ЭЛЕКТРОДНОЕ ПОКРЫТИЕ
ELECTRODE COATING

Изобретение относится к материалам для электродуговой сварки и может быть использовано как покрытие электродов для выполнения заполняющих и облицовочных слоев шва стыков трубопроводов из сталей групп К 60(Х70) - К 70(Х80), а также металлоконструкций из сталей с нормативным пределом прочности до 686 МПа включительно.
Известно покрытие электродов марки У ОНИ-13/65, наиболее близко стоящее к предлагаемому по составу и механическим свойствам наплавленного ими металла, для сварки машиностроительных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 588 МПа [Бондин И.П. Справочник сварщика. М. - Л., «Машиностроение», 1965; Закс И.А. Электроды для сварки сталей и никелевых сплавов: Справочное пособие. - СПб.: «WELCOME», 1966], содержащее, мас.ч:
карбонаты щелочно-земельных металлов
51,0
плавиковый шпат
15,5
кварцевый песок
8,0
ферросплав марганца
7,0
ферротитан
15,5
ферросилиций
3,0
органический пластификатор
0,7
Обеспечивая качественное выполнение соединений машиностроительных конструкций с требуемыми для них механическими свойствами, электроды с известным покрытием обладают, в частности, следующими недостатками:
1) область их применения ограничена машиностроительными конструкциями [Закс И.А. Электроды для сварки сталей и никелевых сплавов: Справочное пособие - СПб.: «WELCOME», 1966];
2) наплавленный ими металл - крупночешуйчатый, а его переход к основному металлу - неплавный, что повышает вероятность образования дефектов в швах в виде зашлаковки между его слоями или требует больших дополнительных затрат по зачистке промежуточных слоев шва, а у облицовочных слоев швов - не обеспечиваются необходимые для трубных соединений форма шва и его чешуйчатость, обусловленные, прежде всего, требованиями работоспособности трубных соединений;
3) повышенным [до ≥10 мл/100 г по международной пробе ISO 3690: 1-1999 (Е)] содержанием диффузионного водорода в наплавленном металле, являющимся основной причиной трещинообразования в швах, особенно соединений перспективных сталей повышенной прочности [Походня И.К. Сварочные материалы: состояние и тенденции развития. «Автоматическая сварка». - 2003, №3, с.9-19];
4) неудовлетворительными свойствами обмазочной массы покрытия, что не позволяет достичь требуемой для качественной сварки труб концентричности покрытия электродов, в первую очередь, при промышленном их производстве;
5) наплавленный ими металл обладает температурой хрупкого перехода - не ниже -20°С, что ограничивает возможность их использования для сварки конструкций, в т.ч. трубопроводов, работающих в северных условиях.
диф
100г
мл
Таким образом, указанные технологические недостатки электрода-прототипа не позволяют использовать их для сварки трубопроводов из-за неудовлетворительного формирования швов (заполняющие и облицовочный слои), а температура хрупкого перехода наплавленного металла ограничивает работоспособность выполненных ими соединений температурой не ниже -20°С, содержание же диффузионного [Н≥10 /] водорода в наплавленном металле указывает на повышенную вероятность образования трещин в соединениях сталей указанной прочности [Походня И.К. Сварочные материалы: состояние и тенденции развития. «Автоматическая сварка». - 2003, №3, - с.9-19]. Вследствие указанного в настоящее время для сварки трубопроводов из сталей повышенной (до 686 МПа включительно) прочности используются, исключительно импортные электроды [Руководящий документ ОАО «АК «Транснефть». РД-08.00-60.30.00 - КТН-050-1-05], рыночная стоимость которых явно завышена и определяется не себестоимостью продукции, а ее рыночной конъюнктурой.
Целью настоящего изобретения является повышение ударной вязкости наплавленного металла для достижения порога хладноломкости -40°С при повышенных пределах его текучести, снижение содержания в нем диффузионного водорода, улучшение качества формирования шва за счет меньшей его чешуйчатости и лучшей формы, улучшение обмазочных свойств покрытия для повышения концентричности его опрессовки и ее стабильности по длине электрода.
2
3
2
2
2
Эта цель достигается введением в состав покрытия безводного алюмосиликата состава: AlO - 30…32%, SiO - 60…65%, NaO - 3…5%, KO - 3…5%, ферромолибдена, алюминия, железного порошка, соды, фторопласта и вещества дефомикс при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
карбонаты щелочноземельных металлов
33-35
флюорит
16-19
алюмосиликат безводный
12-20
ферросплав марганца
8-9
ферросилиций
2,5-3
алюминий
1,0-1,2
ферромолибден
2,2-2,6
железный порошок
12-16
фторопласт
1,5-2,3
сода
1,5-2,0
органический пластификатор
0,7-2,0
дефомикс
0,15-0,20
3
Для проведения контрольных испытаний были изготовлены электроды диаметром 4,0 мм с составами покрытий, представленными в табл.1. Количество жидкого стекла было одинаково - 25…27% от веса сухой шихты. Модуль стекла 2,8-3,0, плотность 1,42 г/см, вязкость 600-800 сП.
