Покрытие электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей
Изобретение может быть использовано для электродуговой сварки изделий из углеродистых и низколегированных сталей. Покрытие электрода содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: мрамор 20-45, плавиковый шпат 2-18, ферросилиций 5,5-8,0, ферромарганец 6,0-8,5, минеральный сплав 22-48. Минеральный сплав включает компоненты в следующем соотношении, мас.%: нефелиновый концентрат 10-52, сфеновый концентрат 5-55, мрамор 17-35, плавиковый шпат 13-22. Минеральный сплав может дополнительно включать один или более компонентов, выбранных из группы, содержащей кварц, глинозем, диоксид титана, периклаз и поташ, в количестве 6,9-40,0 мас.% сверх 100%. Электродное покрытие позволяет обеспечить содержание водорода в наплавленном металле 0,2-0,9 см3/100 г, повысить относительное удлинение до 33% и сопротивление разрыву до 620 МПа при обеспечении величины работы удара 40-75 Дж при -60°С, а также повысить устойчивость дуги при сварке. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.
Реферат
Настоящее изобретение относится к области сварочных материалов, в частности к составу покрытий сварочных электродов, и может быть использовано для электродуговой сварки изделий из углеродистых и низколегированных сталей.
В настоящее время при производстве сварочных электродов остро ощущается потребность в минеральных компонентах покрытий, обеспечивающих качественное формирование сварного шва, интенсивное удаление газовых и шлаковых включений, а также повышение прочности металла шва и хладостойкости, которые могут быть достигнуты при уменьшении размера зерен наплавляемого металла. Использование в качестве минеральных компонентов покрытий относительно доступных и дешевых продуктов и отходов обогащения минерального сырья, в частности нефелинового и сфенового концентратов, способствует снижению стоимости покрытий и уровня дефицитности сырья. Однако при введении в состав покрытий электродов нефелинового и сфенового концентратов совместно с жидким стеклом возникает проблема пористости в наплавляемом металле. Образующиеся при взаимодействии компонентов этих концентратов с жидким стеклом продукты гидролиза - гидроксиды и оксигидроксиды, сохраняются в покрытии до его расплавления при сварке, оказывая существенное влияние на качество наплавленного металла. Так, гидроксиды кальция и алюминия, непосредственно участвующие в сварочном процессе, являются источником диффузионно-подвижного водорода, вызывающего появление пор в наплавленном металле и снижающего хладостойкость металла шва. Для исключения этих отрицательных факторов нефелиновый и сфеновый концентраты необходимо перевести в такое состояние, которое исключает образование гидроксидов и оксигидроксидов.
Известно покрытие электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей (см. авт. свид. 1657321 СССР, МКИ5 В23К 35/362, 1991), включающее, мас.%: плавиковый шпат 22-40, ферротитан 3-10, ферромарганец 1-5, железный порошок 25-50, сфен 2-7, пылевидные отходы металлургического производства 1,0-5,0 и мрамор - остальное. Получаемый при сварке металл шва имеет содержание водорода 4,7-7,3 см3/100 г, относительное удлинение 24-30%, ударную вязкость 226,6-246,3 Дж/см2 при 20°С, сопротивление разрыву 558,6-568,4 МПа.
Недостатком данного покрытия является относительно высокое содержание водорода в металле шва, что понижает прочностные свойства наплавленного металла и снижает его хладостойкость, а также недостаточно высокая устойчивость дуги при сварке, обусловленная низким содержанием ионизаторов в виде соединений калия, рубидия и галлия. Ограниченное содержание в электродном покрытии легирующих соединений, в частности ниобия и РЗЭ, приводит к укрупнению зерен металла шва и снижению прочности металла, в частности при пониженных температурах.
