SU1646757A1

SU1646757A1 - Сварочный электрод

Info

Publication number: SU1646757A1
Application number: SU894708432A
Authority: SU
Inventors: Игорь Константинович Походня; Игорь Романович Явдощин; Борис Владимирович Юрлов; Алексей Андреевич Алексеев; Александр Яковлевич Артемьев; Олег Георгиевич Соколов; Леонид Владимирович Грищенко; Виталий Иванович Петрыкин
Original assignee: Институт Электросварки Им.Е.О.Патона; Предприятие П/Я А-3700
Priority date: 1989-05-10
Filing date: 1989-05-10
Publication date: 1991-05-07

Abstract

Изобретение относитс к сварке, в частности к универсальным электродам с покрытием основного вида дл сварки конструкций из низколегированных сталей повышенной прочности с пределом текучести не менее 60 МПа, эксплуатируемых в арктических услови х. Цель изобретени - повышение хладостойкости металла шва и снижение в нем содержани диффузионного водорода, а также улучшение технологических свойств обмазочной массы. В качестве стержн примен етс низкоуглеродиста проволока следующего состава, мас.%: углерод 0.03 - 0,05; кремний 0,05 - 0,2; марганец 1,1 - 1.5; титан 0,05 - 0,12; молибден 0,2 - 0,3; никель 2,4 - 2,8: хром 0.1 - 0,2; железо остальное. Состав покрыти содержит , мас.%: мрамор 40 - 46; плавиковый шпат 20 - 26; рутил 8 - 14; титаносодержа- щий сплав 3 - 7,5; кремнийсодержащий сплав 2-5; алюминиево-магниевый сплав 1,5 - 3: гематит 2 - 2,5; диопсид 7 - 11; органические пластификаторы 0.5 - 1,0. В качестве кремнийсодержащего сплава примен етс ферросилиций или силикокальций состава, мас,%: кремний 40 - 60; кальций 10 - 25: железо остальное. В качестве титаносо- держащего сплава примен ютс сплавы, содержащие мас.%: либо титан 24 - 28; марганец 8-12; кремний 2,5 - 4,0; бор 0,9 - 2,0; алюминий 6-9: железо остальное; либо титан 30 - 35- кремний 2,5 - 5; марганец 1 - 2; алюминий 6 - 14; железо остальное. Коэффициент массы покрыти электрода составл ет 40 - 95%. 2 з.п. ф-лы, 6 табл. ё

Description

Изобретение относитс к области дуговой сварки, в частности к универсальным электродам с покрытием основного вида дл сварки конструкций из низколегированных сталей повышенной прочности с пределом текучести не менее 600 МПа. эксплуатируемых в арктических услови х.

Цель изобретени - повышение хладостойкости металла шва и снижение в нем содержани диффузионного водорода, а также улучшение технологических свойств смазочной массы.

Снижение содержани диффузионного водорода в металле шва достигаетс путем введени в состав покрыти гематита и уменьшени потенциального содержани водорода в покрытии вследствие уменьшени содержани в нем ферросплавов. Повы- шение хладостойкости металла шва достигаетс путем оптимального легирование металла шва через стержень определенного химического состава и его раскислени путем введени в покрытие сплавов, способных активно взаимодействовать с кислородом и модифицировать структуру металла

О

- о

4 СЛ VI

шва. Улучшение технологических свойств обмазочной массы достигаетс путем применени минерала диопсида и органических пластификаторов.

В сварочном электроде увеличение активности оксида железа достигаетс путем введени гематита в покрытие. Процентное содержание вводимых в покрытие компонентов гематита (2,0 - 2,5) и плавикового шпата (20 - 26) определено из расчета, чтобы обеспечить их соотношение не менее 1:13. Такое соотношение позвол ет достичь максимального выхода фторида железа и обеспечить дополнительное снижение содержани диффузионного водорода в металле шва до 5,0 см3/100 т наплавленного металла.