Таблица 1
№ п/п
Наименование компонента электродного покрытия
Состав сухой шихты покрытия, вес.ч.
Известный состав
Заявляемые решения
Варианты
1
2
1
Карбонаты щелочноземельных металлов
51,0
35,0
33,0
2
Флюорит
15,5
16,0
19,0
3
Безводный алюмосиликат
-
20,0
12,0
4
Кварцевый песок
8
-
-
5
Ферросплав марганца
7,0
8,0
9,0
6
Ферросилиций
3,0
2,5
3,0
7
Ферротитан
15,5
-
-
8
Алюминий
-
1,0
1,2
9
Ферромолибден
-
2,2
2,6
10
Железный порошок
-
12,0
16,0
11
Фторопласт
-
2,3
1,5
12
Сода
-
2,0
1,5
13
Органический пластификатор
0,7
0,7
2,0
14
Дефомикс
-
0,15
0,20
2
3
2
2
2
В качестве вводимых согласно предлагаемому изобретению новых веществ использовались фторопласт марки «ПН», дефомикс по ТУ 5 8 70-004-58042865-04, а как безводный алюмосиликат - отход фафоровой промышленности (череп утельный фарфоровый) состава: AlO - 30…32%, SiO - 60…655, NaO - 3…5%, KO - 3…5%.
Покрытие наносилось на металлические стержни на промышленном оборудовании по типовой технологии, отработанной на базе ОСТ 5.9786-76 применительно к условиям предприятия - изготовителя электродов - ООО «Научно-производственный центр «Сварочные материалы» (г.Краснодар).
В процессе изготовления установили, что по технологичности опрессовки предлагаемые электроды явно превосходят прототип, что, прежде всего, выражалось в меньшей разнотолщинности их покрытия «е», которая замерялась в 3 сечениях, условно обозначенных как начало (Н), середина (С), конец (К) электрода, и большей ее постоянности по длине электрода (Δе=emax-emin). Данные этих замеров для электрода-прототипа и с предлагаемым покрытием (выборка по 25 шт. каждого) представлены в табл.2, из которой следует:
- разнотолщинность покрытия электрода-прототипа лежит в пределах 0,10-0,20 мм и удовлетворяет требованиям ГОСТ 9466-75 (е<0,20 мм), но в ряде сечений всех электродов по их длине превышает требования РД-03-613-03 (е<0,15 мм) и требования, предъявляемые к электродам для сварки труб (е<0,10 мм, РД 153-006-02);
- разнотолщинность покрытия электродов с предлагаемым покрытием меньше характерной для прототипа и не превышает 0,10 мм, т.е. отвечает требованиям РД-03-613-03 и требованиям, предъявляемым к электродам для сварки труб;
- электроды с предлагаемым покрытием характеризуются большей постоянностью разнотолщинности покрытия по длине электродов (Δℓ=0,01-0,03 мм), чем электроды с покрытием-прототипом (Δℓ=0,04-0,08 мм).
Достигнутый по концентричности покрытия положительный эффект у электродов с предлагаемым покрытием следует объяснить не столько улучшением его пластичности, сколько повышением однородности его мокрого замеса при наличии в смеси дефомикса.
Дополнительным свидетельством улучшения обмазочных свойств предлагаемого покрытия являлась и более гладкая, чем у прототипа, поверхность покрытия предлагаемых электродов, что достигалось наличием в нем фторопласта.
Полученные данные подтверждают решение одной из поставленных задач общей цели изобретения - улучшения обмазочных свойств покрытия, следствием которого явилось повышение концентричности его опрессовки и ее стабильности по длине электрода.
Для оценки качества формирования шва по параметрам, поставленным целью изобретения (чешуйчатость шва и плавность перехода от наплавленного металла к основному), выполняли электродами, изготовленными по табл.1, наплавки валиков на пластину 16×150×300 мм, давая перед каждой последующей наплавкой пластине остыть до комнатной температуры.
Ввиду отсутствия общепринятых количественных критериев оценки этих свойств ее проводили экспертно. В качестве эталона чешуйчатости и плавности перехода были приняты показатели валика, наплавленного автоматической сваркой под флюсом АН-348 проволокой Св08 ф 3,0 мм на оптимальных режимах, и переход его наплавленного металла к основному, которые априорно были оценены баллом «5». Результаты такой оценки приведены в табл.3.
Таблица 3
№ п/п
Характеристика валика
Оценка качества
Электрод по табл.1
Режим наплавки
Чешуйчатость, балл
Переход от наплавленного к основному металлу, балл
Ток, А
Напряжение дуги, В
1
Прототип
130-140
24-25
2
2
2
Вариант 1
130-140
24-25
4
5
3
Вариант 2
130-140
24-25
4
5
Результаты сравнительной оценки валиков, наплавленных электродом-прототипом и электродами с предлагаемым покрытием, показали у последних явно улучшенные показатели чешуйчатости валика и перехода наплавленного металла к основному. Это указывает на решение второй задачи общей цели изобретения.
