СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2015 года по МПК B23K35/365 

Изобретение относится к области сварки, в частности к составам электродов, электродных покрытий, используемых при сварке сталей, а также может применяться для наплавки стальных деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания.

Известен состав покрытия сварочного электрода, содержащий SiO₂, TiO₂, CaCO₃, по крайней мере один оксид, выбранный из группы, содержащей FeO и Fe₂O, Mn, H₂O, при этом дополнительно он содержит C, B₂O₃Fe и по крайней мере один оксид, выбранный из группы, содержащей Na₂O и K₂O, при следующем содержании компонентов, мас.%: SiO₂ - 10…40; TiO₂ - 6…20; CaCO₃ - 10…30; по крайней мере один оксид из группы, содержащей FeO и FeO₂ - 5…15; Al₂O₃ - 10…20; Mn - 5…15; H₂O - 0,2…6; по крайней мере один оксид, выбранный из группы, содержащей Na₂O и K₂O - 1… 10; Fe - остальное [Патент РФ №2105648, B23K 35/365, 1996 г.].

Общим существенным признаком известного состава и предлагаемого состава является содержание компонентов покрытия, в частности двуокиси титана.

Данное соотношение компонентов покрытия не обеспечивает оптимальных свойств сварочного шлака, в частности температуру плавления шлака и область его кристаллизации. При таком составе трудно получить короткий шлак, отсюда снижение технологических характеристик и сварочных свойств электродов.

Известны составы электродного покрытия на базе ильменита, содержащие, кроме того, полевой шпат, мрамор, каолин, целлюлозу, слюду, а в качестве марганецсодержащего компонента ферромарганец [Патент РФ №2124426, B23K 35/365, 1996 г.] или силикомарганец [Патент РФ №2124427, B23K 35/365,1996 г.]; в последнем варианте дополнительно вводится железный порошок.

Общим существенным признаком известного состава и предлагаемого состава является содержание компонентов покрытия, в частности двуокиси титана, марганецсодержащего компонента, целлюлозы, мрамора, железного порошка.

Эти составы не обеспечивают достаточной активности шлака и газовой защиты сварочного шва, что ухудшает технологические характеристики.

Известен электрод рутилового вида для сварки сталей, имеющий электродное покрытие в составе, мас.%: карбоната металла в виде мрамора и/или магнезита - 6…12; силиката в виде слюды, талька или каолина - 20…30; целлюлозы - 6…11 и в качестве основы компонент, содержащий двуокись титана, а дополнительно ферромарганец (0,9…2,3) и ферросилиций (0,80… 1,5) при коэффициенте массы покрытия 28…35% [Патент РФ №2051775, B23K 35/365, 1995 г.].

Общим существенным признаком известного состава и предлагаемого состава является содержание компонентов покрытия, в частности мрамора, талька, каолина, ферромарганца.

Известное покрытие обеспечивает хорошую шлаковую, но не дает достаточной газовой защиты, что приводит к повышенной дефектности сварного шва.

Известно покрытие электродов для ручной дуговой сварки, содержащее, мас.%: тальк - 36,5…37,7; мрамор - 5,2…6,2; ферромарганец - 16,2…17,0; целлюлозу - 1,3…1,5; ильменитовый концентрат - 38.6…41.2; а также стекло натриевое жидкое - 4,2…6.2; стекло калиевое жидкое - 14.8… 16.8 [Заявка РФ №98119261, B23K 35/365, 1998 г.].

Общим существенным признаком известного состава и предлагаемого состава является содержание компонентов покрытия, в частности талька, мрамора, ферромарганца, целлюлозы, жидкого стекла.

Недостатком такого покрытия является нестабильность горения сварочной дуги.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков и решаемой задаче является электродное покрытие на основе рутила, содержащее, мас.%: ферромарганец - 14,1; мрамор - 16.5; целлюлозу - 1.4; каолин - 4.6; тальк - 9.4 и рутил - 54,1, а также 18% сверх шихты - жидкое стекло в составе 75% K₂O и 25% Na₂O [Евтюшкин Ю.А. и др. «Модифицирование сварного шва», Сб. трудов «Механика и машиностроение», ТПУ, г. Томск, 2000 г., стр. 59…62].

