ПОКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
COATING OF ELECTRODES FOR WELDING OF CARBON AND LOW-ALLOYED STEELS

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.
5
3
2
Известно покрытие электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей (см. авт. свид. 1657321 СССР, МКИ 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 см/100 г, относительное удлинение 24-30%, ударную вязкость 226,6-246,3 Дж/см 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.
5
2
2
Известно также принятое в качестве прототипа покрытие электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей (см. авт. свид. 1066766 СССР, МКИ 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/см, сопротивление разрыву 48-65 кгс/мм(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.
4
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 SiF, 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.
2
3
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 АlО 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.
2
2
2
2
3
2
5
2
3
Вышеуказанное содержание нефелинового и сфенового концентратов обеспечивает присутствие в составе минерального сплава оксидов калия, рубидия, цезия, галлия, ниобия и РЗЭ в количестве, мас.%: КО 1,0-5,0, RbO 0,004-0,02, CsO до 0,005, GaO до 0,01, NbO 0,01-0,32 и LnO до 0,44.
3
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 СаСО 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.
3
Как видно из данных, приведенных в Таблице 4, использование предлагаемого изобретения позволяет обеспечить содержание водорода в наплавленном металле 0,2-0,9 см/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
SiO<sub>2</sub>
44,1
31,2
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
28,7
0,6
Na<sub>2</sub>O
12,3
0,65
К<sub>2</sub>O
7,8
0,4
СаО
1,6
25,2
ТiO<sub>2</sub>
0,39
37,0
MgO
0,35
0,45
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,2
1,9
FeO
0,05
0,5
MnО
0,06
0,75
Rb<sub>2</sub>O
0,02
-
Cs<sub>2</sub>O
0,005
-
Gа<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,01
-
Ln<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
-
0,9
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
-
0,65
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0,07
0,03
SO<sub>3</sub>
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