Электрод для дуговой сварки и наплавки

Полезная модель относится к ручной электродуговой сварке и наплавке стальных деталей и может быть использована в машиностроении, строительстве и других областях.
Известен электрод для дуговой сварки, состоящий из металлического стержня с нанесенными послойно на его поверхность покрытиями, причем один из слоев покрытия состоит из шлако- и газообразующих компонентов со связующим, а другой - порошкообразной смеси микро- и наноразмерных тугоплавких компонентов со связующим. При этом толщина наружного слоя покрытия электрода составляет от 1,8 до 9% диаметра металлического стержня в зависимости от толщины внутреннего слоя покрытия. А наружный слой покрытия может быть выполнен сплошным или дискретным (патент РФ №2407617, МПК В23К 35/365).
Недостатком известного электрода является его низкая надежность. Это связано с тем, что слой, содержащий тугоплавкие компоненты, расположен с внешней стороны электрода, в результате чего во время процесса сварки (наплавки) происходят неравномерный нагрев торца электрода, из-за чего происходит разрушение тонкого внешнего слоя и, как следствие, потеря модифицирующих свойств покрытия. Также разрушение внешнего слоя может происходить при внешних механических или термических воздействиях.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является электрод для дуговой сварки и наплавки, содержащий металлический стержень и нанесенное послойно на его поверхность трехслойное покрытие, причем внутренний и внешний слои покрытия состоят из шлако- и газообразующих компонентов со связующим, а центральный слой содержит порошкообразную смесь микро- и наноразмерных тугоплавких компонентов со связующим, при этом толщина центрального слоя покрытия составляет от 2 до 10% от диаметра металлического стержня в зависимости от толщины внутреннего слоя покрытия, а толщина наружного слоя составляет от 30 до 40% от толщины внутреннего слоя покрытия (пат РФ №186838, B23K 35/02).
Недостатком прототипа является низкая технологическая надежность покрытия, повышение вероятности разрушения покрытия вследствие многослойности покрытия электрода, а также нерегламентированного размера тугоплавких ультрадисперсных частиц покрытия.
Кроме того, недостатком является сложность изготовления электрода с многослойным покрытием.
Техническая проблема заключается в повышении качества наплавленного металла путем формирования равноосной измельченной микроструктуры, а также снижении вероятности трещинообразования по границам кристаллитов.
Технический результат заключается в повышении технологической надежности электрода.
Поставленная проблема решается тем, что в электроде для дуговой сварки и наплавки, включающем металлический стержень с нанесенным на его поверхность покрытием, содержащим шлако- и газообразующие компоненты, и смесь ультрадисперсных частиц тугоплавких компонентов со связующим, согласно изменению, покрытие выполнено в виде одного сплошного слоя, при этом размер частиц порошка тугоплавких компонентов составляет не менее размера критического зародыша кристаллизации свариваемого металла или сплава, но не более 15 мкм.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах, где:
– на фиг. 1 схематично изображена конструкция электрода со сплошным покрытием: а – металлический стержень; б – покрытие, содержащее шлако- и газообразующие компоненты, смесь ультрадисперсных частиц тугоплавких компонентов и связующее.
– на фиг. 2 изображена микроструктура образца наплавленного металла, полученного электродами без тугоплавких компонентов;
– на фиг. 3 изображена микроструктура образца наплавленного металла, полученного электродами, содержащими в своем покрытии смесь ультрадисперсных частиц тугоплавких компонентов с регламентированным размером частиц.
- на фиг. 4 изображена расчетная зависимость размера критического зародыша кристаллизации для различных марок сталей от степени переохлаждения расплава.