Общим существенным признаком известного состава и предлагаемого состава является содержание компонентов покрытия, в частности ферромарганца, мрамора, целлюлозы, каолина, талька, двуокиси титана, жидкого стекла.

Состав не является оптимальным с точки зрения получения активного металлургического шлака.

Задачей изобретения является разработка электродного покрытия, обеспечивающего повышенные технологические и эксплуатационные характеристики не только при сварке, но и при резке и наплавке сталей различного класса. Другой целью изобретения является использование при изготовлении электродов с предлагаемым покрытием недорогих компонентов на базе местного сырья.

Поставленная задача решена таким образом, что состав предлагаемого электродного покрытия включает, мас.%: двуокись титана - 7,4…15,2; ферромарганец - 12…25,4; мрамор - 14…32,3; целлюлозу - 1,2…2,3; каолин - 4…9,3; тальк - 4,2…11,2; а дополнительно железный порошок - 5,0…15,8; промпродукт Туганского месторождения -10…40; модифицирующую смесь 4,2…11,2, а в качестве связующего - жидкое стекло (75% K₂O+25% Na₂O) - 18% сверх шихты.

В качестве двуокиси титана может быть использован рутил и/или ильменит; промпродукт Туганского месторождения (Томской области) включает, мас.%: TiO₂ - до 20; ZrO₂ - до 15; HfO₂ - до 2,5; Nb₂O₅ - до 0,05; V₂O₅ - до 0,02; Cr₂O₃ - до 0,25; Ce - до 0,1; La - до 0,03; породообразующие - остальное; а модифицирующая смесь содержит, мас.%: по крайней мере один оксид элемента из группы Zr, Ti, Nb, включая спутники Hf и Ta - до 15%, а в качестве восстановителя - фториды, например криолит, - остальное. При этом суммарное содержание двуокиси титана в составе покрытия не должно превышать 30 мас %, а суммарное содержание оксидов остальных элементов IVa, Va групп периодической системы - до 5 мас % общей массы электродного покрытия.

Существенным отличием предлагаемого электродного покрытия от известных электродных покрытий, включая аналоги и прототип, является наличие в его составе определенного, оптимального количества промпродукта Туганского месторождения, а также модифицирующей смеси при определенном соотношении компонентов и ограничении концентрации их составляющих.

При отклонении от указанных пределов заметно ухудшаются как технологические, так и эксплуатационные характеристики электродов. В частности, превышение верхних значений концентраций компонентов, содержащих сильнейшие карбидо-, нитридообразователи, приводит к охрупчиванию сварного шва и/или наплавленного слоя; а ниже указанных пределов - снижаются прочностные характеристики сварочного шва, а в случае наплавки износостойкость наплавленного слоя. Известно, что в процессе плавления системы SiO₂-TiO₂-СаСО₃ при отклонении от оптимальных составов получают или слишком жидкотекучий шлак, или длинный (вязкий) шлак в области сварочных температур, что снижает технологичность электродов.

Изготовление предлагаемого электродного покрытия начинается с тщательного измельчения, дозировки и смешивания в определенной последовательности компонентов; после добавления жидкого стекла состав тщательно перемешивают и наносят на электродные стержни одним из известных способов с прокаливанием на заключительном этапе.

Ниже в таблицах 1 и 2 приведены составы изготовленных по указанной технологии и характеристики испытанных стандартными методами и на стандартной аппаратуре опытных вариантов электродных покрытий, а также технологические характеристики и эксплуатационные свойства.

Таблица 1
СОСТАВЫ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ   Содержание компонентов, мас.%: №1 №2 №3 №4 №5 Прототип 1 2 3 4 5 6 7 Двуокись титана 5,8 7,4 11,2 15,2 17,0 54,0 Ферромарганец 10,0 12,0 18,3 25,4 28,0 14,1 Мрамор 11,5 14,0 21,6 32,3 35,0 16,5 Целлюлоза 0,8 1,2 1,5 2,3 3,0 1,4 Каолин 3,5 4,0 5,6 9,3 10,2 4,6 Тальк 3,8 4,2 7,5 11,2 15,0 9,4 Железный порошок 4,5 5,0 9,3 15,8 18,0 - Промпродукт Туганского месторождения 8,0 10,0 21,3 40,0 45,0 - Модифицирующая смесь 3,5 4,2 3,7 11,2 15,3 - Жидкое стекло Сверх шихты 18 Примечание: прототип приведен для сравнения

