидов марганца в шлаке недостаточна, то марганец из расплавленного металла, привнесенного электродным стержнем (0,4%) окисляется и переходит в шлак. Концентрация марганцевой руды свыше 50% нецелесообразна вследствие ухудшения сварочно-технологических характеристик.

Введение в покрытие менее 1% углерода приводит к значительному снижению концентрации марганца в металле шва, а значит и снижение его прочностных характеристик. При содержании в покрытии более 3% углерода наблюдается его растворение в металле шва, что приводит к снижению пластичности из-за образования закалочных структур.

Введение в покрытие менее 12% ферротитана, содержащего 33% титана, не позволяет достичь ненадежного раскисления металла шва, что проявляется в снижении концентрации марганца в направленном металле и ухудшении отделимости шлаковой корки. Введение ферротитана свыше 15% нецелесообразно по экономическим соображениям.

Кварцевый песок и каолин как компоненты, содержащие двуокись кремния, вводятся для получения необходимой основности покрытия, причем, чем больше концентрация марганцевой руды, тем больше и их содержание.

Для подтверждения сказанного были изготовлены три опытные партии электродов диаметром 4 мм по 50 электродов в партии. Состав покрытия этих электродов приведен в табл. 1.

В качестве связующего использовалось калиево-натровое жидкое стекло плотностью 1,4 и модулем 2,85.

Оценка сварочно-технологических характеристик показала, что электроды обеспечивают легкое возбуждение дуги, хорошее формирование металла шва, легкую отделимость шлаковой корки, возможность сварки во всех пространственных положениях, т. е. ничем не уступают прототипу и находятся на уровне общеизвестных электродов с рутиловым покрытием марок МР-3, ОЗС-4.

Химический состав наплавленного металла приведен в табл. 2.

Можно отметить, что концентрация марганца в направленном металле во всех случаях не ниже 0,35%
Механические испытания образцов наплавленного металла показали, что для всех вариантов опытных составов покрытия предел прочности был не менее 470 МПа, относительное удлинение не менее 25% ударная вязкость превышает 150 Дж/см², т.е. превосходят показатели электродов типа Э46 по ГОСТ 9467 - 75.

Валовые выделения сварочных аэрозолей опытных электродов и концентрация оксидов марганца в аэрозолях приведены в табл. 3.

Для сравнения валовые выделения аэрозолей при использовании электродов ОММ-5 (прототип) составляет 9 10 г/кг, при этом в аэрозолях этих электродов содержание оксидов марганца равняется 1,46 1,7 г/кг, что соответствует 14 - 19%
Таким образом, при сохранении всех положительных свойств прототипа и известных рутиловых электродов удалось снизить валовые выделения аэрозолей в 1,5 2,0 раза, обеспечив в 1,3 2,0 раза меньшую концентрацию токсичных оксидов марганца в аэрозолях. При этом стоимость компонентов покрытия снижается в 1,7 2,0 раза, обеспечивая снижение стоимости электродов на 10 - 12%

Использование: изобретение относится к электродным материалам для ручной дуговой сварки. Электрод состоит из стального стержня с содержанием углерода до 0,1% и покрытия. Покрытие содержит следующие компоненты, в следующем соотношении, мас.%: титановый концентрат 15 - 20; марганцевая руда 30 - 50; кварцевый песок 7 - 10; ферротитан (33% Ti) 12 - 15; каолин 5 - 25; древесная мука; 2-3; углерод 1 - 3; жидкое стекло 20 - 25% к массе сухой шихты. При этом коэффициент массы покрытия составляет 38 - 42%. Оптимальная концентрация углерода в покрытии выбирается по соотношению: C_покр = 2 + (0,08 - C_ст)•10, где C_покр - концентрация углерода в покрытии, %: C_ст - концентрация углерода в стержне, %. Изобретение позволяет улучшить экологические характеристики за счет снижения выделений оксидов марганца в сварочные аэрозоли при сохранении высоких сварочно-технологических и механических характеристик. 3 табл.

Электрод для сварки низкоуглеродистых сталей, содержащий стальной стержень и покрытие, включающее титановый концентрат, марганцевую руду, компонент, содержащий двуокись кремния, ферросплав, органический пластификатор, жидкое стекло, отличающийся тем, что двуокись кремния введена в покрытие в виде кварцевого песка, в качестве ферросплава электрод содержит ферротитан, органический пластификатор введен в виде древесной муки, а также дополнительно покрытие содержит каолин и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.

Титановый концентрат 15 20
Марганцевая руда 30 50
Кварцевый песок 7 10
Ферротитан 12 15
Каолин 5 25
Древесная мука 2 3
Углерод 1 3
жидкое стекло 20 25% к массе сухой шихты, при этом коэффициент массы покрытия составляет 38 42% а оптимальная концентрация углерода в покрытии определяется соотношением
C_{п о к р} 2 + (0,08 C_с т) • 10,
где C_{п о к р} концентрация углерода в покрытии,
C_с т концентрация углерода в стержне,