Состав электродного покрытия
COMPOSITION OF ELECTRODE COATING

Изобретение относится к электродуговой сварке покрытыми электродами и может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из низкоуглеродистой стали, подверженных циклическим нагрузкам.
Известно значительное количество составов электродного покрытия для электродов типа Э46 по ГОСТ 9467-75, содержащих рутил и ферромарганец (патенты РФ: №2102208, №2257987, №1738567). Однако нет сведений из источников информации об уровне усталостной долговечности материала сварного шва.
Также известны электроды типа Э46 марка МР-3 текущего производства Томского электродного завода «Герон», содержащие в составе обмазки рутил и ферромарганец, выбранные в качестве прототипа. Недостатком известного состава электродного покрытия, приведенного в таблице 1, является то, что он не обеспечивает достаточно высокий уровень усталостной долговечности материала сварного шва (http://geron2004.ru/2020/svarochnye-elektrody-tipa-e-46-po-gost9467-75/).
Технической задачей изобретения является разработка электрода для сварки низкоуглеродистых сталей, который обеспечивает увеличение усталостной долговечности сварного шва сварных конструкций.
0,5
0,5
Новый технический результат, достигаемый от использования предлагаемого электрода для сварки низкоуглеродистых сталей, содержащего стержень и покрытие, заключается в том, что покрытие дополнительно содержит нанопорошковый композиционный материал Fe- TiCN в количестве 0,25-0,55 % от массы покрытия.
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
При этом композиционный материал (Fe - TiCN) содержит 50 мас.% (81 об.%) карбонитрида титана эквимолярного состава TiCN с размером частиц 45-80 нм, распределенных в плавленой железной матрице. Размер композиционных частиц порошка Fe - TiCN не превышает 800 нм.
Технический результат изобретения основан на том, что наночастицы карбонитрида титана, являясь иннокуляторами в жидкой стали (нанохолодильниками), способствуют объемной кристаллизации жидкого металла шва, измельчению зерна металла, повышению однородности формируемой структуры сварного соединения. Полученный результат приводит к улучшению физико-механических свойств сварного соединения, в частности, увеличению усталостной долговечности материала шва.
0,5
0,5
Содержание в составе покрытия 0,25-0,55 мас.% нанопорошкового композиционного материала состава Fe-TiCN обеспечивает уровень усталостной долговечности металла шва электродов в 2,7 раза выше прототипа.
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Изменение концентрации нанопорошкового композиционного материала состава Fe-TiCN в сторону увеличения (>0,55 мас.%) приводит к коалесценции наночастиц TiCN с образованием в металлическом расплаве укрупненных колоний (до 1-3 мкм) частиц TiCN неправильной формы. Сформированные соединения, являясь концентраторами напряжений, уменьшают стойкость металла к формированию термоусталостных трещин, снижая сопротивление деформации.
0,5
0,5
Снижение концентрации нанопорошкового композиционного материала состава Fe-TiCN (<0,25 мас.%) не оказывает влияния на повышение уровня усталостной долговечности материала.
0,5
0,5
Схема получения нанопорошкового композиционного материала Fe-TiCN состоит в следующем:
2-x
1. Порошок гидрида титана TiH смешивают в определенном концентрационном соотношении с сажей, после чего гранулируют.
2. Отдельно готовится гранулированный порошок железа.
0,5
0,5
3. Из порошков составов 1 и 2 готовят механическую смесь порошков при соотношении компонентов 50/50 (мас.%), которую помещают в проточный реактор и сжигают в потоке азота. В результате синтеза конечным продуктом являются спеки композиционного материала состава Fe-TiCN, хорошо поддающиеся дроблению и измельчению до получения композиционного порошка заданного гранулометрического.
0,5
0,5.
0,5
0,5
Для исследований были изготовлены опытные партии покрытых электродов с присадками из нанодисперсного композиционного порошка Fe-TiCN Для оценки эффективности модифицирующего действия нанодисперсных тугоплавких соединений системы Fe-TiCN на сопротивление усталости материала сварного шва были проведены сравнительные испытания на циклический изгиб образцов с покрытиями, наплавленными на сталь 09Г2С электродами текущего производства Томского электродного завода «Герон», выбранными в качестве прототипа (таблица 1), и покрытыми электродами с заявленным в изобретении составом (таблица 2).
Испытание на усталостную долговечность проводили на установке Instron-55-82 при постоянной нагрузке 490 МПа с частотой изгиба 20 Гц на образцах, вырезанных из наплавленных слоев и изготовленных по ГОСТ 23.207-78 (см. фиг.) Результаты приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1
№п/п
Состав известного электрода Мр-3 мас.%     (прототип ЭП 46)
Нагрузка/частота (МПа/Гц)
Количество циклов
Среднее
1
рутил - 47%; декстрин - 3%;полевой шпат - 25%; магнезит - 10% ферромарганец - 15%.Основа  стержня - проволока Св-08
490/20
195870
193167
2
490/20
202964
3
490/20
190982
4
490/20
182853
Таблица 2
№ п/п
Состав предлагаемого электрода
Нагрузка/частота (МПа/Гц)
Количество циклов
Среднее
1
Мр-3 + 0,25 (Fe - TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>)
490/20
410375
525763
2
Мр-3 + 0, 30 (Fe - TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>)
490/20
1012206
3
Мр-3 + 0,50 (Fe - TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>)
490/20
358694
4
Мр-3 + 0,55 (Fe - TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>)
490/20
321778
Таким образом, уровень усталостной долговечности металла шва сварных соединений, полученных покрытым электродами с заявленным в изобретении составом, в 2,7 раза превышает уровень усталостной долговечности металла шва, полученного покрытыми электродами текущего производства, содержащимирутил и ферромарганец и выбранными в качестве прототипа.