Верхний предел содержани плавикового шпата (26%) выбран из услови ограничени жидкотекучести шлака, чтобы обеспечить сварку на вертикальной плоскости способом снизу вверх. Нижний предел содержани плавикового шпата (20%) и гематита (2,0%) выбран из услови обеспечени низкого содержани водорода и достаточно низкого содержани кислорода в металле шва (не более 0,030 %). При содержании гематита более 2,5% уменьшаетс интенсивность образовани фторида железа , что приводит к росту содержани диффузионного водорода. Источником водорода в электродном покрытии вл ютс ферросплавы , содержание водорода в которых может достигать дес тков см /100 г. К наиболее водородонасыщенным ферросплавам относитс низкоуглеродистый ферромарганец и ферросилиций.

С целью уменьшени потенциального содержани водорода в покрытии легирование металла шва осуществл етс не через покрытие, а через сварочную проволоку следующего состава, мас.%:

Углерод0,03 - 0,05

Кремний0,05-0,20

.Марганец1,10-1,50

Титан0.05-0,12

Молибден0,20-0,30

Никель2,4-2,8

Хром0,10-0.20

Сера и фосфор соответственно каждый0,005 - 0,012 Высокое содержание марганца в проволоке позвол ет исключить необходимость делегировани г талла шва марганцем через покрытие и снизить количество ферросилици . При заданных пределах кремни и марганца в проволоке покрытие обеспечивает высокий переход марганца ( 70%) и кремни ( 50%), что обеспечивает состав металла шва, содержащий, мас.%: марганец 0,8 - 1,1; кремний 0,20 - 0,30. Процентное содержание никел в проволоке (2,4 - 2,8) выбрано из услови , что при коэффициенте перехода никел 0,95 - 0,98 соотношение никел к марганцу в металле шва составл ет 2,0 - 3,4, что обеспечивает высокую ударную в зкость металла шва при низких температурах до минус 70°С.

Пределы содержани молибдена (0.2 0 0,3%) в проволоке выбраны из услови , что при меньшей концентрации молибдена не достигаетс необходимый уровень прочности металла шва (предел текучести не менее 600 МПа), а при большей - возможно твер5 дорастворное упрочнение матрицы молибденом , что приводит к снижению пластичности и ударной в зкости металла шва при низких температурах.

Высока ударна в зкость металла шва

0 достигаетс низким содержанием вредных примесей (серы и фосфора) в проволоке (0,005 - 0,012%). Процентное содержание углерода в проволоке (0.03 - 0,05%) определено из услови обеспечени минимальной

5 объемной доли второй фазы с перлитно-кар- бидной структурой. Нижний предел (0,03%) определен технологическими возможност - ми процесса выплавки стали, а при содержании углерода более 0,05% наблюдаетс

0 увеличение объемной доли перлитной фазы, присутствие которой отрицательно вли ет на хладостойкость металла шва. Таким образом , в сварочном электроде химический состав проволоки, примен емой в качестве

5 сердечника, и состав покрыти выбраны из услови обеспечени необходимого химического состава металла шва без дополнитель- ного введени основных легирующих элементов (марганца, никел , молибдена) в

0 состав электродного покрыти , что гарантирует стабильность получени заданного химического состава металла шва и вл етс дополнительным приемом снижени диффузионного водорода в нем.

5 Раскисление и модифицирование металла шва достигаетс одновременным введением в состав покрыти сварочного электрода порошков сплава, содержащего титан и бор. и алюминиево-магниевого

