Состав электродного покрытия

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихреспублик и 933337(22) Заявлено 27, 11,80 (21) 3009057/25-27 с присоединениеат заявки РЙ -Гооудвротвеай квинтет СССР пв делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С. М. Кирова(54) СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ Изобретение относится к области сварки, в частности к составу электродного покрытия, применяемого преимущественно для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей.Известны различные элетроаные покры 5 тия, например состав 1 т 1 содержащий следующие Компоненты, вес.%:Мрамор 40-45Плавиковый шпат 20-25тоРутиловый ксашентрат 5-10ферромарганец 4-6ферросилиций 2-5ферротитан 6-1215 . Никель 4-8Хром 3-6ферромолибден 1-3Алюминиевый порошок 1-3Целлюлоза 1-4 Однако металл шва,выполненный известным электродом, имеет склонность к образоициио трещин. Наиболее близким по составу к изобретению является электродное покрытие 2,содержащее следующие компоненты, вес,%:Мрамор 35-45Плавиковый шпат 20-25Рутиловый ксатцентрат 5- 10ферромарганец 4-6ф е рросилици й 2-5ферротитан 6-12Никель 3 8Хром 2-6ферромолибден 1-3Целлюлоза 1-4фе рробор О, 1-3Алюминиево-ма гниевая лигатура 1-3 .Цирконовый концентрат 5-8Ощтако металл шва, полученный иэвестным электродом, имеет склонность к образованию трещин и обладает недостаточно высокими сварочно-технологическими свойствами.3 0333Целью изобретения является улучшение сварочно-технологических свойствэлектродов и снижения склонности металла шва к образованию трещин.Поставленная цель достигается тем, что 5состав электродного покрытия, содержащиймрамор, плавиковый шпат, рутиловый концентрат, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, ферромолибден, ферробор, никельи хром дополнительно содержит феррованаций, ферроиттрий и гематит при следуюшем соотношении компонентов, вес.%;Плавиковый шпат 5-11,6Рутиловый концентрат 10,5-22Ферромарганец 1,5-2,5 15Ферросилиций 2-4, 5Ферротит ан 0,44Никель 12-32Хром 1,5-7Фе рр омолиб ден 32-8,4 щФеррованадий 1, 1-4Ферробор 0,03-2ферроиттрий 0,54Гематит 4,7-10,6Мрамор Ост альное. 25В качестве связующего материала приизготовлении электродного покрытия используется жидкое натриевое стекло в количестве 22-25% к весу сухой смеси.Такое покрытие обеспечивает получение более высоких прочностных и пластических свойств сварных соединений без применения термической обработки. При сварке не требуется предварительный и сопутствующий подогрев, обеспечиваетсявысокая стабильность горения дуги, хоро 35 шее формирование наплавленного металла, легкая отделяемость шлаковой корки и малое разбрызгивание.Введение в состав электродного покрытия 12,32 вес.%никеля, 1,5-7 вес,Ьо 40 хрома, 3,2-8,4 вес.% ферромолибдена, 1,1-4 вес.% феррованадия (ссновные легируюшие элементы) обеспечивает получение металла шва со структурой пластичного никелевого мартенсита, в котором45 достигается достаточно высокая плотность свободных дислокаций. Наличие свободных дислскаций способствует релаксации нап- ряжений, возникающих в процессе охлаждения металла шва и околошовной зоны. 50Пределы содержания указанных компонентов подобраны таким образом; чтобы структура направленного металла всегда представляла мартенсит замешения. При меньших содержаниях происходит образо ванне массивного феррита (высокая температура- .с( -превращения), ри больших содержаниях - присутствует оста 37 4точный аустенит (низкая температура ) - э с- превращения).Никель является основным ле пирующим элементом, участвуюшим в образовании мартенсита замещения. Легированне никелем "нижает сопротивление кристаллической решетки железа движению свободных дислокаций и уменьшает энергию взаимодействия дислокации с атомами внедрения (углерода), поэтому облегчается релаксация напряжений и уменьшается склонность металла шва к хрупкому разрушению.