Электрод для дуговых процессов в окислительных средах Советский патент 1992 года по МПК B23K35/32 

Изобретение относится к дуговым процессам в окислительных газовых средах и может быть использовано в воздушно-дуговой обработке токопроводящих материалов - воздушно-дуговой резке металлов и сплавов,

Известны электроды для воздушно-дуговой обработки(резки) металлов и сплавов изготовленные из графита марок ЭГОО-ТУ 48-12-52-88, ЭГО-ТУ 48-12-52- 88, МГП-6- ТУ-48-20-51-74, АРВ-1-ТУ-48-20- 86-76 а также графита по прототипу посредством механической обработки до придания требуемых формы и размеров

Известны электроды, получаемые методом прессования (выдавливания) до необходимых формы и размегюв по общепринятой технологии получения графитовых изделий материалов, которые содержат 7-25% связующего вещества остальное графитовая основа.

Связующими материалами для этих изделий обычно являкг ся органические и синтетические материалы (полимеры) пеки

каменноугольные и нефтяные пульвербаке- лит фенольные смолы фурановые смолы кремнийорганические связующие (смолы с селиконовой связью) и др

В зависимости от физических и химических свойств связующих веществ и материалов графитовой основы осуществляются технологические процессы формирования нормализованных и специальных марок графита с заданными физическими и химическими свойствами

Недостатками графитовых материалов используемых для изготовления электродов воздушно-дуговой обработки являются низкое сопротивление окислению при температурах горения электрической дуги низкие электроэрозионная стойкость и механические характеристики (прочность на растяжение изгиб ударная вязкость)

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является материал электрода- инструмента состоящий мае %

СП

с

VJ

CJ

ел

00

Кремнийорганическая

смола7-25

Искусственный

графитОстальное

получаемый горячим прессованием при С и давлении 125-150 кгс/см2 с последующей термообработкой при 850- 1280° в течение 2 мин,

Недостатками данного материала являются низкая стойкость в окислительной среде при 2000-3000° С, низкие электроэрозионная стойкость и механические свойства (прочность на растяжение, изгиб, ударная вязкость). Это объясняется свойствами основного составляющего - искусственного графита. Обладая большой реакционной способностью обожженные углеродные материалы, к которым относится и искусственный графит, легко вступают в реакцию с кислородом воздуха и окислами металлов при температуре горения дуги, этим объясняется низкая стойкость в окислительной среде.

Низкая электрозрозионная стойкость объясняется как физическими свойствами графита, так и кинетикой реакций с химическими элементами самого электрода и элементами окружающей среды, так как концентрация реакционно-способного материала велика (графитовая основа), а результаты реакции зависят от концентрации реагирующих веществ и температуры протекания реакций. Так как молекулярная масса элементарного звена фенол-кремний- органической смолы равна 275, а атомная масса кремния равна 14. то в смоле ее содержится 5%, оптимальное содержание смолы в графите 15%, а массовая доля кремния в материале электрода 0,75%.

Учитывая равномерное распределение связующей смолы в объеме электрода и низкое процентное содержание в нем кремния (не более 1 %), можно утверждать, что кремний в малых количествах не оказывает существенного влияния на стойкость электрода в окислительной среде, так как 1 % кремния, содержащегося в материале электрода связывается с 1% имеющегося в нем углерода, остальные 98% углерода разлагаются под действием электродуги в окись, двуокись углерода в струе сжатого воздуха, этим объясняется низкая стойкость противоокисле- ния электродов в окислительной среде.

Целью изобретения является повышение стойкости электрода в процессе воздушно-дуговой обработки в окислительной среде при температурах горения электрической дуги, повышение электроэрозионной стойкости, повышение физико-механических свойств путем обработки электродов

из искусственного графита в среде расплавленного кремния силицирования.

Поставленная цель достигается тем, что электрод для дуговых процессов в окислительных средах, содержащий графит, дополнительно содержит, мас.%:

Карбид кремния38-71

Кремний4-10

ГрафитОстальное

0 Электрод для дуговых процессов в окислительных средах может быть получен из любых марок графита с пористостью 15- 40%, изготовленных как путем механической обработки, так и прессованием,

5 выдавливанием, с последующей обработкой в расплавленном кремнии - силициро- ванием. Процесс силицирования осуществляется погружением электродов в расплавленный кремний при 1550-2000° С в защит0 ной среде (азот, аргон, вакуум). Для силицирования применяется чистый кремний марки КрОО, КрО или модифицированный цирконием, титаном, молибденом или другими редкоземельными металлами

5 кремний.

В процессе пропитки графита кремнием образуется трехфазная структура, состоящая из карбида кремния, кремния и углерода.