3
2
2
Заявляемый электрод для дуговой сварки и наплавки содержит металлический стержень 1 (фиг. 1) и однослойное сплошное покрытие 2. Причем покрытие содержит шлако- и газообразующие компоненты, связующее, порошкообразную смесь ультрадисперсных (микро- и наноразмерных) тугоплавких компонентов, в качестве которых могут быть использованы, например, наноразмерный порошок монокарбида титана, полученного путем коллоидного измельчения в жидкой среде. В качестве связующего может быть использовано жидкое натриевое стекло или жидкое натриево-калиевое стекло. Связующее добавляют в количестве 30–35% от массы сухой шихты. В состав шлакообразующих компонентов входит: мрамор (CaCO), плавиковый шпат (CaF), кварц (SiO), ферромарганец (FeMn), ферросилиций (FeSi), ферротитан (FeTi). Причем содержание компонентов в покрытии может быть следующим, мас.%:
CaCO<sub>3</sub>
50-55
CaF<sub>2</sub>
16-20
SiO<sub>2</sub>
5-9
FeMn
6-12
FeSi
6-10
FeTi
6-10
Покрытие наносят на металлический стержень одним сплошным слоем, которое обеспечит высокую технологическую надежность и простоту изготовления.
Толщину сплошного покрытия на стержень выбирают по ГОСТ 9466-75 «Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки».
Повышение качества структуры металла сварного шва обеспечивается благодаря инокулированию металла сварочной ванны ультрамелкодисперсными частицами тугоплавких материалов. Тугоплавкие частицы, попадая в расплав сварочной ванны, играют роль искусственных центров кристаллизации, в результате чего происходит измельчение первичной структуры металла шва (фиг. 2, 3). Для формирования большого количества центров кристаллизации необходимо, чтобы размер тугоплавких частиц был не менее размера критического зародыша кристаллизации свариваемого металла или сплава, но не более 15 мкм.
r
k
При размере частицы меньше критического зародыша кристаллизации рост кристалла невозможен, так как это приводило бы к увеличению энергии Гиббса системы. Если фактический размер частицы превышает критический, то рост кристалла термодинамически возможен. Таким образом, чтобы способствовать процессу инокулирования необходимо, чтобы размеры частиц порошка-инокулятора обладали размером не менее .
Критический размер зародыша может быть определен расчетным путем по формуле (Еланский Г.Н. Разливка и кристаллизация стали. М.: МГВМИ, 2010. 192 с.):
, (1)
r
к
где  – критический размер зародыша, м;
σ
2
– поверхностное натяжение расплава на границе с газом, мДж/м;
Т
пл
– температура плавления, К;
M
– молярная масса сплава, г/моль;
ΔH
пл
– скрытая теплота плавления, Дж/моль;
ΔТ
– степень переохлаждения, К;
ρ
3
– плотность, кг/м.
r
d
r
×2
k
кр
k
То есть критический размер зародыша зависит от свойств металла, а также от условий кристаллизации. Следует отметить, что в сплавах на их свойства необходимо учитывать влияние легирующих элементов. Таким образом, каждый сплав имеет свое значение . В качестве примера, на фиг.4 приведены результаты расчета критического диаметра зародыша  = , для нескольких марок сталей.
Из результатов расчета следует, чтобы частица порошка-инокулятора гарантированно стала центром кристаллизации в рассмотренном диапазоне степеней переохлаждения расплава, применительно к низкоуглеродистым и низколегированным сталям, ее размер должен составлять не менее 600-700 нм (0,6 – 0,7 мкм). Использование порошка-инокулятора с более дисперсной фракцией становится не целесообразным с точки зрения термодинамики и экономики.
В случае если размер тугоплавких частиц будет более 15 мкм, это приведет к образованию неметаллических включений в наплавленном металле. Поскольку чем больше размер включения, тем меньше критическое напряжение, при котором возможно образование микросколов на границе включение-металл, которые способствуют дальнейшему развитию трещины в металлическую матрицу.
Чтобы обеспечить необходимый эффект инокулирования наплавленного металла требуется, чтобы применяемый порошок-инокулятор содержал не менее 50% ультрадисперсных частиц тугоплавких материалов заданного размера. В противном случае будет происходить недостаточное измельчение структуры наплавленного металла, а также повысится вероятность образования в нем неметаллических включений, которые приводят к снижению его качества.
3
2
2
Пример.Исходными материалами для изготовления электрода со сплошным покрытием служили: стержень из стали Св-08А диаметром 3 мм и длиной 350 мм; шлако- и газообразующие компоненты в количестве, %: CaCO - 51, CaF - 19; SiO - 6; FeMn - 7; FeSi – 7; FeTi – 7; инокулирующий компонент - ультрадисперсный порошок монокарбида титана TiC, полученный путем коллоидного измельчения в жидкой среде. Причем производитель указанного ультрадисперсного порошка должен обеспечить размер частиц в заданных пределах. По результатам расчета получено, что размер тугоплавких частиц порошка должен составлять 0,6-15 мкм (фиг. 4).Также смесь содержитсвязующее, в качестве которого использовано жидкое натриевое стекло.