Известно также принятое в качестве прототипа покрытие электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей (см. авт. свид. 1066766 СССР, МКИ5 В23К 35/365, 1984), включающее, мас.%: мрамор 43-49, плавиковый шпат 14-19, ферротитан 10-15, ферросилиций 1,5-4,0, ферромарганец 1,5-5,0, кремнезем 2-3, магнезит обожженный 3-7 и нефелин 1,5-5,0. Электродное покрытие может дополнительно содержать хром 2-4% и молибден 2-4%. Получаемый при сварке металл шва имеет относительное удлинение 22-30%, ударную вязкость 9-38 кгс·м/см2, сопротивление разрыву 48-65 кгс/мм2 (470,4-637 МПа).
К недостаткам известного электродного покрытия следует отнести наличие в составе покрытия химически активных компонентов в виде ферротитана, а также плавикового шпата и нефелина, не подвергнутых специальной обработке. Следствием этого является повышенное содержание водорода в наплавленном металле шва и соответственно его повышенная пористость, а также недостаточно высокая устойчивость дуги при сварке, обусловленная малым количеством калия, рубидия и галлия, вводимых с нефелином. Отсутствие в электродном покрытии легирующих соединений ниобия и РЗЭ обусловливает пониженную ударную вязкость металла шва, которая будет еще ниже при отрицательных температурах.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении сварочно-технологических характеристик электродного покрытия и сварного шва за счет снижения химической активности компонентов покрытия и уменьшения содержания водорода в наплавленном металле шва при обеспечении повышеннной ударной вязкости при отрицательных температурах, а также в увеличении устойчивости дуги при сварке.
Технический результат достигается тем, что покрытие электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей, включающее мрамор, плавиковый шпат, ферросилиций, ферромарганец и нефелиновый концентрат, согласно изобретению дополнительно содержит сфеновый концентрат, причем нефелиновый концентрат, сфеновый концентрат, а также часть мрамора и плавикового шпата покрытие содержит в виде минерального сплава, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
мрамор | 20-45 |
плавиковый шпат | 2-18 |
ферросилиций | 5,5-8,0 |
ферромарганец | 6,0-8,5 |
минеральный сплав | 22-48, |
при этом минеральный сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
нефелиновый концентрат | 10-52 |
сфеновый концентрат | 5-55 |
мрамор | 17-35 |
плавиковый шпат | 13-22. |
Достижению технического результата способствует то, что минеральный сплав дополнительно включает один или более компонентов, выбранных из группы, содержащей кварц, глинозем, диоксид титана, периклаз, поташ, в количестве 6,9-40,0 мас.% сверх 100%.
Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.
Введение сфенового концентрата в состав электродного покрытия приводит к уменьшению размера зерен кристаллизующегося металла и, следовательно, повышению прочности металла шва, а также благоприятно отражается на сварочно-технологических свойствах электродов и способствует повышению устойчивости дуги. Введение со сфеновым концентратом легирующих добавок в виде соединений ниобия и РЗЭ приводит к повышению ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах.
Сфеновый концентрат в сочетании с нефелиновым способствуют улучшению формирования наплавляемого металла шва. Совместное присутствие сфенового и нефелинового концентратов, мрамора и плавикового шпата в виде минерального сплава в количестве 22-48 мас.% в составе электродного покрытия позволяет повысить сварочно-технологические свойства, в том числе устойчивость дуги при сварке, исключает химическое взаимодействие компонентов минерального сплава с жидким стеклом и образование, в частности, термостойких гидроксидов кальция и алюминия. Последние затрудняют отделимость шлаковой корки от металла шва, повышают гигроскопичность электродного покрытия, образование пор в наплавленном металле и шлаке и являются источником диффузионно-подвижного водорода, определяющего свойства металла шва. Кроме того, данный состав минерального сплава способствует повышению прочности и пластичности металла шва, в том числе при отрицательных температурах.
Введение минерального сплава в количестве менее 22 мас.% приводит к уменьшению его положительного влияния на сварочно-технологические свойства покрытия, повышению содержания в покрытии соединений, активно реагирующих с жидким стеклом с образованием гидроксидов и оксигидроксидов кальция и алюминия, уменьшению содержания в покрытии вводимых с минеральным сплавом ионизирующих и легирующих добавок и снижению рабочих характеристик металла шва. Введение минерального сплава в количестве более 48 мас.% приводит к снижению содержания других регламентированных компонентов покрытия, в частности ферромарганца и ферросилиция, благоприятно влияющих на сварочно-технологические характеристики металла шва.