0 Процентное соотношение фаз зависит от материала электрода, пористости, времени пропитки в кремнии, температуры расплава и т.д. Электроэрозионная стойкость, стойкость в окислительной среде при темпе5 ратуре горения электродуги, механические свойства и электропроводность зависят от соотношения фаз SiC, Si, С в графите после его силицирования.

В табл. 1 приведены результаты испыта0 ний до силицирования, в табл. 2 - то же, после силицирования (материал пропитки - чистый кремний КрОО, температура пропитки 1800-1850° С, время пропитки 45-60 с). Проведенные испытания показали, что

5 наиболее отвечают требованиям стойкости в окислительной среде при температуре горения электродуги, электроэрозионной стойкости и механическим свойствам электроды для воздушно-дуговой обработки (рез0 ки), полученные путем силицирования из электродных и конструкционных графитов с пористостью 15 40%.

При силицировании графитов с пористостью 50% и более резко снижается элек5 тропроводность из-за увеличения процентного соотношения фаз SiC и Si и уменьшения графитной фазы (фазы и являются полупроводниками).

Однако, учитывая наличие графитного каркаса, заполненного хаотически расположенными монокристаллами фаз SiC и Si в силицированном графите, и наличие примесей, они незначительно увеличивают свое электросопротивление в интервале пористости 15-40% (табл. 1 и 2). Незначительное увеличение электросопротивления силици- рованного графита позволяет использовать его в качестве электрода для воздушно-дуговой обработки(резки) металлов и сплавов. Повышение стойкости силицированных электродов в окислительной среде объясняется как наличием в самом материале электрода фаз SiC, Si. так и протеканием термохимических реакций, происходящих в рабочей зоне электродуги, при интенсивной подаче в зону дуги струи воздуха под давлением до 7 атм. Под действием интенсивной по дачи воздуха в зону горения электрической дуги, кроме механического удаления (разбрызгивания)расплавленного металла, происходят следующие термохимические реакции кислорода воздуха с обрабатываемым металлом, с компонентами самого электрода, а также и взаимодействие азота, содержащегося в воздухе, с компонентами электрода с образованием инертных тугоплавких соединений: 2Ме+02 2МеО; С+02 С02; Si+02 ;. Si02: 3Si+2N2 Si3N4;

Si+C

SiC.

В результате протекания термохимических реакций в зоне электродуги и на поверхности электрода образуются тугоплавкие, инертные материалы, свободные углерод и кремний в электроде взаимодействуют с образованием SiC пл 2830° С), вследствие этого резко падает реакционная способность углерода в материале электрода. Поступающий кислород воздуха связывается с обрабатываемым металлом, углеродом, кремнием, образует тугоплавкие окислы, азот также реагирует с Si. образуя нитрид кремния SiaN4 (температура возгонки 1900° С). Все это ведет к повышению стойкости электрода, Кроме этого, подача струи воздуха в зону резки охлаждает рабочую зону горящей дуги, что также способствует повышению стойкости электрода.

Высокие механические и электроэрозионные свойства и стойкость при температуре горения дуги в окислительных средах силицированного графита объясняются наличием и взаимодействием всех трех фаз, содержащихся в электроде: графит - обеспечивает требуемую электропроводность при больших значениях тока, достигающих 500-600 А (за счет наличия графитового каркаса), прочность при горении дуги повышается, так как с повышением температуры прочность графита возрастает и достигает максимума при 2400° С; карбид кремния - ввиду своих физических, химических и механических свойств (твердость, близкая к твердости алмаза, износостойкость, термохимическая стойкость в окислительной среде при температуре горения дуги); кремний - которого в силицированном графите значительно меньше, чем SiC и С, находится в рабочей зоне дуги в расплавленном состоянии и в виде паров, удерживается в зоне горения дуги в порах материала электрода, капилляра за счет сил адгезии и капиллярных сил и является реагентом - наполнителем обратимых реакций термодиссоциации:

20

SiC Ч Si+C;

2Si+02 V- Si02;

3Si+2N2t ;r--- SiaN

Все соединения, образующиеся в процессе горения электродуги, являются по всей природе инертными. Избыток кислорода воздуха (окислители), поступающего в зону горения, нейтрализуется за счет содержащегося в материале электрода несвязанного кремния с образованием инертного соединения Si02 с т.пл. 1718° С, которое находится в зоне горения дуги в жидком состоянии на поверхности электрода, предотвращает тем самым интенсивное взаимодействие углерода с кислородом воздуха, а в самой электррдуге происходит термодиссоциация Si02 TSi+02, при которой кремний может связаться как с углеродом с образованием SiC, так и с кислородом и азотом, образуя те же инертные в окислительной среде соединения типа Si02, SiaN4

и т.д. Таким образом несвязанный химически кремний позволяет связать кислород воздуха и тем самым способствует повышению срока службы электрода в окислительных средах.