0 сплава. Применение каждого из компонентов в отдельности не позвол ет обеспечить высокую ударную в зкость металла шва при температуре не менее минус 70°С. Одновременное введение указанных компонен5 тов позвол ет снизить содержание кислорода и азота, модифицировать неметаллические включени и участки второй фа- зы, уменьшить химическую и снизить структурную неоднородность металла шва. Применение одного только сплава, содержащего титан и бор (титан 24 - 28%, марганец 8 - 12%, кремний 2,5 - 4,0%, бор 0,9 - 2,0%, алюминий 6 - 9%, железо остальное), приводит к снижению содержани кислорода , но не оказывает вли ние на содержание азота, не оказывает вли ние на морфологию и дисперсность второй фазы и вызывает некоторое уменьшение размера первичного аустенитного зерна. Поскольку бор и титан обладают высоким сродством к азоту, то без дополнительного снижени азота возможно образование в металле шва нитридов бора и титана, выдел ющихс по границам фер- ритных зерен, что приводит к развитию хрупкого разрушени при отрицательных температурах. Применение одного только алюминиево-магниевого сплава позвол ет снизить содержание азота и кислорода, но не оказывает вли ние на химическую и структурную неоднородность. При одновременном применении указанных компонентов удаетс избежать образовани нитридов бора и титана и обеспечить модифицирование металла шва бором и магнием . Уменьшаетс степень окисленности алюминиево-магниевого сплава, что позвол ет прин ть участие магнию в модифицировании второй фазы в структуре металла шва. Полученна микроструктура характеризуетс наличием мелких зерен не более 50 - 70 мкм, с равномерно распределенными участками второй фазы со структурой остаточного аустенита; феррит представлен преимущественно игольчатой морфологией , зернограничный феррит отсутствует; снижаетс ликваци кремни , марганца, никел , серы и фосфора в теле и по границам первичного аустенитного зерна. Пределы содержани титанборосодержащего сплава (3,0 - 7,5) выбраны из услови обеспечени содержани бора в металле шва 0,0005 - 0,0015%; при меньшем содержании бора не достигаетс эффекта измельчени зерна, а большем возможны образовани частиц нитридов бора. При использовании ти- г.-1осодержащего сплава с бором содержание алюминиево-магниевого сплава должно составл ть 1,5 - 2,0%, что обусловлено необходимостью обеспечени суммарного содержани магни и бора в металле шва в пределах 0,001 - 0,003%. В этом случае обеспечиваетс получение микроструктуры с максимальной сопротивл емостью хрупкому разрушению при отрицательных температурах.

Пределы содержани ферросилици (2,0 - 5,0%) выбраны из услови обеспечени пластичности металла шва - не менее 20%. При содержании кремни менее 2,0% не обеспечиваетс раскисление металла

шва, а при содержании кремни более 5,0% возможно твердорастворное упрочнение матрицы кремнием, что приводит к росту прочности и снижению пластичности метал- 5 ла шва.

Допускаетс введение в состав покрыти сварочного электрода силикокальци следующего состава, мас.%: кремний 40 - 60, кальций 10 - 25, железо остальное. Пре0 делы содержани кальци (10 - 25%) в сили- кокальции выбраны из услови , что при меньшей концентрации не происходит модифицирование металла шва кальцием и, как следствие, не достигаютс требуемые

5 значени ударной в зкости, а при большей происходит активное взаимодействие сплава с жидким стеклом, в процессе приготовлени обмазочной массы, что вызывает разрушение покрыти при его нанесении на

0 стержень в процессе изготовлени сварочного электрода. Применение кремнекальци- евожелезистого сплава позвол ет заменить в покрытии титанборосодержащий сплав на титаносодержащий сплав следующего со5 става, мас.%: титан 30 - 35; кремний 2,5 - 5; марганец 1-2; алюминий 6 - 14; железо - остальное. В этом случае микролегирование и модифицирование металла шва осуществл етс совместно кальцием и магнием. При

0 использовании силикокальци и титаносо- держащего сплава без бора содержание алюминиево-магниевого сплава должно составл ть 1,5 - 2,0%, что обусловлено необходимостью обеспечени суммарного

5 содержани магни и кальци в металле шва в пределах 0,001 - 0,003%. Пределы содержани кремнекальциевой лигатуры (2,0 - 5,0%) и титаносодержащей (3,0 - 7.5%) выбраны из услови , что при меньших концен0 траци х указанных компонентов не достигаютс требуемые значени ударной в зкости, а при больших возможна опасность твердорастворного упрочнени фер- ритной матрицы кремнием и образовани

5 частиц карбидов (натридов) титана, что приводит к охрупчиванию металла шва при отрицательных температурах.

