Состав электродного покрытия Советский патент 1991 года по МПК B23K35/365 

Изобретение относится к сварке, в частности к составам электродных покрытий, и может быть использовано в электродах для ручной электродуговой сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей во всех пространственных положениях.

Известно использование в составах электродных покрытий в качестве пластификатора фтористого флогопита синтетического в количестве, не превышающем 18% 1 .

Однако фтористый флогопит синтетический по ТУ 41-07-965-80 дефицитный и дорогой искусственно созданный продукт. Он получается как отходы при опытном производстве монокристаллов и поэтому его стоимость равна 3-3,5 тыс. руб. за 1 т. Этот флогопит не содержит гигроскопической влаги, поэтому применяется) в покрытиях электродов фтористокальциевого типа.

В покрытиях электродов рутилового типа его применять нельзя, так как в этом случае ввиду низкого уровня влаги в зоне дуги в расплавленном металле при его кристаллизации процесс выделения водорода протекает вяло, что приводит к пористости металла шва.

Кроме того, он имеет высокое удельное электросопротивление, как линейное, так и объемное, что отрицательно влияет на стабильность горения дуги.

ON О Ю VI Ч)

ел

Известно также применение природной слюды в качестве наполнителя при производстве резины (марки СМФ-125 и СМФ -160) в буровых растворах (марка СФБ-20).

Однако эта природная слюда-флогопит Отличается значительным разбросом по химическому составу и, в частности, содержит оксид фосфора в качестве не менее 0,5- 0,8%, что делает невозможным ее применение в сварочных материалах.

Известен состав электродного покрытия для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, содержащий Следующие компоненты, мас.%: Мрамор8-13

Рутил46-52

Слюда17-21

Ферромарганец11т13

Алюмосиликат натрия 2-5 Целлюлоза0,5-2,0

В качестве слюды в этот состав, как практически и во все другие, где содержится слюда без конкретного названия минерала, вводится концентрат мусковитовый, поскольку до настоящего времени он является единственной природной слюдой, используемой в сварочных материалах 2. Это покрытие технологично в изготовлении ввиду достаточной пластичности обмазочной массы при опрессовке и небольшого количества компонентов. Электроды с этим покрытием обладают хорошими сварочно- технологическими свойствами.

Однако механические характеристики металла шва заурядны, ввиду чего при отрицательных температурах они не регламентируются каталогом. В направленном металле остаются невыведенными неметаллические и газовые включения. Это происходит ввиду относительно невысокого содержания единственного минерального компонента - мрамора, поставляющего в сварочный шлак основной оксид СаО и высокого содержания в покрытии минералов, состоящих преимущественно из кислых (Si 02) и аморфных ( ТОа) оксидов ру- гила и концентрата мусковитового; что и обеспечивает основность шлака электродов этой марки в пределах 0,35-0,45.

Наиболее близким к предлагаемому является состав электродного покрытия, преимущественно для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, содержащий следующие компоненты, мас.%.

Карбонат металла5-38

Ферромарганец12-20

Слоистый силикатный

минерал3-40

Компонент, включающий

оксид титана16-45

Состав может также содержать 1-4% целлюлозы. В качестве слоистого силикат- ного минерала состав содержит пирофиллит 4. Электроды с покрытием этого состава обеспечивают гарантированные характеристики механических свойств наплавленного металла и технологичны в изготовлении из- за высокой пластичности обмазочной массы ввиду наличия пирофиллита - слоистого силиката.

Однако вследствие большого количества SIO2, содержащегося в пирофиллите (66,7%), сварочный шлак обладает повышенной жидкотекучестью, что затрудняет проведение сварки на вертикали и в потолке. Особенно это проявляется при завышении значения коэффициента массы покрытия электрода, что нередко бывает при несвоевременной замене износившейся калибрующей втулки при нанесении обмазочной массы на электродную проволоку.

Из-за присутствия в пирофиллите А120з до 29% такое относительно толстое покрытие тугоплавко и глубина втулки покрытия на электроде достигает иногда 5-7 мм, что приводит к нестабильному горению дуги.

Особенно усложняются условия сварки

при проведении ее в положениях, отличных

от нижнего. В этом случае поддержание стабильности горения дуги путем увеличения

сварочного тока становится нецелесообразкым, так как возрастающий при этом размер

сварочной ванны ведет к стеканию шлака и

в результате к плохому формированию шва

и зашлаковкам.