Введение в состав покрытия части мрамора, являющегося газошлакообразующим компонентом, в количестве 20-45 мас.% обеспечивает требуемую защиту наплавляемого металла от азота воздуха, ограничивает окисление металла во время сварки. При содержании в покрытии мрамора менее 28% возможно введение в состав покрытия сырого магнезита для компенсации снижения содержания углекислого газа в атмосфере дуги.
Плавиковый шпат в составе покрытия в количестве 2-18 мас.% в совокупности с плавиковым шпатом в минеральном сплаве обеспечивает отсутствие пор в металле шва за счет взаимодействия фтористого кальция с кремнеземом с образованием SiF4, способствующего удалению воды, в том числе в виде гидроксильных групп. Взаимодействие начинается при температуре более 600°С, интенсивно протекая при температурах выше 870°С.
Введение в покрытие ферросилиция в количестве 5,5-8,0 мас.% и ферромарганца в количестве 6,0-8,5 мас.% обеспечивает требуемый состав металла шва по содержанию марганца и кремния. Ферросилиций и ферромарганец в составе покрытия выполняют также функцию раскислителей наплавляемого металла. В результате достигаются хорошие механические свойства наплавленного металла, в том числе при отрицательных температурах.
Содержание в минеральном сплаве нефелинового концентрата в количестве 10-52 мас.% позволяет создать оптимальную концентрацию соединений калия, рубидия, цезия и галлия, а также оксида алюминия в составе минерального сплава электродного покрытия. Количество Аl2О3 в покрытии при этом составляет 5-12 мас.%.
Содержание 5-55 мас.% сфенового концентрата в составе минерального сплава обусловлено необходимостью введения в состав покрытия требуемого количества диоксида титана, стабилизирующего процесс сварки, а также таких легирующих компонентов, как соединения ниобия и РЗЭ, которые способствуют уменьшению размера зерен наплавленного металла, улучшению его формирования и повышению рабочих характеристик металла шва. Повышение содержания сфенового концентрата свыше 55 мас.% приводит к увеличению неметаллических включений в металле сварных швов и, соответственно, к ухудшению их рабочих характеристик.
Вышеуказанное содержание нефелинового и сфенового концентратов обеспечивает присутствие в составе минерального сплава оксидов калия, рубидия, цезия, галлия, ниобия и РЗЭ в количестве, мас.%: К2О 1,0-5,0, Rb2O 0,004-0,02, Cs2O до 0,005, Ga2O3 до 0,01, Nb2O5 0,01-0,32 и Ln2O3 до 0,44.
Введение части мрамора в состав шихты минерального сплава в количестве 17-35 мас.% позволяет связать компоненты, входящие в состав нефелина и сфена в малоактивные соединения, не взаимодействующие с жидким стеклом, и стабилизировать физические свойства сплава. При этом количество СаСО3 в покрытии составляет не менее 28%.
Содержание в минеральном сплаве плавикового шпата, который является флюсующим компонентом, в количестве 13-22 мас.% позволяет предохранить наплавляемый металл от воздействия внешней среды, изменять температуру плавления и другие физические свойства минерального сплава.
Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в повышении сварочно-технологических характеристик электродного покрытия и сварного шва при одновременном увеличении устойчивости дуги за счет снижения химической активности компонентов покрытия, снижения уровня диффузионно-подвижного водорода в наплавленном металле, уменьшения пористости сварного шва и обеспечения повышенной ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах.
В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие исходные компоненты минерального сплава и их количественные соотношения.
Присутствие в составе минерального сплава дополнительно одного или более компонентов, выбранных из группы, содержащей кварц, глинозем, диоксид титана, периклаз, поташ, в количестве 6,9-40,0 мас.% сверх 100% позволяет регулировать в более широком диапазоне состав шлаковых композиций и температурные интервалы их плавления.
Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют получить оптимальный состав электродного покрытия с точки зрения обеспечения высоких сварочно-технологических характеристик покрытия и рабочих характеристик сварного шва.