Таблица 2
Результаты испытаний электродов с электродными покрытиями разных составов Составы покрытий Технологические и механические характеристики Эксплуатационные свойства №1 А - 6, Б - 190, В - 340, а -1,1,   Г - длинный, б - поверхность шва грубая,   Д - низкая, 8, Е - 20, в - затруднен, нет газовой защиты №2 А - 7, Б - 210, В - 380, а - 0,70,   Г - короткий. б - шов удовлетворительный   Д - хорошая, 14, Е - 22, в - то же №3 А - 9, Б - 200, В - 440, а - 0,60,   Г - короткий. б - шов качественный,   Д - хорошая, 16, Е - 24, в - то же №4 А - 9, Б - 190, В - 400. а - 0,65.   Г - короткий, б - шов качественный.   Д - хорошая, 15, Е - 20, в - то же №5 А - 7, Б - 200, В - 360, А - 0,80,   Г - длинный, б - плохое формирование шва,   Д - средняя, 10, Е - 12, в - некачественный Прототип А - 8, Б - 180, В - 400, а - 0,70,   Г - короткий, б - шов качественный,   Д - хорошая, 16, Е - 22. в - то же Примечание: Приведены средние результаты 7…10 измерений.

Условные обозначения: А - величина зерна (микроструктура поперечного сечения сварочного шва), балл; Б - твердость материала сварочного шва, НВ, ед.; В - предел прочности сварочного соединения, МПа; Г - тип шлака; Д - стабильность сварочной дуги (длина обрывной дуги, мм); Е - относительное удлинение, %; а - абразивный износ, отн.ед.; 6 - сварочный шов при вертикальной сварке; в - сварочный шов при потолочной сварке.

Изобретение может быть использовано для изготовления электродов, применяемых при сварке, резке и, во многих случаях, износостойкой наплавке. Состав покрытия электрода содержит двуокись титана, ферромарганец, мрамор, целлюлозу, каолин, тальк, железный порошок, модифицирующую смесь и руду, в качестве которой используют промпродукт Туганского месторождения. Упомянутый промпродукт включает двуокись титана, двуокись циркония, двуокись гафния, пятиокись ниобия, пятиокись ванадия, окись хрома (Cr₂O₃), элементы цериевой группы, лантаноиды и породообразующие элементы. Регламентировано суммарное содержание двуокиси титана в составе электродного покрытия и суммарное содержание оксидов остальных элементов IVa, Va групп периодической системы. Состав обеспечивает повышенные механические, технологические и эксплуатационные характеристики электродов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Состав электродного покрытия для сварки сталей, содержащий двуокись титана, ферромарганец, мрамор, целлюлозу, каолин, тальк, железный порошок и руду, отличающийся тем, что дополнительно состав содержит модифицирующую смесь, включающую по крайней мере один оксид элемента из группы Zr, Ti, Nb и восстановитель, а в качестве руды используют промпродукт Туганского месторождения при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Двуокись титана 7,4…15,2 Ферромарганец 12,0…25,4 Мрамор 14,0…32,3 Железный порошок 5,0…15,8 Целлюлоза 1,2…2,3 Каолин 4,0…9,3 Тальк 4,2…11,2 Модифицирующая смесь 4,2… 11,2 Промпродукт Туганского месторождения 10,0…40,0 Жидкое стекло около18,0 сверх шихты

при этом промпродукт Туганского месторождения содержит, мас.%:
Двуокись титана до 20,0 Двуокись циркония до 15,0 Двуокись гафния до 2,5 Пятиокись ниобия до 0,05 Пятиокись ванадия до 0,02 Окись хрома (Cr₂O₃) до 0,25 Цериевая группа до 0,1 Лантаноиды до 0,03 Породообразующие элементы остальное
причем суммарное содержание двуокиси титана в составе электродного покрытия не более 30,0 мас.%, а суммарное содержание оксидов остальных элементов IVa, Va групп периодической системы - не более 5,0 мас.%.

2. Состав электродного покрытия по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая модифицирующая смесь содержит в качестве восстановителя один или более фторидов, например криолит.