Цель изобретения - повышение свароч- но-технологических свойств при сварке в положениях, отличных от нижнего.

Поставленная цель достигается за счет того, что в составе электродного покрытия, преимущественно для сварки низкоуглеро- дистых и низколегированных сталей, содержащем карбонат металла, компонент, включающий оксид титана, ферромарганец, целлюлозу, а также слоистый силикатный минерал, в качестве последнего введен кон- центрат флогопитовый при следующем соотношении компонентов, мас,%:

Компонент, содержащий

оксид титана35-55

Карбонат металла5-20

Ферромарганец10-15

Целлюлоза1-3

Концентрат флогопитовый8-35,

при этом концентрат флогопитовый содержащий следующие компоненты, мас.%:

Оксид кремния37,0-42,0

Оксид алюминия11,0-17,0

Оксиды металлов

группы II А18,5-24,0

Оксиды щелочного

металла6,0-12,0

Железо в пересчете на

оксид железа (Ml)5,5-7,0

Сера в пересчете

наЗОз0,04-0,1

Фосфор в пересчете

на P20s0,05-0,1

Гигроскопическая

влага1,0-3,0

Посторонние примеси

минерального происхождения1,0-7,0

Кроме того, состав может дополнительно содержать железный порошок в количестве 12-20 мае. %.

Разработан процесс получения концентрата флогопитового указанного состава для сварочных материалов из природного флогопита, включающий в себя, в частности, очистку его от апатита, содержание в котором PaOs составляет около 40%. Концентрат флогопитовый представляет собой продукт переработки природного минерала флогопита, являющегося листовой (слоистой) магнезиальной слюдой из подгруппы магниево-железистых слюд, химической формулы КМдз 51зАЮю Р, или К20 -6МдО-А 20з -6SI02-H20.

Однако на практике химический состав минералов группы слюд весьма изменчив, поскольку в них широко распространены явления замены одних катионов другими (явление изоморфизма). В результате устанавливаются широкие изоморфные смеси, в

г , V-t Ч- Ч4которых Мд заменяется Fe , AI -Fe . Кроме того, существуют и гетерова- лентные изоморфные замещения типа Mg2+(Fe24) - AI3+(Fe34) и др. Поэтому в концентрате всегда присутствует некоторая доля примесей (FeO, ВаО, СаО, МааО, Рв20з, МпО, Сг20з, ТЮ2 и некоторые другие).

По результатам многочисленных анализов флогопита разных месторождений колебание в составе флогопита для основных инградиентов составляет, мас.%: 5Ю2 36,84-45,05; АЬгОз 10,87-17,0; МдО 18,5- 29,38; СаО 0-1,70; FeO 0,11-7,62; Fe203 0,16-3,06; К20 6,0-10,32; Na20 0,03-2,16; F 0-6,0; НзО 0,38-5,42; 50з 0,07-0,34; P20s 0,5-3,1.

Предлагаемый состав флогопитового концентрата для использования в сварочных материалах имеет значительно суженные границы по содержанию ряда окислов (SIO, МдО, Ре20з) по сравнению с колебаниями составов природных флогопитов. Некоторые близкие по свойствам окислы, содержащиеся в флогопите, объединены, это оксиды металлов группы II А(Мд04СэО), ок- 5 сиды железа (FeO и Рв20з) и оксиды щелочного металла (Ka04Na20). Целесообразность объединения заключается в том, что один из окислов значительно по массе преобладает над другим.

0Ввиду того, что в составе флогопитового

концентрата содержится до 7,0 мас.% примесей минерального происхождения, многие примесные окислы, содержащие в малом количестве (ТЮ2, ВаО, МпО, .Р

5 и др.) и не оказывающие вообще отрицательного влияния на сварочно-технологиче- ские свойства электродного покрытия, в составе конкретно не оговорены.

Поскольку содержание вредных приме0 сей (P20s: 50з) в составе ограничено до 0,1 % каждого, они не оказывают существенного влияния на свойства предложенного электродного покрытия во всем диапазоне составов. То же самое относится к содержа5 нию оксидов щелочного металла (K20+N320) и Fe203, поскольку уже минимальное содержание (6,0 мас.%) оксидов щелочного металла обеспечивает хорошую стабильность горения дуги, а с повышением их со0 держания она только улучшается, причем диапазон изменения Fe20s (1,5%) несущественно влияет как на сварочно-тех- нологические свойства покрытия, так и на механические характеристики металла шва.