При осуществлении изобретения вначале готовят минеральный сплав. Исходные компоненты сплава: нефелиновый и сфеновый концентраты, полученные из руд Хибинского месторождения в виде мелкодисперсных концентратов и имеющие химический состав, приведенный в Таблице 1, используют в состоянии поставки. Мрамор и кусковой плавиковый шпат предварительно измельчают до крупности частиц менее 0,3 мм. Компоненты шихты минерального сплава смешивают согласно принятому соотношению, мас.%: нефелиновый концентрат 10-52, сфеновый концентрат 5-55, мрамор 17-35, плавиковый шпат 13-22. В состав шихты могут быть добавлены один или более компонентов, выбранных из группы, содержащей кварц, глинозем, диоксид титана, периклаз, поташ, в количестве 6,9-40,0 мас.% сверх 100%. Полученную смесь подвергают плавлению в плавильной печи ОКБ-2238 при температуре 1100-1400°С с получением однородного расплава, который подвергают резкому охлаждению струей воды с образованием гранул. Далее продукт высушивают при температуре 400-500°С, прокаливают при 800- 820°С и размалывают до крупности не более 0,16 мм. Конечный продукт представляет собой порошок минерального сплава, который используют в качестве компонента электродного покрытия. Остальные компоненты покрытия: мрамор, плавиковый шпат, ферросилиций, ферромарганец, подвергают сушке и размалывают раздельно до крупности 0,2-0,3 мм. Компоненты покрытия дозируют согласно принятому соотношению по рассчитанной рецептуре, мас.%: мрамор 20-45, плавиковый шпат 2-18, ферросилиций 5,5-8,0, ферромарганец 6,0-8,5 и минеральный сплав 22-48, смешивают в сухом состоянии до получения практически гомогенной смеси, которую вводят в раствор жидкого натриевого или натриево-калиевого стекла, взятого в количестве 20-30 мас.% сверх 100% массы сухой шихты, и перемешивают до образования однородной пластичной массы.
Полученную массу наносят опрессовкой на стержни проволоки Св-08А Св-08АА (ГОСТ 2246) диаметром 3-5 мм и прокаливают при температуре 400°С в течение 180 минут.
В соответствии с изобретением были изготовлены партии электродов с покрытиями, составы которых, а также соответствующие составы минеральных сплавов приведены в Таблицах 2 и 3.
Результаты механических испытаний наплавленного металла с использованием приготовленных составов электродных покрытий приведены в Таблице 4. Механические испытания наплавленного металла проводили стандартными методами, а содержание диффузионного водорода в наплавленном металле определяли спиртовым методом в соответствии с РД5.90.2362.
В Таблицах 2 и 4 также приведены состав электродного покрытия по прототипу и свойства наплавленного металла.
Как видно из данных, приведенных в Таблице 4, использование предлагаемого изобретения позволяет обеспечить содержание водорода в наплавленном металле 0,2-0,9 см3/100 г наплавленного металла, повысить относительное удлинение до 33%, а сопротивление разрыву до 620 МПа при обеспечении величины работы удара 40-75 Дж при -60°С. Повышенное содержание в составе покрытия соединений калия, рубидия и галлия, вводимых с нефелином, способствует повышению устойчивости дуги при сварке. Все это свидетельствует о более высоких сварочно-технологических характеристиках заявляемого электродного покрытия.