Допускаетс введение в состав покрыти совместно ферросилици и титаносо0 держащего сплава без бора. В этом случае микролегирование и модифицирование металла шва осуществл етс одним магнием, при этом содержание алюминиево-магниевого сплава должно составл ть 2,0 - 3,0%,

5 что обусловлено необходимостью обеспечени содержани магни в металле шва в пределах 0,0015 - 0,0035%. При данном содержании магни в металле шва образуетс мелкодисперсна структура игольчатого феррита, что позвол ет обеспечить хладостойкость металла шва при температуре не менее минус 70°С.

При содержании магни в металле шва менее 0,0015% образуетс структура перлита и пластинчатого феррита, при содержании более 0,0035% происходит укрупнение зерна, что приводит к охрупчиванию металла шва при отрицательных температурах. Пределы содержани ферросилици (2,0 - 5,0%) и титаносодержащего сплава (3,0 - 7,5%) выбраны из услови , что при меньших концентраци х указанных компонентов не достигаетс достаточна раскисленность металла шва, а при больших возможна опасность твердорастворного упрочнени матрицы кремнием и образовани частиц карбидов (нитридов) титана, что приводит к охрупчиванию металла шва при отрицательных температурах.

В сварочном электроде высокие технологические свойства обмазочной массы обеспечиваютс введением минерала диоп- сида (в виде диопсидового концентрата) и органических пластификаторов - целлюлозы , карбоксиметилцеллюлозы. Нижний предел содержани диопсида (7%) выбран из услови обеспечени хорошего истечени обмазочной массы из головки пресса и высокой прочности сырого покрыти электродов , что позвол ет изготавливать электроды на конвейерных лини х. При содержании диопсида более 11 % наблюдаетс уменьшение температуры плавлени электродного покрыти , в результате чего на торце электрода не образуетс втулка из нерасплавив- шегос покрыти , что приводит к примерзанию электрода в процессе сварки и снижению стабильности горени дуги посто нного тока. Процентное содержание органических пластификаторов (0,5 - 1,0) и соотношение содержани целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы (2:1) выбрано из услови обеспечени сокращени времени приготовлени обмазочной массы. При меньшем содержании органические пластификаторы не оказывают вли ние на технологичность обмазочной массы, а при большем содержании возможно частичное науглероживание металла шва, св занное с остатками в покрытии продуктов деструкции органических веществ при термообработке электродов. Выбранное соотношение целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы обеспечивает стабильное качество обмазочной массы при применении в качестве св зующего электродного покрыти натриево-калиевого жидкого стекла с характеристиками: в зкость 300 - 800 мПа с, плотность 1410 - 1450 кг/м3 при модуле 2.75-3.15.

Пределы содержани рутила (8,0 - 14,0%) выбраны из услови обеспечени хорошего формировани металла шва и отделимости шлаковой корки. При содержании

рутила менее 8,0% не обеспечиваетс легка отделимость шлаковой корки и формируетс металл с пружинной чешуей с неравномерным сечением по длине. При содержании рутила больше 14% достигаетс

0 отлична отделимость шлака, однако из-за снижени в зкости шлака невозможно получить валик требуемого катета при сварке угловых швов в нижнем и вертикальном положени х .

5 Введение мрамора в покрытие обусловлено необходимостью обеспечить надежную газошлаковую защиту расплавленного металла и улучшить физико-химические характеристики расплавленного шлака. При

0 содержании мрамора меньше 40% не обеспечиваетс надежна защита расплавленного металла, что вызывает повышение содержани водорода и азота в металле шва. При содержании мрамора более 46%

5 при сварке в результате диссоциации карбоната образуетс значительное количество СОа в атмосфере дуги, вызывающее конт- рагирование дуги и сильное разбрызгивание электродного металла, что ухудшает

0 внешний вид сварного шва.

