Электрод для дуговых процессов в окислительных средах

ЛОЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИЕСПУБЛИК 1731548 А 3 К 35/ 1)5 ГОСУДАРСТВЕННЬПО ИЗОБРЕТЕНИЯПРИ ГКНТ СССР КОМИТЕТИ ОТКРЫТИЯМ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ДЛЯ ДУГОВЫХ ПРОЦЕСЕЛЬНЫХ СРЕДАХ ие; при воздушно-дуговой дящих материалов, Электроцессов в окислительных щий в своем составе граьно содержит; мас,%: кар, кремний 4 - 10, графит(54) ЭЛЕКТРОД СОВ В ОКИСЛИТ (57) Использован резке токопрово род для дуговых п средах, содержа фит. дополнител бид кремния 38 - остальное, 2 табл. й. 17динение по производству втомобилейи А,Н.Гашнев88.8)С,. Костиков В,И. Силици - М,; Металлургия, 1977 тельство СССРН 1/06, 1978,средах и шно-дугоатериалов ов и сплаульвербакевые смолы. ие (смолы с х и химичев и матери- д ествля ются мирования ных марими и хим(прочностьязкость),более близким по техничес достигаемому результату ку является материал элемента. сос гоящий, мас.%: и сущ- редла- тродалами для этих изганические и синполимеры); пеки ности гаемо инстр(21) 4837429/08 (22) 06.03.90 (46) 07.05,92. Бю (71) Камское обь большегрузных а (72) В,И.Харченк (53) 621.791.75 (О (56) Тарабанов А рованный графи с, 10,Авторское св М 1037520, кл. В Изобретение относится к ду цессам в окислительных газовы может быть использовано в возд вой обработке токопроводящих м - воздушно-дуговой резке метал Известны электроды для воздушно-дуговой обработки (резки) металлов и сплавов. изготовленные из графита марок ЭГОО-ТУ 48 - 12 - 52 - 88, ЭГО-ТУ 48 - 12 - 5288, МГП - б- ТУ - 48 - 20 - 51 - 74, АР В - 1 - ТУ - 48 - 20-86-76. а также графита по прототипу посредством механической обработки до придания требуемых формы и размеров,Известны электроды, получаемые методом прессования (выдавливания) до необходимых формы и размероя по общепринятой технологии получения графитовых изделий, материалов, которые содержат 7 - 25% связующего вещества, остальное графитовая основа.Связующими материаделий обычно являя)-, ся ортетические материалы ( каменноугольные и нефтяные, и лит фенольные смолы фурано кремнийорганические связующ селиконовой связью) и др.В зависимости от физически ских свойств связующих вещест алов графитовой основы осущ технологические процессы фор нормализованных и специаль графита с заданными физическ ческими свойствами.Недостатками графитовых м используемых для изготовления воздушно-дуговой обработки низкое сопротивление окислени пературах горения электрическо кие электроэрозионная ст механические характеристики на растяжение, изгиб. ударная вКрем нийорганическаясмола 7 - 25Искусственныйграфит Остальное получаемый горячим прессованием при с=450 С и давлении 125-150 кгс/см с последующей термообработкой при 850 - 1280 в течение 2 мин,Недостатками данного материала являются низкая стойкость в окислительной среде при 2000-3000 С, низкие электроэрозионная стойкость и механические свойства (прочность на растяжение, изгиб, удар. ная вязкость). Это объясняется свойствами основного составляющего - искусственного графита. Обладая большой реакционной способностью обожженные углеродные материалы, к которым относится и искусственный графит, легко вступают в реакцию с кислородом воздуха и окислами металлов при температуре горения дуги, этим обьясняется низкая стойкость в окислительной среде,Низкая электроэрозионная стойкость объясняется как физическими свойствами графита, так и кинетикой реакций с химическими элементами самого электрода и элементами окружающей среды, так как концентрация реакционно-способного материала велика (графитовая основа), а результаты реакции зависят от концентрации реагирующих веществ и температуры протекания реакций. Так как молекулярная масса элементарного звена фенол-кремний- органической смолы равна 275, а атомная масса кремния равна 14. то в.смоле ее содержится 5 , оптимальное содержание смолы в графите 15 , а массовая доля кремния в материале электрода 0,75 .Учитывая равномерное распределение связующей смолы в объеме электрода и низкое процентное содержание в нем кремния (не более 1 ), можно утверждать, что кремний в малых количествах не оказываетсущественного влияния на стойкость электрода в окислительной среде, так как 1 кремния, содержащегося в материале электрода. связывается с 1 имеющегося в нем углерода, остальные 98 углерода разлагаются под действием электродуги в окись, двуокись углерода в струе сжатого воздуха, этим объясняется низкая стойкость противоокисления электродов в окислительной среде,Целью изобретения является повышение стойкости электрода в процессе воздушно-дуговой обработки в окислительной среде при температурах горения электрической дуги, повышение электроэрозионнпй стойкости, повышение физико-механических свойств путем обработки электродов 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 из искусственного графита в среде расплавленного кремния силицирования.