В табл.4 представлены результаты механических испытаний металлов, наплавленных электродом-прототипом и электродами с предлагаемым покрытием.
Таблица 4
Электрод по табл.1
Механические свойства наплавленного металла
Предел прочности, δв, МПа
Предел текучести, δт, МПа
Относительное удлинение, δ5, %
Уд. вязкость, KCV, Дж/см<sup>2</sup>
-20°С
-30°C
-40°C
Прототип
<img file="00000002.tif" he="7" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="7" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000005.tif" he="5" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000007.tif" he="5" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" />
не исп.
Вариант 1
<img file="00000008.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000009.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000010.tif" he="7" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000011.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000012.tif" he="5" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000013.tif" he="6" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
Вариант 2
<img file="00000014.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000016.tif" he="7" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000017.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000018.tif" he="5" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000019.tif" he="6" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
кгс·м
2
см
Данные механических испытаний указывают, что ударная вязкость, KCV, при -20°С металла, наплавленного предлагаемыми электродами, почти вдвое превышает значения, характерные для электрода-прототипа, а его порог хладноломкости (KCV≥3,5 / , ГОСТ 9467-75) определяется температурой -40°С. Это подтверждает решение следующей задачи общей цели изобретения.
В табл.5 приведены данные по содержанию диффузионного водорода* в наплавленном металле, определенные по международной и более точной, чем глицериновая, международной пробе - ISO/FDIS 3690:1999Е.
Таблица 5
Содержание [Н] диф. в наплавленном металле, мл/100 г*
Электрод с покрытием-прототипом
Электрод с заявляемым покрытием
<img file="00000020.tif" he="7" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000021.tif" he="7" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
* - определены в ИЭС им.Е.О.Патона.
2
2
Полученные по диффузионному водороду данные указывают, что его содержание в металле, наплавленном электродом с заявляемым покрытием, почти в 2 ниже характерного для металла, наплавленного электродом-прототипом. Это подтверждает решение и такой задачи общей цели изобретения. Притом, поскольку содержание CaF как деводорирующего наплавленный металл компонента [И.К.Походня. Газы в сварных швах. М.: «Машиностроение», 1972] в покрытии-прототипе и предлагаемом - близки, такой эффект следует отнести за счет другого фторосодержащего компонента - фторопласта как соединения более легко, чем CaF, поддающегося диссоциации в условиях дуговой сварки.
Таким образом, при использовании предлагаемого покрытия решаются все поставленные целью изобретения задачи. При этом варьирование составом покрытия в процессе его разработки показало, что это достигается только при выдерживании содержаний компонентов в заявляемых пределах.
Так, уменьшение содержания фторопласта не обеспечивало практического снижения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле, а превышение приводило к ухудшению устойчивости горения дуги, ее возбудимости и требовало повышения сварочного тока для нормального ведения процесса, что отрицательно сказывалось на формировании шва в положениях отличных от нижнего.
Увеличение количества алюмосиликата приводило к повышению разбрызгивания при сварке, ухудшению устойчивости горения дуги и отделимости шлака, а уменьшение - к ухудшению чешуйчатости наплавленного металла и плавности его перехода к основному.
Увеличение содержания ферромолибдена приводило к недопустимому для электродов заявляемого типа повышению прочностных свойств наплавленного металла и снижению его относительного удлинения, а уменьшение содержания - к недопустимому снижению прочностных свойств и падению показателей ударной вязкости наплавленного металла при отрицательных температурах.
Повышение содержания железного порошка приводило к ухудшению формирования потолочного шва и снижению прочностных свойств наплавленного металла, а снижение - к недопустимому повышению прочностных свойств наплавленного металла, падению показателей его относительного удлинения и ударной вязкости.
Увеличение содержания дефомикса ухудшало технологичность опрессовки покрытия электродов и его гладкость, в частности, из-за резкого снижения требуемого для опрессовки давления, а уменьшение - к повышению нестабильности разнотолщиннности покрытия по длине электрода.
Изменение содержания остальных компонентов заявляемого покрытия приводило к нежелательным эффектам, характерным для покрытия-прототипа.
Таким образом, изменение пределов содержания любого из компонентов заявляемого состава покрытия приводит к потере свойств электродов, определяемых целью изобретения. Следовательно, только заявляемая совокупность компонентов покрытия обладает существенными отличиями и обеспечивает достижение поставленной цели изобретения.
Технологическим преимуществом предлагаемого покрытия являются его лучшие опрессовочные свойства, обеспечивающие большую концентричность покрытия электрода и ее постоянство по его длине, эксплуатационным преимуществам - лучшее формирование швов, более высокие показатели механических свойств наплавленного металла и меньшее содержание в нем диффузионного водорода.
Экономическим преимуществом электродов с предлагаемым покрытием является меньшая их стоимость в сравнении с импортными электродами такого же назначения, и возможность утилизации части отходов фарфоровой промышленности.