Конкретные составы электродного покрыти приведены в табл.1 - 3 (в составах 1, 5, 6, 10, 11 и 15 компоненты берут в количестве , выход щем за указанные пределы).

5 Покрытие нанос т на стержни следующего состава, мас.%: углерод 0,04; кремний 0,14; марганец 1,32; титан 0,10; молибден 0,24; никель 2,64; хром 0,13; сера 0,006; фосфор 0,010.

0 В покрытии электродов (составы 1-5, табл.1) ввод т титаносодержащий сплав следующего состава, мас.%: титан 27,1; кремний 3,9; марганец 9,1; бор 1,5; алюминий 8,3; железо - остальное. В покрытие

5 электродов (составы 6-10, табл.2) ввод т титаносодержащий сплав следующего состава , мас.%: титан 31,2; кремний 3.1; марганец 1,7; алюминий 8.8; железо - остальное. В покрытие электродов (составы

0 11 - 15, табл.3) ввод т силикокальций следующего состава, мас.%: кремний 48,3; кальций 18,2; железо - остальное.

При изготовлении обмазочной массы предлагаемого сварочного электрода ис5 пользуетс натриево-калиевое жидкое стекло с модулем не менее 2,8, плотностью 1415 - 1440 кг/м3 и в зкостью 300 - 700 мПа с. количество стекла 24 - 27%. Плотность, в зкость и количество жидкого стекла корректируютс в зависимости от модул жидкого

стекла. Чем выше модуль жидкого стекла, тем меньше плотность и в зкость жидкого стекла и тем меньше его количества требуетс дл обеспечени необходимой пластичности и прочности обмазочной массы. Обмазочна масса наноситс методом оп- рессовки на стержни из низколегированной проволоки.

Электроды после опрессовки подвергают или сушке в течение 18 - 24 ч при 18 - 24°С, после чего провод т термообработку в камерных печах при (420±10)°С в течение 1,0 - 1,5 ч, или термообработке в конвейерных печах на режимах, установленных технологической инструкцией.

При сварке электродами диаметром 4 мм от ВДУ-506 на режимах: сварочный ток 150- 170 А, напр жение 21 -23 В, скорость сварки 16-20 см/мин, установлено, что электроды обеспечивают стабильное горение дуги посто нного тока, малое разбрызгивание расплавленного металла, хорошее формирование металла шва, легкую отделимость шлаковой корки, высокую стойкость против образовани пор и кристаллизационных трещин.

При испытани х определ ют химический состав наплавленного металла и содержание диффузионного водорода {табл.4), механические свойства металла шва на стали 12ХНЗМД по ТУ толщиной 40 мм (табл.5), технологические свойства обмазочной массы (табл.6).

Механические свойства оценивают по величинам предела текучести и относительного удлинени , определ емых на образцах типа II при испытани х на статическое раст жение при 20°С, и по величине ударной в зкости, определ емой при испытани х на ударный изгиб образцов типа VI и IX при минус 60 и минус 70°С. Содержание диффузионного водорода определ ют хрома- тографическим методом, дающим результаты, сопоставимые с методом по ГОСТ, но обладающим экспрессностью.