Верхнее содержание никеля ограничено тем, что ан снижая температуру начала- э- с - преврашения, спссобствует появлению в структуре остаточного аустенита. Нижнее содержание никеля ограничено с целью исключить появленье в структуре массивного феррита, поскольку последний (подобно аустениту) резко сникает релаксационную способность материала при- ь А -превращении и прочностные характеристики металла шва.Хром при указанных содержаниях упрочняет одновременно матрицу и границы зерен, в связи с этим при возрастании прочнссти пластичность и ударная вязкость практически не меняются. Повышеннсе содержание хрома приводит к охрупчиванию границ зерен и межзеренных прослоек за счет появления избыточного количества карбидов, вследствие чего резко снижаются пластичность и ударная вязкость. При малых содержаниях никеля введение хрома способствует образованию мартенсита замещения, снижая температуру начала у - ъ с - превращения.Ванадий и молибден, вводимые в виде феррованадия и ферромолибдена снижают температуру начала мартенситного Й. - превращения, связывают примесный углерод в карбиды и выводят его из твердогораствора, Необходимость связывания примесного углерода в карбиды и ограничения его содержания в металле шва до 0,09% вызвана тем, что углерод образует твердые растворы внедрения, которые блокируют рислокации. Закрепление дислокаций, вызваннсе атомами внедрения, повышает сопротивление пластической деформации и, следовательно, снижает релаксационную способность мартенсита. Кроме того, феррованадий и ферромолибден, введенные в указанных количествах совместно, улучшают механические свойства сварного шва при комнатной и пониженных температурах. Введение их в больших количествах может привести к дисперсионному твердению лартенсита и появлению хрупкости.9333 0,1% (до 2,0 вес,% ферробора в покрьтии). При более высоких содержанияхбор способствует укреплению зерна и появлению боридной эвтектики, располагающейся по границам зерен, что йриводит крезкому снижению пластических свойствнаплавленного металла.С целью улучшения переноса электродного металла и снижения потерь на разбрызгивание в состав электродного покрь- тия вводится 4,7-10,6 вес.% гематита.При плавлению стержня и электродногопокрытия, содержащего окислы железа,резко уменьшается время существованиякапель, их размеры. Чем больше в покрытии окислов железа, тем более резкоэто проявляется,что связано со значит ельным снижением межфазного натяжения на границе шлак-металла, С увеличением соцержания гемцтита в электродном покрытии перенос электродного,металла меняется от срецнекапельного домелкокапельного. Резко снижаются потери на разбрызгивание. Нижний прецел соцержания гематита определяется началомзаметного влияния на уменьшение разбрызгивания, верхний предел - образованием в наплавленном металле оксидов, которые снижают пластичность и хладностойкость металла, а также способность сопротивляться зарождению и распространению трещин. 1,5-2,5 вес.% ферромарганца и 2,0-4,5 вес.% обеспечивают хорошее раскисление металла сварочной ванны и не оказывают побочного влияния наструктуру и свойства металла шва. Приукаэанных содержаниях получаются продукты раскисления с относительно невысокой температурой плавления, что облег- чает их коагуляцию и удаление на поверхность ванны.Газошлаковая система, ссстоящая иэмрамора, 5-11,6 вес.% плавикового шпата и 10,5-22 вес.% рутилового концент"рата, обеспечивает надежную защиту и.хорошую отделяемость шлаковой корки, способствуют удалению из расплавленногометалла газов и неметадлических включе ний. Данны гаэошлаковая система поэволяет выполнять сварку в любом пространственном положении.Таким образом, данное покрытие поэволяет получить металл шва с улучшенными сварочно-технологическими свойствами и механическими характеристиками.. Наплавленный металл получается со структу рой пластичного 1 никелевого мартенсита, который обеспечивает релаксацию напряжений в шве и основном металле в проферробор, вводимый в количестве 0,03- 2,0 вес.