5Благодаря тому, что содержание кислотного оксида 5Ю2 в концентрате флого- питовом более чем в 1,5 раза ниже, чем в пирофиллите, содержание одного из оксидов металла группы ПА-основного окисла

0 МдО достигает 22 мас.% (в пирофиллите его нет), а содержание амфотерного окисла в два раза ниже, основность получаемого короткого шлака составляет/ 0,8. Температурный интервал обезвожива5 ния на 200°С выше у концентрата флогопитового, чем у пирофиллита, а его удельное объемное и поверхностное электросопротивление соответственно на порядок ниже, что обеспечивает лучшие условия защиты

0 расплавленного металла от воздушной атмосферы и более легкое возбуждение сварочной дуги. В то же время огнеупорность флогопита на 300-400°С ниже, чем у пирофиллита.

5 Цена концентрата флогопитового с особыми для производства сварочных материалов требованиями по калькуляции затрат в зависимости от степени очистки на 10-30% ниже цены концентрата мусковитового.

Для экспериментальной проверки предлагаемого состава электродного покрытия было приготовлено шесть составов покрытий, приведенных в табл. 1.

В качестве слоистого силиката применен концентрат флогопитовый, играющий роль одновременно шлакообраэующего и стабилизатора дуги при сварке, а также пластификатора при опрессовке электродов.

При проведении проверки использовали концентрат флогопитовый следующего состава, мас,%: оксид кремния 39,3; оксид алюминия 14,6; оксиды металлов группы НА (МдО+СаО) 22,4; оксид железа 5,7; оксиды щелочных металлов (K20+Na20) 9,8; оксид фосфора 0,08; оксид серы (5Оз) 0,04; гигроскопическая влага 1,8 и посторонние примеси минерального происхождения 6,28.

Компонент, содержащий оксид титана, вводится в виде рутилового или ильменито- вого концентрата, карбонат металла - в виде мрамора или магнезита. По обычной технологии методом опрессовки покрытие наносят на стержни из низкоуглеродистой проволоки диаметром 3 мм марки Св08. Коэффициент массы покрытия составляет Км.п 28-34%.

В качестве связующего использовано жидкое калиево-натриевое стекло модулем 2,85-3,05 и плотностью 1,44-1,46г/см . При опрессовке отмечены высокая пластичность обмазочной массы и хороший внешний вид покрытия, его высокая технологичность в изготовлении.

Для определения механических свойств сварного соединения и сварочно-технологи- ческих свойств электродов с указанными составами покрытия выполнена сварка пластин из стали в Ст 3 сп толщиной 14 мм на соответствующих диаметру электрода режимах. Оценку сварочно-технологических характеристик при сварке проводили по ГОСТу, а также методом экспертной оценки. В табл. 1 дана суммарная оценка по пятибалльной системе.

Из табл. 1 следует, что оптимальные показания сварочно-технологических характе- ристик, глубины втулки покрытия при удовлетворительных механических характеристик достигнуто при введении в состав покрытия концентрата флогопитового в пределах 10-30%. Отмечаются легкость возбуждения дуги и высокая стабильность ее горения во всех пространственных положениях. Наблюдается хорошее формирование шлака, так как из-за пониженного содержания оксида кремния в концентрате флогопитовом (менее 45%) шлак менее жид- котекуч, более вязок.

При снижении количества концентрата флогопитового против указанного нарушается стабильность горения дуги из-за прилипания электрода. Это приводит к

затруднениям в формировании сварочной ванны, особенно при сварке в потолке, Кроме того, возникают значительные затруднения при опрессовке покрытия ввиду малой пластичности обмазочной массы.

0 При увеличении концентрата флогопитового сверх 30% наблюдается увеличение длины втулки покрытия ввиду повышения ее тугоплавкости, что ухудшает сварочно-тех- нологические характеристики электродов,

5 падает ударная вязкость, особенно при - 20°С. В шестой партии из-за обрывов дуги и зашлаковки не удалось получить качественный образец для механических испытаний. В табл. 2 приведены данные об испыта0 нии составов покрытий с граничным и опти- мальными содержаниями основных компонентов концентрата флогопитового, при этом количество концентрата флогопитового в составе покрытия взято на трех

5 уровнях: минимальном (10 мас.%), среднем (20 мас.%) и максимальном(30 мае.%). Количество остальных компонентов в составах покрытий соответствует партиям 2, 3, 4. Так как наибольшее влияние на свойст0 ва электродного покрытия оказывают три основных окисла концентрата флогопитового: SI02, и (MgO+СаО), то в отношении их и проводились исследования Нижний уровень содержания этих основных трех

5 окислов в концентрате флогопитовом для продукта основного месторождения после его очистки от примесей равен для1 SI02 37%, А120з 11 % и (МдО+СаО) 18,5%.