Пластичность электродных обмазочных масс сварочного электрода оценивают по величине пластической прочности Рт (конический автопластометр ОБ 2059) и характеру и величине давлени экструзии Рэ (капилл рный вискозиметр ОБ 1435). Лучшей считаетс та обмазочна масса, котора при равном давлении экструзии имеет более высокую пластическую прочность. Как видно из данных табл.6, увеличение содержани диопсида от 7 до 11 % (составы 4 - 2, 9 - 7, 14 - 12) приводит к увеличению пластической прочности обмазочной массы при практически одинаковом давлении экструзии , При содержании диопсида меньше

выбранного предела (составы 5, 10 и 15) пластическа прочность низка , что не позвол ет получить качественное покрытие электродов при их изготовлении на конвей- 5 ерных лини х. При содержании диопсида больше выбранного предела (составы 1, 6 и 11) пластическа прочность обмазочной массы растет, однако из-за уменьшени размера втулки из нерасплавившегос по0 крыти на торце электрода приводит к нару- шению стабильности горени дуги посто нного тока, что выражаетс в склон- кости электрода к примерзанию. Это вызвано тем, что при неизменном размере

5 капли уменьшаетс длина дуги и увеличиваетс частота коротких замыканий.

Как видно из приведенных результатов, электроды (состава 2 - 4, 7 - 9. 12 - 14) обеспечивают содержание диффузионного

0 водорода менее 5 см /100 г наплавленного металла, обеспечивают хладостойкость металла шва при минус 70°С, обеспечивают высокие технологические свойства обмазочной массы.

5 Испытани сварочных электродов (составы 1. 5, 6, 10, 11 и 15), содержани компонентов покрытий которых выход т за указанные пределы, показывают, что ни один из них не обеспечивает одновременно

Claims

0 высокой хладостойкости металла шва при минус 70°С, низкого содержани диффузионного водорода и высоких технологических свойств обмазочной массы. Формула изобретени

5 1. Сварочный электрод дл сварки низколегированных сталей с пределом текучести не менее 600 МПа, состо щий из низкоуглеродистого стального стержн , содержащего углерод, кремний, железо, мар0 ганец, серу, фосфор, и покрыти , содержащего мрамор, плавиковый шпат, рутил, титаносодержащий компонент, кремнийсодержащий компонент, алюмини- ево-магниееую лигатуру, пластификатор, о т5 личающийс тем, что, с целью повышени хладостойкости металла шва и снижени в нем содержани диффузионного водорода, а также улучшени технологических свойств обмазочной массы, стержень

0 электрода дополнительно содержит титан, молибден, никель, хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,03 - 0,05

Кремний0,05 - 0,2

5Марганец1,1 - 1,5

Титан0,05-0,12

Молибден0,2 - 0,3

Никель2,4 - 2,8

Хром0,1 -0.2

ЖелезоОстальное

а состав покрыти дополнительно содержит гематит, диопсид, в качестве кремнийсодер- жащего компонента введен ферросилиций или силикокальций состава, мае. %: кремний 40 - 60, кальций 10 - 25, остальное железо, а в качестве титаносодержащего компонента введен титаносодержащий сплав, в качестве пластификатора обмазочной массы введены органические вещества - целлюлоза и карбоксилметилцеллюлоза в соотношении 2:1, при содержании компонентов, мас.%: Мрамор40,0 - 46,0

Плавиковый шпат20,0 - 26,0

Рутил. 8,0 - 14,0

Титаносодержащий сплав 3,0 - 7,5 Кремнийсодержащий сплав 2,0-5.0 Ал юминие во-магниевый сплав1,5-3,0

Гематит2,0-2.5

Диопсид7,0 - 11,0

Органические пластификаторы0 ,5 - 1.0

при этом коэффициент массы покрыти составл ет 40 - 45%.
2.Электрод поп.1,отличающий- с тем. что титаносодержащий сплав имеет

следующий состав, мас.%:

Титан24 - 28 Марганец8-12

Кремний2,5 - 4,0

Бор0,9-2,0 Алюминий6-9

ЖелезоОстальное

--w
3.Электрод поп.1,отличающий- с тем, что титаносодержащий сплав имеет

следующий состав, мас.%:

Титан30 - 35

Кремний2,5 - 5,0 Марганец1 - 2

Алюминий6-14

ЖелезоОстальное

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Продолжение табл. 4

Таблица 5

Таблица 6