Поставленная цель достигается тем, что электрод для дуговых процессов в окислительных средах, содержащий графит, дополнительно содержит, мас, ;Карбид кремния 38 - 71Кремний 4 - 10Графит Остальное Электрод для дуговых процессов в окислительных средах может быть получен из любых марок графита с пористостью 15 - 40;6, изготовленных как путем механической обработки, так и прессованием, выдавливанием, с последующей обработкой в расплавленном кремнии - силицированием. Процесс силицирования осуществляется погружением электродов в расплавленный кремний при 1550 - 2000 С в защитной среде (азот, аргон, вакуум), Для силицирования применяется чистый кремний марки КРОО, КРО или модифицированный цирконием, титаном, молибденом или другими редкоземельными металлами кремний,В процессе пропитки графита кремнием образуется трехфазная структура, состоящая из карбида кремния, кремния и углерода.Процентное соотношение фаз зависит от материала электрода, пористости, времени пропитки в кремнии, температуры расплава и т.д, Электроэрозионная стойкость, стойкость в окислительной среде при температуре горения электродуги, механические свойства и электропроводность зависят от соотношения фаз Я С, 31, С в графите после его силицирования,В табл, 1 приведены результаты испытаний до силицирования, в табл. 2 -то же, после силицирования (материал пропитки - чистый кремний КРОО, температура пропитки 1800 - 1850 С, время пропитки 45 - 60 с),Проведенные испытания показали, что наиболее отвечают требованиям стойкости в окислительной среде при температуре горения электродуги, электроэрозионной стойкости и механическим свойствам электроды для воздушно-дуговой обработки (резки), полученные путем силицирования из электродных и конструкционных графитов с пористостью 15 40 .При силицировании графитов с пористостью 50 и более резко снижается электропроводн ость из-за увеличения процентного соотношения фаз ЯС и Я и уменьшения графитной фазы (фазы и являются полупроводниками),Однако, учитывая наличие графитного каркаса, заполненного хаотически расположенными монокристэллами фаз Я 1 С и Я 1 в силицированном графите, и наличие примесей, они незначительно увеличивают свое электросопротивление в интервале пористости 15 - 40 О (табл, 1 и 2), Незначительное увеличение электросопротивления силицированного графита позволяет испольэовать его в качестве электрода для воздушно-дуговой обработки (резки) металлов и сплавов.Повышение стойкости силицированных электродов в окислительной среде объясняется как наличием в самом материале электрода фаз Я 1 С, Я 1, так и протеканием термохимических реакций, происходящих в рабочей зоне электродуги, при интенсивной подаче в зону дуги струи воздуха под давлением до 7 атм. Под действием интенсивной подачи воздуха в зону горения электрической дуги, кроме механического удаления (разбрызгивания) расплавленного металла, происходят следующие термохимические реакции кислорода воздуха с обрабатываемым металлом, с компонентами самого электрода, а также и взаимодействие азота, содержащегося в воздухе, с компонентами электрода с образованием инертных тугоплавких соединений;2 Ме+02 2 МеО;С+02 :. СОг,Я 1+ 02Я 102:ЗЯ 1+2 й 2 с -Я 1 ЗМ 4Я 1+С -.Я 1 С,В результате протекания термохимических реакций в зоне электродуги и на поверхности электрода образуются тугоплавкие, инертные материалы, свободные углерод и кремний в электроде взаимодействуют с образованием Я С (Ь=2830 С), вследствие этого резко падает реакционная способность углерода в материале электрода, Поступающий кислород воздуха связывается с обрабатываемым металлом, углеродом. кремнием, образует тугоплавкие окислы, азот также реагирует с Я 1, образуя нитрид кремния Я 1 зМ 4 температура возгонки 1900" С), Все это ведет к повышению стойкости электрода, Кроме этого, подача струи воздуха в зону резки охлаждает рабочую зону горящей дуги, что также способствует повышению стойкости электрода,Высокие механические и электроэрозионные свойства и стойкость при температуре горения дуги в окислительных средах силицированного графита объясняются наличием и взаимодействием всех трех фаз, содержащихся в электроде. графит - обеспечивает требуемую электропроводность при больших значениях тока, достигающих 500 - 600 А(за счет наличия графитового каркаса), прочность при горении дуги повыша ется, так как с повышением температуры прочность графита возрастает и достигает максимума при 2400 С; карбид кремния - ввиду своих физических, химических и механическихих свойств (твердость, близкая к твердости алмаза, износостойкость, термохимическая стойкость в окислительной среде при температуре горения дуги); кремний - которого в силицированном графите значительно меньше, чем