%, способствует измельчаппо зерен первичной кристаллизации. Ввиду чрезвычайно малой растворимости бора вметаллах и их сплавах (растворимость в д. -железе не превышает 0,10%), а также способности бора как поверхностно-актив ного элемента обогащать границы зерен и другие места скоплений несовершенств кристаллического строения, образование боридов имеет место уже при очень малыхсодержаниях бора (0,001%), Образуя ту 5 О гоплавкие соединения с металлами, а также с азотом и кислородом, бор, будучи активным раскислителем, одновременно действует как активный модификатор (особенно при совместном введении с титаном), измельчая зерно первичной кристаллизации. Измельчение зерна первич ной кристаллизации наблюдается только при соцержании бора в металле цо: 5Содержание 0,5-4,0 вес.% ферроиттрия в электродном покрытии позволяет повысить репаксапионную способность мартенсита и механические свойства за счет очишения границ зерен от примесей, так как 5 иттрий, обладая высоким сродством к ки слороцу и сере, благоприятно изменяет состав, форму и расположение неметаллических включений в металле шва. Нижний предел ограничивается началом действия, а верхний - когда эффективность его становится максимальной при экономической целесообразности.Введение 0,4-4,0 вес.% ферротитана обеспечивает повышенную стойкость наплавленного металла к образованию горя. чих трещин. Горячие трещины в металле шва без титана проходят по сульфидным цепочкам и пленкам. Титан видоизменяет, дезориентирует микроструктуру металла 2 О шва, способствует разрушению сульфидных включений. На стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин наиболее благоприятно сказывается появление разобщенных, тугоплавких сдож ных титанистых сульфицных фаэ (сульфидов, карбосульфидов титана и др), сравнительно равномерно распределенных по границам цезориентированных кристаллов, в их межосных пространствах. При ЗО содержании ферротитана в покрытии более 4,0 вес.% в наплавленном металле появляются сложные титанистые фазы, которые колониями или группами оконтуривают границы первичных кристаллитов, что приводит к снижению стойкости против образования горячих трещин.Снижение остаточных напряжений и деформаций в 1,3-5 раз и улучщзние качества металла: шва приводит к улучшению эксплуатационной надежности сварной конструкции. Очень опасным является искажение расчетных геометрических сеченийэлементов и конструкций в цепом в результате деформаций. Это явление можетпривести к появлению неучтенных напряжений при эксплуатации конструкции и выходу ее из строя. Искажение формы трубопроводов и других изделий может сушественно изменить эксплуатационные характеристики сварного изделия.При сварке сосудов, работакацих под давлением, в шве возникают растягивающие напряжения) остаточные плюс рабочие), равные или превышающие предел текучести, что приводит (при недостаточной информационной способности металла или наличии концентратов напряжений) к разрушению шва или основного металла в околошовной зоне при эксплуатации сосуца. Высокие. остаточные напряжения являются также необходимым (силовым) компо 7 933цессе их охлаждения, что приводит к снижению уровня остаточных напряжений и деформаций в шве и сварной конструкции вцелом.Ниже приведены варианты выполненияпредлагаемого состава электродного покрытия, не исключающие других в пределахформулы изобретения (табл. 1).Данные варианты покрытий в сочетаниис электродным стержнем из проволоки СВ-О08 А обеспечивают получение направленного металла следукнцего химического состава (табл, 2) в % на массе.Лабораторные испытания по замерудеформации (стрелы прогиба) при наплавке валика на кромку пластины показали, что деформация при наплавке электродами с предлагаемым покрытием в1,5-2 раза меньше, чем при наплавкеэлектродами с известным покрытием(табл. 3),Кроме того, определялись коэффициенты разбрызгивания и замерялись остаточные напряжения в сварном стыковом соединении после сварки электродами с известным и предлагаемым покрытиями(табл. 3),Проведейные испытания показали, чтоуровень остаточных напряжений и деформаций при сварке электродами с предлагаемым покрытием в 1,Зраз ниже,30а разбрызгивание электродного металлав 1,5-5,5 раз меньше, чем при сваркеэлектродами с известным покрытием.