Таблица 1 | ||
Состав, мас.% | Концентрат | |
нефелиновый | сфеновый | |
SiO2 | 44,1 | 31,2 |
Al2O3 | 28,7 | 0,6 |
Na2O | 12,3 | 0,65 |
К2O | 7,8 | 0,4 |
СаО | 1,6 | 25,2 |
ТiO2 | 0,39 | 37,0 |
MgO | 0,35 | 0,45 |
Fe2O3 | 2,2 | 1,9 |
FeO | 0,05 | 0,5 |
MnО | 0,06 | 0,75 |
Rb2O | 0,02 | - |
Cs2O | 0,005 | - |
Gа2O3 | 0,01 | - |
Ln2О3 | - | 0,9 |
Nb2O5 | - | 0,65 |
P2O5 | 0,07 | 0,03 |
SO3 | 0,04 | 0,05 |
Таблица 2 | |||||||||||
Компоненты электродного покрытия | Содержание, мас.% в составе покрытия | ||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | прототип | |
Мрамор | 45,0 | 39,7 | 36,9 | 39,8 | 43,5 | 30,6 | 29,9 | 41,0 | 32,8 | 20,0 | 47,0 |
Плавиковый шпат | 2,0 | 17,2 | 11,2 | 15,0 | 18,0 | 9,9 | 16,9 | 7,2 | 16,0 | 16,5 | 17,0 |
Ферросилиций | 7,1 | 6,9 | 7,0 | 7,6 | 8,0 | 5,5 | 8,0 | 5,6 | 7,2 | 7,5 | 3,0 |
Ферромарганец | 8,0 | 7,9 | 8,5 | 8,1 | 8,5 | 6,0 | 8,5 | 7,1 | 8,3 | 8,0 | 4,0 |
Минеральный сплав | 37,9 | 28,3 | 36,4 | 29,5 | 22,0 | 48,0 | 36,5 | 32,8 | 35,7 | 48,0 | - |
Ферротитан | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 12,0 |
Кремнезем | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 2,5 |
Магнезит обожженный | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 5,0 |
Нефелиновый концентрат | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 4,0 |
Таблица 3 | ||||||||||
Компоненты минерального сплава | Содержание, мас.% в составах минерального сплава | |||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
Основные | ||||||||||
Нефелиновый концентрат | 39,8 | 52,0 | 39,4 | 19,8 | 10,0 | 17,0 | 14,0 | 36,2 | 11,9 | 17,6 |
Сфеновый концентрат | 5,0 | 5,5 | 9,0 | 41,8 | 55,0 | 43,9 | 47,0 | 19,0 | 47,6 | 40,8 |
Мрамор | 35,0 | 29,0 | 31,4 | 21,4 | 17,5 | 22,6 | 17,0 | 31,8 | 21,1 | 22,4 |
Плавиковый шпат | 20,2 | 13,5 | 20,2 | 17,0 | 17,5 | 16,5 | 22,0 | 13,0 | 19,4 | 19,2 |
Дополнительные | ||||||||||
Кварц | - | - | 8,1 | - | 0,5 | 1,3 | 3,9 | - | 3,7 | 7,0 |
Глинозем | - | 11,7 | - | 25,9 | 2,5 | 5,6 | 8,0 | 2,4 | 5,8 | 11,2 |
Диоксид титана | - | - | - | 11,4 | 6,5 | - | - | 8,2 | 1,0 | - |
Периклаз | - | - | - | - | - | - | 16,9 | 5,8 | 12,5 | - |
Поташ | - | - | - | - | - | - | 11,2 | - | 8,6 | 11,2 |
Суммарное содержание дополнительных компонентов, % | - | 11,7 | 8,1 | 37,3 | 9,5 | 6,9 | 40,0 | 16,4 | 31,6 | 29,4 |
1. Покрытие электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей, включающее мрамор, плавиковый шпат, ферросилиций, ферромарганец и нефелиновый концентрат, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит сфеновый концентрат, причем нефелиновый концентрат, сфеновый концентрат, а также часть мрамора и плавикового шпата покрытие содержит в виде минерального сплава при следующем соотношении компонентов, мас.%:
мрамор | 20-45 |
плавиковый шпат | 2-18 |
ферросилиций | 5,5-8,0 |
ферромарганец | 6,0-8,5 |
минеральный сплав | 22-48, |
нефелиновый концентрат | 10-52 |
сфеновый концентрат | 5-55 |
мрамор | 17-35 |
плавиковый шпат | 13-22 |
2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что минеральный сплав дополнительно включает один или более компонентов, выбранных из группы, содержащей кварц, глинозем, диоксид титана, периклаз, поташ, в количестве 6,9-40,0 мас.% сверх 100%.