Первоначально осуществляли перемешивание сухой шихты с добавлением в нее газо- и шлакообразующих компонентов, затем в полученную шихту добавляли 10% инокулирующего порошка, в зависимости от массы сухой шихты, и снова перемешивали. В готовую шихту добавляли связующее и перемешивали до образования однородной массы. Полученную массу формировали в брикеты, которые затем загружали в электродообмазочный пресс. Электродообмазочный пресс выдавливал обмазочную массу и наносил ее под давлением порядка 80 МПа на металлические стержни в момент их прохождения через калибрующую втулку обмазочного узла (обмазочной головки) пресса.
Готовые электроды укладывали на рамки в один слой и провяливали на воздухе в течение 24 ч, а затем производили их термообработку в электропечи в течение 80 минут при температуре 400°С. Технология изготовления электрода с покрытием известна и наиболее подробно раскрыта в книге «Материалы для сварки, наплавки, пайки и напыления». Михайлицын С.В., Шекшеев М.А., Ярославцев А.В., Пащенко К.Г. Материалы для сварки, наплавки, пайки и напыления. Изд-во Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2016. 207 с.
Металлографические исследования выполняли на травленых образцах с помощью светового микроскопа Meiji Techno. Панорамные изображения микроструктуры были получены вертикальной и горизонтальной склейкой полей зрения с помощью анализатора изображений Thixomet Pro, исследования проводились при увеличении 50 и 100 крат. Параметры структуры наплавленного металла измеряли с помощью инструмента «статистика ручных измерений».
2
Исследование показало, что в образце №1 (фиг.2), не содержащем частиц TiC, наблюдаются крупные столбчатые кристаллы, вытянутые в направлении противоположном направлению теплоотвода. По границам кристаллитов располагается периферийный феррит, который формирует непрерывную сетку. В локальных участках наблюдаются характерные иглы видманштеттовова феррита, прорастающие от края кристалла к его центру. Средняя площадь сечения кристаллитов составляет порядка 80000 – 81000 мкм, при этом среднее значении фактора формы не превышает 0,26.
2
Кристаллиты в образце №2 (фиг.3) имеют среднюю площадь 9000 – 10000 мкм, а параметр фактора формы достигает 0,52. То есть, наличие ультрадисперсного порошка TiC в покрытии электродов (в количестве до 10%) с регламентированным размером частиц способствует уменьшению размеров кристаллитов в наплавленном металле в 8-9 раз и приобретению ими более равновесного состояния (фактор формы увеличился в 2 раза).
С целью обоснования преимуществ заявляемого электрода по сравнению с прототипом были проведены экспериментальные исследования на технологическую надежность электродов с однослойным и трехслойным покрытием, причем инокулирующий слой находился в центре трехслойного покрытия.
Диаметр металлического стержня электродов составлял 3,0 мм. Толщина сплошного покрытия электродов и общая толщина трехслойного покрытия была одинаковой и составляла 2 мм.
Результаты испытаний приведены в табл. 1
Таблица 1
Характер покрытия
Нанесение покрытия на электрод
Состояние покрытия при термических воздействиях
Дефекты в наплавленном металле
Однослойное
Не затруднено
Разрушений, трещин и других дефектов нет
Отсутствие пор, трещин, неметаллических включений
Трехслойное
Затруднено
Разрушение покрытия
Наличие пор и неметаллических включений
Заявляемый электрод имеет в сравнении с известными электродами ряд преимуществ:
- увеличение технологической надежности электрода в процессе его изготовления и использования;
- снижение вероятности появления неметаллических включений, которые могут привести к образованию трещин;
- возможность получения равноосной измельченной микроструктуры наплавленного металла.
Таким образом, заявляемый электрод имеет повышенную технологическую надежность и способствует более высокому усвоению металлом сварочной ванны инокулирующих компонентов покрытия.