Применение электродов с данным покрытием позволит снизить трудоемкостьсварной конструкции в 1,2-1,5 раза (взависимости от сложности конструкции иее назначения), Это достигается за счетснятия терм ообработок после сварки, правки, подгонки, подрубки и т.п. Например,Ювысокий отпуск сварных конструкций, пообьему своего применения значительнопре восходяший все остальные методыснижения напряжений, занимает по времени несколько часов, что вриводит к повышению трудоемкости изготовления сварной конструкции. Остаточные деформациив значительном большинстве случаев затрудняют сборку элементов сварных конструкций, а в отдельных случаях делают 50ее невозможной без предварительной подганки, Это усложняет технологию и увеличивает трудоемкость. Например, послесварки тонких листов в результате потериустойчивости коробление настолько значительно, что сваренные ранее пластиныневозможно собрать между собой, не применив перед сваркой их правку, Отдеь 337 8ные элементы сложных балочных кснструкций перед сборкой, как правило, должны подвергаться правке, так как они не могут быть собраны иэ-за наличия больших зазоров от изгиба.Трудоемкость снижается также и на стадии зачистки сварной конструкции от брызг электродного металла. На отдельных конструкциях время зачистки составляет 15-20% от времени ее сварки. Использование электродов с предложенным покрытием повысит качество изготовления и снизит себестоимость сварной конструкции на 10-30%, так как снижаются потери электродного металла, отпадает потребность (частично или полнсстью) в оборудовании для термической обработки, правки, зачистки от брызг и обслуживающем его персонале, Уменьша ются припуски на механическую обработку деталей, так как возникаюшие в процессе сварки деформации заготовки требуют назначения повышенных припусков. Например, толщину стенок вала, который должен быть обработан после сварки снаружи и внутри, необходимо назначать большей на 5-10%, из-за появления углового излома в зоне кольцевого шва. Аналоечные случаи имеют место и в протяженных сварных деталях другого типа (тавры, двутавры, бааж коробчатого бечения, сложные профили и т.д.).9 933337 10нентом условий возникновения и развития И, наконец, снижение остаточных дехолодных технологических трещин в пе- формаций позволит улучшить внешний вид риод времени, непосредственно следующий изделия,что в основном относится к различ за сваркой. ным листовым обшивкам машины и аппаратов. Таблиц а 1 Компонент вариант 3 Плавикоыфй шпатРутиловый концентрат 8,0 5,0 10,5 11,6 22,0 16,0 2,0 1,5 2,0 4,5 3,0 4,0 0,4 2,0 12,0 32,0 23,0 4,0,3 ан кель 4,47 7 2 ром 2 олиб 0,71 0,08 В 0;100,07 ттрн 0 Угл т Э фе рр омар ганецферросилицийферротитанНикель933337 12 Таблица 3 1,35 2,9 Вариант 1 Вариант 2 , Вариант Э 135 0,971,03 . 42 1,3 121 0,8 С известнымпокрытие м 134 1,98 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе,1. Авторское свидетельство СГСР М 447236, кп, В 23 К 35/365, 1974. 2, Авторское свидетельство ( ССР М 535147, кл. В 23 К 35/365, 1975Составитель Н. КозловскаяРедактор Л, Утехина ТехредЕ,Харитончик Корректор А, Дзятко Заказ 4022/17 Тираж. 1153 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Формула изобре тения Состав электродного покрытия, преимущественно для сварки малоуглеродистых 20 и низколегированных сталей, содержащий мрамор, плавиковый шпат, рутиловый концентрат, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, ферромолибден, ферробор, никель и хром, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,ф с целью улучшения сварочно-технологических свойств электродов и сниженйя склонности металла шва к образованию трещин, он дополнительно содержит феррованадий, ферроиттрий и гематит при следующем со Зй отношении компонентов, вес.%:Плавиковый шпат 5-11,6 Рутиловый концентрат 10, 5-22 Ферр омар ганец 1 ф 5 2 в 5 ферросилицийФерротитанФерромолибденФерроборНикельХрамФ ер рована дийФерроиттрийГематитМрамор 2 4,50,4 43,2-8,4О,О 3-212-321,5-71, 1-40,5 44,7- 10,6Остальное