Ввиду практической невозможности

0 получения природного продукта с таким одновременным содержанием основных окислов, комбинируя различные методы обогащения в лабораторных условиях, получены три продукта, в каждом из которых

5 содержание одного из указанных трех окислов доведено до минимального содержания. Добавляя затем в полученные продукты в виде порошков высокой степени чистоты кварцевый песок (ЗЮг), промышленную

0 окись алюминия () и периклаз спеченный (МдО) получали разные уровни их содержания в концентрате, входящем в состав покрытия экспериментальных партий,

Как видно из табл. 2,оптимальные по5 казания сварочно-технологических характеристик достигаются при указанных пределах основных составляющих концентрата флогопитового.

При увеличении содержания оксида кремния сверх указанного предела отмечено снижение сварочно-технологических свойств экспериментальных партий электродов, особенно при сварке на вертикали и в потолке.

Повышенное содержание оксида алюминия также неудовлетворительно сказывается на сварочно-технологических свойствах электродов, повышая, с одной стороны, тугоплавкость, покрытия и в то же время повышая жид коте кучесть шлака, что особенно заметно при сварке в потолке.

С возрастанием содержания в флогопи- товом концентрате суммы окислов кальция и магния происходит одновременное повышение тугоплавкости покрытия (втулка рас- тет) и снижается, особенно при нижнем уровне содержания концентрата в покрытии, технологичность нанесения покрытия при опрессовке.

Формулаизобретения

1. Состав электродного покрытия преимущественно для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, содержащий карбонат металла, компонент, включающий оксид титана, ферромарганец, целлюлозу, а также слоистый силикатный минерал, отличающийся тем, что, с целью повышения сварочно-технологических свойств при сварке в положениях, отличных от нижнего, в качестве слоистого силикатного минерала введен концентрат

флогопитовый, при следующемсоотношнии компонентов, мас.%: Компонент, содержащий оксид титана35-55 Карбонат металла5-20 Ферромарганец10-15 Целлюлоза1-3 Концентрат флогопитовый8-35,

при этом концентрат флогопитовый содежит следующие компоненты, мас.%:

Оксид кремния37,0-42,0

Оксид алюминия11,0-17,0

Оксиды металлов

группы ПА18,5-24,0

Оксиды щелочного

металла6,0-12,0

Железо в пересчете

на оксид железа (III) 5,5-7,0

Сера в пересчете

на ЗОз0,04-0,1

Фосфор в пересчете

на P20s0,05-0,1

Гигроскопическая

влага1,0-3,0

Посторонние примеси минеральногопроисхождения 1,0-7,0.

2. Состав по п. 1,отличающийс тем, что он дополнительно содержит желеный порошок в количестве 12-20 мас.%.

Изобретение относится к сварке и может быть использовано при изготовлении электродов для малоуглеродистых и низколегированных сталей во всех пространственных положениях. Целью изобретения является повышение сварочно-технологиче- ских свойств (стабильность горения дуги, формирование шва, глубина втулки покрытия и т. д.) при сварке в положениях, отличных от нижнего. Для этого в качестве слоистого силикатного минерала в состав покрытия введен концентрат флогопито- вый, который получен из природного флогопита, в частности, путем очистки от апатита и является листовой (слоистой) магнезиальной слюдой из подгруппы магниево-желези- стых слюд. В составе покрытия компоненты находятся при следующем соотношении, мае. %: компонент, содержащий оксид титана 35-55; карбонат металла 5-20; ферромарганец 10-15; целлюлоза 1-3,.концентрат флогопитовый 8-35. Кроме того, состав может содержать 12-20 мае. % железного порошка. 1 з. п. ф-лы, 2 табл. Чя Ј

20 С -20 С

Глубина втулки покрытия, им

Суммарная оценка сварочно-техмологм- «ских характеристик при сварке:

на вертикале в потолке

Таблица 1

132-1 18135-161133-206US-1671Ы.-175 Ul-lS

137 iMiSJT5T ГО.ТГ

3 1-5362-31Ц-52 9-6l35- |6

«,

ХОР.

Отл. Хор.

Отл.

х5рТ

Уд.Неуд.

Неуд. . Кеуд.

f