Я 1 С и С, находится в рабочей зоне дуги в расплавленном состоянии и в виде паров, удерживается в зоне горения дуги в порах материала электрода, капилляра за счет сил адгезии и капиллярных сил и является реагентом - наполнителем обратимых реакций термодиссоциации: 51015 Я 1 С . - Я 1+С;2 Я 1+02 - Я 102ЗЯ 1+2 Й 2 ;: Я 13 Й 4 20 25 30 35 40 45 50 55 Все соединения, образующиеся в процессе горения электродуги, являются по всей природе инертными. Избыток кислорода воздуха (окислители), поступающего в зону горения, нейтрализуется за счет содержащегося в материале электрода несвязанного кремния с образованием инертного соединения Я 102 с т,пл. 1718 С, которое находится в зоне горения дуги в жидком состоянии на поверхности электрода, предотвращает тем самым интенсивное взаимодействие углерода с кислородом воздуха, а в самой электродуге происходит термодиссоциация Я 102 - Я 1+02, при которой кремний может связаться как с углеродом с образованием Я 1 С, так и с кислородом и азотом, образуя те же инертные.в окислительной среде соединения типа Я 102, Я 1 зй 4 и т,д, Таким образом. несвязанный химически кремний позволяет связать кислород воздуха и тем самым способствует повышению срока службы электрода в окислительных средах,Из графита различных марок, приведенных в табл, 1 и 2, были изготовлены два компонента электродов с прямоугольным сечением размера а х Ь х 1=8 х 16 х 360 мм и круглые Р 15 мм, длиной 360 мм, Один комплект заготовок оставили на контроль, другой комплект поместили в тигель с расплавленным кремнием марки КРОО, находящийся под защитой атмосферы азота, Заготовки выдерживались в расплаве кремния при 1800 - 1850 С в течение 0,7 - 2 мин. Затем брали поочередно контрольный электрод из первого комплекта и силицированный электрод из второго комплекта,. Далее проводили воздушно-дуговую резку металла (лист ст, 3 толщиной 5 мм) с помощМ электрода1731548 Таблича 1 Механические свойства, Мва лорис" тость Иамущаяся плотность, г/снз Истин" Состав исходного графита (связуо. щев + графитсвая основа) Марка исходного графита наяплотностьг/смз Пределпрочносги Пределпрочностина сжатие Сжатиепри2400 с на изгиб 1,86 1,58 20,0 88 43 172 Пек нефтянойЗГОТУ 48-12 40 162 1,78 1,53 26,0 во Пульвер-бакелит 15,ос- тальноеграфитоваяоснова 48,6 200 98 г,00 1,72 16,3 МПГ ТУ 48-20 Пульвербакелит 15-182,остальное -мелкодисперснэя графитовая ос- нова АРВ - 1 Смола ВИДИ-Б ТУ 48-20 1521 остдль 11-72 ное - графитовая основа 2,046 1,71 15,4 98 4 50 206 2,045 1,73 15,6 Пульеербакелит 15-182,остальноемелкодисперсная графитовая основа ЭЗПГТУ48-20-51-74 97,8 49,2 198,г 1,86 15, О 99,4 51,2 207,5 ПГ ТУ48-20-86-76 2,21 Пульвербакелит 15-202, остальноемелкодиспер" сная графитовая основа Графит поавт,св.1037520 1,96 1,70 16,2 89 э 5 4414 901 фенол ьнокрем- нийорганическая смола 151, остальное- искусственный графит(нз МПГ) из контрольного комплекта, затем электрО- да силицированного, огтределяли потерю веса электродов и фиксировалось время проведения резки, При резке металла при помощи контрольной партии электродов потеря массы электрода за 2 мин составило 30 - 40,3%, т,е. электрод за 2 мин сгорел на 1/3 длины и более.При резке того же металла с помощью силицированных электродов потеря массы за 30 мин непрерывной работы составила от 0,860 у графита марки ЭЭПГ(ТУ - 48-20-51- 74) до 1,22% у графита марки ЭГО (ТУ 48 12 - 52 - 88),Проанализировав данные табл, 1 и 2, можно сделать следующие выводы: графитовые материалы с пористостью 5-40% при силицировании в защитной среде повышают стойкость в окислительной среде и электроэрозионную стойкость в 100 - 120 раз при подаче воздуха со скоростью 40 м/с и т 2000 С за счет наличия в составе электрода компонентов. мас.%; ЯС 38-71Я 4-10С ОстальноеМеханические свойства возрастают до5 50%, удельное электросопротивление всреднем на 20%,Использование изобретения позволяетснизить расход электродов для воздушнодуговой обработки в 100 раз.10 Формула изобретения Электроддля дуговых процессов в окислительных средах, содержащий графит, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения стойкости преимущественно при воздушно-дуговой обработке, электрод дополнительно содержит карбид кремния и кремний при следующем соотношении ком понентов, мас,%:Карбид кремния 38-71Кремний 4 10Графит Остальное10 1731548 Продо 7 щение табл, 1,газмерыэлектрода,Стойкость в потоке газа Марка исходного граФита продувки Потерив массе 2 Время испыСко(Ю мм) прейску"ранту,руб/т тания,чСС СС ССкл СО СО СО 111 Л 1 йОО1 О О 1 хоойщхО. С Х О о о о -3 л -с 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Ю 1 й 1 1 о 1 )Хо 1 й 1 1Э Х 1 1- 1 й 1 % 1111 СОкОО1)оЮ йХОСа-т л:С Г 4 М С к лк 1ооОХ 1 СО со СО СРсч11 4 Сй1 йй 44о сйВХС 4юааоо с 1 й лй ХХ О 1- Х Хйоох,С О ай Хв ас сс л 1 Ко л о х огайо Ойй