Из графита различных марок, приведенных в табл. 1 и 2, были изготовлены два компонента электродов с прямоугольным сечением размера а х b х х 16 х 360 мм и круглые )- 15 мм, длиной 360 мм. Один комплект заготовок оставили на контроль, другой комплект поместили в тигель с расплавленным кремнием марки КрОО, находящийся под защитой атмосферы азота. Заготовки выдерживались в расплаве кремния при

1800-1850° С в течение 0,7-2 мин. Затем брали поочередно контрольный электрод из первого комплекта и силицированный электрод из второго комплек. Далее проводили воздушно-дуговую резку металла (лист ст. 3 толщиной 5 мм) с помощЪго электрода

из контрольного комплекта, затем электрд- да силицированного, определяли потерю веса электродов и фиксировалось время проведения резки. При резке металла при помощи контрольной партии электродов потеря массы электрода за 2 мин составило 30-40,3%, т.е. электрод за 2 мин сгорел на 1/3 длины и более.

При резке того же металла с помощью силицированных электродов потеря массы за 30 мин непрерывной работы составила от 0,86% у графита марки ЭЭПГ(ТУ-48-20 51 - 74) до 1,22% у графита марки ЭГО (ТУ 48 12-52-88).

Проанализировав данные табл. 1 и 2, можно сделать следующие выводы: графитовые материалы с пористостью 5-40% при силицировании в защитной среде повышают стойкость в окислительной среде и электроэрозионную стойкость в 100-120 раз при подаче воздуха со скоростью 40 м/с и t 2000° С за счет наличия в составе электрода компонентов мае %

0

5

0

SiC38-71

Si4-10

СОстальное

Механические свойства возрастают до 50%, удельное электросопротивление в среднем на 20%.

Использование изобретения позволяет снизить расход электродов для воздушно- дуговой обработки в 100 раз.

Формула изобретения

Электрод дня дуговых процессов в окислительных средах, содержащий графит, о т- личающийся тем, что, с целью повышения стойкости преимущественно при воздушно-дуговой обработке, электрод дополнительно содержит карбид кремния и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбид кремния38-71

Кремний4 10

ГрафитОстальное

Использование при воздушно-дуговой резке токопроводящих материалов Электрод для дуговых процессов в окислительных средах, содержащий в своем составе графит дополнительно содержит, мае % карбид кремния 38-71, кремний 4-10, графит остальное 2 табл

(8-12

- 6 )8-20

- 1 8-20 1-72

0-51-71(

50

20-86-76

ит по .св. 520

Лульвер-баке- лит 151,остальное - графитовая основа

Пульверба- келит 15-183, остальное - мелкодисперсная графитовая основа

Смола ВИАМ-Б 5Ј, остальное - графитовая основа

Лульеербаке- шт 15-181, остальное - мелкодисперсная графитовая основа

Пульвербаке- лит 15-201, остальное - мелкодисперсная графитовая основа

Фенольнокрем- нийорганичес- кая смола 15%, остальное - искусственный графит (из МПГ-6)

1,78 1,53 26,0

2,00 1,72 16,3

2,01(6 1,71 15,1(

2,045 1,73 15,6

Z,21 1,86 15,0

1,96 1,70 16,2

Т а

лица 1

1,78 1,53 26,0

801(0162

2,00 1,72 16,3

1(8,6 200

2,01(6 1,71 15,1(

8,1) 50206

97,8 1,9,2 198,2

99, 51,2 207,5

89,5 AM 90,1

эго

ТУ 1(8-12

10,2 Воздух

20оо°:

«ПГ - 6 ТУ 48-20

10,7

АРВ - 115,6 - -400,033 32,4 - -8x16x360 5800

ТУ 48-20 11-72

ЭЭПГ12,2 Воздух 400,033 3,9 Прессе- в 15хЗбО7860

ТУ20004вачие

1(8-20-51-7((12 ИПа)

ПГ-5011,9 ,033 30,0 Обработ- 8х бх360 6200

ТУка реза48-20-86-76чиием

Графит по И,8 .св.

1037520

Продолжение табл. 1.

40

0,033 40,}

«(15x360 600

40

0,033 28,8 - 8x16x360 7600

40 0,033 33,1 Прессе- (115x360 8000

ваниеперера(12 МПа)ботка

МП Г-6